基于膜片形變的非本征法布里-珀羅干涉光纖低壓傳感器的研究

基于膜片形變的非本征法布里—珀羅干涉光纖低壓傳感器的研究通過對(duì)油庫儲(chǔ)藏設(shè)施的液位壓力、水庫大壩的滲壓、特殊環(huán)境的聲波信號(hào)以及生物體內(nèi)壓力的高靈敏和精確監(jiān)測,準(zhǔn)確獲取壓力/壓強(qiáng)信息,對(duì)這些領(lǐng)域的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高有重要意義。光纖傳感技術(shù)因體積小、重量輕、本質(zhì)安全、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而成為上述領(lǐng)域壓強(qiáng)監(jiān)測的研究熱點(diǎn)。本文將圍繞DEFPI(Diaphragm-Deformation-BasedExtrinsicFabry-PerotInterferometric)光纖低壓傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備技術(shù)和材料選取展開深入研究,提高傳感器的性能。論文的主要工作如下:對(duì)DEFPI光纖傳感器的基本原理、膜片的形變機(jī)理和測壓原理作了詳細(xì)分析,深入討論了DEFPI光纖傳感器輸出信號(hào)質(zhì)量的各影響因素以及F-P光纖傳感器干涉信號(hào)的解調(diào)算法,分析了采用干涉-強(qiáng)度解調(diào)方法探測動(dòng)態(tài)壓力時(shí)工作點(diǎn)穩(wěn)定的問題。為了提高傳感器的性能研究了熔融石英材料與激光的相互作用,在此基礎(chǔ)上提出了全激光焊接熔融石英材料的DEFPI光纖傳感器。結(jié)合先進(jìn)的微機(jī)電控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)并搭建了激光焊接的光路系統(tǒng),研究了熔融石英材料的CO2激光熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊接工藝,實(shí)現(xiàn)了30μm厚的超薄熔融石英膜片的熱傳導(dǎo)焊接,首次提出了激光深熔點(diǎn)焊的方法將光纖固定在準(zhǔn)直毛細(xì)管內(nèi)壁,同時(shí)激光焊接的過程中形成F-P腔的導(dǎo)氣孔,導(dǎo)氣孔對(duì)改善溫度壓力交叉敏感性等性能有重要作用。相對(duì)傳感器的激光環(huán)形焊接,激光深熔點(diǎn)焊能夠有效提高傳感器的性能,降低制備工藝要求。利用設(shè)計(jì)、制備的DEFPI光纖低壓傳感器進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用的可行性評(píng)估。首先,利用傳感器對(duì)12m量程的水位進(jìn)行了測試,靈敏度為52.5nm/m,分辨率為6.8Pa(0.7mm的水位),遲滯誤差為0.06%F.S.,溫度交叉敏感性為0.013nm/℃。針對(duì)大溫度變化環(huán)境的應(yīng)用,采用了FBG(FiberBraggGrating)與F-P(Fabry-Perot)腔串聯(lián)復(fù)用的方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償,利用316L不銹鋼封裝后在100℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了有效補(bǔ)償。其次,針對(duì)水庫大壩滲壓的監(jiān)測需求,修改設(shè)計(jì)了熔融石英材料的傳感器結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用于O～1MPa的滲壓監(jiān)測。結(jié)果表明,傳感器的分辨率為2.3Pa,遲滯特性為0.021%F.S.,壓強(qiáng)的長期波動(dòng)范圍約為0.8kPa。第三,針對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測量時(shí)傳感器的工作點(diǎn)穩(wěn)定問題,設(shè)計(jì)了基于ASE(AmplifiedSpontaneousEmission)光源結(jié)合可調(diào)諧F-P濾波器的方案解決動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)測量時(shí)工作點(diǎn)的漂移問題,并將傳感器應(yīng)用于變壓器油中40kHz的超聲波信號(hào)測量,靈敏度為6.59mV/kPa。針對(duì)生物體內(nèi)的壓力測量需求,提出了具有生物相容性的殼聚糖作為膜片材料,采用戊二醛活性基團(tuán)交聯(lián)的方法對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性,分析并設(shè)計(jì)了交聯(lián)殼聚糖膜的制備工藝以及與熔融石英準(zhǔn)直毛細(xì)管端面的穩(wěn)固結(jié)合方法,制備了致密性高、楊氏模量為900MPa、折射率為1.73、與毛細(xì)管端面粘附力強(qiáng)的殼聚糖壓力敏感膜片,構(gòu)成基于改性殼聚糖薄膜的DEFPI光纖低壓傳感器。利用傳感器對(duì)模擬顱內(nèi)壓的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測,在0～24.4kPa的量程內(nèi),其靈敏度為25.79nm/kPa,分辨率為1.2Pa,遲滯誤差為0.16%F.S.,考慮不同溫度時(shí)水密