【摘 要】
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F-P干涉型光纤位移传感器多基于单个F-P微腔,传感器干涉光谱的自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)较窄。由于更大的FSR可以提供更大的F-P微腔传感范围,所以本文引入游标效应,在传感器的干涉光谱中引起周期性包络,显著加宽干涉光谱的FSR。由于非本征型结构具有毫米数量级的标距,与本文所需的F-P微腔长度变化范围接近,因此本文的传感探头采用非本征型结构。根据F-P干涉型光纤
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F-P干涉型光纤位移传感器多基于单个F-P微腔,传感器干涉光谱的自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)较窄。由于更大的FSR可以提供更大的F-P微腔传感范围,所以本文引入游标效应,在传感器的干涉光谱中引起周期性包络,显著加宽干涉光谱的FSR。由于非本征型结构具有毫米数量级的标距,与本文所需的F-P微腔长度变化范围接近,因此本文的传感探头采用非本征型结构。根据F-P干涉型光纤传感器的研究现状,发现单腔式传感探头虽然结构众多,但其干涉光谱的FSR较窄,并且随着光纤传感器中多参数测量的需求、游标效应的引入,双腔混合结构逐渐受到人们的重视;由于游标效应出现条件的限制,使得基于游标效应的光纤传感器还没有应用于毫米量级动态范围的位移测量,由此确定本文的研究主题。本文的重点是应用液晶的双折射,设计基于游标效应的F-P干涉型光纤位移传感器,并给出传感器的制备方法和实验测试方法;主要研究内容如下:采用光谱峰值追踪方法,分析跟踪光谱波长偏移的测量原理,表明加宽干涉光谱的FSR,对位移传感的意义。含有周期性包络的光谱不一定属于游标效应光谱,因此解释了这一类光谱产生的原因。通过F-P液晶腔的干涉谱分析,证明了通过单个F-P液晶腔产生游标效应光谱的可能性;给出了周期性包络的包络宽度计算方法、光谱是否属于游标效应光谱的判断方法;并在F-P液晶腔的传感原理中,推导了光谱波长偏移与位移、温度的线性关系。将传感探头的制备过程分为三个步骤:镀高反射膜(High Reflective Film,HRF)、镀光控取向膜、制备聚合物(Polydimethylsiloxane,PDMS)弹性管并填充液晶。根据仿真光谱分析,表明镀HRF的重要性:存在HRF,才能检测到F-P液晶腔的游标效应光谱;否则,光谱仪检测到的反射光干涉光谱接近于一条平线(对比度≤2dB)。根据实验光谱分析,表明镀光控取向膜的重要性:虽然向列相液晶分子排列拥有一定的有序性,但还不足以在干涉光谱中形成可见周期性包络;因此,光控取向膜是必备的;标记两个陶瓷插芯端面上的光控聚酰亚胺取向膜的取向方向,并使两个PI膜取向平行,才能得到最好的游标效应光谱。展示PDMS弹性管的制备方法,并分析使用PDMS的原因;展示防止F-P腔中产生气泡的液晶填充方法。根据入射光的偏振态响应,验证了 F-P液晶腔的干涉谱理论分析,并确定在传感器的位移响应、温度响应测试中,都选择入射光的偏振方向与液晶光轴的夹角为45°。在传感器的位移响应测试中,通过实验数据的线性拟合,证明传感器的位移线性响应良好(线性拟合度为0.99),且最大位移灵敏度为2.97 nm/μm;根据位移测量范围的实验结果分析,选择测量范围(F-P液晶腔长度范围)的上、下限为0.3mm、1.2mm。在传感器的温度响应测试中,根据液晶清亮点附近的温度响应,结合入射光的偏振态响应,确定游标效应光谱来源于液晶的双折射;以0.4mm长的F-P腔为例,F-P液晶腔干涉光谱的FSR为36nm,在不考虑温度交叉灵敏度的位移传感时,这使得单峰测量的传感器动态测量范围扩大11倍,使得双峰测量的传感器长度测量相对误差减小11倍。
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