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可以看出根据干涉对比度的定义 则有 因此该全石英 光纤传感器反

gecimao 发表于 2019-06-27 16:34 | 查看: | 回复:

  可以看出根据干涉对比度的定义 则有 因此该全石英 光纤传感器反射回的干涉光谱的干涉对比度良好 干涉谱线清晰。由石英石膜片灵敏度公式 可知膜片厚度 有效半径 的石英膜片式压力传感器的腔长一压强灵敏度为 腔长值随压强变化的理论模拟曲线如下图压力敏感曲线的理论模拟 由灵敏度公式可知 对于膜片材料确定 有效

  可以看出根据干涉对比度的定义 则有 因此该全石英 光纤传感器反射回的干涉光谱的干涉对比度良好 干涉谱线清晰。由石英石膜片灵敏度公式 可知膜片厚度 有效半径 的石英膜片式压力传感器的腔长一压强灵敏度为 腔长值随压强变化的理论模拟曲线如下图压力敏感曲线的理论模拟 由灵敏度公式可知 对于膜片材料确定 有效半径也确定的传感器 其灵敏度与膜厚的 次方成反比 因此 灵敏度的继续提高需要进一步减薄石英膜片的厚度 然而 无论是使用化学腐蚀方法还是机械研磨方法继续减薄膜片厚度都容易造成 腔的损坏使得传感头的制作成功率大大下降。所以 采用石英膜片的 腔的灵敏度的提高受到膜片最小厚度的限制。为进一步提高传感器的灵敏度 我们转向用有机膜片制作 压力传感器。基于有机膜片的传感头的制作为迸一步提高传感器的压力灵敏度 我们在有机溶剂成膜研究方面做了大量的实验探索。有机膜片材料与石英材料相比一般杨氏模量要小很多 因此同样有效半径尺寸和厚度的有机膜片式传感器具有比石英膜片式传感器高很多的灵敏度。但一般的有机膜材微型低压光纤法布里 珀罗干涉传感器研究料 往往由于硬度较小 弹性恢复性差 造成弛豫时间很长 不适合做成传感器的压力敏感膜片。并且大多有机材料具有亲水性和透水性问题 或者生物适应性差 具有毒性 会让生物体产生排异反应 因此 做成的传感器不适合做作为植入式血压和液压的测量工具。为此 有机膜片材料的选择 需要综合考虑材料的弹性恢复性、压力响应时间、透水性、生物适应性以及与石英材料的结合性等多个方面的问题。我们选用大连理工大学化工学院蹇锡高教研组自行研制合成的一类新型的低聚倍半硅氧烷聚合物光子材料 研制出有机膜腔传感器。 聚合物光子材料 简介聚倍半硅氧烷系聚合物材料的基本组成是由 键构成主链 侧链是与硅原子相连的各种有机基团 因此 分子链结构中既含有“有机基团”又含有“无机骨架 兼具有机聚合物和无机材料的特性 具有硬度高、热稳定性好、透明均一等优点 是一类性能优良的光子材料 其折射率在 范围可调【】。大连理工大学化工学院蹇锡高教研组合成了一类新型的低聚倍半硅氧烷聚合物光子材料—— 材料按折射率的高低主要分为高折射率和低折射率 两种【 的存在形态为液态在合成过程中可通过材料分子中的苯基和甲基的比例实现不同的折射率要求 可以通过紫外光和高温对其进行固化 固化后的 与石英材料有很强的粘合力 并有接近石英材料的弹性和硬度 且没有亲水性和透水性的问题 具有无毒的特点 原则上不会造成生物体的排异反应。在石英膜片式光纤传感器的 腔的制作基础上 我们利用 膜代替石英膜片制成 传感头 并进行了传感特性研究。在实验中 先后利用高粘稠度、低折射率的 溶液和低粘稠度、高折射率的 溶液制作了 膜片。 有机膜片的制作仍然选用内外径分别为 腔的制作方法与步骤同石英膜片式传感器的腔一样。制作过程为 在一段单模光纤的端面上熔接一段内外径分别为 的毛细石英管利用比长仪和切刀切割毛细石英管至合适的腔长值。这样有机膜片式光纤 传感器的 腔体部分就制作完成了 接下来的工作就是在 腔的另一端制作有机膜片。首先采用了高粘稠度、低折射率的溶液制作压力敏感膜片 具体制作方法如下 首先 腔毛细石英管的另一端浸蘸溶液 这样在毛细管的端面上形成一层 溶液薄膜 尢趣工大学硕士学位论文然后 将带有 溶液薄膜的传感头放在在紫外灯下固化 分钟 让膜片初步定型。由于紫外固化是不完全固化过程 因此还需要进行加热固化。最后 把传感头放入烘箱中在 摄氏度下热固化 小时 之后调高烘箱的温度 摄氏度下固化小时 冷却后取出即可。这种方法所得到的传感头显微照片如图 所示。可以看出 这种方法得到的膜片一般较厚 且不均匀。