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。     

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。     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器

为满足工业和生物医学领域对微型化传感器的需求,实验研究了基于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.在单模光纤端面上直接熔接外径约175 μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而使光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔.采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片等方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0～3.1 MPa内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09 nm/MPa,压强测量分辨率为681 Pa,并具有很小的温度敏感系数.在30～140 ℃,温度交差敏感＜1.07 kPa/℃.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0.1～2.1 MPa,PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到1 886.85 nm/MPa,压强测量分辨率达到53 Pa,十分接近人类或其他动物的体内压强测量水平.     

新型法布里-珀罗(Fabry-Pérot)腔传感结构

应用化学腐蚀和熔接技术对光纤端面进行腐蚀与熔接的方法,构建法布里-珀罗(F-P)腔,根据法布里-珀罗腔的干涉原理设计光纤传感结构,并应用紫外交联法在传感头固定化生物物质RNA,通过观测固定化前后端面SEM图像的对比与F-P腔干涉图谱的相位偏移,得出光纤端面RNA的固定化情况.     

新型法布里-珀罗（Fabry—Perot）腔传感结构

应用化学腐蚀和熔接技术对光纤端面进行腐蚀与熔接的方法,构建法布里-珀罗（F-P）腔,根据法布里-珀罗腔的干涉原理设计光纤传感结构,并应用紫外交联法在传感头固定化生物物质RNA,通过观测固定化前后端面SEM图像的对比与F-P腔干涉图谱的相位偏移,得出光纤端面RNA的固定化隋况。     

飞秒刻写光纤F P腔级联FBG传感特性研究

提出了一种飞秒刻写光纤法布里-珀罗(F-P)腔级联切趾布拉格光纤光栅(FBG)的微结构传感器并研究了该传感器的温度与应变传感特性。该微结构传感器光谱稳定性良好,监测时长2 h内FBG波长最大漂移量为0.009 nm,功率最大漂移量为0.015 d B,F-P腔波长最大漂移量为0.018 nm,功率最大漂移量为0.072 d B。当应变由0με增至450με再减回0με时,该微传感器FBG特征峰先右移再左移,波长变化0.530 4 nm,应变灵敏度约1.17 pm/με,线性度高于0.99;光纤F-P腔特征谷波长变化0.491 1 nm,应变灵敏度约1.10 pm/με,线性度高于0.90。当温度由50℃升至200℃再降回50℃时,FBG特征峰先右移再左移,波长变化约1.418 nm,应变灵敏度约10.09 pm/℃,线性度高于0.95;光纤F-P腔特征谷波长变化约1.578 nm,应变灵敏度约10.53 pm/℃,线性度高于0.98。所提出的微结构传感器是解决单根光纤双参数测量的有效手段,同时对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。     

用于航空发动机的光纤F-P温度传感器及其信号解调系统研究

光纤F-P温度传感器具有结构稳定、精度高、体积小、抗电磁干扰、质量轻和成本低等优点,在航空发动机高温测量领域具有重要的潜在应用。针对航空发动机的高温工况,利用多光束干涉原理设计了光纤F-P传感器,并通过端面检测、显微测量等手段完成了光纤F-P温度传感器的制备。针对传统光谱仪解调系统昂贵,解调速度慢的不足,以F-P滤波器和DSP为核心设计了传感器的信号解调系统,克服了传统光谱仪解调的局限性;进行了解调系统的硬件设计,完成了光电转换放大电路的原理设计、仿真分析和电路制作,实现了解调系统的初步搭建。在高控温精度的高温炉中采用标准热电偶对制备完成的传感器进行标定,结果表明:在30～1 000℃温度范围内,传感器的温度响应灵敏度为0.012 nm/℃,线性度为0.996。     

条纹计数法干涉型光纤液位传感器的电路法判向及其温度补偿

提出利用RC移相电路获得相位差为90°的输出信号,以取代相位差为90°的双光路,对干涉条纹计数时做正确判向,可以简化条纹计数法光纤Fabry-Perot腔干涉型液位传感器的结构,使之更实用和集成化。分析了F-P腔长与温度变化的关系,说明选择合适的腔体材料以及波纹管的热膨胀系数和初始长度,可在温度变化时保持腔长的较小变化。提出在传感器上安置温度传感器,预先测出F-P腔长与温度变化的关系,然后利用软件法对传感器输出进行温度补偿。实验表明:该软件补偿法能够较好的补偿温度变化对液位测量时造成的影响。     

微型膜结构全光纤珐珀干涉高温传感器

制作了一种微型膜结构的全光纤在线珐珀干涉式高温传感器。该传感器是在单模光纤端面依次熔接一段大芯径空芯光纤和一段研磨的多模光纤膜片而构成的,因此,温度引起的珐珀腔光程差改变量由空芯光纤的热膨胀和温度引起腔内压强改变从而改变膜片的扰度两部分组成,从而使相同温度变化下传感器的光程差变化量更大,分辨率更高。实验结果表明,在100～650℃,该传感器单位温度变化的光程差变化量约为1.029 nm,温度分辨率约为1.5℃,测量线性度约为0.996 7,且滞回小,重复性好。这种膜结构的全光纤珐珀干涉式高温传感器因其体积小,温度分辨率高,将在多点高温测量领域有好的应用前景。     

新型光纤压力传感器

提出了一种基于非本征法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉腔的新型光纤压力传感器及解调方案.采用石英毛细管和端面镀膜的光纤制作F-P传感器,光源经过腔长受压力调制的F-P传感器选频后,用平面光栅和线阵CCD实现光波波长的解调.阐述了光纤F-P传感器的结构和原理,对其解调系统进行了设计分析,并进行了实验验证.系统结构简单,精度和可靠性高,实用性强.     

