声表面波梁式加速度传感器的优化设计

为获得传感器的优化设计,对一种声表面波梁式加速度传感器敏感机理进行了研究。从声波波动方程出发,结合有限元分析以及微扰理论对加速度作用力作用下声表面波传播特性进行分析,以此构建梁式声表面波加速度传感器敏感机理的理论模型,特别分析了压电梁材料及几何结构、振子质量对传感响应的贡献以确定传感器优化的几何参数。为验证理论分析结果,实验研制了基于ST-X石英悬臂梁结构的差分振荡式声表面波加速度传感器,并利用精密振动台对所研制传感器性能进行评价。实验结果显示,在给定加速度测试范围内,采用ST-X石英梁并延长梁长度、降低梁厚度以及采用较大的阵子质量将有效的改善传感器检测灵敏度,在±2 g范围内加速度灵敏度可达27 k Hz/g,且实验结果很好的验证了理论模型。     

差分式SAW温度应变复合传感器*

本文基于声表面波(SAW)理论和微扰理论,首次提出了并研制由三个谐振器组成的差分式SAW 温度应变复合传感器。通过COMSOL对AT切型和XY切型的两种SAW谐振器进行了仿真,根据其频率-应变响应和频率-温度响应,设计并研制了能够进行温度补偿和应力应变补偿的温度应变传感器,传感器的应力测量灵敏度为100Hz/u,温度测量灵敏度为80kHz/。该传感器成功应用到了隔离开关的状态监测,现场测试表明,该传感器对隔离开关触指温度和应变的检测可实现对隔离开关工作状态的有效判别,在未来的电力系统设备在线检测中具有重要的应用前景。     

热声转换的声表面波电压传感机制

提出了一种基于热声转换的高灵敏声表面波(SAW)电压传感机制并开展实验验证。从传热角度以及微扰理论出发建立了基于热声转换机制的SAW电压传感理论模型,探索了结构参数以及环境因素对SAW电压传感器灵敏度的影响规律。为了验证理论模型,在Y切石英基底上同芯片集成设计MEMS微型加热器与200 MHz声表面波器件以制备SAW电压传感器件,并搭建电压测试平台对传感器件开展性能测试。实验结果表明所制备的SAW传感器件电压与频率响应之间具有二次线性关系且在室温(20℃)下具有与理论相近的电压灵敏度(22.4 kHz/V),此外实验获得的环境温度对电压灵敏度的影响规律与理论相符。基于热声转换机制的SAW电压传感器能够显著的提高电压检测灵敏度。     

长周期光纤光栅传感器温度和应变灵敏度分析

从耦合模理论出发,分析了长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度.结果表明,长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与光栅周期和纤芯参数有关,还强烈依赖于包层参数.通过选择适当的参数,可以制成对温度(或应变)不敏感的应变(或温度)长周期光纤光栅传感器,从而可以解决光纤光栅传感器的温度和应变交叉敏感问题.同时,利用基模与不同包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同,可以用一根长周期光纤光栅传感器同时测量温度和应变.     

声表面波气体传感器研究进展*

基于声表面波技术的气体传感器包括采用敏感膜和结合气相色谱两种方式。比较而言,采用敏感膜的声表面波气体传感器体积小、功耗低,适应小型化毒气报警器的发展要求,但可检测的气体种类少、灵敏度低、存在交叉干扰问题;声表面波与气相色谱联用的气体分析仪灵敏度高、可检测气体种类多、很好地解决交叉干扰问题,特别适合于复杂大气背景条件下的气体成分分析。本文从传感器响应机理分析与物理功能结构两方面出发介绍了两类声表面波气体传感器的研究进展情况。     

谐振式检测器指条厚度对质量型声表面波传感器灵敏度的影响

研究了谐振器指条厚度对质量型声表面波传感器灵敏度的影响.利用耦合模方程推导出耦合模参量与周期栅阵禁带边界频率的关系,结合有限元及P矩阵模型,获得了声表面波传感器灵敏度随指条厚度的变化关系。制备3种不同铝指条厚度(1600?,1900?,3100?)的声表面波谐振器,通过对其表面中心区域沉积SiO_2层验证了计算结果。结果表明:采用ST-X石英基底的声表面波谐振器对SiO_2负载检测时,传感器的灵敏度随铝指条厚度的增加先变大后减小,最优归一化指条厚度为1.9%。分析表明,指条厚度对传感器灵敏度的影响主要来自于传播速度和耦合系数的共同作用,通过优化指条厚度的方法可改善传感器的灵敏度.     

