毛细石英管构成的新型光纤FPI传感器

光纤传感技术随着科技的飞速发展,在人类的生活中逐渐被融入。在航空航天、食品卫生、建筑结构检测、地质勘探等领域广泛应用的光纤传感器,具有重量轻、体积小、结构简单、易于制造、抗电磁干扰能力强等诸多优点。本论文基于法布里-珀罗干涉仪,以单模光纤和毛细石英管的相关结构为主线,分别从基本传感原理、光纤结构制作过程和实验探究三个方面入手,详细介绍了基于毛细石英管的三种不同结构的光纤传感器。本论文的主要工作如下:(1)设计并实验验证了一种新型气体压力和温度传感器。该传感器是由Fabry-Perot(F-P)腔构成,是通过将一段填充有聚二甲基硅氧烷(PDMS)的毛细石英管拼接到单模光纤(SMF)的末端来制备的,利用了PDMS材料的弹性变形性能和对温度敏感的特点,获得较高的气压灵敏度和温度灵敏度,测量误差较小,稳定性和重复性好。(2)研究并实验证明了一种基于级联F-P腔的新型高灵敏度相对湿度(RH)传感器,该结构使用改进的游标效应光谱干扰理论,即由自由光谱范围(FSR)相近的两个F-P腔级联而成,具有放大效应。将一段毛细石英管与单模光纤拼接,然后将毛细石英管浸入聚酰亚胺(PI)溶液中,形成极薄的PI膜,利用PI溶液对湿度敏感的特性,构成游标效应湿度传感器,可以放大单个传感器的低灵敏度,并提高放大系数。实验结果表明,传感器的相对湿度灵敏度为0.3444 nm/%RH,是单个传感器相对湿度的3.77倍。该传感器的误差较小,具有良好的稳定性和重复性、短的响应时间。(3)一种基于两个法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer,FPI)并联的高灵敏度相对湿度传感器被提出并实验验证了。FPI1和FPI2分别是传感臂和参考臂,它们结构类似于一个串联的三明治结构,即“单模光纤-毛细石英管-单模光纤”。然后,在传感臂FPI1的毛细石英管表面涂有多层聚酰亚胺(PI)湿敏膜,用于测量相对湿度。当FPI1和FPI2具有较小的腔长差时,它们光谱叠加后形成了游标效应的光谱包络,通过跟踪光谱包络的漂移,传感器的灵敏度得到了提高。实验结果表明:该传感器的灵敏度高达586.6 pm/%RH,是单个FPI1传感器的17.3倍,是利用高频干涉条纹测量的31.3倍;温度交叉灵敏度约为0.75%/℃,即温度对湿度测量影响很小。这种传感器的优点是制造简单,稳定性好,而且可以重复制造。