石英音叉温度频率特性的温度传感器（英）

提出了一种基于石英晶体温度频率特性的石英音叉微谐振式温度传感器。通过理论分析的方法对传感器进行设计,并采用有限元仿真对传感器的结构参数进行优化。采用光刻和蚀刻微加工技术制造石英音叉谐振器,对石英音叉温度传感器样机的频率温度特性进行实验研究。实验结果表明:石英音叉温度传感器的标准谐振频率为36.545 kHz,灵敏度为-1.9 Hz/℃,在-20到100 ℃的温度范围内,其非线性误差小于0.18%,迟滞为0.02%,与理论研究相吻合。该传感器具有高精度、高灵敏度、低功耗和低成本的特点,为高性能温度测量提供较好的解决方案。     

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%.     

基于包层模谐振的三包层石英特种光纤温度传感特性研究

提出了一种基于包层模谐振的光纤温度传感器. 它是通过将三包层石英特种光纤(TCQSF)两端分别与普通单模光纤(SMF)电弧熔接构成的SMF-TCQSF-SMF结构. 根据耦合模理论, 首先将TCQSF等效为三个同轴波导, 按各波导模场的分布特点标量计算其传输模式的色散曲线, 并深入研究其耦合长度与传输谱线之间的关系; 其次根据光纤的热光效应及热膨胀效应, 分析计算该传感器的温度灵敏度; 最后选取耦合长度为一个拍长时的传感器进行温度传感实验. 实验结果表明, 在35-95 ℃的温度变化范围内, 其温度灵敏度为73.74 pm/℃, 与理论计算结果一致. 因此, 该传感器具有结构简单、制备容易、灵敏度高、包层模激发可控等优点, 可用于工业生产、生物医学等温度传感领域.     

基于Bitaper-LPFG-Bitaper结构的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感特性

提出并制作出一种基于锥体光纤-长周期光纤光栅-锥体光纤结构的全光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪传感器,并对其温度传感特性进行了研究.实验结果表明,固定光纤锥体和长周期光纤光栅的结构,仅改变两个光纤锥体之间的距离,对应不同的M-Z干涉谐振峰呈现出不同的温度传感特性:随着两个光纤锥体之间的距离增加,位于短波长处的谐振峰,传感器的温度灵敏度减小,而位于长波长处的谐振峰,传感器的温度灵敏度增加.当传感器长度为16.5 cm时,在1 680 nm附近的温度灵敏度达到0.102 06 nm/℃.实验结果对于锥体光纤-长周期光纤光栅组合型温度传感器的优化设计具有重要参考价值.     

基于包层模谐振的三包层石英特种光纤温度传感特性

提出了一种基于包层模谐振的光纤温度传感器.它是通过将三包层石英特种光纤(TCQSF)两端分别与普通单模光纤(SMF)电弧熔接构成的SMF-TCQSF-SMF结构.根据耦合模理论,首先将TCQSF等效为三个同轴波导,按各波导模场的分布特点标量计算其传输模式的色散曲线,并深入研究其耦合长度与传输谱线之间的关系;其次根据光纤的热光效应及热膨胀效应,分析计算该传感器的温度灵敏度;最后选取耦合长度为一个拍长时的传感器进行温度传感实验.实验结果表明,在35—95℃的温度变化范围内,其温度灵敏度为73.74 pm/℃,与理论计算结果一致.因此,该传感器具有结构简单、制备容易、灵敏度高、包层模激发可控等优点,可用于工业生产、生物医学等温度传感领域.     

微型石英音叉陀螺模态特性的有限元分析

MEMS石英音叉陀螺是近年来发展起来的新型惯性器件。在石英音叉的早期设计阶段,为了提供可靠的设计方案,并缩短设计周期,应该对其进行分析模拟。音叉的结构参数至关重要,不仅会影响陀螺的敏感性,还会影响其检测精度和稳定性。本文以U形音叉为例,利用大型有限元分析软件ANSYS建立了微型石英音叉的实体模型,对其模态特性进行了分析和计算,分析了音叉几何尺寸对其谐振频率的影响,并提供了一组可供实际制作的音叉结构参数,大大缩短了设计周期。     

基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度 传感器的优化设计

为实现对待测表面两个方向的振动监测,基于圆形柔性铰链设计了一种布拉格光栅双向加速度传感器.首先,推导出该传感器的谐振频率及灵敏度的理论公式,然后基于圆形铰链刚度的理论公式,推导并验证了铰链的刚度经验公式.通过MATLAB对传感器的数学模型进行优化设计,得到在满足工作要求时,传感器灵敏度达到最大时的尺寸参数.激振实验结果表明,该传感器的谐振频率约为368Hz,灵敏度约为107.3pm/g,横向抗干扰度为4.8%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值的误差分别为-4.2%和7.0%.     

