基于分布布拉格反射光纤激光器的压力传感器

介绍了一种基于单纵模分布布拉格反射(DBR)光纤激光器的新型压力传感器.该传感器基于拍频检测原理,其解调方法与传统光波长解调相比成本低且易实现.激光器谐振腔的增益光纤在应力作用下感生双折射从而导致单纵模激光器原本简并的正交偏振模式分离,互相差拍,产生1 GHz左右的拍频.对这种新型传感器进行了理论分析和实验论证,通过对0～1.2 N范围内压力进行传感检测,测得拍频为800~1200 MHz,曲线拟合度达到99.76 %.结果表明,该压力传感器不仅延续了光纤光栅传感器高灵敏度等优点.还可以看作是在原有光纤Bragg光栅传感技术的升级,以分布布拉格反射(DBR)代替光纤光栅作为传感基元,将无源传感升级为有源传感,以提高信噪比和传输距离.     

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。     

基于开槽型DBR光纤激光器拍频的折射率探测

提出一种包层开槽型分布布拉格反射光纤激光器,用于光纤激光折射率探测.该激光器以单纵模双偏振分布布拉格反射光纤激光器为核心传感单元,以结构双折射产生的拍频信号为传感信号对折射率进行探测.实验中应用频率编码,灵敏度高且易于解调.利用二氧化碳激光器的热效应对分布布拉格反射光纤激光器的谐振腔加工开槽,通过控制其扫描范围和功率来制备不同宽度和深度的开槽结构,并研究了不同结构参量对灵敏度特性的影响.实验测得最优灵敏度达-240 MHz/RI-unit.此外,还对该结构的温度传感特性做了测试,相较于未刻槽结构,温度灵敏度提高了21%,达1.73 MHz/℃.该装置结构紧凑、稳定性高、制备简单且成本低廉,可用于进一步研究分布布拉格反射光纤激光器的传感和复用特性.     

基于3D打印技术的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器研究

设计一种融入3D打印技术,实现在高电压、强电磁场环境下检测振动信号的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器。通过3D打印机制作而成,由粘贴于简支梁的光纤Bragg光栅受质量块驱动而产生应变,通过解调光栅波长变化量实现对振动信号的检测;有限元分析振动传感器谐振频率为232.47Hz,应变灵敏度为5.826με·g~(-1)时,加速度灵敏度为6.991pm·g~(-1),表明了传感器理论上的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度良好。实验结果表明:传感器谐振频率为240Hz,加速度灵敏度为6.270pm·g~(-1),线性度为3.3%,表明了传感器实际的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度;材料选用全绝缘的尼龙材料,具有良好的绝缘性。     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。     

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。     

适用于硅微谐振器件测量的光纤位移传感器研究

对一种适用于硅微机械谐振器件测量的光纤位移传感器进行了研究,该光纤位移传感器探头采用了单根光纤探测形式和光纤“X”耦合器结构,在微弱光电传感信号处理上采用了“锁相放大器”提取方案,可以实现对静态位移和振动位移两种场合进行测量.对该传感器的实测结果表明:该传感器测量范围为0～100 μm,测量灵敏度3.95 mV/μm,精度等级优于1%,重复性优于0.5%.为作为应用实例,运用该传感系统对一种微悬臂梁硅微谐振器件进行了测量,成功提取了硅微谐振器件的微弱谐振信号,证实了该传感器可以实现对硅微谐振器件的非接触和无损测量,并具有非接触、易调试、高灵敏度等优点.     

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.     

耦合型高频光纤振动传感器实验研究

提出了一种耦合型高频光纤振动传感器,并设计了相应的解调电路和信号处理系统.对高频振动信号的响应波形和频率进行了测量,研究了光纤传感器对不同的振动强度和不同方向的振动信号的响应,分析了不同结构和不同材质的传输介质对光纤传感器测量结果的影响.实验证明所设计的耦合型高频光纤振动传感器截止频率达到8 kHz,振幅测量灵敏度为325 mV/mm,频率和幅值响应误差小于1%.     

具有温度补偿功能的光纤振动测量系统

针对光纤振动传感器受温度影响和灵敏度低的问题,设计了具有温度补偿功能的光纤振动测量系统.为减小温度对振动测量的影响,系统利用光纤布喇格光栅测量环境温度,对振动加速度值进行补偿;采用可调谐法布里-珀罗滤波器进行波长解调,并将其作为光纤反射镜,以提高传感器的灵敏度.分析并测试了振动和温度同时测量时的相互影响,结果表明,振动对光纤布喇格光栅中心波长的影响很小,通过数据处理的方法,可消除法布里-珀罗滤波器扫描对振动测量的影响;实验测得,温度变化25℃时,振动加速度最大相对测量误差为1.65%,振动测量的灵敏度为107.70mV/g.     

盘片式光纤传感器灵敏度计算方法

系统地开展了对各类盘片式光纤传感器灵敏度的研究工作。以周边固支、中心镶嵌刚性质量块的盘片式光纤加速度传感器为例,分析了传感器弹性盘片上各点的应力应变状态;结合迈克耳孙干涉仪原理,建立了计算传感器加速度灵敏度的数学模型,并讨论了粘贴光纤盘的最佳尺寸。制作两个相应的传感器进行对比实验,验证了上述计算模型的正确性。采用上述模型系统地推导了不同边界条件情况下盘片式光纤传感器的粘贴区域和灵敏度计算公式。对盘片式光纤传感器如光纤加速度传感器、光纤压力传感器、光纤水听器等的设计制作具有理论指导作用。     

低频高灵敏度光纤Bragg光栅振动传感器设计

为实现对低频振动信号的准确测量,设计了一种新型的双光纤光栅振动传感器.首先,理论分析了传感器的灵敏度和谐振频率.其次,使用ANSYS数值模拟软件分析了传感器的灵敏度和谐振特性.最后,根据分析结果设计了光纤Brgg光栅振动传感器,并通过实验研究了传感器的幅频特性、线性响应、温度自补偿特性和抗横向干扰特性.实验结果表明:传感器在10~130Hz范围内加速度灵敏度为231.48pm/g,线性度为99.98%;-20~60℃范围内,具有良好的温度自补偿能力;同时,该传感器具有较强抗横向干扰能力,横向引入误差小于3.47%.     

