对称熔融拉锥型光纤光栅温度和应力传感特性

锥形结构的光纤光栅具有对应力敏感而对温度不敏感的特性,这可以有效抑制温度与应力的交叉敏感问题.提出一种利用熔融拉锥技术实现对称双锥形结构的光纤光栅,结合传输矩阵法建立其传感特性理论模型并加以分析.首先研究影响啁啾系数变化的因素,得到啁啾系数与光栅长度变化量的关系;其次对对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱特性进行分析,讨论光谱短波长处出现密集调制现象的成因;然后仿真研究温度和应力对对称熔融拉锥型光纤光栅的反射谱影响,得到对应的中心波长和光谱宽度的变化关系.并针对应力灵敏度较低问题,提出聚合物涂覆锥区增大传感锥区光纤半径差而进行增敏的方案,利用熔融拉锥法制备对称熔融型光纤光栅,通过实验验证理论仿真的正确性,对称熔融拉锥型光纤光栅应力灵敏度为0.11391 nm/N.研究表明,对称熔融拉锥型光纤光栅的啁啾系数与光栅长度变化量满足线性关系.对称熔融拉锥型光纤光栅端处光栅周期较小,且反射率小于1,左边透射光与右边反射光会产生干涉,因此光谱短波长处会出现密集调制现象.随着轴向应力的增大,光栅反射中心波长向长波方向移动,光谱宽度变大,且两者与轴向应力均满足线性关系;随着温度升高,反射谱峰中心波长向长波方向移动,满足线性关系,而温度对光谱宽度的影响可忽略不计.通过增大传感锥区光纤光栅半径差,光纤光栅的应力灵敏度较之前提高了数百倍,并且增大光栅长度变化量有助于进一步提高应力灵敏度.对称熔融拉锥型光纤光栅的光谱宽度只对应力敏感而对温度不敏感,这一特性可用于实现温度与应力双参量测量.     

氧化石墨烯涂覆的空心微泡腔回音壁谐振模气体传感器

提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁,使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与有效折射率(气体体积分数)对应,据此实现腔内气体体积分数的传感测量。实验结果表明,当氨气的体积分数在0～40×10^-6的范围内时,提出的光纤气体传感器的响应呈线性,其传感灵敏度为0.73×10⁶ pm,分辨率为1.9×10^-6。当氨气的体积分数为20×10^-6时,传感器的响应和恢复时间分别是294 s和329 s。空心微腔结构一方面可以作为敏感单元,另一方面可以直接作为气体通道,避免了外部气室的使用或额外气体通道的封装,极大地提高了传感系统的实用性。     

基于侧漏型光子晶体光纤高灵敏度宽线性范围弯曲传感器的研究

基于所研制的侧漏型光子晶体光纤, 提出并研制出一种Sagnac干涉仪型高灵敏度宽线性测量范围的弯曲传感器. 实验研究结果表明, 当侧漏型光子晶体光纤中的线性缺陷与弯曲方向一致时, 采用群双折射和波谷波长偏移量测量弯曲曲率均可获得高的弯曲灵敏度, 但线性测量范围小, 且不能进行小弯曲曲率的测量. 当线性缺陷与弯曲方向垂直时, 以波谷波长偏移量进行弯曲曲率检测, 可获得10.798 nm/m^-1高灵敏度的同时且可实现0–5.03 m^-1的宽线性测量范围, 结合测量矩阵的引入可实现温度和弯曲曲率的同时测量, 进而剔除环境温度变化对弯曲曲率检测的干扰, 实现了高灵敏度宽线性范围的弯曲传感; 而以群双折射进行弯曲曲率检测, 虽然检测灵敏度较低, 但可实现对环境温度不敏感的弯曲传感. 关键词： 弯曲传感器 侧漏型光子晶体光纤 高灵敏度 宽线性范围     

FP腔与MZI级联的三参量同时测量的光纤传感器

制作了敏感材料修饰的拉锥光纤与微腔级联的多参量光纤传感器,并用实验研究了其应变、温度和湿度特性。所提微腔由飞秒激光划线放电形成,并对其进行拉锥。传感器的反射光谱干涉峰对应变的变化敏感,实验结果表明应变灵敏度为4.8 pm/με。然而,该结构对温度与湿度均不敏感,在该结构的锥部涂覆了掺入石墨烯量子点的聚乙烯醇之后,温度和湿度的灵敏度明显提升,此时最大温度灵敏度为20.4 pm/℃,最大相对湿度灵敏度最大为14.6 pm/%。对Dip1、Dip2、Dip3进行分析,再利用三阶矩阵消除交叉敏感,能够同时测量应变、温度和湿度。     

