基于微结构光纤和游标效应的高灵敏度压力传感器

结构健康监测、医疗诊断分析、气压检测以及军事工程应用等领域对压力的高灵敏度探测要求越来越高。光纤传感器由于其体积小、灵敏度高及抗电磁干扰等优点被广泛应用于压力测量。针对石英材料的杨氏模量较高,传统实芯光纤压力传感器的受压变形量较小,导致测量灵敏度很难提高。文章提出了一种基于游标效应的双Sagnac干涉环式光纤压力传感器。传感器由保偏光子晶体光纤(Polarization Maintaining Fiber, PM-PCF)作为敏感单元实现Sagnac干涉并通过不同PCF长度实现针对压力增敏特性的游标效应。传感器分别采用在单模光纤中嵌入PM-PCF形成传感器的参考单元和压力敏感单元,并对Sagnac环的感压部分进行封装,通过实验对并联型Sagnac环压力传感器的压力特性进行研究。实验结果表明在压力范围为0～2.4MPa内,压力传感器最大灵敏度为-54.491nm/MPa,分辨率为0.367kPa。相比无游标效应的Sagnac环压力传感器,其压力灵敏度放大了16.7倍。此外,传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点,为高灵敏度压力传感器提供了一种替代设计方案。     

一种基于光子晶体光纤的高灵敏度Sagnac型温度传感器建模研究

为提高Sagnac型温度传感器的测温范围和灵敏度，提供了一种具有高双折射高温度灵敏度特性的光子晶体光纤设计方法。通过在光纤空气孔内填充温敏液体材料，使光纤具有良好的温敏特性。在COMSOL中建立该光子晶体光纤的电磁场模型并对光纤特性进行分析计算，利用有限元法分析结构参数对双折射和光纤双折射温度灵敏度的影响，并在所确定结构基础上研究了温敏液体的填充方式和填充液体类型对光纤温敏特性的影响。确定了最优的结构和液体填充方式，最优情况下该光纤的双折射温度灵敏度能够达到2.050 7×10^-5/℃，在1 550 nm处可获得5.96×10^-2的双折射。将2 mm光子晶体光纤应用于Sagnac型温度传感器中并进行传感性能仿真分析，利用多项式拟合的方法对结果数据进行拟合以分析传感器的温度灵敏度，提高拟合准确性、减小测量误差。结果表明在0～75℃范围内传感器平均灵敏度可达11.28 nm/℃，与现有典型Sagnac型温度传感器相比，本文Sagnac型温度传感器在尽量减小光纤长度的基础上获得了较高的温度灵敏度，并且测温范围更大、准确性更高。因此，该传感器在温度测...     

基于酒精与磁流体填充的单模-空芯-单模光纤结构温度磁场双参数传感器

提出了一种基于空芯光纤模间干涉原理的环境温度和磁场双参数传感器,为了使光入射进空芯光纤壁中,将空芯光纤与单模光纤错位熔接,传感部分用毛细玻璃管封装,空芯光纤内外分别填充酒精和磁流体.除了光纤材料的热光效应和热膨胀效应外,环境温度变化会引起两种溶液折射率的变化,而磁场变化仅引起空芯光纤外的磁流体折射率变化.理论计算可知空芯光纤壁中可支持多个模式传输并相互干涉,各模式传输相位对内外溶液折射率变化灵敏程度不同.因此,干涉谱中两个含有不同模式成分的波谷,即波谷1和波谷2,它们的漂移可以作为指示信号,通过建立敏感矩阵可同时解调出周围环境温度与磁场的变化.实验中,在28—58℃范围内,温度传感灵敏度可达-468 pm/℃;在0—169 Oe范围内磁场传感灵敏度可达82 pm/Oe.该传感器具有高灵敏度与高机械强度,并且能够实现温度与磁场的同时测量,有效消除了温度波动对磁场测量信号的干扰.     

