基于微加工工艺的光纤消逝场传感器及其长度特性研究

用硅光刻工艺和二氧化硅湿法腐蚀工艺制作了针状封装结构的光纤消逝场传感器.该结构的传感器体积小、试剂消耗量少,减轻了测量过程中光纤的变形,密封的结构可以有效地防止传感器受到污染.从理论和实验角度研究了不同长度的光纤消逝场传感器的测量结果,分析了传感光纤长度对传感器吸光度的影响,指出随着传感器传感光纤长度的继续增加,会使后续增加的传感光纤对传感器灵敏度的贡献越来越小. 关键词： 硅光刻工艺 针状封装 光纤消逝场传感器 传感光纤长度     

光激光拾谐振法确定硅微机械薄膜的杨氏弹性模量

提出了一种采用光热激励和光拾取的全光谐振技术方法,确定硅微机械薄膜的杨氏弹性模量.该方法基于光热激励的致动机理,使用调制光对硅微机械薄膜结构进行光热激励使之谐振,利用光纤传感技术拾取其谐振频率信号,进而利用谐振理论模型确定其杨氏弹性模量.为准确确定杨氏弹性模量,利用了硅微薄膜结构的前三阶谐振频率进行多次测量,求均值的方法.为简化光激励测试系统,设计了新颖结构的单光源激励测试系统,同时实现了对微机械薄膜结构的激振和信号拾取.     

基于光纤微腔的温度及折射率同时测量型传感器

基于多光束干涉原理,设计了一种基于光纤微腔的温度及折射率同时测量的反射型光纤传感器.该传感器将渐变折射率多模光纤的一端用氢氟酸腐蚀形成一个空气腔,带空气腔的渐变折射率多模光纤一端和单模光纤熔接,另一端切平构成传感头.实验选取渐变折射率多模光纤的长度为538.1μm,空气腔长度为40.8μm.结果表明:光纤微腔结构所形成的多光束干涉光谱条纹对比度与光纤微腔外的溶液折射率相关,干涉波峰移动与环境温度相关,通过监测条纹对比度和干涉波峰的移动,可以实现对折射率和温度的同时测量.当折射率在1.341 5~1.432 0RIU变化时,反射强度对折射率的灵敏度为57.24dB/RIU;当温度在30℃~70℃之间变化时,谐振波长对温度的灵敏度为12.3pm/℃,可检测到的最小温度变化为1.2℃,测得最小折射率变化为3.4×10-4.该传感器也可应用于其他参量的测量,具有良好的应用前景.     

光纤光栅三维应力传感器的设计与实现

以光纤光栅为敏感元件,设计并实现了一种基于圆柱结构的三维应力传感器.该传感器由三个光纤布喇格光栅等角度粘贴在圆柱体探头而实现.对这种三维传感器应用材料力学理论进行了传感原理的推导与分析,并进行了任意方向上应力大小的传感测量实验.实验表明:这种传感器可以准确测量三维空间任意方向的应力大小及方向,测量线性度高;在0-5N的测量范围内,误差不超过±1.58%,分辨率为9.2×10-3N.     

用于曲面精密检测的新型光纤三角传感器研究

基于光纤传感技术和三角测量方法，提出了一种用于曲面检测的新型光纤三角传感器。根据所设计的轮辐式接收光纤结构，可以在测量曲面与传感头间位移时，首先获取被测点处微面元的倾斜信息，以便对传感器测量值进行实时误差修正，从而解决了被测表面倾斜对坐标测量带来的影响。该传感器还能有效地消除环境光干扰、光源波动、表面反射率变化等对测量带来的影响。建立了传感器测量的数学模型。理论分析和初步的实验结果证明了系统的有效性和实用性。该传感器系统不稳定性好于0.3%，横向分辨率好于8μm，高度分辨率好于0.1μm。     

基于稀土掺杂光纤的强度调制型弯曲传感器

研究了一种基于稀土掺杂材料的新型周期性微拉锥玻璃光纤及其弯曲传感应用技术. 该光纤的纤芯和包层分别由两种硅酸铅玻璃材料组成,具有可塑性好和易于形成微拉锥的特点. 该传感器的核心敏感体由聚焦的CO₂激光束对稀土掺杂光纤进行周期性和等间距加热方式制备. 论文以该敏感体为核心,结合精密位置移动平台和光学测量平台,构建了基于强度调制的弯曲传感测量系统. 理论研究和实验结果表明,这种弯曲传感测量系统的传输光强灵敏度达到-28.2 μW/m,测量误差低于±1%,具备实际的工程应用价值. 关键词： 稀土掺杂光纤 微拉锥 弯曲传感 强度调制     

基于强度补偿式光纤传感器测金属线胀系数

分析了强度补偿式光纤位移传感器的补偿机理.通过测量定标,应用最小二乘法确定了该传感器的特性曲线和拟合方程.使用强度补偿式光纤传感器测量了黄铜和铝杆的线胀系数.实验结果表明:强度补偿式光纤位移传感器采用比值运算法给出测量结果,其灵敏度高,稳定性好,用其测量微小位移,可消除一些传统测量方法中待测参量较多而引入过多测量误差的问题,实现非接触测量,且克服反射式非补偿位移传感器因光源光强波动、光纤传输介质损耗及环境光干扰所带来的测量误差.     

