新型全光纤弹速测量系统

探索了一种新型低成本的基于激光光束反射原理的全光纤速度传感器，并组成了弹丸速度测量系统。AFOBR测速系统的工作原理如图l所示。半导体激光器发出的激光通过光纤引导照射在被测物体的表面并经物体表面反射，部分反射光反射回同一根光纤并传送到光电探测器上产生光电流，光电流的大小与反射光的强度基本成正比，而反射光强是光纤端面到物体表面距离和物体表面反射率的函数。当子弹到达测量区域时，子弹外径尺寸和弹体材料反射率变化引起光电探测器输出信号的变化，在不同的位置布置同样的光纤传感器，即可进行速度测量。     

双长周期光栅调制的光纤光栅光谱分析及其在智能结构监测中的应用

提出一种双长周期光栅(LPFG)调制光纤Bragg光栅(FBG)传感器光谱的方法。双LPFG是由两个中心波长一致的LPFG构成,FBG反射光谱位于双LPFG透射光谱的线性范围内。在对FBG及双LPFG光谱分析的基础上,利用双LPFG的带阻滤波特性,获得FBG反射光经双LPFG调制后的出射光谱并进行分析。将FBG粘贴于钢梁表面,当钢梁产生弯曲应变时,FBG光谱的中心波长发生偏移,经双LPFG调制的FBG光谱的峰值随之变化,引起双LPFG出射光强的变化。采用光电探测器监测经双LPFG调制后FBG的输出光强,得滤波后光强与FBG中心波长变化成线性关系,可探测的材料(钢梁)最小应变为1.05 με。将该方案应用于光纤智能结构冲击监测中,采用摆锤冲击法对四边固支碳纤维板(CFP)试件进行冲击,利用FBG测量板结构的冲击响应信号,系统采集到的动态信号时域波形及频谱与电涡流位移计的测量结果吻合得很好, 实验结果表明采用该调制、解调方案测量结构的冲击响应是可行的。研究结果为FBG在光纤智能结构动态监测领域提供了实验参考。     

基于新型长周期光纤光栅的低成本应变传感系统

首次利用高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的边缘滤波效应，实现了静态与动态应变的测量.使用单波长输入光，光信号经过长周期光纤光栅衰减后进入光电探测器，最终输出电压信号.当对光栅施加应变时，其中心波长将发生漂移，由于光栅阻带的边缘滤波效应，光电探测器接收的光强会随之变化，测量其输出的电信号，可以得出光栅发生的应变大小与频率.对于静态应变测量，可分辨的最小应变小于10 με，精度为±10 με;在动态实验中,发现光栅能够响应5 kHz以上的动态应变.这种传感系统结构简单，成本低,响应快.     

应用光学双稳原理的高精度光纤传感器

本文提出一种光纤干涉仪与光电混合光双稳装置相结合的新型光纤传感器.用光双稳开关脉冲计数度量温度变化,其测量精度比基于干涉条纹计数的一般干涉型光纤传感器的精度约高10～100倍,而且测量精度可调节.完成了这种传感器原理的模拟实验验证.     

基于熔融拉锥光纤的液体折射率传感器

从理论和实验上研究了一种价格低廉、操作简单、可用于多点并行测量的液体折射率光纤传感器.该传感器采用分路器进行预分光,利用高稳定放大自发辐射光源作为光源、普通光功率计作为光电探测器,以熔融拉锥光纤作为传感单元.建立了一个简单模型,分析了芯层所携带的光功率占总的光功率的比值随外部介质折射率变化的关系.实验上对不同折射率样品的传输损耗进行了测量,采用对比方法作出了传输损耗随折射率变化的定标曲线.实验结果表明:外部介质折射率越高,传输损耗越大.并验证了反射器(光纤布拉格光栅)的引入能够有效的提高系统的灵敏度.     

