光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展

光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点,已被广泛应用于军事和民用领域.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,微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用,国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望.     

高精细度微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪

通过在镀膜单模光纤端面制作微透镜,构造了微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪.利用ABCD矩阵方法分析厂微透镜法布单-珀罗腔的模场.由于微透镜的会聚作用,法布里-珀罗腔模场可以和单模光纤模场良好的匹配,从而达到高精细度和低插入损耗.实验制作的微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪,自由光谱区范围32.28 nm,精细度为78,峰值透射比为73%;在法布里-珀罗腔的光学腔长增加到100um的情况下,峰值透射比仍然大于50%.该微透镜光纤法布里-珀罗十涉仪制作容易、对设备要求低,可以封装成光纤法布里-珀罗滤波器和传感器,具有广泛的应用前景.     

短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器椭圆拟合腔长解调算法

建立了一种短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器反射光谱的模型,提出了一种双参数椭圆拟合腔长解调算法,并对腔长为26～30μm的复合式法布里-珀罗腔的解调进行了仿真。结果表明,采用双参数椭圆拟合算法进行腔长解调的最大误差仅为0.05μm。搭建了光纤法布里-珀罗传感器解调系统,在加压条件下对复合式光纤法布里-珀罗压力传感器进行了解调实验,实现了20 kHz的解调速率,验证了所提算法在解调短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器方面的可行性与实时性。     

微型化光纤法布里-珀罗传感器腔长一致性的控制研究

研究了光纤法布里-珀罗腔传感器的腔长一致性的控制技术.通过三维调整架组成微调装置来控制全光纤法布里-珀罗腔的腔长;结合法布里-珀罗腔的工作原理,利用光谱分析仪实时检测加工过程中法布里-珀罗腔的腔长并用装置予以修正;以热熔接的方法将毛细玻璃管与光纤加工成法布里-珀罗腔;利用超景深光学显微系统检查加工的法布里-珀罗腔的关键部位的结构,并对熔接点的牢固性进行了检测.实验结果和数据分析显示:法布里-珀罗腔的腔长得到了较好的控制及一致性,熔接部位的变形和对法布里-珀罗腔的性能的影响也很小.该工艺可用于制备全光纤法布里-珀罗腔传感器.     

基于空芯光子晶体光纤的微小型非本征光纤法布里-珀罗干涉应变传感器

报道了一种用空芯光子晶体光纤制作的法布里-珀罗腔体,利用光纤熔接方法将该法布里-珀罗腔体和两根普通通信单模光纤熔接起来构成的微小型光纤法布里-珀罗干涉应变传感器。这种干涉传感器制作过程仅应用了切割和熔接手段,光纤材料单一,因此受温度变化的影响小。另外,该类型传感器的干涉腔长度对干涉信号强度影响不大,其干涉腔长度可至数厘米。因此,这类传感器将在大容量、准分布式传感系统中具有极大的潜在应用价值。     

光纤光栅法布里-珀罗传感器频分复用技术

理论分析了光纤光栅法布里-珀罗(F-P)传感器频分复用技术的原理,并给出了信号处理对腔长选取的要求。数值模拟结果表明,不同腔长的传感器具有不同的谐振条纹频率,为保证频域中的信号不发生重叠,要求不同光纤光栅法布里-珀罗传感器间的腔长之差必须大于光纤光栅的长度。进一步的实验及模拟分析结果发现,温度等待测量的变化仅仅使光纤光栅法布里-珀罗传感器的反射光谱整体平移,相应的频域信号只产生相移而形状不发生变化,因而不能采用普通光纤法布里-珀罗(FFP)传感器的腔长傅里叶变换解调法解调频分复用光纤光栅法布里-珀罗传感器的信号。根据这一特点,提出了利用自相关分析实现频分复用传感器系统信号解调的方案。     

白光干涉解调光纤MEMS压力传感器

为了在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下实现压力的测量,进一步提高传感器的小型化并降低其制作成本,提出并设计了一种基于白光干涉解调的光纤法布里-珀罗压力传感器,实现了传感器的压力测量.基于微机电系统技术,采用光刻、阳极键合以及化学腐蚀的方法制作了以硅和玻璃构成的法布里-珀罗腔体,使用二氧化碳激光器对法布里-珀罗腔体与光纤进行焊接.基于白光干涉解调技术,利用斐索干涉仪与法布里-珀罗腔体的互相关关系对传感器进行了解调,并做了压力实验.实验结果表明:传感器在120~300kPa范围内具有较高的腔长变化灵敏度和线性度,分别为9.012 7nm/kPa和99.9%;传感器分辨率为0.1nm,重复性为0.1%.研究成果对低成本、高一致性光纤F-P传感器的批量制作具有一定的参考价值.     

