光纤布拉格光栅与空芯光纤多模干涉混合型温度应变双参量传感器

针对光纤应变传感器由于温度敏感而引入的测量问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应的混合型温度-应变双参量传感器。该传感器由两根单模光纤与一段内径小于单模光纤纤芯直径的空芯光纤熔接制成,其中一根单模光纤的光纤端面附近预刻一组光纤布拉格光栅。空芯光纤长度为厘米量级,光波以多模形式在空芯光纤侧壁中传播。结合光纤布拉格光栅和空芯光纤多模干涉效应对温度和应变的不同响应灵敏度,通过求解双参数耦合矩阵同时获取温度和应变两个参量,并有效解决了单个传感器在温度或应变测量时的温度-应变交叉敏感性问题。采用中心波长为1 550.172 nm的光纤布拉格光栅与一段长为2.5 cm、内径为5μm的空芯光纤制备了相应的传感器,并进行了温度和应变测试。结果表明,光纤布拉格光栅和空芯光纤的温度灵敏度分别达到10.530 6 pm/℃和1.802 1 pm/℃,应变灵敏度分别达到0.720 7 pm/με和1.243 2 pm/με。     

基于粗锥结构级联LPFG的双包层光纤多参量传感器

提出了一种基于模间干涉的测量温度、折射率和轴向应变的光纤传感器.在单模光纤与双包层光纤熔接点处形成粗锥,再与两个周期不同的长周期光纤光栅级联,由于模场失配,激发高阶模,形成三个谐振峰,且对不同参量有不同的灵敏度响应,通过解调三个谐振峰的波长漂移,利用系数灵敏度矩阵,可以测量温度、折射率和轴向应变.实验结果表明,温度在25℃～75℃范围内,灵敏度分别为60.07 pm/℃,6.47 pm/℃和103.83 pm/℃;折射率在1.335 5～1.359 5范围内,灵敏度分别为-56.64 nm/RIU,34.02 nm/RIU和-214.84 nm/RIU;轴向应变在200με～1 400με范围内,灵敏度分别为-2.14 pm/με,-3.61 pm/με和-2.59 pm/με,且分辨率分别为1.29℃、0.000 42 RIU和21.42με.该传感器具有灵敏度高、线性度良好等优点,可广泛应用于多参量测量领域。     

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.     

合金钢封装光纤Bragg光栅传感器传感特性的研究

提出了一种光纤光栅新型合金钢封装结构。利用等强度悬臂梁和温度控制箱对合金钢封装光纤布拉格光栅的应力和温度传感特性进行了测量。实验表明,采用该种封装的光纤光栅传感器保持了裸光纤光栅的响应灵敏度,其拉应变灵敏度系数为1.17pm/με,压应变灵敏度系数为1.2pm/με,温度灵敏度系数为11.3pm/℃,线性响应度在0.9995以上,可满足实际应用的要求。     

基于空芯光纤和光纤布拉格光栅的温度应变同时测量传感器

提出一种新颖的温度和应变双参数同时测量的光纤传感器。该传感器由空芯光纤和光纤布拉格光栅级联而成。空芯光纤通过反谐振机理将光限制在空气纤芯内传输,满足谐振条件的光泄露出空气芯,在传输光谱上表现为周期性损耗峰。由于空芯光纤和光纤布拉格光栅的物理机理不同,对外界温度、应变的响应存在差异,利用耦合矩阵则可以精确地实现温度和应变双参数的同时测量。实验结果表明,在1550nm波长附近,空芯光纤和光纤布拉格光栅对应的温度灵敏度分别为24.55 pm/℃和12.76 pm/℃,应变灵敏度分别为-0.70pm/με和1.02pm/με,该级联结构的传感器制作简单且具有较高的测量精度。     

