基于Mach-Zehnder干涉仪的单模光纤声波传感器的研究

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器.它与普通的传感器相比,具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、防燃等优点,因此在温度、应力、磁场等传感领域都有着广泛的应用.本文研究的光纤声波传感器,其基础为Mach-Zehnder(M-Z)全光纤干涉仪,我们主要的工作集中在传感臂探头的制作.所研制的基于M-Z干涉仪...     

基于稀土掺杂光纤的强度调制型弯曲传感器

研究了一种基于稀土掺杂材料的新型周期性微拉锥玻璃光纤及其弯曲传感应用技术. 该光纤的纤芯和包层分别由两种硅酸铅玻璃材料组成,具有可塑性好和易于形成微拉锥的特点. 该传感器的核心敏感体由聚焦的CO₂激光束对稀土掺杂光纤进行周期性和等间距加热方式制备. 论文以该敏感体为核心,结合精密位置移动平台和光学测量平台,构建了基于强度调制的弯曲传感测量系统. 理论研究和实验结果表明,这种弯曲传感测量系统的传输光强灵敏度达到-28.2 μW/m,测量误差低于±1%,具备实际的工程应用价值. 关键词： 稀土掺杂光纤 微拉锥 弯曲传感 强度调制     

基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器

研究了一种基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器,该传感器是由单模光纤和多层石墨烯薄膜构成的光纤法布里-珀罗干涉腔结构。分别采用多层的石墨烯和氧化石墨烯(GO)材料作为声压敏感薄膜,进行声波传感实验研究。结果表明,在音频范围内,基于石墨烯和GO薄膜的光纤声波传感器的平均信噪比分别达到56dB和69dB,平均最小可探测声压灵敏度分别为20.8μPa·Hz~(-1/2)和6.63μPa·Hz~(-1/2),远低于电学声波传感器的最小可探测声压灵敏度。基于石墨烯材料的光纤声波传感器具有更高的声波检测灵敏度,适用于强电磁干扰、狭小空间等环境下的微声压测量。     

强度调制型光纤传感器的补偿技术

采用光桥平衡技术可实现对强度调制型光纤传感器系统不稳定因素的补偿。文中给出透射式和反射式两种改进方案，对其进行了较详细地分析，提出的反射式光桥补偿的结构具有简单，可靠，实用的特点，实验结果与理论分析相一致，取得较好的补偿效果。     

强度调制型光纤折射率传感器的设计与研究

研制了一种基于菲涅耳反射原理的测量液体折射率的光纤传感器.该传感器采用普通FC/PC尾纤插头作为传感头.整个实验系统需要的元件少、光路简单.讨论了测量的基本原理和数据处理方法.采用相对强度的数据处理方法,有效地消除了光源不稳定性和光路中各种损耗所带来的误差,提高了系统的测量准确度.实验结果表明,测量准确度能够达到10－4 量级,并且适合微量液体的测量.该测量方法还可扩展到固体、气体和其它与折射率相关参量的测量.     

基于强度型光纤传感器的溶解与凝固过程监测

通过改良双通道强度型光纤传感器参考端的参考方式,把参考光纤置于与待测物具有相同或相近折射率温度系数的液体中,从而消除外界环境的不稳定性和多变性.通过食盐、蔗糖和冰糖的溶解速率对比实验,以及胶水和蜡烛的凝固实时监测实验,结果表明,这种传感方式能够很好地对物质的溶解和凝固过程进行实时在线监测.     

强度调制光纤传感器

纤维光学传感器是广泛应用传感技术的基础,众所周知,光纤的优越性使其用于传感器特别有吸引力,而且大多数物理量可以用这些传感器来传感。可以传感的一些现象包括光强、位移(位置)、温度、压强、转动、声音、应变、磁场、静电场、辐射、流动、液面、化学分析和振动等。强度调制光纤传感器是简单的接通或断开型传感器的改进型。计数器和开关采用了通-断脉冲的数字特性,而透射和反射型光纤传感器在性质上是模拟型的。测量时,这种传感器调制输出光的强度。此外,还有两个光纤传感器即微弯曲传感器和本征传感器属于此类。     

