基于纳米银膜的微振动光纤传感器及其应用的研究

基于纳米银膜的微振动光纤传感器及其应用的研究膜片式微振动光纤传感器的核心技术是高灵敏度传感膜片的制作及传感膜片与探测光的耦合方式。本文使用液相化学反应生成了一种纳米银膜，使用纳米银膜设计出一种高灵敏度的微振动传感器；使用相位载波（ＰＧＣ）零差解调方法，构建了一种微振动光纤传感器系统。实验结果充分证明，此传感器系统结构简单，体积小，对声压、光压的具有理想的感应灵敏度及检测线性度；此传感器可应用于声音传感、微振动传感、光压传感、光功率测量等。银膜的声压响应灵敏度为１６０ｎｍ／Ｐａ，其底噪最小可检测压力灵敏度为１４．５ｇＰａ／Ｈｚ¨２；其感应光功率改变量的灵敏度为５．１ｎｍ／ｍＷ。第一章：首先，介绍了光纤传感器的研究状况及膜片式光纤传感器的发展历程。其次，提出本论文研究的目的和意义。第二章：分析干涉型光纤传感器传感原理，并详细介绍了马赫曾德干涉仪的传感原理及光纤干涉仪的解调方法一相位载波（ＰＧＣ）零差法的载波原理及解调原理。这是整个论文工作的理论准备。第三章：首先，介绍了金属膜片的制作工艺；其次，详细介绍了纳米银膜传感探头的制作；最后介绍了传感探头的安装。第四章：对本论文提出并制造的基于纳米银膜的微振动光纤传感器系统，通过对声压及光压信号的测试，进行了对银膜压力感应特性的研究。设计了传感器银膜振动幅的标定实验；设计了银膜探头的声压响应实验，确定了银膜振动幅与声压强度的关系，并得到了银膜的声压响应灵敏度为１６０ｎｍ／Ｐａ，高于目前已报道的研究成果两个数量级；设计了微振动光纤传感器的光压强度检测实验，其感应光功率改变量的灵敏度为５．１ｎｍ／ｍＷ；设计了微振动光纤传感器的双波长光波的光压强度检测实验。第五章：首先对本论文的内容进行了总结和回顾；其次，在吸取国内外相关的最新研究成果、本论文所取得的研究成果及发现的不足之处的基础上，对今后的研究工作做了展望以及实验改进的设想。关键词：微振动光纤传感器：纳米银膜；声压传感；光压传感；相位载波零差法基纳米银膜的微振动第一章绪论１．１引言第一章绪论从上个世纪６０年代开始，激光技术及光纤制造技术的先后出现，使光纤传感器的出现成为了可能。相比于传统以电磁为传导媒介的传感器，光纤类传感器具有传感灵敏度高、可测频带宽、抗强电磁干扰、耐腐蚀老化、易于弯折、质量小、价格低廉、能量损耗低、可重复使用等优点，特别适用于遥远距离测试以及在易于燃烧、易于爆炸、微小空间、强电磁干扰等环境下使用。光纤传感器是光学技术、声学技术、材料科学、精确计量和信息解调技术等多个学科交叉的综合性高新科技前沿技术之一，能够广泛应用于能源安全、机械加工、电力传输、冶金监测、食品质检、建筑安全、国防科技、生物技术、卫生医疗、材料、环保监控、农林牧畜、工业测控、灾害防御、交通运输、信息产业、计量测试等众多领域，与人们的日常生活息息相关。光纤传感器技术的发展应用可分为如下几个主要阶段：上二十世纪８０年代之前，强度调制型光纤传感器占首要研究位置；进入８０年代后，干涉型光纤传感器被大范围的研制：９０年代以后，由于光纤光栅的研究发明及制作技术的进步，出现了大量基于光纤光栅的传感技术，主要有布拉格光栅和长周期光栅；进入新世纪之后，由于多种光纤器件制造技术的开发及市场需求的推动，光纤传感技术由此进入商业化运用。干涉型光纤传感器按照干涉结构的差异可分为法布里一珀罗式，马赫一曾德式，萨格奈克式，迈克尔逊式等。干涉型光纤传感器是将光波相位中携带待测信息的光波，利用光波的干涉来实现对相位变化的解读，从而获得相位中携带的物理量参数与信息，待测物理量可以是温度量、应变量、压强值、位移量、加速度及速度等物理量。而且由于干涉仪是以光波波长的量级来表征待测量，其具有很高的检测精度。基于纳米银膜的微振动光纤传感器及其应用的研究。１．２膜片式光纤传感器的发展膜片式光纤传感器是伴随着提高传感器在压力和声波检测灵敏度并且追求传感器体积小型化的需求而出现。膜片式光纤传感器是将干涉仪中的一路光照射在感应反射膜片上，并被反射回干涉仪中，与干涉仪中的另一路光相干涉；感应反射膜感应到待测信号而发生形变，从而改变干涉仪的光程差，最终反映在干涉信号上，解调干涉信号中的相位变化信息即可解调出外界待测压力或声波的信息。１．３论文的研究目的和意义随着科学技术日新月异的发展与进步，对精准实时的压力及声波检测的需求越来越凸显出来。与传统的传感器相比，膜片式光纤压力传感器不仅具有抗强磁、强电、易燃爆等极限环境下工作的优点，而且其还具有体积微小、灵敏度高、易制作等优势。而信息技术、材料技术及先进电子技术的进步使更加优秀的膜片式光纤压力传感器的制作成为了可能。本论文在前人研究成果的基础上，设计了一种基于纳米银膜的微振动光纤传感器系统。