刻纹光纤传感器在温度测量中的应用

介绍一种新型的金属敷层刻纹光纤温度传感器，对其测温原理进行了研究。实验结果表明：该传感器的特性由结构参数和金属敷层材料种类所决定，其温度响应是线性的，具有较好的重复性，无迟滞现象和较高的温度响应灵敏度。     

分段刻纹镀膜光纤温度传感器的灵敏度研究

本文介绍一种分段刻纹镀膜光纤温度传感器,它是用光刻法及化学腐蚀的方法在光纤包层上直接形成的。由于它不需要外部敏感元件,因此具有体积小、结构简单、稳定性好、灵敏度高和抗干扰能力强等优点,适合于温度的高速度和安全的远距离测量。这种光纤温度传感器的灵敏度由刻纹数、刻纹深度和镀层等决定。     

双包层Yb/Er共掺光纤放大器的数值模拟

对980nm抽运的双包层Yb/Er共掺光纤放大器进行了数值模拟,分析了不同功率的信号光的增益情况,计算了稳态情况下光纤中反转粒子数,抽运光功率,信号光功率沿光纤轴向的分布以及放大器的斜率效率。当信号光初值较高时,通过模拟得到的斜率效率与实验结果相近。     

一种基于光学游标效应的光纤应变传感技术研究

游标效应是提高传感器测量灵敏度的有效方法，提出了一种具有温度稳定性的基于光学游标效应的高灵敏度光纤应变传感方法。详细阐述了高灵敏度光纤应变传感方法的理论基础和系统结构，并对基于光学游标效应的光纤应变传感器的增敏效果进行了仿真研究。理论分析和仿真结果表明：将光学游标增敏效应与SMS干涉仪传光特性相结合，通过两个干涉仪的级联，可以实现具有环境温度稳定的高灵敏度应变传感器，灵敏度相较于原有的光纤应变传感器提高了10倍。该技术的研究和推广对光纤应变传感技术的发展具有重要意义。     

基于反射式强度调制的光纤温度传感器

本文提出了一种新型的光纤温度传感器结构，并建立了传感器的数字模型，推导出传感器输出光信与与温度的相应关系，最后在实验的基础上得到了输出光信号与温度变化的关系曲线。     

智能结构损伤的分布式光纤测试技术

在智能结构局部发生变形时,其变形部位损伤程度可以用应变来表示.光纤在受力情况下发生弹光效应,即在应力作用下光纤材料的折射率将发生变化,通过测试折射率变化的信息就可以确定损伤发生的位置.推导了光纤分布式测试技术中反射光损耗与应变量之间的关系,发现在较大的应变范围内应变和损耗的关系是接近线性的,并用实验方法测试了损伤(应力变化)与功率损耗的关系,确定了损伤发生位置.     

利用光纤双折射效应实现应变和温度同时测量

提出了用相位掩模技术在双折射光纤上刻制光纤Bragg光栅的方法.由于光纤Bragg光栅的双折射效应,当有温度和应变的影响时,可观察到分别对应于快轴和慢轴的光纤光栅反射波中心波长的分离,可得到的最大差值为0.66nm.中心波长的差值随着温度和应变的变化而变化.这种光纤Bragg光栅可实现温度和应变的同时测量.     

化学镀Ni-P光纤布拉格光栅的均匀轴向拉力响应

研究了化学镀Ni-P涂敷后光纤布拉格光栅(ENFBG)的均匀轴向拉力响应特性.利用其轴对称特性,分析了光栅的应力及应变状态;采用有限元方法数值分析了光栅应变,并实验验证了数值分析结果.数值分析表明:处于纤芯处的光栅被均匀拉伸,剪应变远小于正应变,可忽略;正应变与轴向拉力成正比,ENFBG中心波长的变化正比于均匀轴向拉力变化;但由于化学镀层与光纤力学特性的差异,镀层对FBG轴向均匀拉力响应起去敏作用.当化学镀层厚度为7.25μm时,ENFBG的均匀轴向拉力实测灵敏度为12.45 pm/MPa,相关系数为0.999 6,理论计算值为12,744 pm/MPa,但随着镀层厚度的增加,灵敏度呈下降趋势.镀层在为FBG提供良好保护的同时,ENFBG中心波长对于轴向拉力保持线性响应.实验显示ENFBG是性能良好的轴向拉力传感器.     

