基于三种不同微腔状态的F-P干涉型高灵敏度温度传感器

设计了一种基于法布里-珀罗干涉结构的温度传感系统。分别利用空气、蒸馏水、5%NaCl溶液、无水乙醇、甲醇以及有机硅橡胶作为传感器的温度敏感材料,以提高温度灵敏度。实验结果表明,当腔内介质为空气时,F-P干涉结构的温度灵敏度与腔长成反比;而当液体材料作为腔内介质或固体材料作为F-P型检测探针时,腔的长度几乎不会影响结构的温度灵敏度,因为此时波长漂移的主要原因是材料热光系数的改变,温度灵敏度与材料的热光系数成正比。实验中,甲醇作为热光系数绝对值最高的液体,充满法布里-珀罗腔时温度灵敏度为-564 pm/℃,而固化后的有机硅橡胶直接作为法布里-珀罗型检测探针时温度灵敏度可高达1.15 nm/℃。该温度传感结构具有体积小、重复性好、灵活可塑性强等优点,在温度传感领域具有潜在的应用价值。     

熊猫型保偏光纤光栅温度和压力传感特性的实验研究

对熊猫型保偏光纤光栅的传感特性进行了深入的实验研究,采用温箱和压力罐分别进行了温度和压力传感特性的实验研究.实验结果表明:在0～2.5 MPa的压强范围内,熊猫型保偏光纤光栅两个偏振方向上的压力敏感系数分别为0.004 88 nm/MPa和0.003 52 nm/MPa;在15～50 ℃的温度范围内,两个偏振方向上的温度敏感系数为0.01018 nm/℃和0.008 8 nm/℃.该光纤光栅两偏振态对温度和压力的不同敏感特性可用于解决光纤光栅的交叉敏感问题.     

光纤光栅边孔封装技术

提出了一种新型的光纤光栅压力增敏封装技术——边孔封装技术,它通过改变封装体的几何结构实现了高倍数的压力增敏效果,较大程度减小了压力增敏倍数对聚合物材料参量的依赖性。采用有限元理论建立了边孔封装结构的压力传感模型,分析了封装体几何结构变化对封装后压力灵敏度的影响。采用聚合物材料进行了封装制作实验,测量结果表明封装后光纤光栅的压力灵敏度为5251 pm/MPa,是封装前压力灵敏度的1750倍,并将交叉敏感问题改善了近三个数量级,可满足高精度水下压力测量的应用要求。     

大范围光纤布拉格光栅温度传感器增敏实验研究

简要分析了光纤布拉格光栅的温度响应及增敏原理,采用特殊耐高温有机聚合物对光纤光栅进行温度增敏封装,并通过改进光纤光栅的聚合物封装固化工艺,使用某种有机硅导热胶减小有机聚合物与套管材料的粘合度,消除了封装过程中由于聚合物材料不均匀收缩引起的光纤光栅反射谱啁啾化,实现20～180℃范围内光纤光栅传感器对温度高灵敏度测量。实验结果表明．聚合物封装光纤光栅传感器温度响应灵敏度在20～130℃为0．05nm／℃,在130～180℃达到了0．22nm／℃,并在两个区域保持较好的线性与重复性。此结构传感器封装工艺简单,易于实现,可用于高温恶劣环境下的温度单参量测量。     

飞秒激光加工光子晶体光纤微型F-P传感器研究

利用飞秒激光脉冲在光子晶体光纤上熔切出微小矩形孔从而构成光纤法珀干涉腔,并对这种传感器进行了实验测试,在0~1 500 με的应变范围内,干涉条纹波长相对于应变的灵敏度为0.003 6 nm/με,线性度达0.998 9.在－20 ℃~100 ℃其温度系数为0.958 nm/℃.利用飞秒激光在光纤上加工F-P腔方法简单,能够实现光纤F-P腔的规模化批量制造.     

