柔性光纤压力传感器的制备工艺与参数研究

为了提高柔性光纤压力传感器的灵敏度和稳定性,对压力传感器结构设计、结构参数及制作工艺进行了研究。制作了基于不同浓度配比和不同固化时间的PDMS柔性光纤压力传感器,对比了不同参数下传感器的性能得出了最佳的配比和固化参数,最后利用光频域反射计（OFDR）测量了光纤应变变化。结果表明,在PDMS基底厚度和固化温度恒定的情况下,浓度配比和固化时间均对柔性光纤压力传感器的灵敏度有影响,并验证了当施加压力的范围为0~276.2kPa,加压的步长为27.6 kPa时,PDMS配比8:1,固化时间2h的传感器灵敏度最高,可达6.25059με/kPa。同时,柔性压力传感器具有柔韧、轻薄、可测量复杂曲面等优点,为航天航海领域弧形物体表面压力测量提供了可靠的解决方案。     

基于微结构PDMS介质层的电容式柔性阵列压力传感器

提出了一种微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)为介质层的柔性阵列压力传感器,采用微电子机械系统(MEMS)工艺实现了传感器电极的制备,采用三明治的结构实现了柔性阵列压力传感器的制备。利用压力机和LCR电桥对不同厚度的微结构PDMS作为介质层的传感器性能进行了测试。测试结果表明,采用微结构PDMS为介质层明显提高了传感器的灵敏度,当介质层厚度为0.5 mm时,0～5 kPa和5～20 kPa下传感器的灵敏度分别为0.18 kPa-1和0.02 kPa-1,同时传感器具有良好的重复性(>1 000次)、快速的响应时间(<200 ms)和低的检测极限(约为5.5 Pa)。该传感器能够准确、灵活地监测外部压力的变化和分布,适用于未来智能机器人中电子皮肤的应用。     

基于石墨烯/PDMS介质层的柔性压力传感器

提出了一种以石墨烯/PDMS为介质层的柔性压力传感器,主要介绍了石墨烯/PDMS介质层和柔性压力传感器的制备方法,研究了石墨烯浓度和石墨烯/PDMS介质层厚度对传感器灵敏度的影响。利用压力机和阻抗分析仪对柔性压力传感器进行了测试,结果表明柔性压力传感器有大的工作范围(0～20 kPa)和高的灵敏度(在0～3 kPa的灵敏度为0.3 kPa~(-1),3～8 kPa的灵敏度为0.06 kPa~(-1),8～20 k Pa的灵敏度为0.017 kPa~(-1));同时传感器的可恢复性和重复性能良好,可灵敏地检测手指的弯曲,在机器人皮肤和智能穿戴领域有着广阔的应用前景。     

高灵敏度光纤光栅静水压力传感研究

分析了光纤布拉格光栅的压力敏感及增敏原理,设计了一种适于高分辨率静水压力测量的封装结构,实验结果表明,该光纤光栅压力传感器压力响应灵敏度为9.03×10-3 MPa-1,比未封装的裸光纤光栅增敏2946倍,在长沙白鹭湖进行的基于静水压力的水深测量表明,该传感器的深度分辨能力优于5 cm,并有较好的线性和重复性,满足基于静水压力的拖曳缆深度测量应用需求.     

增敏型光纤布拉格光栅锚索测力传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的增敏型索力传感器。该传感器的基体为圆柱环状弹性体，3组回字梁间隔120°布置在圆环上，6个FBG分3组按顺序粘贴在回字形梁上，同时在传感器基体上粘贴1个FBG进行对比实验。采用有限元分析方法研究弹性体的应变分布特征，用3组FBG波长漂移量的差值作为传感器的输出信号，实现对锚索应力的测量和温度补偿。压力测试结果表明，基体上FBG的输出信号灵敏度为0.75 pm/kN，而回字梁上FBG输出信号的灵敏度为33.53 pm/kN，增敏效果显著且传感器具有良好的线性度和温度补偿能力。     

基于柔性基的高灵敏度无损光纤压力传感器

为了简化光纤压力传感器的制作方法，降低制作成本，提出了一种柔性基应变式无损光纤压力传器，将未进行过任何处理的单模光纤嵌入在两片柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜中，制作成“三明治”结构压力传感器，采用光频域反射计(OFDR)技术进行解调，测试传感器在不同压力下的光谱漂移与光纤的微应变的关系。实验结果表明:在受力面积为 ２.３７５ ｍｍ２ ，压力范围0~ 5kgf(０~ 20ＭＰａ)时，传感器的灵敏度达到194 /kgf，是裸单模光纤的6.47倍，同时压力测量范围提高5 倍，在0~ 2kgf(０~ 8ＭＰａ)范围内传感器具有很高的重复性与线性度，另外进行了分布式压力测试，证实传感器输出响应明显，空间分辨率较高。     

