毛细石英管构成的温度不敏感的折射率传感器

设计并制作了一种基于单模光纤－石英毛细管－单模光纤的马赫－曾德尔干涉仪光纤传感器。该传感器对环境折射率敏感,但对环境温度不敏感,传感器的石英毛细管长度为3cm,内径为2μｍ,外径为150μｍ,毛细管壁由高纯熔融石英构成,根据传感器透射光谱的谐振峰(波谷)波长对环境折射率变化敏感的特点,通过监测谐振峰波长的移动,测量了环境折射 率。实验结果表明:当谐振峰波长为1555nm时,折射率最大灵敏度为122.3nm/RIU(RIU为折射率单位),而温度灵敏度很低,说明该传感器可以消除温度对折射率的交叉敏感性,该传感器具有制作简单、结构紧凑、成本低、重复性好、灵敏度高等优点,在环境折射率测量中具有一定的应用前景。     

长周期光纤光栅温度特性的理论与实验研究

利用模式耦合理论,对长周期光纤光栅透射谱谐振波长的温度特性进行了理论分析和数值模拟.结果表明,可以通过选择具有合适纤芯与包层热光系数匹配的光纤,从而制作出谐振波长对温度变化敏感或者不敏感的长周期光纤光栅;采用高频CO2激光脉冲三束对称写入法制作长周期光纤光栅,并进行温度特性测试,结果表明,谐振波长具有线性响应的温度特性,灵敏度约为0.088 nm/℃,而峰值损耗对温度不敏感,起伏不超过0.5 dB.     

基于叠加级联长周期光纤光栅的温度和应变传感的理论分析

设计了一种基于叠加型级联长周期光纤光栅的温度与应变双参量同时测量方案，该方案结构小巧、成本低、制作简单。方案在同一段光纤上重叠写入周期为的两个子栅，构成了叠加型级联长周期光纤光栅，这种叠栅的透射谱稳定可控，避免了串联式长周期光纤光栅透射谱谐振峰过于密集多峰、过于敏感不适合作为测量标的的缺陷。通过数值方法分析了不同周期、不同阶次谐振峰分别与温度及应变灵敏度的关系，仿真表明：在给定参数下，光栅的周期越大、两子光栅的周期差也越大时温度与应变灵敏度也越高，选用的两个谐振峰阶次越高、阶次的差异越大时温度与应变灵敏度也越高。利用仿真结果设计了增敏的传感解调矩阵，并对矩阵进行了摄动分析，结果表明得到的解调矩阵相对于其他方案的条件数更低，有效提高了传感器的抗扰性，减小了测量误差对测量精度的影响。     

熔融七芯光纤球对称的Mach-Zehnder干涉传感特性

提出了一种基于七芯光纤和单模光纤熔球对称型Mach-Zehnder干涉传感器。单模光纤端面熔接制作直径180μm光纤球,将2个光纤球中间熔接一段七芯光纤,位于Mach-Zehnder干涉结构中间的七芯光纤长度为9 mm。传感器外界环境温度、曲率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,通过监测干涉谱可以实现对外界物理量的测量。通过建立的有限差分光束传播法仿真分析结果可知:光纤球结构增加了七芯光纤的光耦合效率,七芯光纤结构的干涉效应得到了有效改善。实验结果表明:当温度在20～95℃范围内变化时,传感器的温度灵敏度为58. 97 pm/℃,线性度为0. 996 22;曲率在0～1 m~(-1)变化范围内,传感器的曲率灵敏度为2. 55 nm/m~(-1),线性度为0. 996 73。设计的传感器结构紧凑、制作工艺简单、可靠性高。     

基于光纤锥级联的Mach-Zehnder干涉湿度传感器

提出了一种基于光纤锥级联纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器。将两段色散补偿光纤对芯熔接光纤锥,并依次级联,再接入一段6 mm的多模渐变光纤,构成了Mach-Zehnder干涉仪,其中多模渐变光纤和芯径失配处的两个节点起到了光纤耦合器的作用。环境湿度变化,引起传感器透射谱能量发生改变。实验结果表明:透射谱波峰能量和湿度有较好的线性关系。当湿度在35%～95%RH范围内变化,传感器灵敏度为-0. 074 9 d B/%RH,线性度R2为0. 995。设计的传感器结构紧凑、灵敏度高,可以广泛应用于不同领域的湿度测量。     

基于光纤光栅的多腔Fabry-Perot滤波器透射特性理论分析

理论分析了基于光纤光栅的全光纤多腔Fabry-Perot(FP)结构透射谱特性,推出包含任意多个腔时的传输矩阵函数通用公式以及对称两腔结构的能量传输率具体计算公式,给出在光栅阻带内中心波长处产生单谐振传输峰需满足的条件,并通过数值计算进行了验证。在此基础上比较分析了单腔与两腔FP结构下,中心波长1550 nm处产生谐振透射峰的光谱特性,结果表明引入两腔结构后谐振峰的平坦性及其过渡带滚降特性都得到了改善。详细计算并模拟了腔长及光纤光栅特性变化对两腔FP结构透射谐振峰谱型造成的影响,总结出滤波器设计原则,并得出结论:增大光纤光栅反射率能够优化谐振峰滚降特性,通过适当选取腔长及光栅反射率大小,此结构能够用于窄带单通道选择或多通道波长的解复用。     

