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。     

磁流体填充的光子晶体光纤Bragg光栅三参量同时传感特性研究

基于光子晶体光纤(PCF)包层空气孔灵活的结构 设计,将磁流体填充的PCF(MF-PCF)和普通PCF进行焊接, 并在其纤芯区域刻蚀Bragg光栅,提出一种能够同时测量温度、磁场和应变的PCFBG传感器。 基于模式耦 合理论以及传输矩阵法,结合PCF中基模以及高阶光波模式的不同传感特性,通过分析热光 效应、磁光效 应以及弹光效应对模型不同光波模式的影响,探究谐振波峰反射谱响应特性。实验结果表明 ,本文的PCFBG传感器, 温度灵敏度最高可达13.97pm/℃,磁场灵敏度最高达10.04pm/mT,应变灵敏度最高达1.223pm/με;且谐振反 射光谱的漂移量与温度、磁场以及应变的变化具有良好的线性关系。 通过设计相应的三参量矩阵解调算法,可实现温度、应变以及磁场的同时测量,从而有效 降低传感成本,拓宽传感思路,具有一定的应用价值。     

基于双光栅级联结构的温度及浓度传感特性测试

研究了长周期光纤光栅（LPFG）级联布拉格光纤光栅（FBG）结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG,且FBG波谷位于1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明:升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度26.36 pm/℃,线性度0.950 8;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-24.55 pm/℃,线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度25.00 pm/℃,线性度0.945 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度为-21.82 pm/℃,线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感,当浓度由3%增至30%时,LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度196.36 pm,线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现温度和浓度的测量。     

双悬梁光纤布拉格光栅低频加速度传感器

为了实现光纤布拉格光栅（FHG）加速度信号的准确测量,提出了一种新颖的双悬梁FBG加速度传感器。设计了传感器的结构及封装方法,理论分析了传感器的工作原理。实验研究了传感器的线性响应、温度响应、共振频率和方向抗干扰特性,结果表明,传感器的加速度响应灵敏度为7．81pm／m／s2,相对误差为2．62％,加速度与波长具有较好...     

一种用于同时测量温度和磁场强度的磁流体LPFG-FBG传感器

针对现有光纤传感器测量温度、磁场强度时灵敏度较低的问题,提出了一种基于光信号的光纤温度磁场传感器。传感器以长周期光纤光栅（LPFG）级联光纤布喇格光栅（FBG）作为传感结构,以磁流体作为磁性敏感材料,采用HF溶液腐蚀光纤包层来提高灵敏度。首先介绍了传感器实现温度和磁场强度的双参量测量原理,然后利用Optigrating仿真软件对LPFG-FBG传感单元进行模拟仿真,最后根据仿真结果制作传感器并搭建实验环境进行温度和磁场强度的测量实验。实验结果表明：当温度为35～85℃时,传感器的温度灵敏度为85.7 pm/℃;当磁场强度为4～20 m T时,磁场强度灵敏度为65 pm/m T,且稳定性良好。     

基于磁流体磁体积效应的磁场与温度双参量传感器

为了实现磁场与温度的同时测量,提出并制作了一种基于磁流体(magnetic fluid, MF)磁体积效应的法布里-珀罗(Fabry-Perot, FP)腔与光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)级联的复合传感结构。注入空芯光纤(hollow-core fiber, HF)的MF液面与单模光纤端面形成的FP腔同时对磁场和温度敏感,与之级联的FBG只对温度敏感。通过同时监测FP腔特征峰与FBG布拉格反射峰的波长漂移,利用传感器磁场与温度敏感系数矩阵,同时获取温度与磁场信息。实验成功制备了初始腔长为56.1μm的FBG-FP温度磁场双参量传感器,磁场与温度灵敏度分别达到了16.21 pm/Oe和9.96 pm/℃,具有体积微小、结构简单、成本低等特点。该传感器可解决常规光纤磁场传感器的磁场-温度交叉敏感问题。     

光纤光栅温度传感器稳定影响因素研究

提出一种可用于航天系统温度监测的光纤布拉格 光栅(FBG)温度传感器及其封装方式。通过对FBG温度传感器结构进行力学仿真,分析了FB G的预拉伸幅度、低熔点玻璃厚度对传 感器稳定性的影响;提出了优化传感器封装性能的方法,并通过实验进行了验证;对封装的 FBG传感器进 行四次稳定性实验,每次实验相隔二十天。实验结果表明:FBG传感器在各个温度点(－70℃,……, 30℃)波长的标准差小于0.57pm;FBG传感 器温度灵敏度为8.4pm/℃,温度测量标准差小于0.067℃; 在液氮环境中,FBG传感器波长的标准差为0.43pm,具有良好的低温 稳定性。     

