光纤模斑谱复合材料固化传感器研究

本文报道了一种新型光纤传感器,其原理为通过测量光纤末端近场模斑谱来反映埋置在周围的树脂折射率的变化。计算了随着在树脂固化过程中折射率变化的功率谱密度分布,给出截止频率与折射率的近似关系。通过测量折射率匹配液,对传感器误差进行了估计。给出了利用这种传感器进行复合材料树脂固化监测的实验结果。发现这种光纤传感器的信号可以用来反映固化凝胶点和固化结束点。指出由于固化后光纤仍保持光波导特性,该光纤还可以用来监测受环境扰动的结构,如温度变化、振动等     

折射率调制型光纤传感器在溶液浓度测量中的应用

本文详细报道了用折射率调制型光纤传感器测量溶液浓度的原理及实验装置。为了消除光源光强的不稳定性对测量精度提高的影响,我们提出用光学双稳态装置稳定光源的输出功率并将它用于实际测量中,实验结果表明:本方法用于测量溶液的浓度在灵敏度、精度和稳定度方面都有较大的提高,并且可用于在线监测。     

Analysis of refractometric fiber optic state-of-charge (SOC) monitoring sensor for lead acid battery

In situ monitoring of the state of charge (SOC) of lead acid battery is important to understand the residual electrical energy. Usage of battery reduces the charge content of the active electrolyte which in turn changes its refractive index. This paper reports refractometric fiber optic sensor developed for on-line monitoring of SOC. The SOC is monitored during discharging phases of the battery using the developed fiber optic sensor probe along with terminal voltage, temperature and depth of discharge using a LABVIEW based data acquisition system. The paper gives the working principle, design and construction details, results and calibration of the fiber optic sensor (FOS) probe. The in situ monitoring capability of the developed FOS is demonstrated in comparison with the contemporary off-line methods of specific gravity and terminal voltage measurements.     

基于SPR光谱分析的液体折射率测量研究

文章从电磁场理论和射线理论的角度,详细讨论了光纤表面等离子体波传感器工作原理,分析了表面等离子体共振(SPR)光谱共振波长与液体介质折射率之间的对应关系。采用相关光谱检测技术,获得八种不同类型分析醇所对应的SPR光谱曲线族,其共振波长随液体折射率的增大而逐渐向长波长方向偏移。通过对乙醇与乙二醇混合液体所对应的共振光谱分析,实现对两者配比浓度的测定。整个传感系统结构简单,测量光路部分实现全光纤化,不仅能够对目标测量介质的实时、快速、精确测量,还可用于特殊测量场合,实现远程遥测功能。     

An integrated optical sensor for measuring glucose concentration

We used an optical sensor combined with a Mach-Zehnder interferometric waveguide and optical fibers to measure slight changes of aqueous sugar concentrations. The merits of this sensor are simplicity, reliability, high sensitivity and continuous monitoring. The technique is based on the fact that the refractive index of sugar solution changes with the concentration of sugar. In the experiment, one arm of the interferometer is clad with glue and is thus isolated from the sugar solution. The other one is exposed to the sugar solution. A single mode fiber is directly glued onto the interferometric waveguide, to guide the light into the interferometer. If the concentration of sugar covering the waveguide changes, the phase of propagating light in the exposed arm will be changed, while the phase in the other arm is fixed. Hence the output intensity from the interferometer is directly related to the concentration of the sugar solution. The result of this experiment yields the relation between the sugar concentration and output signal. From 0% to 1% concentration of sugar solution, there is only a 1.4×10^–3 refractive index difference. Two sets of experimental data have been obtained, showing a linear relation between the sugar concentration and the output signal from our sensor. This sensor could be used for continuous monitoring of blood sugar in the human body.     

光纤阵列在探测圆环条纹中的应用

在 Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ 干涉仪测气系统中加入了特殊设计的光纤阵列传感器,用 Ｓｉ － Ｐ Ｉ Ｎ 管和 Ｔ Ｐ－ ８０１ 单板机接收、处理信号。该系统能同时检测气体折射率变化引起的圆环条纹的快速移动方向和数目。     

U型光纤传感器液体浓度测量系统的研究

为了测量液体的浓度,设计制作了一个U型光纤传感系统.在固定光源波长以及恒温的条件下,激光光源发出的光信号在U型光纤传感区域发生全反射,并且得到被测液体参数的调制,通过测量光接收端电信号的大小,可以得到被测液体的浓度.整个实验装置结构简单,主要由激光光源、U型光纤传感探头和光接收器件组成.实验以食盐溶液和蔗糖溶液为测量对...     