基于F-P腔和FBG的强度调制型光纤液位传感器

设计了一种用于液位测量的光纤F-P(Fabry-Perot)传感器,并从传感头的设计制作出发,讨论了提高传感器输出信号对比度的方法;测量系统采用宽带光源,解调时经FBG(Fiber Bragg Grating)反射和透射得到传感信号和参考信号,对两路光强信号进行联合处理,补偿了光源功率波动和光路损耗变化引起的不良影响,消除了强度调制型传感器的固有缺点,此方法具有结构简单、成本低的优点;该系统可进行连续测量,测量范围为0到200kPa,相当于测量水深0到20m,其分辨力小于1cm(水面高度变化),特别适合对易燃易爆的环境中的油库液位进行测量。     

基于无芯光纤强度调制型液位传感器的设计与性能

利用强度调制型光纤传感器容易解调的优势,提出了一种强度调制型光纤液位传感器.传感器由三根无芯光纤组成,其中,无芯光纤1与无芯光纤2串联构成测量臂,无芯光纤3构成参考臂.仿真分析得出,无芯光纤长度每缩短1mm,透射峰波长增加25.46nm.在0~50mm小液位范围内,实验测得传感器在水、5%NaCl、10%NaCl和15%NaCl水溶液四种液体环境中的液位灵敏度分别为0.069 5dB/mm、0.074 73dB/mm、0.077 49dB/mm及0.082 71dB/mm,线性度分别为0.998 25、0.998 49、0.988 11及0.995 13,线性度较高.该传感器可较好地消除光源光功率波动与环境温度变化带来的影响,重复性较好,在石油化工领域有一定的应用潜力.     

基于单端探测温度和折射率的MZI光纤传感器

提出并演示了一种基于单端探测的光纤传感器,可同时测量温度和折射率。微结构光纤探头由两个玻璃光纤微球拼接在一起,并在该探头的末端利用真空电子束蒸镀一层铝膜以增加反射,从而形成微球结构的马赫-曾德尔型光纤传感头。实验结果表明,该器件的温度灵敏度和折射率可分别达到50.77 pm/℃和-21.94 nm/RIU。这项工作提出了一种低成本、高分辨率的基于光纤方法实现的多功能传感应用。单端探测的马赫曾德尔型光纤传感器小尺寸的优势可应用到小体积气体的测量,而它的全二氧化硅设计提供了高温或化学严酷环境的兼容性。     

光纤生物免疫传感器原理及关键技术研究

利用建立的反射光谱分析系统(Rifs)和SiO2表面蛋白分布的原子力显微镜(AFM)表征,提出了利用生物膜层反射光谱曲线极值点波长变化实时监测抗体抗原免疫反应的新方法. 实验表明,得到的生物免疫反应动力曲线与反应过程有很好的对应关系. 该方法克服了目前生物检测中膜厚算法的不足,方法简单有效,能够实现对生物反应过程的实时监测.     

基于强度补偿式光纤传感器测金属线胀系数

分析了强度补偿式光纤位移传感器的补偿机理.通过测量定标,应用最小二乘法确定了该传感器的特性曲线和拟合方程.使用强度补偿式光纤传感器测量了黄铜和铝杆的线胀系数.实验结果表明:强度补偿式光纤位移传感器采用比值运算法给出测量结果,其灵敏度高,稳定性好,用其测量微小位移,可消除一些传统测量方法中待测参量较多而引入过多测量误差的问题,实现非接触测量,且克服反射式非补偿位移传感器因光源光强波动、光纤传输介质损耗及环境光干扰所带来的测量误差.     

干涉型光纤声传感器的研究

本文对光纤声传感器的压力灵敏度作了理论分析,且分析讨论了非均匀压力下的灵敏度,实现了直流相位跟踪零差检测(PTDC)系统,并测定了声压与输出电信号的关系,采用5m长光纤得到声压检测阈值为200μPa.     

