基于多芯少模光纤位移传感器的研究

提出一种基于新型多芯少模光纤模式干涉原理的位移传感器,该传感器由两段单模光纤和一段多芯少模光纤组成。研究了该传感器的实现原理,并实验验证。实验结果表明当光纤轴向被拉伸0~60μm时,该新型传感器的检测灵敏度为-61.17pm/μm,与理论计算结果之间的误差小于3.9%。因此,当使用高分辨率光谱仪作为接收器时,该传感器可检测17nm的位移变化。     

强耦合七芯光纤超模式布拉格光栅及其温度和应变响应特性研究

提出并实现了一种用于双参量同时测量的强耦合七芯光纤布拉格光栅(SCF-FBG)。在透射光谱中观察到2个布拉格谐振峰,对应SCF的类HE₁₁和类HE₁₂超模式反向谐振耦合。该传感器由SCF拼接在中心对齐的2个标准单模光纤构成,其透射谱中还包括由超模式间的马赫-曾德尔干涉产生的干涉条纹。分别测量了该器件对温度和应变的响应,结果表明：2个布拉格谐振峰的温度灵敏度分别为9.56 pm/℃和9.55 pm/℃,应变灵敏度分别为0.64 pm/με和0.584 pm/με。其中,干涉谷的温度灵敏度和应变灵敏度分别为11.8 pm/℃和-0.925 pm/με,因此该器件能够同时用于温度和应变的测量。     

多芯光纤构成的温度与折射率同时测量的光纤传感器

本文设计了一种“单模光纤－多模光纤－多芯光纤－多模光纤－单模光纤”的全光 纤 Mach-Zehnder干涉仪结构。在该结构中多模光纤充当耦合器,不同模式的光在多芯光纤中 传输时将 产生光程差,形成Mach-Zehnder干涉。当环境温度和折射率变化时,通过分析干涉仪透射 光谱中不 同谐振峰的漂移量,实现折射率与温度的测量。实验结果表明,传感器低温灵敏度最高达到 46.0 pm/℃, 高温灵敏度最高达到109.0 pm/℃,折射率灵敏度最高达到54.3 nm/RIU(RIU为折射率单位)。另外, 通过同时监测传感器透射谱的两个谐振峰值波长随环境温度和折射率的漂移情况,实现了环 境温度 与折射率的同时测量,不存在交叉敏感。该传感器结构简单、制作容易、重复性好、响应稳 定、具 有多路复用功能,在传感领域有广泛的应用前景。     

基于多芯光纤超模干涉的温度传感器

研究了锥型多芯光纤模间耦合所产生的干涉在温度传感中的应用.利用弱耦合多芯光纤拉锥后变成强耦合多芯光纤,从而产生超模干涉的特点,在单模光纤中熔接一段弱耦合七芯光纤.经氢气火焰匀速往返拉锥后,该光纤直径变小,芯间距减小到一定程度后产生超模干涉,从而得到了结构简单、灵敏度高、特异性强的温度传感器.研究发现,拉锥后的光纤直径越...     

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。     

长周期光纤光栅与无芯光纤级联的弯曲传感器

在实际工程中,光纤弯曲传感器有很大的市场需求。该文利用长周期光纤光栅与无芯光纤串联在1根光纤上构成传感器,实现对弯曲的传感测量。无芯光纤与长周期光纤光栅级联后,输出的透射谱中产生了大量对弯曲敏感的谐振峰,实验考察了波峰1、2的中心波长随弯曲曲率的变化关系。研究结果表明,波长漂移量与弯曲曲率间存在很好的线性关系,实验测得弯曲灵敏度分别为-12.51 nm/m^-1与-12.504 nm/m^-1。该传感器具有结构简单、弯曲灵敏度高,成本低,重复性好等优点,在大型建筑物与桥梁等弯曲测量领域具有一定的应用价值。     