基于游标效应的双芯光子晶体光纤温度传感器

设计了一种基于双芯光纤耦合效应和游标效应的高灵敏度温度传感器,传感器是由2个相差一定长度的双芯光子晶体光纤和单模光纤级联构成。双芯光子晶体光纤通过级联实现游标效应,同时对纤芯中间的气孔填充乙醇实现温度传感。仿真结果表明,该温度传感器在35 ℃～45 ℃范围内的平均温度灵敏度可达?20.37 nm/℃。与单纯依靠双芯光子晶体光纤能量耦合效应的传感器相比,该传感器的温度检测灵敏度提高了10倍。     

材料封装型光纤布拉格光栅宽温域应变传感性能研究

针对用于高温油气井下的光纤布拉格光栅(FBG)传感器弹性封装材料宽温域应变问题,将奥氏体不锈钢材料和试制的铌基恒弹合金材料设计加工成弹性应变元件,并将FBG粘贴于其上封装成传感器.在30～250℃宽温域范围内对两个传感器施加拉力进行应变传感实验,对比研究了两种材料的应变传感性能.结果 表明:两种合金材料在不同温度下的应变响应线性度均超过0.999;但随着温度的升高,两种合金材料的应变响应灵敏度有下降趋势,重复性降低,迟滞增大,温度影响弹性材料的应变传感性能;在30～250℃温度范围内,用试制的铌基恒弹合金材料封装的传感器在重复性、迟滞、线性拟合度和灵敏度稳定性方面均优于奥氏体不锈钢材料封装的传感器.因此试制的铌基恒弹合金可用于宽温域FBG传感器的弹性封装材料.     

基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder温度传感特性研究

提出并设计了基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder干涉结构,并对其温度传感特性进行了研究。通过将两支分光比为50∶50的1×2端口光纤耦合器相对熔接,构建光纤Mach-Zehnder干涉结构,采用单模光纤作为干涉结构的参考臂。基于侧面研磨技术在3m长纤芯/包层尺寸为9/125μm的单模光纤上进行抛光,抛光时长为5h,制备了研磨长度为20mm、深度为50μm的光泄露窗作为干涉结构的传感臂,提高传感器的灵敏度。采用宽带光源对Mach-Zehnder干涉结构的透射光谱进行测试,干涉周期为0.66nm。实验中对传感结构进行了温度测试及分析,选取波谷位置为1551.48nm作为测试点。在25～60℃的升温范围内干涉条纹向长波方向移动3.97nm,传感器的温度灵敏度为115.4pm/℃。不同温度下对应波谷的波长位移量与外界温度呈现良好的线性关系,线性度为0.9940,功率漂移小于1.66dB,具有较好的功率稳定性。     

光纤锥在线型马赫-曾德干涉仪的折射率传感特性

提出了一种基于光纤锥的在线型光纤马赫-曾德干涉仪式折射率传感器.传感器是在一根单模光纤上使用光纤熔接机拉制出两个光纤锥,光纤锥的直径为43.7μm,长度为480μm.干涉仪中光纤锥充当光纤耦合器,激发出光纤高阶模,并将高阶模耦合进单模光纤使之与纤芯基模形成模间干涉.被环境溶液的折射率、温度的变化改变模式间相位差,将导致干涉仪的传输光谱发生漂移,从而实现传感测量.实验结果表明:当环境溶液的折射率变化范围为1.335~1.403RIU时,传感器的折射率灵敏度为-128.233nm/RIU;当水溶液的温度变化范围为30~75℃时,传感器的温度灵敏度为0.111nm/℃.该传感器具有制作方法简单、灵敏度高、成本低等特点,可应用于生物传感测量.     

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合, 一部分进入纤芯传输,另一部分进入包层形成包层模,纤芯模和包层模具有不同的有效折射率,经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合,形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究,得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性,给出了温度响应灵敏度。实验结果表明,在30～400 ℃温度范围内,长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度,其响应灵敏度为0.115 nm·℃-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析,可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP₀₁和高阶模LP₀₈两种模式,透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰,具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。     

光纤布拉格光栅与空芯光纤多模干涉混合型温度应变双参量传感器

针对光纤应变传感器由于温度敏感而引入的测量问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应的混合型温度-应变双参量传感器。该传感器由两根单模光纤与一段内径小于单模光纤纤芯直径的空芯光纤熔接制成,其中一根单模光纤的光纤端面附近预刻一组光纤布拉格光栅。空芯光纤长度为厘米量级,光波以多模形式在空芯光纤侧壁中传播。结合光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应对温度和应变的不同响应灵敏度,通过求解双参数耦合矩阵同时获取温度和应变两个参量,并有效解决了单个传感器在温度或应变测量时的温度-应变交叉敏感性问题。采用中心波长为1 550.172 nm的光纤布拉格光栅与一段长为2.5 cm、内径为5μm的空芯光纤制备了相应的传感器,并进行了温度和应变测试。结果表明,光纤布拉格光栅和空芯光纤的温度灵敏度分别达到10.530 6 pm/℃和1.802 1 pm/℃,应变灵敏度分别达到0.720 7 pm/με和1.243 2 pm/με。     

