光纤Fizeau干涉仪的声发射检测研究

验证了一种基于光纤Fizeau干涉仪的声发射传感器,可用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.对传感系统的相位调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析.     

环形光纤声发射传感器的相位调制特性研究

提出了一种基于光纤Sagnac干涉仪的环形传感器，用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器的两个臂到达探测器时，干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换，测得了超声信号的振幅和频率.而且对传感系统的位相调制特性进行了仿真，并对实验结果进行了分析，结果表明该系统可用于固体表面传播的超声波频率特征的识别.     

π相移光纤光栅对超声波致非均匀应变场的传感特性

π相移光纤光栅用于水中超声传感时,超声波沿光纤轴向入射和垂直光纤入射时的传感波形及幅度显著不同。针对这一现象,本文建立了基于光学传递矩阵的光纤光栅声传感理论模型,计算了超声波分别沿轴向和沿垂直方向入射时π相移光纤光栅中的非均匀应变场分布,进而分析了光谱偏移,揭示了两种入射角度下π相移光纤光栅的传感特性与声传播导致的应变场分布相关,并通过实验进行了验证。结果表明,两种入射角度产生的不同的非均匀应变场分布对π相移光纤光栅的传感特性影响明显。超声波垂直入射时的传感波形和幅度均优于轴向入射,且π相移处对传感有显著作用。当入射位置远离π相移处时,垂直入射的响应也明显降低。本研究可为π相移光纤光栅超声传感的机理分析提供参考。     

一种光纤F-P声发射传感器的设计与实现

为克服压电陶瓷传感器易受电磁干扰、不能实现长期实时检测的缺点,提出了光纤非本征F-P结构测量声发射信号的思想.对光纤非本征F-P腔声发射测量原理进行分析,提出了双波长的稳定方法,并进行了结构参量的优化设计,确定了合适的反射比、波长及F-P腔长.理论分析和实验结果表明：所设计的非本征F-P光纤声发射传感器具有良好的敏感性和高分辨率.     

基于荧光猝灭原理的光纤溶解氧传感器研制

采用锁相放大技术研制了基于荧光猝灭原理的光纤溶解氧传感器,并组装了其测试系统。该系统采用高亮度蓝色LED作为光源,光电倍增管作为探测器,光栅光谱仪作为分光仪器,并使用SR830锁相放大器来检测荧光与激发光之间的相移。测定了相移差与调制信号频率、占空比之间的关系。实验结果表明,频率为60kHz、占空比为10%的矩形调制信号能使传感器的检测精度达到最大,对光纤溶解氧传感器的进一步研究具有参考意义。     

用埋入式光纤传感器探测建筑结构中的声发射

声发射技术已经应用于金属和混凝土结构中,作为探测内部裂缝的一种无损检测方法。目前用的技术都是由压电换能器来采集声发射信号。讨论了基于用光纤技术的声发射传感器的开发和测量方法。它是用埋入式光纤传感器来监测类似桥梁、高速公路、隧道和房屋建筑等混凝土结构中的开裂信号。     

基于倏逝波的光纤生物传感器研究

构建了一种以光纤束作为激发光信号和荧光信号传输通道的光纤生物传感器结构.根据光纤探针的倏逝波理论和模式匹配理论对光纤探针的几何形状进行了设计,制作了数组光纤探针并根据需要对其中一部分进行荧光标记.选择了光纤探针置于空气中和水溶液中两种情况,对光纤传感器系统进行了信号检测实验,对比标记了的和未标记的相同几何结构参数的光纤探针两者在系统中被探测的信号差异.从二者的差别区分出系统所探测的倏逝波激发的荧光信号,证明了该光纤传感器系统的可行性.     

光纤光栅水位传感器的理论模拟与实验研究

研制了一种光纤光栅水位传感器.采用三维有限单元法,对传感器的结构型式进行优化分析,得到水位与光纤光栅中心反射波长之间光 力转换的线性关系;制作了传感器模型,对模型的光 力转换关系进行了测试,实验结果与理论结果基本一致.该传感器经多次改进,通过试用,可用于工程检测.     

U型缠绕式光纤弯曲损耗位移传感器设计

针对传统光纤弯曲损耗位移传感器中位移与弯曲损耗的非线性关系,且高灵敏度和大量程不能兼得的问题,设计了一种U型缠绕式光纤弯曲损耗位移传感器,结构包括U型回绕和螺旋绕轴,两者合称为U型缠绕。理论证明被测位移量与光纤弯曲损耗之间的线性关系,推导出表达式,讨论了螺旋绕轴方式对光纤弯曲半径的影响和U型回绕方式对传感器精度的影响,并进行了一系列实验研究和性能测试。结果表明:传感器的测量范围为0~120mm,灵敏度为0.14dB/mm,线性相关系数大于0.99,光纤在U型缠绕中无应力松弛的现象,建议U型回绕光纤曲率半径大于6mm。U型缠绕式光纤弯曲损耗位移传感器具有良好的测量精度和较大量程,能够实现传感器对混凝土结构的裂缝监测和大型结构位移的连续监测。     

