基于晶片微腔的蓝宝石光纤法珀接触式高温传感器研究

论文摘要

温度测量是光纤传感技术主要应用领域之一,而高温测量一直是温度测量领域的难点之一。传统的高温传感器主要由铂-铑、钨-铼等热电偶材料制成,但是热电偶长期可靠性差,成本高昂;在强电磁干扰、强辐射等恶劣环境下无法使用。十几年前就有一些学者提出用高温特性好的蓝宝石光纤制备测温传感器,但高温环境往往温区很大,需要制备耐温区域长的传感器。另外,高温下游离颗粒很容易污染光学传感探头,因此需要研究长期可靠的制备方法和封装方法,才能使蓝宝石光纤高温传感器走向实用化。本文基于光纤传感技术,研究了一种以蓝宝石光纤和微型蓝宝石晶片为主要材料,能长期耐高温的、可实现接触式直接测量的新型蓝宝石光纤法珀传感器。具体工作如下:（1）介绍了研究接触式测量的蓝宝石光纤法珀高温传感器背景和意义,分析了光纤高温传感技术的发展历程,重点探讨了蓝宝石光纤高温传感技术的发展,并给出了本文的研究重点和创新点。（2）介绍了蓝宝石高温法珀传感技术原理、解调方法等,讨论了几种适用于法珀传感器的解调方法。研究了利用微型蓝宝石晶片前后两平行面构成一个法珀微型光学谐振腔对晶片厚度的要求。（3）介绍了本课题采用的蓝宝石光纤法珀传感系统的设计与升级改进,阐述了蓝宝石裸光纤长度和直径的选择及磨制、工艺的改进、蓝宝石光纤和晶片的封装等研究过程,解决了普通多模光纤和蓝宝石裸光纤间的模场匹配问题,并成功实现多模光纤和蓝宝石裸光纤间的低损耗熔接。（4）实现了使用蓝宝石光纤进行低损耗的较长距离传输光信号,完成了传感器的整体封装,制作了改进型的蓝宝石光纤法珀高温传感器,开展了其实验研究及在相关领域的应用,通过比较传感器在实验室环境、工业环境、模拟航空航天环境下的稳定性和可靠性,验证了该型传感器的高温测量能力。实验表明,该传感器能够插入高温炉等高温物体内部,实现直接接触测量深度达1米以上,在25-1100℃温度范围内能实现准确测温,测温精度稳定在±2.5℃,在科研、工业、国防等有高温测量需求的领域有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 光纤在温度传感领域的应用
•   1.3 蓝宝石光纤高温传感器研究现状分析
•     1.3.1 蓝宝石光纤在传感器上的应用
•     1.3.2 蓝宝石光纤传感器的分类
•     1.3.3 蓝宝石光纤法珀腔型高温传感器的发展
•   1.4 本文的主要研究内容和创新点
•     1.4.1 本文主要研究内容
•     1.4.2 本文的创新点
• 第2章 蓝宝石光纤法珀高温传感技术原理
•   2.1 引言
•   2.2 蓝宝石光纤法珀传感器基本结构
•     2.2.1 光纤法珀传感系统结构
•     2.2.2 蓝宝石光纤法珀型传感器的类型
•     2.2.3 本文采用的蓝宝石法珀高温传感器结构
•   2.3 蓝宝石光纤法珀高温传感器干涉理论
•   2.4 蓝宝石光纤法珀高温传感器的腔长解调算法
•     2.4.1 单峰值和多峰值波长解调法
•     2.4.2 傅里叶变换与最小均方差联合解调法
•   2.5 蓝宝石晶片微腔的光学性能分析
•     2.5.1 蓝宝石晶片的折射率
•     2.5.2 蓝宝石光纤纤径和晶片厚度对干涉信号对比度影响
•   2.6 本章小结
• 第3章 接触式高温传感器研究与制备
•   3.1 引言
•   3.2 蓝宝石裸光纤的选取及磨制
•     3.2.1 蓝宝石裸光纤选择
•     3.2.2 蓝宝石裸光纤研磨设备改进
•     3.2.3 蓝宝石裸光纤研磨效果对比
•   3.3 长蓝宝石裸光纤和普通多模光纤的端面熔接
•     3.3.1 本传感器采用的多模光纤特性
•     3.3.2 蓝宝石光纤与多模光纤的熔接研究
•   3.4 蓝宝石光纤探头结构研究
•     3.4.1 “插芯-端帽”结构的实验研究
•     3.4.2 微型蓝宝石晶片与蓝宝石光纤的固定
•   3.5 蓝宝石光纤的封装
•     3.5.1 解决的关键问题及采用的技术
•     3.5.2 光信号在蓝宝石光纤实现低损耗传输
•     3.5.3 蓝宝石裸光纤加装保护层的技术研究
•     3.5.4 三层管式整体稳定封装结构
•   3.6 本章小结
• 第4章 蓝宝石光纤法珀接触式高温传感器实验研究及在相关领域的应用
•   4.1 蓝宝石光纤法珀接触式高温传感器的实验研究
•     4.1.1 实验平台简介
•     4.1.2 传感器基本性能测试
•     4.1.3 传感器重复性测试
•     4.1.4 干涉信号的解调与处理
•     4.1.5 实验分析与结论
•   4.2 对高温设备接触式直接测量的应用研究
•     4.2.1 实验场所简介
•     4.2.2 实验过程及数据处理
•     4.2.3 实验结论
•   4.3 传感器在中低温段快速响应能力实验研究
•     4.3.1 急速升温设备及温度监测装置简介
•     4.3.2 实验过程及数据处理
•     4.3.3 实验数据分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和参与的项目
•   发表的论文
•   软著
•   参加的项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈矫

导师: 范典

关键词: 蓝宝石光纤,微型晶片,法珀传感器,高温,接触式

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 武汉理工大学

分类号: TP212;TN253

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000313

总页数: 73

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