石英晶振用于石英增强光声光谱系统的优化实验研究

研究了音叉式石英晶振的个体尺寸、安放角度、探测部位以及外部污染对整个石英增强光声光谱系统(QEPAS)的探测灵敏度影响。测试了国内外十种不同音,结果表明顶端为楔形构造的音叉式石英晶振比规则的长方体构造的音叉拥有更高的品质因数(Q值)。在相同的测试条件下探测水的吸收线(7 306 cm-1)时获得更高的灵敏度,探测信号的强度相差高达50%。在研究音叉安放角度对探测信号影响的实验中,发现音叉的旋转角度与俯仰角度对探测信号的强度几乎没有影响,但是当光束以角度φ斜入射时,更多的噪声被带入到测量中。在正入射的情况下音叉的最佳响应位置在距离音叉底部约3.1 mm。定性研究了外部杂物污染对音叉频率的影响,发现随着污染物的附着,石英音叉的频率会呈现降低的趋势,提供了一种改变音叉式石英晶振的共振频率的方法,为石英音叉用于较低调制频率的探测提供了一种理论可能,这对于石英增强光声光谱技术用于V-T弛豫率较慢的痕量气体检测有重要的意义。     

光电惯性技术的发展及对策研究

本文主要就激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺、石英音叉陀螺等光电惯性传感器的发展及应用进行了介绍。并对兵器行业应用和发展光学惯性器件提出建议。     

锥形三包层石英特种光纤折射率与温度传感器

提出了一种锥形三包层石英特种光纤(TTCQSF)的折射率与温度传感器。它是通过对2根单模光纤(SMF)之间熔接的三包层石英特种光纤(TCQSF)熔融拉锥得到的SMF-TTCQSF-SMF级联结构,形成了光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。由于TTCQSF纤芯模和包层模之间的光程差会随着外界环境的变化而改变,从而引起传感器干涉谱的变化,因此可以通过检测传感光谱的变化实现对外界物理量的测量。分别对该传感器进行折射率和温度传感实验,实验结果表明,当溶液折射率在1.3350~1.3466范围、温度在25.7℃~94.9℃范围内时,随着折射率和温度的增加,传感器的传输光谱分别出现红移和蓝移现象,其折射率灵敏度和温度灵敏度分别为1673.94 nm/RIU和-0.061 nm/℃,且均具有很好的线性度,其中RIU为单位折射率。该传感器制作简单、灵敏度高,在生物化学、工业生产的折射率和温度测量场合具有较好的应用前景。     

应用于扫描探针显微镜的石英音叉机械模型研究

石英音叉作为力传感器广泛地应用于各种扫描探针显微镜,主要涉及石英音叉的同相振动和反相振动两种振动模式.通过实验方法和有限元仿真方法对石英音叉的两种振动模式进行研究,发现石英音叉的双臂之间以及双臂与音叉的基部之间都存在耦合作用,双臂之间的耦合使音叉的反相共振频率升高,双臂与基部之间的耦合使音叉的同相共振频率降低.针对两种振动模式的动态特性建立了石英音叉的机械模型并进行合理简化.简化模型是一个四弹簧三质点系统,计算了简化模型的参数.通过一个音叉臂等效质量变化与音叉反相共振频率变化之间的定量关系证明了简化机械模 关键词： 扫描探针显微镜 石英音叉 振动模式 机械模型     

聚酰亚胺涂覆的光纤宏弯温度传感器

为了提高光纤宏弯温度传感器的性能,提出了一种基于聚酰亚胺(PI)涂覆的新颖光纤宏弯温度传感器。利用基于纤芯-包层-无限涂覆层结构的光纤弯曲损耗-温度测量方法确定了传感器的光纤弯曲半径,将PI薄膜涂覆在1060-XP光纤包层外获得了新型的光纤宏弯温度传感器。该传感器的温度传感实验结果表明,PI涂覆不仅能提升光纤的机械性能和耐热性,还可实现温度灵敏度和温度测量分辨能力的显著提高。该新颖的光纤宏弯温度传感器可实现-20～100℃的宽温测量范围,温度灵敏度为0.072 dB/℃,分辨能力为0.14℃。与其他光纤宏弯温度传感器相比,所设计的传感器的温度传感性能显著提高。     

最小二乘法对温度传感器测温数据 线性拟合及其应用

针对温度传感器测量误差受温度影响比较大,必须使用温度补偿的方法对测温数据值进行修正。本文介绍了一种温度补偿的方法:主要采用oringin软件利用最小二乘法拟合实验数据的方式,进行系统误差分析处理后再对温度传感器进行温度精确标定,可以有效消除传感器非线性误差。对AD590传感器温度精确标定后实测电压与温度线性关系良好,证实此方法可以很好的修正温度对AD590传感器测量误差的影响,系统测量精度可达±0.02℃。将此实验的温度标定后的AD590传感器直接应用到其它实验中加深学生对温度传感器具体应用的理解。     

