基于法布里-珀罗干涉仪和光纤布拉格光栅的双参量光纤传感器

提出了一种结构紧凑的基于法布里-珀罗干涉仪（FPI）和光纤布拉格光栅（FBG）的双参量光纤传感器,其可实现对应变和温度的同时测量。所制作的FPI是通过将一段端面被腐蚀过的多模光纤（MMF）与一小段光敏光纤（PSF）熔接而形成的。PSF的平整端面作为FPI的一个反射面,FBG被刻写在PSF中。实验测得FPI和FBG对于应变的灵敏度分别为 8.63pm/με和1.11 pm/με,对温度的灵敏度分别为和-1.60 pm/℃和9.75pm/℃。由于FBG和FPI对于应变和温度分别有不同的灵敏度,所以它们组合起来可以实现对双参量的同时测量。实验测得传感器同时进行应变和温度测量的最大误差分别为6.72με和0.98℃。     

采用化学腐蚀法制备光纤Fabry-Perot应变传感器

提出了一种采用化学腐蚀方法制备光纤Fabry-Perot(F-P)传感器的方法,采用浓度为40%的氢氟酸溶液对单模光纤端面进行腐蚀处理,并通过电弧放电对光纤端面进行熔接,制作光纤F-P传感器。实验中,将单模光纤端面在40%浓度的氢氟酸中腐蚀20 min制作出深度21 μm的凹槽,并将该腐蚀过的光纤和端面切平的单模光纤相对熔接,通过电弧放电进行熔接构成F-P腔结构,条纹对比度为8 dB;对制备的光纤F-P传感器的应变特性及温度特性进行了实验和分析,结果表明采用化学腐蚀法制作的光纤F-P传感器对应变具有良好的灵敏度,加载灵敏度可达到3.78 pm/με,线性度为0.999;卸载灵敏度为-4.25 pm/με,线性度为0.985。     

CO2激光刻写长周期光纤光栅与光纤MZ结构的双参数传感特性

为了实现温度与应变的双参数高精度传感测量,提出了一种CO2激光刻写长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG）与光纤马赫-增德尔（MZ）干涉型结构的光纤传感器,利用CO2激光刻写制作LPFG并利用错位熔接法制备光纤MZ结构,将二者级联并实时监测温度及应变变化时的透射谱变化,研究了其传感原理并验证了其温度及应变传感特性。实验结果表明:该双参数光纤传感器的LPFG仅对温度敏感,MZ干涉结构对温度和应变都敏感;在温度范围35~70℃时,LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度39.17 pm/℃;MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度为37.50 pm/℃;当应变范围0~450 时,MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/,卸载灵敏度为4.24 pm/。为温度和应变的实时测量提供了一种灵敏度高、线性度好的光纤传感器。     

基于SMS-FBG结构的温度应变双参数传感特性研究

提出了一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤干涉结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的光纤微结构温度应变双参数测量传感器,并对其应变特性、温度特性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将长度为35.5 mm的多模光纤熔接在两段单模光纤之间,构成SMS光纤干涉结构,并通过级联FBG制成温度应变双参数测量传感器。结果证明,在200～2 000με应变范围内,单模-多模-单模干涉结构和FBG的应变灵敏度分别为-2.31和1.22 pm/με,线性度分别达到0.999 2和0.999 4;在580～700℃温度范围内,其温度灵敏度分别为58.79和13.64 pm/℃,线性度分别达到0.996 7和0.998 2,可实现温度、应变双参数的同时测量。     