基于侧向耦合结构的准分布式光纤液漏传感器

针对现有的准分布式光纤传感测量技术复杂、精度不高且响应时间较慢等问题,设计出一种实时性高且成本更低的准分布式光纤传感器。传感器主要由柔性LED灯带和带有侧向耦合结构的聚合物光纤组成。侧向耦合结构被LED逐一照亮,形成一系列传感单元。光通过侧向耦合结构入射聚合物光纤中,当LED和耦合结构之间的介质改变时,耦合光强增加,光纤两端输出光强随之增加,则可将液漏事件转化为耦合介质改变来测量。结果表明,准分布式光纤液漏传感器具有检测和定位漏水信号的能力且定位精度小于等于10cm,实现了液漏检测和漏点定位的功能。     

内置调制层型光纤表面等离子体波共振传感器研究

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振(SPR)传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层,构成了性能独特的光电复合薄膜,起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用,进而控制共振效应,为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上,研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明,该传感器在1.335～1.392折射率范围内,随着待测液体折射率的增大,SPR共振光谱向长波方向偏移,且灵敏度达到2263.1nm/RIU,与基于纤芯-金膜-环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍,能够更好地满足环境折射率检测的需求。     

用Bragg光纤测量气体浓度

基于气体的光谱吸收特性,本文提出了一种采用Bragg空芯光纤作为吸收池的新型光纤气体传感器.运用解析法和微扰分析法求解了Bragg空芯光纤中的相对灵敏系数.由于场分布主要集中在芯区,对气体损耗较为敏感,因此,这种光纤气体传感器具有灵敏度高、快速响应、结构简单的特点.耦合多个波长可实现对多种气体同时测量.     

Non-contact detection of laser-generated surface acoustic waves using fiber optic Sagnac interferometer

A high powered Q-switched Nd:YAG laser was used to excite the surface waves, and an optical fiber sensor was used to detect the out-of-plane displacements due to the propagating waves. This sensor is based on the fiber optic Sagnac interferometer, which has the path-matched configuration and does not require active stabilization. Quadrature phase bias between two interfering laser beams in the Sagnac loop is applied by controlling the birefringence in an optical path using a fiber polarization controller. A stable quadrature phase bias can be confirmed by observing the interferometer output according to the change of phase bias. Additional signal processing is not needed for the detection of ultrasonic waves using the Sagnac interferometer. The performance of the fiber optic Sagnac interferometer was investigated, and laser-generated surface wave signals were detected using this fiber optic sensor. The developed fiber optic sensor configured in this study is very simple and is effective for non-contact detection of ultrasonic waves.     

Analysis and Improvement of Reflection-type Transverse Modulation Optical Voltage Sensors

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓａｒｅｂｅｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｕｓｅｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ[1 ,2 ] ,ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｓｉｍｐｌｅｉｎｓｕｌａｎｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ,ｉｍｍｕｎｉｔｙｔｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ,ｎｏｓａｔｕｒａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ,ｎｏｆｌａｍｍａｂｌｅｍａｔｅｒｉａｌｓｓｕｃｈａｓｏｉ…     

Long-gauge length embedded fiber optic ultrasonic sensor for large-scale concrete structures

A fiber optic ultrasonic sensor based on Fizeau interferometer has been developed and demonstrated. A helium–neon laser light source with wavelength 0.6328 μm is used in our experiment. A special feature is its Fizeau configuration, which enables one to eliminate much undesirable noise by combining both the reference arm and the sensing arm within the same length of fiber. The dynamic response model of photo-elastic effect of ultrasonic wave and optical fiber is established. The fiber optic ultrasonic sensor experimental results are obtained and compared with the convenient PZT transducer.     

光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究

提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器。首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测。研究结果表明,增覆双层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区具有较好监测效果,其共振强度对应的相对湿度测量灵敏度达到1.59%/%RH,较光纤SPR探针呈现显著提高。而增覆单层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区共振波长对应的相对湿度监测灵敏度达到2.411nm/%RH。此外所提出的新型光纤SPR湿敏探针在PVA薄膜失效后经过特殊工艺处理仍可重复镀膜使用。     

Numerical simulation of wavelength-modulated surface plasmon resonance-based fiber optic sensor

A systematically theoretical analysis of a surface plasmon resonance (SPR)-based optical fiber sensor is carried out. A three-layer mode (fiber core/gold/sample) is used to simulate the SPR-based optical fiber sensor. Several parameters including the thickness of gold layer, numerical aperture (NA) of fiber, sensing region length and fiber core diameter have been investigated to evaluate the sensitivity and measurement accuracy of sensor. A detailed explanation for the effect of these parameters on the sensor is presented to give a guideline to optimally design the SPR-based optical fiber sensor.     

光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器的灵敏度分析

理论上推导了光纤法布里-珀罗复合结构传感器的反射光谱条纹对比度与外界介质折射率的关系,并分析了实验参数对传感器灵敏度的影响.利用化学腐蚀渐变折射率多模光纤制作了光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器,空气中的条纹对比度可达30 dB以上,折射率测量的灵敏度达45 dB/RIU(refraction index unit,简RIU)以上.实验结果与理论符合很好.通过理论和实验分析,提出了进一步提高传感器灵敏度的方法. 关键词： 光纤传感器 法布里-珀罗复合结构 折射率测量 灵敏度