同时测量温度和曲率的光纤传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪相结合的同时测量曲率和温度的光纤传感器.该光纤传感器在马赫-曾德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅,其中马赫-曾德干涉仪由两个花生形结构单模光纤熔接而成.实验结果表明,马赫-曾德干涉仪的透射谱中干涉峰和光纤布拉格光栅透射谱中谐振峰对曲率和温度有不同的响应灵敏度,因此可以利用矩阵实现对曲率和温度的同时测量.实验中测得马赫-曾德干涉仪曲率灵敏度为-27.58nm/m-1,光纤布拉格光栅在一定的测量范围内对曲率的变化不敏感,马赫-曾德干涉仪和光纤布拉格光栅的温度灵敏度分别为0.038 69nm/℃和0.012 17nm/℃.该系统采用全光纤结构,光纤布拉格光栅嵌入到马赫-曾德干涉仪中,因而结构紧凑和简单,且易于实现.     

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。     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

双S型光纤结构的传感特性

在剥除涂覆层的单模光纤上熔成两个间距为25mm的S型结构,构成双S型全光纤马赫-曾德干涉仪.入射光经过第一个S型结构时部分光被激发到包层,经过第二个S型结构时重新进入纤芯传播,S型结构中光纤的纤芯模和包层模耦合产生干涉.利用干涉光谱测量外界因素的响应并用于温度、折射率和微位移的测量.实验结果表明,温度、折射率和微位移的灵敏度分别为69pm/℃,132.64nm/RIU,-178pm/μm,且具有很好的线性度.该传感结构为全光纤结构,制作简单,易于实现且成本低.     

基于花生形和光纤布喇格光栅结构的温度不敏感光纤曲率传感器

为了解决光纤传感器波长解调成本高以及交叉敏感的问题,提出一种温度不敏感光纤曲率传感器,该传感器是由花生形结构连接一个光纤布喇格光栅组成,对反射光采用强度解调.光进入花生形结构后激发出包层模式,通过光纤布喇格光栅反射后,反射的纤芯模再次在花生形结构产生不同阶次的包层模,然后和反射的纤芯模耦合,在反射光谱中除了光纤布喇格光栅的布喇格反射峰外,在短波长处出现若干个谐振峰,波长越小,包层模的阶次越高.实验结果表明曲率的变化范围为0.669 0~1.250 0m~(-1)时,测量到反射谐振峰平均光功率为2.260×10~(-7)~1.501×10~(-7) mW,灵敏度为-1.306×10~(-7) mW/m-1,在温度范围25℃~75℃内,反射包层模光功率基本保持不变.该传感器成本低且花生形结构制作简单、机械强度大.     

基于在线型光纤迈克耳孙干涉仪的液位传感器

为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺,提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪,由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器,激发出光纤高阶包层模,纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高,对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究,实验结果表明在0~9mm的液位变化范围内,干涉谷波长与液位呈线性关系,水液位灵敏度为-0.116nm/mm,质量分数为4.7%的NaCl溶液液位灵敏度为-0.129nm/mm;在20~80℃的水温变化范围内,干涉谷的温度灵敏度为0.038nm/℃。传感器结构简单、制作简便,而且成本低廉,在石油化工等领域具有较好的应用前景。     

光纤锥在线型马赫-曾德干涉仪的折射率传感特性

提出了一种基于光纤锥的在线型光纤马赫-曾德干涉仪式折射率传感器.传感器是在一根单模光纤上使用光纤熔接机拉制出两个光纤锥,光纤锥的直径为43.7μm,长度为480μm.干涉仪中光纤锥充当光纤耦合器,激发出光纤高阶模,并将高阶模耦合进单模光纤使之与纤芯基模形成模间干涉.被环境溶液的折射率、温度的变化改变模式间相位差,将导致干涉仪的传输光谱发生漂移,从而实现传感测量.实验结果表明:当环境溶液的折射率变化范围为1.335~1.403RIU时,传感器的折射率灵敏度为-128.233nm/RIU;当水溶液的温度变化范围为30~75℃时,传感器的温度灵敏度为0.111nm/℃.该传感器具有制作方法简单、灵敏度高、成本低等特点,可应用于生物传感测量.     

