基于光纤温度和应变传感器的物理创新实验

为了实现温度和应变同时测量,本文设计了一种基于多模干涉的光纤温度和应变传感器.该传感器利用光纤熔接机将一段细保偏光纤和一段细芯光纤错位熔接后引入萨格纳克环中而制成.由于光纤错位和模场失配,传感器内存在偏振模干涉和纤芯模-包层模干涉.对不同温度和应变作用下采集到的传感器透射谱进行滤波处理,可提取两种干涉对应的透射谱.基于透射谱中两个不同波谷的温度和应变灵敏度建立同时测量矩阵,即可实现温度和应变的同时测量.实验数据显示该传感器的温度和应变分辨率分别为0.30℃和13.50με.本实验可以作为物理和光电相关专业本科生物理创新实验,帮助大学生掌握光纤传感原理、实验技能和数据处理与分析方法.     

基于空芯光子晶体光纤的微小型非本征光纤法布里-珀罗干涉应变传感器

报道了一种用空芯光子晶体光纤制作的法布里-珀罗腔体,利用光纤熔接方法将该法布里-珀罗腔体和两根普通通信单模光纤熔接起来构成的微小型光纤法布里-珀罗干涉应变传感器。这种干涉传感器制作过程仅应用了切割和熔接手段,光纤材料单一,因此受温度变化的影响小。另外,该类型传感器的干涉腔长度对干涉信号强度影响不大,其干涉腔长度可至数厘米。因此,这类传感器将在大容量、准分布式传感系统中具有极大的潜在应用价值。     

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.     

基于酒精与磁流体填充的单模-空芯-单模光纤结构温度磁场双参数传感器

提出了一种基于空芯光纤模间干涉原理的环境温度和磁场双参数传感器,为了使光入射进空芯光纤壁中,将空芯光纤与单模光纤错位熔接,传感部分用毛细玻璃管封装,空芯光纤内外分别填充酒精和磁流体.除了光纤材料的热光效应和热膨胀效应外,环境温度变化会引起两种溶液折射率的变化,而磁场变化仅引起空芯光纤外的磁流体折射率变化.理论计算可知空芯光纤壁中可支持多个模式传输并相互干涉,各模式传输相位对内外溶液折射率变化灵敏程度不同.因此,干涉谱中两个含有不同模式成分的波谷,即波谷1和波谷2,它们的漂移可以作为指示信号,通过建立敏感矩阵可同时解调出周围环境温度与磁场的变化.实验中,在28—58℃范围内,温度传感灵敏度可达-468 pm/℃;在0—169 Oe范围内磁场传感灵敏度可达82 pm/Oe.该传感器具有高灵敏度与高机械强度,并且能够实现温度与磁场的同时测量,有效消除了温度波动对磁场测量信号的干扰.     

波长和强度同时响应的锥形多模光纤温度传感器

通过将一段长为17 mm的多模光纤两端分别与单模光纤对芯熔接,然后对多模光纤部分进行拉锥处理,得到一种波长和强度同时对温度响应的锥形多模光纤温度传感器。实验研究了30 ℃~80 ℃范围内传感器的温度传感特性。实验结果表明:当环境温度发生变化时,该传感器在1 542 nm附近干涉波谷的波长和强度对温度的响应灵敏度分别可达到0. 041 nm/℃和0. 106 dB/℃,并且传感器干涉条纹的波长响应和强度响应之间呈良好的线性关系。基于传感器波长响应与强度响应之间的该线性关系,通过传感信号强度的检测即可实现干涉型光纤传感器的相位解调,该方法为传感解调信号提供了新思路,具有重要的参考价值。     

FBG滤波的级联LPFG温度和折射率传感装置

利用长周期光纤光栅具有较高的温度、折射率灵敏度,以及光纤布喇格光栅具有较高反射效率的特点,设计了一种基于光纤布啦格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感装置.利用光纤布喇格光栅的高反射率,将级联长周期光纤光栅干涉波峰的局部功率反射到功率计中,实现了温度和折射率的测量.基于信号叠加原理,对光纤布喇格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感方法的可行性进行了分析.将实际测得的功率计示数与温度以及折射率的变化进行二项式拟合,其确定系数分别为0.9990和0.9959,表明该传感方法可用于温度和折射率的精确测量.最后对该装置的稳定性做了一系列的测试,验证了该传感系统具有较高的稳定性.     