FP腔与MZI级联的三参量同时测量的光纤传感器

制作了敏感材料修饰的拉锥光纤与微腔级联的多参量光纤传感器,并用实验研究了其应变、温度和湿度特性。所提微腔由飞秒激光划线放电形成,并对其进行拉锥。传感器的反射光谱干涉峰对应变的变化敏感,实验结果表明应变灵敏度为4.8 pm/με。然而,该结构对温度与湿度均不敏感,在该结构的锥部涂覆了掺入石墨烯量子点的聚乙烯醇之后,温度和湿度的灵敏度明显提升,此时最大温度灵敏度为20.4 pm/℃,最大相对湿度灵敏度最大为14.6 pm/%。对Dip1、Dip2、Dip3进行分析,再利用三阶矩阵消除交叉敏感,能够同时测量应变、温度和湿度。     

光纤Bragg光栅应变、温度交叉敏感问题的研究

解决应变和温度的交叉敏感,实现应变和温度同时测量一直是光纤光栅传感器研究的关键问题。从应变和温度交叉敏感的物理机制出发,较为全面地介绍了几种主要解决方案：双波长矩阵法、2个包层直径不同的FBG法、啁啾光栅法等。并且基于双波长矩阵法,提出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,很好地实现了温度150℃,压力20MPa的同时区分测量,其温度灵敏度为0.02nm/℃。解决了温度和应变同时区分测量这一技术难题。     

基于光子晶体光纤法布里-珀罗干涉仪的温度自补偿折射率计

采用手动熔接实芯光子晶体光纤和普通单模光纤制作本征法布里-珀罗(Fabry-P6rot,F-P)干涉传感器的方法,提出了一种可实现温度自补偿的高灵敏度折射率计.理论与实验表明,新型F-P干涉传感器的对比度不受环境温度影响只随着外界折射率的变化而变化,当外界折射率在1.32～1.44范围内变化时,其折射率灵敏度约为4.59/RIU,分辨率约为2×10-5.此外,该传感器的腔长具有较高的温度灵敏度,在20～100℃范围内,其温度灵敏度为18.72 nm/℃.因此,可以通过同时监测该传感器对比度和腔长的变化就可以实现折射率和温度的同时测量,在实际工业应用中具有广泛的应用前景.     

激光微加工的光纤法布里-珀罗应变传感器

报道了一种在光纤内部通过采用157nm激光微加工一个自封闭法布里-珀罗(F-P)腔而形成的在线式全光纤标准具。实验研究了这种标准具的应变和温度特性,结果表明,在标准具两固定点相距1m的情况下,位移-相移系数和位移-谷值波长漂移系数分别为1mrad/μm和5.2pm/μm,曲线的线性度为99.92%;在18℃～500℃的温度范围内平均温度系数为0.13mrad/℃和0.64pm/℃,温度不敏感。实验证明该标准具有很好的传感特性,能满足各种应变测试的需要,如极好的条纹对比度(高达30dB)、低温度交叉敏感、大规模生产的极大潜能、低成本和耐恶劣环境能力强等。     

单挡板MDM波导耦合圆盘腔的Fano共振双模式特性研究

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘腔结构。由圆盘腔形成的两个孤立态与金属挡板形成的较宽的连续态干涉相消,形成两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论分析了该结构形成Fano共振的传输特性,用有限元分析法对结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明:优化后的结构在两种模式下的优质因子分别为1.7×105和1.36×105,折射率灵敏度分别为710nm/RIU和1105nm/RIU,可为解决传感器在折射率测量时的交叉敏感问题提供理论参考。     

强度解调的F-P干涉型光纤传声器

F-P干涉型光纤传声器具有灵敏度高、结构简单、抗电磁干扰等优势,论文针对基于强度解调的F-P干涉型光纤传声器展开研究。采用多光束干涉理论建立了系统光学模型,采用薄板小挠度弯曲理论建立了传声器振膜的声学模型,在此基础上得到传声器灵敏度的表达式。通过理论分析和仿真,得到了敏感单元结构参数对传声器灵敏度和响应频率的影响关系,并对F-P敏感结构的腔长和端面反射率进行了优化设计。应用厚度为3μm的镍膜,研制出光纤传声器样机,测得其灵敏度为268 mV/Pa、频响特性为±3 dB@50 Hz~4 kHz,可应用于恶劣环境下的声音传感。     