基于单侧几何形变结构的全光纤Michelson干涉高温传感器

利用CO2激光脉冲对标准单模光纤(SMF)单向形成较小的几何形变,把部分基模能量耦合到光纤包层,制作了一种新型的在线型Michelson干涉传感器。理论分析了这种几何微扰激发的包层模特性,并利用芯模-包层模较大的热光系数差,把这种传感器应用于高温测量。实验结果表明,这种干涉传感器的温度灵敏度为0.093 7nm/℃,并且在800℃温度范围内具有良好的线性和重复性。这种制作简单、结构稳定、体积小和灵敏度高的全光纤在线型Michelson温度传感器将具有较大的潜在应用价值。     

基于细芯光纤马赫-曾德干涉和曲率修正模型的高灵敏度光纤曲率传感器

提出了一种基于细芯光纤结合Mach-Zehnder干 涉仪的高灵敏度曲率传感器,传感头由一段细 芯光纤嵌入在两段的单模光纤中错位熔接而成。当干涉仪受到弯曲作用时,由于细芯光纤和 单模光 纤的错位熔接,使得纤芯和包层模光强度产生损耗,在一定曲率范围内使得纤芯和包层模光 强度更 加接近而导致干涉增强,通过研究特定干涉峰的干涉强度相对于曲率的变化关系,可以实现 光纤曲 率传感。为了增加曲率的校准精度,提出了一种基于悬链线法的光纤弯曲的曲率修正模型。 实验结 果表明:利用曲率修正模型修正后,在9.15m－1到11.02m－1的范围内的曲率测量灵敏度达到 142.28dB/m－1。这种基于强度变化的低成本、高灵敏曲率传 感器,具有广阔的应用前景。     

基于侧面抛磨锗芯光纤的折射率传感器

通过抛磨单模-多模-单模(Single mode-Multimode-Single mode,SMS)光纤结构,设计制作一种光纤折射率传感器。多模光纤选用的是纤芯直径为16μm的锗芯光纤,纤芯直径较小,使制作的传感器尺寸较小,从而在传感应用中具有较高的样品利用率。单模光纤纤芯直径为8.4μm,可确保抛磨至多模光纤纤芯附近时单模光纤的纤芯不被破坏。SMS被AB胶固定在玻璃槽内,使得侧面抛磨光纤具有很好的鲁棒性,可重复使用性。制备并侧面抛磨了锗芯光纤长度分别为0μm、23μm、70μm、690μm、2 mm的SMS光纤结构。对产生的传输光谱进行测量,发现前4个样品随着周围环境折射率的增加,谐振波长向长波长处偏移;而前3个样品的折射率测量灵敏度随着锗芯光纤长度的增加而提高。当锗芯光纤长度为70μm时,在1.333~1.367折射率区间内,灵敏度可以达到623.5 nm/RIU。然而,过长的锗芯光纤导致折射率测量灵敏度降低。当锗芯光纤长度为2 mm时,抛磨过程中激发产生了包层模,导致传输光谱复杂、不稳定,而且长波处产生了较大的插入损耗。     

基于细芯光纤结构的表面等离子体共振折射率传感器

表面等离子体共振(SPR)传感器常用的光纤处理方法易使光纤结构脆弱,从而导致机械性能下降,提出了一种基于细芯光纤(TCF)SPR原理的折射率传感器.通过使用单侧均匀涂覆金(Au)膜的多模光纤-细芯光纤-多模光纤(MMF-TCF-MMF)结构作为传感单元,折射率传感器能够在1.34~1.4161的范围内达到3045.69 nm/RIU的衰减谷宽度灵敏度和48.09 dB/RIU的能量损耗灵敏度;在1.34~1.3797的范围内达到112.21 nm/RIU的SPR峰波长灵敏度和-86.27 dB/RIU的SPR峰值灵敏度.实验结果表明:与传统SPR传感器相比,该传感器易制备,且机械稳定性和灵敏度高.     