光纤光栅三维应力传感器的设计与实现

以光纤光栅为敏感元件,设计并实现了一种基于圆柱结构的三维应力传感器.该传感器由三个光纤布喇格光栅等角度粘贴在圆柱体探头而实现.对这种三维传感器应用材料力学理论进行了传感原理的推导与分析,并进行了任意方向上应力大小的传感测量实验.实验表明:这种传感器可以准确测量三维空间任意方向的应力大小及方向,测量线性度高;在0-5N的测量范围内,误差不超过±1.58%,分辨率为9.2×10－3N.     

动态匹配光栅解调传感系统温度补偿研究

采用一对辅助匹配光纤光栅,结合基于MAX1968EUI芯片闭环自动控制,设计了一种半导体小型温度控制系统.通过控制传感光栅反射峰值变化,使匹配光栅温度变化与传感光栅周围环境温度变化相匹配,实现了动态匹配光栅解调方案的应变测量系统温度补偿,消除了光纤光栅传感器温度、应变交叉敏感效应对传感系统测量应变的影响.解调系统同时采用一支微测力传感器作为解调系统的输出,消除了传统动态匹配光栅解调系统中压电陶瓷磁滞效应对测量结果的影响.实验结果表明,温度变化对系统应变测量影响误差小于2％,传感系统的线性优于0.999 5.     

可用于建筑结构检测的分布式光纤形变片

本文在光时域反射计(OTDR)和光纤形变片的基础上,提出了一种分布式光纤传感器-分布式光纤形变片.该检测方法属于OTDR的损耗调制法,即通过测量粘贴于光纤形变片上的光纤弯曲损耗来获取测量点的应变量或位移量.作者分别在微位移架和悬臂梁进行了位移检测和应变检测,结果表明该分布式光纤形变片提供了一种可检测应变量与位移量的检测方法.值得注意的是,该分布式光纤形变片的传感网络采用时分复用的总线拓扑,能在一根光纤上同时检测多个检测点的变化.     

光纤温度传感器输出特性研究

设计了一种基于半导体光吸收原理用于对环境温度进行测量的光纤温度传感器.该传感器使用砷化镓晶体为温度敏感材料,采用透射式探头结构,以塑料光纤为传光介质,具有结构简单、可靠、成本低的特点;通过实验研究了采用不同光源时传感器系统的输出随温度的变化关系,分析了光源的光谱特性对传感器系统的测温范围及灵敏度的影响;最后提出一种采用双波长补偿系统提高系统抗干扰能力和稳定性的改进意见.     

光纤表面等离子体波传感器的温度特性的研究

本文从粒子振动的角度讨论了光纤表面等离子体波传感器对于温度的敏感特性。对于金属 /介质的表面等离子体波传感器 ,在界面处产生的等离子体振动实质是大量电子的集体振荡。在某一特定的波长的P光激励下 ,电子吸收了光子的能量而改变了原来的运动方式 ,当激励的光信号与电子群的固有振荡频率一致时 ,大量的电子振动变为一种谐振。由于界面处的电子密度与温度是密切相关的 ,不同的温度时密度不同———温度越高 ,电子的密度越大 ,而电子群的集体振荡又与电子的密度密切相关。所以温度的变化将对等离子体的共振频率产生非常重要的影响。利用了这一效应来补偿环境介质的温度变化 ,可以克服环境温度对测试所带来的影响。此外 ,本文也讨论了采用光纤SPW传感器可以进行多参数的测量。     

光纤中拉曼散射回波超高灵敏度探测技术研究

与布里渊散射不同,石英光纤中斯托克斯拉曼散射与光纤所受应力无关,只是绝对温度的函数,而且其拉曼频移为1.395×1013 Hz, 比布里渊散射易于提取,作为分布式光纤温度传感器的传感信号有一定的优势,但斯托克斯拉曼散射信号比布里渊弱,其峰值功率在APD中产生的光电流在nA级,低于APD的噪声电流,经光电转换后信号的信噪比小于1,傅里叶变换以及小波变换都无法有效地处理这类信号。通过对斯托克斯拉曼散射信号进行特征分析后,采用累加与小波降噪的综合方法提取该信号,实现在APD噪声电流以下的超灵敏度探测,达到每度0.104 nA的温度灵敏度,低于本系统所有APD噪声电流2.3 nA的1个数量级。     