微环谐振腔加速度传感器光谱特性研究

为满足加速度传感器微型化、低成本的需求,提出了一种带有单微环谐振腔的悬臂梁式光学加速度传感器结构,采用耦合模和传输矩阵理论求取了微环谐振器的传递函数,利用检测同一波长处光强度变化的新测量方法实现了对加速度的探测,从而得到了加速度传感器的灵敏度和探测极限,深入研究了不同结构参数对系统灵敏度的影响,数值仿真并分析了输出端口的光谱特性。结果表明：加速度传感器在外界加速度作用时,悬臂梁在应力的作用下会发生弯曲,使得固定在悬臂梁上的微环谐振器发生形变,即微环谐振器的长度和折射率都发生了变化,从而光在微环谐振器中的传输特性发生变化,因此可以通过探测微环输出端光场强度的变化来测定加速度值;悬臂梁的长度、厚度以及微环谐振腔的固定位置都是影响加速度传感器性能的直接因素,并且选择最佳的结构参数可以有效地提高系统灵敏度和精度。经过数值仿真,对于信噪比为30 dB系统,波长在1.515 μm处,悬臂梁的长度、厚度分别为180和3 μm时,系统的灵敏度可达到2.112 g-1,探测极限为1.421×10-3 g,因此在悬臂梁可承受的范围内,选取长度较长的悬臂梁结构能够有效地改善系统的灵敏度和探测极限。该结构为制备高灵敏度、低成本、易于加工的加速度传感器及可嵌入式微型光学器件提供理论基础。     

一种新型光纤振动传感器

提出一种新的利用共振原理对微振动放大进行测量的光纤振动传感器.光纤振动不受强电磁场和温度变化影响,可用于大型发电机(300mW)定子端部绕组微振动的在线测量.实验结果表明该光纤振动传感器可以达到相当高的精度,对解决特殊环境下微振动的实时监控有重要应用价值.     

激光微加工制作的微光纤珐-珀加速度传感器

将157nm激光微加工制作的微光纤珐-珀腔贴于悬臂梁结构构成加速度传感器。通过设计特定的悬臂梁结构和FFT方法,该加速度传感器的分辨率约为1．13mg／HZ1/2。通过采用MUSIC算法处理信号,信噪比可提高45dB,系统分辨率约为3．56×10^-2μg／Hz1/2。该微光纤珐一珀传感器具有可批量制作、成本低、抗高温、量程灵活等优点,有望应用于石油勘探、地震测量等领域中。     

用于水升华器监测的光纤声振动传感器研究

针对水升华器工作监测要求,基于Fabry-Perot干涉微腔研制了一种光纤声振动传感器。将耐低温聚合物薄膜材料以周边拉伸固定的方式制作成超薄膜片,膜片厚度为1.2μm,作为探测声振动信息的敏感部件和干涉微腔的反射面。传感器灵敏度达到93mV/Pa,线性度为99.8%,在1~20kHz范围内具有较平坦的频率响应。利用设计的光纤声振动传感器在空间环境模拟器中进行了水升华器监测实验,结果表明该传感器在温度为77K的空间冷黑环境中可以存活,能够实时探测到水升华器喷冰故障所产生的声振动信号。     

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。     

基于L形刚性梁与弹性膜片结构的低频光纤光栅加速度传感器

为满足低频振动信号精确测量的实际需要,设计了一种基于L形刚性梁与弹性膜片结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。进行了结构理论分析,并通过Matlab仿真讨论了各结构参量对传感器灵敏度和谐振频率的影响,进行了参量优化设计。根据理论分析结果制作了加速度传感器并对其加速度灵敏度的幅频特性、线性响应和抗横向干扰特性进行了测试。实验结果表明,L形刚性梁的传动结构有效增强了结构稳定性,消除了传统悬臂梁结构带来的光纤光栅啁啾或反射谱多峰现象。加速度传感器在20~70 Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,加速度灵敏度可达220 pm/g,线性响应的相关度为99.98%;金属膜片使得该传感器具有较强的抗横向干扰能力,在工作频段内横向串扰为-32.73 d B。     

一种新型GRIN透镜光纤加速度计的研究

研究了一种新颖的光纤加速度计,阐述了三光纤GRIN透镜加速度敏感元件的工作原理及其结构设计.该传感器包括三根光纤、一个GRIN透镜和一个质量块.根据光功率耦合原理,对透镜倾斜时的误差进行了定量分析.该加速度计具有结构新颖、体积小和灵敏度高等优点,是一种具有多用途的加速度传感器.     

一种新型光纤布喇格光栅振动传感器研究

为适合土木工程实际所需，提出了一种新型的、可放大振动信号、工作频带宽的光纤光栅低频加速度传感器.进行了参量优化设计，并在不同阻尼情况下进行了灵敏度、线性度、横向抗干扰和幅频特性等性能试验.试验结果表明：所设计的光纤光栅振动传感器方案是可行的；其线性度好，抗横向干扰能力强，通过合理调整阻尼，灵敏度可达到90 pm/ms－2，上限工作频率可取在系统无阻尼固有频率的80％左右.