具有大范围高分辨率线性响应特性的超短无芯光纤溶液折射率传感器

通过理论与实验对比, 证明模式传输分析(MPA)方法求解单模-多模-单模(SMS)结构的可行性. 以MPA理论为基础, 提出了SMS结构折射率传感装置线性响应点的寻找方法. 利用该方法为实验制作的无芯光纤SMS折射率传感器设计了大范围高分辨率线性响应位置, 并在实验中获得证实. 实验采用短至4.4 mm的直径104 μ无芯光纤, 在折射率1.326–1.417范围上获得了19.10 dB的功率线性变化, 以商用光功率计0.01 dB分辨率计, 折合折射率分辨率4.76×10^-5, 实现了理论指导下的大范围高分辨率线性响应. 关键词： 全光纤折射率传感器 多模干涉仪 SMS 无芯光纤     

基于光纤气泡级联的高灵敏度马赫曾德干涉液体折射率传感器

通过化学腐蚀方法制作了一种基于光纤气泡级联马赫曾德干涉液体折射率传感器.在细芯光纤两端熔接切割端面被腐蚀的单模光纤,构成气泡-细芯光纤-气泡结构,该结构中两个气泡耦合光场,细芯光纤作为传感臂,构成光纤马赫曾德干涉仪.对该传感器的干涉谱能量随折射率的变化规律进行了研究,结果表明:干涉谱的能量与环境折射率之间存在较好的线性关系,同时波长变化对环境折射率变化不敏感;当外界折射率变化范围在1.345~1.389时,传感器的灵敏度为-216.21dB/RIU.该传感器在生物化学领域有较好的应用前景.     

基于光纤锥级联结构的湿度传感器

提出了一种基于普通单模光纤粗锥级联结构的马赫-曾德尔干涉湿度传感器.将两根单模光纤对芯熔融成一个粗锥,并依次级联,形成光纤锥-单模光纤-光纤锥-单模光纤-光纤锥结构.外界环境湿度、温度的改变使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,引起传感器干涉光谱发生变化.通过监测干涉谱波长和能量的变化实现对外界物理量的测量.实验结果表明,当空气中湿度在35~95%RH范围内变化时,传感器的湿度灵敏度为-0.065dB/%RH,线性度为0.997;当温度在30~80℃范围内变化时传感器的温度灵敏度为69.4pm/℃,线性度为0.998.该传感器可以避免温湿度的交叉影响,实现单参量的同时在线区分测量.     

基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器

介绍了一种基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器. 将两根纤芯经过腐蚀的普通单模光纤熔接在一起, 在熔接点处形成一个气泡, 在距气泡20 mm处级联一段20 mm的细芯光纤, 再接入一段单模光纤, 形成单模光纤-气泡-单模光纤-细芯光纤-单模光纤结构的传感器. 气泡与光纤芯径失配处的两个节点起到光纤耦合器的作用, 从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪. 环境液体折射率的变化,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从而实现对折射率的测量. 并对所制作传感器的折射率响应特性进行了实验研究, 实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境液体折射率之间存在良好的线性关系, 当环境液体折射率变化范围在1.351–1.402时, 响应灵敏度为143.537 dB/RIU, 线性度0.996. 该传感器在生物化学领域有较好的应用前景. 关键词： 光纤气泡 纤芯失配 Mach-Zehnder干涉仪 折射率传感     

基于七芯光纤和少模光纤拼接结构的曲率传感测量

利用光纤在不同弯曲曲率下的不同形变,提出并验证了一种基于七芯光纤和少模光纤的新型光纤曲率传感器。分别制作了三种不同结构的传感器,利用快速傅里叶变换分析了它们的干涉模式,获得波长的传感灵敏度分别为6.33,30.83,15.96 nm/m,强度的传感灵敏度分别为8.57,25.65,1.96 dB/m。     

基于非本征Fabry-Perot腔光纤液位传感器研究

介绍了适用于液位测量的强度型非本征法布里-珀罗（F-P）腔光纤液位传感器的结构设计及其性能.实验观察到F-P腔具有良好的多周期输出特性和局部的线性特性,选用局部的1/4周期输出线性段作为线性工作区间可对液位进行高准确度、连续性测量.恰当选择敏感组件的尺寸可设计不同量程的传感器.实验结果表明,传感器测量3.5 m水位时,精确度为±2 mm,最小分辨率为1 mm.     

