基于级联FPI和MZI的游标效应的光纤温度传感器北大核心CSCD

为了兼顾较高温度传感灵敏度和较大的测量范围,提出了一种基于游标效应的级联法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer, FPI)和马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)的温度传感器,并进行了实验验证。实验中所采用的FPI是由两段单模光纤和一个两端镀膜的石英波片构成,其结构稳定且不受恒温箱振动的影响,因此将其用来作为温度传感元件。MZI作为滤波结构是由两个3 dB耦合器自制而成,通过控制两个臂长使其自由光谱范围(free spectral range, FSR)与FPI的FSR相接近,从而能基于游标效应以级联的方式实现温度传感灵敏度的放大。实验结果表明,在20℃—70℃的温度变化下,级联干涉仪的温度灵敏度为72.4 pm/℃,相比于单个FPI(8.72 pm/℃),该结构将温度传感的灵敏度放大了8.3倍,同时还具有较大的测量范围,实验结果与理论相一致。     

基于熊猫光纤的高灵敏度温度传感器北大核心CSCD

本实验基于模间干涉原理制作了由熊猫型保偏光纤(Panda polarization maintaining fiber,PMF)构成的马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)传感器。该传感器由于大孔径多模光纤(large aperture multimode fiber,MMF)的耦合作用,对温度表现出很高的灵敏性。当外界物理量温度变化时,传感器透射谱发生漂移,通过观察特征峰的漂移与温度变化的关系,得到传感器温度响应特性。实验数据显示,该单模-多模-熊猫-单模光纤干涉仪结构的两个特征峰波长对温度线性响应,且灵敏度为-123.80 pm/℃和-195.20 pm/℃。该传感器温度实验的重复性和稳定性效果均很好,能实现对温度的有效测量。     

一种全光纤拼接结构的MZI液位温度传感器

本文设计并制作了一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)的光纤液位温度传感器。该结构是由熔接在单模光纤(single-mode fibers, SMFs)之间的一段无芯光纤(no-core fiber, NCF)和一段多模光纤(multi-mode fiber, MMF)拼接而成。由于周围环境液位和温度的变化会导致干涉仪传输光模式改变,进而引起干涉光谱条纹移动。通过检测干涉光谱的两个谷值波长的漂移情况,便可获得液位和温度响应的灵敏度,利用灵敏度系数矩阵可实现对液位和温度的同时测量。研究表明,当液位升高时,干涉光谱发生红移;在0—36 mm液位变化范围内,其最大液位响应灵敏度为208.38pm/mm。当温度升高时,干涉光谱依然保持红移现象;在30—70℃温度变化范围内,其最大温度响应灵敏度为29.67 pm/℃。该传感器结构具有灵敏度高、测量范围大、制造简单、成本低以及液位温度同时测量等优点,在传感领域具有应用潜力。     

基于MZI与DSO的高灵敏度光纤温度传感器

该文介绍了一种基于马赫-则德尔干涉仪(MZI)与二甲基硅油(DSO)相结合的高灵敏度光纤温度传感器。传感器由MZI及填充在其表面的DSO组成。MZI由单模光纤-锥形无芯光纤-单模光纤构成。填充DSO后,MZI的谐振峰向右有小的漂移。通过跟踪MZI谐振峰波长随温度的变化,对环境温度进行测量。经测试,传感器的温度灵敏度为-97.7 pm/℃,而未填充DSO的MZI温度灵敏度为-50.1 pm/℃,传感器灵敏度提高了约1.95倍。该传感器具有结构制作简单,造价低及灵敏度高等优点,具有一定的应用前景。     

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。     

基于马赫-曾德尔干涉仪的保偏光纤温度传感器研究

根据马赫-曾德尔干涉仪(MZI)原理在两根标准 单模光纤(SMF)中间熔接一段保偏光纤(PMF),通过电弧 放电和熔接推挤形成凹-凸型锥,构成温度光纤传感器。利用PMF的包层模、纤芯模对温度 的灵敏度差异,通 过检测透射光谱中不同干涉谷的波长和强度变化,实现对温度的测量。实验表明,在25~70℃的范围内, 当PMF的长为30mm时,在1533.68nm和1560.92nm时的干涉谷对应的波长灵敏度为0.029 nm/℃和0.040nm/℃,对应的强度灵敏度为0.12dB/℃和0.097dB/℃;当PMF的长度为 40mm时,在1540.54nm和1568.64nm时的干涉谷对 应的波长灵敏度为0.083 nm/℃和0.099nm/℃,强度 灵敏度为0.152 dB/℃和－0.211dB/℃。根据 光谱仪0.01nm和0.01dB的分辨率,对应的波 长和强度分辨率分别为0.100 ℃和0.047℃。     

