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塑料光纤精密切割与折射率传感器研究

塑料光纤精密切割与折射率传感器研究

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作者：孙国栋齐鲁工业大学

学位级别：硕士

塑料光纤凭借其轻便、低成本、大纤径、高柔韧性等优势,在短距离通信和传感领域展现出巨大的潜力。随着传感检测技术的持续进步,塑料光纤在RI传感检测等多个领域也展现出了巨大的应用潜力和多样化的使用需求。然而,塑料光纤精密切割和... 详细信息

塑料光纤凭借其轻便、低成本、大纤径、高柔韧性等优势,在短距离通信和传感领域展现出巨大的潜力。随着传感检测技术的持续进步,塑料光纤在RI传感检测等多个领域也展现出了巨大的应用潜力和多样化的使用需求。然而,塑料光纤精密切割和折射率传感性能的提升仍面临挑战。本研究以高质量塑料光纤制备折射率传感器为切入点,从理论研究、切割装置制作、切割试验分析、传感器仿真分析和传感性能实验入手,深入探讨了塑料光纤精密切割技术和v型侧抛结构折射率传感器的传感性能,旨在为塑料光纤传感器的开发和应用提供理论指导和实验依据。首先,基于热切法分析了塑料光纤切割过程中的热力学特性,包括热弹塑性、玻璃化转变与应力应变关系,以及端面质量对连接损耗的影响。研究发现,塑料光纤在接近玻璃化转变温度时具有最佳的切割性能,并且切割端面平整度和粗糙度对插入损耗和回波损耗有直接影响,实现塑料光纤的精密切割需要精确控制光纤、刀片温度和切割速度。在热切割理论指导下,设计了模块化塑料光纤切割装置,实现了不同直径和材质塑料光纤的稳定及重复的自动化切割。试验表明,在切割1mm直径PMMA塑料光纤时,当光纤温度在60～80℃、刀片温度在60～80℃、切割速度为0.5mm/s和5.6 mm/s的条件下,可获得较好的切割质量。在此基础上,又完成了0.75mm、1.5mm直径的PMMA塑料光纤切割,获得了最佳切割参数。其次,基于消逝场效应,改变塑料光纤几何结构设计了v型侧抛结构塑料光纤折射率传感器,并在COMSOL Multiphysics仿真软件中,运用光线追踪法,研究了v型侧抛的几何参数(如弯曲圆角半径、相交角和抛光深度)对传感性能的影响。仿真结果表明,v型侧抛结构可以显著增强消逝场效应,提高传感器的灵敏度。最后,基于仿真结果,以精密切割获得高质量塑料光纤制备了该传感器,并进行了RI传感检测实验。实验结果表明,v型侧抛结构可以显著提高传感器的灵敏度,在圆倒角半径为0.52mm、相交角为20°和抛光深度为305.4μm时,线性拟合相关系数为0.9691,灵敏度达到174.687 RIUd B/。综上,v型侧抛结构的塑料光纤折射率传感器设计简单、易于制造,在1.33～1.4的范围内可显著降低测量折射率成本,并具有抗干扰能力强优点。

关键词：塑料光纤热切法光纤端面质量 v型侧抛折射率传感器

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