一种新型光纤压力传感器的设计

设计了一种工作波长为800 nm的光纤压力传感器,提出了一种用补偿光纤对温度和双折射进行补偿的方法,并从理论上进行了解释.在不同温度和压力条件下对该传感器进行了实验,相对误差小于1.5％.实验结果表明,该补偿方法是有效的.在0℃~50℃的温度下,对传感器在0～40 MPa的压力范围内进行了测试,其标准偏差在1%以内.     

基于夹持粘贴式的光纤光栅传感器力热耦合测试

针对力热耦合环境中对结构件应变测试的准确获取问题,提出一种基于夹持粘贴式与温度补偿解耦的裸光纤光栅传感器应变测试方法。首先,通过有限元分析对比夹持粘贴式、表面粘贴式两种与基材集成方式的应变传递率,两者应变传递率分别为99.47%与95.8%;然后,以光纤胶粘应变传递理论及有限元仿真分析不同标距比对夹持粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响,发现随着标距比增加,应变传递率逐渐衰减。基于粘贴形式与标距比分析结果,选取标距比为1的夹持式裸光纤光栅与基材粘贴集成为试验件,同时集联一条裸光纤光栅温度传感器,在完成对光纤光栅温度/应变标定测试后,进行100～250℃、3 000με范围内的试验件梯度高温拉伸测试。实验结果表明,利用温度补偿法解耦出光纤光栅传感器测量的应变结果与标准高温应变片结果的平均相对误差最大值为2.26%。该研究结果对高温下光纤光栅传感器应变测量与集成的工程应用具有一定参考意义。     

一种高灵敏度的新型光纤光栅倾角传感器

为实现结构的长期安全监测，设计了一种杠杆原理与摆锤结构相结合的光纤光栅倾角传感器，并在此基础上进行了理论分析、数值计算和传感器性能测试。对比分析了数值计算和实验结果，发现二者具有较好的一致性。为增大传感器的灵敏度，对传感器的尺寸参数进行了设计。考虑到光纤光栅与金属材料之间的锚固效率和传感器的制作工艺要求，综合给出了效果最佳的组合值。实验结果表明，所提光纤光栅倾角传感器的有效监测范围为-5°～5°,传感器的灵敏度为359.04 pm/(°),线性相关度可达0.999,测量重复性误差为3.433%。此外，所提光纤光栅倾角传感器降低了温度对角度测量的影响，适用于温度变化较大且精度要求较高的工作环境，有良好的应用前景。     

超高压光纤压力传感器理论和实验研究

本文提出了一种新型超高压光纤压力传感器.并用一种几何光学计算方法,用来计算该传感器的耦合系数曲线.在此基础上,设计并加工出一种具有新特点的超高压光纤压力传感器.这种传感器的实验研究结果与理论分析一致.     

热应力和残余气压对光纤法布里-珀罗压力传感器温度性能的影响

针对光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器,建立了考虑热应力和残余气压的F-P腔长变化模型,进行了热应力和残余气压对传感器温度性能影响的理论分析。分析表明,热应力和残余气压的引入使F-P腔长改变量与温度的线性关系发生了变化,在外界施加100 k Pa压力,当腔内残余气压小于0.87 k Pa时,热应力起主要影响作用;当腔内残余气压大于0.87 k Pa时,残余气压起主要影响作用。制作了三种不同残余气压的光纤F-P压力传感器,在-20℃~70℃温度范围进行了实验研究,结果显示测量的腔长及其温度灵敏度随温度变化关系与理论分析基本一致。     

热应力和残余气压对光纤法布里-珀罗压力传感器温度性能的影响EI北大核心CSCD

针对光纤法布里-珀罗（F-P）压力传感器,建立了考虑热应力和残余气压的F-P腔长变化模型,进行了热应力和残余气压对传感器温度性能影响的理论分析。分析表明,热应力和残余气压的引入使F-P腔长改变量与温度的线性关系发生了变化,在外界施加100 k Pa压力,当腔内残余气压小于0.87 k Pa时,热应力起主要影响作用;当腔内残余气压大于0.87 k Pa时,残余气压起主要影响作用。制作了三种不同残余气压的光纤F-P压力传感器,在-20℃~70℃温度范围进行了实验研究,结果显示测量的腔长及其温度灵敏度随温度变化关系与理论分析基本一致。     

