微扰模型分析长周期光纤光栅薄膜传感器

提出了一种新的基于三层阶跃折射率光纤的微扰模型,分析长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG）薄膜传感器,并从β2稳定性定理出发推导出适用于薄膜传感器的微扰公式.该模型不仅能够清晰反映薄膜参量与包层模传播常量变化量之间的关系,而且在计算量和计算难度远低于四层波导模型情况下获得与严格求解结果相当的计算准确度.考虑数值计算本身引入的计算误差,该模型能够满足定性和半定量理论分析需要.最后通过长周期光纤光栅液态水膜的挥发实验对该模型进行了初步验证.     

基于近PMTP区域双峰谐振效应的长周期光纤光栅应变传感理论分析

利用长周期光纤光栅(LPFG)的双峰谐振效应,结合LPFG传感器工作于近相位匹配转折点(PMTP)附近的高灵敏度,提出了一种新型的长周期光纤光栅应变传感器的设计方法。利用LPFG相位匹配条件,分析了长周期光纤光栅近PMTP附近的双峰谐振特性、应变传感特性,发现双峰波长间距对微小应变具有很高的响应度和线性度。进一步讨论了光栅结构参数和包层直径对双峰LPFG应变灵敏度的影响,发现光栅周期对该传感器的应变灵敏度、线性度和应变测量范围具有很大的影响;光栅长度对谐振峰高度和宽度有较大影响,直接关系到传感器寻峰精度;通过增大包层直径,可以进一步增大应变灵敏度。结果表明,通过选取适合的光栅结构参量和包层半径,该传感器应变灵敏度可比一般长周期光纤光栅应变传感器的应变灵敏度提高2个数量级。这为设计高应变灵敏度双峰谐振LPFG应变传感器提供了结构优化的理论支持。     

基于双峰谐振效应的镀金属长周期光纤光栅液体浓度传感器

利用长周期光纤光栅(LPFG)中的双峰谐振效应,结合表面等离子体共振(SPR)传感器的高灵敏度,提出了一种新型镀金属光纤光栅液体浓度传感器.采用双包层结构模型和耦合模理论,分析r镀金属长周期光纤光栅双峰效应的谐振特性,环境折射率的传感特性以及金属膜厚对双峰LPFG灵敏度的影响.实验上制作了具有双峰效应的镀银膜长周期光纤...     

高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅传感器的特性研究

报道了一种用高频CO₂激光脉冲写入的新型长周期光纤光栅（LPFG）.发现该LPF G具有独特的应变、温度、弯曲、扭曲和横向负载特性.分析表明这些特性与单侧CO₂激光 加热导致光 栅横截面折射率分布不均匀有关.基于这些独特的特性提出了几种新型的LPFG传感器：1)能 彻底解决弯曲与其他参量之间交叉敏感问题的弯曲不敏感的传感器；2) 不仅能绝对测量扭 曲率而且能判断扭曲方向的扭曲传感器；3)单个LPFG实现温度和横向负载同时测量的传感器 .这些新型的传感器具有方法简 关键词： 长周期光纤光栅 光纤传感器 应变传感器 温度传感器 弯曲传感器 扭曲传感器     

基于长周期光纤光栅折射率敏感特性的混凝土结构钢筋锈蚀监测

研究了长周期光纤光栅(LPFG)谐振透射光谱对外界环境折射率变化的敏感特性,在此基础上提出了将混凝土内部钢筋周围环境折射率与LPFG光谱特性相结合的理论,设计了一种基于折射率测量的LPFG钢筋锈蚀监测传感器.采用LPFG透射光谱枪测技术,获取钢筋锈蚀过程中混凝土内部不同折射率环境所对应的LPFG透射光谱曲线族,进而得到...     

高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅传感器的特性研究

报道了一种用高频CO2 激光脉冲写入的新型长周期光纤光栅 (LPFG) .发现该LPFG具有独特的应变、温度、弯曲、扭曲和横向负载特性 .分析表明这些特性与单侧CO2 激光加热导致光栅横截面折射率分布不均匀有关 .基于这些独特的特性提出了几种新型的LPFG传感器 :1)能彻底解决弯曲与其他参量之间交叉敏感问题的弯曲不敏感的传感器 ;2 )不仅能绝对测量扭曲率而且能判断扭曲方向的扭曲传感器 ;3 )单个LPFG实现温度和横向负载同时测量的传感器 .这些新型的传感器具有方法简单易行、体积小、能埋入智能材料的优点 ,可实现对工程结构的实时监测 ,具有广泛的应用前景     

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。     

长周期光纤光栅谐振波长的横向负载特性分析

在考虑波导效应、弹光效应等因素后,详细地理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的横向负载传感特性,包括谐振波长漂移及谐振峰分化后的双峰间距与横向负载、光偏振的关系,模拟计算了单模光纤长周期光栅的横向负载传感特性.理论分析和计算结果表明,长周期光纤光栅谐振波长随横向负载的漂移量和方向与光源的偏振方向有关,加载方向偏振光的谐...     