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。     

基于偏芯熔接光纤的应力与折射率传感器

基于偏芯熔接技术构建了一种新型马赫-曾德尔干涉(MZI)原理的应力与折射率光纤传感器。该传感器是由一段单模光纤的两端实施偏芯熔接而成。利用光纤包层模、纤芯模对应力和折射率的敏感特性,实现对外界折射率和应力的测量。研究结果表明,施加轴向应力范围为0~500με时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1585nm附近干涉谷处的应力灵敏度约为-7.00pm/με;外界折射率在1.331~1.398RIU(RIU为单位折射率)范围时,传感器的近红外透射光谱的波长出现蓝移,在1570nm附近干涉谷处的折射率灵敏度约为-55.223nm/RIU;且均具有良好的线性拟合效果。该传感器也可应用于温度等其他参数测量,具有非常广阔的应用前景。     

失配型双芯长周期光纤光栅弯曲矢量传感

利用高频CO2激光单侧曝光技术及双芯光纤的非对称性,设计并制作了一种长周期光纤光栅弯曲矢量传感器.成栅机理分析表明,光纤边缘处嵌入的纤芯极大地增强了包层中的残余应力,在CO2激光脉冲曝光时,残余应力释放作用增强,光栅质量更高;同时,双芯光纤的非对称结构以及CO_2激光单侧曝光使得光纤器件对偏振非常敏感,写制的光纤光栅在1 555.4nm谐振波长处的偏振相关损耗高达20.8dB.弯曲传感测试表明,在0~1.235m~(-1)曲率范围内,光纤光栅向+y方向弯曲时,透射谱谐振峰波长向长波方向漂移,灵敏度为2.37nm/m~(-1);光纤光栅向-y方向弯曲时,谐振峰波长向短波方向漂移,灵敏度为1.80nm/m~(-1).该弯曲矢量传感器结构简单,灵敏度高,可广泛应用于道路、桥梁等建筑的安全检测.     

基于拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗应变传感器的仿真研究

为解决干涉型光纤应变传感器自由光谱范围较小或干涉条纹精细度较低等问题，提出了一种基于单拉锥光纤布拉格光栅的法布里-珀罗腔的应变传感结构及其改进方案。利用啁啾光纤布拉格光栅不同位置反射不同波长的特性，形成腔长随波长连续变化的法布里-珀罗腔，得到了无穷大的自由光谱范围且谐振谷精细度高。数值计算结果表明，应变传感灵敏度与拉锥光纤的腰区直径和栅区长度正相关。在0～300 με范围内，当腰区直径为光纤直径的3/25，栅区长度为30 mm时，应变传感灵敏度为7.05 pm/με。该结果对其他干涉型传感结构的设计具有一定的参考价值。     

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.     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

基于纤芯失配和光纤布拉格光栅实现温度和应变同时测量

基于纤芯失配理论,提出了一种多模单模多模（MSM）结构与光纤布拉格光栅（FBG）级联实现温度和应变同时测量的光纤传感器。利用MSM结构的干涉谱和FBG对温度和应变的不同响应灵敏度,实现了对温度、应变的同时测量。实验结果表明,在20 ℃~80 ℃的温度范围内,MSM结构的干涉谱和FBG的温度灵敏度分别为0.091 nm/℃和0.0102 nm/℃;在0～650 με的应变范围内,应变灵敏度分别为 -0.0013 nm/με和0.0012 nm/με。因此利用敏感矩阵,即可实现对温度和应变的同时测量,且温度和应变的最大测量误差分别为±0.2 ℃和±8.25 με。该结构灵敏度高,结构简单,且不易受电磁等干扰,实验结果具有良好的线性度,在工程领域应用前景良好。     

基于光纤锥级联结构的湿度传感器

提出了一种基于普通单模光纤粗锥级联结构的马赫-曾德尔干涉湿度传感器.将两根单模光纤对芯熔融成一个粗锥,并依次级联,形成光纤锥-单模光纤-光纤锥-单模光纤-光纤锥结构.外界环境湿度、温度的改变使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,引起传感器干涉光谱发生变化.通过监测干涉谱波长和能量的变化实现对外界物理量的测量.实验结果表明,当空气中湿度在35~95%RH范围内变化时,传感器的湿度灵敏度为-0.065dB/%RH,线性度为0.997;当温度在30~80℃范围内变化时传感器的温度灵敏度为69.4pm/℃,线性度为0.998.该传感器可以避免温湿度的交叉影响,实现单参量的同时在线区分测量.     