吸收式光纤温度传感器的研究

提出了一种利用半导体光吸收谱随温度变化原理设计的半导体吸收式光纤温度传感器.该传感器用GaAs晶片作为温度敏感元件,以光纤作为传光介质,发光二极管作为光源,光电管作为光电转换器件.利用双光束补偿原理,消除了由于光源不稳定产生的干扰.研制出的光纤传感器具有体积小,结构简单,抗电磁干扰,灵敏度高等优点.实验表明:该传感器在－20℃~85℃温度范围内可以达到0.1℃的准确度,可以实现强电磁干扰下的高空飞行器内环境温度的测量.为进一步实现光传飞控系统中的温度测控奠定了基础.     

用于光声成像的高灵敏度光纤法珀腔传感器

针对用于光声成像的光纤法珀腔传感器,建立了考虑光电探测器的暗电流噪声和热噪声、探针光源的相对强度噪声和相位噪声的光纤法珀腔传感器的测声信噪比理论模型.理论分析讨论了法珀腔镀膜反射率、法珀腔长、压敏薄膜的厚度和有效半径等参数对光纤法珀腔传感器的测量灵敏度和信噪比的影响,为光纤法珀腔光声传感器的研制和性能优化提供了理论依据...     

基于菲涅尔反射的液体浓度精确测量系统

利用菲涅尔反射定律提出了一种测量液体浓度的新方法。整个实验装置结构简单,主要由一个激光光源、三个光耦合器、两个光电探测器组成。光源所发出的光经过三个光耦合器后传输至光纤-液体表面发生反射,反射回的光由两个光电探测器接收。在测量过程中引入参考光路,利用相对技术,使得被测液体的浓度值仅由相对接收光强R决定,从而很好地解决了光源稳定性、环境干扰等测量难题。实验以食盐溶液和蔗糖溶液为测量对象,实验结果与理论分析十分吻合。整个实验装置结构简单,测量精度高,易于操作,测量稳定性能够达到99%以上。     

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。     

全光纤低相干光纤位移传感技术

提出并演示了一种由两光纤构成的杨氏干涉解调系统的全光纤低相干光纤位移传感器系统。该技术从根本上避免了光源频率、光强的波动，及光在传输过程中由系统带来的损耗、光的偏振方向的改变引起的信号衰落问题。其结构简单，易于调整，测量分辨率可达０．０５４ｍｍ。     

Numerical ray tracing through a modified cladding fiber optic segment sensors

By using 3-D geometric optics, the effect of a modified cladding on the transmission of light through optical fiber is investigated. Analysis of the light transmission of the optical fiber as function of the modified cladding refraction index and length are presented for various input illumination focused and compared with 3-D ray theory. Applications to chemical sensors are also discussed.The intensity of light signal transmitted through an optical fiber, which its cladding over a finite length is removed, is used as a sensor of refractive of liquids, in which the fiber is immersed. The transmitted light intensity is measured as a function of liquid refractive index for different lengths of the unclad section of the fiber and at each unclad length its sensitivity to change in refractive index of liquid is presented.     

All-fiber optic acoustic sensor based on multimode-single mode-multimode structure

A simple and low cost optical fiber acoustic sensor based on multimode-single mode-multimode (MSM) fiber structure is presented. The optical coupling efficiency between hetero-core fibers spliced structure is modulated by acoustic pressure through a thin metal foil. Acoustic wave is detected by measuring the intensity change of transmission light. Experiments are carried on to testify the performance of MSM fiber acoustic sensor and the experimental results show that the acoustic wave can be sensitively detected within 11 kHz frequency range.     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

埋入式光纤法布里—珀罗温度和应变传感器模型研究

研究了埋入式内置和外置型法布里－珀罗光纤传感器模型，这一框蒋 传感器中应变和温度的变化同反射光强联系起来，其中；子模型Ⅰ建立了传感器内的温度与应变同传感器长度变化及传感器光学性质变化的函数关系；子模型Ⅱ建立了传感器长度和光学性质的变化同反射光强变化的函数关系。     