2μm波段低损耗长周期光纤光栅设计与制作

采用二氧化碳激光逐点刻写技术对2μm波段长周期光纤光栅(LPFG)的传输特性进行了实验研究,探索了光栅周期、折射率调制深度、光栅周期数等光栅刻写参数对光纤光栅在2μm波段特征损耗峰的影响。仿真和实验结果均表明,2μm波段LPFG的谐振中心波长和谐振峰深度可分别通过光栅周期以及光栅长度来调谐,激光扫描次数以及折射率调制都将增加光纤内模式的耦合强度。此外还探究了2μm波段LPFG对于环境温度的敏感特性,通过设计实验测得该波段LPFG的温度灵敏性为74 pm/℃。该研究在2μm波段光纤激光器及其应用的核心器件方面有潜在的应用价值。     

一种双段多层长周期光纤光栅光谱特性研究

长周期光纤光栅(LPFG)传感器具有非常广泛的应用价值,而有效解决物理量交叉敏感问题是其实用化的关键。基于LPFG对包层外介质折射率和厚度的敏感性,提出一种双段多层折射率横向分布结构的新型LPFG传感器的设计,并利用耦合模理论和传输矩阵方法分析了镀膜材料折射率、膜层厚度和镀层长度对新型LPFG传感器光谱特性的影响。软件仿真结果证明,这种LPFG由于结构设计上的特殊性,将使LPFG的谐振峰发生分裂,即一个透射峰分裂为两个。由于两个分裂峰对应力和温度的灵敏度不同,利用该结构的LPFG作为传感器,可以实现温度、应力等物理量的同步测量,从而解决LPFG传感器的交叉敏感问题。     

Analysis of fiber optic SPR sensor utilizing platinum based nanocomposites

SPR based fiber optic sensor using nanocomposite is presented. Nanocomposites comprising of Pt nanoparticles with various volume fractions embedded in dielectric matrices of TiO₂ and SnO₂ are considered. Sensitivity enhances with increase in thickness of nanocomposite and volume fraction of nanoparticles for both nanocomposites. Optimized thicknesses are obtained to be 40 and 50 nm for Pt–TiO₂ and Pt–SnO₂ nanocomposites respectively while optimized volume fraction is found to be 0.85 for both nanocomposites. 40 nm thick Pt–TiO₂ nanocomposite based sensor with 0.85 volume fraction possesses utmost sensitivity.     

Package and installation of embeddable fiber optic sensors

The issues related with design of pre-embedded white light interferometric fiber optic steel, epoxy and concrete bar sensors for use in concrete structures in construction are discussed in this paper. The shapes are designed as spindle for steel and epoxy bar sensors and the simple cylinder or rectangular shape has been used in the cement-based concrete bar sensor. The manufacture procedures of the pre-embedded fiber optic sensors are described in detail. Finally, the issues on the installation of the fiber optic pre-embedded bar sensor into host structures are also considered.     

Surface-bonded fiber optic Sagnac sensors for ultrasound detection

This paper describes a fiber optic sensor suitable for remote sensing and multi-point detection of ultrasound. This ultrasound sensor is based on the surface-bonded fiber optic Sagnac interferometer with the output fringe visibility of 1; it consists of a laser source, an ordinary single mode fiber delay line, a fiber coupler, a phase modulator and polarization controllers. For the validation of the sensor, surface acoustic waves and Lamb waves are excited by illuminating a steel specimen with an array of Q-switched Nd:YAG laser-generated line sources and the measurement of laser-generated ultrasonic waves are performed on the specimen surface using the surface-mounting fiber optic Sagnac sensor. The surface-bonded fiber optic sensor developed in this study has a simple configuration for detection of ultrasonic waves. Effectiveness of surface-bonded fiber optic Sagnac sensors for remote sensing of ultrasound and in situ monitoring of structures is investigated. The capability of multi-point detection of ultrasound by this Sagnac sensor is also discussed.     