荧光光纤光栅传感特性的实验研究

在载氢掺铒光纤上写入Bragg光纤光栅，得到新型光子学器件-荧光光纤光栅.分别对其Bragg波长（λB）及荧光寿命（τ）的温度（T）及应变（ε）响应特性进行了实验研究，并且给出了λB和τ分别关于（T，ε）的拟合方程.实验结果表明：荧光光纤光栅的λB对T和ε的响应具备一般Bragg光纤光栅的优良特性，测得温度灵敏度为11.1pm /℃，应变灵敏度为1.19pm/με；而且τ对T和ε的响应也具有良好的线性关系，温度灵敏度为0.59 μs/℃，应变灵敏度为6.16 ns/με.实验结论为解决温度应力交叉敏感、实现温度应力的同时监测提供一条新颖的途径.     

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（英文）

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。     

基于紫外刻写相移光栅的温度应力同时测量传感器

传统光纤光栅传感器存在温度应力交叉敏感的问题,无法同时测量被测物体的温度应力变化情况。针对这种情况,提出一种新型的利用紫外光刻写相移光栅的方法,在刻写光栅前用电极放电的方法去除掉极小一段光纤的光敏性,使光纤原有的均匀周期分布状态被破坏,从而形成相移光栅,并对其进行理论分析。此种相移光栅的透射光谱存在2个明显的谐振峰,利用2个峰对温度和应变灵敏度不同的性质,可以通过建立解调矩阵来实现温度与应力的同时测量。实验结果表明:利用此种方法制成的相移布拉格光栅能够较为精确地实现温度、应力的同时测量,所制作的传感器温度灵敏度最高可达9.51 pm/℃,灵敏度方差低于2.125×10?7,应变灵敏度最高可达0.767 pm/με,灵敏度方差低于2.156×10?10。     

基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder温度传感特性研究

提出并设计了基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder干涉结构,并对其温度传感特性进行了研究。通过将两支分光比为50∶50的1×2端口光纤耦合器相对熔接,构建光纤Mach-Zehnder干涉结构,采用单模光纤作为干涉结构的参考臂。基于侧面研磨技术在3m长纤芯/包层尺寸为9/125μm的单模光纤上进行抛光,抛光时长为5h,制备了研磨长度为20mm、深度为50μm的光泄露窗作为干涉结构的传感臂,提高传感器的灵敏度。采用宽带光源对Mach-Zehnder干涉结构的透射光谱进行测试,干涉周期为0.66nm。实验中对传感结构进行了温度测试及分析,选取波谷位置为1551.48nm作为测试点。在25～60℃的升温范围内干涉条纹向长波方向移动3.97nm,传感器的温度灵敏度为115.4pm/℃。不同温度下对应波谷的波长位移量与外界温度呈现良好的线性关系,线性度为0.9940,功率漂移小于1.66dB,具有较好的功率稳定性。     

一种新颖的高灵敏度光纤光栅带宽调谐机构

设计了一种由一直梁和两个半圆拱组成的开口环结构,并将均匀光纤布拉格光栅斜贴于直梁中间的表面处。对两半圆拱施加与直梁方向平行的应力作用时,光纤光栅受到线性应力场的作用,光纤布拉格光栅即转化为啁啾光纤光栅。该机构实现了光纤光栅带宽的线性调谐,线性度高达0．9982,实验结果与理论分析一致。与以往的带宽调谐机构相比,该机构具有很高的应力灵敏度,在20N力的作用下,可产生约7nm的带宽反射,灵敏度达0．34nm／N。利用环境温度对带宽调谐无影响的特性,采用带宽编码技术,研制出具有温度自动补偿特性、高灵敏度的带宽调谐装置。     

外腔式光纤Fabry-Perot干涉型高温应变传感器

介绍了一种外腔式光纤Fabry-Perot干涉型(EFPI)高温应变传感器,传感器是在两段切割平整的单模光纤之间熔接一段空心光纤构成。实验证明,传感器在1000℃以下时能够稳定工作,腔长变化灵敏度为0.17nm/με,应变测量灵敏度可达±1με,线性度高达0.99998。EFPI高温应变传感器结构紧凑,工艺简洁,成本低廉,是一种可靠、优秀的高温应变传感器。