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。     

光纤马赫-曾德尔干涉仪干涉长度的精确测量

第一次将小数重合法应用于非真空的长度测量中；通过对干涉仪温度系数的测量，结合单模光纤的色散特性，采用逐步近似的办法，提高了测量精度。在实验中得到了绝对误差小于0．1μm的测量结果，为光纤干涉仪在精密测量方面的应用提供了理论基础。     

光纤马赫-曾德尔干涉仪干涉长度的精确测量

第一次将小数重合法应用于非真空的长度测量中;通过对于涉仪温度系数的测量,结合单模光纤的色散特性,采用逐步近似的办法,提高了测量精度。在实验中得到了绝对误差小于0．1 μm的测量结果,为光纤干涉仪在精密测量方面的应用提供了理论基础。     

基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的应变传感器

研究了基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的光纤应变传感器,通过将一根细芯光纤熔接在两根单模光纤(SMF)之间,构成了一种光纤内干涉的马赫曾德尔干涉仪。当单模光纤中的光耦合进细芯光纤时,一部分光耦合进细芯光纤纤芯作为芯模传输,另一部分光耦合进细芯光纤包层中激发出包层模沿包层传输,当芯模和包层模再耦合进单模光纤时发生干涉。当应变作用在细芯光纤上时,干涉条纹发生漂移。通过解调干涉条纹对应变的漂移量实现应变测量,在0~2000 με的测量范围下,测得的应变灵敏度为-1.83 pm/με,并且实验结果与理论分析有很好的一致性。该传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高等优点。     

基于多模干涉与马赫-曾德尔干涉效应的光纤振动传感器研究

提出了一种结合多模干涉效应的新型马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构,并将其用于振动检测研究。与基于两个3dB单模光纤耦合器(OC)级联而成的传统MZI不同的是,文章采用多模OC与单模OC共同构成MZI。利用芯径为105μm的阶跃折射率分布多模光纤与芯径为62.5μm的渐变折射率分布多模光纤分别采用熔融拉锥法制作了分光比为1∶1的3dB多模OC,并将其分别与3dB单模OC构建了MZI,同时为了对比,也利用两个单模OC构建了MZI。分别对采用不同类型OC构建的MZI中的一个干涉臂施加振动干扰,并使用示波器进行数据采集和分析。结果表明,基于芯径为105μm的阶跃折射率分布多模耦合器构建的MZI具有最大的可检测振动频率范围,为1~20kHz,同时在振动频率偏差和振动频率鉴别能力上也表现最优。     

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。     

同时测量温度和应变的全单模光纤马赫-曾德尔干涉仪

为了实现低成本的温度和应变同时测量,利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形,再将小球熔接到一起形成花生型结构;然后在距离花生结构15mm处,将两根单模光纤端面错位一定距离,对其进行熔接形成J型结构;最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现,CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.012 5dB/℃和52.9pm/℃,应变灵敏度分别为0.015 2dB/με和-11.44pm/με。结果表明,基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量,且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点,在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。     

基于马赫-曾德尔干涉仪和光纤光栅的光分插复用器

光分插复用器(OADM)是波分复用(WDM)系统中的关键器件之一。提出了一种结构新颖的基于马赫-曾德尔(M—Z)干涉仪和光纤光栅(FBG)的光分插复用器，它由两个三端口光环形器、一个光纤光栅和一个马赫-曾德尔干涉仪组成，马赫-曾德尔干涉仪起着光开关的作用。对光分插复用器的输出特性进行了实验研究，实验中调节干涉仪的臂长差，可以实现信号的上下载或直通功能，上下载时通道的隔离度大于20dB。这种结构的光分插复用器具有结构简单、体积小、价格低等优点，在波分复用技术中具有实际应用价值。     

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。     

基于多芯光纤错位熔接结构的温度与折射率同时测量传感器

提出了一款由输入单模光纤(SMF)-多芯光纤(MCF) -多模光纤(MMF)-输出SMF错位熔接构成的光纤Mach-Zehnder 干涉仪(MZI)结构,实现了环境温度和折射率的同时测量。实验结果表明,随着环境温度的 变化,传感器透射谱峰值波长线性漂移,灵敏度达 到54.238pm/℃,而透射谱峰值强度随温度变化不敏感;随着环境折 射率的变化,传感器透射谱峰值 强度线性变化,灵敏度达到10.704dB/RIU(RIU为折射率单位),而透 射谱峰值波长随环境折射率变 化不敏感。通过同时监测传感器输出光谱的峰值波长漂移量和峰值强度变化量,能够实现温 度与折 射率的同时测量。在温度与折射率测量时分别利用波长调制法与强度调制法,因此它们同时 测量不 存在交叉感染。本文传感器具有结构简单、制作容易和灵敏度高等优点,在生物、化学和医 学等领域有广泛的应用前景。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于腰椎扩径熔接马赫-曾德尔干涉仪的温度光纤传感器

实现了一种基于腰椎扩径熔接马赫-曾德尔(M-Z )干涉仪的温度光纤传感器。通过腰椎扩径熔接技术,分别对4.5cm 长的单模光纤(SMF)两端进行扩径,构成球形-单模-球形结构的M-Z干涉仪。该干涉仪具 有温 度敏感特性,因外界环境温度的变化会引起光纤包层模的有效折射率发生变化,从而导致干 涉光谱的变化。 通过检测同一级次干涉谷的特征波长漂移,实现对温度的测量。实验结果表明,在温度变化 范围为15～60℃ 时,干涉谱发生了明显的红移现象,传感器相应的温度灵敏度为0.068nm/℃。本文温度光纤传感器结构简单、成本低和灵敏度高,在温度检测方面具有良好的 应用前景。