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.     

基于夹层多模光纤干涉计的可穿戴呼吸传感器

提出了一种基于夹层多模光纤干涉计的可穿戴式呼吸传感器。该传感单元是将一段长度为1～3 mm的渐变型多模光纤(GIMMF)夹在两段长度为1 mm的阶跃型多模光纤(SIMMF)之间制作而成的,由于二者芯径不匹配,故会构成光纤马赫-曾德尔干涉光路,其干涉峰的强度对微弯曲非常敏感,在0～2.36m^-1曲率范围内最大灵敏度可达-74.03 dB/m^-1。基于此,将该夹层多模光纤干涉计集成到弹性腰带上并固定在人的腹部,通过监测该传感器透射谱中特征峰的强度变化可实时准确地获取呼吸信号。实验结果表明,该传感器可以区分不同类型的呼吸状况,且具有普遍适用性。     

基于在线型光纤迈克耳孙干涉仪的液位传感器

为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺,提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪,由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器,激发出光纤高阶包层模,纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高,对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究,实验结果表明在0~9mm的液位变化范围内,干涉谷波长与液位呈线性关系,水液位灵敏度为-0.116nm/mm,质量分数为4.7%的NaCl溶液液位灵敏度为-0.129nm/mm;在20~80℃的水温变化范围内,干涉谷的温度灵敏度为0.038nm/℃。传感器结构简单、制作简便,而且成本低廉,在石油化工等领域具有较好的应用前景。     

基于无芯光纤的多参数测量传感器

设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器,可用来同时测量折射率和温度.该传感器中,两处无芯光纤充当输入、输出耦合器,中间单模光纤作为传感臂.利用有限元仿真和理论分析,确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm.在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输,由于倏逝场的作用,受到环境折射率和温度的影响.选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象,实现了折射率和温度的同步测量.实验结果表明:1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU(refractive index unit)和0.166 nm/℃;1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃.该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时,仍能保持较高灵敏度,在生物医疗等方面有着较好的应用前景.     

基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求,提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型,并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤,在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯,外界环境介质当作包层,构成光波导结构。这与普通多模光纤相比,不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀,不会降低光纤的机械性能,也不会破坏芯模传输条件,可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时,其波导结构和包层有效折射率均会发生改变,从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变,最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上,即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化,通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM),数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律,并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头,将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接,采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜,用以提升反射光谱强度。在此基础上,搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统,并开展了相关实验研究。研究结果表明,当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时,随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2,SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移,其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1,相关系数为0.93;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时,随着液体折射率依次增大,SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象,且均逐渐向长波方向偏移,dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1,相关系数为0.96;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。对比分析可知,不论是从反射峰谐振波长偏移的角度,还是从反射峰值强度的角度,自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境,非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比,呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构,当传感区域长度相同时,SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点,具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点,能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。     

Fiber-optic sensor for liquid level measurement

A novel (to the best of our knowledge) liquid level sensor based on multimode interference (MMI) effects is proposed and demonstrated. By using a multimode fiber (MMF) without cladding, known as no-core fiber, liquids around the MMF modify the self-imaging properties of the MMI device and the liquid level can be detected. We show that the sensor exhibits a highly linear response with the sensing range and multiplexed operations easily controlled by just modifying the length of the no-core fiber. At the same time, we can measure the refractive index of the liquid based on the maximum peak wavelength shift. We can also use the sensor for continuous and discrete liquid level sensing applications, thus providing a liquid level sensor that is inexpensive with a very simple fabrication process.     