使用液相化学反应的方法生成了一种纳米银膜，使用此纳米银膜制造出一种高灵敏度的微振动传感探头；使用相位载波零差法，构建了一种优秀的微振动光纤传感器系统。实验结果充分证明，此传感器系统的结构简单，体积小，对声压、光压的具有理想的感应灵敏度及检测线性度；此传感器系统可应用于声音传感、微振动传感、光压传感、光功率测量。基于纳米银膜的微振动光纤传感器及其应用的研究１．４论文的结构第一章：首先介绍了光纤传感器的发展历程以及膜片式光纤传感器的研究状态。其次提出本论文研究的目的和意义。第二章：分析干涉型光纤传感器传感原理，并详细介绍了马赫曾德干涉仪的传感原理及光纤干涉仪的解调方法一相位载波（ＰＧＣ）零差法的载波原理及解调原理，这是整个论文工作的理论准备。第三章：先是介绍了金属膜片的制作工艺；其次，详细介绍了纳米银膜传感探头的制作；最后介绍了传感探头的安装。第四章：对本论文提出并制造的基于纳米银膜的微振动光纤传感器系统通过对声压及光压信号的测试，进行了对银膜压力感应特性的研究。设计了银膜振动幅的标定实验；设计了银膜探头的声压响应实验；设计了银膜探头的音频响应实验；设计了微振动光纤传感器的光压强度检测实验；设计了微振动光纤传感器的双波长光波的光压强度检测实验。第五章：对本论文进行了总结和回顾，然后查阅一些最新文献，在本文已做过的工作基础上，对今后研究工作进行了展望。１．５本章小结本章首先介绍了光纤传感器的研究现状及膜片式光纤传感器的发展；其次提出本论文研究的目的和意义：最后介绍了本论文的结构。第二章相位调制干涉型光纤传感器系统的原理及解调方法第二章相位调制干涉型光纤传感器系统的原理及解调方法光纤传感器有三种调制的方法，即强度调制一直接测量外界变量引起的探测光光强度的变化、波长调制一直接测量外界变量引起的传感器的波长变化以及相位调制一通过改变相干光的光程差形成相位变化并通过干涉形成干涉光强度的变化，以此来表征外界的变化。相比于前两种调制，相位调制是现在使用最多，也是最成熟的一种传感方法，由于其是以传感光波的波长九为度量单位，所以其传感灵敏度更高，在精度上可以测量到的最小的相位变化为１０。ｔａｄ且易于将外界信号耦合进传感系统，其解调方法十分的成熟可靠。２．１相位调制干涉型光纤传感器对于相位干涉型干涉仪，无论是麦克尔逊式、马赫曾德式、还是塞格纳克式以及法布里一泊罗式，它们的干涉原理是相同的，仅是具体结构的差别，都是外界待测信号引起干涉仪中的光程差或者说相位差的变化，进而表现为干涉光的强度变化，反过来通过检测强度变化来表征外界待测信号的变化。具体选择哪种结构的干涉仪要根据待测试的具体信号情况及相应解调方法而定。２．１．１光纤马赫曾德型传感器的干涉原理本文将通过马赫曾德型光纤传感器的传感原理来介绍相位调制干涉型光纤传感器系统的原理。基于纳米银膜的微振动光纤传感器及其应用的研究这样就在相位调制型传感器中，使用检测干涉光强度变化的方法来解调出两束光的相位变化，进而解调出外界待测信号。２．１．２相位调制干涉型光纤传感器的光源要求在上文中假定参考臂与信号臂的光纤长度相等，即干涉臂的长度差为零，这是因为这牵涉到两束相干光的光源的相干长度问题。根据光的干涉条件，相干涉的两束光必须拥有相同的频率或者说波长、相同的偏振态及固定的相位差。但是，实际应用的光源并不是严格意义上的单色光.在这些干涉条纹分布中，当出现干涉光的所有相干极大与相干极小重合时，我们就认为光波就不在干涉。即当单色光的光程差矗≥轰，则产生非相干叠加；在光程差矗＜告，则产生部分相干叠加。将干涉仪两个干涉臂上干涉光的相位关系锁定在正交状态，即使两者的相位差为姜，以得到最好的相位检测灵敏度。闭环控制系统会产生一个与干涉仪偏移正交状态成比例的误差信号，用于控制相位调制器，使之产生与干涉仪偏移正交状态大小相等，方向相反的相位偏移，用以维持系统处于正交状态。但是此种方法实用性不高，只能在实验室等特殊状态使用。本文将主要介绍相位载波零差技术（ＰＧＣｈｏｍｏｄｙｎｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ），其具有有效抑制相位衰落、维持信号稳定的特点，是目前一种十分成熟的解调技术。下面将详细介绍相位载波零差技术的调制原理及相位解调的实现。２．２．１相位载波（ＰＧＣ）零差法的调制原理相位载波光纤传感器的检测方法是在干涉仪中耦合进去一个正弦相位调制，其频率处在待测信号的频率带宽之外，使所要检测的信号成为这些载波的边带，通过后续的解调方法，使交流传感信号与随机相位漂移分离开来，从而输出稳定的传感信号。向干涉仪中加载载波信号的方法主要有两种，分别是外调制与内调制。相位载波零差法的内调制就是对干涉仪光源的波长或者说频率施加调制，调制干涉仪的光源的输入电流，则光源输出的光波的波长会随着输入电流的变化产生小范围近似线性的变化，进而实现对干涉仪的相位载波。