侧面研磨光纤Bragg光栅的外部折射率敏感特性研究

光纤Bragg光栅对外界折射率的变化不灵敏,无法直接作为气体、液体等的敏感元件.侧面研磨的光纤Bragg光栅,一侧包层减小至几微米,其辐射场可通过包层透射到被传感物质,因而被传感物质的折射率的变化可以改变光纤的有效折射率,从而使光栅的Bragg波长产生位移.实验中利用不同浓度的NaCl溶液来改变光纤光栅的外部折射率,Bragg中心波长的偏移量和浓度近似为线性关系.同时,透射功率的变化量和浓度也近似为线性关系.     

Microbend fiber optic detection of continuously varying refractive index of chlorinated water

In this paper we report a simple microbend fiber optic sensor using a plastic fiber, LED and photodetector assembly for sensing minute variation of refractive index of chlorinated water. Chlorinated water has slightly higher refractive index and gradual release of chlorine from bleaching powder treated water causes a temporal decrease in refractive index of the solution. The evaporation of chlorine from water and the change in refractive index is found to follow a first order exponential decay function of time. Introducing microbends in an optical fiber is easier and less complex than etching of fiber cladding for traditional optical fiber sensors.     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

基于光纤M-Z干涉的高灵敏度液体折射率传感器的实验研究

提出并制备了一种基于Mach-Zehnder干涉效应的高灵敏度光纤液体折射率传感器.分别利用NaCl溶液和甘油溶液,研究了传感器的透射光谱和外界介质折射率的关系.实验结果表明,随着周围介质折射率的增大,传感器干涉谱的极小值点对应的波长向长波方向漂移,在1.333～1.356的折射率变化范围内,极小值点对应的波长的漂移量和折射率的变化具有较好的线性关系,对应的灵敏度约为4 086nm/refractive-index.该传感器制作简单、结构紧凑,在生物和化学测量中具有较好的应用前景.     

基于157 nm激光制作的微光纤F-P折射率传感器

分析了157 nm激光制作的光纤法珀折射率传感器的传感特性.采用干涉条纹计数的方法对法珀腔的反射光谱进行解调,避免了光强波动的影响,同时具有较宽的折射率(RI)范围.在0~70℃范围内25 μm的法珀腔腔长变化量为6.25 nm,等效折射率变化为~2.46×10－4.常温下对折射率范围为1.33~1.427的甘油（丙三醇）溶液进行了测量,实验结果曲线的相关系数为0.9951,测量准确度为~3.70×10－4.     

基于纳米覆膜光纤F-P传感器的折射率光谱特性

采用层层组装和化学共价交联的方法对光纤Fabry-Perot (F-P)干涉传感器的端面进行了纳米聚电介质覆膜修饰,并实验研究了覆膜后传感器的折射率响应光谱特性。选择聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)为纳米覆膜材料,随着覆膜层数的增加,光纤F-P传感器的反射谱对比度呈现由高到低,再到高的规律,且反射谱对比度具有良好的温度稳定性。选取覆膜层数为20双层的光纤F-P传感器对一系列浓度的蔗糖和无机溶液进行了折射率光谱响应测试,实验测得折射率检测拐点由1.457延伸至1.4623,对低折射率物质的折射率灵敏度为24.53 dB·RI-1,对高折射率物质的折射率灵敏度为3.60 dB·RI-1,且均具有良好的线性。研究结果为光纤F-P传感器对低折射率物质的功能化检测提供了新方法。     

高分辨率光纤应变传感技术的研究

介绍光纤应变传感器中光纤端面反射镜的制作方法,镀膜光纤的连接技术和构成不对称光纤法布里－珀罗干涉腔的方法。应用低反射率不对称光纤法布里－ 珀罗干涉腔与光纤连接构成的光纤应变传感器,以提高分辨率;重点导出此干涉腔反射光与应变的数学模型,论述其工作原理和测量方法,通过实验证明文中所述应变传感原理和测量方法是正确的,其分辨率优于０－００６８με。     

