白光干涉偏振模耦合分布式光纤传感器分析

分布式光纤传感器能够测量沿光纤长度上连续分布的外界量。用保偏光纤作为传感光纤的分布式光纤传感器,被测外界量引起保偏光纤中传播的两正交偏振模的相互耦合。用迈克尔逊干涉仪两臂光程差来补偿两个偏振模的光程差的方法探测传感信号。为了设计白光干涉偏振模耦合分布式传感器,根据统计光学原理分析了传感器的互相干特性。在此基础上分析了传感器的空间分辨力、光纤耦合点分辨力、最大传感光纤长度。波长1310nm、谱宽36nm的超辐射发光二极管(SLD)作光源．用色散参量为600ps／km,拍长3mm的保偏光纤的分布传感器空间分辨力和光纤耦合点分辨力分别为6cm和3mm。     

基于光纤温度和应变传感器的物理创新实验

为了实现温度和应变同时测量,本文设计了一种基于多模干涉的光纤温度和应变传感器.该传感器利用光纤熔接机将一段细保偏光纤和一段细芯光纤错位熔接后引入萨格纳克环中而制成.由于光纤错位和模场失配,传感器内存在偏振模干涉和纤芯模-包层模干涉.对不同温度和应变作用下采集到的传感器透射谱进行滤波处理,可提取两种干涉对应的透射谱.基于透射谱中两个不同波谷的温度和应变灵敏度建立同时测量矩阵,即可实现温度和应变的同时测量.实验数据显示该传感器的温度和应变分辨率分别为0.30℃和13.50με.本实验可以作为物理和光电相关专业本科生物理创新实验,帮助大学生掌握光纤传感原理、实验技能和数据处理与分析方法.     

双芯光子晶体光纤中的模式干涉

应用全矢量超格子叠加模型分析了双芯光子晶体光纤(PCF)的模式特征.双芯PCF的基模和二次模分别由偏振方向不同的两个偶模和两个奇模组成，讨论了这四个模式的模式电场奇偶性.基于对双芯PCF模式电场奇偶性的认识，讨论了光纤中的矢量模式干涉问题.分析表明，不同偏振态模式的干涉不会引起芯间的功率转移，双芯PCF的芯间功率耦合是由相同偏振模式的干涉引起的.在相同偏振模式干涉过程中，光功率在两个芯子中呈余弦振荡，光纤的两个芯子一般存在约π／2的相位差.还讨论了两个不同偏振方向的耦合系数与波长的关系. 关键词： 光子晶体光纤 双芯光纤 模式 干涉 耦合     

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合, 一部分进入纤芯传输,另一部分进入包层形成包层模,纤芯模和包层模具有不同的有效折射率,经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合,形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究,得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性,给出了温度响应灵敏度。实验结果表明,在30～400 ℃温度范围内,长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度,其响应灵敏度为0.115 nm·℃-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析,可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP₀₁和高阶模LP₀₈两种模式,透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰,具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。     

基于纤芯失配型马赫曾德尔光纤折射率和温度同时测量传感器的研究

设计和制作了一种基于单模多模细芯单模光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构,可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中,多模光纤和细芯单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差,再经细芯单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移,通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP16模干涉形成。该传感器透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90nm/RIU和0.0501nm/℃(其中RIU为折射率单位);1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56.26nm/RIU和0.0505nm/℃。在折射率和温度的变化范围分别为1.3449~1.3972和20℃~90℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究,结果表明:透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03nm/RIU和0.0465nm/℃;1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54.24nm/RIU和0.0542nm/℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。     