Novel optic-fiber switches based on the wobble-type MEMS electromagnetic microactuator

Some novel optic-fiber switches based on an MEMS electromagnetic microactuator are developed in this paper and their design, fabrication and performance are described. A new kind of wobble-type MEMS electromagnetic microactuator is successfully developed, which can drive mirrors to enter or leave the optical path of a switch. It is layered, composed of two stators and one wobble disc, which improve the output torque of the actuator. Finally, 1×2, 2×2, 1×4 and 1×8 single mode optic-fiber switches, which have been fabricated, are measured. The operating voltage is less than 8 V, switching time is less than 5 ms, insertion loss is less than 0.8 dB, crosstalk is 60 dB, and extinction ratio is 60 dB. These optic-fiber switches show a promising future in optical fiber communication systems.     

Experimental study on vibration frequency response of micro-bend optic-fiber sensor

We make an experimental study on vibration frequency response of micro-bend optic-fiber sensor, and single-mode fibers and multi-mode fibers are used as the sensitive optic-fibers. Contrast between the two sensitive fibers is presented. Result shows that the micro-bend optic-fiber sensor has good frequency response characteristics and strong ability to restore the waveform. With the frequency varying in the range of 500 - 4762 Hz, the vibration sensors using multi-mode optic-fiber as the sensitive fiber is more sensitive than that using single-mode optic-fiber. And the former has better frequency response characteristics and stronger capacity of waveform revivification. But with the frequency in the range of 287 - 500 Hz, the latter is better.     

基于光纤反射腔的高灵敏电流传感器方案

提出了一种基于平面Y分支波导与法拉第旋镜的高灵敏度光纤电流传感器结构方案。利用两个法拉第旋镜与平面Y分支波导构成一个光纤反射腔,通过光在腔中的多次反射来增加待测电流导致的传感光纤中的法拉第相移,从而实现对微弱电流的测量。该结构方案中首次采用了平面Y分支光波导,从而可降低光路系统损耗,增加灵敏度,为微弱电流测量的工程化提供了一种可行的方法。     

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。     

温度对光纤准直器的角度偏移影响分析

通过对光纤准直器准直失配,即离轴耦合、偏角耦合、间距耦合三种情况的耦合损耗进行分析,发现角度偏移对耦合效率影响最大.实验中随着温度周期性的变化,光斑位置也出现了有一定规律性的变化.实验通过确定光斑位置的变化量从而求出鞍型和拱型支承架在温度循环时的角度偏移为519 μrad和395 μrad,并导致了0.944 dB和0.718 dB的耦合损耗;在温度冲击时的角度偏移为986 μrad和138 μrad,并导致了1.793 dB和0.251 dB的耦合损耗.实验结果表明拱型支承架在两种不同的温度变化情况下均优于鞍型支承架.     

微剪切应力传感器的加工工艺

提出了一种感测单元不直接接触流场的微剪切应力传感器结构,详细阐述了其感测单元MEMS制作工艺。采用热氧化硅掩膜方法解决了硅深刻蚀的选择比问题;优化后的硅深刻蚀工艺参数:刻蚀功率1600 W、低频(LF)功率100 W,SF6流量360 cm3/min,C4F8流量300 cm3/min,O2流量300 cm3/min。采用Cr/Au掩膜,30 ℃恒温低浓度HF溶液解决了玻璃浅槽腐蚀深度控制问题;喷淋腐蚀和基片旋转等措施提高了玻璃浅槽腐蚀表面质量。采用上述MEMS工艺制作了微剪切应力传感器样品,样品测试结果表明:弹性悬梁长度和宽度误差均在2 m以内、玻璃浅槽深度误差在0.03 m以内、静态电容误差在0.2 pF以内,满足了设计要求。     

Multiparametric sensor based on DBR porous silicon for detection of ethanol gas

We are here concerned with fabrication possibility of multiparametric gas sensor based on porous silicon. In order to use the porous silicon as a gas sensor, we made the DBR (distributed Bragg reflector) porous silicon onto silicon wafer and monitored the change of three parameters during exposure of DBR porous silicon to ethanol gas. The sensing parameters were the shift of reflectance peak, the PL (photoluminescence) intensity, and the electrical conductance. As a result, the spectra of reflectance and PL shifted toward longer wavelength. The electrical conductivity increases rapidly. After removing the gas, all sensing parameters return exactly to the initial value.