光纤布拉格光栅人体测温的关键问题研究

利用分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器进行人体温度的检测,研制了智能服装样衣,重点从人体生理学基础理论、人体热平衡及空气热传递理论等方面研究智能服装在穿着过程中的热传递机理,对热传递过程进行分析和研究,从理论上建立起人体皮肤-空气-服装(传感器)三者之间的热传递数学模型,为智能服装中分布式FBG传感器人体温度测量提供理论依据,并提出了智能服装中Houdas改进模型用以确定分布式FBG传感器测量点,最后阐述了智能服装用光纤植入服装的方法.在实验研究中,智能服装样衣中分布式FBG传感器所测人体温度与温度场模拟数据对照差异无统计学意义,据此可以得出分布式FBG传感器所测温度可以作为临床医学人体腋下温度使用.     

基于阵列波导光栅的智能服装人体测温解调系统研究

研究并实现了一种应用于智能服装中人体温度测量的阵列波导光栅解调系统。分析了系统的解调原理,搭建了光纤布拉格光栅解调实验平台,采用了强度法解调出光纤光栅的布拉格波长,完成了光纤光栅传感器串联前后解调的实验。结果表明,系统对光纤布拉格光栅的布拉格波长的解调具有高线性度,波长测量精度可达0.001 nm,光纤布拉格光栅传感器间串扰所造成的解调误差为0.000 5 nm,人体温度的测量误差为±0.16 ℃。该解调系统精度高、串扰低,可适用于智能服装中人体温度的测量。     

基于光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅智能夹层试验研究

传感元件与复合材料的一体化是智能结构研究的最终目标之一。设计一种具有自诊断功能的标准化、模块化光纤智能夹层系统,正是实现这种一体化最有潜力的技术途径。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器的光纤光栅智能夹层,对智能夹层中光纤布拉格光栅传感器的应变、温度特性进行了标定试验,并建立了基于光纤布拉格光栅传感器光纤光栅智能夹层的应变、温度测量模型。试验表明,智能夹层内布拉格光栅波长偏移与应变、温度之间具有良好的线性关系。不过在温度测量时,必须考虑被埋人结构的热膨胀效应。利用光纤光栅智能夹层内光纤布拉格光栅传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。     

光纤布拉格光栅在冰声学性能测量中的应用

以光纤布拉格光栅检测动态应变为基础,分析了匹配型光纤布拉格光栅波长移动解调方案的基本原理。利用匹配光栅法检测的高灵敏性及光纤光栅传感器本身的优点,将其与超声波检测相结合,创新性地用于研究超声波在冰样中的传播速度随温度的变化关系,通过光纤布拉格光栅检测冰样中纵波、横波传播速度与温度的关系,利用Matlab对数据进行拟合及计算,得到了冰样的声学参数随温度变化的规律:温度越低,超声波在冰样中的传播速度越高。并将所测数据与超声波系统所测数据进行对比,结果表明,光纤布拉格光栅所测数据正确可靠,证明了光纤布拉格光栅可用于检测冰的声学性能。     

保偏光纤光栅温度传感性能的实验研究

在经过氢敏化处理的保偏光纤上制作了中心波长在1300 nm窗口的光纤布拉格光栅，并对这种保偏光纤布拉格光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析。结果表明这种光栅可以用作温度传感器，对温度进行测量。和普通的标准单模光纤布拉格光栅一样，它对温度的响应具有很好的线性关系。本实验结果还可以作为对保偏光纤光栅传感特性进一步深入研究的参考。     

阵列波导光栅解调的准分布式光纤光栅传感器

从理论上和实验上研究了一种操作简单、响应速度快,价格低廉和高分辨率的基于阵列波导光栅(AWG)的准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器.该传感系统采用了阵列波导光栅双通道强度解调技术对光纤光栅的布拉格波长和温度进行精确的解调.实验结果表明,该系统对宽带宽光纤光栅的布拉格波长和温度解调均具有高线性度,考虑系统稳定性及光纤布拉格光栅之间的串扰影响,波长测量精度仍可达2 pm,温度测量精度优于0.2℃.     