Micro double tapered optical fiber sensors based on the evanescent field-effect and surface modification

A double tapered optical fiber sensor based on evanescent field-effect and surface modification technology was introduced in this work. Whether the liquid and gas molecules had polarities or not, they all could be detected by the sensors modified in different silane coupling agents. At the same time, the sensing characters of the single mode optical fiber with three different tapering lengths were researched, and it came to a conclusion that the optical fiber sensor had stronger evanescent field effect and higher sensitivity when length of tapered fiber was 30 mm. The functionalized tapered fibers modified by 3-aminopropyltrimethoxy silane (APTES) or 3-methylpropenylacyloxy propyltrimethoxy silane (MPAPTES), were employed to detect the polar or nonpolar molecules which had corresponding features. Further, the results of quantitative tests showed that the fiber optic sensor was sensitive to the change of the ethanol concentration and the characteristic peaks of the absorption power spectra could reach to 3–5 dB.     

主动相位偏置折叠型萨尼亚克光纤传感阵列时分复用技术

针对折叠结构萨尼亚克(Sagnac)光纤传感阵列存在噪声光与信号光混叠的问题,提出了一种主动相位偏置时分复用方案.在传统梯形结构传感阵列的基础上,通过调整总线光纤的长度关系和附加延迟光纤的方法,使噪声光和信号光依次交替返回而不会发生混叠.进一步分析表明,通过调整延迟光纤环的长度,可以使输入光脉冲的重复频率达到标准时分复用系统重复频率的二分之一.整个阵列的相位偏置由一个与输入光脉冲同步的相位调制信号驱动集成光学芯片实现.实验演示了一个两基元的传感阵列,最小时间间隔为331.25 ns,输入光脉冲重复频率可达754.727 kHz,在5 kHz处相位灵敏度为7.3μrad√(Hz),探头间串扰约为-51.75 dB.     

Underwater Acoustic Sensor with Fiber Bragg Grating

A new type of underwater acoustic sensor is proposed with an optical fiber Bragg grating (FBG). Because of the photoelasticity with respect to the refractive index and the elasticity of the fiber, the sound pressure in water modulates the Bragg reflection wavelength and, in turn, the intensity of the laser light transmitted through the FBG fiber. Good linearity between the detected signal and the sound pressure is obtained in the range from 81 dB to 140 dB re 1 μPa. Since the upper and lower limits of the acoustic signal level for operation of the sensor are limited by the driving circuit and the transduction of the sound in water, the sensor is expected to operate with much larger dynamic range both at higher and lower pressure levels. Operation of the sensor is very stable with the insertion of optical isolators into the system, although without the isolators the output signal fluctuates at low frequency due to the Fabry-Perot interference effect between the FBG and the various facets.     

双圈同轴光纤传感器在润滑油介质中的输出特性

针对双圈同轴式光纤(TCCOF)位移传感器用于滑动轴承油膜厚度检测时,由于传播介质为润滑油,传感器输出特性会受到影响,本文根据折射定律分析了传播介质对光纤最大入射角的影响,考虑传播过程中的光损并利用光场的准高斯分布规律建立了润滑油环境下的传感器数学模型,同时通过仿真计算得到了传播介质不同时的传感器输出特性。在此基础上,搭建了相应的传感器标定实验平台进行验证。结果表明:空气中TCCOF传感器的灵敏度为0.691/mm,润滑油中TCCOF传感器的灵敏度为0.464/mm;TCCOF传感器在润滑油测量环境中可减小光功率不同对传感器特性的影响;TCCOF传感器灵敏度随着反射面曲率半径的增大而增大;由于具有对称结构,当反射面为圆柱面时,TCCOF传感器可减小探头周向安装角度对其输出特性的影响。因此,在利用TCCOF传感器进行油膜厚度检测时,必须在相应润滑油环境下及相应的反射面情况下进行传感器标定。     

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。