【摘 要】
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温度是表征物质状态的重要物理量。无论是对于喷气发动机、燃气轮机等高端精密机械的运行状态监测,还是对于能源工业等高温环境的检测,高温传感技术都具有重要意义。并且随着科学技术的发展,温度传感的实时性、稳定性和准确度也愈发重要。与传统的电传感器相比,光纤高温传感器具有灵敏度高、体积小和抗电磁干扰等优点。在各种光纤高温传感器中,反射型光纤传感器在高温环境动态监测中具有较大的优势,特别是基于光纤法布里-珀罗
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温度是表征物质状态的重要物理量。无论是对于喷气发动机、燃气轮机等高端精密机械的运行状态监测,还是对于能源工业等高温环境的检测,高温传感技术都具有重要意义。并且随着科学技术的发展,温度传感的实时性、稳定性和准确度也愈发重要。与传统的电传感器相比,光纤高温传感器具有灵敏度高、体积小和抗电磁干扰等优点。在各种光纤高温传感器中,反射型光纤传感器在高温环境动态监测中具有较大的优势,特别是基于光纤法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)的光纤高温传感探头已经引起国内外学者的广泛关注。光纤FPI高温传感器具有结构简单、制作方便和灵敏度高等优点,在高温传感领域具有广阔的发展前景。本文对光纤FPI高温传感器的传感特性进行研究,具体研究内容如下:首先,本文回顾了光纤FPI高温传感器的发展历程,按光纤种类对光纤FPI高温传感器进行了分类。并介绍了多种用于双参数测量的光纤FPI高温传感器,指出了光纤FPI高温传感器在高温环境下的应用前景。其次,本文对光纤FPI高温传感器的温度和压力传感原理进行了理论分析,并介绍了光纤FPI传感器温度和应力的交叉敏感问题及解决方法。同时总结了几种光纤FPI高温传感器的制作方法,并简要分析了各种方法的优缺点。另外,通过湿法化学腐蚀法腐蚀单模光纤和蓝宝石衍生光纤制备了具有不同参数空气腔的光纤FPI高温传感器。分别对基于单模光纤和蓝宝石衍生光纤制备的光纤FPI传感器进行了温度和应力传感测试。实验结果表明基于单模光纤的空气腔光纤FPI传感器在20~900℃的温度范围内温度灵敏度为0.637 pm/℃,在0~1.0 N的应力范围内应力灵敏度为5.668 nm/N。基于蓝宝石衍生光纤的双腔光纤FPI高温传感器在20~900℃的温度范围内温度灵敏度为12.13 pm/℃,在0~1.0N的应力范围内应力灵敏度为1.932 nm/N。最后,通过电弧放电法制备了基于蓝宝石衍生光纤的本征型光纤FPI高温传感器。通过对蓝宝石衍生光纤进行电弧放电,调节放电电流和放电时间,然后重复放电在蓝宝石衍生光纤内部产生莫来石晶体。纤芯内莫来石晶体作为反射面形成光纤FPI传感器。对该传感器进行温度和应力传感测试,其在20~900℃的温度范围内温度灵敏度为13.19 pm/℃,在0~2.0 N的应力范围内应力灵敏度为1.331nm/N。为了解决该传感器在传感应用中的交叉敏感问题,在单模光纤上距离单模光纤和蓝宝石衍生光纤熔接面5 mm处刻写了光纤布拉格光栅制备了混合光纤传感器。通过解光纤FPI和光纤布拉格光栅的灵敏度矩阵的方法解决了交叉敏感问题,实现了温度和应力的双参数测量。
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