基于保偏光纤马赫曾德干涉结合布拉格光纤光栅的折射率传感器

为了能同时测量折射率和温度,提出了一种基于保偏光纤马赫曾德干涉仪结合布拉格光纤光栅的折射率传感器。保偏光纤在两个单模光纤之间通过错位熔接形成马赫曾德干涉仪,布拉格光纤光栅连接在马赫曾德干涉仪的输出端用作温度补偿。实验结果表明保偏光纤快轴和慢轴两个正交模式的干涉谱随着折射率的变化而变化,当折射率范围在1.3426到1.3692时,快轴和慢轴方向上的灵敏度分别为-118.38 nm/RIU和-80.02 nm/RIU。当折射率在1.3692到1.4191时,快轴和慢轴方向上的灵敏度分别为48.3 nm/RIU和25.75 nm/RIU。同时通过测量布拉格光纤光栅谐振波长的偏移量,折射率和温度能被同时测量。     

对温度不敏感的光纤光栅压力传感器

分析了光纤Bragg光栅传感器的温度、应变交叉敏感机制,提出了一种新颖的方法,并进行了相应设计：将两根不同波长的光栅粘贴在传感器同一轮辐的正反面上,两个峰有不同的应变响应和温度响应,通过测量两个峰的漂移,就可以解矩阵方程实现压力和温度的同时测量,有效消除了交叉敏感对轮辐式光纤光栅压力传感器的测量精度的影响。改进封装工艺,可以使该方法更简便。     

基于长周期光纤光栅的高灵敏度温度传感方案

长周期光纤光栅具有波长选择损耗的带阻滤波特性 .其谐振波长随光纤包层直径的减小而向长波方向漂移 .环境温度、外部折射率指数的变化会导致谐振波长位移 .由此提出一种敏感度增强的温度传感方案 .推导了长周期光纤光栅谐振波长与温度之间的关系模型 .在光纤纤芯中写入长周期光纤光栅 ,通过腐蚀方法减小其包层直径 ,随后在光栅外再涂覆聚合物包层 .用此器件测量所得温度传感特性 ,其实验结果与仿真结果基本一致。其温度灵敏度超过 5 .2 nm/℃ .     

同时测量曲率和温度的高灵敏度光纤传感器

提出了一种基于光纤模式干涉仪的同时测量曲率和温度的传感器。采用多模—光纤锥—多模光纤熔接方式形成光纤模式干涉仪,多模光纤(MMF)作为耦合波导长度设置为半自聚焦长度,将纤芯中大部分能量耦合至包层中,以此激发高阶包层模式,对中间单模光纤(SMF)进行熔融拉锥处理,进一步激发高阶包层模式并控制包层损耗,增加干涉条纹消光比,从而增加传感器的灵敏度。通过检测干涉谷值波长以及干涉谷值功率的变化,实现对曲率和温度的高灵敏度同时探测,设计的光纤模式干涉仪的消光比高达40 dB,曲率灵敏度高达141.63 dB/m~(-1),温度灵敏度为71.43 pm/℃。     

基于细芯光纤与双球结构的干涉型光纤传感器

制作了一种基于细芯光纤TCF(Thin-Core Fiber)和双球结构的干涉型光纤传感器.在两根单模光纤的一端分别制作球形结构,两个球形结构由细芯光纤相连构成MZ干涉结构,实现了对温度、折射率、拉力3个物理量的测量.实验结果表明,温度、折射率、拉力的灵敏度分别是0.066 5 nm/℃、-33.652 nm/RIU、-0.360 8 nm/N,且线性度良好.该传感结构在环境监测、医疗卫生和安全监测等领域有着广泛的应用.     

一种基于不同光谱透射比的光纤温度传感器

介绍一种基于多层介质膜干涉滤光片的不同光谱透射比随温度变化的光纤温度传感器 ,采用两个不同波长的透射光功率的比值作为传感器的输出 ,以消除光源功率波动对测量结果的影响。实验结果表明 ,该测量方法是完全可行的。     

基于数据融合的倾斜光纤光栅应变测量

倾斜光纤光栅的透射谱中除了纤芯模之外还有一系列包层模。倾斜光纤光栅各个模式的应变传感特性是不同的,因此,可将每一个模式作为一只应变传感器测量应变。提出了利用倾斜光纤光栅的多个模式作为应变测量的多只传感器,在此数据测量基础上,采用数据融合方法提高数据测量的精度,从而得到应变的准确信息。这种方法计算简便,编程容易,在实际测量系统中具有很好的应用价值。     