填充型增敏式光子晶体光纤压力传感器结构

为了实现光纤传感器压力增敏的效果,设计了一种具有高双折射的光子晶体光纤结构。采用有限元法计算光子晶体光纤在不同应力作用下的有效折射率, 基于光子晶体光纤的压敏特性,分析光子晶体光纤的模式, 并选择该结构里的一个空气孔,填充具有特定折射率的液体材料,构成新型压力传感器。该结构的压力灵敏度由COMSOL软件的仿真得出。结果表明, 经填充液体后,偏振相位灵敏度从72rad/(MPa·m)提升至128rad/(MPa·m),显著提高了77.7%。该研究对增强传感器的力学性能有帮助。     

高灵敏度稳定光纤光栅温度传感器的研究

为了提高光纤Bragg光栅(FBG)的温度灵敏度,设计了一种双金属FBG温度增敏装置。增敏装置利用不同金属热胀系数的差异和巧妙的增敏结构,大幅度提高了FBG的温度灵敏度。从理论分析了增敏结构的增敏原理,并给出了波长温度响应关系式。使用此增敏装置制作了一种高灵敏度的FBG温度传感器。为了保证FBG长期固定的稳定性,在制作传感器时使用了低熔点玻璃焊接工艺。实验中,测得增敏FBG温度传感器的温度灵敏度系数达到345.9 pm/℃,是裸FBG的35倍,线性度为0.999 89。对增敏前和增敏后的FBG反射谱进行了对比,结果表明,增敏装置对FBG反射光的功率和反射谱的形状影响很小。对增敏FBG温度传感器的稳定性进行了测试,并用裸FBG作为参考,测试结果显示,增敏装置对FBG的稳定性没有造成影响。     

PDMS封装的液滴型光纤平面应变传感器北大核心CSCD

提出了一种聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)封装的液滴型光纤平面应变传感器,用于监控薄片型工件的形变情况。该传感器由一段标准单模光纤(single mode fiber,SMF)弯曲形成的回音壁组成,其形状类似液滴,并被封装在由PDMS制作的方形模具中。实验通过监测传感器输出光谱波长的变化情况来获取待测工件所受的外界应变的大小及方向。实验结果表明:当传感器受到沿液滴型结构短轴方向的应变时,输出光谱蓝移,应变灵敏度为-0.108 nm/με;当传感器受到沿液滴型结构长轴方向的应变时,输出光谱红移,应变灵敏度为0.084 nm/με;实验还研究了受力方向与短轴成45°夹角时的情况,为应变的方向判断提供了参考;该传感器对温度的响应灵敏度为-1.557 nm/℃。所提出的光纤平面应变传感器,不仅可以检测应变的大小,而且可以通过应变灵敏度来识别应变的方向,达到平面应变测量的目的,在诸如镀膜、弯曲等领域具有很好的应用前景。     

用于沥青路面载荷监测的光纤光栅压力传感器

提出了一种可用于沥青路面载荷测量的新型高灵敏度光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器.传感器采用金属材料和聚合物相结合的封装形式,通过改变聚合物的几何结构实现了高倍数压力增敏效果,并从理论推导了该传感器的光栅中心波长相对偏移量与加载其上压强之间的解析关系.实验结果表明:该传感器的压力监测灵敏度达到2.39×10-8 Pa-...     

一种增敏结构的FBG倾角传感器研究

实现了一种增敏结构的光纤Bragg光栅(FBG)倾角传 感器,在传统等强度梁结构的基础上设计一种 新型凸台增敏结构,将经预拉伸后的FBG两端的光纤固定于凸台上,刻有光栅部分位于凸台 之间,当传感 器的倾角状态变化时,摆锤的重力分量迫使梁发生弯曲变形,FBG感知变形应变, 中心波长产生漂移, 根据波长的漂移情况表征倾角状态。加工制造了无凸台结构和凸台高为0.5mm、 1.0mm的3种FBG倾角传感器以开展增敏效果对比,实施了量程、灵敏 度、线性、重复性和蠕变等 的测试。实验表明,设计的增敏结构可显著提高传感器的灵敏度,凸台高为1. 0mm的传感器灵敏度提高 了2.23倍,倾角的测量分辨率可达到0.005° ,且在重复性、线性、蠕 变等方面有着良好的测量能力,证明了基于本文增敏结构的倾角传感器的有效性和可行性。     