金属化封装光纤光栅传感器超低温特性研究

传统胶封光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器的胶黏剂在超低温环境中存在着板结、与基体间热失配等问题。针对胶封光纤光栅传感器在超低温条件下进行测量的局限性,本文设计一种全金属化封装结构,并采用超声焊接的方法将光纤光栅封装固定于特种铝合金基底表面。在-160～0 ℃环境下,对两支FBG温度传感器的超低温传感特性进行了实验测试。结果表明,该封装形式的FBG传感器的线性度较好,相关系数均在0.99以上。它们的温度灵敏度系数在线性变化区间平均值分别为27.88 pm/℃和26.17 pm/℃,分别是封装前裸光纤光栅的2.75倍和2.58倍左右,提高了温度灵敏度。此金属化封装的FBG温度传感器的工艺简单,易于实现,可用于超低温恶劣环境下的温度测量。     

基于单膜片FBG的加速度传感器优化设计

提出了一种基于单膜片全粘封装的光纤布拉格光 栅(FBG)加速度传感模型。首先,理论分 析了其传感原理,并优化了最佳加速度灵敏度,深入分析和讨论了该模型的加速度灵敏度的 频率响应。然后,基于该模型设计了 FBG加速度传感器,实验研究了加速度的幅频响应特性、谐振频率和加速度的线性响应。结 果表明:在小于共振频率的低频段 具有较好的平坦区,加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8%,加速度响应灵敏度为36.6pm/G,实验值与理论值得的 相对误差为3.68%;实验研究了传感器的横向抗干扰能力,交叉灵敏 度小于1.3%,表明基于该模型的FBG加速度传 感器具有较好的响应特性。     

基于离轴刻写的FBG包层模式的光纤弯曲传感器

基于光纤光栅(FBG)包层模式,制作了一种弯曲在线监测的全光纤传感器。传感器使用193nm ArF准分子激光器,通过离轴刻栅的方式在15mm单模光纤上刻写的光栅。对该传感器的弯曲和温度变化的响应特性进行了理论分析,并在0~1.2m-1曲率变化范围内,对传感器的弯曲响应特性进行了实验研究,结果表明,随着弯曲曲率的增大,包层模式的强度下降。其对弯曲的响应灵敏度为0.11dB/m-1,线性度为0.996,表现出了它较高的灵敏度和线性度。随着环境温度从25℃变化到60℃,该传感器峰值波长响应灵敏度为0.02nm/℃。结果表明,该型传感器对温度干扰不敏感。由于其结构简单,制作方便,精度高,在油气田管道健康监测领域有较好的应用前景。     

一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅已经成为非常有前景的温度、应力及其它参数测量的传感元件,但其存在温度和应力的交叉敏感问题.提出了一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器,将一个布拉格光纤光栅分成两半,各自具有不同的包层半径,其中一半保持不变,另一半包层半径从62.5m减小到40m.实验结果表明,两半光纤布拉格光栅的温度灵敏度均为10.4 pm/℃,而应力灵敏度分别为1.12 pm/ue 和3.89 pm/ue.初始的单个布拉格反射峰分裂成两个,分别对温度和应力敏感,而两个反射峰之间的波长差只受应力的影响,随着应力的增加其波长差逐渐增加.因此,通过这一个光纤布拉格光栅即可分辨出温度和应力所引起的布拉格波长漂移.该光纤光栅传感器结构简单、体积小巧、成本低廉、制作方便,可以广泛应用在各个领域实现温度和应力的同时测量.     

Fiber in-line magnetic field sensor based on Mach-Zehnder interferometer integrated with magnetic fluid

In this paper, magnetic fluid (MF), a new type of optical functional nanomaterial with interesting optical characteristics under the external magnetic field, is adopted to form a novel fiber-optic magnetic field sensor. The proposed sensor is based on Mach-Zehnder interferometer (MZI) and has a multimode-singlemode-multimode (MSM) fiber structure. The MSM structure was fabricated by splicing a section of uncoated single mode fiber (SMF) between two short sections of multimode fibers (MMFs) using a fiber fusion splicer. The magnetic field sensing probe was made by inserting the fiber-optic structure in an MF-filled capillary tube. Variations in an external magnetic field is seen to cause changes in the refractive index of MF. This tunable change in the refractive index with magnetic field strengths between 0.6 mT to 21.4 mT produces a shift in the peak position of the wavelength. The shift of the valley wavelength with magnetic field intensity has a good linearity of up to 99.6%. The achieved sensitivity of the proposed magnetic field sensor is 0.123 nm/mT,which is improved by several folds compared with those of most of the other reported MF-based magnetic field sensors. Furthermore, we build the corresponding circuit-based measurement system, and the experimental results show that the voltage change indirectly reflects the change of the external magnetic field strength. Therefore, this provides the potential to fiber-based magnetic field sensing applications.     

