基于微纳光纤谐振环的温度传感器研究

该项工作制作并验证了基于微纳光纤结型谐振环的高灵敏度且扩大测量范围的温度传感器。 在微纳光纤谐振环中产 生多个模式并参与谐振,多个模式谐振的光谱相互叠加,形成带包络的游标光谱。 通过提取游标光谱的包络线,实现高灵敏度 的温度测量,灵敏度高达-10 nm/ ℃ 。 但计算得到利用游标光谱时的温度测量范围仅约为 4℃ 。 为解决测量范围过小的问题, 将包络光谱与单一频率组分对应的谐振光谱相结合,使测量范围扩大至约 20℃ 。 相比于单一频率组分对应的谐振光谱,利用 游标包络光谱实现了灵敏度约 1 600 倍的放大。 该方案利用游标效应提高温度测量灵敏度的同时,利用单一频率组分对应的 谐振光谱扩大了游标光谱的温度测量范围,提高了传感器的性能和实用性。     

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。     

保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环的光学游标效应及温度传感器

为了实现高灵敏度的温度传感,通过在基于保偏光纤Sagnac干涉仪的Sagnac环内增加一段保偏光纤,控制两段保偏光纤快轴熔接角度接近45°,设计并制造了保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环结构。在理论上通过Jones矩阵推导了保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环的干涉谱公式,基于仿真分析研究了主要参数对保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环输出特性的影响。仿真结果表明,保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环实现了光学游标效应,两段保偏光纤的平均长度、两段保偏光纤的长度差分别影响保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环输出干涉谱的波长间隔和包络周期;在实验中,将保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环应用在光纤温度传感器中。实验结果表明,在2cm的感温区域,保偏光纤转轴熔接Sagnac干涉环温度传感器的灵敏度就达到了-2.44nm/℃,是普通Sagnac干涉环温度传感器(-0.163nm/℃)的14.97倍。     

具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器

提出了一种基于铽镝铁(TbDyFe)的具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器。传感器由光纤布拉格光栅(FBG),拱形微纳光纤和TbDyFe组成,拱形微纳光纤通过紫外胶(UV glue)粘接在TbDyFe上。与非拱形微纳光纤相比,拱形光纤可将TbDyFe的伸长转化为光纤曲率半径的变化,引起干涉波长偏移,从而实现磁场灵敏度的提高。随着磁场强度升高,拱形微纳光纤的干涉波长蓝移,灵敏度为47.81 pm/mT,FBG对磁场不敏感,拱形微纳光纤传感器的磁场灵敏度比非拱形高11.66倍。升温过程中拱形微纳光纤的干涉波长发生蓝移,温度灵敏度为43.02 pm/℃,FBG的干涉波长发生红移,温度灵敏度为9.34 pm/℃。磁场传感器显示出良好的重复性和线性,级联的FBG对磁场不敏感,可以实现对磁场传感器的温度补偿。     

FBG级联MZI的温度和酒精溶液浓度传感特性研究

为了测量白酒蒸馏过程中的温度和酒精溶度,制作了一种基于马赫曾德仪(MZI)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的可同时测量温度和酒精溶液浓度的光纤传感器。FBG是利用飞秒激光逐线刻写的方式在单模光纤(SMF)中制作的周期为2.2μm,布拉格波长为1 591.21 nm,透射谱深度可达23 d B的4阶光纤布拉格光栅;MZI是将细芯光纤和SMF采用纤芯错位和锥腰扩大熔接技术制作的腔长为8.7 mm,对比度为28.5 d B的透射式光纤干涉传感器。基于多光束干涉理论对传感器的温度和酒精溶液浓度传感特性进行分析,利用MZI干涉波谷与FBG透射峰的灵敏度差异,结合灵敏度系数矩阵实现对温度和酒精溶液浓度的同时测量。实验中,传感器的酒精溶液浓度和温度灵敏度分别可达-41.37 pm/%和58.96 pm/℃。该传感结构在白酒酿造产业有潜在的应用前景。     