基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变同时测量的光纤传感器研究

提出了一种基于马赫-曾德尔干涉的温度和应变 双参数同时测量的光纤传感器,其结构是在单模光纤(SMF)上分别熔接两 个球形结构并在SMF光纤中间熔接一段细芯光纤(TCSMF)。利用光纤的纤芯 模、包层模对温度、应变的灵 敏度差异,通过检测不同级次的干涉谷的特征波长位移变化,结合敏感矩阵实现了对温度、 应变双参数的 同时测量。实验选取位于波长1545.1nm554.8nm处的干涉谷进行温度和应变的同时测量,测 得两个波谷 的温度灵敏度分别为53.86 pm/℃和47.51pm/ ℃,两个波谷的应变灵敏度分 别为0.75 pm/με和1.39pm/με,并且不 同级次干涉波谷的波长位移量与外界温度和应变具有良好的线性度。     

基于七芯光纤的M Z双参数同时测量传感器

利用熔接机分别对单模光纤 七芯光纤 单模光纤进行纤芯错位熔接,制作了一种光纤Mach Zehnder(M Z)干涉型传感器。将一段长1 cm的七芯光纤两端分别与SMF 28单模光纤错位熔接制得M Z型干涉传感器。传感器最大条纹对比度为20 dB。分别设计不同温度、不同应变对传感器的温度特性及应变特性进行分析研究。实验发现随着温度的增加,传感器的谐振波长发生红移,40~90 ℃温度范围内灵敏度和线性拟合度分别为39.3 pm/℃和0.998 3;室温下随着应变由0增加到1 384 με,传感器的谐振波功率下降,应变灵敏度和线性度分别为0.008 8 dBm/με和0.990 3。实验结果表明,分别解调光谱的波长和光强都可实现温度和应变双参数同时测量。     

毛细管构成的多腔室F-P应变传感器

设计了一种基于毛细管拼接的多腔室法布里-珀罗(F-P)干涉型光纤传感器,实现了对外部应变的测量。该传感器结构由内径2μm、长度129. 8μm的毛细管以及内径75μm、长度574. 6μm的毛细管与单模光纤拼接构成,内部包含三个F-P腔,两个腔对传感器干涉条纹的形成起主要贡献作用。选取传感器器反射谱的两个波谷dip 1和dip 2来测量外部应变。在中心波长为1 413 nm的波谷dip 1处,测得的应变灵敏度为1. 5 pm/με,线性拟合系数为0. 989 9;在中心波长为1 583 nm的波谷dip 2处,测得的应变灵敏度为1. 4 pm/με,线性拟合系数为0. 995 1。传感器制作简单易重复、结构微小、线性度好、成本低。该传感器在应变传感应用领域中具有一定使用价值。     

一种拉杆式的光纤光栅应变传感器

提出了一种拉杆式的光纤光栅应变传感器,并进行了理论分析和传感器标定实验研究。传感器由悬臂梁组成弹性系统,将光纤粘贴于悬臂梁内锥形孔内,利用拉杆传递监测对象表面应变变化。实验结果表明,传感器的应变灵敏度为1pm/με,线性度为0.994;温度灵敏度为16pm/℃,线性度为0.996。可应用于高精度要求下的应变测量。     

拉锥空心光纤的温度与应力传感特性研究

该文设计并制作了一款简易的拉锥空心光纤的高灵敏度传感器,通过实验测量了其温度与应力特性。首先利用光纤熔接机在两段标准单模光纤之间熔接一段空心光纤,再对准空心光纤中间位置进行放电,同时运用两个步进电机在单模光纤两端施加一定的拉力,这导致法布里-珀罗干涉仪转换为马赫-曾德尔干涉仪。实验结果表明,此拉锥过程使光纤传感器的温度灵敏度从理论值0.85 pm/℃提升到69.1 pm/℃,约提升了81.3倍,轴向应变灵敏度最高可达3.6 pm/με。该器件具有体积小、结构简单和灵敏度高等特点,在航空航天、医疗监测等领域具有广阔的应用前景。     

