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《吉林大學(xué)》 2015年

宏彎曲塑料光纖折射率傳感特性研究

景寧  

【摘要】：折射率作為材料的重要光學(xué)參數(shù)，可以反映其濃度、純度、溫度和應(yīng)力等性質(zhì)和狀態(tài)，因此折射率傳感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品科學(xué)、醫(yī)學(xué)測量、生化分析、污染物監(jiān)測等領(lǐng)域。光纖傳感技術(shù)是折射率測量的一種主要手段，它具有抗電磁干擾、反應(yīng)迅速、體積小巧、與現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)相兼容等優(yōu)點(diǎn)。而隨著光纖傳感器研究的深入和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，人們對(duì)光纖折射率傳感器提出新的要求，如簡化制造工藝、降低設(shè)備成本等等。因此，塑料光纖以其柔韌性好、成本低、可見光操作以及易于加工和連接等特性在折射率傳感技術(shù)中引起關(guān)注，且具有重要的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。 本文以實(shí)現(xiàn)液體折射率的快速、高效、低成本檢測為目的，提出了兩種基于塑料光纖宏彎曲結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，即一種是可實(shí)現(xiàn)微小型化的宏彎曲微/納米塑料光纖折射率傳感器，和另外一種可實(shí)現(xiàn)高靈敏、結(jié)構(gòu)簡單和價(jià)格低廉的側(cè)拋宏彎曲塑料光纖折射率傳感器。分別對(duì)這兩種傳感器件在恒定溫度與溫度變化（10~70°C）環(huán)境中的折射率傳感特性進(jìn)行了研究和分析，通過理論與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高了傳感特性。另外，對(duì)于溫度變化對(duì)宏彎曲商用塑料光纖光信號(hào)的傳輸影響也進(jìn)行了研究。得到的主要研究結(jié)果如下： 用熱拉伸法成功地將商用塑料光纖的直徑由一毫米減小到幾十微米的尺寸量級(jí)，從而制成了微/納米塑料光纖。利用特定工藝將其制備成宏彎曲結(jié)構(gòu)的折射率傳感功能器件。采用光線追跡法理論優(yōu)化了宏彎曲微/納米塑料光纖折射率傳感器的結(jié)構(gòu)，并模擬仿真了它的折射率傳感特性，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)非常符合。研究得到了決定該傳感器折射率傳感性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)R/ρ，即微/納米塑料光纖的宏彎曲曲率半徑與光纖自身半徑的比值。當(dāng)R/ρ=20時(shí)，傳感器的傳感特性最好，在1.33~1.45的折射率測量范圍內(nèi)、其靈敏度達(dá)到50dB/RIU的最佳值，并呈現(xiàn)良好的線性傳感響應(yīng)。傳感器探頭的長寬尺寸為（2×1）mm2左右，實(shí)現(xiàn)了器件的微小型化要求。 研究了宏彎曲微/納米塑料光纖折射率傳感器的溫度依賴特性，理論與實(shí)驗(yàn)具有很好的符合。將傳感器置于溫度變化的環(huán)境中，，發(fā)現(xiàn)折射率和溫度變化對(duì)傳感器宏彎曲損耗的影響是在同一數(shù)量級(jí)上，成功分離出傳感器自身的溫度依賴損耗。給出了單位溫度下該傳感器的折射率測量偏差及溫度修正方法。 將側(cè)拋與宏彎曲結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制備了側(cè)拋宏彎曲塑料光纖折射率傳感器。采用熱定型工藝解決了該類型傳感探頭在宏彎曲半徑較小和側(cè)拋深度較大的情況下機(jī)械強(qiáng)度變差的問題。通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)側(cè)拋宏彎曲塑料傳感探頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，不僅宏彎曲曲率半徑和側(cè)拋磨深度對(duì)傳感器的性能產(chǎn)生影響，側(cè)拋位置在其中也起非常重要的作用。當(dāng)曲率半徑為5mm、側(cè)拋深度為500m、以及側(cè)拋磨位置為60°時(shí)，該傳感器處于最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，此時(shí)其靈敏度達(dá)到最大值154dB/RIU，并且表現(xiàn)出良好的線性傳感響應(yīng)。 在溫度變化的環(huán)境中，研究了側(cè)拋宏彎曲塑料光纖折射率傳感器的溫度依賴特性。成功去除待測液體熱光效應(yīng)引起的測量值變化，得到了溫度對(duì)傳感器折射率測量偏差的影響，并給出了傳感器溫度依賴偏差的修正方法。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于側(cè)拋型宏彎曲塑料光纖存在一種溫度不敏感環(huán)境物質(zhì)，當(dāng)光纖被這種物質(zhì)包覆后，其傳輸特性不受溫度影響，該現(xiàn)象可在其他傳感領(lǐng)域得到潛在的應(yīng)用。 最后，實(shí)驗(yàn)研究了宏彎曲商用塑料光纖的溫度依賴特性。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)塑料光纖曲率半徑小于20mm時(shí)，溫度影響將隨著纏繞匝數(shù)的增加而提高，最高可達(dá)0.011dB/°C；當(dāng)曲率半徑大于25mm時(shí)，溫度變化對(duì)傳輸損耗影響較小，小于0.002dB/°C，且溫度對(duì)不同纏繞匝數(shù)光纖的影響趨于一致。結(jié)果指出，為減小溫度對(duì)傳輸損耗的影響，塑料光纖的纏繞曲率半徑應(yīng)大于25mm。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP212
【目錄】：

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5 王穎;棱鏡型光纖液體折射率傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中北大學(xué);2012年

6 李立柱;基于多模干涉反射式光纖折射率傳感器研究[D];大連理工大學(xué);2012年

7 陳小勇;模間干涉反射式LPG折射率傳感器研究[D];大連理工大學(xué);2013年

8 陳呈;人工電磁材料近零折射率特性的研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

9 程紅飛;變折射率介質(zhì)中成像研究[D];天津大學(xué);2005年

10 周素梅;變折射率球透鏡的研制及其光學(xué)特性的研究[D];西南師范大學(xué);2003年

  本文關(guān)鍵詞：宏彎曲塑料光纖折射率傳感特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：181815