微型低压光纤法布里—珀罗干涉传感器研究
Study on Miniature Low-Pressure Fabry-Perot Interferometric Fiber-Optic Sensor
【中文摘要】 随着光纤传感技术的发展和应用领域的不断拓宽,对传感器的要求越来越趋向于微型化。在某些环境恶劣,如具有强电磁干扰和腐蚀性,或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域,微型光纤压力传感器发挥着重要的作用。在生物医学诊断领域,可侵入体内的微型压力传感测量技术在疾病诊断和手术中体压的监测是必需的。膜片式微型光纤F-P传感器以其结构简单、体积微小、抗电磁干扰、稳定性好、精度高等优点能很好的满足上述应用需求。本文的主要工作是针对上述应用需求研制膜片式微型法布里-珀罗干涉(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric,EFPI)光纤压力传感器。本文对基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器进行了理论分析和实验研究,确立了膜片式微型光纤压力传感器的设计方案:在单模光纤上直接熔接外径约175um的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔,整个传感头外径只有175um。本文用电弧熔接、切割、腐蚀膜片的方法制作了石英膜片式压力传感器并利用白光干涉波长解调的方法对其压力传感特性及温度敏感特性进行了实验研究。实验证明,此传感器性能良好,在室温下,在0.1-3.1MPa压强范围内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.nm/MPa,线性度0.99998,测量分辨率681Pa,且温度敏感性很小,标准大气压下,在30-140℃的温度范围内,温度交差敏感小于1.07KPa/℃。为了克服石英膜片减薄困难,灵敏度难于进一步提高的缺点,对有机膜片式光纤传感器进行了实验研究,选用聚合物材料——低聚倍半硅氧烷(PSQ)作为压力敏感膜片制作了F-P传感器,并在室温条件下进行了液压标定实验。实验表明,在0.1-2.1MPa压强范围内F-P腔长变化灵敏度为1886.85nm/MPa,线性度为0.9998,测量分辨率53Pa。这种有机膜片式微型光纤压力传感器的灵敏度和分辨率已经十分接近人类和其他动物的体压测量需求水平,进一步优化处理后将能够满足生物医疗领域对患者血压、心肺压等的植入式监测需求,及微型低压工业环境的的应用需求。

【英文摘要】 With the developments of fiber sensor,miniature fiber sensors have become important in the harsh environment,such as highly corrosive agents,electromagnetic interference(EMI) noise and limited space.In the domain of biomedical sense,invasive pressure measurement has played an important role in diagnosis and treatment.Diaphragm-based miniature Fabry-Perot cavity fiber pressure sensors have been shown to possess advantages of simple structure,small size,light weight,immunity to EMI noise,good stabilization and high sensitivity.In this dissertation,two types of miniature extrinsic Fabry-Perot interferometric fiber optic pressure sensors are desinged and fabricated.The theory and analysis of diaphragm based miniature F-P fiber pressure sensor are present in this dissertation,through of which,the model of the sensor is designed.A piece of hollow fiber with 175μm out diameter is fused directly onto a fiber tip to form F-P cavity.,and the PSQ diaphragm and quartzose diaphragm are used as the sensing elements,the entire size of the sensors are only 175μm.First,an entire quartz structure miniature fiber optic pressure sensor is fabricated by cleaving,fused splicing and etching.The pressure response of the sensor has been tested, showing a sensitivity of 41.09nm/MPa in the full pressure scale of 0-3.1MPa,and a system resolution of 681Pa.The temperature sensitivity of the sensor has also been tested under atmospheric pressure,exhibiting a weak temperature dependence of 1.07KPa/℃in the test temperature range from 20 to 140℃.Since it is hard to further decrease the thickness of the quartzose diaphragm,A polymer(PSQ) diaphragm is used instead to increase the sensitivity of the sensor.The pressure response of the PSQ diaphragm based sensor has also been tested under room temperature,showing a sensitivity of 1 886.85nm/MPa,in the full pressure scale of 0.1-2.1MPa,with a system resolution of 53Pa.That is very close to the requred resolution of biomedical application.This kinds of diaphragm based miniature fiber sensor can not only be widely used in biomedical areas such as blood presure detetion,cardiopulmonary pressure inspection,but also can be used in many industry areas,after futher optimization.

