【摘要】：在環(huán)境監(jiān)測、生化研究、食品安全等領(lǐng)域,折射率作為影響實際生產(chǎn)加工的重要測量指標,一直是人們重點關(guān)注的對象。在各式各樣的折射率傳感器中,光纖折射率傳感器以其結(jié)構(gòu)小巧、測量精度高、可遠距離傳輸、抗高溫且耐腐蝕等優(yōu)點逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點。隨著社會工業(yè)化的發(fā)展,人們對折射率的測量提出了高靈敏度、大測量范圍和低成本等實際要求。本文基于法布里-珀羅干涉(FPI)原理,對開放腔FPI傳感器和在線復(fù)合腔FPI傳感器的折射率測量方法進行研究,并進一步探索了在線復(fù)合腔FPI傳感器在氣液檢測方面的應(yīng)用。針對開放腔FPI傳感器,本文提出了擴展折射率測量范圍的方法。針對在線復(fù)合腔FPI傳感器,提出了中空纖維膜內(nèi)氣體檢測的實際應(yīng)用。主要研究內(nèi)容如下:(1)研究了一種基于自由光譜范圍(FSR)定位指定階次干涉谷的開放腔FPI折射率測量方法。通過理論推導和Matlab仿真,從理論的角度分析了該方法的正確性;其次,通過制作開放腔法珀結(jié)構(gòu)的傳感器,搭建實驗平臺并進行實際測量,從實驗的角度驗證了該方法的可行性。實驗結(jié)果表明:折射率測量范圍達到1.333～1.4RIU,較傳統(tǒng)的單峰測量方法提高了約7倍。在整個測量范圍內(nèi)傳感器呈現(xiàn)良好的線性響應(yīng)特性,靈敏度為1260.282nm/RIU,實現(xiàn)了大范圍高靈敏度的折射率測量。(2)研究了一種基于在線復(fù)合腔法珀干涉儀的折射率測量方法。分析了在線復(fù)合腔法珀干涉儀的折射率測量原理,研究了傳感器的制作工藝,搭建了實驗平臺。針對三個樣品的折射率實驗結(jié)果如下:折射率為1.333～1.34RIU和1.34～1.36RIU 時,折射率靈敏度分別為:-116.3dB/RIU 和-52.7dB/RIU;-198.2dB/RIU 和-63.4dB/RIU;-176.6dB/RIU 和-102.5dB/RIU。此外,溫度為20～50℃時,其溫度靈敏度分別為:0.0075nm/℃、0.0075nm/℃和 0.0073nm/℃。通過分段線性擬合方法實現(xiàn)了傳感器在不同折射率范圍下的高靈敏度測量。(3)研究了基于在線復(fù)合法珀干涉儀的中空纖維膜內(nèi)氣體檢測傳感器。分析了該傳感器的氣體檢測原理,制作了氣體檢測傳感器樣品,搭建了中空纖維膜氣體檢測系統(tǒng)。測試結(jié)果表明:該傳感器可以實現(xiàn)膜內(nèi)氣體的實時檢測,填補了中空纖維膜內(nèi)氣體原位監(jiān)測的空白。
【學位授予單位】：天津工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O435.1;TP212
【圖文】：

