本文關(guān)鍵詞：錐形光纖傳感器及其無線傳感系統(tǒng)研究　出處：《上海大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：光纖傳感是伴隨著光纖通信技術(shù)而發(fā)展起來的一門新型的傳感技術(shù),與傳統(tǒng)基于電學(xué)原理的傳感器相比,光纖傳感器具有抗電磁干擾、體小質(zhì)輕、高靈敏度以及寬帶傳輸?shù)葍?yōu)點,因此已成為傳感器領(lǐng)域的研究熱點。近年來,高靈敏度是光纖器件研究和發(fā)展的趨勢之一,以錐形光纖為基本傳感器件的傳感技術(shù)研究應(yīng)用受到普遍關(guān)注,國內(nèi)外學(xué)者積極開展相關(guān)的研究工作,在眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)型智能傳感成為人們追逐的研究目標(biāo)。但對于一些監(jiān)測空間范圍大,監(jiān)測點距離遠(yuǎn)的場合,采用有線布設(shè)的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)具有移動性差、靈活性低、可擴(kuò)展性差、容易受損、部署困難、安裝及維護(hù)成本高等缺點,其應(yīng)用在一定程度上受到限制。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合,可以有效解決上述問題,融合兩者的優(yōu)點,拓展兩者的應(yīng)用領(lǐng)域,具有重要的科學(xué)意義和巨大的社會價值。本文在充分研究光纖傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)和無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對低折射率材料涂敷錐形光纖傳感器、高折射率納米膜涂敷錐形光纖傳感器、光纖傳感器節(jié)點及相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、傳感系統(tǒng)的試驗等問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主要研究內(nèi)容如下:1.提出了低折射率材料涂覆絕熱錐形光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),建立了等效的兩層結(jié)構(gòu)模型,對其傳輸特性和傳感機(jī)理進(jìn)行了理論研究。研究表明,隨著外界環(huán)境折射率增大,滿足絕熱條件的錐形光纖的局部錐角變小,絕熱條件更嚴(yán)苛。隨著薄膜折射率的增加,纖芯內(nèi)功率與總功率之比減小,導(dǎo)致輸出功率減小,且薄膜折射率越接近光纖包層折射率,其功率比下降越迅速,靈敏度就越高。隨著膜厚的增加,功率比下降,當(dāng)膜厚增大到一定值時,其功率比變化將趨于一致,此時靈敏度最高。另外錐腰越細(xì),靈敏度也越高。實驗中,選擇硅橡膠作為溫度敏感材料涂敷在錐形光纖表面制作錐形光纖溫度傳感器,并采用功率解調(diào),結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定性好。實驗結(jié)果表明,輸出功率隨溫度的增加而增加,靈敏度隨錐腰半徑的減小而增加,錐腰半徑為10μm的錐形光纖溫度傳感器的靈敏度為14.88μW/oC。2.提出了高折射率納米膜涂覆絕熱錐形光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),分別從幾何光學(xué)角度和模式理論角度對這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算和分析。研究表明,隨著高折射率納米膜膜厚的增加,滿足絕熱條件的錐形光纖的局部錐角變小,絕熱條件更嚴(yán)苛。對于高折射率納米膜涂覆錐腰區(qū)域的結(jié)構(gòu),從幾何光學(xué)來講,可以被視作薄膜f-p干涉儀,輸出光譜呈現(xiàn)周期干涉圖樣;從模式理論來講,納米膜模截止時會產(chǎn)生光纖基模到納米膜模的耦合,從而出現(xiàn)損耗模諧振現(xiàn)象。這些諧振峰會隨著納米膜厚度、納米膜折射率實部和外界環(huán)境折射率的增加而發(fā)生紅移;諧振峰的深度會隨著納米膜折射率虛部、錐腰長度的增加,或錐腰半徑的減小而增加;此外,隨著入射光角度的增加,諧振峰的深度和寬度會減小,而諧振峰則會發(fā)生微小的藍(lán)移。3.采用原子層沉積(atomiclayerdeposition,ald)技術(shù)在光纖表面沉積高折射率納米膜,其制作方法簡單易行,可選擇多種不同折射率的涂層材料,膜厚均勻且能精確控制,膜具有良好的粘附力,從而保證了傳感器的傳感特性。實驗表明,高折射率納米膜涂覆絕熱錐形光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能有效提升折射率傳感靈敏度,在常用波段內(nèi),al2o3納米膜涂覆錐形光纖在低折射率范圍內(nèi)的靈敏度為6008nm/riu,在高折射率范圍內(nèi)的靈敏度為16660nm/riu,tio2納米膜涂覆錐形光纖在低折射率范圍內(nèi)的靈敏度為7096nm/riu,在高折射率范圍內(nèi)的靈敏度可達(dá)31647nm/riu;在al2o3納米膜涂覆錐形光纖表面再包裹硅橡膠制作高靈敏度溫度傳感器,其靈敏度可達(dá)2.44nm/℃。4.搭建了將光纖傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合的光纖傳感器無線傳感系統(tǒng),搭載低折射率材料涂覆錐形光纖溫度傳感器的分辨率為0.091℃,搭載高折射率納米膜涂覆錐形光纖溫度傳感器的分辨率為0.024℃,兩種溫度傳感器相比較,前者具有更寬的測量范圍,后者具有更高的靈敏度和分辨率。從小型化、低功耗、低成本和高可靠性的設(shè)計角度出發(fā),對相關(guān)電子器件進(jìn)行了分析和選擇,采用模塊化設(shè)計的方法,對傳感器節(jié)點的傳感檢測模塊、微處理器模塊、無線通信模塊及能源供給模塊進(jìn)行了設(shè)計和開發(fā),能集成任意的強(qiáng)度解調(diào)型光纖傳感器以傳感不同的物理量。針對傳感系統(tǒng)的組網(wǎng)問題,提出了由底層網(wǎng)絡(luò)(光纖傳感器節(jié)點-管理節(jié)點)和上層網(wǎng)絡(luò)(管理節(jié)點-路由節(jié)點-中心控制節(jié)點)組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計了帶有休眠機(jī)制的低功耗分層嵌套通信協(xié)議,實現(xiàn)了軟件的模塊化設(shè)計,能準(zhǔn)確地將傳感器采集到的傳感數(shù)據(jù)發(fā)送至中心控制節(jié)點。該系統(tǒng)融合了光纖傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點,與傳統(tǒng)光纖傳感系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)具有無需布線、組網(wǎng)靈活等特點,研究成果具有自主知識產(chǎn)權(quán),能夠廣泛應(yīng)用于分布式傳感,對于實際工程應(yīng)用極具參考價值。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212;TN253

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6 何s，

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