157nm准分子激光制作的光纤珐-珀干涉折射率传感器

利用157nm激光微加工技术在单模光纤的端面加工一个微槽,用一段光纤将其密封形成一个空气珐-珀腔,这段密封用光纤与两侧的空气界面形成第二个珐-珀腔,传感器干涉条纹由两个珐-珀腔共同作用而成。计算表明,当两珐-珀腔长度接近时,传感器反射光谱的波谷位置会随着外界折射率变化而发生漂移。这种双干涉腔结构提供了一种新的折射率测量方案。实验表明当外界折射率在1．3333～1．4712内变化时,响应为非线性,平均灵敏度为28．21nm／RIU,系统折射率分辨率为3．54×10^-5,与理论计算吻合。     

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。     

激光加工微型光纤折射率传感器的工艺与特性

提出一种由157 nm激光制造的新型微型光纤法布里-珀罗折射率传感器的制作方法,传感头由靠近单模光纤端的具有光纤顶端微通道的法布里-珀罗空气腔组成,将单模光纤顶端的微通道作为检测介质的入口.分别在珐珀腔的反射界面镀以薄膜作为反射镜面来确保高的光对比度.试验中获得了1 130.887 nm/refractive-index的分辨率.和其他的光纤传感器相比,这种传感器具有体积小,结构坚固,高分辨率,线性良好,测量范围宽等优点,能够满足实际应用的要求,特别是对需要小型传感器的场合.     

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。     

激光加工微型光纤折射率传感器的工艺与特性

提出一种由157nm激光制造的新型微型光纤法布里-珀罗折射率传感器的制作方法,传感头由靠近单模光纤端的具有光纤顶端微通道的法布里-珀罗空气腔组成,将单模光纤顶端的微通道作为检测介质的入口.分别在珐珀腔的反射界面镀以薄膜作为反射镜面来确保高的光对比度.试验中获得了1130.887nm/refractive-index的分辨率.和其他的光纤传感器相比,这种传感器具有体积小,结构坚固,高分辨率,线性良好,测量范围宽等优点,能够满足实际应用的要求,特别是对需要小型传感器的场合.     

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。     

一种自校准光纤珐珀动态应变检测系统的实验研究

针对工程中光纤珐珀传感器的工作点容易偏离线性工作区而使解调系统无法正常工作的实际问题,设计了一种可实现自动校准工作点的动态应变检测系统。该系统利用数字信号处理器控制可调珐珀滤波器自动输出波长满足工作点要求的窄带光,同时还通过软件校准的办法消除了因光源的不稳定、系统老化等缓变因素引起的信号波动对测量结果的影响。实验结果表明该动态应变检测系统能完成工作点自动校准,并且在500με范围内线性度可达99．79％,实验分辨率约为±0．5με。     

一种光纤EFPI高温传感器

提出了一种金属封装的光纤外腔式珐珀(EFPI)高温传感器。利用不同材料的不同热膨胀系数,使EFPI的腔长对温度变化敏感,可以应用在高温场合下。该传感器具有结构简单、灵敏度高、耐高温等特点,测试结果表明,灵敏度为0.3837μm/℃,线性度为0.9956,分辨率为0.26℃。它的正常工作温度范围为0-400℃。     

高精细度微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪

通过在镀膜单模光纤端面制作微透镜,构造了微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪.利用ABCD矩阵方法分析厂微透镜法布单-珀罗腔的模场.由于微透镜的会聚作用,法布里-珀罗腔模场可以和单模光纤模场良好的匹配,从而达到高精细度和低插入损耗.实验制作的微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪,自由光谱区范围32.28 nm,精细度为78,峰值透射比为73%;在法布里-珀罗腔的光学腔长增加到100um的情况下,峰值透射比仍然大于50%.该微透镜光纤法布里-珀罗十涉仪制作容易、对设备要求低,可以封装成光纤法布里-珀罗滤波器和传感器,具有广泛的应用前景.     