利用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长同时测量混合溶液中多溶质浓度(英文)

为了同时探测混合溶液中多种溶质的浓度,提出一种用光纤法布里-珀罗谐振器作为传感器测量混合溶液中多溶质浓度的测量系统.从理论上分析了光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长与混合溶液浓度之间的关系,采用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长实现了高准确度同时测量混合溶液中多溶质浓度的原理和可行性.构建了由InGaAs发光二极管光源、光纤耦合器、FFPR传感器、光电信号转换和放大器、光谱分析仪等组成的测量系统.对乙醇和甘油的9组标准混合溶液进行测量实验,并用测量结果标定了混合溶液中各溶质浓度与光纤法布里-珀罗谐振器传感器干涉透射波长之间的数学解析关系式.根据数学关系式用Action Script 2.0脚本语言编写程序,计算机实时监控了混合溶液中各溶质浓度的变化过程.     

利用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长同时测量混合溶液中多溶质浓度

为了同时探测混合溶液中多种溶质的浓度,提出一种用光纤法布里-珀罗谐振器作为传感器测量混合溶液中多溶质浓度的测量系统.从理论上分析了光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长与混合溶液浓度之间的关系,采用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长实现了高准确度同时测量混合溶液中多溶质浓度的原理和可行性.构建了由InGaAs发光二极管光源、光纤耦合器、FFPR传感器、光电信号转换和放大器、光谱分析仪等组成的测量系统.对乙醇和甘油的9组标准混合溶液进行测量实验,并用测量结果标定了混合溶液中各溶质浓度与光纤法布里-珀罗谐振器传感器干涉透射波长之间的数学解析关系式.根据数学关系式用Action Script 2.0脚本语言编写程序,计算机实时监控了混合溶液中各溶质浓度的变化过程.     

光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器的灵敏度分析

理论上推导了光纤法布里-珀罗复合结构传感器的反射光谱条纹对比度与外界介质折射率的关系,并分析了实验参数对传感器灵敏度的影响.利用化学腐蚀渐变折射率多模光纤制作了光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器,空气中的条纹对比度可达30 dB以上,折射率测量的灵敏度达45 dB/RIU(refraction index unit,简RIU)以上.实验结果与理论符合很好.通过理论和实验分析,提出了进一步提高传感器灵敏度的方法. 关键词： 光纤传感器 法布里-珀罗复合结构 折射率测量 灵敏度     

光纤法布里-珀罗传感器腔长的傅里叶变换解调原理研究

在宽带光源条件下对光纤法布里-珀罗传感器腔长的傅里叶变换解调原理进行了详细的理论推导,在此基础上给出了具体的实现算法和仿真对比实验.仿真结果表明:采用傅里叶变换可以有效地对光纤法布里-珀罗传感器进行腔长解调.     

激光加工微型光纤折射率传感器的工艺与特性

提出一种由157nm激光制造的新型微型光纤法布里-珀罗折射率传感器的制作方法,传感头由靠近单模光纤端的具有光纤顶端微通道的法布里-珀罗空气腔组成,将单模光纤顶端的微通道作为检测介质的入口.分别在珐珀腔的反射界面镀以薄膜作为反射镜面来确保高的光对比度.试验中获得了1130.887nm/refractive-index的分辨率.和其他的光纤传感器相比,这种传感器具有体积小,结构坚固,高分辨率,线性良好,测量范围宽等优点,能够满足实际应用的要求,特别是对需要小型传感器的场合.     

一种同时测量电流和温度的光纤光栅传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪且可以同时测量交变电流和温度的传感器,并对其进行了理论分析和实验研究.该传感器采用单频激光入射,作为反射镜的一对光纤布喇格光栅自由放置,其间的法布里-珀罗腔粘贴在磁致伸缩材料上,通电导线周围的磁场通过磁致伸缩材料作用于光纤光栅法布里-珀罗腔,引起腔长周期性变化.同时,由于热膨胀和热光效应,环境温度的变化会引起光纤长度和折射率的改变,从而改变光纤光栅法布里-珀罗腔的反射光谱特性.通过检测输出光信号的频率和峰值可实现电流和温度的同时测量.对通电线圈的电流及环境温度进行测量的实验结果与理论分析相吻合.     

