基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器

基于多模干涉效应的单模-多模-单模(SMS)结构光纤折射率传感器通常需要进行包层腐蚀来提高灵敏度,而且易受环境温度影响。为克服SMS结构的这些不足,提出了一种新型的基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器,由单模光纤-色散补偿光纤-单模光纤(SMF-DCF-SMF)级联光纤布拉格光栅(FBG)构成,长度不超过100mm。对其灵敏度、线性范围和温度特性等进行了测试,实验结果显示在测量折射率为1.33～1.39的折射率液时,特征波长与折射率呈线性关系,灵敏度为232.8nm,级联的FBG具有良好的温度校准功能。     

一种基于马赫-曾德尔干涉仪的折射率和温度同时测量传感器

设计制作了一种基于马赫-曾德干涉结构的传感器用于折射率和温度的同时测量,传感器的结构为单模-多模-细芯-多模-单模。利用RSoft光学仿真软件的BeamPROP模块对传感结构内部光场进行模拟分析,确定了多模光纤(multi-mode fiber, MMF)及细芯光纤(thin core fiber, TCF)的最优长度,制作了传感结构并搭建实验系统观测其折射率和温度响应情况,结合敏感矩阵,实现了双参量的同时测量。实验结果表明,该传感器在1.333—1.380的折射率范围内灵敏度为-44.944 nm/RIU,在30—65℃的温度范围内灵敏度为0.082 9 nm/℃。本文提出的传感器结构简单、体积小、灵敏度高,可以为折射率和温度双参量传感设计提供参考。     

腰椎放大细芯光纤传感器实现折射率/温度同时测量的研究

根据马赫-曾德尔干涉(MZI)原理,在两段标准单模光纤(SMF)中间腰椎放大熔接长为2cm 的细芯SMF (TCSMF),构成光纤传感器。利用TCSMF的包层模、纤芯模对折射率和温度的灵敏度差异, 通过检测透 射光谱中不同级次的干涉谷的特征波长变化,结合敏感矩阵实现对折射率/温度的双参数同 时测量。实验选取 在1502.54nm波长处干涉谷的折射率和温度的 灵敏度分别为270.5171nm/RIU(其中RIU为折射率单位)和19.3 pm/℃;在1521.64nm波长处干涉谷的折射率灵 敏度为239.510nm/RIU,对温度不敏感。根据 0.01nm波长分 辨率的光谱仪(OSA),本文光纤传感器对折射率和温度的分辨率分别为3.6966×10－5 RIU 和0.518℃,也可以应用于其他参数的 测量,具有良好的应用和发展前景。     

带有温度补偿的微流传感器研究

提出一种基于双长周期光纤光栅(LPFG)的边孔光纤微流传感器。该边孔光纤(SHF)内有2个空气孔,是天然的微流体通道,该微流传感器可进行温度补偿。利用CO₂激光器在边孔光纤上写入双LPFG,其共振波长分别为1 268.7 nm和1 385.8 nm。实验结果表明,当传感器置于折射率1.335～1.395的甘油水溶液中,2个LPFG共振峰的折射率灵敏度分别为-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU,温度灵敏度分别为52.0 pm/℃和55.7 pm/℃,利用折射率和温度灵敏度可推导出传感器的传感矩阵。该文所提出的带有温度补偿的微流传感器具有良好的线性响应度,可实现折射率和温度的同时测量,在环境监测和食品安全领域有潜在价值。     

基于Lyot滤波器和长周期光纤光栅的温度与应变的同时测量

提出了一种基于光纤干涉原理的同时测量温度和应变的传感器,通过在Lyot滤波器(LFF)中熔接一段长周期光纤光栅(LPFG)构成。其中LFF由在起偏器(PL1)和检偏器(PL2)中嵌入一段保偏光纤(PMF)构成。实验结果表明,LFF的干涉谱和LPFG的谐振峰对温度和应变有不同的响应灵敏度,因此可利用敏感矩阵实现对温度和应变的同时测量。实验测得LFF和LPFG的温度灵敏度分别为-1.3173nm/℃和0.0604nm/℃,应变灵敏度分别为-0.0185nm/με和-0.0004nm/με。温度和应变的测量精度分别为±1℃和±25με。该系统采用线性结构,结构简单、易于实现,具有较高的灵敏度和稳定性,同时测量结果具有良好的线性度。     