新型高掺Tm3+石英光纤制备及2.0μm激光性能研究

稀土掺杂石英光纤具有物化性能稳定、机械强度高、易于系统集成等优点，是目前光纤激光器最核心的增益介质，但其稀土掺杂浓度一般较低(<2%)。利用溶胶凝胶法和高温烧结工艺制备了Tm³⁺掺杂浓度为8.29×10²⁰ cm^-3的高硅氧玻璃，并表征了其光谱性能。采用溶胶镀膜和二次熔融拉锥方法制备了芯径约为4μm、外径为125μm的石英光纤，其可与商用无源光纤进行熔接。利用全光纤化线性腔结构，以制备的不同长度掺Tm³⁺石英光纤作为增益介质，均可实现1947 nm激光输出，光信噪比约为70 dB；当光纤长度为4.6 cm时，斜率效率高达14.1%；同时搭建了掺铥光纤放大器，测得光纤小信号净增益系数为0.48 dB/cm。研究结果表明，该新型光纤制备方法可为高浓度掺铥石英光纤提供新途径，有望推动其在2.0μm单频及高重频锁模光纤激光器中的应用。     

拉锥Ge_(15)Sb_(20)Se_(65)硫系玻璃光纤对乙醇溶液检测的光谱分析研究

采用熔融淬冷法制备了Ge_(15)Sb_(20)Se_(65)硫系玻璃,并拉制成直径为500μm的裸玻璃光纤,损耗测量结果显示光纤在6μm波长处的最低损耗为1.68dB/m。利用自行搭建的自动光纤拉锥平台拉制了腰锥直径分别为20,100,250μm的拉锥光纤,并对不同浓度的乙醇溶液进行了光谱分析检测实验,最后基于光纤倏逝波理论用COMSOL Multi physics软件仿真了三种不同腰锥直径的锥形光纤对乙醇溶液的传感灵敏特性,与实验结果进行了对比。     

高灵敏度光纤应变传感器

提出一种基于锥形光纤和光纤F-P腔组合结构的光纤应变传感器。该传感器包含单模光纤拉锥形成的锥区和石英毛细管构建的F-P腔2个应变敏感区域。理论分析了光波在该传感器中的传播过程,获得了该传感器的光强传输函数。由于锥形光纤中激发出的包层高阶模参与干涉,导致传感器干涉光谱具有调制特性。实验获得了该传感器的干涉光谱,通过分析谐振波长偏移或消光比变化对应变实现独立测量,在0~500 με的测量范围内,该传感器的应变灵敏度为14.6 pm/με。利用锥形光纤引发的模式干涉和F-P腔的双光束干涉效应共同作用形成受调制的干涉谱型进行应变传感,应变灵敏度高,同时具备2种独立的应变检测手段(谐振波长和消光比检测)。     

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。     

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...     

Fiber optic evanescent field absorption sensor: Effect of fiber parameters and geometry of the probe

A comparative experimental study of the fiber-optic evanescent field absorption sensor based on straight and U-shaped probes is presented. The effects of numerical aperture and the core radius of the fiber on the sensitivity of the sensor are experimentally investigated. Increase in the numerical aperture of the fiber increases the sensitivity of the sensor in the case of both the probes. The effect of core radius on the sensitivity depends on the bending radius of the probe. In the case of straight probe (i.e. infinite bending radius) the fiber with smaller core radius has high sensitivity while in the case of U-shaped probe with 0.17 cm bending radius, the fiber with larger core radius has high sensitivity. Thus, which fiber (with small or large core radius) has maximum sensitivity depends on the bending radius of the probe. For a given fiber, decrease in the bending radius increases the sensitivity of the U-shaped probe. An inverse power law relationship between the bending radius and the evanescent absorbance and hence the sensitivity is established.     

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器的相位干涉信号与光纤带弯曲曲率的关系,并与理论分析对比.结果表明该光纤弯曲传感器具有43.96 rad/m－1的灵敏度及0.004 m－1的高分辨率.     

基于薄芯光纤模态干涉技术的曲率光纤传感器

提出了一种新的基于薄芯光纤模态干涉技术的光纤曲率传感器。在单模光纤的中间部分插入薄芯光纤用于传感光路,没有插入薄芯光纤的单模光纤用于参考光路,以消除环境对曲率测量的影响。由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发,并与纤芯模在单模光纤内形成干涉。当改变薄芯光纤的曲率时,沿纤芯和包层传播的模态和光纤长度会发生改变,使得干涉谷峰发生平移。将传感光纤的两端固定的平移台上,当调节平移台距离时,薄芯光纤的曲率发生改变,导致干涉谷峰向短波方向平移。通过观察谷峰的平移距离可以实现曲率的传感测量。实验表明,该装置具有低损耗、低成本和高灵敏度的特点。     