基于光纤SPR光谱分析的污水降解过程监测研究

讨论了光纤表面等离子体波传感器的工作原理,并对将其用于监测以甲基橙为代表的环境污水降解过程的可行性进行了探讨。用光纤SPR传感器监测了50 mL初始浓度为30 mg·L-1的甲基橙原溶液在降解过程浓度的变化,对降解过程中光纤SPR传感器的光谱进行了详细的分析;同时采用紫外-分光光度计对降解过程中溶液浓度的变化进行了监测,并对2种方法所测的数据进行了分析对比。结果表明,光纤SPR同常规方法的测量结果一致,随着降解时间的增加,甲基橙溶液的吸光度和浓度逐渐减小,光纤SPR传感器的共振波长逐渐发生蓝移,同初始标定的甲基橙原溶液共振光谱比较,说明甲基橙逐渐被降解,且在2 h内降解率达到73%,说明用光纤SPR传感器监测污水降解过程是完全可行的。研究结果不仅为环境污水降解过程提供了一种新的监测方法,同时促进了我国SPR传感技术与环保监测研究结合,为光纤SPR技术走向实用,并最终实现产业化积累了经验。     

Highly sensitive miniature photonic crystal fiber refractive index sensor based on mode field excitation

A highly sensitive miniature photonic crystal fiber refractive index sensor based on field mode excitation is presented. The sensor is fabricated by melting one end of a photonic crystal fiber into a rounded tip and splicing and collapsing the other end with a single-mode fiber. The rounded tip is able to induce cladding mode excitation, which resulted in an additional phase delay. Linear response of 262.28 nm/refractive index unit in the refractive index range of 1.337 to 1.395 is obtained for the physical length of a 953 μm sensor. The sensor is also shown to be insensitive to environmental temperature.     

基于激光微加工的新型光纤法布里-珀罗折射率传感器

提出了一种新型的光纤法布里-珀罗(F-P)折射率传感器,该传感器由单模光纤头端面和靠近该端面的由157 nm激光加工而成的短空气腔构成.短空气腔两个端面的反射光和光纤头端面的反射光发生干涉形成了传感器的反射谱干涉条纹.干涉条纹的对比度受光纤头端面外部的折射率影响,在干涉条纹包络的波谷处具有最大的对比度,外部待测折射率可通过计算该处的对比度得到.传感器对温度不敏感同,测量范围广.在1.33至1.441范围内,折射率灵敏度约为27 dB,分辨率约为1.12X10-4;在1.45～1.62范围内.折射率灵敏度约为24 dB,分辨率约为1.26×10-4.     

长周期光纤光栅气敏薄膜传感器结构优化

基于三包层长周期光纤光栅模型,研究了包层表面涂覆一层溶胶凝胶气敏薄膜的长周期光纤光栅化学传感器的灵敏度Sn与薄膜光学参量(折射率n3和厚度h3)和光纤光栅结构参量(光栅周期、折变量和光栅长度)之间的关系。采用最优化数值方法,找到了获得高灵敏度所需的最佳膜层光学参量和光栅结构参量。理论计算表明,该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达10-8。实验上制作了对乙醇气体敏感的传感器,并证实了传感器结构优化的必要性。     

基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器

设计并研制了一种新型的基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器.该光纤弯曲传感器由两根光纤组成的光纤带固定于弹性弯曲结构上来产生迈克尔逊干涉信号,用光纤折射率匹配液填充微型腔,并施加音频振荡信号对相位干涉信号实现低频调制.采用相位生成载波技术对相位干涉信号进行调制和解调,实现了对曲率变化高精确度的检测.实验测试了该光纤弯曲传感器的相位干涉信号与光纤带弯曲曲率的关系,并与理论分析对比.结果表明该光纤弯曲传感器具有43.96 rad/m－1的灵敏度及0.004 m－1的高分辨率.     

光纤药物在位溶出度/释放度监测仪实时监测甲硝唑维B6片体外溶出度

采用光纤化学传感技术,建立了实时、在位监测固体复方制剂体外溶出度的测定方法.分支光纤一端连接光源,公共端部探头浸入溶出液,另一端连接检测器,计算机记录并处理数据.实验显示,甲硝唑维B6片中甲硝唑的高、中、低浓度组回收率分别为100.8%,99.8%和100.6%;RSD分别为2.5,0.8,1.1;维生素B6的高、中、低浓度组回收率分别为98.8%,100.8%和98.8%;RSD分别为4.1,4.1,2.5.该法可监测药物溶出的全过程,显示药物实时溶出曲线图,直接提取相关溶出参数.表明,光纤化学溶出度过程监测法能够有效的测定固体药物的体外溶出度,并能真实地反映药物溶出的全过程.