ＦＰＩ傳感器的發(fā)展。逡逑２０１０年，Ｃｈｏｉ等人提出了一種雙腔法布里－珀羅光纖干涉儀［２４］。其結(jié)構(gòu)圖逡逑如圖１－２所示，該結(jié)構(gòu)的傳感頭是先在一段單模光纖和一段多模光纖之間熔接逡逑一段空心光纖，然后將多模光纖預(yù)留一定長度后切斷，構(gòu)成了兩個級聯(lián)的法珀逡逑（ＦＰ）腔組成，兩個級聯(lián)的ＦＰ腔由空心光纖構(gòu)成的空氣腔和多模光纖腔構(gòu)成。逡逑實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度在１．３３￣１．４５ＲＩＵ范圍內(nèi)約為１６ｄＢ／ＲＩＵ，逡逑溫度靈敏度在為２６°Ｃ￣５００°Ｃ內(nèi)約為８．９￣１４．６ｎｍ／°Ｃ。逡逑Ｇｕｉｄｉｎｇ邋ｆｉｂｅｒ邋（ＳＭＦｊ邋ＨＯＦ邋Ｓｅｎｄｉｎｇ邋ｆｉｌｌｅｒ邋（ＭＭＦ）逡逑圖１－２基于中空纖維的ＦＰＩ傳感器逡逑２０１１年，Ｎｇｕｙｅｎ等人利用聚焦離子束（ＦＩＢ）微納加工技術(shù)，在單模光纖逡逑的側(cè)面制造了一個矩形的凹槽，使得單模光纖的尾端形成了復(fù)合ＦＰ腔，一個空逡逑氣腔和一個單模光纖腔，入射光在單模光纖中傳輸發(fā)生三光束干涉，如圖１－３逡逑所示［２５］。其中，空氣腔主要用來測量鹽水的濃度，而單模光纖腔可以用來檢測逡逑環(huán)境溫度變化

邐Ｌ２逡逑ｉＷＴ逡逑圖１－１基于ＦＰＩ傳感器的空間光路逡逑１９７６年，Ｇｉｂｂｓ等人首次提出了具有非在線介質(zhì)填充的ＦＰＩ傳感器［２２］。通逡逑過連續(xù)燃料激光器照射含鈉離子的ＦＰＩ干涉儀，在透射過程中觀察到了微分增逡逑益和滯后現(xiàn)象。該設(shè)想的提出使得法珀傳感器可以用作光放大器、儲存元件和逡逑限幅器。１９８２年，Ｔｏｓｈｉｈｉｋｏ邋Ｙｏｓｈｉｎｏ首次利用單模光纖構(gòu)成光纖法拍傳感器，逡逑并對該類型的傳感器的理論分析、應(yīng)用前景和研宄方向做了比較系統(tǒng)的表述［２３］。逡逑由于光纖材料的結(jié)構(gòu)小巧、導光性好、可塑性強，光纖材料的引入大大加快了逡逑ＦＰＩ傳感器的發(fā)展。逡逑２０１０年，Ｃｈｏｉ等人提出了一種雙腔法布里－珀羅光纖干涉儀［２４］。其結(jié)構(gòu)圖逡逑如圖１－２所示，該結(jié)構(gòu)的傳感頭是先在一段單模光纖和一段多模光纖之間熔接逡逑一段空心光纖，然后將多模光纖預(yù)留一定長度后切斷，構(gòu)成了兩個級聯(lián)的法珀逡逑（ＦＰ）腔組成

？娍逡逑圖１－３采用離子聚焦技術(shù)加工的開放腔ＦＰＩ傳感器逡逑２０１３年，Ｄａｎｉｅｌ等人提出了一種基于光子晶體光纖的ＦＰＩ傳感器，如圖１－４逡逑所示［２６１。將一段光子晶體光纖與單模光纖通過放電熔接的方式熔接在一起，再逡逑對光子晶體的另一端進行放電，使得光子晶體光纖尾端的空氣空塌陷，形成了逡逑一個具有二氧化硅膜的空氣腔。對該結(jié)構(gòu)的ＦＰＩ傳感器進行折射率實驗，實驗逡逑結(jié)果顯示在外界折射率在１．０￣１．４７３ＲＩＵ范圍內(nèi)變化時，千涉譜的條紋對比度變逡逑化了邋４．７ｄＢｍ，即折射率靈敏度為９．９４ｄＢ／ＲＩＵ。逡逑Ａｉｒ－Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ逡逑—＂．．．邐邐逡逑圖１４基于光子晶體光纖的ＦＰＩ傳感器逡逑２０１５年，Ｒａｎｊｂａｒ等人報道了一種新型的微硅球復(fù)合腔ＦＰＩ光纖傳感器［２７］。逡逑該傳感器可以同時測量折射率（ＲＩ）和溫度。該結(jié)構(gòu)通過使用毛細管制造的微逡逑硅球，以及微二氧化硅球和光纖之間的空氣縫隙形成復(fù)合ＦＰ腔。這種傳感器的逡逑溫度交叉靈敏度足夠小

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本文編號：2769775