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。     

纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的温度特性

在对薄膜材料热光效应和热膨胀特性研究的基础上,综合运用光学薄膜法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)干涉理论,采用MATLAB 编程设计了纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的仿真分析程序,模拟了薄膜型光纤法布里-珀罗传感探头反射光谱随温度变化的波长漂移特性,分析了不同材料热光效应和热膨胀特性对温度特性的影响权重,并进行了实验验证。验证结果表明,传感探头测试光谱的温度变化特性与仿真特性一致,纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的理论仿真可用于选择纳米薄膜材料及筛选温度敏感且镀制容差大的膜系,对传感探头的研制具有指导意义。     

法布里-珀罗薄膜干涉的光纤温度传感器

为了研制结构简单、成本低、可批量生产的微型光纤温度传感器,分析了薄膜干涉型光纤温度传感器的原理,选用ZrO2和Al2O3两种介质薄膜材料,采用TFCalc膜系设计软件设计了薄膜干涉型光纤温度敏感探头的膜系,由南光ZZS1100-8/G箱式真空镀膜系统采用电子束蒸发技术在普通多模光纤端面蒸镀介质薄膜,形成法布里-珀罗（Fabry-Perot）薄膜干涉,并搭建光纤温度传感测试系统,测试结果表明:在200~600℃范围内,所设计的干涉型光纤温度传感器的测试光谱随温度变化产生一定的波长漂移,且波长漂移的温度特性为线性,线性相关系数为99.7%,灵敏度为8.3710-6/℃。基于法布里-珀罗干涉的薄膜型光纤温度传感器体积小,成本低,结构紧凑,可批量生产,适合安装位置狭小或对传感器集成化要求较高的场合。     

抗恶劣环境的保偏光纤温度传感器

基于应力型保偏光纤传输常数差对温度的敏感性并利用偏光干涉技术，提出了一种反射型保偏光纤温度传感器并推导出传感方程。在传感器中采用宽谱光源抑制了输入/输出光纤中偏振耦合引起的误差，特性分析表明这种传感器实用、精度高并且配置灵活。实验结果与理论完全吻合，其噪声等效可探测温度精度达0.01℃。根据大型电力变压器的绕组温度监测要求，研制出一套远程多路温度传感器系统。采用特殊的涂覆和密封石英毛细管封装技术，保证光纤传感头能在热油及250℃的高温下工作，而且具有很高的绝缘性。检测结果表明传感器在0-200℃内，达到了±0.5℃测量精度。     

一种新型微结构高灵敏度光纤温度传感器

为实现高精度温度检测,提出一种基于飞秒激光微加工的新型光纤温度传感器的制备方法。利用波长为780nm的飞秒激光脉冲在刻写有光纤布拉格光栅(FBG)的单模光纤(SMF)包层上加工槽状微结构,通过磁控溅射的方法在其表面沉积温敏薄膜,从而制备一种光纤温度传感探头。理论分析了环状微结构镀膜实现温度增敏的工作机制,通过温度实验讨论了不同微结构镀膜对温度增敏效果的影响。实验结果表明,在FBG包层上单纯加工槽状微结构(无镀膜),对温度的灵敏度影响不大,基本上不改变光栅中心波长随温度变化的趋势;加工槽状微结构后再沉积敏感薄膜,可明显提升传感器的温度灵敏度,其中环状膜层较镀膜螺纹膜层微结构的增敏效果更加明显,其灵敏度可达21.37pm/℃。     

基于耦合分光可见度的光纤温度传感器

基于光纤耦合原理,利用耦合分光可见度概念,提出了一种新型的光纤温度传感器。其传感元件是由2根常规通信单模光纤熔融拉锥而成的光纤耦合器,将传感探头置于温度场中,传感器周围温度变化改变包层材料折射率,从而引起渐逝场分布变化导致能量在耦合器两臂中的重新分配,使输出耦合分光比（CR）相应发生变化。为提高传感器的性能,采用所定义的耦合分光可见度Vis来取代耦合CR,对CR和Vis的特性进行了分析、比较,验证了利用Vis作为光纤传感器的输出具有更高的灵敏度及信噪比。对该温度传感器在20～45℃的温度进行了测试,实验结果与理论分析具有良好的一致性。     

抗恶劣环境的保偏光纤温度传感器

基于应力型保偏光纤传输常数差对温度的敏感性并利用偏光干涉技术,提出了一种反射型保偏光纤温度传感器并推导出传感方程。在传感器中采用宽谱光源抑制了输入/输出光纤中偏振耦合引起的误差,特性分析表明这种传感器实用、精度高并且配置灵活。实验结果与理论完全吻合,其噪声等效可探测温度精度达0.01℃。根据大型电力变压器的绕组温度监测要求,研制出一套远程多路温度传感器系统。采用特殊的涂覆和密封石英毛细管封装技术,保证光纤传感头能在热油及250℃的高温下工作,而且具有很高的绝缘性。检测结果表明传感器在0~200℃内,达到了±0.5℃测量精度。     

卫星镜头结构光纤光栅温度传感器研究

为了解决卫星星敏感器光学镜头结构在轨温度监测问题,提出一种弧形基底封装的光纤光栅温度传感器。分析了星敏镜头结构特征与光纤光栅温度传感原理,采用飞秒激光刻写的光纤光栅作为敏感元件,设计了可贴合于星敏镜头结构特征的弧形封装基底,完成了光纤光栅温度传感器封装,并对传感器进行了拉伸测试、温度标定及温度重复性测试,并已应用于实际工程中。结果表明:弧形封装结构形式的光纤光栅温度传感器线性度可达0.998,温度灵敏度达到8.54 pm/℃,同一温度下中心波长变化量在2 pm以内,且受弧形基底封装结构变形产生的应变影响小。卫星在轨温度监测,光纤光栅传感与电子式传感相差±3 ℃。可以实现星敏镜头结构的温度测量功能,在星敏感器结构在轨温度测温中具有应用前景。     