基于异丙醇填充和游标效应增敏的氢气传感器

采用高热光系数的异丙醇和平行连接结构,使基于Pt-WO_3敏感膜的法布里-珀罗氢气干涉仪灵敏度得到了大幅度提升。传感器的异丙醇腔由孔径126μm空心光纤和端面镀有银膜的单模光纤组成,结构紧凑且稳定。氢敏测试结果表明:干涉仪在0～2%(vol%)氢气浓度范围内的灵敏度为1.746 4 nm/%,响应速度快,重复使用性好。将两个具有微小腔长差的干涉仪通过2×2的耦合器平行连接,利用光学游标效应实现灵敏度放大,组合后的传感器达到了15.729 3 nm/%的高氢气灵敏度,并且两个干涉仪本身可以达到温度自补偿,大幅度降低了温度交叉敏感度。本文为制备灵敏度高、低成本、适用范围广的氢气传感器提供了一次有益的探索。     

基于少模光纤长周期光栅叠栅的折射率传感特性

为了克服折射率测量过程中温度交叉敏感的影响,提出并制备了一种少模光纤长周期光栅传感器.该传感器利用CO_2激光器在少模光纤上先写入周期为654μm、长度为30mm的长周期光栅,然后用旋转平台将光纤旋转180°,再写入相同长度周期为819μm的长周期光栅制作而成,其传输光谱在1 487.2nm和1 533.0nm处出现两个由不同模式耦合形成的谐振峰,通过监测两个谐振峰差值的变化减少温度串扰,实现折射率的测量.实验结果表明:两个谐振峰差值在折射率1.333 3~1.376 6范围内的灵敏度为143nm/RIU,在温度20~70℃范围内的灵敏度为-0.002 5nm/℃,温度灵敏度远低于折射率灵敏度,具有对温度不敏感的特性.与传统光纤传感器相比,该传感器具有温度干扰小,折射率灵敏度高等优势,并且尺寸较小、结构紧凑,可在工业、水利、医学等领域广泛应用.     

大范围光纤Bragg光栅压力传感器增敏实验研究

鉴于钛合金材料具有低弹性模量、受温度影响小等特性,设计制作了一种以钛合金管作为光纤Bragg光栅应变增敏衬底元件的高压压力传感器件.通过与电阻应变计实时监控的对比,从实验上研究了光纤Bragg光栅的中心波长偏移对调谐压强的响应.结果表明:这种增敏设计,具有良好的线性响应和可重复性,且与理论推导结果吻合较好.增敏后对压力的响应灵敏度可达0.034 nm/MPa,测压量程可达0~40 MPa,甚至更宽.     

基于光子晶体波导结构的甲烷与温度双参量传感器设计

通过在完整三角晶格空气孔型光子晶体平板中引入两条空气槽型波导,并在槽型波导中引入折射率随甲烷气体浓度变化的敏感薄膜,设计并优化了一种甲烷与温度双参量传感器。建立光子晶体波导传感分析模型,利用平面波展开法、等效折射率方法、时域有限差分法对甲烷和温度的传感特性进行了理论分析。结果表明,两条传感通道的通带峰值中心波长会随甲烷气体浓度增加发生线性蓝移,而随温度增加出现线性红移。其中,通道1的甲烷传感灵敏度能达到0.012 nm,温度传感灵敏度达到1.69 nm/℃,通道2的甲烷传感灵敏度能达到0.010 8 nm,温度传感灵敏度达到1.66 nm/℃,同时结合双参数矩阵法正好能解决传感交叉敏感问题。     

热应力和残余气压对光纤法布里-珀罗压力传感器温度性能的影响EI北大核心CSCD

针对光纤法布里-珀罗（F-P）压力传感器,建立了考虑热应力和残余气压的F-P腔长变化模型,进行了热应力和残余气压对传感器温度性能影响的理论分析。分析表明,热应力和残余气压的引入使F-P腔长改变量与温度的线性关系发生了变化,在外界施加100 k Pa压力,当腔内残余气压小于0.87 k Pa时,热应力起主要影响作用;当腔内残余气压大于0.87 k Pa时,残余气压起主要影响作用。制作了三种不同残余气压的光纤F-P压力传感器,在-20℃~70℃温度范围进行了实验研究,结果显示测量的腔长及其温度灵敏度随温度变化关系与理论分析基本一致。     