基于F型梁的光纤光栅加速度传感器

为满足悬臂梁式传感器测量带宽大、灵敏度高的需求,采用F型梁增敏结构设计了一种光纤光栅加速度传感器。首先推导出传感器的谐振频率和灵敏度公式,在此基础上使用MATLAB优化传感器参数,并利用ANSYS对传感器进行模态分析和谐响应分析,得到了传感器的模态振型图以及两种不同阻尼比条件下的幅频响应,仿真结果与理论计算基本一致。制作了2个传感器实物,对直接封装的传感器1和填充硅油后封装的传感器2进行了幅频响应、灵敏度特性和横向抗干扰能力测试。实验结果表明：传感器1的谐振频率约为168 Hz,测量带宽为1.5～50 Hz,灵敏度系数为159.84 pm/g,横向抗干扰度为9.88%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值误差分别为0.93%和3.29%;填充硅油后的传感器2的测量带宽为1.5～100 Hz,灵敏度系数为133.57 pm/g,横向抗干扰度为8.1%。实验证明在传感器内部填充硅油可以增大传感器工作带宽,提高横向抗干扰能力。     

高温光子晶体光纤温度传感器

针对大于500℃的高温环境,提出了一种可用于高温温度测量的高温光子晶体光纤(PCF)温度传感器。在光子晶体光纤末端熔接一段纯石英无芯光纤构成外腔式光纤法珀腔(EFPI)结构。纯石英无芯光纤在高温下的热膨胀和热光效应使得EFPI的光学腔长发生变化。结合光纤白光干涉测量技术,通过测量EFPI的腔长得到被测温度。在不同温度环境下,对腔长为175μm的EFPI光纤温度传感器进行连续测量。测量结果显示,设计的高温光纤温度传感器在27~1100℃范围内,腔长-温度三阶拟合精度达到99.95%,腔长-温度灵敏度为(0.851+0.0023T-0.000000957T2)nm/℃,其中在1100℃时,温度测量分辨率为0.225℃。     

基于单片机的光纤半导体温度传感器的研究

提出了一种基于单片机技术的光纤半导体温度传感器.利用GaAs晶体对光的吸收率与温度所存在的确定关系进行测温,并采用单片机进行信号检测与信号处理.实验表明,所研制的传感器具有较高精度,精度为0.2℃(-50～150℃).现场试用情况表明,此光纤半导体温度传感器具有较高时间稳定性、高重复性、高可靠性、高性价比等特点,是一种应用前景广阔的传感器.     

双套管式光纤Bragg光栅温度传感器的仿真设计与研制

光纤传感器测量温度变化时为消除外加应力应变对温度产生的影响,设计了双套管式光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器,双层结构用来隔离外加应力应变。对温度传感器建立平衡态模型,并进行有限元热分析,仿真结果分析表明,当温度从20℃跃变到70℃、70℃跃变到20℃时,温度响应时间分别为t0.9=50±1s、t0.9=60±1s。并与水浴法测温实验结果(t0.9=52s、t0.9=63s,灵敏度为9.8410-3nm/℃,线性度为99.88%)相比较,时间偏差小于3s。     

谱带吸收式光纤温度传感器

本文提出了一种新颖的半导体谱带吸收式光纤温度传感器系统结构.分析了半导体谱带吸收式光纤温度传感器的原理,推导了其数学模型.该传感器用反射式传感结构,以砷化镓半导体材料作为温度敏感元件,并利用除法器消除了传感器光源的波动及光纤的连接损耗,使传感器具有结构简单、抗环境干扰、高可靠性特点.文中对传感器的整个系统进行了设计和分析,并进行了实验测试,实验结果显示:该传感器在－20～110℃的温度范围内有1℃的测量精确度,并且温度从110℃降到15℃时的时间响应为25s.     

光纤光栅温度传感器溯源性标定方法的研究

针对光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器的溯源性标定问题,研发了一套光纤温度传感仪表智能检测平台,对FBG传感器进行在线校准。检测平台同步分析传感器标定过程中波长变化量及量值转换后物理参量变化量,并利用最小二乘法拟合得出传感器静态标定指标。通过对标定过程中不确定度的分析,将标定结果溯源到国家基准。实验结果表明,通过光纤温度传感仪表智能检测平台标定得到的FBG温度传感器的灵敏度为9.824×10-3nm/℃,线性度为99.91%,校准装置的测量不确定度为0.1℃。     

FBG温度传感器增敏封装技术及实验研究

介绍了FBG(光纤布拉格光栅)温度传感器测温的基本原理和封装方法,提出一种新型的FBG温度传感器的封装技术,包括封装结构的设计及封装材料的合理选择,目的是提高FBG的温度敏感系数和消除应力的交叉影响。通过对裸光纤和封装后FBG温度传感器的温度特性、应力影响等进行对比实验研究,在5℃至90℃温度范围对FBG的反射波长进行了测量,结果表明:采用此法封装后的FBG温度传感器对温度具有很好的线性度和重复性,基本上消除了应力的影响,可以准确监测温度,测温范围为-15℃~200℃,精度达到±0.05℃。