光纤传感器位移和转速测量研究

介绍光纤传感器的测量原理,并对位移和转速测量进行研究,利用matlab软件对位移测量结果进行曲线拟合,且将光纤传感器和电涡流传感器的转速测量结果进行比较,最后得出利用光纤传感器进行测量具有电路结构简单、精度高、光路弯曲等优点。     

基于阵列波导光栅的智能服装人体测温解调系统研究

研究并实现了一种应用于智能服装中人体温度测量的阵列波导光栅解调系统。分析了系统的解调原理,搭建了光纤布拉格光栅解调实验平台,采用了强度法解调出光纤光栅的布拉格波长,完成了光纤光栅传感器串联前后解调的实验。结果表明,系统对光纤布拉格光栅的布拉格波长的解调具有高线性度,波长测量精度可达0.001 nm,光纤布拉格光栅传感器间串扰所造成的解调误差为0.000 5 nm,人体温度的测量误差为±0.16 ℃。该解调系统精度高、串扰低,可适用于智能服装中人体温度的测量。     

弯曲增敏型光纤曲率传感器机理的研究

近年国外出现一种直接检测弯曲的低成本光纤曲率传感器,采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲的灵敏度。这种传感器的线性范围宽,能区分正向弯曲和负向弯曲,在测量较大弯曲变形的场合更具优势;并且适合埋入结构内部检测,通过转换还可测量轴向应变。然而其传感机理方面的研究仍处于探索阶段。通过分析光辐射度余弦定律理论、回音壁光线理论、沟槽角度理论等国内外对该传感器机理的研究成果,并基于平面波导的光散射损耗理论,提出了光纤曲率传感器的机理。指出弯曲引起光纤敏感区表面散射损耗的改变是导致光传输损耗改变的原因;推导出损耗与光纤弯曲半径、表面特性、光纤结构参量关系的数学模型,并通过实验验证了模型的有效性。     

Fiber optic distributed sensor for hydrocarbon leak localization based on transmission/reflection measurement

A novel type of distributed fiber optic sensor for petroleum hydrocarbon leak detection and localization based on the measurement of transmitted and Rayleigh backscattered power is presented. The sensor structure includes a sensitive polymer, which reversibly expands in hydrocarbon presence and induces the bending losses in the fiber. The location of the loss region is determined from unique relationships between normalized transmitted and Rayleigh backscattered powers for different positions of the disturbance along the test fiber. The localization of a strong disturbance with an estimated accuracy of ±1 m along a 2.844 km-length single-mode fiber was demonstrated.     

Intensity measurement bend sensors based on periodically tapered soft glass fibers

We demonstrate a technique for tapering periodically an all-solid soft glass fiber, consisting of two types of lead silicate glasses, by the use of a focused CO(2) laser beam and investigate the bend sensing applications of the periodically tapered soft glass fiber. Such a soft glass fiber with periodic microtapers could be used to develop promising bend sensors with a sensitivity of -27.75 μW/m(-1) by means of measuring the bend-induced change of light intensity. The proposed bend sensor exhibits a very low measurement error of down to ±1%.     

Remote Temperature Sensor Based on the Up-Conversion Fluorescence Power Ratio of an Erbium-Doped Silica Fiber Pumped at 975 nm

Abstract

This article presents experimental results demonstrating the performance of an erbium-doped silica fiber as a remote temperature sensor in the interval from 20°C to 200°C. The sensor is based on the change in the fluorescence intensity ratio of two spectral bands as a function of temperature. The green fluorescence signal was generated by up-conversion processes in the erbium-doped fiber pumped at 975 nm. A radiometric analysis was applied to the erbium-doped fiber to evaluate its performance as a temperature sensor, and the results from this analysis were compared against other rare-earth-doped fiber sensors that utilize the intensity ratio technique.     

光纤瞬态高温传感器及动态测试系统

为了解决特殊环境下的瞬态高温测量, 设计了一种基于黑体辐射的光纤高温传感器及动态测试系统。根据辐射测温的基本原理, 结合光纤传感技术, 采用了“接触-非接触”测量方法和光纤光栅窄带滤波技术, 提高了测量精度, 减小了背景光的影响。由于瞬态温度随时间变化快, 动态误差大, 探索了一种利用大功率高频CO2激光器作为激励源, 用激光脉冲加热被校传感器。用测得的温度信号对被校传感器进行可溯源高温动态校准的新方案。实验结果表明, 系统测温范围为800～2000 ℃, 并具有精度高, 响应快, 抗电磁干扰, 性能稳定的特点, 解决了热电偶响应速度慢, 寿命短的缺陷, 为冶金、石油、化工、武器研制等领域的瞬态高温测量提供了一种新的测试手段。