宽温度范围SAW应变传感器温度与应变解耦研究*

针对宽温度范围应变测量的温度干扰问题,提出并研究了基于双谐振器的声表面波应变传感器。理论上,结合微扰理论、有限元方法、有效介电常数法分析出双谐振器频率与应变、温度的关系公式,进而推导出应变与温度关于这两组谐振器频率变化的表达式。实验上,搭建宽温度范围的实验平台,在Y+34?切向的石英基片上制作该传感器芯片,测得传感器芯片在30?C～180?C下的频率响应,将测得的谐振器频率代入表达式计算得到温度与应变值,与实验中参考温度与应变的值基本吻合。     

声表面波生物传感器质量灵敏度的理论与实验验证

针对声表面波传感器在生物检测中的性能评价与优化,提出一种快捷验证适用于生物传感器的声表面波器件质量负载灵敏度的实时检测方法.首先基于二维近似假设和周期性边界条件,建立了以石英为压电基底材料、SiO2为波导层的Love波传感器的三维有限元分析模型,从理论上验证了波导层对Love波传感器灵敏度的影响.在实验上,通过MEMS...     

基于指条厚度优化的冷凝式SAW气体传感器灵敏度提升方法

该文通过对声表面波谐振器指条厚度的优化提升了冷凝式气体传感器的灵敏度。基于流固耦合理论,利用有限元商业软件建立了有液膜负载和无液膜负载下的多物理场三维周期模型,并提取了相应的耦合模参量,利用耦合模模型及P矩阵级联技术,计算了不同指条厚度下液膜负载引起的传感器响应,获得了冷凝式声表面波气体传感器灵敏度随指条厚度的变化关系。实验中制备了6种不同电极厚度的声表面波谐振器,并利用甲基膦酸二甲酯实验样品完成了传感器的响应测试,验证了理论分析的正确性。结果表明,冷凝式声表面波气体传感器的灵敏度随指条厚度的增加先变大后减小,最优归一化电极厚度为6.4%～7.6%之间。该研究结果对进一步提升传感器灵敏度具有重要意义。     

用于电流传感的声表面波磁致伸缩效应

利用声表面波(SAW)磁致伸缩效应可以实现一种快速、高灵敏度的电流检测方法,但磁致伸缩薄膜内部矫顽力导致了明显的磁滞误差。磁致伸缩薄膜的栅阵化设计可以减小磁致伸缩时薄膜内部矫顽力,抑制磁滞现象,从而实现高灵敏和低迟滞误差的SAW电流检测。结合有限元和耦合模理论对沉积铁钴(FeCo)薄膜栅阵的声表面波电流传感器中的磁致伸缩效应进行分析,对传感响应进行仿真,确定优化的传感结构参数。为验证理论分析,实验研制了频率为150 MHz的声表面波电流传感器件,并结合差分振荡电路及亥姆霍兹线圈,建立传感器测试系统.实验结果表明,磁致伸缩薄膜的栅阵设计大幅降低了迟滞误差,并显著提升了传感器灵敏度。      

外腔式光纤Fabry-Perot干涉型高温应变传感器

介绍了一种外腔式光纤Fabry-Perot干涉型(EFPI)高温应变传感器,传感器是在两段切割平整的单模光纤之间熔接一段空心光纤构成。实验证明,传感器在1000℃以下时能够稳定工作,腔长变化灵敏度为0.17nm/με,应变测量灵敏度可达±1με,线性度高达0.99998。EFPI高温应变传感器结构紧凑,工艺简洁,成本低廉,是一种可靠、优秀的高温应变传感器。     

用光子晶体光纤光栅实现温度、应力和气体浓度的同时传感

为了解决传统光纤传感在传感不同物理参量时需要多个传感器的问题,并拓展光纤在同时传感多参量方面的应用,结合光子晶体光纤（PCF）中基模与高阶模光的不同传感特性以及气体吸收传感原理,在PCF传感温度、应力双参量的实验基础上,应用理论分析的手段探讨了同时传感温度、应力和气体浓度3种参量的方法。给出了3种参量的计算式并进行了数值模拟,最后设计了一套相对简单、性价比高的传感解调系统。理论分析和数值模拟表明:温度在0℃以上时可以获得高于0.98 pm/℃的温度灵敏度;基模光应力灵敏度为1.2 pm/,高阶模光可获得高于0.83 pm/的应力灵敏度;长度较短的光子晶体光纤能够测量较高的气体浓度。本方案使用2个写入光纤布拉格光栅（FBG）的PCF作为传感器同时传感温度、应力和气体浓度3种参量,能够有效降低传感成本,拓宽气体、液体传感研究的思路。     

光纤布喇格光栅应变传感器结构优化研究

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249pm/N、330pm/N和1.1pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.     

S+C+L波段色散斜率补偿光子准晶体光纤

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249 pm/N、330 pm/N和1.1 pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.     