声表面横波压力传感器的电极质量负载效应分析方法

针对声表面横波(Surface Transverse Wave,STW)压力传感器,提出了一种考虑叉指电极质量负载的有限元和微扰理论结合分析方法。首先构建包含叉指电极的有限元模型,通过计算电极表面的面电荷得到器件的等效输入导纳,由导纳谐振点处提取STW传播声场,然后根据微扰理论,由STW传播声场以及压力引起的传感器结构的应力应变,得到包含电极质量负载影响的STW传感器的灵敏度。以一种基于ST-90°X石英材料的点压式STW压力传感器为例进行了理论计算,电极厚度为0.17 μm和0.21 μm时,计算灵敏度分别为-54.9 kHz/bar和-21.7 kHz/bar,说明电极质量负载对于传感器有较大影响。制作电极厚度为0.17 μm的传感器进行测试,得到-57 kHz/bar的压力灵敏度,实验结果和理论结果吻合,证明计算方法的有效性。      

压力与温度双参量传感优化系统的研制

研究了一种基于管式弹性应变敏感元件的光纤光栅传感器结构。利用双光纤布拉格光栅(FBG)产生双反射峰．对压力和温度进行了同时区分测量。在压力为0～20MPa,温度为20～150℃的范围内,布拉格反射波长对应压力与温度的变化均呈现良好的线性响应特性,响应灵敏度分别为0．089nm／MPa和0．024nm／C^-。压力温度双参量系数矩阵的实验拟合值与理论计算值之差仅占理论计算值的1．8％。该方法与标准测量方法比较,压力的准确度为0．47％;温度的准确度为0．74％。该方法还较好地削减了压力与温度交叉敏感的影响,按压力与温度测量的最大量限计算,温度对压力交叉影响的误差仅为0．16％。     

一种双参量偏振调制光纤传感器

提出了一种双参量偏振调制光纤传感器结构。在理论上分析了从一个敏感晶体上分离出两种信息的可能性 :通过合理安排传感头中各部件 ,使得传感器同时输出反映两种信息的两路信号。在实验上获得了理论所预期的结果 :只使用一个传感头就可以同时测量电压与温度、力与温度。实验室条件下 ,温度传感的精度为± 1℃。在工作温度 2 0～ 110℃范围内 ,电压传感的温度稳定性在 0～ 10kV量程内为± 0 .5 % ;而力传感的温度稳定性在 0～80N量程内可达± 0 .1%。     

波纹膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器

设计并研制了一种新型的波纹膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器,运用仿真软件对波纹膜片进行膜片参数的优化,完成了波纹膜片式法布里-珀罗压力传感器的结构设计与制备,同时用搭建的微压传感器测试系统对压力传感器进行了测试。实验结果表明,本传感器在0~0.1 MPa的压力范围内,线性度好,重复性好,灵敏度高。     

Temperature-stable orientations in LGS and LGN piezoelectric crystals for surface acoustic waves

The temperature characteristics of surface acoustic waves (SAW) propagating in LGS and LGN crystals are numerically analyzed. The optimal orientations that correspond to the zero value of the first-order temperature coefficient of delay (TCD) for SAW propagating in these crystals are considered. The second-order TCD for SAW is calculated for a wide range of operating temperatures. It is shown that the temperature dependences of the material constants of LGS and LGN crystals are strongly nonlinear. The characteristics of SAW propagating in a structure that consists of an isotropic layer overlying an LGS or LGN piezoelectric crystal are numerically calculated. It is shown that, in the presence of a thin aluminum layer of a certain thickness on the crystal surface, in some cases it is possible to extend the operating temperature range within which the TCD for SAW is equal to zero.     