多芯光纤构成的温度与折射率同时测量的光纤传感器

本文设计了一种“单模光纤－多模光纤－多芯光纤－多模光纤－单模光纤”的全光 纤 Mach-Zehnder干涉仪结构。在该结构中多模光纤充当耦合器,不同模式的光在多芯光纤中 传输时将 产生光程差,形成Mach-Zehnder干涉。当环境温度和折射率变化时,通过分析干涉仪透射 光谱中不 同谐振峰的漂移量,实现折射率与温度的测量。实验结果表明,传感器低温灵敏度最高达到 46.0 pm/℃, 高温灵敏度最高达到109.0 pm/℃,折射率灵敏度最高达到54.3 nm/RIU(RIU为折射率单位)。另外, 通过同时监测传感器透射谱的两个谐振峰值波长随环境温度和折射率的漂移情况,实现了环 境温度 与折射率的同时测量,不存在交叉敏感。该传感器结构简单、制作容易、重复性好、响应稳 定、具 有多路复用功能,在传感领域有广泛的应用前景。     

一种基于双模干涉的光纤折射率传感器

为实现高灵敏度的折射率测量,设计了一种基于双模干涉的光纤折射率传感器,该传感器为单模-多模-单模光纤(SMS)结构,其中单模光纤和多模光纤具有相同的直径和纤芯折射率。剥去多模光纤的包层,将其置于待测环境中,多模光纤中激发出的两个模式之间会发生干涉,当待测环境折射率发生变化时,干涉谱中的波谷会发生移动,可根据光谱中波谷的移动量来实现对折射率的测量。利用FDTD Solutions软件进行仿真模拟,得到不同折射率下的干涉谱,结果表明,位于1517.32nm的干涉谷对折射率的敏感度为1848.2nm/RIU,最小分辨率误差仅为2.74×10-5RIU。该传感器较传统光纤传感器而言,结构简单,有着高灵敏度、低分辨率误差等优点,应用前景广阔。     

基于SMS-FBG结构的温度应变双参数传感特性研究

提出了一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤干涉结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的光纤微结构温度应变双参数测量传感器,并对其应变特性、温度特性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将长度为35.5 mm的多模光纤熔接在两段单模光纤之间,构成SMS光纤干涉结构,并通过级联FBG制成温度应变双参数测量传感器。结果证明,在200～2 000με应变范围内,单模-多模-单模干涉结构和FBG的应变灵敏度分别为-2.31和1.22 pm/με,线性度分别达到0.999 2和0.999 4;在580～700℃温度范围内,其温度灵敏度分别为58.79和13.64 pm/℃,线性度分别达到0.996 7和0.998 2,可实现温度、应变双参数的同时测量。     

基于拉锥单模-多模-单模光纤结构的高灵敏折射率传感器

文章介绍基于拉锥单模-多模-单模(SMS)光纤结构的模间干涉仪,当拉伸长度为35mm时形成自由光谱区(FSR)为1.3nm的干涉透射谱,消光比达到10dB。此时拉锥多模光纤的腰椎平坦区直径约为3.85μm,具有较强的倏逝场,可用作高灵敏折射率传感器。实验证明,此拉锥SMS结构在折射率范围1.35-1.36内的灵敏度高达771nm/RIU,能精密监测溶液溶质扩散现象。     

