【摘 要】
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高温压力传感器在航空航天、能源开发、工业冶炼等领域有着巨大的潜在需求,光纤高温压力传感器相较于传统的电学类传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰和多参量测量等诸多优点,因此光纤高温压力传感器的研究与开发具有重要的现实意义和应用前景。本文以发动机内部温度压力同时监测为研究目标,以光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉型传感结构为研究基础,结合光子晶体光纤、热重生光纤光栅、空心石英管等材
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高温压力传感器在航空航天、能源开发、工业冶炼等领域有着巨大的潜在需求,光纤高温压力传感器相较于传统的电学类传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰和多参量测量等诸多优点,因此光纤高温压力传感器的研究与开发具有重要的现实意义和应用前景。本文以发动机内部温度压力同时监测为研究目标,以光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉型传感结构为研究基础,结合光子晶体光纤、热重生光纤光栅、空心石英管等材料制作了多种温度压力传感结构并进行了实验测试。具体研究内容如下:基于光纤复合微腔传感理论,分别使用空芯光纤与柚子型光子晶体光纤、保偏光子晶体光纤、空芯光纤进行熔接,制作三种光纤复合微腔传感器并进行传感性能分析,该类传感器的空气腔和石英腔具有不同的温度压力灵敏度,可通过双参量矩阵实现温度压力同时测量,应用最为广泛,但存在高温压力环境下对压力监测误差较大、灵敏度较低等问题。因此在光纤复合微腔传感结构基础上,通过改进空气腔腔长等制作方式制作了基于反谐振机制的光纤高温压力传感器。在25~1000℃、0~1 MPa的实验环境下测得该传感器具有0.713 nm/℃的温度灵敏度和4.033~0.921 nm/MPa的压力灵敏度。该传感器制作简单,仅需一个空气腔就可实现温度、压力的双参量测量;温度,压力灵敏度且均高于传统光纤复合微腔传感器,在光纤传感领域有一定的应用前景。利用光纤光栅对压力灵敏度低这一特性,将光纤光栅与法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer,FPI)级联用于同时测量温度压力,并进行封装保护。实验中对光纤光栅进行热退火处理以形成适用于高温环境的热重生光纤布拉格光栅(regenerated fiber Bragg grating,RFBG),通过RFBG对温度进行标定从而确定该温度下FPI的压力灵敏度,进而实现对温度压力的同时测量。针对FPI的压力灵敏度响应较低这一问题,使用空心石英管与光纤嵌套熔接的方式制作了并联FPIs传感结构,基于游标效应的放大作用,在25~600℃环境下传感器压力灵敏度为63.67 nm/MPa~21.22 nm/MPa,约为普通FPI压力灵敏度的15倍。通过对嵌套结构熔接点的位置优化,以及多模光纤的光束准直作用,传感器具有极低的温度交叉灵敏度,良好的干涉条纹对比度。该并联嵌套结构制作简单,灵敏度放大效果显著,适用于基于游标效应的光纤传感器制作。
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