【摘要】：通過對油庫儲藏設(shè)施的液位壓力、水庫大壩的滲壓、特殊環(huán)境的聲波信號以及生物體內(nèi)壓力的高靈敏和精確監(jiān)測,準確獲取壓力/壓強信息,對這些領(lǐng)域的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟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)點而成為上述領(lǐng)域壓強監(jiān)測的研究熱點。本文將圍繞DEFPI(Diaphragm-Deformation-Based Extrinsic Fabry-Perot Interferometric)光纖低壓傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、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DEFPI光纖傳感器的基本原理、膜片的形變機理和測壓原理作了詳細分析,深入討論了 DEFPI光纖傳感器輸出信號質(zhì)量的各影響因素以及F-P光纖傳感器干涉信號的解調(diào)算法,分析了采用干涉-強度解調(diào)方法探測動態(tài)壓力時工作點穩(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)合先進的微機電控制系統(tǒng),設(shè)計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焊的方法將光纖固定在準直毛細管內(nèi)壁,同時激光焊接的過程中形成F-P腔的導(dǎo)氣孔,導(dǎo)氣孔對改善溫度壓力交叉敏感性等性能有重要作用。相對傳感器的激光環(huán)形焊接,激光深熔點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、制備的DEFPI光纖低壓傳感器進行了實際應(yīng)用的可行性評估。首先,利用傳感器對12m量程的水位進行了測試,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/℃。針對大溫度變化環(huán)境的應(yīng)用,采用了 FBG(Fiber Bragg Grating)與F-P(Fabry-Perot)腔串聯(lián)復(fù)用的方式進行溫度補償,利用316L不銹鋼封裝后在100℃范圍內(nèi)實現(xiàn)了有效補償。其次,針對水庫大壩滲壓的監(jiān)測需求,修改設(shè)計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.,壓強的長期波動范圍約為0.8kPa。第三,針對動態(tài)壓力測量時傳感器的工作點穩(wěn)定問題,設(shè)計了基于ASE(Amplified Spontaneous Emission)光源結(jié)合可調(diào)諧F-P濾波器的方案解決動態(tài)壓強測量時工作點的漂移問題,并將傳感器應(yīng)用于變壓器油中40kHz的超聲波信號測量,靈敏度為 6.59mV/kPa。針對生物體內(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交聯(lián)的方法對殼聚糖進行改性,分析并設(shè)計了交聯(lián)殼聚糖膜的制備工藝以及與熔融石英準直毛細管端面的穩(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、與毛細管端面粘附力強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。利用傳感器對模擬顱內(nèi)壓的環(huán)境進行監(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.,考慮不同溫度時水密度的變化與水位測量的可讀性誤差后,傳感器的測量誤差為9.7Pa,即0.04%F.S.,連續(xù)15天的穩(wěn)定性考核中,最大壓強波動為0.121kPa。
【圖文】：

（ｈｉ逡逑圖１．２非本征型Ｆ－Ｐ干涉光纖傳感器，（ａ）非膜片形變結(jié)構(gòu)，（ｂ）膜片形變結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＥＦＰＩ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋（ａ）邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｄｉａｐｈｒａｇｍ－ｆｒｅｅ逡逑ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，邋（ｂ）邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｄｉａｐｈｒａｇｍ邋ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑１９８丨年，Ｐｅｔｕｃｈｏｗｓｋｉ邋Ｓ邋Ｊ等人［７１１根據(jù)Ｆ－Ｐ干涉儀具有很高的條紋銳利度以及很高逡逑－

－空氣間隙－反射鏡構(gòu)成。ＥＦＰＩ光纖傳感器可以直接響應(yīng)環(huán)境介質(zhì)的壓強變化，特別是采逡逑用薄膜片作為Ｆ－Ｐ腔的一個反射面的ＥＦＰＩ傳感器對環(huán)境壓力的變化特別敏感，是一種逡逑典型的光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)［６５＿７ｅ］。ＩＦＰＩ與ＥＦＰＩ型光纖傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖１．１和１．２逡逑所示。逡逑ｌ．ｃａｄ－ｉｎ邋ｆｉｂｅｒ邐Ｐａｒｔｉａｌ邋ｍｉｒｒｏｒ邐ｌ．ｅａｄ－ｏｕｔ邋ｆｉｂｅｒ逡逑１邐、邐ｉｌｌ；邐＜逡逑［邐Ｕ－ｉ－Ｔ逡逑圖１．１本征型Ｆ－Ｐ干涉光纖傳感器結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＩＦＰＩ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑Ｆ－ｃｒｒｕｌｃ邐Ｈｉａｐｈｒａｉｉｍ逡逑Ｌｅａｄ－ｉｎ邋ｆｉｂｅｒ邐Ｋｃｔｌｃｃｌｃｄ邋ｆｉｂｅｒ邐Ｏｎｉｃｉａｌ邋ｌｉｂｅｒ邐＾逡逑■——．￣￣—ｒ－５＊——Ｓ邐１邐Ｉ＾，，逡逑Ｍ邐？逡逑＇邋%煎澹㈠澹у澹掊澹у我唬危�？辶x希茫椋歟酰螅簀澹悖幔穡椋椋歟幔潁鰣澹歟酰猓邋義希酰鑠危耍義希潁椋埽悖溴澹幔潁澹徨義希ǎ瑁殄義賢跡保卜潛菊饜停疲懈繕婀庀舜釁鰨ǎ幔┓悄て偽浣峁�，（ｂ）膜片袀武结构辶x希疲椋紓澹保插澹櫻悖瑁澹恚幔簦椋沐澹洌椋幔紓潁幔礤澹錚駑澹簦瑁邋澹牛疲校懾澹媯椋猓澹蟈澹螅澹睿螅錚蟈澹猓幔螅澹溴澹錚鑠澹ǎ幔╁澹螅簦潁酰悖簦酰潁邋澹錚駑澹洌椋幔穡瑁潁幔紓恚媯潁澹邋義希洌澹媯錚潁恚幔簦椋錚�，邋（ｂ）邋ｓｔ}酰悖簦酰潁邋澹錚駑澹洌椋幔穡瑁潁幔紓礤澹洌澹媯錚潁恚幔簦椋錚鑠義希保梗肛

本文編號：2645009