低频高灵敏度光纤Bragg光栅振动传感器设计

为实现对低频振动信号的准确测量,设计了一种新型的双光纤光栅振动传感器.首先,理论分析了传感器的灵敏度和谐振频率.其次,使用ANSYS数值模拟软件分析了传感器的灵敏度和谐振特性.最后,根据分析结果设计了光纤Brgg光栅振动传感器,并通过实验研究了传感器的幅频特性、线性响应、温度自补偿特性和抗横向干扰特性.实验结果表明:传感器在10~130Hz范围内加速度灵敏度为231.48pm/g,线性度为99.98%;-20~60℃范围内,具有良好的温度自补偿能力;同时,该传感器具有较强抗横向干扰能力,横向引入误差小于3.47%.     

基于LP21模式的光纤弯曲传感器

设计并研制了一种基于LP21模式的新型光纤弯曲传感器。该传感器通过检测敷设于弹性基片上的光纤所传输的LP21模式光斑图像的旋转,实现对弯曲值的高精度测量。运用光纤耦合模理论和弹光效应求解LP21的模方程,证明该模式具有弯曲无关和扭转线性的特性,并检验了光纤弯曲传感器对不同结构参数和环境温度下的性能。实验结果与理论分析相吻合,证实该传感器具有较大的线性动态范围,温度稳定性高,且能辨识弯曲方向。     

基于L形刚性梁与弹性膜片结构的低频光纤光栅加速度传感器

为满足低频振动信号精确测量的实际需要,设计了一种基于L形刚性梁与弹性膜片结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。进行了结构理论分析,并通过Matlab仿真讨论了各结构参量对传感器灵敏度和谐振频率的影响,进行了参量优化设计。根据理论分析结果制作了加速度传感器并对其加速度灵敏度的幅频特性、线性响应和抗横向干扰特性进行了测试。实验结果表明,L形刚性梁的传动结构有效增强了结构稳定性,消除了传统悬臂梁结构带来的光纤光栅啁啾或反射谱多峰现象。加速度传感器在20~70 Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,加速度灵敏度可达220 pm/g,线性响应的相关度为99.98%;金属膜片使得该传感器具有较强的抗横向干扰能力,在工作频段内横向串扰为-32.73 d B。     

温度不敏感的光纤布拉格高压传感技术研究

 为了实现单一光纤光栅对压强精确测量,设计了一种温度不敏感的光纤布拉格高压传感器。对该传感器的温度特性及压强响应特性进行研究。给出了该传感器的结构及封装方法。从理论上分析了该传感器的温度去敏原理,推导了该压强传感器的光纤布拉格光栅中心波长与压强的关系,得到了该传感器的压强响应灵敏度的解析表达。通过实验分析传感器的温度特性及压强响应。实验结果表明,在21℃～260.8℃的范围内,实现了温度补偿,平均波长漂移量为0.75 pm/℃,在0～44 MPa的范围内,获得了-0.054 8 nm/MPa的压强响应灵敏度,是裸光纤布拉格光栅压力响应灵敏度的18.27倍。该传感器的压强响应具有很好的线性和重复性,实验值与理论值吻合得很好,该传感器能够通过一只光纤布拉格光栅实现压强的精确测量。     

弯曲增敏型光纤曲率传感器机理的研究

近年国外出现一种直接检测弯曲的低成本光纤曲率传感器,采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲的灵敏度。这种传感器的线性范围宽,能区分正向弯曲和负向弯曲,在测量较大弯曲变形的场合更具优势;并且适合埋入结构内部检测,通过转换还可测量轴向应变。然而其传感机理方面的研究仍处于探索阶段。通过分析光辐射度余弦定律理论、回音壁光线理论、沟槽角度理论等国内外对该传感器机理的研究成果,并基于平面波导的光散射损耗理论,提出了光纤曲率传感器的机理。指出弯曲引起光纤敏感区表面散射损耗的改变是导致光传输损耗改变的原因;推导出损耗与光纤弯曲半径、表面特性、光纤结构参量关系的数学模型,并通过实验验证了模型的有效性。     

石墨烯量子点法布里珀罗光纤湿度传感器

制作了一种利用普通单模光纤和石墨烯量子点材料共同构建的法布里珀罗湿度传感器.利用搭建的实验系统,在环境相对湿度11%RH～85%RH范围内进行了湿度响应实验,并对湿度上升和下降过程分别进行了测量.湿度上升过程中灵敏度为0.560 6nm/RH%,线性度为0.999 47;湿度下降过程中灵敏度为0.565 5nm/RH%,线性度达0.999 36.实验结果表明,该湿度传感器具有较高的响应灵敏度、较好的线性响应特性和测量重复性.另外对该传感头的温度响应特性进行实验研究,得到了较好的线性响应结果,温度响应灵敏度为0.035nm/℃,残差平方和为0.012 41,灵敏度标准差为2.305×10-4,湿度响应灵敏度约为温度响应的17倍.对其动态响应特性进行了典型测试,在相对湿度43%条件下得到了干涉光谱波长漂移的动态响应数据,得到了较快的动态响应,其响应时间和恢复时间分别为6.5s和9.0s.研究结果为研制低成本、易制作、高灵敏的光纤湿度传感器提供了一种有益的探索.     