基于菲涅耳微透镜的光学加速度传感器原理研究

目前航空业惯性导航系统中广泛采用的加速度传感器存在抗电磁干扰（EMI）和电磁冲击（EMP）能力差等缺陷，针对此提出了一种基于菲涅耳衍射微透镜的光学加速度传感器，它能够有效地解决上述问题。该传感器的传感原理是把一个反光膜平行地置于微透镜的后方，根据微透镜前方汇聚点处光强的变化来敏感加速度的大小。通过Fresnel-Kirchhoff衍射公式详细推导了传感器的光学原理，并且对光纤的偏移对光强的影响进行了计算机模拟分析。结果表明：光纤接收的光强对反光膜的位置具有纳米级的灵敏度，并且对光纤沿微透镜焦平面方向的偏移极其敏感，当此偏移超过2μm，光强就会下降至不足理想情况下的50%。验证性实验结果表明这种传感器的原理是正确的。     

光纤振动传感器探头的设计

提出和论述了一种光纤振动传感器的原理和探头设计方法。使用悬臂梁来遮挡反射回光纤的光 ,用光强度调制来实现振动信号的测量。这种传感探头只需一根光纤引出 ,紧凑小巧 ,易于安装调试。结果表明 ,这种光纤振动传感器传感头是可靠而耐用的 ,长时间工作稳定 ,抗外界干扰强 ,易制作 ,易安装。     

Fiber torsion sensor demodulated by a high-birefringence fiber Bragg grating

A new high-birefringence (Hi-Bi) fiber torsion sensor demodulated by a Hi-Bi fiber Bragg grating (FBG) is proposed in this study. The twisted Hi-Bi fiber sensor characteristics are analyzed using the Jones matrix. The intensity ratio from two reflected Bragg wavelengths is associated with the twist angle of the measured Hi-Bi fiber. It is found that the twist angle resolution is estimated at around 0.3° under ±0.1 dB readout from an optical spectrum analyzer if the polarization state of the light source is stable. The advantages of this new torsion sensor are: (1) insensitivity to intensity variations from the light source, (2) insensitivity to the torsion gauge length, and (3) absolute measurement in the twist angle. However, the polarization state of light in the proposed method needs to be controlled, and any birefringence change in the twisted Hi-Bi fiber needs to be prevented.     

基于倏逝场耦合的石墨烯波导光传输相位特性仿真与实验研究

石墨烯材料应用到各种光波导器件中正成为新一代光子器件的重要发展方向之一,目前基于石墨烯的光纤和集成光子器件研究越来越受到国内外的重视. 本文建立了一种由微纳光纤耦合光倏逝场,并在石墨烯薄膜中传输的模型. 通过有限元分析法,研究了光在这种石墨烯波导中传输光场的强度分布和相位特性,并通过实验进行了验证. 结果表明,沿着微纳光纤-石墨烯光波导传播的倏逝场的强度分布和相位均受石墨烯材料作用,石墨烯材料能有效聚集和导行波导中传输的高阶模,在单位传输长度上具有更密集的等相位面. 本文提出了一种利用微纳光纤耦合光倏逝场研究石墨烯相位响应特性的新方法,对基于石墨烯波导的新型调制器、滤波器、激光器和传感器等光子器件的设计和应用具有一定的参考意义. 关键词： 石墨烯平面光波导 倏逝波 光场强度 相位     

强冲击LY12铝靶产生闪光的辐射强度演化特征

采用理论推导与实验相结合的方法,研究了强冲击LY12铝靶产生闪光的辐射强度演化特征。利用建立的光纤瞬态高温计测量系统与二级轻气炮加载系统,进行了6种实验条件下的强冲击实验。每组实验使用1组光纤探头,光纤探头直接对准碰撞点安装。通过实验所获原始数据结合标定得到了闪光辐射强度随时间的变化关系。实验结果表明,在给定实验条件及光纤探头安装方案下,闪光信号上升阶段的上升系数和衰减阶段的衰减系数在1~5之间。弹丸入射角度相同时,冲击速度越大,最大闪光辐射强度也越大。LY12铝弹丸强冲击LY12铝靶产生的最大闪光辐射强度,对测量波长为488~667nm范围内的幂指数值在7.5~9.0之间变化。     

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。