热应力和残余气压对光纤法布里-珀罗压力传感器温度性能的影响

针对光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器,建立了考虑热应力和残余气压的F-P腔长变化模型,进行了热应力和残余气压对传感器温度性能影响的理论分析。分析表明,热应力和残余气压的引入使F-P腔长改变量与温度的线性关系发生了变化,在外界施加100 k Pa压力,当腔内残余气压小于0.87 k Pa时,热应力起主要影响作用;当腔内残余气压大于0.87 k Pa时,残余气压起主要影响作用。制作了三种不同残余气压的光纤F-P压力传感器,在-20℃~70℃温度范围进行了实验研究,结果显示测量的腔长及其温度灵敏度随温度变化关系与理论分析基本一致。     

改善波形并增敏的光纤光栅温度传感技术

选用热膨胀系数较大的聚合物和某种偶联材料,采用特殊工艺用其对裸光纤光栅进行封装,消除了封装过程中所带来的光纤光栅啁啾现象,极大地改善了光纤光栅反射波的波形,提高了封装测试过程的重复性,为波长解调解决了一大难题.在30.6℃~120℃范围内,测量过程中波形很好并几乎不变,温度灵敏度为0.1173 nm/℃,温度分辨率为<0.43℃,比裸光纤光栅增加了11倍;平均灵敏度增敏倍数γ′=10.34,与理论计算灵敏度增敏倍数γ=10.76符合得比较好.聚合物封装光纤光栅的温度响应曲线具有很好的线性.     

温度不敏感的光纤布拉格高压传感技术研究

 为了实现单一光纤光栅对压强精确测量,设计了一种温度不敏感的光纤布拉格高压传感器。对该传感器的温度特性及压强响应特性进行研究。给出了该传感器的结构及封装方法。从理论上分析了该传感器的温度去敏原理,推导了该压强传感器的光纤布拉格光栅中心波长与压强的关系,得到了该传感器的压强响应灵敏度的解析表达。通过实验分析传感器的温度特性及压强响应。实验结果表明,在21℃～260.8℃的范围内,实现了温度补偿,平均波长漂移量为0.75 pm/℃,在0～44 MPa的范围内,获得了-0.054 8 nm/MPa的压强响应灵敏度,是裸光纤布拉格光栅压力响应灵敏度的18.27倍。该传感器的压强响应具有很好的线性和重复性,实验值与理论值吻合得很好,该传感器能够通过一只光纤布拉格光栅实现压强的精确测量。     

温度不敏感的错位熔接-粗锥型光子晶体光纤曲率传感器

提出了一种可以用于曲率矢量测量的温度不敏感的错位熔接-粗锥型光子晶体光纤(PCF)曲率传感器,它由两段普通单模光纤(SMF)之间熔接一段PCF组成,呈SMF-PCF-SMF结构。其中PCF的一端与SMF错位熔接导致传感器圆柱轴不对称,使得传输光谱在两个对称弯曲方向上出现明显的红移和蓝移现象;另一端与SMF通过过度熔接形成粗锥,最终形成马赫-曾德尔干涉仪。实验研究了传感器的曲率和温度特性,结果表明,在0.12~1.06m-1的曲率范围内,凹向弯曲时的光谱发生红移,其灵敏度为11.22nm/m-1,凸向弯曲时的光谱发生蓝移,其灵敏度为-13.62nm/m-1,且凹向弯曲时和凸向弯曲时均具有较好的线性度;在20~80℃的温度范围内,此传感器的温度灵敏度仅为1.63pm/℃,具有对温度不敏感的特性。该传感器与传统光纤传感器相比,能够避免温度与曲率同时测量时的交叉敏感问题,具有易于制备、结构简单、灵敏度高等优势,可用于工业生产、建筑监测、航天航空等领域。