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。     

耐高压光纤Bragg光栅压力传感技术研究

分析了聚合物封装光纤光栅的压力响应特性,通过采用特殊聚合物材料将光纤光栅封装于金属套管中,并通过在金属套管预涂覆一层软弹性材料,以消除封装过程中由于聚合物固化收缩以及聚合物与套管壁粘接与摩擦产生的光纤光栅啁啾化,改善了光纤光栅压力响应特性.封装后的光纤光栅压力响应灵敏度为0.036 nm/MP,具有良好的线性,压力测量范围可达40 MP以上.     

新颖的高功率L-波段掺铒光纤超荧光光源

研究了L-波段超荧光在光纤中的产生机理,设计了一种带光纤圈反射器的双级双程前向输出L-波段光源结构,通过对两级采用掺铒浓度不同的光纤并优化其长度及两级泵浦光功率,实验中获得了功率高达19.86mW(12.98dBm)、中心波长为1577.421nm的L-波段(1555-1620nm)超荧光光源。实现了低浓度掺铒光纤起诱导光及改善光谱的作用,高浓度光纤为主要发光源,采用光纤圈反射器提高了泵浦光的利用效率、光源的平坦度及稳定性。同时分析了结构中各个参量对光源各方面性能的影响,对光源的设计具有指导意义。     

双级双泵浦掺铒光纤C+L波段ASE光源的实验研究

本文通过对常见的双级双程双泵浦光源进行实验研究,分析了两级掺铒光纤的长度以及两级泵浦的功率对光源输出光谱的功率大小、平坦度和平均波长的影响。根据实验分析结果,当EDF1和EDF2的长度分别为9 m和38 m,一级泵浦功率为65 mW,二级泵浦功率为115 mW时,光源输出功率为16.89 mW,平均波长为1 566.389nm,1 536nm-1 605nm波段范围内光谱的不平坦度±2dB。     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode,SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35mm、纤芯直径为85μm的传感器在45%~95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06dBm·(%RH)~(-1)。在20~80℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008nm·℃~(-1),温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃~(-1)。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。     

平面圆形膜片式光纤布拉格光栅温度补偿压强传感

报道了利用光纤布拉格光栅反射波谱带宽展宽技术实现温度补偿的压强传感新方案。结合平面圆形膜片应变调谐的特点,采用膜盒式结构,将光纤光栅中心对准平面圆形膜片零应变半径并沿径向粘贴,利用反射波谱带宽对应变敏感而对温度不敏感的特性解调压强,成功地实现了温度补偿的压强传感测量。基于光谱分析仪0.05nm的光谱分辨力,实验测得带宽随压强响应灵敏度为0.34nm/MPa,压强精度为±0.15MPa,压强测量范围为0~7.5MPa。实验结果与理论分析基本一致。     

一种新型FBG热式液体流量传感器

光纤布拉格光栅热式流量传感器目前只适用于气体流量,为扩大其应用领域,设计了一种可用于液体流量测量的新型光纤布拉格光栅热式流量传感器。该光纤布拉格光栅热式流量传感器使用陶瓷加热片以恒定功率提供热量,不同流量的液体经过传感器时带走的热量不同,通过检测光纤布拉格光栅中心波长的变化就可以测得传感器的温度变化,进而推导出液体流量大小。通过温度传感测试实验和流量传感测试实验,验证了所设计的传感器可用于液体流量测量。实验结果表明,该传感器的流量测量范围为40.575~550.664 L/h。     

一种基于BOTDA与FBG传感的共线温度测试技术

根据大型结构全尺度分布式高精度温度测量要求,组合应用布里渊时域分析(BOTDA)技术和光纤布拉格光栅(FBG)温度传感技术,设计了一种由BOTDA分析仪、FBG解调仪、共线传感探头和光开关组成的温度传感测试系统。实验测试证明,该系统具备大范围分布式温度测量与局部高精度温度测量功能,而且实现了BOTDA测温技术与FBG温度传感技术的有效互补,解决了测量范围和测量精度的矛盾问题,并且具有良好的温度重复性,达到了预期的设计要求。该共线测试技术方案在大规模结构温度监测中具有广阔的应用前景。     

微纳光纤布拉格光栅折射率传感特性研究

利用光纤布拉格光栅方程和光纤基模有效折射率随纤芯半径和环境折射率的函数关系, 建立了微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)反射波长随环境折射率变化的数学模型, 给出了波长灵敏度函数, 并指出MNFBG反射波长的变化规律决定于有效折射率随纤芯半径和环境折射率变化的关系. 详细探究了有效折射率及其灵敏度的变化规律, 结果表明: 有效折射率随纤芯半径和环境折射率的减小而非线性减小, 其对环境折射率变化的灵敏度随环境折射率的增大而非线性增加, 而且随纤芯半径减小, 有效折射率的灵敏度、线性度以及线性响应范围均呈递增规律. 通过对纤芯半径为0.5 μm的MNFBG在1.20–1.30和1.33–1.43 环境折射率范围内的波长响应关系拟合, 分别获得了477.33 nm/RIU和856.30 nm/RIU的波长灵敏度以及99.58 %和99.7%的高线性度, 论证了分析结论以及折射率区间划分测量方案的正确性, 为MNFBG折射率传感器的设计、优化以及应用提供了参考依据. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感 数值模拟     

高灵敏度的光纤光栅压强传感器

基于光纤布拉格光栅传感模型 ,提出了一种等强度梁与波纹管相结合的高灵敏度的光纤布拉格光栅压强传感器 ,推导了光纤布拉格光栅反射波中心波长相对偏移量与压强之间的解析关系式 ,从理论和实验上给出了压强灵敏度系数。该传感器的理论和实验压强灵敏度系数分别是 1.4 76× 10 -2 MPa-1、1.35× 10 -2 MPa-1,是裸光纤光栅的 74 5 5倍和 6 80 8倍 ,理论值与实验值吻合得很好。同时指出通过调节等强度梁和波纹管的参量 ,可以将该传感器的压强灵敏度系数做得很高 ,直至破坏了光纤布拉格光栅。