基于PDMS材料的Sagnac干涉光纤挥发性有机物传感器

在一段8cm长的保偏光纤两端分别熔接两段普通的单模光纤,在保偏光纤的侧面均匀地镀上一层聚二甲基硅氧烷材料,聚二甲基硅氧烷材料经该段保偏光纤接入到一个光纤耦合器中,从而形成一个光纤Sagnac干涉仪.聚二甲基硅氧烷材料吸附挥发性有机物分子时,会引起聚二甲基硅氧烷材料体积上的膨胀,导致Sagnac干涉波长的漂移,通过对Sagnac干涉光波长漂移的测量即可实现对挥发性有机物气体的检测.实验测量了传感器对挥发性有机物浓度的响应,结果表明,在0~6 000ppm浓度范围内,传感器的灵敏度为1.03pm/ppm,由光谱仪的最小分辨率为0.02nm可知,该传感器对挥发性有机物的检测下限约为19.4ppm.该传感器相比聚二甲基硅氧烷材料与光纤光栅结合的传感器,灵敏度提高了4 300倍.     

基于二阶Loyt-Sagnac干涉仪的灵敏度增强温度传感器

通过在基于高双折射光纤Sagnac干涉仪的Sagnac环内增加一段高双折射光纤并控制两段高双折射光纤的熔接角度,设计制作了二阶Loyt-Sagnac干涉仪结构.利用Jones矩阵对反射谱特性进行了理论推导,对光束入射角度和高双折射光纤长度进行了优化,并对两种结构的干涉仪温度传感器进行仿真和实验.仿真结果表明,利用二阶Loyt-Sagnac干涉仪结构的游标效应,能提高其作为温度传感器时的灵敏度;实验结果证明,单段Sagnac环干涉仪温度传感器灵敏度为-1.46nm/℃,而使用二阶Loyt-Sagnac干涉仪的温度传感灵敏度为-17.99nm/℃,提高了约12.32倍.     

基于纤芯失配和光纤布拉格光栅实现温度和应变同时测量

基于纤芯失配理论,提出了一种多模单模多模（MSM）结构与光纤布拉格光栅（FBG）级联实现温度和应变同时测量的光纤传感器。利用MSM结构的干涉谱和FBG对温度和应变的不同响应灵敏度,实现了对温度、应变的同时测量。实验结果表明,在20 ℃~80 ℃的温度范围内,MSM结构的干涉谱和FBG的温度灵敏度分别为0.091 nm/℃和0.0102 nm/℃;在0～650 με的应变范围内,应变灵敏度分别为 -0.0013 nm/με和0.0012 nm/με。因此利用敏感矩阵,即可实现对温度和应变的同时测量,且温度和应变的最大测量误差分别为±0.2 ℃和±8.25 με。该结构灵敏度高,结构简单,且不易受电磁等干扰,实验结果具有良好的线性度,在工程领域应用前景良好。     

基于粗锥结构级联LPFG的双包层光纤多参量传感器

提出了一种基于模间干涉的测量温度、折射率和轴向应变的光纤传感器.在单模光纤与双包层光纤熔接点处形成粗锥,再与两个周期不同的长周期光纤光栅级联,由于模场失配,激发高阶模,形成三个谐振峰,且对不同参量有不同的灵敏度响应,通过解调三个谐振峰的波长漂移,利用系数灵敏度矩阵,可以测量温度、折射率和轴向应变.实验结果表明,温度在25℃～75℃范围内,灵敏度分别为60.07 pm/℃,6.47 pm/℃和103.83 pm/℃;折射率在1.335 5～1.359 5范围内,灵敏度分别为-56.64 nm/RIU,34.02 nm/RIU和-214.84 nm/RIU;轴向应变在200με～1 400με范围内,灵敏度分别为-2.14 pm/με,-3.61 pm/με和-2.59 pm/με,且分辨率分别为1.29℃、0.000 42 RIU和21.42με.该传感器具有灵敏度高、线性度良好等优点,可广泛应用于多参量测量领域。     