分析原因 一是所用 溶液本身很粘稠 二是浸蘸溶液时毛细管进入溶液较深 三主要是由于毛细管本身对液体的毛细作用 这些都会导致毛细管上溶液过多 膜片较厚 且不均匀。幽 膜片式传感嚣 基于有机膜的微型光纤压力传癣器的干涉光谱 微型低压光纤法布里 珀罗干涉传感器研究图 是利用中心波长 的宽谱光源进行干涉光谱检测时 有机膜片式传感头在室温常压下的干涉谱线。由图 可以看出 干涉谱线的光功率较小 干涉对比度不高 分析原因除了膜片厚度不均匀 导致膜片的内表面反射的光功率不能完全进入光纤纤芯传播 致使干涉光谱功率低之外 还可能是由于膜片材料本身的反射率较低。为解决这一问题 在膜片的制作过程中 溶液和固化过程进行了改进。采用粘稠度较低的高折率溶液制作压力敏感膜片。首先在有机基底上均匀的涂一薄层 材料 然后在用事先制作好的 薄层这样由于毛细作用 会在 腔内形成一个 薄膜 由于溶液层很薄进入毛细管末端的溶液很少 所形成的膜片很薄。最后 把传感头放入密封的烘箱内直接进行加热固化 摄氏度下连续加热小时 膜片固化完全。这样制作的微型光纤传感器膜片厚度较薄 且由于毛细作用 膜片形成在毛细管的内部 能受到前端管壁的保护 不易损坏 如图 所示。 基于有机膜的微型光纤传感器的显微结构 可见 膜片边缘与毛细管壁连接的部分较厚 靠近膜片中心部分较薄且厚度均匀 传感过程中 信号光主要集中在光纤纤芯范围内 腔腔长的变化引起的光程差主要是由膜片中心部分的形变引起的 因此这样的膜片厚度分布只相当于减小了膜片的有效半径 不会对光谱分布产生太多影响。另外 由于膜片边缘与毛细管连接部分较厚 使得膜片与毛细管的连接更牢固。利用中心波长 的宽谱光源进行干涉光谱检测时 大连理工大学硕士学位论文有机膜片式传感头在室温常压下的干涉谱线如下图 示。可见 膜片式光纤 传感器 其干涉光谱具有很高的功率和干涉对比度 基于有机膜的微型光纤压力传感器在标准大气压下的干涉光谱 有机膜片式压力传感器的制作工艺只涉及光纤切割 电弧熔接 加热固化等过程 且制作过程不涉及氢氟酸之类的化学试剂 制作过程安全。 本章小结本章首先分析了石英膜片式 光纤压力传感的灵敏度和频率响应 利用 进行了理论模拟 给出了膜片厚度及有效半径的选择依据。然后详细的介绍了的石英膜片式微型光纤 压力传感器的制作工艺 制作过程只涉及光纤切割 熔接和腐蚀。由于石英膜片式微型光纤 的灵敏度受膜片厚度的限制 因此提出了利用有机膜片代替石英膜片制作传感器 并在实验条件下在单模光纤端面上制作了基于聚合物光子材料 的有机膜片式压力传感器。微型低压光纤法布里 珀罗干涉传感器研究 实验结果与分析 光纤压力传感器系统的工作原理实验中 传感器的解调采用白光干涉波长域解调的方法。解调系统如图 所示。实验中采用 公司的 扫描激光波长查询仪进行干涉光谱测量 光源发出的扫描激光通过一个环形器后传输到压力传感器上 由传感器反射回的携带腔长信息的干涉光谱信号再次经过传输光纤和环形器耦合到解调仪的接收端 解调仪将测得的光谱数据发送给计算机 由计算机进行解调计算。光谱的解调采用基于最小均方误差估计的解调算法 通过对干涉光谱与 腔传递函数的最小均方误差计算 计算出 腔传感器的腔长值盯 传感器解调系统光路光谱域解调技术的工作主要集中在如何对光谱分析设备探测到的干涉光谱进行信号处理上。实验室采用本课题组宋世德博士提出的基于最小均方误差估计的光纤 腔长解调算法【 来进行干涉光谱的解调计算。基于最小均方误差估计的光纤 腔长解调算法的理论依据如下 均方误差将估计子的方差和偏差结合在一起 在参量估计方面具有更高的估计精度和准确度。因此如果给出某待测参量的一系列估计子 则具有最小均方误差的估计子比其他估计子能更为有效的反应参量的真实值。因此在非本征光纤 传感器的腔长解调方面 当腔长均方误差估计取最小值时的所对应的值即为则待测的实际腔长。与传统的解调算法相比 通过算法可在较宽的动态范围内获得高的解调分辨率 并实现绝对腔长的解调。大连理工大学硕士学位论文 压力标定实验 压力定标实验系统的介绍光纤 压力传感实验系统由解调系统和压力测量系统两部分组成。其中压力测量系统由液压泵、 型高精度压力校验仪 和液压密封舱组成。 型压力校验仪的量程为 测量精度为 。