超短腔光纤法布里-珀罗低温传感技术研究

针对低温大范围高灵敏温度测量需求,提出一种适用于低温环境测量的光纤法布里-珀罗腔温度传感器,并实验研究传感器的响应特性。超短空气腔法布里-珀罗温度传感器由外径0.3 mm的石英毛细管和单模光纤构成,利用高热膨胀系数的材料作为腔镜的一个反射面提高空气腔的温度灵敏度,理论分析了法布里-珀罗干涉仪的温度传感原理,以及温度灵敏度的影响因素,并分析不同级次对灵敏度的影响。研制了大自由谱低温高灵敏度传感器,实验结果表明,传感器在-40℃至-10℃的温度范围内具有较好的温度响应特性,相应的灵敏度为-2.066 nm/℃,线性拟合度为0.9697,理论分辨率为±0.0005℃。传感器具有体积小、灵敏度高和测量范围大等优点,在低温传感领域具有潜在的应用价值。     

飞秒激光加工的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器

介绍了一种利用波长为800 nm的飞秒激光脉冲在普通单模光纤(SMF)上刻蚀出微型光纤法布里-珀罗干涉(MEFPI)传感器的方法。该方法通过计算机控制就可以进行任意腔长的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器的制作。实验研究了光纤法布里-珀罗传感器的应变和温度特性,结果表明,在0~350με的应变范围内,干涉条纹波长相对于应变的灵敏度为0.006 nm/με,线性度达99.69%;在20~100℃的温度范围内,该光纤法布里-珀罗传感器具有较小的负温度特性,干涉条纹往短波方向漂移了0.15 nm。作为全光纤传感器件,该类型传感器重复性高,成本低廉,易于批量加工,在光传感领域具有较大的潜在应用价值。     

纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的温度特性

在对薄膜材料热光效应和热膨胀特性研究的基础上,综合运用光学薄膜法布里-珀罗腔(Fabry-Perot)干涉理论,采用MATLAB 编程设计了纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的仿真分析程序,模拟了薄膜型光纤法布里-珀罗传感探头反射光谱随温度变化的波长漂移特性,分析了不同材料热光效应和热膨胀特性对温度特性的影响权重,并进行了实验验证。验证结果表明,传感探头测试光谱的温度变化特性与仿真特性一致,纳米薄膜光纤法布里-珀罗传感器的理论仿真可用于选择纳米薄膜材料及筛选温度敏感且镀制容差大的膜系,对传感探头的研制具有指导意义。     

液体填充增敏型法布里-珀罗微腔光纤温度传感器

为了提高传统空气腔法布里-珀罗(法珀)干涉仪的温度灵敏度,提出了一种基于液体填充的增敏型 法珀微腔光纤温度传感器。传感器采用标准单模光纤与二氧化硅毛细管制作长度为微米量级的光纤法珀微腔并填充以液体。对所制作液体填充法珀微腔光纤温度传感器,由反射光谱通过相关算法计算绝对腔长的方式实现温度解调。理论和实验均表明,该液体填充型法珀微腔传感结构具有明显的温度增敏效果。对于腔长为~12.140 μm的液体填充法珀微腔光纤温度床感器,其腔长-温度灵敏度达到了2.185 nm/℃,高于作为参照的非填充空气腔法珀光纤温度传感器高一倍左右,增敏效果明显。     

基于级联腔法布里-珀罗干涉仪的温度和压力同时测量

提出了一种基于级联法布里-珀罗干涉仪(CFPI)的光纤传感器,用于同时测量温度和压力.该传感器由单模光纤(SMF)、空心光纤(HCF)和双孔光纤(DHF)依次熔接在一起而构成.其中,HCF构成空气腔法布里-珀罗干涉仪(FPI),DHF构成石英腔FPI,两个FPI级联形成混合腔FPI.空气腔FPI通过DHF的空气孔与外部环境连通,实现对气压的高灵敏度传感;石英腔FPI利用二氧化硅的热光效应和热膨胀效应,实现对温度的高灵敏度传感.在0.1～0.6 MPa气压范围,60～260℃温度范围,实现的空气腔FPI的气压和温度灵敏度分别为4 nm/MPa和1 pm/℃,混合腔FPI的气压和温度灵敏度分别为0.5 nm/MPa和9 pm/℃.空气腔FPI和混合腔FPI对温度和气压的灵敏度不同,实现了温度和气压的双参数测量,同时该传感结构制造工艺简单,集成度高,灵敏度高.     

