基于液晶的高灵敏度光纤温度传感器的研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:emma880222
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由于细小质轻,灵敏度高以及强大的抗电磁干扰能力等优点,以光纤为基础的光学器件吸引了各领域研究学者的浓厚兴趣,在光学领域、物理参数测量、生化领域、通讯领域应用极为广泛,而光纤传感器件的研究在其中占有极大的比重。液晶(LC)作为一种兼具液体流动性和晶体各向异性的独特材料,其在温度、电场、磁场等许多方面的良好响应使其经常被应用在传感领域。而胆甾相液晶(CLC)是其中一种,它在适当温度时可以表现为液晶态,其分子层与层之间平行排列,又具有周期性螺旋结构。由于胆甾相液晶具有布拉格选择性反射,带隙边缘的光子态密度高等特点,其应用前景十分广阔。本论文中将胆甾相液晶与尺寸极小的光纤探头结合起来制备出一种光纤传感探头将融合两者的优点,同时具备高分辨率、高灵敏度、制造简单、体积微小等优势。本论文中,提出并研究了一种基于液晶的高灵敏度光纤温度传感器。光纤探针中填充有胆甾相液晶,其布拉格结构对温度敏感,可以将温度信息转化为反射光,进而通过观察反射光的波长变化来检测温度变化。该传感器具有较高的温度灵敏度,已通过实验证明其灵敏度为5.71nm/℃。该温度传感器结构简单,尺寸极小(适用于细胞和微流体通道等环境),将成为监测小空间温度波动的有前途的候选者。具体的研究内容包括:(1)利用光纤熔接机连接毛细管和多模光纤(MMF),然后分别制备了圆柱形和锥形结构的光纤探头。采用火焰加热拉锥法制备了锥形毛细微管,其与注射器组合制成了注射器装置,然后将实验所用的胆甾相液晶注入光纤传感探头之中。(2)分别对两种光纤传感探头进行温度传感特性研究,分别取得了 5.71nm/℃和5.64nm/℃的灵敏度,还对两种探头进行了稳定性和重复性的测量。在结构方面,锥形结构相比圆柱形结构大大降低了体积,拓宽了其应用范围。(3)从填充胆甾相液晶的长度、清亮点、胆甾相液晶的种类三个方面深入研究了影响该传感探针传感特性的因素。分析了清亮点对液晶传感的影响并进行温度传感特性测量。对不同手性剂浓度的手性胆甾相液晶和不同种类的手性胆甾相液晶进行温度传感特性研究,实验表明,对于同一种胆甾相液晶来说,手性剂浓度越高,其灵敏度越高,对温度的传感特性越好。对于不同种类的胆甾相液晶来说,随着所用液晶折射率的增加,其对温度的灵敏度也会随之增加,相应的测量范围也会降低。
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