在压力标定实验中 我们将传感头密封在液压密封舱中 利用液压泵以一定的压力间隔逐渐向液压密封舱内施加压力 通过与密封舱相连的压力校验仪测量液压密封舱内当前的压力值。解调系统主要是由 公司的 扫描激光波长查询仪和与之相连的 构成。 主要由一个低噪声的光纤环形激光器、快速 转换设备、基于 的自主软件、两个通道、内置单板计算机、显示器及控制面板等组成。其光谱范围 光谱分辨率为 精度 。每次扫描设备能自动校正波长 激光器以 的频率连续扫描光谱范围 所有数据通过以太网接口传送至外置 实验光路如图 所示 内置光源发出的扫描激光通过一个环形器后传输到压力传感器上 由传感器反射回的携带腔长信息的干涉光谱信号再次经过传输光纤和环形器耦合到 的接收端 进行 转换之后 解调仪将测得的光谱数据通过网线接口发送给计算机 由计算机进行解调计算 得出腔长信息。图 腔液压解调系统 微型低压光纤法布里一珀罗干涉传感器研究 石英膜片式传感器的压力定标实验压力定标实验中 微型光纤 压力传感器采用硅油液压标定的方法 将石英膜片式微型光纤 传感头密封在油压装置中 利用压力泵 以一定压强间隔对传感头施加油压 通过测量传感头的腔长值 和压力校验仪的输出压强值 来确定光纤压力传感头的标定系数。压力校验仪可测量几 到几十 的压力范围 测量精度为 在室温下 我们对用氢氟酸腐蚀法减薄膜片之前 膜片厚度 和腐蚀后 膜片厚度 的全石英膜片式传感头分别进行了压力标定。该传感头的初始腔长为 。腐蚀前传感头的标定曲线如图 所示 横坐标是用压力校验仪测得的压强值 纵坐标是与之对应的 。实验表明腐蚀之前 的全石英传感头在压强范围内 腔长随压强变化灵敏度为曲线的线性度为 如图 由线性拟合曲线得出的压力 腔长的线性关系为 其中压强的单位为 腔长的单位为 。腐蚀后的石英膜片式传感头在标定范围 灵敏度达到曲线的线性度为 且重复性很好 如图 所示 由线性拟合曲线得出的压力 腔长的线性关系为 其中压强的单位为 腔长的单位为 大连理工大学硕士学位论文二氧化硅材料在时的杨氏模量为 泊松比 根据灵敏度公式 膜片厚度为 灵敏度的理论值为而膜片厚度 历的光纤 传感器的灵敏度理论值为 实验得到的腐蚀前传感头灵敏度为 的实验数据得到的灵敏度为与理论值基本符合。理论值与实验值之间的微小差异 主要是传感器的尺寸小 膜片薄 造成比长仪无法精确测量膜片厚度所致。膜片厚度决定了传感器的压力测量范围和灵敏度。利用化学腐蚀或机械研磨等方法可以减小膜片的厚度 提高传感头的灵敏度。计算表明 若将膜厚 做到以下时 传感器即可以适用于千帕量级的压强测量。但由于进一步的腐蚀或研磨会使传感头损坏的几率变大 采用有机材料制作膜片将是一个有意义的尝试。 基于有机膜片的 光纤压力传感器的压力标定实验本论文利用新型聚合物光子材料 制作了了有机膜片式光纤 传感器。下面通过压力定标研究其性能。有机膜片式微型光纤 压力传感器的标定仍采用液压标定的方法 将微型光纤 传感头密封在油压装置中 利用压力泵 以一定的压强间隔对传感头施加油压 通过测量传感头的腔长值和压力校验仪的输出压强值 确定光纤压力传感头的标定系数。 微型有机膜片光纤压力传感器的压力定标曲线 微型低压光纤法布里珀罗干涉传感器研究在室温下 我们利用图 所示的液压标定系统 有机膜片式传感头进行了液压标定。实验标定曲线如图所示 其中纵坐标代表腔长 单位 横纵坐标代表压强值 单位 的压力变化范围内腔腔长变化 因此腔长 压强灵敏度为 线性度为 。由线性拟合曲线得出的压力 腔长的线性关系为 其中压强的单位为 腔长的单位为 。由于 材料是一种新型的聚合物光子材料 它的一些性能参数还有待进一步测量 因此目前尚无法定量的求解 有机膜片式 传感头的理论值。但是从以上实验可以看出 在有效半径比石英膜片小 厚度也较石英膜片大的情况下 有机膜片式光纤传感器其压力敏感性能 已经远高于石英膜片式光纤压力传感器了 因此如果进一步改进实验方案 减小膜厚 加大有效半径 会得到灵敏度更高的传感头。 传感器的检测分辨率测试 全石英结构的 光纤压力传感器的检测分辨率在室温和标准大气压下 对全石英结构的光纤 传感头的腔长分辨率进行了测试。分辨率测试曲线如图 所示 其中纵坐标为腔长变化 横坐标为采用时间 每隔 采样一次。

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