光纤温度和应变特性研究实验仪的开发

针对目前光纤传感实验存在的问题, 搭建了光纤干涉实验平台. 利用计算机与摄像头的配合得到干涉 条纹移动数目( 取代传统用肉眼观察白屏的方法) , 利用温度传感器与计算机的结合取代传统的温度计, 可以在计算 机上同时采集到温度和移动条纹数, 实时描绘出温度和条纹移动数目的关系图, 或者应变和条纹移动数目的关系. 所建立的系统稳定可靠, 实验效果好, 更具现代科技气息     

功能型液体折射率与温度双参量光纤传感教学实验

设计了光电专业光纤传感单参量测量向双参量升级的简易实验方案,采用宽带掺铒光纤放大器作为光源,光纤双锥马赫-曾德尔干涉仪结合光纤布拉格光栅作为液体折射率与温度双参量传感器,光谱仪测量特征波长变化用于待测量解调.经测试,功能型液体折射率与温度双参量光纤传感系统的折射率传感灵敏度为-34.663nm/RIU,温度传感灵敏度为10pm/℃.     

单根干涉型光纤传感器

本文提出一种利用单偏振单模光纤的单光路干涉型光纤传感器。在这种传感器中,是利用光纤中两个正交偏振态的偏光干涉原理测量外加物理场的变化。通过改换传感头,它可用于压力、温度、电场、磁场等物理量的测量。     

基于布里渊散射光时域分析的温度传感技术研究

为提高布里渊时域分析的传感精度,探寻一种相同条件下传感更为稳定、精确的传感光纤,通过实验得到一种布里渊频移与温度拟合线性度约为1的传感光纤.理论上分析了布里渊散射谱线宽度对温度传感测量精度的影响机制,在布里渊时域分析系统实验中分别以普通单模光纤与非零色散位移光纤(G.655)为传感光纤,测出在一定温度变化范围内标定点的布里渊散射谱线宽度和频移值.实验结果表明,非零色散位移光纤的布里渊散射谱线宽度随温度变化比较稳定,具有较高的传感精度.因此以G.655光纤为传感光纤更利于长距离监测场传感精度的提高.     

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.     

基于扫描激光器的边孔光纤光栅温度压力传感系统

研究了一种基于波长扫描激光器的光纤温度压力测量系统.光纤传感头为边孔光纤光栅,利用其特有的双折射特性产生双反射峰,以实现对温度和压力的同时测量.系统采用嵌入式开发技术,将激光波长扫描、光谱数据采集和以牛顿最小二乘法为核心的光栅解调算法高度整合于一体,极大降低了光纤传感系统的体积与成本.实验结果表明,在温度10~50℃、压力0~1.2 MPa时,双反射峰对应温度与压力的变化均呈现良好的线性响应特性;系统的波长解调准确度可达1pm,温度及压力的分辨率分别达到0.1℃和0.1 MPa.该系统可为温度、压力的参量测量提供低成本、小型化、性能可靠的解决方案.     

基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器

设计并研制了一种新型的基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器.该光纤弯曲传感器由两根光纤组成的光纤带固定于弹性弯曲结构上来产生迈克尔逊干涉信号,用光纤折射率匹配液填充微型腔,并施加音频振荡信号对相位干涉信号实现低频调制.采用相位生成载波技术对相位干涉信号进行调制和解调,实现了对曲率变化高精确度的检测.实验测试了该光纤弯曲传感...     