基于光纤锥和多模渐变光纤的马赫-曾德尔干涉仪的传感特性研究

提出了一种基于光纤锥和纤芯失配光纤结构的马赫-曾德尔干涉(MZI)传感器。在距离单模光纤(SMF)锥25mm处熔接一段长30mm的多模渐变光纤(GI MMF),形成SMF-光纤锥-SMFGI MMF-SMF结构。其中,光纤锥起到增加包层模能量的作用,GI MMF为传感臂。传感器外界环境温度、折射率及应力的改变都会使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,从而引起传感器干涉谱发生变化,通过监测干涉谱的变化可以实现对外界物理量的测量。实验研究结果表明,当环境溶液温度在30~89℃范围内变化时,传感器的温度灵敏度为78.6pm/℃,线性度为0.997;环境溶液折射率在1.333~1.394变化范围内,传感器的折射率灵敏度为81.48dB/RIU,线性度为0.989;轴向应变在0~933.3με变化范围内,传感器的应变灵敏度为0.33×10-2 dB/με,线性度为0.998。本文传感器可以实现多个物理量的同时区分测量。     

基于虚拟游标效应的夹层多模光纤马赫-曾德尔干涉仪高灵敏温度传感器

提出一种基于夹层多模光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）与虚拟游标效应结合的高灵敏度温度传感器,进行了理论分析和实验验证。该光纤MZI是通过在两段1 mm长的阶跃型多模光纤之间拼接一段20 mm的渐变多模光纤制成,夹层多模光纤MZI作为游标效应的传感干涉仪,利用信号处理对该光纤MZI的干涉光谱进行变频得到参考干涉仪光谱,通过叠加传感干涉仪和参考干涉仪的波形实现虚拟游标光谱。实验结果表明,在40～100℃温度范围内,该传感系统的温度灵敏度为3.884 nm/℃,与单个夹层多模光纤MZI相比,灵敏度提高了37.346倍。与传统的光纤游标传感器相比,所提出的虚拟游标夹层多模光纤温度传感器具有灵敏度极高、尺寸紧凑、制作简单、成本低、结果更可靠等优点。     

高灵敏度液封光纤马赫-曾德干涉仪温度传感器

提出一种结构简单且灵敏度高的液体封装结构光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)温度传感器,并对其折射率和温度响应特性进行了理论分析和实验研究。3段单模光纤(SMF)采用锥腰扩大熔接技术顺次熔接构成同轴式光纤MZI,结果表明MZI对环境折射率非常敏感;然后,将MZI封装在充满Cargille液体的毛细管中,结果表明液封后的MZI在测试温度范围内(10~40℃)的灵敏度约150pm/℃,较之封装前提高了1倍,且远高于大多数的光纤光栅和其它光纤干涉仪型温度传感器。本文MZI温度传感器还具有良好的物理强度和易于制备等优点,在环境监测和食品工业等领域具有良好的应用前景。     

基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究

提出了一种基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变 双参数同时测量的光纤传感器,其结构是在单模光纤(SMF)上分别熔接两 个球形结构并在SMF光纤中间熔接一段细芯光纤(TCSMF)。利用光纤的纤芯 模、包层模对温度、应变的灵 敏度差异,通过检测不同级次的干涉谷的特征波长位移变化,结合敏感矩阵实现了对温度、 应变双参数的 同时测量。实验选取位于波长1545.1nm554.8nm处的干涉谷进行温度和应变的同时测量,测 得两个波谷 的温度灵敏度分别为53.86 pm/℃和47.51pm/ ℃,两个波谷的应变灵敏度分 别为0.75 pm/με和1.39pm/με,并且不 同级次干涉波谷的波长位移量与外界温度和应变具有良好的线性度。     

大偏移量错芯MZI实现较低温度灵敏度的曲率传感

基于光纤大偏移量错芯(large core-offset structure, LCOS)熔接形成的马赫-曾德尔干涉结构(Mach-Zehnder interferometer, MZI),设计了一种具有较低温度灵敏度的曲率传感器。该结构采用GF3光纤作为核心灵敏单元,与两段单模光纤(single mode fiber, SMF)进行LCOS熔接,通过实验对比偏移量和传感光纤长度对温度和曲率灵敏度的影响,得到最佳参数组合实现较低温度灵敏度的曲率传感。实验结果表明,偏移量为20μm、传感光纤长度为10 mm时的LCOS MZI,曲率灵敏度可以达到10.9 nm/m^-1,且温度灵敏度仅为0.9 pm/℃。该传感器具有结构简单、成本低、曲率灵敏度较高和温度灵敏度低的特点,在工程结构、健康监控与人体可穿戴设备等方面具有潜在的应用价值。     

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。     

基于七芯光纤的迈克尔逊干涉型光纤温度传感器

为了实现对环境温度的精确测量,提出了一种基于七芯光纤(seven-core fiber, SCF)的迈克尔逊干涉型温度传感器。该传感器由单模光纤(single mode fiber, SMF)和SCF熔锥构成,当光由SMF进入SCF时,由于光纤直径的急剧变小,在光纤细锥区域会激发出SCF中的高阶模,这些高阶模与纤芯基模经SCF端面反射后,再次回到细锥区域时发生干涉,并经由SMF输出。制作了不同长度SCF的传感器样品,并分别进行了温度传感实验研究。温度响应实验结果表明,在20—160℃温度范围内,长度为47 mm的传感器的温度灵敏度为0.127 4 nm/℃,拟合线性系数为0.998 3,温度测量分辨率为0.007 8℃,稳定性实验测得传感器的测量标准偏差为0.289 6℃。该温度传感器结构紧凑、易于制作、成本低廉、灵敏度高且测量范围大,在温度监测领域具有一定的应用潜力。