布拉格光纤光栅传感器在非均匀应变场中的响应分析

在非均匀应变场的作用下,布拉格光纤光栅的主要参数有效折射率和光栅周期都会发生非均匀的变化,导致光纤光栅的反射光光谱结构发生变化。在光波导耦合模理论的基础上,建立了布拉格光纤光栅在非均匀应变场下反射光谱的分析数学模型,利用龙格 库塔法对其进行了数值求解。给出了几种典型应变场下的布拉格光纤光栅的反射光谱,并分析了它们的特点。     

可分离温度影响的FBG应变测量方法

光纤布拉格光栅在通信和传感领域具有广泛的应用。利用光纤布拉格光栅中心波长的偏移，可以测量温度和应变等多种物理量，但必须解决光栅对温度和应变的交叉敏感问题。该文简要分析了光纤光栅作为传感器的基本原理及其优点，设计了利用参考光栅法分离温度影响以及利用掺铒光纤的自发发射放大特性分离温度影响的2种应变测量方法。最后，介绍了一种利用倾斜光纤光栅的主模和边模对布拉格光栅中心波长的偏移进行解调的方法，该方法成功地分离了温度对应变测量的影响。     

同时测量温度和曲率的光纤传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪相结合的同时测量曲率和温度的光纤传感器.该光纤传感器在马赫-曾德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅,其中马赫-曾德干涉仪由两个花生形结构单模光纤熔接而成.实验结果表明,马赫-曾德干涉仪的透射谱中干涉峰和光纤布拉格光栅透射谱中谐振峰对曲率和温度有不同的响应灵敏度,因此可以利用矩阵实现对曲率和温度的同时测量.实验中测得马赫-曾德干涉仪曲率灵敏度为-27.58nm/m-1,光纤布拉格光栅在一定的测量范围内对曲率的变化不敏感,马赫-曾德干涉仪和光纤布拉格光栅的温度灵敏度分别为0.038 69nm/℃和0.012 17nm/℃.该系统采用全光纤结构,光纤布拉格光栅嵌入到马赫-曾德干涉仪中,因而结构紧凑和简单,且易于实现.     

改进型光纤布拉格光栅温度检测系统研究

传统的光纤布拉格光栅温度检测系统适用于大范围、多点位的实时温度检测领域,但其温度响应稳定性差,布拉格光栅中心波长偏移量随温度变化量的线性度差。为提高系统温度检测稳定性及其检测精度,设计了一种改进型光纤布拉格光栅温度检测系统。该系统采用双光纤并行采集同点位温度并进行差分处理的方法,实现对测温过程中随机误差的实时有效消除,进而达到提高测温稳定性及检测精度的目的。计算推导了该模式下光纤布拉格光栅中心波长偏移量关于温度变化量的函数关系,给出了新式光纤光栅探头的结构。实验将改进型光纤布拉格光栅温度检测系统与传统系统进行对比,结果显示,改进型系统的温度测量精度可达0.5 ℃,相比传统系统得到了提升,同时,其测温误差也明显优于传统系统,说明采用该设计可以提高系统测温的稳定性。     

Infrared Optical Fiber Sensors

Notably improved performance as well as extended application areas is expected in the technology of optical fiber sensors using infrared fibers that transmit radiation in a wavelength range beyond 2 μm. Measurement of infrared radiation is particularly important in thermometry and spectrometry. In these areas, the use of infrared fibers has been studied extensively not only as a transmission waveguide but also as a sensor chip. Of various infrared fibers, fluoride glass fibers exhibit the lowest transmission loss and hence are useful for remote sensing that requires light transmission over a long distance. The wide transmission range of chalcogenide glass fibers and halide crystalline fibers is valuable for thermometry in a low temperature range and for spectrometry of various molecules. Hollow waveguides are useful as a capillary flow cell that realizes fast-response spectrometry. The advantages and disadvantages of infrared fibers must be considered carefully in the development of fiber sensors. In this paper, the progress of infrared optical fiber sensors is reviewed with particular interest in thermometry and spectroscopy.     