基于光纤布拉格光栅(FBG)原理的三坐标测量机测头结构

介绍了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感原理的三维测头。FBG的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器,布拉格波长方程为λB=2neΛ。外界应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期Λ和纤芯折射率ne,并且FBG对轴向应变特别敏感。本测头采用三根竖直放置均布于圆柱面内的FBG,FBG的上端固定在一个固定架上,下部与一个支架连接。支架通过三根钼丝悬挂在内,测杆也固定在这个支架的中心,支架能够随测针一起自由偏摆。测杆与被测件接触时发生偏转,支架把偏摆量转化为对FBG的轴向应变,从而使FBG的布拉格波长变化。本测头传感系统采用匹配光纤光栅滤波的解调方式,选用四根参数一样的光纤光栅(其中三根做传感光栅,一根做参考光栅)。宽带光源经过耦合器进入传感FBG,从传感FBG反射的光经过耦合器进入匹配FBG,用高精度探测器测量匹配光栅的反射能量。当测杆偏摆时,传感FBG的布拉格波长受应变的影响而变化,从而使参考光栅反射的能量发生变化。本文主要介绍这种自主研发测头的结构分析,传感系统。     

分离应变和温度的差动式光纤Bragg光栅传感器

作为传感元件，被光纤Bragg光栅测量的物理量的信息是一种波长编码的绝对测量，然而，其本质的限制是对多变量的交叉敏感。实验表明：温度波动严重干扰了应变式光纤Bragg光栅传感器的测量，拉、压应变的标准误差为0.21mn和0．20mn．根据粘贴于悬臂梁上、下表面的光纤光栅的Bragg波长响应温度和应变的差异，分离了应变和温度的耦合信号，拉、压应变的标准误差降低到了0．005mn和0．20nm．根据粘贴于悬臂梁上、下表面的光纤光栅的Bragg波长响应温度和应变的差异，分离了应变和温度的耦合信号，拉、压应变的标准误差降低到了0．05mn和0．07mn．值得注意地是：在该机械补偿方案中，温度检测不是必需的。     

纤芯失配的光纤Mach-Zehnder折射率传感器

基于Mach-Zehnder干涉仪原理,利用光纤错位熔接技术设计并制作了一种单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的液体折射率传感器。传感器中的多模光纤和错位连接部分充当光耦合器;多模光纤在后面的单模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同的模式有不同的模式折射率,经中间单模光纤传输到错位熔接点处时,不同模式光之间将产生光程差,经错位熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模从而产生干涉。对该传感器输出的干涉光谱中干涉谷功率随外界溶液折射率变化的规律进行了理论分析和实验研究。结果表明：溶液折射率变化为1.358 9~1.392 2时,干涉谱中1 530 nm附近的干涉谷光功率与溶液折射率呈单调递增关系,可用于折射率的测量;折射率变化为1.372 0~1.392 2时,传感器响应曲线具有很好的线性度,线性拟合系数为0.998,对应的灵敏度为252.06 dB/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高,可用于生物医学领域液体折射率的实时测量。     

Characterization of power induced heating and damage in fiber optic probes for near-field scanning optical microscopy

Tip-induced sample heating in near-field scanning optical microscopy (NSOM) is studied for fiber optic probes fabricated using the chemical etching technique. To characterize sample heating from etched NSOM probes, the spectra of a thermochromic polymer sample are measured as a function of probe output power, as was previously reported for pulled NSOM probes. The results reveal that sample heating increases rapidly to approximately 55-60 degrees C as output powers reach approximately 50 nW. At higher output powers, the sample heating remains approximately constant up to the maximum power studied of approximately 450 nW. The sample heating profiles measured for etched NSOM probes are consistent with those previously measured for NSOM probes fabricated using the pulling method. At high powers, both pulled and etched NSOM probes fail as the aluminum coating is damaged. For probes fabricated in our laboratory we find failure occurring at input powers of 3.4+/-1.7 and 20.7+/-6.9 mW for pulled and etched probes, respectively. The larger half-cone angle for etched probes ( approximately 15 degrees for etched and approximately 6 degrees for pulled probes) enables more light delivery and also apparently leads to a different failure mechanism. For pulled NSOM probes, high resolution images of NSOM probes as power is increased reveal the development of stress fractures in the coating at a taper diameter of approximately 6 microm. These stress fractures, arising from the differential heating expansion of the dielectric and the metal coating, eventually lead to coating removal and probe failure. For etched tips, the absence of clear stress fractures and the pooled morphology of the damaged aluminum coating following failure suggest that thermal damage may cause coating failure, although other mechanisms cannot be ruled out.     