法布里－珀罗干涉仪构成的湿度传感器

在许多生产实际中常常需要监控环境的相对湿度变化,高灵敏度的湿度传感器有很大的市场需求.提出并实验证明了一种基于法布里-珀罗干涉仪的相对湿度传感器.该传感器是通过将较短长度的毛细石英管拼接到单模光纤上,并将聚乙烯醇薄膜涂覆到毛细石英管的端面而构成.该传感头的总长度仅为168μm,尺寸紧凑,可以在有限的空间和恶劣的环境中灵活使用.实验结果表明,通过解调传感器反射光谱的波长偏移量,能够测量环境相对湿度,灵敏度较高.在低温时传感器有一定的温度依赖性;在高温时传感器对温度不敏感,可以忽略温度串扰.该传感器尺寸紧凑、成本低、灵敏度高、响应快、温度串扰小,具有一定的实际应用前景.     

薄包层长周期光纤光栅的折射率传感特性

长周期光纤光栅(LPFG)可用于折射率传感,同时利用折射变化可以实现谐振波长的调谐.不同的光纤包层半径和光栅周期对折射率灵敏度有较大影响.利用光波导的耦合模理论分析了LPFG的折射率传感特性,给出LPFG的折射率灵敏度的解析表达式,给出了利用不同包层模时的折射率灵敏度.利用三层介质光纤的纤芯模本征方程计算了薄包层LPFG的折射率灵敏度.结果表明,基于不同包层模的LPFG的谐振波长随折射率的变化有红移,也有兰移;基于低阶模序包层模的LPFG,折射率灵敏度较小,中间模序最大,而高阶模序则较大,薄包层LPFG对折射率具有更大的灵敏度.     

双波长FBG折射率变化平均值的研究

光纤Bragg光栅(FBG)是发展最为迅速的光测量器件.为解决光纤光栅传感器温度应变交叉敏感的问题,使用双波长FBG替代传统FBG是实用性较好的方案之一.通过数值计算双波长FBG的反射谱,着重分析了双波长FBG的折射率变化平均值对中心波长及其反射率的影响.     

光纤光栅传感技术的原理与应用

简要介绍了光纤光栅传感技术的基本原理:通过测量波长的漂移实现对被测量的检测;介绍了光纤光栅所具备的传统光纤传感器所没有的特点:自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用;以及光纤光栅在高精度测温领域、高分辨率应变测量领域、高分辨率液位测量领域三大方面的应用.     

双光纤Bragg光栅波长探测与解调技术

双光纤光栅可以用于光纤光栅传感器中波长移动的探测与解调,提出了一种新的解调方案并对几种可能的解调方案进行了实验对比。结果表明,在宽带光源光谱全功率较小的前提下,利用双光栅透射谱的相关及双光栅透射谱和反射谱的卷积都能实现波长移动的探测与解调,前者有更好的信噪比。而因为系统损耗过大,利用双光栅反射谱的相关不能探测与解调光栅中心反射波长的移动。双光栅波长探测与解调技术将波长的移动转化为相对光强极值的探测,避免了光纤光栅传感器中使用光谱仪等价格昂贵,体积庞大,使用不方便的光谱探测器件,有利于光纤光栅传感器的实用化。     

微纳米高折射率涂敷层对长周期光纤光栅传输谱特性的影响

基于模式耦合理论,通过求解给定参数的覆盖高折射率微纳米涂敷层长周期光纤光栅( LPFG)的频谱,分析了四层模型LPFG中微纳米高折射率涂敷层对其传输谱特性的影响。研究结果表明：通过设计涂覆层厚度、涂覆层折射率变化范围以及LPFG包层厚度等参数,包层模将进入高折射率微纳米涂敷层中进行传输,在LPFG传输谱出现模式迁移现象;随着涂覆层折射率的增大,谐振峰波长向短波长方向漂移;LPFG包层半径越小,谐振峰波长对涂覆层折射率变化的响应灵明度越高。     

一种新型结构长周期光纤光栅光谱特性研究

基于长周期光纤光栅(LPFG)包层有效折射率与包层半径、折射率和环境折射率的良好相关性,提出一种LPFG的新颖结构。利用传输矩阵法和三包层光纤的色散方程对其建模,mathcad15计算软件进行数值仿真和模拟。得到新型结构LPFG谐振峰发生分裂,即一个透射峰分裂为两个;两个分裂峰谐振波长间距随着腐蚀段包层半径的减小或填充材料厚度的增大而增加,模式越高增加越快;同时分裂峰间距在填充材料折射率小于1.4和大于1.48时基本不变,而在1.4和1.48之间分裂峰间距变化显著,在1.44附近达到极值。此种结构LPFG设计上的特殊性即可弥补半腐蚀LPFG容易断的不足,又可通过填充敏感材料且利用分裂峰间距定标而提高气体或液体浓度传感灵敏度。