基于游标效应解调的少模光纤应变传感器

提出并制备了一种基于游标效应的高灵敏度光纤马赫-曾德尔应变传感器。该传感器由两个自由光谱范围相近的马赫-曾德尔干涉仪并联构成。其中单个马赫-曾德尔干涉仪是由一段无芯光纤和一段少模光纤拼接在两根单模光纤之间制成的。两个马赫-曾德尔干涉仪的自由光谱范围相近而不相等,并联叠加后产生游标效应,达到增敏的效果。实验结果表明,在0～166.667με的应变范围内,单个干涉仪的应变灵敏度为-1.90 pm/με,两个干涉仪并联叠加谱包络的应变灵敏度为12.06 pm/με。该传感系统采用并联方式实现游标效应,具有制作简单、灵活性高、灵敏度高等优点,可广泛应用于精密测量领域。     

基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的应变传感器

研究了基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的光纤应变传感器,通过将一根细芯光纤熔接在两根单模光纤(SMF)之间,构成了一种光纤内干涉的马赫曾德尔干涉仪。当单模光纤中的光耦合进细芯光纤时,一部分光耦合进细芯光纤纤芯作为芯模传输,另一部分光耦合进细芯光纤包层中激发出包层模沿包层传输,当芯模和包层模再耦合进单模光纤时发生干涉。当应变作用在细芯光纤上时,干涉条纹发生漂移。通过解调干涉条纹对应变的漂移量实现应变测量,在0~2000 με的测量范围下,测得的应变灵敏度为-1.83 pm/με,并且实验结果与理论分析有很好的一致性。该传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高等优点。     

基于预拉伸基片式FBG的工字梁载荷测试

对工字梁载荷测试与基片式光纤光栅传感器受力进行有限元分析仿真,制作并封装加载确定的预拉伸力的基片式光纤光栅传感器。在材料拉伸机(MTS)上进行预拉伸基片式光纤光栅传感器标定与裸光纤光栅传感器对比测试实验,得到预拉伸制作工艺传感器提高了测量范围、应变灵敏度为0.95pm/με、线性度0.996、传递效率为83.5%。将其应用到飞机机翼工字梁上测试,同时电阻应变计监测最大应变,得到很好的测试效果,与仿真结果相吻合,对飞机机翼载荷标定具有重要意义。     

基于游标效应的高灵敏光纤温度和应变传感器

提出一种基于光纤Sagnac干涉仪(FSI)和偏振模干涉仪(PMI)级联结构的高灵敏光纤温度和应变传感器。FSI作为参考干涉仪,是将对温度、应变、弯曲及扭转不敏感的椭圆芯保偏光纤(ECPMF)引入到Sagnac环内制得的。PMI作为传感干涉仪,是对光纤起偏器与末端端面镀金的熊猫型保偏光纤(PMF)的快轴/慢轴以45°角进行熔接制得的。参考干涉仪的自由光谱区(FSR)易被调整为接近传感干涉仪的FSR,从而产生光学游标效应,实现灵敏度放大。实验结果表明:所设计的级联传感器的温度灵敏度达15.56 nm/℃,是单个PMI的11.12倍;应变灵敏度达154.04 pm/με,是单个PMI的11.81倍。所设计的传感器具有灵敏度高、制作简单、稳定性好等优点,在航空航天、工业生产等领域中具有广阔的应用前景。     

金属基底增敏的干涉型高温光纤传感器

为了实现对井下潜油电泵机组温度的实时监测,设计了一种由粗锥型单模--多模--单模(Coarse Cone Singlemode-Multimode-Singlemode, CCSMS)构成的马赫--曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)型高温光纤传感器。该结构采用直接熔接的方法将单模光纤与多模光纤相熔接;接着通过调整熔接机的熔接参数,在单模光纤上制作出粗锥结构;最后将制备的结构嵌入铜基板的U型槽中,实现传感器的增敏封装。对封装后的传感器的温度响应特性进行了测试。实验结果表明,在40～250℃的温度范围内,该传感器实现了灵敏度为124.9 pm/℃的温度传感。对其稳定性和重复性进行了测试。结果表明,传感器的稳定性最大误差约为0.44%,重复性最大误差约为2.29 pm/℃。该传感器具有灵敏度高、重复性和稳定性好的特点,有望用于油气井下潜油电泵机组的温度监测。     