聚合物微腔的探针型光纤法布里-珀罗干涉仪传感器

设计了一种在单模光纤末端涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成聚合物微腔的探针型光纤法布里-珀罗干涉仪传感器(PFFPI),并对其折射率(RI)和温度传感特性进行了研究。其折射率和温度测量分别是基于消光比变化和波长漂移进行的,同时着重对这个器件的与众不同的折射率传感特性进行了理论分析,该理论分析可用于传感器的设计。传感器同时具有比较高的折射率灵敏度和温度灵敏度,在折射率为1.3625~1.4206的范围内折射率灵敏度为-180.359 dB/RIU(RIU表示折射率单元),在温度为25℃~60℃的范围内温度灵敏度为355.28 pm/℃。该传感器具有体积小巧和生物兼容性良好等优点,与传统光纤传感器相比其更具优势的应用就是生化活动的检测,如组织培养等。     

基于法布里-珀罗干涉的光纤倾角传感技术研究

提出一种基于法布里—珀罗(Fabry Perot,F P)干涉的光纤倾角传感器,该传感器由单模光纤和毛细管组成。首先,分析光纤干涉原理和倾角传感原理;然后,制作封装光纤倾角传感器;最后,完成光纤F P传感器倾斜实验,通过对采集得到的数据分析得到传感器倾角的响应特性,并进行温度实验探究温度对传感器波长漂移的影响。实验结果表明:在0°～10°测量范围内,测量角度和反射波长呈线性关系,倾角灵敏度为02031nm/°,线性度为099707;在45～49℃温度范围内,温度灵敏度为4777nm/℃,线性度为099934。该传感器具有结构简单、成本低、灵敏度高等特点,具有广阔的应用前景。     

基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器

为了实现高灵敏度液体折射率传感器的高效制备,采用飞秒激光直写技术,在光纤末端刻蚀出矩形凹槽,辅以光纤熔接方法,制备出一种基于光纤内双开口法布里-珀罗(F-P)干涉腔的折射率传感器。该传感器的液体折射率传感灵敏度达到1107.76nm/RIU。讨论了温度对该传感器性能的影响,温度串扰小于0.0025nm/℃;基于海水含盐浓度与折射率的线性关系,探讨了该传感器在海水含盐浓度传感测量方面的应用,灵敏度为0.171nm/(mgmL-1)。结果表明,基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器具有干涉谱对比度高、线性响应良好、灵敏度高、不易受温度串扰、结构紧凑、制备简单高效等优点,在生物、医疗、化学、环境等领域中有着广泛的应用前景。     

一种用于海洋温度快速测量的光纤法布里-珀罗温度传感器

为满足海水温度高精度快速测量的需求,提出了一种基于光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的温度传感方案。该传感器由硅片和光纤尾纤组成,硅片作为光纤F-P传感器F-P腔的腔体,利用硅的热光效应和热膨胀效应实现温度的传感。采用基于二分法的交叉相关快速解调算法对光纤F-P传感器进行高精度的快速解调。对制作的光纤F-P温度传感器进行测试,结果表明:该传感器可达到0.15℃的温度测量精度,可分辨0.001℃的温度变化,温度响应时间可达到128ms。该传感器有望在投弃式测量领域得到应用。     

法布里-珀罗薄膜干涉的光纤温度传感器

为了研制结构简单、成本低、可批量生产的微型光纤温度传感器,分析了薄膜干涉型光纤温度传感器的原理,选用ZrO2和Al2O3两种介质薄膜材料,采用TFCalc膜系设计软件设计了薄膜干涉型光纤温度敏感探头的膜系,由南光ZZS1100-8/G箱式真空镀膜系统采用电子束蒸发技术在普通多模光纤端面蒸镀介质薄膜,形成法布里-珀罗（Fabry-Perot）薄膜干涉,并搭建光纤温度传感测试系统,测试结果表明:在200~600℃范围内,所设计的干涉型光纤温度传感器的测试光谱随温度变化产生一定的波长漂移,且波长漂移的温度特性为线性,线性相关系数为99.7%,灵敏度为8.3710-6/℃。基于法布里-珀罗干涉的薄膜型光纤温度传感器体积小,成本低,结构紧凑,可批量生产,适合安装位置狭小或对传感器集成化要求较高的场合。     