一种新型的液晶填充SM-NC-SM结构光纤温度传感器

基于向列相液晶(NLC)和多模干涉原理,提出了 一种新型的全光纤温度传感器。在两段普通单模光纤(SMF)中 间熔接一段直径为200μm、长约为10cm的无 心光纤(NCF),之后将其插入充满液晶的毛细管中并用胶棒密封,实现 液晶封装的SM-NC-SM结构的制作。其中,液晶可视为NCF的包层,基于NLC的温度 -折射率可调性和热光系数大的特性,能通过SM-NC-SM结构传播的光 受到温度调制,通过检测特征波长的漂移实现外环境温度测量。实验测得在27~67℃温度范围内的灵敏度高达626.6pm/℃, 并得到特征波长漂移与温度良好的线性关系,其线性度为99.23%。利 用设计的传感器搭建了实 用的光电检测系统,将波长漂移量的检测转换成电压大小的测量,测得相对误差小于4%。 本文设计的传感器结构简单、成本低和 灵敏度高,为温度传感应用提供了一种新方法。     

基于马赫-曾德干涉的保偏光纤扭曲传感器研究

实现了一种基于马赫曾德干涉原理的扭曲传感 器,其主要通过将一段15mm长的保偏光纤(PMF)两 端分别与单模光纤(SMF)错位熔接构成。PMF的扭曲会导致沿两个正交偏振态传输的 光强发生变化,从而 导致干涉光谱中共振峰的强度发生变化。通过测量慢轴共振峰在顺时针和逆时针两个方向扭 曲0～180°的强 度变化,得到传感器的最高灵敏度为0.624dB/°·m－1,是 已有类似扭曲传感器灵敏度的两倍。本文扭曲传感 器结构简单,得益于实验中采用的强度解调方法,相比于相位调制型光纤传感器,价格更 低廉,在实际应用中具有更好的前景。     

空芯光纤多模干涉型光纤液位传感技术研究

为了测量液位高度变化,采用基于空芯光纤多模干涉效应的方法,研究了在外界介质影响下光源在空芯光纤中多模干涉所产生的干涉谱的变化,进行了基于空芯光纤中多模干涉效应的液位传感实验,研究了该液位传感器的干涉谱与液位变化的关系以及不同折射率液体对测量结果的影响,并分析了实验误差。结果表明,该光纤液位传感器的液位测量范围为0mm~55mm、液体折射率为1.33和1.35时,液位测量灵敏度分别为0.180nm/mm和0.224nm/mm。使用单模-空芯-单模结构的传感器进行液位变化测量是较为精准与可行的。     

一种多模-细芯-多模结构的干涉型光纤传感器

设计并制作了一种基于马赫-曾德干涉仪(Mach -Zehnder interferometer,MZI)原理的温度与压力同 时测量的光纤传感器,该传感器采用多模-细芯-多模(Multimode fiber -Thin core fib er- Multimode fiber,MTM)结构,其原理是,当多模光纤(Multimode fiber,MMF)中的光到达第 1个熔接点时 一部分进入细芯光纤(Thin core fiber,TCF)的纤芯,激发起纤芯模;另一部分进入TCF的 包层,激发起 包层模。当这两部分光到达第2个熔接点处时,TCF纤芯中的光进入MMF的纤芯,TCF包层中 的光一部分进入 到MMF的包层,另一部分进入MMF的纤芯,与纤芯模式发生干涉。外界环境如温度、压力等发 生改变时干涉 谱将随之漂移,因此可以通过观察光谱中干涉谷的漂移来测量外界温度、压力的变化。当温 度变化范围为 30℃时,实验测得Dip1、Dip2的温度 灵敏度分别为0.042nm/℃、0.051nm/℃。当 压力变化范围为 0N－9.8N时,实验测得Dip1、Dip2的压力灵敏度分别为－0.240nm/N、－0.524nm/N。由于 Dip1和Dip2对温度 和压力的灵敏度分别不同,因此可以利用矩阵实现对温度和压力的同时测量。该传感器制造 简单精巧,成本较低,具有一定的研究以及应用价值。     

