光纤光栅高温传感器与光纤微腔干涉仪高压传感器的研制及应用

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在工业以及自动化不断发展的今天,传感器技术显得尤为重要。光纤传感器的问世弥补了众多电学传感器的显著缺点,例如:电磁干扰、环境腐蚀、难以信号传输和组网等。光纤传感器最为引人注目的优点是其制作成本低并且不会产生电火花。这些特性使得光纤传感器广泛应用于石油化工、天然气、桥梁建筑以及航空航天等领域。本文面向电磁感应焊接、油气开采、航空发动机等极端环境中的测量需求,利用光纤光栅与光纤微腔干涉仪作为传感器件实现高温高压测量。论文的主要研究内容包括:光纤高温高压传感原理与解调方法、光纤光栅高温传感器的研制与测试、光纤微腔干涉仪高压传感器的研制与测试、高温高压一体化测量光纤传感器的制备与测试。(1)针对国内外的高温传感器、高压传感器以及高温高压一体化传感器的研究与发展现状开展了调研,总结与分析了各类传感器的优点与不足,确定以满足体积小、重量轻、无电火花的光纤布拉格光栅以及光纤微腔干涉仪在实现高温高压测量方面拥有巨大优势。因此,本文主要研究了基于光纤光栅和光纤微腔干涉仪的高温高压一体化传感技术。(2)利用飞秒激光逐点法制备了耐高温的光纤布拉格光栅,进而研制出光纤光栅高温传感器,并进行了高温响应特性测试。研究了光纤光栅的退火与淬火工艺,解决了骤冷与骤热中出现的光谱畸变问题。同时,光纤布拉格光栅在高温退火后展现出优良的重复性。研制的光纤光栅温度传感器在500℃下的温度灵敏度13.3 pm/℃,温度响应速度208℃/s。最终,我们将研制的光纤光栅高温传感器应用于电磁感应焊接工艺中的焊点温度监测。(3)利用光纤端面研磨和空芯玻璃管熔接与精密切割的方法制备了基于纯石英薄膜的光纤微腔干涉仪,并在此基础上研制出光纤微腔干涉仪高压传感器,实现常温下40 MPa高压(液压)测量。通过改变石英薄膜的厚度来提高对压力测量的灵敏度,研究了传感器的压力响应与薄膜厚度的关系。压力传感器展现较为良好的重复性,并且其重复性误差与隔膜厚度呈负相关(隔膜厚度越薄,重复性误差越大)。同时使用有限元分析软件Comsol进行了理论验证,发现当厚度达到2.09μm,传感器的压力响应存在有灵敏度极大值,通过理论仿真证明:由于加工放电过程瞬间的热胀冷缩导致石英薄膜发生形变,导致了高压下器件的非线性响应。在兼顾压力灵敏度与线性拟合度的情况下,优化设计石英隔膜厚度为4.63μm,从而研制了最佳灵敏度的光纤微腔干涉仪压力传感器,实现传感器灵敏度为:-1.436 nm/MPa,线性拟合程度R方值为:0.991。(4)在分别研究光纤光栅高温传感器与光纤微腔干涉仪高压传感器的工作基础之上,利用两种结构进行级联并进行封装,进而研制了高温高压一体化光纤传感器。设计并搭建了高温高压一体化测试装置,并利用研制的高温高压一体化光纤传感器实现了500℃高温和5 MPa高压(气压)的同时测量。测试结果表明:气体压力每升高1 MPa,光纤光栅温度传感器的灵敏度增加0.000813 nm/℃;气体温度每升高1℃,光纤微腔干涉仪的压力灵敏度减小0.000173 nm/MPa。通过温度-压力交叉敏感补偿方法,最终实现温度灵敏度:0.0141 nm/℃,温度测量精度:0.7%FS;压力灵敏度:-0.73 nm/MPa,压力测量精度:1.37%FS。本文研制的光纤光栅高温传感器和光纤微腔干涉仪高压传感器有望在航空发动机监测、油气资源勘探与开采、深海环境探测、先进焊接工艺监测等领域取得广泛的工程应用。
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