基于光纤开放式法布里-珀罗干涉仪的液体折射率测量

法布里-珀罗(F-P)干涉仪结构的光纤传感器因其结构简单、体积小、高灵敏度等优点得到了广泛的应用,开放式法布里-珀罗干涉仪传感器可对待测液体的折射率进行测量。利用机械切割、飞秒激光击穿等方法可以制成开放式法布里-珀罗干涉仪。利用玻璃焊剂将开放的空心毛细管和两段单模光纤焊接在一起,制成开放式法布里-珀罗干涉仪传感器,并采用交叉相关的信号处理技术实现对待测液体折射率的绝对测量。采用不同浓度的氯化钠溶液进行折射率测量实验,折射率测量分辨率可达到10~(-5) RIU量级,传感器的温度灵敏度为39.59nm/℃。     

飞秒激光制备的全单模光纤法布里-珀罗干涉高温传感器

提出了一种全单模光纤的本征型法布里-珀罗干涉(IFPI)高温传感器。光纤IFPI传感器由飞秒激光在标准单模光纤上刻写的一对内部反射镜和腔内光纤构成,其反射光谱的干涉条纹对比度达到10dB,而插入损耗仅为0.1dB。实验结果表明,该传感器的测量温度可达1000℃,温度灵敏度为14.9pm/℃。而且在重复测量中,反射光谱具有良好的一致性,可以准确地实现高温传感。飞秒激光制备的光纤IFPI高温传感器完全由标准单模光纤构成,结构简单、成本低廉,易于连接现有的光纤器件构成光纤传感网络,在实际工程中有较大的应用价值。     

结构简单的熔接式全石英光纤EFPI高静压传感器

介绍了一种结构简单的熔接式全石英光纤非本征型法布里-珀罗干涉仪(EFPI)高静压传感器,对传感器的压力效应进行了理论分析,给出了传感器的设计结构和制作过程。和传统EFPI传感器相比,该传感器具有长腔长、结构简单、制作工艺简易、应用灵活方便等优点,可以用于较高静态压力的测量。建立了传感解调系统,对压力进行了测试,测量精确度高,稳定性好。同时进行了温度敏感度测量实验,温度敏感系数约为0.72nm/℃,传感器的腔长温度线性度好,结果显示传感器温度交叉敏感度低。在0~20 MPa压力测量范围内,该传感器的压力腔长灵敏度可以达到21nm/MPa,连续10h动态测量条件下,测量偏差为0.2%FS。     

基于Fabry-Perot光纤应变传感技术的监测系统

介绍了外腔式光纤法布里-珀罗(F-P)应变传感器的基本原理和信号调理技术。设计了基于F-P应变传感技术和虚拟仪器技术的结构应变实时监测系统并应用于桥梁健康监测现场。现场应用结果表明,法布里-珀罗光纤传感器与传统传感器相比具有响应速度快、动静态测量、绝对测量、抗电磁干扰和易于与钢筋、混凝土复合等特点,适用于桥梁等结构的应变测试。所设计的应变监测系统可用于结构健康状态的在线监测。     

毛细石英管构成的高灵敏度光纤气压传感器

为实现高精度的气压测量,提出一种利用飞秒激 光微加工技术与光纤熔接技术制作的法布里- 珀罗(FP)干涉仪(FPI)型光纤气压传感器。利用波长800nm的飞秒 激光脉冲在毛细石英管侧壁上加工一微孔, 利用光纤熔接技术把毛细石英管熔接在一段单模光纤(SMF)和一段多模光纤(MMF)之间,制备 出一种光纤气压传 感器。通过改变传感器的FP腔内气压大小,导致FP腔内气体折射率改变,从而引起传感器 的透射 谱线性漂移,通过计算气压变化量与透射谱的谐振峰波长漂移量之间的关系就能够实现传感 器的气 压测量。理论分析了传感器实现气压测量的机理,实验测量了传感器的灵敏度。实验结 果表明, 传感器对周围气压变化的响应较大,透射谱的谐振峰波长随气压线性变化的灵敏度达到4.22nm/Mpa,而传感器对环境温度变化的响应很小,减少了温度对气压 测量的交叉感染。     