薄膜型光纤温度传感器的膜系设计

纳米薄膜与光纤的结合为新型感测提供了各种潜在可能.为了分析温度敏感薄膜的膜系设计及其对光纤温度传感器传感特性的影响,根据光学薄膜理论和光纤传感器的温度感测原理,探讨了光纤温度传感器中敏感薄膜的膜系设计,并构建了薄膜型光纤传感器的温度传感特性模型.以测试系统的参数、性能以及其对干涉光谱的要求为基础,设计了对称性较好的法布...     

基于腐蚀型多模光纤的干涉型传感器实现温度和液位同时测量

提出了一种新颖的基于腐蚀型多模光纤(MMF)级联 的干涉型光纤传感器。在芯径为50μm的MMF1左侧熔接一段被腐蚀的芯径为105μm的大芯径MMF2构成传感区域。 实验中,MMF2的包 层采用HF溶液腐蚀的方法去除。由于纤芯失配,两段MMF内部均产生多种纤 芯模式,它们 之间相互干涉,随之产生一系列具有不同灵敏特性的干涉峰。利用干涉谱中不同波谷对温度 和液位的灵敏 度差异,实现对温度和液位的同时测量。测得3个波谷的温度灵敏度分别为0.066nm/℃、0.139nm/℃和 0.031nm/℃;通过对水和盐水的液位进行实验对比发现,传感器对盐水的液 位灵敏度较高,测得液位灵敏 度最高可达－1.251nm/mm。实验表明,本文传感系统成本低、结构 简单,可用于温度和液位的同时测量,在石油开采、生物制药等方面具有潜在的应用价值。     

双峰效应光纤光栅薄膜传感器的优化设计

利用双峰谐振效应,通过在长周期光纤光栅(LPFG)包层表面涂覆一层对周围气氛敏感的薄膜,建立了一种新型薄膜传感器,其双峰谐振波长间隔随薄膜折射率的变化而变化.基于三包层光纤光栅物理模型,根据耦合模理论研究了传感器的灵敏度Sn与薄膜光学参数(折射率n3和厚度h3)和光纤光栅结构参数(光栅周期Λ、折变量σ)之间的关系.采用最优化数值方法,确定了最佳的膜层光学参数和光栅结构参数.计算表明,该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达10-7.     

光纤F-P应变传感器光纤端面反射率优化

讨论了光在F-P腔内的传输损耗,并分析了损耗对传感器输出信号质量的影响,进而提出了通过提高反射光纤端面反射率的方法来改善传感器输出信号的质量。为了使传感器在其工作腔长范围内的输出信号整体上具有尽可能好的对比度,采用最小均方误差法确定了反射光纤端面的最优反射率值,为F-P传感器制作中光纤端面反射率的确定提供了指导。     

利用光纤曲率传感器测量轴向应变

为了实现对轴向线应变的测量,建立了光纤曲率传感器的轴向线应变测量系统。对系统中传感器的布置方式、敏感区的位置优化和测量系统的数学模型等进行了研究。根据光纤曲率传感器只对曲率变化敏感的特性,将传感器绕成圆弧形布置在被测物体的表面,并保持传感器敏感区表面与被测物体表面垂直;对传感器上的点在轴向力作用下的移动轨迹进行了分析,建立了轴向线应变与传感器曲率之间的数学模型;在上述数学模型的基础上,对传感器敏感区的位置进行了优化。最后,对聚氨脂橡胶块在电子万能实验机上进行压缩,使其产生轴向线应变,利用上述的测量系统对聚氨脂橡胶块的轴向线应变进行了测量实验。实验结果表明,本文系统的应变测量精度为0.002 8应变单位。