光学相干域偏振测量技术及其在高精度光纤陀螺器件测量中的应用

光学相干域偏振测量(OCDP)技术是一种基于白光干涉原理,利用保偏光纤器件和组件中的偏振传输模式之间存在的能量耦合(偏振串扰)实现分布式偏振特性精确表征的测试方法,具有超高偏振测量灵敏度(偏振串扰为-100~-90dB)、高空间分辨率(5~10cm)、超宽测量动态范围(10~9~10~(10))和长光纤测量距离(数千米)等优点,可以满足包括光纤陀螺核心器件和光路在内的保偏光纤器件与组件的超高偏振性能测试需求。回顾OCDP原理与关键技术,包括分布式偏振串扰的测试原理与精确建模方法以及OCDP仪器化若干关键技术;展示OCDP技术在超高消光比集成波导调制器、超长陀螺敏感环定量测试与诊断、评估中的应用;针对高性能光纤传感器复杂多变的应用环境,展望OCDP技术在高精度光纤陀螺的核心器件与整机光路测试中未来的发展方向。     

全光纤低相干光纤位移传感技术

提出并演示了一种由两光纤构成的杨氏干涉解调系统的全光纤低相干光纤位移传感器系统。该技术从根本上避免了光源频率、光强的波动，及光在传输过程中由系统带来的损耗、光的偏振方向的改变引起的信号衰落问题。其结构简单，易于调整，测量分辨率可达０．０５４ｍｍ。     

基于Sagnac原理的单轴分布式光纤传感系统偏振态分析

针对Sagnac干涉型单轴分布式光纤传感器中使用单模光纤作为传感器件时,由于传输光偏振态在双折射影响下所带来的干涉信号“偏振诱导衰落”问题,运用琼斯矩阵分析法,建立了该型传感器系统在传感光纤双折射和外部事件共同作用下,传输光的偏振态对系统功率传输系数影响的数学模型;仿真分析了在传感光纤线性双折射和圆双折射共同作用下,传输光的偏振态对系统功率传输系数的影响;提出了使用法拉第旋转镜提高系统抗偏振能力的改进方法.仿真结果表明,该方法能很好地消除光纤线性双折射和圆双折射.     

椭芯光纤干涉型多参量光纤传感技术

本文提出用椭圆纤芯高双折射光纤偏振干涉和双模干涉结合的双技术四参量以及双模干涉多参量同时测量的传感理论和实验原理，对交叉灵敏度作了分析，同时给出了误差分析，并结合理论模型对灵敏度矩阵的状态作了粗略估计。初步结果为：（１）灵敏度矩阵条件数不太大，可以采用迭代改善方法解线性方程组得到较好的解；（２）双模干涉传感器的灵敏度比偏振干涉传感器的灵敏度高两个数量级。     

光纤偏振态模式分布的干涉测量方法

研究一种高精度单模光纤偏振态模式耦合干涉测量方法，运用短相干长度光源，克服了传统的强度型测量光纤及光纤无源器件方法的缺点，该系统不仅可使测量精度达到－８０ｄＢ，且可以精确地测量耦合点位置，位置分辨率小于１０ｍｍ，并给出对Ｌｙｏｔ型光纤去偏器的测量结果。     

光纤模斑谱复合材料固化传感器研究

本文报道了一种新型光纤传感器,其原理为通过测量光纤末端近场模斑谱来反映埋置在周围的树脂折射率的变化。计算了随着在树脂固化过程中折射率变化的功率谱密度分布,给出截止频率与折射率的近似关系。通过测量折射率匹配液,对传感器误差进行了估计。给出了利用这种传感器进行复合材料树脂固化监测的实验结果。发现这种光纤传感器的信号可以用来反映固化凝胶点和固化结束点。指出由于固化后光纤仍保持光波导特性,该光纤还可以用来监测受环境扰动的结构,如温度变化、振动等     

基于光时域反射计的全分布式光纤漏油传感器

报道了一种基于光时域反射计的全分布式光纤漏油传感器,该传感器能实现分布式实时监测长输油管道,及时发现小型的漏油事件.传感器沿管道铺设,利用光时域反射计实时测量光纤在长度上的损耗变化特点,及时发现并定位管道上的每一处泄漏事件.模拟实验证明了其实际操作的可行性,长期使用的稳定性和各种抗干扰性,能在15 min内发现并定位漏油事件,且定位准确度为3 m.     