Simultaneous measurement of refractive index and temperature by integrating an external Fabry-Perot cavity with a fiber Bragg grating

A fiber sensor for simultaneous measurements of refractive index and temperature based on the integration of a fiber Bragg grating (FBG) with an external Fabry-Perot (F-P) cavity is presented. The fringe contrast of the interference spectrum generated by the F-P cavity is used to determine the external refractive index, while the wavelength shift of the FBG is used to measure temperature. The result showed that the refractive index and temperature sensitivity for the integrated sensor is 8.1 × 10(-6) and 0.01006 nm/°C, respectively.     

一种新型的高压电器温度在线测量系统

基于螺旋形液晶填充光子晶体光纤的温度传感特性,提出一种新型的高压电器温度传感器系统。该传感器系统由宽带光源、螺旋形液晶、光子晶体光纤、光纤F-P腔(Fabry-Perot cavity)滤波器、信号处理放大电路等组成。将螺旋形液晶封装在光子晶体光纤的纤芯空气孔中,利用光子晶体光纤对温度和弯曲不敏感特性以及螺旋形液晶的螺距对温度变化非常敏感的特性,传感器的选择反射光波长依赖于温度的变化,采用光纤F-P腔滤波器解调出光波长的变化,利用反射波长与温度之间的关系,实现温度的测量。测量系统选用合适液晶,可以得到不同的温度测量范围,能对高压电器温度进行在线检测,测量精度可以达到±0.1℃以内,并具有本征安全、高精度、高电绝缘和抗电磁干扰、对应变和环境光变化不敏感以及与普通传输光纤兼容性好等优点。     

双Fabry-Perot干涉腔型光纤声发射传感器

设计了一种新型的双Fabry-Perot腔光纤传感器用于材料损伤引起的声发射信号检测。基于低细度Fabry-Perot腔多光束干涉原理,建立了光纤Fabry-Perot传感器检测声发射信号的数学模型。分析双Fabry-Perot腔正交点稳定工作机制,设计并制作了具有双Fabry-Perot腔结构的光纤声发射传感器来保持传感器正交点的稳定性。通过模拟AE信号检测与热应力干扰实验对设计的传感器进行了实验验证。实验一通过冲击振动与折断铅笔芯产生两类模拟声发射信号,使用商用的压电传感器和光纤传感器进行对比实验,结果表明光纤传感器能够成功检测到两类模拟声发射信号,灵敏度为12.9nm,带宽达到30kHz。实验二对传感器进行工作点稳定测试,结果表明双F-P腔的控制机制能够保证传感器工作在正交点,解决了传感器输出信号衰减的问题。     

光纤磁流体电磁场传感新方法研究

摘要：以磁流体纳米功能材料为腔内介质,提出一种新型的光纤F-P电磁场传感器,并给出了基于光纤光栅波长扫描的信号解调方法。对磁流体的可控折射率特性及其对电磁场测量原理进行了充分的分析,介绍了传感器系统的结构和原理。对所提出的方法以及影响测量结果的因素进行了初步的实验,结果表明,测量特性具有较好的线性度,且得出温度和磁流体薄膜厚度都会对测量结果有影响的结论。     

过热蒸汽下分级机主轴系统热态特性的数值模拟

过热蒸汽气流磨是一种新型的粉体加工设备,由于其工质过热蒸汽温度较高,在系统运行时需对与其配套的分级机的轴承进行冷却,其冷却要求为保证轴承温度维持在75℃以下及避免过度冷却,使粉碎腔中轴段的温度高于100℃,保证粉碎腔中不出现冷凝现象。为寻求一种有效的冷却方法,以四川绵阳流能粉体设备有限公司某型号过热蒸汽分级机为原型建模,利用有限元分析软件ANSYS,对其在自然冷却、水冷轴承座和油循环冷却三种条件下主轴系统的温升进行了数值模拟分析。通过模拟结果得：在自然冷却的条件下,分级机上下轴承温升较快,发热非常严重,轴承外圈最高温度分别达到145℃和177℃,超过普通轴承的极限使用温度;在采用水冷轴承座时,运行约45分钟,分级机主轴系统温度达到平衡,上下轴承外圈温度最高不超过33℃和46℃,同时粉碎腔中轴段的最低温度高于100℃;在采用油循环冷却时,运行约80分钟,主轴系统温升达到平衡,上下轴承外圈温度不超过43℃和56℃,且粉碎腔中轴段表面温度最低温度高于100℃。由以上结果可看出水冷轴承座和油循环冷却两种方式均能满足冷却要求,但油循环冷却造价昂贵,且油液密封困难,而水冷轴承座这种方式简单易行,故建议采用水冷轴承座这种方式对主轴系统进行冷却。     

温度自补偿高灵敏度非本征光纤珐珀横向负载传感器

为了提高光纤EFPI传感器的灵敏度,提出了一种新型EFPI传感结构,并对其温度特性以及横向负载特性进行了研究。首先,介绍了采用端面镀钯金膜的光纤EFPI传感器的结构及其制作方法;接着,建立了镀钯金膜光纤EFPI的温度传感模型,并通过Solidworks、Hypermesh与有限元分析软件ANSYS联合仿真,对它在不同受压力下进行理论模拟,获得了腔长变化与压力之间的关系;最后,对传统的光纤EFPI与镀钯金膜光纤EFPI的温度和横向负载特性进行了对比试验。试验结果表明,镀钯金膜光纤EFPI的温度灵敏度为6.083pm/℃,具有温度自补偿特性;它对横向负载的检测灵敏度可达40.83m/g,相对于传统的光纤EFPI横向负载的灵敏度提高了2.10倍。实验结果与理论分析相符合,为实际制作具有温度自补偿的高灵敏度光纤EFPI传感器提供了理论与实验依据。