双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器

报道了一种新颖的光纤Bragg光栅应力传感器.理论分析和实验证明了这种传感器Brrag光栅中心波长随应力变化的线性工作区.将光纤Bragg光栅贴于双悬梁的梁端面,在双悬梁的自由端部施加载荷,对光纤Bragg光栅的应力响应特性测试.当所加载荷为300 g时,光纤Bragg光栅中心波长变化了0.156 nm.从实验上获得了－0.05 nm/N的应力响应灵敏度.该结构具有应力增敏作用,且应力响应的线性、重复性和迟滞性较好.应力响应灵敏度随着梁的大小以及材料的力学参量的改变而改变.     

CO_2激光写入的长周期光纤光栅加速度传感器实验研究

基于高频CO_2激光在普通单模光纤上制作的长周期光纤光栅的应变和弯曲特性,本文设计制作了一种新型的加速度传感器.基于等强度梁理论分析了梁振动与长周期光纤光栅输出光强之间的关系,最后推导出了系统的加速度理论模型.文中搭建了长周期光纤光栅加速度计的实验测量系统.实验结果表明系统的加速度灵敏度约为2.82 v/g,准确度约为8.96×10~(-4) g,加速度测量误差约为0.82%.基于这种长周期光纤光栅的加速度计具有成本低、灵敏度较高等优点,因此在振动测量、惯性导航等方面将具有较好的潜在应用价值.     

单模光纤宏弯损耗的温度响应特性

为了实现光纤宏弯温度传感,对单模光纤宏弯损耗的温度响应特性进行了理论与实验研究.理论上对单模光纤宏弯损耗理论公式进行了温度修正.基于该公式模拟了波长、弯曲半径以及温度对纤芯-无限包层结构单模光纤宏弯损耗性能的影响.设计制作了一种带吸收层和镍保护层的单模光纤宏弯温度传感探头并进行了温度传感性能实验测试.结果表明:纤芯-无限包层结构单模光纤宏弯损耗对弯曲半径、波长和温度变化较为敏感,与温度之间的响应呈线性,该探头的温度分辨率为0.4℃;通过减小弯曲半径和提高光源波长,可进一步提高其温度灵敏度和分辨率.该结构光纤可近似看作纤芯-无限包层结构光纤,用于开发光纤宏弯温度传感器.     

基于近PMTP区域双峰谐振效应的长周期光纤光栅应变传感理论分析

利用长周期光纤光栅(LPFG)的双峰谐振效应,结合LPFG传感器工作于近相位匹配转折点(PMTP)附近的高灵敏度,提出了一种新型的长周期光纤光栅应变传感器的设计方法。利用LPFG相位匹配条件,分析了长周期光纤光栅近PMTP附近的双峰谐振特性、应变传感特性,发现双峰波长间距对微小应变具有很高的响应度和线性度。进一步讨论了光栅结构参数和包层直径对双峰LPFG应变灵敏度的影响,发现光栅周期对该传感器的应变灵敏度、线性度和应变测量范围具有很大的影响;光栅长度对谐振峰高度和宽度有较大影响,直接关系到传感器寻峰精度;通过增大包层直径,可以进一步增大应变灵敏度。结果表明,通过选取适合的光栅结构参量和包层半径,该传感器应变灵敏度可比一般长周期光纤光栅应变传感器的应变灵敏度提高2个数量级。这为设计高应变灵敏度双峰谐振LPFG应变传感器提供了结构优化的理论支持。     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

色散补偿光纤上刻写的光纤光栅对纵向拉力和温度的同时测量

在色散补偿光纤上刻写光栅,形成全光纤复合传感结构,将干涉结构和光栅结构集成在同一段光纤内.分析了干涉包层模式和布拉格谐振峰对纵向拉力以及温度的响应机理.通过监测包层模式和布拉格谐振峰的波长漂移量,建立矩阵方程,实现对纵向拉力和温度双参量的同时测量.实验结果表明,包层模式和布拉格谐振峰对温度的响应灵敏度分别为49.4pm/℃和11.0pm/℃,包层模式对纵向拉力的响应灵敏度为1.05pm/με,布拉格谐振模式对纵向拉力的响应灵敏度为0.651pm/με,且这四个参数均表现出良好的线性度.该传感器结构采用低阶包层模式和纤芯基模模式,对外界环境折射率不敏感,能较好地应用于纵向拉力和温度的同时测量中.     

