基于微椭球空气腔的光纤压力传感器的设计

设计了一种新型的在线光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器.该传感器的F-P腔为微椭球空气腔,由光纤熔接机以特定的熔接参数熔接单模光纤和实芯光子晶体光纤而成.该传感器基于F-P干涉原理测量压力,全石英结构,制作工艺简单,温度串扰小.分析了封闭的椭球形空气F-P腔中短轴直径(腔长)与长轴半径(敏感膜有效半径)的关系;利用高斯光束传输理论分析了空气F-P腔形状与腔内损耗的关系.分析了SiO2敏感膜受压后中心挠度与膜厚、有效半径的关系.建立了SiO2膜的压力敏感特性模型,在施加均布载荷条件下对模型的挠度形变特性进行了数值解析和有限元仿真.仿真了传感器F-P干涉条纹波谷波长与压力的关系,为设计制作光纤微压传感器提供了理论依据.     

本征法布里-珀罗腔光纤压力传感器理论研究

建立了光子晶体光纤(PCF)型本征法布里-珀罗(F-P)腔光纤压力传感器压力响应理论模型,讨论了各参数对压力响应灵敏度的影响,给出了Matlab程序理论模拟结果。鉴于PCF焊接工艺的困难,提出了利用外径不同的单多模光纤熔接构成的改进型单多模光纤复合本征F-P腔光纤压力传感器结构,建立了压力响应理论模型,分析了提高压力响应灵敏度的关键参数,并模拟了光纤外径对压力响应灵敏度的影响。通过对两种本征F-P腔光纤压力传感器的比较分析看出,改进型结构无论在压力响应灵敏度还是制作难易度方面都颇具优势。     

超高压力灵敏度的光纤微型F-P腔

基于法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）腔的干涉原理,提出了一种新型超高压力灵敏度的可压缩光纤微型F-P腔。该压力传感器的FP腔是将单模光纤（Single Mode Fiber,SMF）与石英管熔接后浸入水中在SMF端面处形成的空气泡来构成,其压力灵敏度大于1000nm/kPa。该光纤微型F-P腔在高灵敏度压力测量和水声传感方面有着潜在的的应用价值。     

基于Fabry-Perot光纤应变传感技术的监测系统

介绍了外腔式光纤法布里-珀罗(F-P)应变传感器的基本原理和信号调理技术。设计了基于F-P应变传感技术和虚拟仪器技术的结构应变实时监测系统并应用于桥梁健康监测现场。现场应用结果表明,法布里-珀罗光纤传感器与传统传感器相比具有响应速度快、动静态测量、绝对测量、抗电磁干扰和易于与钢筋、混凝土复合等特点,适用于桥梁等结构的应变测试。所设计的应变监测系统可用于结构健康状态的在线监测。     

径向基函数神经网络在光纤法布里-珀罗传感器解调中的应用

提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的光纤法布里一珀罗传感器解调方法.从理论上分析了该方法的解调原理.从干涉谱中提取特征值,利用干涉谱的特征值和腔长作为训练集,对RBF网络进行训练,训练好的网络就可以实现预测腔长的功能.在测量范围为0～2 MPa的法布里-珀罗(F-P)腔MEMS压力传感器进行的解调实验中,该算法可以辨别0.1 MPa的压力,腔长与压力数据的拟合度为0.98858.仿真计算得出,该方法解调出的腔长的相对误差达到0.02%,腔长的最大绝对误差小于0.1μm.实验结果表明,神经网络方法可以达到较高的精度,满足实际需求.     

CO2激光熔融毛细管端面制备的光纤F-P压力传感器

提出了一种利用CO2激光熔融毛细管端面来制备光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器的方法。F-P结构由普通单模光纤和基于CO2激光熔融毛细管端面制备的硅薄膜组成。文章详细说明了硅薄膜的制造工艺和熔融参数,并对光纤F-P压力传感器进行了性能测试。实验结果表明:制备的光纤F-P压力传感器对气压具有良好的灵敏度和线性度,灵敏度可达到16.37pm/kPa,线性度为0.998。该光纤F-P压力传感器结构紧凑,易于生产,具有在极端恶劣环境下的应用潜力。     

横向局部受力光纤光栅的研究

仿真分析了光纤布拉格光栅(FBG)横向局部受力时的光谱变化,对不同受力位置、受力大小、受力长度的FBG分别作了光谱分析.当FBG横向局部受力时,光谱会分裂,在反射光谱上出现一个透射缺口,且随压力的变化而呈线性、周期性变化.通过和光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的比较,发现此缺口是光纤光栅法布里-珀罗腔效应形成的,这将对此类光纤光栅传感系统的光谱检测具有一定的指导意义.     