【中文关键词】 微型压力传感器; Fabry-Perot腔; 光纤; 石英膜片; 有机膜片
【英文关键词】 Miniature pressure sensor; Fabry-Perot cacity; Fiber; Quartzose diaphragm; Polymer diaphragm
【论文目录】
摘要 4-5
Abstract 5
1 绪论 9-19
    1.1 光纤传感器技术概述 9-11
    1.2 光纤Fabry-Perot传感器 11
    1.3 非本征光纤Fabry-Perot传感器的研究和应用现状 11-13
    1.4 微型光纤EFPI压力传感器 13-17
        1.4.1 微型EFPI压力传感器的应用背景 14-16
        1.4.2 微型EFPI压力传感器的制作技术 16-17
    1.5 论文的研究目的和意义 17
    1.6 论文的结构 17-18
    1.7 本章小结 18-19
2 膜片式非本征法布里-珀罗光纤传感器的工作原理 19-35
    2.1 Fabry-Perot光纤传感器的干涉原理 19-22
    2.2 光纤F-P传感器的基本结构 22-27
        2.2.1 光纤IFPI传感器 23-24
        2.2.2 光纤EFPI传感器 24-27
        2.2.3 线型复合腔F-P传感器 27
    2.3 光纤F-P压力传感器的解调 27-31
        2.3.1 强度解调方法 28-29
        2.3.2 相位解调方法 29-31
            2.3.2.1 干涉条纹计数法 29-30
            2.3.2.2 傅立叶变换解调方法 30
            2.3.2.3 离散腔长变换(相关)解调 30-31
    2.4 微型膜片式光纤F-P压力传感器的压力敏感原理 31-34
        2.4.1 微型膜片式光纤Fabry-Perot传感器的结构 31-32
        2.4.2 微型膜片式光纤Fabry-Perot传感器的压力传感 32-34
    2.5 本章小结 34-35
3 微型膜片式光纤EFPI压力传感器的制作工艺研究 35-48
    3.1 石英膜片式传感头的制作工艺 35-43
        3.1.1 参数的设计 35-38
            3.1.1.1 灵敏度 35-36
            3.1.1.2 频率的影响 36-38
        3.1.2 F-P腔的制作 38-40
        3.1.3 石英膜片的制作 40-43
            3.1.3.1 石英丝的切割 40-41
            3.1.3.2 石英膜片的氢氟酸腐蚀法 41-43
    3.2 基于有机膜片的传感头的制作 43-47
        3.2.1 聚合物光子材料PSQ简介 44
        3.2.2 有机膜片的制作 44-47
    3.3 本章小结 47-48
4 实验结果与分析 48-58
    4.1 光纤压力传感器系统工作原理 48-49
    4.2 压力标定实验 49-52
        4.2.1 压力定标实验系统的介绍 49-50
        4.2.2 石英膜片式传感器的压力定标实验 50-51
        4.2.3 基于有机膜片的EFPI光纤压力传感器的压力标定实验 51-52
    4.3 传感器的检测分辨率测试 52-54
        4.3.1 全石英结构的EFPI光纤压力传感器的检测分辨率 52-53
        4.3.2 有机膜片式压力传感器的分辨率测试 53-54
    4.4 温度交叉敏感测量实验 54-57
        4.4.1 温度交叉敏感实验系统简介 54-55
        4.4.2 全石英EFPI传感器的温度交叉敏感测量 55-56
        4.4.3 有机膜片式EFPI传感器的温度交叉敏感测量 56-57
    4.5 本章小结 57-58
结论 58-60
参考文献 60-65
攻读硕士学位期间发表学术论文情况 65-66
致谢 66-67