相位调制全光纤Mach-Zehnder干涉仪传感实验

使用单模石英光纤设计了相位调制全光纤M-Z干涉仪传感实验系统,采用CCD技术显示干涉条纹的空间分布及其移动情况,同时利用光电检测及可逆计数技术实现移动条纹的自动计数.利用该系统进行了光纤温度传感、光纤应变传感原理性实验测试.     

基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder温度传感特性研究

提出并设计了基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder干涉结构,并对其温度传感特性进行了研究。通过将两支分光比为50∶50的1×2端口光纤耦合器相对熔接,构建光纤Mach-Zehnder干涉结构,采用单模光纤作为干涉结构的参考臂。基于侧面研磨技术在3m长纤芯/包层尺寸为9/125μm的单模光纤上进行抛光,抛光时长为5h,制备了研磨长度为20mm、深度为50μm的光泄露窗作为干涉结构的传感臂,提高传感器的灵敏度。采用宽带光源对Mach-Zehnder干涉结构的透射光谱进行测试,干涉周期为0.66nm。实验中对传感结构进行了温度测试及分析,选取波谷位置为1551.48nm作为测试点。在25～60℃的升温范围内干涉条纹向长波方向移动3.97nm,传感器的温度灵敏度为115.4pm/℃。不同温度下对应波谷的波长位移量与外界温度呈现良好的线性关系,线性度为0.9940,功率漂移小于1.66dB,具有较好的功率稳定性。     

基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的φ-光时域反射计光纤分布式传感系统

提出了一种基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的φ-光时域反射计光纤分布式传感系统.传感光缆采用普通单模光纤制成的直径3 mm的细光缆,并埋设于室外.入侵者走在光缆上面或附近产生的压力(振动)导致光纤中瑞利散射光相位发生变化,由于干涉作用,光相位变化将引起光强度的变化,通过实时将当前时刻的φ-光时域反射计后向瑞利散射信号与其前一时刻(时间间隔0.1 s)的后向瑞利散射信号连续相减检测这种干涉效应来定位入侵位置.经适当的数据处理后,该传感系统定位精度可达到50 m(为目前报道的φ-光时域反射计传感系统最高定位精度),定位范围可达到14 km,信噪比约为12 dB,且灵敏度较高.该系统可望能广泛用于军事基地、国界、核设施及监狱等重要场所的安全防范.     

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.     

熊猫型保偏光纤光栅温度和压力传感特性的实验研究

对熊猫型保偏光纤光栅的传感特性进行了深入的实验研究,采用温箱和压力罐分别进行了温度和压力传感特性的实验研究.实验结果表明:在0～2.5 MPa的压强范围内,熊猫型保偏光纤光栅两个偏振方向上的压力敏感系数分别为0.004 88 nm/MPa和0.003 52 nm/MPa;在15～50 ℃的温度范围内,两个偏振方向上的温度敏感系数为0.01018 nm/℃和0.008 8 nm/℃.该光纤光栅两偏振态对温度和压力的不同敏感特性可用于解决光纤光栅的交叉敏感问题.     

温度弱敏感光纤高温压力传感器

针对高温压力测量需求,提出了一种温度弱敏感的光纤微机械电子(MEMS)压力传感技术.该技术采用非本征光纤法布里-珀罗干涉模型,利用MEMS压力敏感膜片对干涉光信号进行被动调制,进而实现压力信号测量.通过仿真计算热应力和材料自身热膨胀引入的温度寄生响应来分析温度信号对膜片位移的影响.在此基础上结合亚微米级白光干涉响应技术和低热应力封装工艺,研制了高温压力传感器样机.实验测试结果表明,在20—400℃范围内,可满足0—100 kPa压力测量,由温度变化引入测量误差低于4%.     

正三角型结构三光纤出射光场干涉理论模型及其实验

利用三根光纤以正三角形的方式组合在一起,实现了三光纤Moiré干涉,建立了纤端出射场干涉模型,并进行了理论计算.实验结果与理论计算结果符合较好.为光纤莫尔传感技术的应用和发展提供了理论和实验依据.