啁啾光纤光栅法布里-珀罗传感器波分频分复用

实现了一种具有大容量复用潜力的啁啾光纤光栅(CFBG)法布里-珀罗(F-P)传感器复用系统。该传感器复用系统的建立基于波分频分复用方法,即中心波长相同的传感器利用腔长不同空间频率不同来实现空间频分的复用,采用不同中心波长的传感器阵列与频分复用方法相结合就可实现波分频分复用。描述了该光纤光栅法布里-珀罗传感器复用系统的结构、原理及应变实验结果。实验结果表明,该方法可以大大地提高光纤光栅法布里-珀罗应变传感器的复用能力,理论上可复用数百个光纤光栅法布里-珀罗应变传感器;实验中应变测量精度好于±10με,可满足大部分实际应用的要求。     

用于石化反应器的光纤F-P温/压复合传感器

为了实时监测石化反应器内部高温、高压环境下压力和温度变化, 严格控制原料的反应过程, 采用法布里-珀罗(F-P)多腔干涉理论, 设计并制备了一种光纤F-P温度、压力复合传感器。该传感器由石英玻璃和蓝宝石玻璃构成, 石英与蓝宝石之间的空气腔为压力腔, 温度腔则为蓝宝石本身。通过理论计算和仿真验证, 分析了压力腔和温度腔不同参数对传感器性能的影响, 从而取得了最佳的传感器结构参数数据。结果表明, 该传感器制作工艺简单且性能可靠, 能够实现0MPa~5MPa和-20℃~300℃范围内压力和温度的同时测量; 该传感器在压力0.1MPa~5MPa和温度20℃~180℃环境下有良好压力温度线性响应关系, 压力灵敏度为796nm/MPa, 温度灵敏度为3.864nm/℃。该传感器适用于石化反应器内部高温高压环境下压力和温度的同时监测。     

基于双金属膜的光纤MEMS温度传感器的设计

提出了一种新型结构的温度传感器,该传感器基于Fabry-Perot干涉和双金属效应.采用MEMS技术制作出线性度好、精度高的光纤MEMS温度传感器.阐述了传感器的工作原理,研究了传感器的力学模型,确定了温度敏感膜材料,用有限元软件ANSYS验证了模型的合理性.模拟了法珀腔的腔长对温度传感器性能的影响,为传感器的加工制作提供了理论依据.该设计可为以硅为基底的压力传感器提供一种温度补偿方法.     

基于石墨烯薄膜的光纤微压传感器的设计

以新型的石墨烯材料为压力敏感膜,设计了一种基于法布里-珀罗干涉的光纤微压传感器。利用薄膜光学理论,分析了不同层数石墨烯膜的反射率特性。仿真结果表明,增加层数可以提高石墨烯膜的反射率。根据光传输矩阵的理论,研究并模拟了法珀腔的几何参数对反射信号的影响。通过分析对比几种大挠度圆膜应变的理论,建立了石墨烯薄膜的压力敏感特性模型,并利用ANSYS静态力学非线性对模型的挠度形变特性进行有限元仿真,验证了模型的准确性,为设计制作基于石墨烯薄膜的光纤微压传感器提供了理论基础。     

Mesa Diaphragm-Based Fabry-Perot Optical MEMS Pressure Sensor

An optical micro electron mechanical system （MEMS） pressure sensor with a mesa membrane is presented. The operating principle of the MEMS pressure sensor is expatiated by the Fabry-Perot （F-P） interference and the relation between deflection and pressure is analyzed. Both the mechanical model of the mesa structure diaphragm and the signal averaging effect is validated by simulation, which declares that the mesa structure diaphragm is superior to the planar one on the parallelism and can reduce the signal averaging effect. Experimental results demonstrate that the mesa structure sensor has a reasonable linearity and sensitivity.     