波长和强度同时响应的锥形多模光纤温度传感器

通过将一段长为17 mm的多模光纤两端分别与单模光纤对芯熔接,然后对多模光纤部分进行拉锥处理,得到一种波长和强度同时对温度响应的锥形多模光纤温度传感器。实验研究了30 ℃~80 ℃范围内传感器的温度传感特性。实验结果表明:当环境温度发生变化时,该传感器在1 542 nm附近干涉波谷的波长和强度对温度的响应灵敏度分别可达到0. 041 nm/℃和0. 106 dB/℃,并且传感器干涉条纹的波长响应和强度响应之间呈良好的线性关系。基于传感器波长响应与强度响应之间的该线性关系,通过传感信号强度的检测即可实现干涉型光纤传感器的相位解调,该方法为传感解调信号提供了新思路,具有重要的参考价值。     

基于低双折射光子晶体光纤Sagnac干涉仪的超低温度系数扭曲传感器

研究了低双折射光子晶体光纤中由光纤扭曲造成的圆双折射效应,并应用Sagnac干涉仪结构设计了扭曲传感器.在Sagnac环中的光子晶体光纤上施加机械压力引入初始线双折射并产生正弦干涉光谱,再扭曲光纤产生圆双折射使干涉光谱随扭曲角度移动.光谱峰值波长随扭曲角度变化符合Sinc函数关系,理论分析与实验相符.传感器灵敏度为1.00 nm/°,分比率为0.01°,并具有超低的温度系数-0.5 pm/℃.     

基于长周期光纤光栅和保偏光纤Sagnac环光谱特性的温度与应变测量研究

提出并研制了一种结构简单、成本低廉的温度与应变同时测量系统,其结构是在保偏光纤Sagnac环内接入一个长周期光纤光栅(LPFG)。利用LPFG对保偏光纤Sagnac环的透射光谱进行调制,通过监测谐振峰波长和强度的变化,发现波长随温度和保偏光纤的应变变化,强度随LPFG的应变变化,因此可以实现温度与应变的区分测量,并且可判断出应变的施加位置。实验得到该系统的温度灵敏度为0.181 81 nm·℃-1,LPFG区的应变灵敏度为0.005 283 dB·με-1,保偏光纤Sagnac环区的应变灵敏度为0.015 72 nm·με-1。实验结果表明该方案可行,并具有一定的实用性。     

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.     

熊猫型保偏光纤光栅温度和压力传感特性的实验研究

对熊猫型保偏光纤光栅的传感特性进行了深入的实验研究,采用温箱和压力罐分别进行了温度和压力传感特性的实验研究.实验结果表明:在0～2.5 MPa的压强范围内,熊猫型保偏光纤光栅两个偏振方向上的压力敏感系数分别为0.004 88 nm/MPa和0.003 52 nm/MPa;在15～50 ℃的温度范围内,两个偏振方向上的温度敏感系数为0.01018 nm/℃和0.008 8 nm/℃.该光纤光栅两偏振态对温度和压力的不同敏感特性可用于解决光纤光栅的交叉敏感问题.     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

基于磁流体填充微结构光纤的温度特性研究

利用毛细现象将磁流体完全填充到六角形微结构光纤的空气孔中, 分析了磁流体填充长度、浓度对其传导特性的影响. 结合磁流体独特的热光效应, 并对一定浓度、长度下填充的光纤进行了温度特性的研究. 结果表明, 随着温度的升高, 透射谱1460 nm处磁流体的吸收峰逐渐变浅. 基于磁流体载液与表面活性剂对温度的不同敏感性, 吸收峰左右两个边沿表现出不同的温度响应; 在波长为1100–1700 nm之间透射损耗与温度变化成线性关系, 对于填充长度为10 cm的微结构光纤, 敏感度达到0.06 dB/℃, 且液体填充长度越长, 灵敏度越高. 该研究将微结构光纤与磁流体材料有机地结合起来, 并利用填充材料自身的热光特性, 实现了对透射谱的单边调谐, 将其作为热光可调谐器件、滤波器等相关可调谐光子器件在光通信、 光传感等领域将具有很大的应用潜力. 因此, 基于材料填充微结构光纤的研究可为探索新型全光纤光子器件的新技术和新结构提供有效的方法. 关键词： 微结构光纤 磁流体 热光效应 温度传感