耦合型高频光纤振动传感器实验研究

提出了一种耦合型高频光纤振动传感器,并设计了相应的解调电路和信号处理系统.对高频振动信号的响应波形和频率进行了测量,研究了光纤传感器对不同的振动强度和不同方向的振动信号的响应,分析了不同结构和不同材质的传输介质对光纤传感器测量结果的影响.实验证明所设计的耦合型高频光纤振动传感器截止频率达到8 kHz,振幅测量灵敏度为325 mV/mm,频率和幅值响应误差小于1%.     

基于飞秒激光加工的微纳高温光纤振动传感器

报道了一种基于飞秒激光加工的微纳高温振动传感器。通过熔接形成单模光纤-空芯光纤-单模光纤的结构,利用单模光纤和空芯光纤在熔接面形成的菲涅尔反射,构成外腔式法布里-珀罗干涉仪(EFPI)。用飞秒激光烧蚀空芯光纤,形成悬臂梁结构。末端的单模光纤作为质量块,在受到振动时带动悬臂梁振动,使悬臂梁产生微弯,进而使EFPI腔长发生变化。实验结果表明,传感器的工作区域为20~300Hz,在100Hz时,0~3.01g范围内测得加速度分辨率为5×10-4 g,加速度响应灵敏度为129.6nm/g。传感器受温度影响小,腔长的温度交叉响应仅为0.225nm/℃,传感器可耐950℃高温冲击。     

温度不敏感的错位熔接-粗锥型光子晶体光纤曲率传感器

提出了一种可以用于曲率矢量测量的温度不敏感的错位熔接-粗锥型光子晶体光纤(PCF)曲率传感器,它由两段普通单模光纤(SMF)之间熔接一段PCF组成,呈SMF-PCF-SMF结构。其中PCF的一端与SMF错位熔接导致传感器圆柱轴不对称,使得传输光谱在两个对称弯曲方向上出现明显的红移和蓝移现象;另一端与SMF通过过度熔接形成粗锥,最终形成马赫-曾德尔干涉仪。实验研究了传感器的曲率和温度特性,结果表明,在0.12~1.06m-1的曲率范围内,凹向弯曲时的光谱发生红移,其灵敏度为11.22nm/m-1,凸向弯曲时的光谱发生蓝移,其灵敏度为-13.62nm/m-1,且凹向弯曲时和凸向弯曲时均具有较好的线性度;在20~80℃的温度范围内,此传感器的温度灵敏度仅为1.63pm/℃,具有对温度不敏感的特性。该传感器与传统光纤传感器相比,能够避免温度与曲率同时测量时的交叉敏感问题,具有易于制备、结构简单、灵敏度高等优势,可用于工业生产、建筑监测、航天航空等领域。     

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.     

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。     

大范围光纤布拉格光栅温度传感器增敏实验研究

简要分析了光纤布拉格光栅的温度响应及增敏原理,采用特殊耐高温有机聚合物对光纤光栅进行温度增敏封装,并通过改进光纤光栅的聚合物封装固化工艺,使用某种有机硅导热胶减小有机聚合物与套管材料的粘合度,消除了封装过程中由于聚合物材料不均匀收缩引起的光纤光栅反射谱啁啾化,实现20～180℃范围内光纤光栅传感器对温度高灵敏度测量。实验结果表明．聚合物封装光纤光栅传感器温度响应灵敏度在20～130℃为0．05nm／℃,在130～180℃达到了0．22nm／℃,并在两个区域保持较好的线性与重复性。此结构传感器封装工艺简单,易于实现,可用于高温恶劣环境下的温度单参量测量。     

耦合型光纤振动传感器实验研究

根据单模光纤耦合器的耦合比对耦合区长度变化敏感的特点,提出了一种耦合型光纤振动传感器,并设计了相应的解调系统对传感器的响应进行光电转换和信号处理.进行了静态和动态测试并给出了传感器在振动和冲击激励下的响应曲线,实验结果和压电传感器的测量结果相吻合.结果表明,耦合型光纤振动传感器不仅满足振动测量的要求,而且具有测量准确度高,制作简单,成本较低等优点.     

油气井下光纤光栅温度压力传感器

温度和压力是石油开采过程中重要的参数,但油气井下高温高压环境苛刻,传统电子传感器很难实现长期稳定的工作。本文提出了一种基于碳纤维管增敏型的光纤光栅温度压力传感器。该传感器是以碳纤维丝编织成的中空管状结构作为骨架,通过耐高温环氧树脂固化成复合碳纤维管作为弹性体,并将表面嵌入耐高温光纤布拉格光栅作为感知元件,实现了井下温度和压力的同时测量。实验结果表明,该传感器可以在0～150℃和0～80 MPa环境下稳定工作,压力灵敏度最大可达到-50.02 pm/MPa,同时表现出很好的线性响应。通过外加参考光栅作为温度补偿光栅,解决了温度和压力同时测量过程中的交叉敏感问题,满足了井下开采过程中的精度要求,为油气井下高温高压光纤传感器的设计提供了实验依据。