基于光纤锥和多模渐变光纤的马赫-曾德尔干涉仪的传感特性研究

提出了一种基于光纤锥和纤芯失配光纤结构的马赫-曾德尔干涉(MZI)传感器。在距离单模光纤(SMF)锥25mm处熔接一段长30mm的多模渐变光纤(GI MMF),形成SMF-光纤锥-SMFGI MMF-SMF结构。其中,光纤锥起到增加包层模能量的作用,GI MMF为传感臂。传感器外界环境温度、折射率及应力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,通过监测干涉谱的变化可以实现对外界物理量的测量。实验研究结果表明,当环境溶液温度在30~89℃范围内变化时,传感器的温度灵敏度为78.6pm/℃,线性度为0.997;环境溶液折射率在1.333~1.394变化范围内,传感器的折射率灵敏度为81.48dB/RIU,线性度为0.989;轴向应变在0~933.3με变化范围内,传感器的应变灵敏度为0.33×10-2 dB/με,线性度为0.998。本文传感器可以实现多个物理量的同时区分测量。     

预拉伸光纤光栅应变传感器传感性能研究

为了提高光纤光栅测量应变的测量范围与测量精度,该文对基片式光纤光栅传感器应变传递理论及其有限元分析应力分布进行了阐述,并对光纤光栅应变传感器的制作工艺进行了探索。封装工艺与普通基片式光纤光栅传感器的不同是在制作时加载确定的预紧力,用等强度梁对预应力基片式光纤光栅传感器进行测试并标定,得到传感器灵敏度为0.88pm/με,线性度为0.996,传递效率为74%。并在MTS拉伸试验机上进行预紧力基片式光纤光栅传感器、裸光纤光栅传感器与电阻应变计压缩对比实验研究,实验表明,预拉伸制作工艺提高了光纤光栅测量压缩应变的线性度与测量范围。     

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。     

光纤光栅应变传感器预紧封装及传感特性研究

介绍了一种具有预紧力的基片式光纤光栅应变传感器封装方法,并根据Ansys建模及实验对其传感性能进行研究。使用宽10 mm,长22 mm,厚1 mm的铝合金7075-T6材质基片对光纤光栅进行预紧封装,所得带预紧封装传感器灵敏系数为1.05 pm/με,线性度达到0.99以上。表明预紧封装基片式光纤光栅应变传感器具有良好的线性度和应变测试灵敏度,对光纤光栅传感器封装工艺有指导作用。     

基于光纤光栅的双壁开口模型管桩测试技术研究

针对光纤光栅传感器在模型管 桩试验应用情况, 提出了一种光纤光栅传感器理论灵敏度系数和实验灵敏度系数应变标定方法。结合理论分析 ,在封装FBG 应变传感器前,对模型管桩内、外管进行有限元Abaqus应力分布模拟分析,得到双壁开口模 型管桩对封装 FBG应变传感器没有影响,提高了实验应变测量精度。对模型管桩封装后的FBG应变传感器进 行标定实验, 每次按200逐级加载后并卸载,循环加载5次,得到内外管FBG传感器 应变灵敏度系数分别为2.15 pm/με、2.24 p m/με,且线性度 均达到0.999以上。该方法简单、易操作,可用于光纤光栅应变传感 器在模型管桩试验前的标定,为光纤光栅传感器在试验和工程中应用奠定了基础。     

同时测量温度和应变的全单模光纤马赫-曾德尔干涉仪

为了实现低成本的温度和应变同时测量,利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形,再将小球熔接到一起形成花生型结构;然后在距离花生结构15mm处,将两根单模光纤端面错位一定距离,对其进行熔接形成J型结构;最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现,CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.012 5dB/℃和52.9pm/℃,应变灵敏度分别为0.015 2dB/με和-11.44pm/με。结果表明,基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量,且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点,在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。