增敏型级联双参量测量的光纤传感器北大核心CSCD

旨在有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感的问题,研制了一种增敏型光纤光栅(FBG)级联马赫-曾德尔(M-Z)结构的温度、折射率双参量测量的光纤传感器。通过多次熔接实验,调节相应参数将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接;然后在TCF的另一端熔接无心光纤(NCF),制备出M-Z光纤干涉仪;再在NCF末端级联上铝制毛细管增敏封装后的光纤光栅(FBG),最终完成双参量测量的光纤传感器的制备。根据M-Z干涉原理及FBG模式理论,计算了增敏FBG理论的温度灵敏度,给出了传感器的灵敏度系数矩阵与温度、折射率与透射谱的波长漂移量的理论公式。搭建了温度、折射率传感测试系统,实验结果表明:在15~85℃温度范围内,随着温度增加,该传感器的透射谱逐渐红移,封装后的FBG和M-Z结构的温度与波长偏移量线性相关系数分别为0.96323和0.91577,温度灵敏度分别为33.71 pm/℃和11.58 pm/℃;在室温下(25℃),液体折射率在1.333RIU~1.34235RIU范围内,随着折射率增加,FBG透射谱不发生偏移,M-Z透射谱逐渐蓝移,折射率与波长偏移量线性相关系数分别为0和0.98761,折射率灵敏度分别为0 nm/RIU和-493.51322 nm/RIU。该传感器可以有效提高温度、折射率的检测精度和灵敏度,可应用于环境、生物、石油化工和食品生产等领域。     

基于长周期光纤光栅和Sagnac环的温度与折射率的区分测量

利用长周期光纤光栅(LPFG)和保偏光纤(PMF)Sagnac环透射光谱的调制特性,设计了温度和折射率同时区分测量系统。通过监测LPFG嵌入Sagnac环的透射谱中谐振峰波长和强度的变化,测定了波长和强度对温度和折射率的灵敏度系数,构建了传感系数矩阵。实验发现,谐振峰波长随温度变化,谐振峰强度随折射率变化,实现了温度与折射率的区分测量。实验测得该系统的温度灵敏度0.1 286nm/℃,折射率灵敏度为49.38dB/RIU。实验结果验证了方案的正确性,且实验系统搭建简便,体积小,成本低,具有一定的应用前景。     

基于光纤Bragg光栅的生物膜厚度及温度传感器

提出一种基于单端腐蚀结构的光纤Bragg光栅(FBG),用于膜反应器内生物膜厚度和温度的同时测量.给出单端腐蚀FBG对外部介质折射率(SRI)与温度同时测量的理论模型,制作腐蚀区直径约为7.1～7.4μm的单端腐蚀FBG传感器.实验结果表明,传感器在SRI为1.333～1.355内具有较好的线性度,折射率灵敏度为6.8...     

飞秒直写长周期光纤光栅及其液体折射率特性研究

利用800 nm飞秒激光在未经载氢处理的HI1060光纤中制作了长周期光纤光栅(LPFG).采用逐线刻写方式实现了谐振波长为1 548.4 nm的LPFG,谐振强度为12 dB,栅区长度小于4 mm.使用不同折射率的氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液分别对LPFG的折射率特性进行了测试和研究.实验中随着三种溶液折射率增加,LPFG的谐振波长发生红移,该LPFG在氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液中的折射率灵敏度分别为175.34、175.31和331.89 nm/RIU.实验结果表明,这种基于飞秒激光制作的LPFG对液体折射率变化有较高的灵敏度,可用于液体折射率传感测试.     

Optical fiber magnetic field sensors with peanut-shape structure cascaded with LPFG

An optical fiber magnetic field sensor for the dual-parameter simultaneous measurement is proposed and demonstrated. The sensor head is constructed by a peanut-shape structure and long period fiber grating (LPFG) coated by magnetic fluid (MF). The external magnetic field intensity can be measured by the variation of characteristic wavelength (Dip1 and Dip2) in interference spectrum since the effective refractive index of MF changes with external magnetic field intensity. When the external magnetic field intensity changes from 0 mT to 20 mT, the magnetic field sensitivities of Dip1 and Dip2 are ?0.064 nm/mT and ?0.041 nm/mT, respectively. Experimental results show that the temperature sensitivities of the Dip1 and Dip2 are 0.233 nm/°C and 0.186 nm/°C, respectively. Therefore, the simultaneous measurement of the magnetic field intensity and temperature is demonstrated based on the sensitive matrix. It has some potential applications in aerospace, environmental monitoring and medical sensing fields.     

