基于F-P腔干涉的膜片式光纤微机电系统压力传感器

基于法布里-帕罗腔的干涉原理,采用微机电系统技术加工制作了一种光纤微机电系统压力传感器.采用浓硼扩散自停止腐蚀和磁控溅射的方法,制备厚度为6 μm、机械灵敏度为0.502 μm/MPa的传感器敏感膜.基于强度解调技术,利用干涉腔的反射功率与压力的关系对压力进行解调.分析了腔长变化对反射率的影响,确定传感器线性工作点的波长,建立稳定的压力传感测试系统.测试结果表明,该传感器压强最小分辨率为62 Pa,灵敏度达到0.51 nW/KPa,具有良好的线性度、灵敏度和重复性,适用于人体内压力测量和口腔义齿压力测量.     

用于光纤光栅压力传感器的一种新型布喇格波长调解系统

介绍了一种基于双光纤布喇格光栅实现波长解调的高准确度、低成本光纤光栅压力传感器．在外界压力下，传感光纤布喇格光栅的反射波长产生漂移，其漂移量被粘贴在以一定频率上下扫描的等强度悬臂梁上的匹配光纤布喇格光栅调制为系统输出时间脉冲序列的脉冲宽度．实验结果表明：该解调技术的波长测量范围为0～3nm，波长测量的不确定度为1pm，对于量程为0～6MPa的压力传感器其测量的不确定度为0．005MPa．     

基于F-P腔干涉的膜片式光纤微机电系统压力传感器

基于法布里-帕罗腔的干涉原理,采用微机电系统技术加工制作了一种光纤微机电系统压力传感器,采用浓硼扩散自停止腐蚀和磁控溅射的方法,制备厚度为6μm、机械灵敏度为0.502μm MPa的传感器敏感膜.基于强度解调技术,利用干涉腔的反射功率与压力的关系对压力进行解调,分析了腔长变化对反射率的影响,确定传感器线性工作点的波长,建立稳定的压力传感测试系统,测试结果表明,该传感器压强最小分辨率为62 Pa,灵敏度达到0.51nW/WKPa,具有良好的线性度、灵敏度和重复性,适用于于人体内压力测量和口腔义齿压力测量.     

微型非本征光纤法布里-珀罗压力传感器

设计并研制了一种新的微型非本征光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器。传感器采用普通的商用单模光纤和多模光纤制作。全石英结构,能长期使用,且稳定性好。传感器制作过程仅通过切割光纤、腐蚀光纤和光纤熔接实现,基于F-P多光束干涉原理测量压力。分析了F-P腔的直径、膜厚与灵敏度的关系,确定了传感器的膜厚和腔深等参量,设计了传感器的加工步骤,讨论了氢氟酸腐蚀多模光纤与熔接光纤的关键技术。用单峰谱峰波长法解调出传感器的腔长。建立了实验解调系统,实验结果表明,在0~0.1 MPa范围内,传感器线性好。     

短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器椭圆拟合腔长解调算法

建立了一种短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器反射光谱的模型,提出了一种双参数椭圆拟合腔长解调算法,并对腔长为26～30μm的复合式法布里-珀罗腔的解调进行了仿真。结果表明,采用双参数椭圆拟合算法进行腔长解调的最大误差仅为0.05μm。搭建了光纤法布里-珀罗传感器解调系统,在加压条件下对复合式光纤法布里-珀罗压力传感器进行了解调实验,实现了20 kHz的解调速率,验证了所提算法在解调短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器方面的可行性与实时性。     

基于扫描激光器的边孔光纤光栅温度压力传感系统

研究了一种基于波长扫描激光器的光纤温度压力测量系统.光纤传感头为边孔光纤光栅,利用其特有的双折射特性产生双反射峰,以实现对温度和压力的同时测量.系统采用嵌入式开发技术,将激光波长扫描、光谱数据采集和以牛顿最小二乘法为核心的光栅解调算法高度整合于一体,极大降低了光纤传感系统的体积与成本.实验结果表明,在温度10~50℃、压力0~1.2 MPa时,双反射峰对应温度与压力的变化均呈现良好的线性响应特性;系统的波长解调准确度可达1pm,温度及压力的分辨率分别达到0.1℃和0.1 MPa.该系统可为温度、压力的参量测量提供低成本、小型化、性能可靠的解决方案.     