无增敏材料修饰的高灵敏度光纤湿度传感器

设计并制作了一种高灵敏度且制作简单的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate,PMMA）微球与单模光纤复合的湿度传感器。该光纤湿度传感器由PMMA微球与单模光纤构成。由于在微球中形成了法布里-珀罗腔,当外界环境湿度升高时,PMMA微球吸收水分子体积膨胀,导致法布里-珀罗腔的腔长增长,使得传感器干涉光谱的波峰（谷）发生红移,从而实现湿度传感。对所制作传感器的湿度响应、稳定性和重复性等进行了实验研究,实验结果表明：在30%～80%湿度范围内,该湿度传感器的灵敏度达173.36 pm/%RH,波长漂移随相对湿度变化呈良好的线性关系,其线性度达0.992 26,且具有良好的稳定性和重复性。该PMMA微球与单模光纤复合的湿度传感器具有灵敏度高、结构简单、无需镀膜且易于制作的优点。     

20～1250Hz光纤激光加速度传感系统设计

为了实现高灵敏度、宽频响应的光纤型加速度传感器,以光纤激光器作为加速度传感器的传感元件,建立了光纤激光加速度传感系统,并对该系统的传感原理、灵敏度和谐振频率等性能进行了分析和实验。采用竖直式加速度传感器结构,结构中的传感组件主要由质量块和中空的细钢管组成,光纤激光器受预应力作用后粘接在钢管内部,在加速度作用下,钢管产生的应变引起光纤激光器的应变和折射率发生改变,导致光纤激光器的出射波长随之发生改变,然后使用干涉解调技术检测出波长的动态变化,即可获得波长中包含的加速度振幅和频率信息。实验结果表明,在20~1 250 Hz频段内,竖直式光纤激光加速度传感器的灵敏度约为-126.2 d B[参考值1 rad/(μm/s~2)],频响曲线的波动幅度在±1.9 d B范围内,加速度响应动态范围为77.46~170.26 d B[500 Hz频点,参考值1μm/(s~2·Hz1/2)],加速度分辨率优于0.01 m/s~2。     

A fiber micro-vibration sensor based on single-mode fiber ring laser

A new micro-vibration sensor based on single-mode fiber ring laser is put forward. The Mach-Zehnder interferometric （MZI） detection technique is presented for interrogating laser frequency shift due to the measurand （piezoelectric transducer （PZT） is used to simulate the micro-vibration） induced laser cavity strain from both single- and multi-mode lasers. In the experiment, compared with multi-mode laser sensors, the single-mode laser sensor is proved to be a sensor with high resolution. When the PZT is driven by the analog signal （0.03 rad near 2 kHz）, the signal-to-noise ratio （SNR） of output signal from the single-mode laser sensor is close to 55 dB and the sensitivity of the sensor is about 5 ×10^-5 rad/Hz1/2.     

共晶键合与减薄技术的压电能量采集器（英）

采用微硅 锆钛酸铅（Si-PZT）悬臂梁结构并在悬臂梁末端附加镍质量块,构成可以工作于低频环境（小于1 000 Hz）的微压电能量采集器,一种利用压电效应将环境振动能转换为电能的器件。利用金薄膜作为中间层的共晶键合技术和PZT研磨减薄技术制备了微压电悬臂梁结构,PZT减薄实验最好结果为减薄至8 m。镍质量块（2 mm2 mm0.6 mm）采用微电铸工艺制备。通过对硅片与块材PZT的共晶键合工艺与PZT减薄技术的研究,制备出总厚度约为71 m的Si-PZT悬臂梁结构,其中硅梁厚约为47 m,PZT梁厚约为24 m。制备的微压电振动能量采集器样品的测试结果表明:在谐振频率为950 Hz,1.0g加速度激励条件下,其交流输出峰值电压可达958 mV。     

基于窄频分布反馈激光器和光纤光栅的加速度传感器

提出了一种用窄频分布反馈半导体激光器作为光源,光纤光栅作为传感元件的振动传感系统.给出了这个系统的工作原理和系统组成,设计了光纤光栅传感器的悬臂梁增敏封装形式.通过实验测量得到了频率响应曲线和加速度响应曲线,结果表明悬臂梁一端悬挂的质量块的质量越大,灵敏度越高,但共振频率也相应降低.同时讨论了不同黏度的硅油对共振的抑制效果以及系统灵敏度与分布反馈激光器输出波长的关系.     