基于多模-单模-多模结构和光纤布拉格光栅同时测量温度和折射率

利用单模光纤(SMF)中的包层模与纤芯导模之间的干涉,提出了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构与布拉格光栅(FBG)级联可同时测量温度和折射率的传感器.基于MSM结构的干涉谱和FBG的透射峰对温度和折射率具有不同响应灵敏度的特点,利用敏感矩阵实现了对温度和折射率的同时测量.实验测得MSM结构和FBG的温度灵敏度分别为0.055 2 nm/℃和0.015 8 nm/℃,MSM结构的折射率灵敏度为109.702 nm/RIU,而FBG对折射率变化不敏感.温度和折射率的测量精度分别为士0.32℃和士0.002 3.实验显示提出的MSM结构的温度灵敏度比单模-多模-单模(SMS)结构传感器提高了5倍,同时由于SMF中的包层模对外界环境的变化较敏感,该MSM结构也可应用于其他传感领域.     

温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器

飞机载荷参数测试对保障飞行安全至关重要,光纤光栅传感器凭由诸多优势在不断尝试应用在其中。为了实现对结构应变的精确测量,同时排除温度带来的影响,通过对基底及光栅刻写工艺的特殊设计,实现了温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器,并对基底进行有限元分析。在10~60℃的温度范围内,该新型传感器温度灵敏度为45pm/℃,较裸光纤光栅增敏4.5倍,线性度良好。在MTS拉伸试验机上测试拉伸试验件在0~700με条件下传感器特性,灵敏度为1.46pm/με,较裸贴方式增敏1.4倍,线性度良好。传感器温度误差小于0.1℃,应变误差小于3με。实验结果表明,传感器解耦性能良好,与理论分析相符,满足飞机载荷谱测试的应用背景。     

应变解耦增敏式FBG温度传感器的设计与应用

为了实现飞机载荷谱飞行实测中对温度参数的精确测量,设计了一种应变解耦增敏式光纤光栅（fiber Bragg grating,简称FBG）温度传感器。通过力学建模分析设计新的传感器结构,对传感器的光纤光栅进行增敏处理,选取铝7075-T6为基底进行全覆盖式封装,提出光纤光栅封装位置与结构件之间无直接接触方式,排除结构形变对温度传感器带来的影响。经标定测试传感器温度灵敏速度为40.4 pm/℃,是普通光纤光栅的4倍。搭建实验系统进行其性能探究以及在拉伸实验机上进行解耦特性验证,拉伸实验件的变形对该温度传感器没有影响,与理论分析相符,最终将传感器贴于飞机座舱中进行实际工程应用。实验表明,传感器测得的温度差最大不超过±1 ℃,表明设计的传感器可以用于实际温度测量中,满足在飞机载荷谱飞行实测中温度参数精确测量的需求。     

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器。将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7cm、锥腰直径为30.1μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系。将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50%∶50%的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器。从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25~50mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86nm/℃。该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域。     

基于无芯光纤与光栅级联的反射式大量 程高分辨力海水温度传感器

针对海洋环境探测中海水温度的大量程高分辨力测量需求,本文提出并验证了一种基于无芯光纤(NCF)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的反射式传感器。传感器的制作过程包括将刻有FBG的单模光纤与带有涂覆层的NCF熔接,之后在NCF的端面上镀金膜形成反射镜,最后将光纤结构封装于毛细管中。其中,无涂覆层的NCF是多模波导,而有涂覆层的NCF可以看作反谐振反射波导,理论分析可知多模干涉和反谐振效应叠加得到输出光谱。由于聚合物涂覆层的热光系数较高,干涉波长的位置随着温度变化发生明显偏移。根据FBG中心波长和干涉波长所在位置,通过对应的拟合曲线可以计算出准确的温度值。实验结果表明,在-6℃～54℃温度范围内,最小可探测温度分辨力为0.000 1℃。该反射式光纤传感器具有加工方便、结构紧凑、灵敏度高等优点,在大范围高分辨力海水温度测量中具有很大的应用潜力。     