一种同时测量电流和温度的光纤光栅传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪且可以同时测量交变电流和温度的传感器,并对其进行了理论分析和实验研究.该传感器采用单频激光入射,作为反射镜的一对光纤布喇格光栅自由放置,其间的法布里-珀罗腔粘贴在磁致伸缩材料上,通电导线周围的磁场通过磁致伸缩材料作用于光纤光栅法布里-珀罗腔,引起腔长周期性变化.同时,由于热膨胀和热光效应,环境温度的变化会引起光纤长度和折射率的改变,从而改变光纤光栅法布里-珀罗腔的反射光谱特性.通过检测输出光信号的频率和峰值可实现电流和温度的同时测量.对通电线圈的电流及环境温度进行测量的实验结果与理论分析相吻合.     

激光加工微型光纤折射率传感器的工艺与特性

提出一种由157 nm激光制造的新型微型光纤法布里-珀罗折射率传感器的制作方法,传感头由靠近单模光纤端的具有光纤顶端微通道的法布里-珀罗空气腔组成,将单模光纤顶端的微通道作为检测介质的入口.分别在珐珀腔的反射界面镀以薄膜作为反射镜面来确保高的光对比度.试验中获得了1 130.887 nm/refractive-index的分辨率.和其他的光纤传感器相比,这种传感器具有体积小,结构坚固,高分辨率,线性良好,测量范围宽等优点,能够满足实际应用的要求,特别是对需要小型传感器的场合.     

基于游标效应的增敏型光纤法布里-珀罗干涉仪温度传感器

本文介绍了一种高灵敏度光纤温度传感器.该传感器由一小段毛细管熔接于单模光纤和一段大模场光纤之间而构成串联的两个法布里-珀罗干涉仪.由于俩干涉仪具有相近的自由光谱区,因而它们的叠加光谱会产生游标效应.实验结果显示,利用游标效应解调,该传感器的温度灵敏度可从单一空气腔法布里-珀罗干涉仪的0.71 pm/℃提高到179.30 pm/℃.该传感器结构紧凑(1 mm)且灵敏度高,具有良好的应用前景.     

用于灵巧结构的光纤法布里—珀罗传感器

简要介绍用于灵巧结构的各类光纤法布里－珀罗传感器的制作技术、系统结构及其在灵巧结构中的应用。     

基于掺铒光纤的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器

提出了一种化学腐蚀掺铒光纤制作微型光纤法布里-珀罗干涉传感器的方法。通过对掺铒光纤进行化学腐蚀,形成凹槽,再与单模光纤直接熔接制作而成。实验制作的微型法布里-珀罗干涉传感器干涉条纹光滑,对比度达到15dB。对该微型光纤法布里珀罗干涉腔进行了应变和温度传感实验。实验结果表明,在0-600με￡内,波谷移动随应变改变的灵敏度达到1．7pm／με,线性度为0．9998,从73～23℃,波谷移动随温度改变的灵敏度3．9pm／℃,线性度为0．9982。该方法制作的微型光纤法布里-珀罗传感器具有操作简单,一次成型,制作成本低的优点。     

光纤光栅法布里-珀罗腔的腔、栅边缘特性分析

把组成光纤光栅法布里-珀罗腔的两个光纤光栅的初相位纳入了讨论范围,用耦合波方程推导了任意初相位下光纤光栅法布里-珀罗腔的透射和反射率的表达式.其中的相位因子包含了由光传播常数调制的腔长、光纤光栅的相位突变、光纤光栅仞相位和由光纤光栅空间频率涮制的光栅长度等四部分.分析了光纤光栅初相、由光栅空间频率调制的光栅长度两个因子对反射谱的影响,并提出了一种把光纤光栅法布里-珀罗腔等效为理想法布里-珀罗腔的方法.     

基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变解调方法

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变传感器解调方法,该方法综合了光纤法布里-珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统,精确调节匹配光栅法布里-珀罗干涉仪的温度和应变,有效解决了光栅法布里-珀罗干涉仪的失配问题,从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置,同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明,该系统能够响应50~800 Hz的输入信号,应变最小分辨力至少为0.4 nε/Hz^1/2,解调灵敏度高,且不受环境温度波动的影响,因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.