Compact FBG diaphragm accelerometer based on L-shaped rigid cantilever beam

A compact fiber Bragg grating(FBG) diaphragm accelerometer based on L-shaped rigid cantilever beam is proposed and experimentally demonstrated.The sensing system is based on the integration of a flat diaphragm and an L-shaped rigid cantilever beam.The FBG is pre-tensioned and the two side points are fixed,efficiently avoiding the unwanted chirp effect of grating.Dynamic vibration measurement shows that the proposed FBG diaphragm accelerometer provides a wide frequency response range(0-110 Hz) and an extremely high sensitivity(106.5 pm/g),indentifying it as a good candidate for embedding structural health monitoring and seismic wave measurement.     

Magnetic dissipation and fluctuations in individual nanomagnets measured by ultrasensitive cantilever magnetometry

Cantilever magnetometry with moment resolution better than 10(4)micro(B) was used to study individual nanomagnets. By using the fluctuation-dissipation theorem to interpret measurements of field-induced cantilever damping, the low frequency spectral density of magnetic fluctuations could be determined with resolution better than 1micro(B) Hz-1/2. Cobalt nanowires exhibited significant magnetic dissipation and the associated magnetic fluctuations were found to have 1/f frequency dependence. In individual submicron rare-earth alloy magnets, the dissipation/fluctuation was very small and not distinguishable from that of a bare silicon cantilever.     

MEMS accelerometer embedded in a self-mixing displacement sensor for parasitic vibration compensation

A self-mixing (SM) laser displacement sensor coupled with a microelectromechanical system (MEMS) accelerometer is presented that enables reliable displacement measurements even in the case of a nonstationary laser head. The proposed technique allows the use of SM-based sensors for embedded applications. The system resolution is currently limited to approximately 300?nm due to the noise characteristics of the currently used accelerometer. It is shown that this resolution can be greatly improved by the use of a low noise accelerometer.     

光纤布喇格光栅沉降传感器

根据光纤布喇格光栅的光学传感原理,提出了一种基于悬臂梁及金属弹性膜片的光纤布喇格光栅沉降传感器结构,对其传感特性进行了实验研究.实验通过产生水的液位差来模拟地基沉降,分析结果显示,光纤布喇格光栅中心反射波长漂移对液位差呈现良好的线性关系,线性度高于0.999,灵敏度可达-2.11 pm/mm.通过改变悬臂梁厚度和有效长度,可以对传感器测量范围和灵敏度进行调整,以满足各种应用场合.综合实验结果,该传感器在桥梁、铁路地基等沉降监测方面具有重要意义.     

A Displacement and Velocity Measurement Technique Using Millimeter-Wave Sensor

In this paper, a millimeter-wave sensor is presented for measurement of displacement and velocity. By using monolithic microwave integrated circuits and digital quadrature sampling signal-processing scheme, the sensor operating at 60 GHz is implemented. Polynomial curve-fitting technique is used for the error correction. Digital quadrature mixer is also configured as a phase-detecting processor, which enables low Doppler frequency to be measured with high resolution. Measured displacement results indicate resolution and maximum error of 10 μm and 30 μm, respectively, and measured speed is as low as 30 mm/s, corresponding to 6.6 Hz in Doppler frequency, with an estimated velocity resolution of 3.3 mm/s. To the best of our knowledge, the attained resolution and maximum error are the best reported results.     

Development of a hand-held sensor probe for detection of sound components radiated from a specific device using surface intensity measurements

In this paper, a hand-held sensor probe is developed for surface intensity measurements. The sensor probe is composed of a 1/2-in. condenser microphone and a lightweight accelerometer of 1 g (=10⁻³ kg) which are connected with a vibration damper made of silicon rubber. The reliable measurement range of the sensor probe is examined and shown to be 100 Hz to7 kHz for sound and vibration. The precision of intensity measurements is confirmed by experiments in noisy environment. The precision is shown to be less than 3 dB for a random noise environment when the S/N is greater than −10 dB and for pure tone environment when the S/N is greater than −5 dB. The sensor probe is applied to determine the sound power level of a hard disc drive unit of a personal computer in an office setting. Good agreement is obtained for A-weighted sound power levels determined by the ISO method.