基于少模-无芯-少模光纤结构的高灵敏度折射率传感器

光纤折射率传感器广泛应用于各种复杂环境的监测。设计了一种基于少模光纤（fewmode fiber,FMF）–无芯光纤（coreless fiber,CLF）–FMF结构的高灵敏度折射率传感器。该传感器由2小段FMF之间熔接1段减薄的CLF组成马赫-增德尔干涉仪（Mach–Zehnder interference,MZI）,测量外界折射率,利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating,FBG）进行温度补偿。MZI干涉光谱中的谐振波谷同时受折射率和温度影响,FBG只受温度的影响。利用MZI和FBG的折射率和温度灵敏度系数构建灵敏度矩阵,实现折射率和温度的同步测量。实验结果表明,MZI折射率灵敏度为345.66 nm/RIU,温度灵敏度为0.013 4 nm/℃;FBG的温度灵敏度为0.010 4 nm/℃。     

基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率传感特性实验研究

报道了一种具有微结构缺陷的折射率传感器,并对其折射率特性进行了实验研究.将一部分薄芯光纤熔接于标准单模光纤中,由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发并与纤芯模在单模光纤内形成干涉仪.通过减小薄芯光纤的包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验表明,该折射...     

纤芯失配熔接的高灵敏度光纤折射率传感器

提出并实验验证了一种基于马赫泽德干涉仪(MZI)的高灵敏度光纤折射率(RI)传感器。传感头由一段单模光纤(SMF)夹熔在两段较短的细芯光纤(TCF)中组成TCF SMF-TCF结构,其总长度为9 mm。由于光纤纤芯失配导致的纤芯模和包层模发生干涉,干涉谱对传感头外部折射率的响应极其敏感。使用该传感器检测具有不同折射率的甘油水溶液,实验结果显示:传感器干涉谱的共振波长随环境折射率的增大向长波方向漂移,其折射率灵敏度在1.33 RIU～1.38 RIU范围内约为159 nm/RIU。该传感器具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在生物化学与环境监测等领域具有较大的应用潜力。     

基于薄芯光纤模态干涉技术的曲率光纤传感器

提出了一种新的基于薄芯光纤模态干涉技术的光纤曲率传感器。在单模光纤的中间部分插入薄芯光纤用于传感光路,没有插入薄芯光纤的单模光纤用于参考光路,以消除环境对曲率测量的影响。由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发,并与纤芯模在单模光纤内形成干涉。当改变薄芯光纤的曲率时,沿纤芯和包层传播的模态和光纤长度会发生改变,使得干涉谷峰发生平移。将传感光纤的两端固定的平移台上,当调节平移台距离时,薄芯光纤的曲率发生改变,导致干涉谷峰向短波方向平移。通过观察谷峰的平移距离可以实现曲率的传感测量。实验表明,该装置具有低损耗、低成本和高灵敏度的特点。     

A high temperature sensor based on a peanut-shape structure Michelson interferometer

A fiber temperature sensor with high sensitivity based on a Michelson interferometer is realized by fusion-splicing a peanut-shape structure in single-mode fiber (SMF). The theory and experimental results show that the peanut-shape structure can couple the light energy of the core mode into the cladding and re-couple the light in the cladding into the core. A high-quality interference spectrum with a fringe visibility of about 18 dB is observed. Experimental demonstration shows that the device can be heated up to 900 °C with a sensitivity of about ∼0.096 nm/°C. The device has the advantages of low-cost, high sensitivity and easy fabrication, which makes it attractive for sensing applications.     