级联FPI-MZI复合干涉光纤传感器双参数特性研究

为了实现工业生产过程中温度和溶液质量分数的同时测量和传感检测, 提出了一种由法布里-珀罗干涉仪(FPI)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)级联干涉结构构成的双参数传感器。该传感器由融合在一起的单模光纤(SMF)和空芯光纤(HCF)组成。采用同时测量FPI反射光谱和MZI透射光谱的特征波长位移的方法, 获得了FPI和MZI对温度和折射率的灵敏度差, 建立了传感器温度-质量分数灵敏度矩阵, 实现了传感器双参数的测量。结果表明, 在40℃~150℃的温度范围内, FPI的温度敏感度为10pm/℃, 而MZI的对温度不敏感; 在质量分数0.05~0.40的范围内, FPI对折射率不敏感, 而MZI质量分数灵敏度是232.3nm/RIU; 该传感器可以实现温度与溶液质量分数的同时测量。该研究为石油、化工、电力、钢铁、机械等加工行业中双参数的动态测量提供了参考。     

激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗高温-应变组合传感器

在很多高温环境应用中,诸如发动机、飞机和宇航器、复合材料的健康监测,需要精确测量应变。针对这种场合提出了一种基于激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗(LPFG/F-P)温度-应变组合光纤传感器。该传感器由长周期光纤光栅与光纤法布里-珀罗干涉传感器级联构成,其中长周期光纤光栅由高频CO2激光脉冲制作,用于监测温度;光纤法布里-珀罗干涉传感器由157nm准分子激光脉冲制作,用于监测应变。这种新型组合光纤传感器最大的特点是能承受500℃的高温并能在高温环境下实现应变的精确测量,可望在高温恶劣环境条件下的结构(如飞机发动机)健康监测、复合材料生产过程监测等应用中发挥重要作用。     

全光纤粗锥MZ级联PCF-FP结构双参数特性研究

为了在测量NaCl溶液浓度的同时实现对温度的监测,提出了一种基于马赫-曾德干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）级联法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer,FPI）的干涉型传感器。在单模光纤上通过熔融放电制作出一对腰锥直径155 m、间隔1.5 cm的MZI,其对比度为10 dB、周期29.85 nm;在MZI尾纤的一端与光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）相对熔接并在距熔接点176 m处将PCF切平,形成对比度为8 dB、周期为5.71 nm的FPI。实验选取1 535~1 555 nm波段MZI和FPI的干涉波谷特征波长,在0~150℃的温度和0%~24%的NaCl溶液浓度变化范围内测得MZI的温度和折射率灵敏度分别为50 pm/℃和9.97 nm/RIU,线性度均大于0.97;而FPI的波谷特征波长对折射率不敏感,温度灵敏度约为8.3 pm/℃,线性度为0.98。最后,通过构建温度-浓度函数关系矩阵得出了对温度和NaCl溶液浓度的灵敏度矩阵。该干涉型传感器对温度和NaCl溶液浓度表现出良好的灵敏度和线性度,可实现上述双参数的同时测量。     

基于侧面抛磨锗芯光纤的折射率传感器

通过抛磨单模-多模-单模(Single mode-Multimode-Single mode,SMS)光纤结构,设计制作一种光纤折射率传感器。多模光纤选用的是纤芯直径为16μm的锗芯光纤,纤芯直径较小,使制作的传感器尺寸较小,从而在传感应用中具有较高的样品利用率。单模光纤纤芯直径为8.4μm,可确保抛磨至多模光纤纤芯附近时单模光纤的纤芯不被破坏。SMS被AB胶固定在玻璃槽内,使得侧面抛磨光纤具有很好的鲁棒性,可重复使用性。制备并侧面抛磨了锗芯光纤长度分别为0μm、23μm、70μm、690μm、2 mm的SMS光纤结构。对产生的传输光谱进行测量,发现前4个样品随着周围环境折射率的增加,谐振波长向长波长处偏移;而前3个样品的折射率测量灵敏度随着锗芯光纤长度的增加而提高。当锗芯光纤长度为70μm时,在1.333~1.367折射率区间内,灵敏度可以达到623.5 nm/RIU。然而,过长的锗芯光纤导致折射率测量灵敏度降低。当锗芯光纤长度为2 mm时,抛磨过程中激发产生了包层模,导致传输光谱复杂、不稳定,而且长波处产生了较大的插入损耗。