基于磁流包覆冷却拉锥全光纤磁场传感器特性研究

为提高光纤传感器磁场检测中的敏感度,进一步实现弱磁场环境中的高精度场强勘测,提出一种基于磁流包覆与冷却拉锥透射式全光纤高灵敏磁场传感器,拉锥过程采用间歇式停顿冷却技术,可更加便捷获得高质量干涉谱,减缓光子晶体光纤空气孔塌缩,制作工艺简单,具有可操纵性强、灵敏度高、损耗小等优势,实现了高灵敏磁场环境实时在线检测,并对传感器的变温影响进行了讨论。实验结果表明,光子晶体光纤的拉锥长度为5.5mm、腰椎直径为75μm时,可得到良好的干涉光谱,在0~78 Oe(1 Oe■79.578A·m-1)磁场范围内,灵敏度达95pm/Oe,线性拟合度为98.31%。     

基于双面金属波导的纳米磁流体磁调制

设计了一种双面金属包覆波导,其中作为样品室的导波层厚度达到毫米量级.在波导腔体中注入浓度为0.15%的水基四氧化三铁纳米磁流体,采用波长为860 nm的红外激光束小角度(小于5°)入射到该波导金属耦合层上,以激发波导中的超高阶导模,使纳米磁流体处于光波导的振荡场中.根据超高阶导模的高灵敏特性,对磁流体施加10 mT的调制磁场,检测到纳米磁流体的磁光信号上升和下降时间为2 ms.     

800 nm FBG sensing interrogation system based on tilted FBG

An 800 nm band fiber Bragg grating sensing interrogation system using tilted FBG as the core wavelength division component is presented. A charge coupled device (CCD) linear array is put on the focal plane of the lens to detect the light. TFBG is used to tap light out of the fiber core to fiber cladding. The sensing wavelength is 795 to 830 nm,with accuracy of 20 pm and scan speed 100 Hz. Using FBG sensor,we achieve the temperature sensitivity of 1.8 ℃ and strain sensitivity of 18 με.     

均分直槽微结构光纤光栅磁场传感器

对微结构光纤磁场传感器的增敏性能进行研究, 设计了一种基于飞秒激光微加工的均分直槽型微结构光纤磁场传感器。 利用飞秒激光在刻有光纤布拉格光栅(FBG)的单模光纤(SMF)包层上刻蚀均分直槽微结构, 并采用HF溶液清除直槽内的残留碎屑和 应力集中点,随后用磁控溅射技术在加工部位溅射一层磁致伸缩薄膜TbDyFe。当外界磁 场强度变化时,通过观测传感器中心 波长的变化可实现对磁场强度的测量。直槽微结构能减小光纤横截面积,改善光纤轴向伸缩 性能,增大薄膜附着表面积,从而 提高传感器探头灵敏度。理论分析了直槽微结构提高传感器性能的工作原理,介绍了传 感器探头的制备工艺和性能影响因 素,给出了不同参数传感探头的磁场测试结果。实验结果表明,利用飞秒激光加工直槽微结 构能明显改善传感器探头灵敏度, 其中直槽个数对性能影响最为明显;相对于无微结构传感器探头,有微结构光纤探头灵敏度 最高可提升3.8倍。     

光纤光栅无应力毛细铜管封装及温度特性实验

为克服裸光纤布拉格光栅(FBG)脆弱易折断的缺点,提出了一种聚合物和毛细铜管相结合的封装工艺。先用丙烯酸酯对栅区进行二次涂覆,再将二次涂覆后的FBG封装在毛细铜管内,FBG在毛细铜管内处于有余长无应力状态,二次涂覆为裸FBG提供了有效的保护。测试结果表明,二次涂覆并没有改变FBG的温度灵敏度;较薄的涂覆厚度保证了涂覆的均匀性和涂覆后光谱的质量;无胶空管封装方式消除了聚合物内部应力对温度测量精度的影响。封装后的温度特性实验表明,FBG传感器线性度为0.999 29,温度灵敏度为13.675pm/℃,重复性较好。     

用于PEMFC的FBG湿度传感器的制作及性能研究

研究了以聚酰亚胺为湿敏材料的光纤Bragg光栅(FBG)湿度传感器并用其对质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中内部湿度进行了实时监测。传感器利用聚酰亚胺的湿膨胀效应,实现 了对24.7%－ 98%RH范围内相对湿度的监测。采用腐蚀光纤包层的方法减小光纤包 层直径,实验结果表明,该方法能在 不影响FBG相对湿度传感器灵敏度的情况下,提高对外界环境相对湿 度变化的响应速度。所 研制的FBG 相对湿度传感器灵敏度能达到3.8 pm/RH,线性度达到99.85%,最大回程误差不超过9pm,当环境相对湿 度从50%突变到85%时,经过腐蚀处理后的FBG 相对湿度响应时间仅为15.4 s。将该FBG湿度传感器布置 于PEMFC内部进行停机过程中湿度的实时监测,实验结果表明,所制作的FBG湿度传感器能够 准确地反映PEMFC停机吹扫过程中内部湿度的变化。