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。     

光纤压力传感器的性能研究

利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪,对压力引起的光功率的变化进行了测量和分析,给出了该系统相干检测最佳工作范围是5~13N,灵敏度为-0.130 0μW/N.在不同温度变化范围内,随着压力的增加,光功率分别以0.223 4μW/N到0.482 3μW/N的变化率减小.     

单模与多模光纤级联型压力传感器

研制了一种基于单模光纤与多模光纤级联结构的马赫-曾德尔干涉型压力传感器,它通过将一段单模光纤夹熔在两段多模光纤之间制成.利用纤芯的不匹配所激发的单模光纤中纤芯模和包层模之间的干涉,使外界压力的变化直接作用于单模光纤内部光场,获得较高灵敏度.当传感器总长度为39mm时,可获得较为理想的传输谱线.压力传感实验表明:随着压力的增大,传输光谱向长波方向漂移,在2~16N的压力范围内,传感器的压力灵敏度为554.830pm/N,线性度为0.984,具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高等优点,可用于不同领域的压力传感.     

可双参量同时测量的光纤磁场传感器

设计并制作了一种马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)与光纤布喇格光栅级联的光纤磁场传感器,其中MZI由相当于分光器的锥结构和相当于耦合器的花生锥结构级联组成,封装在填充了磁流体的毛细管中.由于磁流体的有效折射率会随着外界磁场强度的改变而变化,故可通过观察干涉谱的特征波长的变化来测量外界磁场强度,而光纤布喇格光栅透射峰对磁场强度不敏感.当磁场强度由0mT变化到20mT时,马赫-曾德尔干涉峰的灵敏度为0.11nm/mT.温度特性实验测得马赫-曾德尔干涉峰和光纤布喇格光栅透射峰的温度灵敏度分别为0.401 5nm/℃和0.011 4nm/℃.因此,可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.     

基于光纤布拉格光栅拉锥的带宽可调微光纤马赫-曾德尔干涉仪

提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)拉锥的带宽可调的微光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI),该微光纤MZI的两端为关于中心束腰光纤对称的锥形微啁啾长周期光栅(CLPG)。对拉锥后的光栅周期及折射率分布进行了建模及仿真。折射率测试结果表明,MZI透射光谱带宽的倒数与氯化钠(NaCl)溶液折射率呈线性关系,通过改变NaCl溶液折射率可以调谐透射光谱带宽。对透射光谱1550 nm处的带宽进行了测量,得到折射率调谐带宽的精度为0.64318 nm~(-1)·RIU~(-1)。     

S型光纤锥的研究进展

随着新型微加工工艺的发展,传统的锥型光纤发展派生出数千种不同的微结构光纤.其中,S型光纤锥由于其体积小、质量轻、抗电磁干扰以及可以直接嵌入结构化系统的灵活性得到了迅猛地发展.随着对S型光纤锥研究的深入,基于S锥的各种结构和功能的光纤传感器不断地被提出,用于测量温度、应变、折射率、湿度和磁场等,不仅丰富了光纤传感器的种类,更加深了人们对传感机理的认识.本文全面回顾了S型光纤锥的研究进展,包括传感原理、制备方法、各种传感结构组合以及传感应用等,并对其发展进行了展望.     

基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪的压力和温度传感实验

对基于马赫-曾德尔干涉技术的光纤压力和温度传感特性的进行了研究。利用自制的全光纤干涉仪,对不同温度条件下的压力变化和不同压力下的温度变化引起的光功率的变化进行了测量和分析,给出该系统在无压力时温度测量范围是39~46℃;1N压力下,温度在40~45℃变化时,温度线性灵敏度为-4 078.7nW/℃,线性相关系数为0.976 6。45℃时,光功率随压力变化灵敏度为-1.162 1μW/N,线性相关系数0.989 3。结果表明系统在40~45℃和0~1N范围内,具有较好的温度和压力检测特性。     

基于光纤马赫-曾德尔干涉仪的强度测量研究

根据光外差检测原理，分析得到干涉测量适用于信号光强小于参考光强的探测，直接测量适用于信号光强大于参考光强的探测的结论。利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪系统，对位移信号进行了测量。实验结果表明：当位移信号较小时，干涉测量的灵敏度分别为62．068μW／mm和9．90mV／mm，而非干涉测量的灵敏度分别为4．30μW／mm和0．35mV／mm；当位移信号较大时，干涉测量的灵敏度分别为2．643mV／mm和0．055mV／mm，非干涉测量的灵敏度分别为12．326mV／mm和4．194mV／mm，测量结果与分析得到的结论一致。对于光纤干涉仪强度调制检测的应用具有参考价值。     

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。     

基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器

介绍了一种简单且灵敏度较高的Mach-Zehnder干涉湿度传感器.将单模光纤和多模光纤渐变熔接光纤锥,色散补偿光纤被熔接在两个多模渐变光纤之间,形成了单模光纤-光纤锥-多模渐变光纤-色散补偿光纤-多模渐变光纤-光纤锥-单模光纤结构的传感器.光纤锥起到了增加包层模能量的作用,两个多模渐变光纤节点作为光耦合器,从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪.外界环境湿度的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化,通过测量干涉谱波峰峰值能量实现对湿度的测量.实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境湿度之间存在良好的线性关系.当环境湿度在35%RH—85%RH范围内变化,一段由20 mm色散补偿光纤组成的传感器,其灵敏度为-0.0668 dB/%RH,相关度为0.995.该传感器结构紧凑、尺寸小、制造工艺简单,这使其可以被广泛用于湿度测量.     

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.     

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.     

基于铜离子沉积石墨烯涂层锥形光子晶体光纤的硫化氢传感器

提出一种基于铜沉积石墨烯涂层光子晶体光纤马赫-曾德干涉的硫化氢气敏传感器.将45mm光子晶体光纤两端与单模光纤进行拉锥熔接,使得光子晶体光纤的空气孔熔接时形成塌陷层,更好地激发包层模式,形成基于马赫-曾德结构的干涉仪.采用单层石墨烯粉体,加入异丙醇分散液,反复浸涂至光子晶体光纤包层表面形成石墨烯涂层,并沉积铜纳米颗粒,使传感器对硫化氢气体具有高的响应度.实验结果表明,在硫化氢气体浓度为0~60ppm范围内,随着被测气体浓度不断增大,其输出光谱呈现明显蓝移,传感器灵敏度为0.042 03nm/ppm,且线性度良好.该传感器成本低、灵敏度高、结构简单,适用于低浓度硫化氢气体的在线监测.     

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35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-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。     

基于二阶Loyt-Sagnac干涉仪的灵敏度增强温度传感器

通过在基于高双折射光纤Sagnac干涉仪的Sagnac环内增加一段高双折射光纤并控制两段高双折射光纤的熔接角度,设计制作了二阶Loyt-Sagnac干涉仪结构.利用Jones矩阵对反射谱特性进行了理论推导,对光束入射角度和高双折射光纤长度进行了优化,并对两种结构的干涉仪温度传感器进行仿真和实验.仿真结果表明,利用二阶Loyt-Sagnac干涉仪结构的游标效应,能提高其作为温度传感器时的灵敏度;实验结果证明,单段Sagnac环干涉仪温度传感器灵敏度为-1.46nm/℃,而使用二阶Loyt-Sagnac干涉仪的温度传感灵敏度为-17.99nm/℃,提高了约12.32倍.     

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.