基于正弦机构力放大原理的高灵敏度光纤光栅压力传感器

基于正弦机构力放大原理，设计研究了基于平面圆形薄板结构的新型高灵敏度光纤光栅压力传感器，研究表明，传感器的压力灵敏度可高达0．04711（pm／Pa），比裸光纤增敏了14989倍，可应用于超低量程压力的传感测量，而该封装结构易于传感FBG多路复用，组成传感器阵列。     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器研究

对基于Fabry-Perot（F-P）干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺进行了实验研究。在单模光纤端面上直接熔接外径约175μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而在光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔。首先采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片的方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0-3.1MPa压强范围内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09nm/MPa,压强测量分辨率681Pa,并具有很小的温度敏感系数。在30-140℃的温度范围内,温度交差敏感小于1.07KPa/℃。为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料（PSQ）作为压力敏感膜片制作了F-P传感器,室温下在0.1-2.1MPa压强范围内PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到 1 886.85nm/MPa,压强测量分辨率达到53Pa。     

基于化学腐蚀法制备的光纤微结构传感器

利用化学腐蚀法对单模光纤(HI-1060)进行端面微加工处理,制作了一种光纤干涉型传感器。将单模光纤一端放置于40%浓度氢氟酸溶液中腐蚀20 min,腐蚀凹槽深度为45μm,制得的传感器条纹对比度为6 d B,波长间隔14 nm。分别设计不同温度及不同折射率的酒精溶液对传感器的温度特性以及折射率特性进行分析研究。实验发现随着温度的增加传感器的谐振波长发生红移,温度灵敏度和线性度为15.3 pm/℃和0.996;随着酒精溶液折射率由1.341 7增加到1.348 3,传感器的谐振波长发生蓝移,折射率灵敏度和线性度为-1 185.7 nm/RIU和0.951。实验结果表明基于化学腐蚀法制作的光纤干涉型传感器对温度以及液体折射率变化均有较高的灵敏度,可用于温度和液体折射率传感测试。     

用于光纤传感的非对称法布里-珀罗腔

设计了一种用于光纤传感的新型非对称法布里—珀罗(F-P)干涉腔。干涉腔由固定在石英毛细管的两根镀膜光纤构成,该干涉腔改善了普通F-P腔的反射响应特性,有助于提高传感器的灵敏度和测量范围。基于薄膜干涉理论对该干涉腔的反射率响应关系的计算与分析,得出该非对称F-P腔的结构参数。设计结果表明,这种新型干涉腔具有线性度好、灵敏度高和线性范围宽的优点。     

基于全保偏光纤的反射式双折射干涉温度传感器

为了解决透射式光纤温度传感结构不利于测试、灵敏度不高的问题,提出并设计了反射式熊猫型保偏光纤双折射干涉温度传感器。首先通过理论分析并数值仿真研究了熊猫型保偏光纤传感臂长度、转轴角度与温度传感灵敏度之间的关系,并通过在传感臂端面镀金的方式提高反射率。在此基础上,搭建了光纤温度传感测试系统,测试结果表明,在转轴熔接45°、保偏光纤传感臂长度L=80 cm的条件下,50℃～56℃范围内传感器灵敏度可以达到2.741 nm/℃;在保偏光纤传感臂长度为L=7 cm、转轴熔接30°的条件下,65℃～76℃范围内传感器灵敏度为1.400 nm/℃。最后,把设计的温度传感器用于卫星模型温度的测量实验,验证了传感器应用的可行性及有效性。不同波长波谷的漂移量与温度变化呈现良好的线性关系。     

柔性光纤压力传感器的增敏结构设计

为了提高光纤压力传感器的灵敏度,提出了一种具有倒凹槽结构的柔性光纤压力传感器的设计方案.用聚二甲硅氧烷(P DMS)作为该传感器柔性基底,通过P DMS受力形变,带动光纤发生形变,从而实现光纤的轴向拉伸.利用光频域反射计(OFDR)测量光纤的轴向应变变化.对所提出的增敏结构传感器和改进前的传感器进行Abaqus有限元仿...     

