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。     

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.     

光纤光栅微应变测量系统研究

本文提出了一种新型的光纤光栅F-P腔传感探头,分析了其在轴向应变作用下分裂点处波长的漂移情况,设计出了基于此理论的微应变测量系统,并进行了实验验证.实验表明,此系统能够实现微应变的测量,其分辨率为0.0098με.     

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。     

基于双包层大模场光纤的Fabry-Perot应变传感器

提出了一种通过化学腐蚀对双包层大模场光纤进行加工,并结合放电熔接工艺制备光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器的方法。将尺寸为20/125μm的双包层大模场光纤端面切平后在浓度为40%氢氟酸中浸泡20 min使光纤端面形成凹槽,再与端面切平的HI-1060光纤进行熔接,在熔接点处形成气泡,构成全光纤F-P腔结构,反射谱波长周期为9 nm,条纹对比度达到9. 55 dB。采用等强度梁对传感器的应变特性进行测试与分析,在0~350με范围内分别进行加载与卸载实验,波长灵敏度大于2. 88 pm/με,线性度高于0. 99。     

基于啁啾光栅的温度与应变测量解耦方法研究

实际环境中光纤光栅存在对应变与温度测量交叉敏感问题,提出了利用啁啾光纤光栅(CFBG)进行双参数同时测量的方法。通过将CFBG胶封于等强度梁上,利用CFBG反射谱的中心波长与带宽对温度与应变的灵敏度差异,组成系数解耦矩阵,实现对应变与温度的同时测量。室温下,CFBG的中心波长与带宽随应变变化的灵敏度分别为0. 79、1. 38 pm/με,线性度为0. 998 8、0. 999 3;在-20～60℃温度范围内,CFBG的中心波长与带宽随温度变化的灵敏度分别为22. 74、23. 97 pm/℃,线性度为0. 999 8、0. 997 0,表明使用单个CFBG可以实现同时测量应变与温度。     

法布里-珀罗光纤温度传感器的理论模型与仿真

设计了一种新型F-P(Fabry-Perot)干涉腔式温度传感器,具有高灵敏度、电绝缘性及抗电磁干扰等优点,能够胜任极端恶劣环境下的温度测量。采用腔内端面的反射光数学模型,并考虑输出光功率的线性度,对F-P传感腔初始腔长H、光纤端面反射率r的选取进行了优化设计与分析。应用有限元分析软件ANSYS对传感器的理论模型进行仿真与验证,模拟结果显示,当待测温度的变化范围为0~100℃时,干涉腔腔长随温度近似于线性变化,相应的理论灵敏度为1.636 nm/℃,精度为±0.2℃。     

基于非本征光纤F-P腔的低压传感器研究

介绍一种基于非本征F-P腔(extrinsic Fabry-Perot cavity)的干涉/强度调制型光纤低压传感器。给出低压传感探头的结构设计和测量原理。利用石英膜片对光纤EFPI压力传感头进行压力测量灵敏度放大;通过不同谱宽的两路光信号的自补偿运算,提高系统的稳定性和抗干扰性。该传感器在0~1.5×105Pa的压力测量量程内,压力变化最小分辨率达到50 Pa,在连续15 h的动态测量下,测量偏差为0.1%FS。     

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。     

LPFG和FBG级联结构双参数光纤传感器研究

提出了一种长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)的温度/应变双参数光纤传感器。利用飞秒激光直写制作LPFG并级连FBG,且FBG波谷位置为1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 559.1 nm,最高对比度为-12.7 d B。在30~70℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对0~500με应变变化范围内对传感器应变特性进行测试。实验结果表明,升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度15.00 pm/℃,线性度0.981 3;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-11.75 pm/℃,线性度0.945 3。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度18.25 pm/℃,线性度0.953 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-15.42 pm/℃,线性度0.980 2。加载过程FBG中心波长发生红移,灵敏度0.93 pm/με,线性度0.991 5;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.986 3。卸载过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度0.92 pm/με,线性度0.990 9;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.972 8。结果表明,该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现应变和温度的测量。