基于SOI岛膜结构的高温压力传感器北大核心

针对绝缘体上硅（SOI）压力传感器平模结构下压敏电阻所在区域应力跨度过大而导致的线性度降低问题,采用了岛膜结构改善敏感膜片表面的应力分布,使压敏电阻能够完全布置在应力集中区,从而提高传感器的灵敏度和线性度。使用有限元分析软件对岛膜结构进行力学性能分析,根据敏感膜片表面应力分布情况确定压敏电阻最优的位置分布,并完成敏感芯片的制备。对完成的敏感芯片进行封装并进行温度-压力的复合测试,测试结果表明在19~200℃、量程2 MPa范围内,该传感器有较高的灵敏度（0.055 mV/kPa）和线性度（0.995）。     

一种新颖的高灵敏度光纤光栅压力传感器

提出一种双波纹管结构封装的高灵敏度光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器,从理论分析了该器件的传感机理。研究结果表明,该FBG压力传感器可实现0～1.2 KPa压力测量,灵敏度达到688.2 pm/kPa,线性拟合度达到0.9973,适用于液位小范围变化的高精度检测。     

基于并联法布里-珀罗干涉仪游标效应的增敏光纤湿度传感器

为了提高光纤湿度传感器的灵敏度,提出了一种基于并联光纤法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometers, FPIs)游标效应的增敏型湿度传感器,并进行了实验验证。该传感器由两个基于内径4μm石英毛细管的光纤FPI通过2×2耦合器并联组成,其中一个FPI作为传感FPI,其末端镀有湿敏特性的琼脂糖薄膜,另一个作为参考FPI。论文分析了器件的湿度传感工作原理,实验结果论证了该理论分析的正确性。实验显示,并联FPI游标效应器件在40%RH—60%RH范围内其灵敏度高达0.843 9 nm/%RH,较之单一FPI的灵敏度提高了9倍,是并联FPI反射谱直接波谷追踪波长解调灵敏度的44倍。增加FPI末端湿敏膜厚度,其灵敏度进一步提高至1.12 nm/%RH。该传感器制备简单、尺寸小、灵敏度高,在湿度测试方面具有潜在的应用价值。     

光纤F-P腔高灵敏加速度传感器理论模型研究

以提高光纤波长复用型加速度传感器的灵敏度为目标,分析光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器的增敏思路,阐明FBG加速度传感器灵敏度的增敏瓶颈和固有制约因素,提出波长复用型光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot, F-P)加速度传感器物理模型,理论研究其加速度传感原理,推导加速度传感器谐振频率和灵敏度的解析表达式,深入分析系统的结构体刚度、干涉级次、腔长对加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响因素,并对比分析在不同系统刚度下FBG和F-P加速度传感器的灵敏度响应特性。由于灵敏度与谐振频率相互制约,进一步引入品质因子对比分析FBG和F-P加速度传感器的综合性能。在谐振频率为205 Hz时,传感器灵敏度高达198 nm/G,比基于FBG的传感器灵敏度理论上高出约2个数量级,并提出F-P型加速度传感器波长复用方案。理论分析表明F-P型加速度传感器与FBG型相比具有独特的优势,为光纤型加速度传感器的增敏和波长复用提供了新思路,并奠定理论基础。     

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。     

光纤水听器梭形封装结构灵敏度分析

提高光纤光栅传感器响应灵敏度是提高光纤光栅传感系统检测精度的有效途径之一。聚合物封装是一种简单,有效的光纤光栅保护以及压力增敏方案。文章对采用梭形封装的光纤光栅水听器探头的压力传感特性进行了研究,基于有限元软件ANSYS,对不同聚合物材料所获得的传感效果进行了比较。分析结果表明一定材料的梭形结构压力灵敏度比裸光纤的提高了约200倍。     

基于弹性薄片封装的高灵敏度光纤光栅压力传感器

为满足水深高精度测量,基于弹性薄片封装,研制了一种新型光纤Bragg光栅(FBG)压力增敏传感器,分析了其工作机理,并进行了水压测试.结果表明,封装后的FBG静水压灵敏度为33.6 nm/MPa,是封装前压力灵敏度的10700倍,其液位测量的灵敏度为3.36 pm/cm.研究表明:对探头的材料和尺寸进行适当的调整,可实...     

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。     

一种基于平膜片挠度的光纤光栅压力传感器

设计并实现了一种基于平膜片挠度的光纤光栅压力传感器,该压力传感器利用一个L型的杠杆机构将膜片的挠度转换为光纤光栅的轴向应变,在提高传感器灵敏度的同时避免了对光纤光栅栅区直接封装造成的应力分布不均匀.实验结果表明,该传感器具有良好的线性度和稳定性,其压力灵敏度系数达10.4 nm/MPa.