基于空芯光子晶体光纤的法-珀干涉式高温应变传感器

基于空芯光子晶体光纤(HCPCF)耐高温、温度稳定性好的特性,对利用空芯光子晶体光纤与两根普通单模光纤通过熔接构成的微小型光纤法布里-珀罗(F-P)干涉仪进行了高温应变特性实验研究.结果表明,在100～700℃温度范围内,HCPCF F-P具有较好的温度稳定性,并测得600℃的温度下其应变测量的灵敏度约为5.94 nm/με,线性度约为0.9997,温度对应变灵敏度的最大影响约1.5%,测量精度约0.08%FS.理论和实验结果表明高温下HCPCF F-P具有温度灵敏度较低,应变灵敏度较高,温度对应变灵敏度的交叉影响小,线性度和重复性好,且没有迟滞现象以及应变测量范围大等优点.     

非本征法布里-珀罗光纤氢气传感器的研究

提出了一种基于钯膜的非本征法布里-珀罗光纤氢气传感器的方案.钯在氢气环境中吸收一定量的氢并使其体积膨胀, 而传感器腔长在应力的作用下发生变化.分析了其应力的传递过程,建立了法布里-珀罗腔腔长变化与氢浓度关系的数学模型.通过实验研究了该传感器的氢响应特性,理论模型预测的氢气浓度与实验结果吻合.     

啁啾光纤光栅法布里-珀罗传感器波分频分复用

实现了一种具有大容量复用潜力的啁啾光纤光栅(CFBG)法布里-珀罗(F-P)传感器复用系统。该传感器复用系统的建立基于波分频分复用方法,即中心波长相同的传感器利用腔长不同空间频率不同来实现空间频分的复用,采用不同中心波长的传感器阵列与频分复用方法相结合就可实现波分频分复用。描述了该光纤光栅法布里-珀罗传感器复用系统的结构、原理及应变实验结果。实验结果表明,该方法可以大大地提高光纤光栅法布里-珀罗应变传感器的复用能力,理论上可复用数百个光纤光栅法布里-珀罗应变传感器;实验中应变测量精度好于±10με,可满足大部分实际应用的要求。     

一种新型金属封装的光纤法珀温度传感器

设计制作了一种金属封装的光纤法珀温度传感器,该传感器采用不锈钢毛细金属管代替传统的空心光纤对光纤法珀腔进行封装,毛细金属管在作为法珀腔腔体的同时也是温度敏感元件。采用该结构简化了光纤法珀温度传感器的封装工艺,理论分析和实验的结果表明,该金属封装结构使得传感器的灵敏度易于控制,对于腔长为10mm的温度传感器其精度达到±0.5℃。     

用于石化反应器的光纤F-P温/压复合传感器

为了实时监测石化反应器内部高温、高压环境下压力和温度变化, 严格控制原料的反应过程, 采用法布里-珀罗(F-P)多腔干涉理论, 设计并制备了一种光纤F-P温度、压力复合传感器。该传感器由石英玻璃和蓝宝石玻璃构成, 石英与蓝宝石之间的空气腔为压力腔, 温度腔则为蓝宝石本身。通过理论计算和仿真验证, 分析了压力腔和温度腔不同参数对传感器性能的影响, 从而取得了最佳的传感器结构参数数据。结果表明, 该传感器制作工艺简单且性能可靠, 能够实现0MPa~5MPa和-20℃~300℃范围内压力和温度的同时测量; 该传感器在压力0.1MPa~5MPa和温度20℃~180℃环境下有良好压力温度线性响应关系, 压力灵敏度为796nm/MPa, 温度灵敏度为3.864nm/℃。该传感器适用于石化反应器内部高温高压环境下压力和温度的同时监测。