Temperature and refractive index sensor using a high-birefringence fiber loop mirror and single mode-coreless-single mode fiber structure

A novel fiber optic sensor for the simultaneous measurement of refractive index and temperature is reported. The sensor consists of a high-birefringence fiber loop mirror and a section of single mode-coreless-single mode fiber structure. The single mode-coreless-single mode fiber structure served as a refractometer while the high-birefringence fiber loop mirror was used to measure temperature. The multimode interference valley of the single mode-coreless-single mode fiber structure was sensitive to the surrounding refractive index of liquids (96.42 nm/refractive index unit) and had almost no response to temperature fluctuations. The high-birefringence fiber loop mirror was highly sensitive to temperature (1.98 nm/°C) but was insensitive to changes in refractive index. The theoretical and experimental results demonstrated simultaneous measurement of temperature and refractive index. The optimum resolution was 2.07 × 10^?4 refractive index units and 0.01°C.     

镀金属膜长周期光纤光栅的传感特性

本文基于耦合模理论, 建立了严格的四层金属膜理论模型, 探讨了镀金属膜长周期光纤光栅(Long-period fiber grating, LPFG)的温度、 应变及折射率特性, 以及镀膜参数对镀金属膜长周期光纤光栅光谱特性的影响.仿真结果表明, 长周期光纤光栅表面最优的金属膜厚度将引起表现等离子共振(Surface-plasmon resonance, SPR)特性, 这一特性将使得LPFG 对稳定及折射率都有较高的敏感性, 而对应变影响较小. 理论分析表明, 银膜厚度在0.8-1.2 nm 范围内时, 折射率敏感度达到最大值为42.402 6, 敏感度增加4.5%. 仿真结果为镀膜长周期光纤光栅的设计及参数优化提供了理论指导.     

基于光纤微弯损耗的压力传感器实验研究

光纤微弯传感器是一种强度调制式光纤传感器,它是利用光纤的微弯损耗效应来测量压力、温度、加速度、应变、流量等环境参量的变化.应用模式耦合理论分析了光纤微弯传感的基本原理,设计了两种不同结构参数的光纤微弯传感器,并且研究了传感器在载荷力的微扰下的输出特性和影响传感器灵敏度的关键因素.实验研究表明,所设计的微弯型压力传感器在一定的压力范围内具有较高的灵敏度、较好的线性和重复性.     

高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器的设计

为提高光纤光栅温度传感器的灵敏度,文中采取纤芯弹光系数大于包层弹光系数的长周期光纤光栅且在其包层外面涂覆一层随温度的升高折射率减小的薄膜材料,同时采用热膨胀系数大的金属封装光栅三种增敏措施。计算表明,增敏后的温度传感器其灵敏度系数为0.2375nm/℃,温度测量分辨力小于0.1℃。     

Fe-C合金膜光纤腐蚀传感器的腐蚀实验及传感特性研究

为了监测钢筋或各种埋地管线的腐蚀情况,提出了基于金属腐蚀敏感膜的光纤腐蚀传感器.介绍了Fe-C合金膜光纤腐蚀传感器的原理.为了寻找其传感规律,用同一浓度的腐蚀溶液对不同厚度的金属膜进行腐蚀.以金属膜被腐蚀掉的百分比作为横坐标来记录光输出功率的变化.通过对实验数据的分析,基本找到了电镀获得的Fe-C合金膜在腐蚀溶液中的腐蚀规律.     

可同时测量温度和压力的高灵敏度光纤光栅传感器

报道一种新颖的基于单个光纤布拉格光栅的传感器。该传感器将光栅的一部分封装在周围填充聚合物的金属空腔里,另一部分固定在金属柱体内。由于固定的光栅部分不受应变的影响,而封装在聚合物的光栅同时受温度和应变的影响,因此该结构可实现温度和应变的分离传感。同时,这种聚合物封装的结构把施加在聚合物上的横向应力巧妙地转化为施加在光栅上的轴向应变,可大大提高其应变传感灵敏度。实验结果表明该传感器不但可以实现压力和温度的同时测量,而且其压力灵敏度系数可达9.65×10-3MPa-1,约为裸光栅的4770倍。     

Planar optical waveguide temperature sensor based on etched bragg gratings considering nonlinear thermo-optic effect

This paper demonstrates the development of optical temperature sensor based on the etched silica-based planar waveguide Bragg grating. Topics include design and fabrication of the etched planar waveguide Bragg grating optical temperature sensor. The typical bandwidth and reflectivity of the surface etched grating has been ∼0.2 nm and ∼9 %, respectively, at a wavelength of ∼1552 nm. The temperature-induced wavelength change is found to be slightly non-linear over ∼200 °C temperature range. Typically, the temperature-induced fractional Bragg wavelength shift measured in this experiment is 0.0132 nm/°C with linear curve fit. Theoretical models with nonlinear temperature effect for the grating response based on waveguide and plate deformation theories agree with experiments to within acceptable tolerance.