Parylene增强型声表面波传感器及其温度响应

针对声表面波(SAW)传感器对品质因数、寿命和成本的要求,研制了Parylene增强型SAW传感器。根据金属剥离工艺要求,利用LOR剥离胶和AZ5214光刻胶双层胶旋涂工艺制作了梯形结构;在传统光学光刻条件下制作了2μm的超细叉指电极。传感器制作过程利用了MEMS工艺,不仅实现了传感器的微型化,还可以批量化生产,得到的以石英为基底的传感器谐振频率达到249.077 953 MHz。最后在传感器的表面镀制Parylene聚合物薄膜以提高基底温度灵敏度。实验对比了未增强型(未镀Parylene)和增强型SAW传感器(镀Parylene)的温度灵敏度。结果显示:未增强型SAW传感器温度灵敏度为2.048kHz/℃,Parylene增强型SAW传感器温度灵敏度为2.855kHz/℃,比前者提高了0.807kHz/℃,且镀Parylene之后谐振频率变化量与温度具有较好的线性度,线性相关系数达到0.996 15。实验证明,Parlene增强型SAW传感器的性能优于未增强的SAW传感器。     

端面腐蚀的双法布里-珀罗光纤温度传感器

针对环境测温,特别是在复杂环境中温度传感器的小体积、低成本、抗干扰以及高灵敏度的要求,提出了基于端面腐蚀的双法布里-珀罗光纤温度传感探头。以长为2cm的光子晶体光纤作为第一个F-P腔体,在它的一个端面熔接普通单模光纤,熔接面形成第一个反射镜面;然后,在它另一个端面熔接多模光纤,熔接面形成第二个反射镜面;最后,以多模光纤作为第二个F-P腔体,并用氢氟酸将其刻蚀成探针结构,同时在腔体末端形成了第三个反射镜面。以此复合结构作为传感探头,结合多光束干涉的传感原理,构造了双F-P结构的波长调制型传感器,并搭建了温度传感测试系统。测试结果表明:在28～81℃内,随着温度增加,该传感器的反射光谱波长逐渐红移,温度与波长偏移量的线性相关系数高达0.998 37;该传感器传感性能良好,灵敏度达64.6pm/℃。该传感器在复杂环境中对小范围温度测量具有潜在的应用价值。     

基于非本征光纤F-P腔的低压传感器研究

介绍一种基于非本征F-P腔(extrinsic Fabry-Perot cavity)的干涉/强度调制型光纤低压传感器。给出低压传感探头的结构设计和测量原理。利用石英膜片对光纤EFPI压力传感头进行压力测量灵敏度放大;通过不同谱宽的两路光信号的自补偿运算,提高系统的稳定性和抗干扰性。该传感器在0~1.5×105Pa的压力测量量程内,压力变化最小分辨率达到50 Pa,在连续15 h的动态测量下,测量偏差为0.1%FS。     

Mach-Zehnder干涉仪型光纤应变传感器

研制了一种Mach-Zehnder干涉仪型光纤应变传感器,首次把光纤用于纵向应变的测量。计算和测量了光纤应变传感器的灵敏度、温度特性和偏振特性。理论与实验符合。实验结果表明,光纤护套对应变测量有增敏作用,温度特性方面也存在类似的效应。分析了光源稳定性和环境干扰因素对传感器的影响,结果表明这些影响是不容忽视的,它们甚至最终限制了光纤应变传感器的灵敏度。在被测应变的动态范围不大时,利用李萨如图法记录干涉条纹的移动,既能记录其移动的数目,也能表示其移动的方向。在对光纤的偏振特性进行分析的基础上,把1/4波片与偏振器组合使用,可明显提高干涉条纹的可见度。