合金钢封装光纤Bragg光栅传感器传感特性的研究

提出了一种光纤光栅新型合金钢封装结构。利用等强度悬臂梁和温度控制箱对合金钢封装光纤布拉格光栅的应力和温度传感特性进行了测量。实验表明,采用该种封装的光纤光栅传感器保持了裸光纤光栅的响应灵敏度,其拉应变灵敏度系数为1.17pm/με,压应变灵敏度系数为1.2pm/με,温度灵敏度系数为11.3pm/℃,线性响应度在0.9995以上,可满足实际应用的要求。     

Temperature-insensitive Mach-Zehnder interferometric strain sensor based on concatenating two waist-enlarged fiber tapers

A novel temperature-insensitive strain sensor,based on an in-line Mach-Zehnder interferometer,is fabricated by concatenating two waist-enlarged fiber tapers separated by a short piece of photonic crystal fiber. The interference spectrum of the proposed sensor is analyzed in detail.Experimental results demonstrate that this sensor has a strain sensitivity of.3.02 pm/μεand maintains the temperature insensitivity feature. The proposed sensor has great potential in diverse sensing applications due to its advantages,such as its compact size,low cost,and simple fabrication process.     

Temperature and strain sensitivities of surface and hybrid acoustic wave Brillouin scattering in optical microfibers

Temperature and strain sensitivities of surface acoustic wave (SAW) and hybrid acoustic wave (HAW) Brillouin scattering (BS) in 1 μm-1.3 μm diameter optical microfibers are simulated. In contrast to stimulated Brillouin scattering (SBS) from bulk acoustic wave in standard optical fiber, SAW and HAW BS, due to SAWs and HAWs induced by the coupling of longitudinal and shear waves and propagating along the surface and core of microfiber respectively, facilitate innovative detection in optical microfibers sensing. The highest temperature and strain sensitivities of the hybrid acoustic modes (HAMs) are 1.082 MHz/℃ and 0.0289 MHz/με, respectively, which is suitable for microfiber sensing application of high temperature and strain resolutions. Meanwhile, the temperature and strain sensitivities of the SAMs are less affected by fiber diameter changes, ranging from 0.05 MHz/℃/μ to 0.25 MHz/℃/μ and 1×10^-4 MHz/με/μ to 5×10^-4 MHz/με/μ, respectively. It can be found that that SAW BS for temperature and strain sensing would put less stress on manufacturing constraints for optical microfibers. Besides, the simultaneous sensing of temperature and strain can be realized by SAW and HAW BS, with temperature and strain errors as low as 0.30 ℃-0.34 ℃ and 14.47 με-16.25 με.     

A novel optimal sensitivity design scheme for yarn tension sensor using surface acoustic wave device

In this paper, we propose a novel optimal sensitivity design scheme for the yarn tension sensor using surface acoustic wave (SAW) device. In order to obtain the best sensitivity, the regression model between the size of the SAW yarn tension sensor substrate and the sensitivity of the SAW yarn tension sensor was established using the least square method. The model was validated too. Through analyzing the correspondence between the regression function monotonicity and its partial derivative sign, the effect of the SAW yarn tension sensor substrate size on the sensitivity of the SAW yarn tension sensor was investigated. Based on the regression model, a linear programming model was established to gain the optimal sensitivity of the SAW yarn tension sensor. The linear programming result shows that the maximum sensitivity will be achieved when the SAW yarn tension sensor substrate length is equal to 15 mm and its width is equal to 3 mm within a fixed interval of the substrate size. An experiment of SAW yarn tension sensor about 15 mm long and 3 mm wide was presented. Experimental results show that the maximum sensitivity 1982.39 Hz/g was accomplished, which confirms that the optimal sensitivity design scheme is useful and effective.     

高分辨率光纤应变传感技术的研究

介绍光纤应变传感器中光纤端面反射镜的制作方法,镀膜光纤的连接技术和构成不对称光纤法布里－珀罗干涉腔的方法。应用低反射率不对称光纤法布里－ 珀罗干涉腔与光纤连接构成的光纤应变传感器,以提高分辨率;重点导出此干涉腔反射光与应变的数学模型,论述其工作原理和测量方法,通过实验证明文中所述应变传感原理和测量方法是正确的,其分辨率优于０－００６８με。     

Fiber Bragg grating strain sensor based on fiber laser

A study on fiber Bragg grating (FBG) strain sensor, based on erbium-doped fiber (EDF) laser, is presented. A strain-sensing element, FBG, also acts as the lasing wavelength selecting component. When strain is applied on the FBG, the laser cavity loss changes, leading to a modification of the laser transient. Strain measurements are obtained in the time domain by simply measuring the EDF laser build-up time. Relative variation in the build-up time of up to 190%, for a strain range from 0 με to 2350 με, is achieved with a resolution corresponding to a strain of better than 2.35 με. This study demonstrates a novel fiber sensor concept and the technical feasibility to develop fiber strain measurement.