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。     

测量转动体位移的光纤传感器的研究

本文报道了采用光学三角漫反射技术来测量转动体位移的光纤传感器从理论上推导了该位移是漫反射产生的光脉冲的某些时间间隔之比的线性函数,实验上得到了7～34mm的测量范围,在该测量范围内误差小于1%.该种测量方法测得的位移与转动体转速无关,与光源强度无关,传感头结构简单,测量范围大,线性度好。本文还对它的应用进行了讨论。     

一种反射式强度调制型光纤传感器的设计与实现

本文介绍了一种结构简单、易于实现的反射式强度调制型光纤传感器．它是根据光纤端面与被测物体之间所构成的反射接收关系制作而成的．文中给出了平面反射式强度调制型光纤传感器所依据的理论公式,采用L—M非线性拟合算法,使用制作的传感器采集数据并对光纤传感器各参量进行了标定．目前用这种方法制作的光纤传感器已经成功应用于教学实验．     

光纤松耦合型传感器特性研究

本文介绍一种实用的光纤传感器,它由二根光纤或多根光纤紧靠一起,并在同一位置除去局部包层,成为松耦合状态,在这种状态下,研究了它的特性和应用。 当耦合间隙中充满某种液体介质时,耦合效率明显增大,因此可以方便地判别该介质是否存在。并且实验证明了一种光纤只能有一种相近于光纤芯子折射率的介质具有最大的灵敏度。当间隙内的介质不变时,耦合功率的大小决定于耦合距离d和耦合长度l,l一旦决定以后,d的调节精度为0.1mm量级,易于在机械结构上实现线性检测。     

耦合型光纤振动传感器实验研究

根据单模光纤耦合器的耦合比对耦合区长度变化敏感的特点,提出了一种耦合型光纤振动传感器,并设计了相应的解调系统对传感器的响应进行光电转换和信号处理.进行了静态和动态测试并给出了传感器在振动和冲击激励下的响应曲线,实验结果和压电传感器的测量结果相吻合.结果表明,耦合型光纤振动传感器不仅满足振动测量的要求,而且具有测量准确度高,制作简单,成本较低等优点.     

基于F型梁的光纤光栅加速度传感器

为满足悬臂梁式传感器测量带宽大、灵敏度高的需求,采用F型梁增敏结构设计了一种光纤光栅加速度传感器。首先推导出传感器的谐振频率和灵敏度公式,在此基础上使用MATLAB优化传感器参数,并利用ANSYS对传感器进行模态分析和谐响应分析,得到了传感器的模态振型图以及两种不同阻尼比条件下的幅频响应,仿真结果与理论计算基本一致。制作了2个传感器实物,对直接封装的传感器1和填充硅油后封装的传感器2进行了幅频响应、灵敏度特性和横向抗干扰能力测试。实验结果表明：传感器1的谐振频率约为168 Hz,测量带宽为1.5～50 Hz,灵敏度系数为159.84 pm/g,横向抗干扰度为9.88%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值误差分别为0.93%和3.29%;填充硅油后的传感器2的测量带宽为1.5～100 Hz,灵敏度系数为133.57 pm/g,横向抗干扰度为8.1%。实验证明在传感器内部填充硅油可以增大传感器工作带宽,提高横向抗干扰能力。     

基于开槽型DBR光纤激光器拍频的折射率探测

提出一种包层开槽型分布布拉格反射光纤激光器,用于光纤激光折射率探测.该激光器以单纵模双偏振分布布拉格反射光纤激光器为核心传感单元,以结构双折射产生的拍频信号为传感信号对折射率进行探测.实验中应用频率编码,灵敏度高且易于解调.利用二氧化碳激光器的热效应对分布布拉格反射光纤激光器的谐振腔加工开槽,通过控制其扫描范围和功率来制备不同宽度和深度的开槽结构,并研究了不同结构参量对灵敏度特性的影响.实验测得最优灵敏度达-240 MHz/RI-unit.此外,还对该结构的温度传感特性做了测试,相较于未刻槽结构,温度灵敏度提高了21%,达1.73 MHz/℃.该装置结构紧凑、稳定性高、制备简单且成本低廉,可用于进一步研究分布布拉格反射光纤激光器的传感和复用特性.