基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求,提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型,并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤,在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯,外界环境介质当作包层,构成光波导结构。这与普通多模光纤相比,不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀,不会降低光纤的机械性能,也不会破坏芯模传输条件,可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时,其波导结构和包层有效折射率均会发生改变,从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变,最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上,即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化,通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM),数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律,并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头,将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接,采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜,用以提升反射光谱强度。在此基础上,搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统,并开展了相关实验研究。研究结果表明,当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时,随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2,SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移,其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1,相关系数为0.93;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时,随着液体折射率依次增大,SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象,且均逐渐向长波方向偏移,dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1,相关系数为0.96;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。对比分析可知,不论是从反射峰谐振波长偏移的角度,还是从反射峰值强度的角度,自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境,非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比,呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构,当传感区域长度相同时,SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点,具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点,能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。     

光纤包层模受抑全内反射传感机制及液位探头设计

分析和阐释了POF光纤的包层模受抑全内反射(CMFTIR)效应及其传感机制。提出利用光纤宏弯导致模场畸变从而激发光纤包层模式的方法获得显著的CMFTIR效应并利用其实现液位传感。实验表明CMFTIR效应相对微弱,极易淹没于强背景噪声中,为此通过噪声分析提出利用宏弯耦合获得暗场信号以进一步提升信噪比。设计了双绞宏弯耦合型液位探头及其封装结构。实验结果表明,暗场耦合信号具有明显的信噪比优势,实现传感器液位区分度大于3.7 dB。相较于同类液位探头,该传感器鲁棒性好,制作更加简单且成本更为低廉。     

Highly Sensitive Temperature Fiber Sensor Based on Mach-Zehnder Interferometer

We propose a highly sensitive temperature fiber sensor based on a Mach-Zehnder Interferometer (MZI). The MZI is composed of a piece of no-core fiber (NCF), a single-mode fiber (SMF), and a fiber taper (FT) structure. To accomplish high sensitivity, the component was immersed in a material with high thermo-optic coefficient (TOC). The experimental results showed that a high temperature sensitivity of 1.56 nm/°C was achieved for surrounding material with a refractive index (RI) of 1.45. The presented sensor has numerous advantages, for instance, extremely high sensitivity, easy fabrication, simple structure, compact size, and in-line applications.     

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。     

折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器

提出了一种折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器。在制作传感器的过程中,设置熔接电流为100 mA,通过将少模光纤与单模光纤进行无错位熔接,以激发稳定的传输模式,形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。由于外界环境的改变会引起少模光纤中不同模式之间相位差的改变,从而导致干涉条纹的漂移,因此通过检测干涉条纹的漂移量就可以实现待测参数的检测。少模光纤可以传输LP₀₁,LP₁₁,LP₂₁,LP₀₂共四种模式的光。实验中对长度为81.5 mm的传感器光谱进行分析可知,发生干涉的两个模式主要是LP₀₁模和LP₁₁模。利用该长度的级联型单模-少模-单模光纤传感器进行折射率和温度传感实验,结果表明,随着传感器温度不断的增加,其传输光谱出现了明显的蓝移现象,在27.6~93.8 ℃的温度变化范围内,灵敏度高达-85.9 pm·℃-1,且具有较好的线性度;在甘油折射率为1.347 1~1.443 9变化范围内,其传输光谱没有出现明显的漂移现象,灵敏度仅为3.697 34 nm·RIU-1,具有折射率不敏感特性。因此,相对于传统的包层模干涉型与多模干涉型光纤传感器,所提出的基于FMF的传感器更易于实现对传输模式的控制与分析,且具有结构简单、易于制备、灵敏度高等优点,能够避免温度与折射率同测的交叉敏感问题,可用于电力系统、生物医学、航空航天等领域的温度检测。     

基于Michelson干涉仪的高灵敏度光纤高温探针传感器

提出了一种简单的高灵敏度的光纤高温探针传感器, 该传感器由一小段多模光纤和一端镀有银膜的单模光纤熔接而成. 由于单模光纤和多模光纤的纤芯直径不同, 当光波从多模光纤传输至多模光纤和单模光纤的熔接端面时, 一部分纤芯光耦合进包层, 因为单模光纤纤芯的折射率和包层的折射率不同, 不同模式的光经过银膜反射后在多模光纤内重新耦合进单模光纤, 最终形成干涉.随着外界温度的升高, 干涉谱峰值会向长波方向漂移. 实验结果证明这种传感器在470 ℃–600 ℃范围内具有很好的稳定性, 线性度达99.7%, 灵敏度为120 pm/℃, 可作为远距离反射型探针温度传感器, 在石油探测和油气田开发等领域有着广泛的应用前景. 关键词： 光纤传感 温度测量 Michelson干涉