分布式光纤温度压力传感器设计

为了实现油田井下温度压力的全分布式测量,提出了一种基于光纤散射原理的分布式温度压力测量方法。该方法通过对普通光纤进行封装设计,制作成传感光纤。由于光纤传感器周围流体的温度和压力会对传感光纤内的散射光产生调制作用,通过光纤解调仪解调出光纤拉曼散射参数和布里渊散射频移就能够实现温度和压力的实时在线测量。实验结果表明:设计的分布式光纤温度压力传感器可以实现的温度测量分辨率为0.1 ℃,压力测量分辨率为0.07 MPa。基本满足油田井下温度压力测量的全分布式、实时在线、可靠性高、精度高、抗干扰能力强等要求。     

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.     

光纤法布里-珀罗微压传感器

设计并研制了一种新型光纤法布里-珀罗压力传感器,通过光刻、硅片刻蚀、阳极键合等微机电系统技术制作而成,适合恶劣环境下、狭小空间内的微压环境压力测量。详细阐述了传感器的结构设计和制作方式。该设计巧妙地利用了光纤法兰盘,保证了光纤端面与敏感膜的平行,从而形成高质量的法布里-珀罗干涉腔。该结构也有利于初始腔长的稳定,减小了传感器误差。建立了实验解调系统,对其压力、温度等特性进行了详细的测试。实验结果表明,在0~0.1MPa的压力范围内,传感器线性度好,重复性高,灵敏度达到了61.6μm/MPa。     

新型波长解调技术在干涉型光纤传感器输出解调中的应用

提出了一种改进型边缘滤波波长解调技术,解决干涉型或谐振型光纤传感器输出的干涉谱波长的快速解调问题。该波长解调技术基于啁啾光栅和长周期光栅的光谱特点,以啁啾光栅作为矩形滤波器,提取传感器输出干涉谱的一个干涉峰;以长周期作为边缘滤波器,将干涉峰的波长信息转化为光强信息进行检测。该波长解调技术波长解调范围为传感器输出干涉谱的一个自由光谱范围(FSR),解调速度快,克服了当前波长解调技术中存在的测量范围与测量速度难以同时提高的问题,同时还具有系统成本低 ,体积小,能够灵活多路扩展的特点。详细介绍了解调系统的工作原理以及系统结构,并将其实际应用于一种干涉型光纤电流传感器输出干涉谱的波长解调中。通过实验证明电流传感器工作在工频及脉冲电流(脉冲宽度25 μs)情况下,该解调系统对传感器输出干涉谱具有准确、快速的解调效果。该研究对推进干涉或谐振型光纤传感器的实际工程化水平的提高具有重要意义。     

基于偶联剂技术的光纤光栅压力传感实验研究

报道了利用偶联技术封装光纤光栅压力传感器的新方案.通过采用特殊聚合物材料将光纤光栅封装于金属管中，并采用偶联材料分别与聚合物和光纤以化学键偶联的工艺，解决了由于有机弹性体聚合物的弹性模量（1.2×105 N/m2）与光纤光栅的弹性模量(7×1010 N/m2)相差很大，在压强较大时易导致光纤光栅与聚合物材料之间的撕裂滑脱问题，改善了光纤光栅压力响应特性.封装后的光纤光栅压力的线性测量范围为0.04 MPa~0.6 MPa，压力响应灵敏度为－4.48 nm/MPa，与裸光栅压力响应灵敏度－0.003063 nm/MPa相比，增敏了1463倍.利用实验中所使用光谱仪0.05 nm的分辨率，压强测量准确度为±0.01 MPa，线性度为0.9978.     

新型高准确度光纤光栅压力传感系统

提出一种使用光纤双布喇格光栅测定压力的测量方法.在外界压力作用下，传感光纤布喇格光栅反射波长的漂移,被转变成在交变力策动下,发生弯曲的等强度悬臂梁调制扫描光栅反射光脉冲间隔的变化.实验结果表明，光纤布喇格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3 nm，波长测量的不确定度为1 pm；压力传感器的量程为0～6 MPa时，压力的测量不确定度为0.005 Mpa.     