微结构光纤传感器设计的新进展

根据导光机理、微孔分布、介质载入、纤芯数量及对称性等因素,对微结构光纤进行了具体分类。在此基础上,阐述了微结构光纤传感器的结构设计方法。对近年来国内外(包括作者设计)的典型微结构光纤传感器和微结构光纤光栅传感器进行了详细介绍和综合评述,对基于微结构光纤及微结构光纤光栅的新型传感器的发展进行了展望。     

微结构光纤传感器设计的新进展

根据导光机理、微孔分布、介质载入、纤芯数量及对称性等因素,对微结构光纤进行了具体分类。在此基础上,阐述了微结构光纤传感器的结构设计方法。对近年来国内外(包括作者设计)的典型微结构光纤传感器和微结构光纤光栅传感器进行了详细介绍和综合评述,对基于微结构光纤及微结构光纤光栅的新型传感器的发展进行了展望。     

Effects of End-Face Tilt Angle on Numerical Aperture for Straight and Bent Plastic Optical Fibers

Numerical aperture (NA) is an important parameter of optical fibers. The larger it is, the greater the amount of light input into the fiber and, hence, the greater the achievable transmission distance. In this article, analytical functions are given for numerical aperture of an angle-ended plastic optical fiber in terms of the tilt angle of its input/output face. This tilt may be intentional, as in biomedical spectroscopic sensors, or otherwise when exploiting the quick interconnectivity potential of plastic fibers. The influence of fiber curvature on its numerical aperture has also been quantified as the functions given cover both straight and curved fiber configurations.     

Thermo-Optical Effects and Fiber Optic Sensing Device Based on Polymer Dispersed Liquid Crystals

In this article, the thermo-optical properties of polymer dispersed liquid crystals (PDLCs) in confined geometry are experimentally investigated to demonstrate the feasibility of a fiber optic sensing device based on PDLCs.

Since an unexpected behavior of PDLCs in confined geometry has been experienced, a systematic study of PDLCs' thermo-optical properties in bulk is presented also to point out principal differences. Finally, bistable all fiber optic temperature sensors, in which a PDLC permits at the same time the opto-mechanical interconnection of two fibers and the modulation of light crossing the device, has been realized and characterized, for the first time. Being the modulation controlled by external temperature, the device has been proven to be suitable for the realization of a heat flow sensor. The sensor presents the typical advantages of both fiber optic sensors and liquid crystal technology.

Moreover, due to its small thermal capacity, it should exhibit little influence on thermal equilibrium and, above all, it represents a significant improvement compared to a temperature fiber optic sensor based on liquid crystals (presented in the literature).     

基于光学异常透射现象的光纤传感器的设计与研究

基于光学异常透射现象的光纤传感器,因其具有高度的近场增强效应和介电环境的高度敏感性等优点,在化学、生物医学等领域有广泛的应用前景。但是由于在光纤端面加工周期纳米结构需要复杂的工艺或者昂贵的微加工仪器,限制了基于光学异常透射现象的光纤传感器的发展。针对这一问题,提出了模板转移法在光纤端面加工金属周期纳米结构,并搭建实验系统对应用该方法制作的光纤传感器的传感特性及其物理机理进行了研究。实验结果表明,模板转移法能够很好地完成在光纤端面加工高质量的周期金属纳米结构。应用该方法制作的光纤传感器具有很好的传感特性,传感器的最高灵敏度达到594.45 nm·RIU-1,品质因数值达到33.12。     

表面等离子共振谱半波全宽的算法探讨

根据金属薄膜复介电常量的性质和衬底对表面等离子波波矢的微扰,对在波长调制下的表面等离子共振传感器输出光谱的半波全宽计算方法进行了探讨。建立了输出光谱的半波全宽与传感器各参量之间关系的数学表达式。将理论研究与实验结果进行对比后发现,两者吻合较好。文中的研究结果可为优化传感器的特性提供理论依据。     

低能激光的威胁与防护

叙述低能激光对人眼、光学系统以及光电传感器的破坏作用,并介绍几种对低能激光的防护措施。     

基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统

提出了一种可频分复用基于光放大的光纤Fizeau应变传感器的方法，从原理上解决了现有光纤Fabry-Perot传感器固有的两大弱点：信号弱和复用难.利用掺铒光纤的放大作用，既形成宽带光源，又放大了微弱的信号.描述了该应变传感器系统的结构、原理及实验结果.实验表明该复用传感器应变测量精度可达±10με，可满足实际应用的要求. 关键词： 光纤传感器 光纤应变传感器 掺铒光纤 复用