热声转换的声表面波电压传感机制

提出了一种基于热声转换的高灵敏声表面波(SAW)电压传感机制并开展实验验证。从传热角度以及微扰理论出发建立了基于热声转换机制的SAW电压传感理论模型,探索了结构参数以及环境因素对SAW电压传感器灵敏度的影响规律。为了验证理论模型,在Y切石英基底上同芯片集成设计MEMS微型加热器与200 MHz声表面波器件以制备SAW电压传感器件,并搭建电压测试平台对传感器件开展性能测试。实验结果表明所制备的SAW传感器件电压与频率响应之间具有二次线性关系且在室温(20℃)下具有与理论相近的电压灵敏度(22.4 kHz/V),此外实验获得的环境温度对电压灵敏度的影响规律与理论相符。基于热声转换机制的SAW电压传感器能够显著的提高电压检测灵敏度。     

快速吸附与脱附的声表面波H2S传感器

本文主要研究了基于SnO₂/CuO薄膜的声表面波（SAW）传感器（室温下,工作频率约为147.8 MHz）检测H₂S气体的特性。以36°YXLiTaO₃为基片制作声表面波器件,通过采用射频磁控溅射法在其表面淀积SnO₂/CuO的复合薄膜制作出H₂S气体传感器。由场发射电子扫描电镜观察薄膜,薄膜连续均匀且表面分布大量微气孔,因而具有良好的吸附性。然后本文在85℃～205℃范围内对传感器的吸附和脱附速率、灵敏度及选择性等进行了实验研究。实验结果表明,所制备的传感器在较低温度下同时具备快速吸附和脱附特性,工作在190℃时气体吸附和脱附速率最快,检测20ppm H₂S的响应和恢复时间分别为30s、15s;工作在160℃时,传感器检测20ppmH₂S的灵敏度最高,工作频率变化约230 kHz,且对于低浓度2 ppm H₂S,频率变化可达45 kHz。同时,传感器也表现出良好的重复性和选择性。     

基于反射型延迟线结构的无线无源声表面波测温系统

从传感器核心元件及无线测温雷达的优化设计出发,研制了一种集成电子标签的高性能声表面波(SAW)无线无源测温系统。基于耦合模(COM)理论对作为传感元件的反射型SAW延迟线进行了优化设计,基于仿真结果,实验研制了采用YZ LiNbO_3石英基片的434 MHz反射型SAW延迟线,该器件是由一个换能器与8个反射器构成的反射型延迟线,其中3个反射器用于温度检测,另外5个反射器则用于采用相位编码的电子标签。测试结果显示所研制的反射型SAW延迟线具有良好的时域特性与较高的信噪比,并与理论仿真结果极为吻合。设计并研制了采用步进调频(FSCW)模式的测温雷达,利用高精度高低温箱对所研制的无线无源SAW测温系统进行了无线测试,系统表现出良好的线性特性,测温准确度达到了士1℃以内。      

高温条件下Ga3PO7晶体热学及声表面波性质的理论研究

高温压电晶体是许多机电器件必需的一种多功能材料, Ga₃PO₇晶体的居里温度高达1364 ℃, 可应用于高温极限条件. 但是预测高温极限条件下晶体的结构以及物理性质的问题采用实验研究的手段非常困难, 而理论上的预测未见研究. 本文采用密度泛函-准谐振近似理论计算了温度在0-1200 ℃范围内Ga₃PO₇ 晶体的结构常数和热学性质, 结果表明Ga₃PO₇晶体的晶格常数a和c随温度的升高呈线性增大, 且c方向受温度影响更为显著; 晶体的密度随温度的升高而减小, 计算的a 和c方向平均热膨胀系数分别为1.67×10^-6 K^-1和3.58×10^-6 K^-1, 高温区定压热容为2.067 J/g·K, 与实验值一致. 计算了从常温到高温下该晶体的弹性常数以及体弹性模量的变化, 研究了高温条件下的声表面波特性, 发现随着温度的升高, 声表面波速度浮动较小, 而机电耦合系数略有增大; 在传播角为151° 时该晶体具有较好的温度稳定性且机电耦合系数达到最大值, 这表明Ga₃PO₇ 晶体是一种有望应用于高温环境下的压电晶体.     