低温环境下FBG温度传感特性研究

在低温环境中,光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变,从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明,在80~300 K温度范围,裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43 pm/K,线性度为0.974,在80~230 K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系;黄铜管封装的FBG温度传感器,在整个温度范围内灵敏度可达26 pm/K,线性度为0.996,较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明,对光纤光栅进行封装,可以提高其温度灵敏度和线性度,改善温度传感特性。     

膜层参数对长周期光纤光栅传感灵敏度的影响

基于耦合模理论,采用三包层光纤光栅模型,对镀有敏感薄膜的长周期光纤光栅的传感特性进行了分析。当敏感薄膜的光学参数(薄膜折射率和薄膜厚度)发生变化时,长周期光纤光栅传输谱中谐振峰处的透射率不变,但谐振峰会发生平移。进一步对薄膜折射率和薄膜厚度对其传感灵敏度的影响进行数值模拟,得到了结构优化的高灵敏度长周期光纤光栅传感器典型薄膜光学参数值。计算结果表明,该类型传感器对敏感薄膜折射率的分辨率可达10-9。研究结果为高灵敏度长周期光纤光栅传感器的结构优化及其传感应用提供了理论支持。     

高温光纤传感器传感头材料

热辐射高温光纤传感器是以光纤纤芯的热点所产生的黑体辐射现象为基础来传感温度的一种器件,对于传感器而言关键的是传感头材料。通过对热辐射测温原理进行理论分析,并简单阐述了高温光纤传感器的工作原理及传感头材料的特点,进而提出了三种高温传感头材料,并对其材料的结构和性能进行了深入的研究,特别是用于超高温测试的氧化锆晶体传感头材料。     

用于高温压力传感器的AIN绝缘膜的研究

采用直流磁控反应溅射法制备了高温压力传感器用的AIN薄膜。用X射线衍射对薄膜的晶向结构进行了分析，研究了薄膜的绝缘特性和化学稳定性，分析了AIN与Si的热膨胀系数、热导系数的关系。选用AIN在力敏电阻条和硅弹性膜之间进行绝缘隔离，由于无p-n结，力敏电阻无反向漏电，得到了极好的压力传感器特性，即零点电漂移及热漂移小及非线性小。     

裸光纤Bragg光栅的温度传感特性研究

从理论上分析了光纤Bragg光栅的温度传感原理,并通过实验对裸光纤Bragg光栅的常温温度特性进行了测试。实验结果与理论分析基本一致,证明裸光纤Bragg光栅在常温下的中心波长与温度变化呈良好的线性关系,为其用作温度传感器提供了理论和实验依据。最后,指出了光纤Bragg光栅温度传感器在实际工程化应用中所需要解决的问题。     

Temperature sensor based on etched optical fiber with a metal coating

Presented in this work is a new class of optical fiber temperature sensor, of which the heat-expansion thin film is coated on the etched fiber. It uses the method that combine thermal carving technique with chemical etching. The sensitivity of the sensor is increased and the shape size is decreased. This sensor possesses the linear temperature response and the good repeatability. These sensors can be used to measure finely the temperature which is lower than 200°c.     

两类典型光纤型SPR传感器的理论模型比较

针对基于SPR效应的两类典型光纤型传感器:传统型包层腐蚀的镀金属多模光纤传感器、新型镀金属单模光纤光栅传感器,指出其不同的SPR模型处理方法及传感特性。首先,根据传统型SPR光纤传感器的结构特点,利用平板SPR理论给出反射谱特性,同时指出并证明薄膜光学理论在平板SPR结构中与平板SPR理论的等价性。其次,针对新型SPR光纤光栅传感器结构特点,依据模式耦合思想,结合SPW模式特征,提出了光纤光栅SPR结构的理论处理方法,得到了镀金膜三包层LPFG结构的透射谱。最后,对基于SPR效应的两类典型光纤型传感器的传感特性进行了比较分析,结果表明,两类传感器对环境折射率均具有较高的分辨率,但新型光纤光栅SPR传感器的分辨率高出传统SPR光纤传感器3个数量级。     

Experimental study on optical fiber bundle hydrogen sensor based on palladium-silver optical thin film

In this paper, a 20 nm palladium-silver (Pd/Ag) ultrathin optical film is used for hydrogen gas sensing. The mole ratio of the two metals is controlled at Pd:Ag=3:1. In the direct current (DC) sputtering machine, the optical thin film is evaporated on the optical glass. Compared with pure palladium, the Pd/Ag alloy can increase the life and the stability of the sensing film. Optimum sputtering parameters for Pd/Ag alloy are presented in this paper, and the effects of different experimental conditions for hydrogen sensor are investigated, including the temperature effect, humidity effect and cross sensitivity of hydrogen sensor for different gases. The experiment results indicate that the hydrogen sensor based on Pd/Ag optical thin film exhibits good sensing characteristics. The existing of CO and water in hydrogen increases the response time and decreases the response amplitude of optical fiber bundle hydrogen sensor. The experiment results show that the increasing temperature can eliminate the effect and shorten hydrogen sensor response time effectively.