用光纤光栅传感器测量外压力的动态调制方法

为了提高光纤布拉格光栅压力传感器的精度和降低系统成本，提出一种使用光纤双布拉格光栅测定压力的测量方法，即在外界压力作用下，传感光纤布拉格光栅反射波长的飘移被转变成在交变力策动下发生弯曲的等强度悬臂梁调制的扫描光栅的反射光脉冲间隔的变化。实验结果表明：光纤布拉格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3nm，波长测量的不确定度为1pm；压力传感器的量程为0～6MPa时，压力的测量不确定度为0.005MPa。     

一种光纤布喇格光栅压力传感器的设计及实验

报道了一种新型光纤光栅压力传感器设计和实验结果.传感器利用双拱形结构,配合工形膜片将纵向分布的压力转化为膜片横向的应变,通过膜片结构传递应变给光纤光栅,从而达到测量纵向分布压力的目的.实验结果表明:当传感器受到纵向均布压力作用时,能够较好地感知压力的变化,光纤光栅中心波长的漂移与所受压力呈线性变化,且线性度达到0.999.在压力测量范围内,压力灵敏度达到1.059 × 10~(-3)/MPa.     

温度不敏感光纤光栅压强传感器

提出了一种新颖的高灵敏度温度不敏感光纤光栅压强传感器。该传感器主要由开口环传感机构和铝箔管组成，根据光纤布拉格光栅带宽调谐原理，首次采用开口环机构和利用带宽编码技术，实现了温度不敏感压强感测。实验结果表明：该传感器在低压范围内具有很高的压强传感灵敏度系数，可达2.50×103nm/MPa，实验结果与理论分析基本相符。通过选择不同材料的开口环和铝箔管的材料以及改变其结构参数，可灵活设计并调节压强传感灵敏度系数及压强感测范围。     

Differential FBG sensor for temperature-compensated high-pressure (or displacement) measurement

A differential fiber Bragg grating (FBG) sensor with a free active element bulk-modulus for high-pressure (or displacement) measurement is presented. Based on the differential measurement method and an isosceles triangle cantilever structure, problems of cross-sensitivity and chirped signal in FBG sensor are improved both theoretically and experimentally. Preliminary experiments indicate that temperature-compensated measurement results agree well with the theoretical analysis. Displacement measurement sensitivity is 1.75 pm/μm, and the estimated pressure measurement resolution can reach 0.27 MPa in case the wavelength shift measurement resolution is 0.01 nm.     

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％。     

光纤光栅弹簧管压力传感器的压力和温度特性

本文利用弹簧管对于压力的机械放大作用,将弹簧管与光纤光栅悬臂梁调谐技术相结合,研制了一种新颖的光纤光栅弹簧管压力传感器,大大提高了光纤布喇格光栅对压力测量的灵敏度,压力灵敏度系数可达-1.79×10^-4/MPa,比裸光栅提高了两个数量级,在0～12MPa的压力范围内,光纤布喇格光栅中心反射波长的改变与压力成良好的线性关系.同时由于悬臂梁热膨胀效应的影响,光纤光栅的温度灵敏度提高为裸光栅的7倍.     

平面圆形膜片式光纤布拉格光栅温度补偿压强传感

报道了利用光纤布拉格光栅反射波谱带宽展宽技术实现温度补偿的压强传感新方案。结合平面圆形膜片应变调谐的特点,采用膜盒式结构,将光纤光栅中心对准平面圆形膜片零应变半径并沿径向粘贴,利用反射波谱带宽对应变敏感而对温度不敏感的特性解调压强,成功地实现了温度补偿的压强传感测量。基于光谱分析仪0.05nm的光谱分辨力,实验测得带宽随压强响应灵敏度为0.34nm/MPa,压强精度为±0.15MPa,压强测量范围为0~7.5MPa。实验结果与理论分析基本一致。     

High sensitivity fiber Bragg grating pressure difference sensor

Based on the effect of fiber Bragg grating (FBG) pressure difference sensitivity enhancement by encapsulating the FBG with uniform strength beam and metal bellows, a FBG pressure difference sensor is proposed, and its mechanism is also discussed. The relationship between Bragg wavelength and the pressure difference is derived, and the expression of the pressure difference sensitivity coefficient is also given. It is indicated that there is good linear relation between the Bragg wavelength shift and the pressure difference of the sensor. The theoretical and experimental pressure difference sensitivity coefficients are 38.67 and 37.6 nm/MPa, which are 12890 and 12533 times of that of the bare FBG, respectively. The pressure difference sensitivity and dynamic range can be easily changed by changing the size, Young's modulus, and Poisson's ratio of the beam and the bellows.