MEMS双光纤位移声传感器设计与分析

提出了一种新型强度调制型光纤传感器的理论模型。该模型使用单模光纤,讨论了光在准直透镜中的传播规律,利用光学透镜的准直作用,即矩阵光学原理和高斯耦合理论实现光强调制。强度型光纤传感器采用微电机系统MEMS结构的压力振动膜片拾取振动位移,通过分析施加在膜片上压力的变化及膜片尺寸得到影响双光纤位移传感器灵敏度的相关参数。仿真结果表明:合理的选择参数可以使传感器的灵敏度在不增加结构复杂性的前提下较传统方法有103量级的提高。     

基于ANSYS仿真的阳极键合薄膜形变量的研究

阐述了一种利用阳极键合技术加工的光纤法布里-珀罗MEMS压力传感器的工作原理,建立了考虑阳极键合产生的热应力作用下边界固支的圆膜受外加压力的薄膜形变量公式.利用有限元分析软件ANSYS对与玻璃环键合后实际结构中的膜片在压力作用下的挠度变化进行模拟,采用麦夸特(Levenberg-Marquardt)算法对模拟结果进行拟合修正,曲线拟合度达99.99％,得到了键合后实际结构中硅膜在外加压力作用下的形变量拟合公式.修正公式的曲线与实际ANSYS模拟所得数据拟合曲线的误差小于0.01％.该研究对膜片型光纤压力传感器的结构参数设计和广泛应用具有重要的理论指导意义.     

石墨烯压力传感器结构设计与压力敏感特性研究

以石墨烯作为压力传感器敏感材料,Si为基底材料,氮化硼(PN)为石墨烯保护材料,惠斯通测量电桥作为力电变换测量电路,构建了硅基石墨烯压力传感器。通过鼓泡实验法建立传感器的理论模型,分析了传感器的压力与中心形变位移之间的关系,并结合ANSYS软件静力学非线性分析单元,针对所述石墨烯薄膜的挠度形变特性进行了数值解析与有限元仿真。结果表明,石墨烯薄膜压力与挠度形变的理论分析与仿真结果相吻合,这为石墨烯压力传感器提供了结构设计与理论模型基础。     

基于楔形腔结构的光纤光栅位移传感器

提出一 种基于楔形腔结构的光纤光栅(FBG)位移传感器设计方法,制作了具有结构简单、体积小、 测量精度可调节和抗 电磁干扰等优点的FBG位移传感器。通过对制作的FBG位移传感器进行标定实验,得出传感 器的灵 敏度系数为13.77pm/mm,相关系数达到了0.99,线性度良好。在钢筋混凝土柱双向偏心 受压试验中,与电类位移计的测量结果对比表明,本文制作的FBG位移传感器测量结果准 确,实用性强,适用于工程结构长期的位移监测。     

Center embossed diaphragm design guidelines and Fabry–Perot diaphragm fiber optic sensor

This research established the design guidelines for center embossed diaphragms for micro-diaphragm fiber type sensors. Following the guidelines, a center embossed diaphragm fiber optic sensor (CE-DFOS) based on Fabry–Perot interference was designed and fabricated with micro-electro-mechanical system (MEMS) technology. The CE-DFOS was experimentally verified to have the designed intrinsic frequency, and demonstrated high sensitivity in parallel testing with a piezoelectric (PZT) sensor.     

薄膜型光纤温度传感器的膜系设计

纳米薄膜与光纤的结合为新型感测提供了各种潜在可能。为了分析温度敏感薄膜的膜系设计及其对光纤温度传感器传感特性的影响,根据光学薄膜理论和光纤传感器的温度感测原理,探讨了光纤温度传感器中敏感薄膜的膜系设计,并构建了薄膜型光纤传感器的温度传感特性模型。以测试系统的参数、性能以及其对干涉光谱的要求为基础,设计了对称性较好的法布里-珀罗薄膜腔。通过对比不同膜层厚度法布里-珀罗结构膜系的传感特性,筛选膜系,分析了高、低折射率薄膜材料的热光系数和热膨胀系数分别对温度传感特性的影响权重,为光纤温度传感器敏感薄膜的镀制及工艺制定提供理论依据。