镀镍光纤Bragg光栅温度传感特性实验研究

在光纤智能金属结构材料中,为了保护光纤Bragg光栅并使得传感器与基体金属有很好的结合性,在光纤Bragg光栅表面化学镀镍,并实验研究了化学镀镍前后的光纤Bragg光栅的温度传感特性.实验表明：镀镍后的光纤光栅的Bragg波长随温度变化呈现出良好的线性和重复性,Bragg光栅温度灵敏度变大.     

光纤模斑谱复合材料固化传感器研究

本文报道了一种新型光纤传感器,其原理为通过测量光纤末端近场模斑谱来反映埋置在周围的树脂折射率的变化。计算了随着在树脂固化过程中折射率变化的功率谱密度分布,给出截止频率与折射率的近似关系。通过测量折射率匹配液,对传感器误差进行了估计。给出了利用这种传感器进行复合材料树脂固化监测的实验结果。发现这种光纤传感器的信号可以用来反映固化凝胶点和固化结束点。指出由于固化后光纤仍保持光波导特性,该光纤还可以用来监测受环境扰动的结构,如温度变化、振动等     

陶瓷纤维对普通硅酸盐混凝土的强韧化效应

 采用液压试验机和Φ100 mm分离式霍普金森压杆实验装置,研究了体积分数为0.1%、0.2%和0.3%的陶瓷纤维混凝土的准静态和动态力学性能,分析了陶瓷纤维的增强机理,并将其与相同纤维体积分数的碳纤维混凝土进行对比。结果表明：陶瓷纤维改善了普通硅酸盐混凝土的准静态力学性能;纤维体积分数为0.3%时,抗压强度提高15.0%,劈裂抗拉强度提高8.5%,抗折强度提高12.7%。冲击荷载作用下,陶瓷纤维混凝土的动态抗压强度和比能量吸收随平均应变率的增加近似线性增长;体积分数为0.2%时,陶瓷纤维的增强、增韧效果最佳。陶瓷纤维对普通硅酸盐混凝土的增强、增韧效果总体上优于碳纤维。     

Fiber optic acoustic emission sensor and its applications in the structural health monitoring of CFRP materials

A fiber optic acoustic emission sensor based on fused-tapered coupler and its applications in structural health monitoring are proposed in this paper. The fiber optic acoustic emission sensor (FOAES) was tested using pencil lead break tests compared with the commercial acoustic emission sensor (R15 PZT). Besides, the sensor was embedded into the carbon fiber reinforced plastics (CFRP) materials and tested in the same way. It successfully detected the AE signals. FOAES was applied in the structural health monitoring (SHM) of CFRP materials. Damages of carbon fiber/epoxy composite laminates during three-point-bending test were monitored by surface-mounted and embedded FOAES, respectively. Results identified that the sensor embedded into composite structures could monitor damage of composite laminates on-line as the surface-mounted sensor did.     

电流变材料构件的频率检测与响应控制

干涉式光纤应变传感器为构件的实时频率检测提供了抗电磁干扰的新型最佳技术手段.本文分析了其在新型的电流变材料构件应用时的若干现象.提出一个位相漂移模型并用以成功处理了有关问题.由此设计的嵌埋型干涉式光纤应变传感器首次使用于受到随机外部激励的电流变结构的振动控制过程.     

掺染料微结构光纤荧光传感器的理论分析

针对一般光纤荧光传感器收集荧光能力不足的缺陷,设计了一种在微结构聚合物光纤的空气孔内填充掺有机染料高折射率液体的荧光传感器.使用可调节边界条件傅里叶分解法计算了这种微结构光纤的模场分布,分析了光纤结构参量和液体折射率对荧光捕获分数的影响,结果表明,使用小纤芯半径和高于纤芯折射率的液体可以增强激发光的吸收效率,增大荧光捕获分数,提高光纤荧光传感器的灵敏度.     

侧边抛磨单模光纤表面等离子体传感器的设计和优化

光纤表面等离子体共振传感器具有体积小、抗电磁干扰,可以实现在线实时远距离检测的优点。为提高传感器的性能,建立了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感的物理模型,分别研究了侧边抛磨光纤的剩余厚度、银膜层的厚度对传感器的灵敏度、共振峰的深度和半高全宽等的影响。结果表明：光纤剩余厚度越小,表面等离子体共振现象越强;随银膜层的厚度增大,共振峰的宽度变宽,而传感器的灵敏度呈现非单调变化。通过综合表面等离子体共振传感器的折射率传感灵敏度和共振峰半高全宽,提出了质量因数作为传感器的优化指标,并最终得到最优化的设计方案为光纤剩余厚度为66.5 μm,银膜的厚度为50 nm,此时质量因数达到98.67。