高分辨率光纤应变传感技术的研究

介绍光纤应变传感器中光纤端面反射镜的制作方法,镀膜光纤的连接技术和构成不对称光纤法布里－珀罗干涉腔的方法。应用低反射率不对称光纤法布里－ 珀罗干涉腔与光纤连接构成的光纤应变传感器,以提高分辨率;重点导出此干涉腔反射光与应变的数学模型,论述其工作原理和测量方法,通过实验证明文中所述应变传感原理和测量方法是正确的,其分辨率优于０－００６８με。     

基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏检测和定位技术

研制了一种基于Sagnac干涉仪的分布式光纤传感器,可实时进行管道泄漏检测与定位.阐述了该传感技术的工作原理和泄漏点定位方法,并推导了泄漏引起的光信号相位变化表达式。管道泄漏实验结果表明,水压为0.3MPa时,该技术能有效地检测到管道泄漏的发生并准确定位。     

可用于建筑结构检测的分布式光纤形变片

本文在光时域反射计（OTDR）和光纤形片的基础上,提出了一种分布式光纤传感器－分布式光纤形变片,该检测方法属于OTDR的损耗调制法,即通过测量粘贴于光纤形变片上的光纤弯曲损耗来获取测量点的应变量或位移量,作者分别在微位移架和悬臂梁进行了位移检测和应变检测,结果表明该分布式光纤形变片提供了一种可检测应变量与位移量的检测方法,值得注意的是,该分布式光纤形变片的传感网络采用时分复用的总线拓扑,能在一根光纤上同时检测多个检测点的变化。     

可用于建筑结构检测的分布式光纤形变片

本文在光时域反射计(OTDR)和光纤形变片的基础上,提出了一种分布式光纤传感器-分布式光纤形变片.该检测方法属于OTDR的损耗调制法,即通过测量粘贴于光纤形变片上的光纤弯曲损耗来获取测量点的应变量或位移量.作者分别在微位移架和悬臂梁进行了位移检测和应变检测,结果表明该分布式光纤形变片提供了一种可检测应变量与位移量的检测方法.值得注意的是,该分布式光纤形变片的传感网络采用时分复用的总线拓扑,能在一根光纤上同时检测多个检测点的变化.     

分布式光纤拉曼温度传感器的对称解调

提出了一种用于分布式光纤拉曼温度传感器的对称解调新方案,采用瑞利散射光时域反射仪(OTDR)曲线解调光纤的反斯托克斯散射光时域反射仪曲线。首先将测量温度范围分成数段,用传统解调方法获取待测温度,然后判断该温度属于哪段内,最后用该对称的数段边界标定温度解调得到偶数个温度测量值,取平均值作为测量值。该方法提高了系统的测温精度和稳定性,系统的测温误差在±0．05℃内,空间分辨力1 m。实验结果与理论分析一致。     

Optical fiber sensor-based detection of partial discharges in power transformers

In this paper, a fiber optic acoustic sensor system is designed and tested for on-line detection of the partial discharges inside high voltage power transformers. The fiber optic sensor uses a silica diaphragm and a single mode optical fiber encapsulated in a silica glass tube to form an extrinsic Fabry–Perot interferometer. Test results indicate that the developed fiber optic sensors are capable of detecting the acoustic signals propagating inside the transformer oil with high resolution and high frequency.     

High spatial resolution distributed strain sensor based on linear chirped fiber Bragg grating and fiber loop ringdown spectroscopy

A simple sensor system for high spatial resolution distributed strain field measurement is proposed and demonstrated experimentally. The fiber loop ringdown technique combined with a linear chirped fiber Bragg grating is used to realize the high spatial resolution. A proof-of-concept distributed strain sensor with 2?mm spatial resolution is realized. The sensor network is also explored and researched experimentally. The proposed technique suggests a broad range of applications for real-time distributed physical parameter sensing, such as strain or temperature.