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.     

Development of human IgE biosensor using Sezawa-mode SAW devices

This paper reports Sezawa-mode surface acoustic wave (SAW) devices with via-isolated cavity to construct the allergy biosensor. To fabricate Sezawa-mode SAW devices, the RF magnetron sputtering method for the growth of piezoelectric ZnO thin films are adopted and influences of the sputtering parameters are investigated. The optimal substrate temperature of 300 °C, RF power of 120 W and sputtering pressure of 2 Pa were used to deposit piezoelectric ZnO films with a smooth surface, uniform grain size and strongly c-axis-orientated crystallization. A back-etched SAW resonator is used in this study. The wet etching of (100)-oriented silicon wafers is used to form a back-side cavity which is critical to the formation of a hopper cavity for holding bio-analytes. The remaining membrane structure silicon thickness was 25 μm. In this report, the chrome (Cr, 12 nm)/gold (Au, 66 nm) layer was initially deposited onto the sensing area of SAW devices as the binding layer for biochemical sensor. The resonance frequency of the Sezawa-mode SAW device is 1.497 GHz. The maximum sensitivity of the Sezawa-mode is calculated to be 4.44 × 10⁶ cm²/g for human immunoglobulin-E (IgE) detection. The stability for human IgE detection is calculated to be 80% and the variation of the stability ±3% was obtained after several tests.     

Universal SAW gas sensor

A new principle of designing a SAW gas sensor is described. This sensor, being essentially of sorption type, also offers properties of thermometric SAW sensors. The basic idea here is that heat fluxes propagate between the SAW substrate and the working surface of the temperature-regulating system with some delay. A sensor based on this principle can detect not only the vapors of volatile substances but also gases by their thermal properties, retaining high temperature stability and speed of response unlike conventional SAW thermometric sensors. The design of this sensor built around a LiNbO₃ SAW delay line is described, and experiments on detecting a household propane-butane mixture with this sensor are reported. In particular, the responses of the sensor are measured at different gas-flow rates, two different SAW substrate temperatures, and two propane-butane concentrations. Ways of improving the sensor’s performance are discussed.     

基于包层模谐振的三包层石英特种光纤温度传感特性研究

提出了一种基于包层模谐振的光纤温度传感器. 它是通过将三包层石英特种光纤(TCQSF)两端分别与普通单模光纤(SMF)电弧熔接构成的SMF-TCQSF-SMF结构. 根据耦合模理论, 首先将TCQSF等效为三个同轴波导, 按各波导模场的分布特点标量计算其传输模式的色散曲线, 并深入研究其耦合长度与传输谱线之间的关系; 其次根据光纤的热光效应及热膨胀效应, 分析计算该传感器的温度灵敏度; 最后选取耦合长度为一个拍长时的传感器进行温度传感实验. 实验结果表明, 在35-95 ℃的温度变化范围内, 其温度灵敏度为73.74 pm/℃, 与理论计算结果一致. 因此, 该传感器具有结构简单、制备容易、灵敏度高、包层模激发可控等优点, 可用于工业生产、生物医学等温度传感领域.     

Growth and characterization of piezoelectric Sr3Ga2Ge4O14 crystals

Langasite (La3Ga5SiO14, LGS) and its isomorphs, have attracted much attention for their potential for surface acoustic wave (SAW) and bulk acoustic wave (BAW) applications. Among these homologous compounds, Sr3Ga2Ge4O14 (SGG) attracted our attention due to its superior piezoelectric properties and lower growth temperature. In this work, SGG single crystal has been grown successfully by the vertical Bridgman method with crucible-sealing technique. SGG wafers of 2 in. have been fabricated. The basic physical properties of SGG crystals were measured. The results demonstrate that piezoelectric and mechanical properties of SGG crystals are better than that of LGS crystal and it is expected to be a potential substrate material for SAW and BAW applications.