FBG级联MZI的温度和酒精溶液浓度传感特性研究

为了测量白酒蒸馏过程中的温度和酒精溶度,制作了一种基于马赫曾德仪(MZI)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的可同时测量温度和酒精溶液浓度的光纤传感器。FBG是利用飞秒激光逐线刻写的方式在单模光纤(SMF)中制作的周期为2.2μm,布拉格波长为1 591.21 nm,透射谱深度可达23 d B的4阶光纤布拉格光栅;MZI是将细芯光纤和SMF采用纤芯错位和锥腰扩大熔接技术制作的腔长为8.7 mm,对比度为28.5 d B的透射式光纤干涉传感器。基于多光束干涉理论对传感器的温度和酒精溶液浓度传感特性进行分析,利用MZI干涉波谷与FBG透射峰的灵敏度差异,结合灵敏度系数矩阵实现对温度和酒精溶液浓度的同时测量。实验中,传感器的酒精溶液浓度和温度灵敏度分别可达-41.37 pm/%和58.96 pm/℃。该传感结构在白酒酿造产业有潜在的应用前景。     

强度调制的光纤布拉格光栅磁场传感器

设计了一种基于光纤布拉格光栅啁啾效应的磁场传感器,导出了光纤布拉格光栅的反射谱带宽与磁感应强度的关系。传感器工作时,磁场中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用,引起矩形悬臂梁变形,从而导致粘贴在悬臂梁侧边的光纤布拉格光栅的反射光谱带宽发生变化;利用光谱分析仪,通过检测光纤布拉格光栅反射谱带宽的变化量,即可得到被测磁场磁感应强度的大小。当光谱分析仪的分辨率为0.001nm时,可测量磁感应强度为6~70mT。实验结果表明:该光纤布拉格光栅反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感,当温度从0℃变化到45℃时,3dB带宽的变化小于8pm。实验结果和理论分析一致,表明该方案切实可行。     

利用光纤偏振分束器和保偏光纤的传感解调系统

提出了一种利用光纤偏振分束器(PBS)和保偏光纤(PMF)中偏振模间干涉原理实现光纤布拉格光栅波长解调的方案,以提高光纤光栅传感解调系统的解调精度和稳定性。运用矩阵光学原理建立了数学分析模型,由此给出了系统输出信号与光纤光栅布拉格波长之间的关系。通过仿真分析,研究了保偏光纤长度、输入光相对于保偏光纤主轴的偏振角度和光纤偏振分束器主轴方位对系统输出信号的影响,明确提出了提高系统灵敏度的方法。根据设计方案搭建了实验系统,并进行了实验验证。结果表明:该设计方案可行,系统的波长分辨率1pm,测量精度1pm,温度可测量范围为90℃。该系统测量精度高,其稳定性优于利用M-Z型干涉仪的解调装置。     

波登管式光纤布拉格光栅压强传感器

基于光纤布拉格光栅传感模型，提出了一种悬臂梁与波登管相结合的光纤光栅压强传感器的组合设计，推导了光纤布拉格光栅中心波长偏移量与压强之间的解析关系式。理论和实验结果表明，压强调谐光纤布拉格波长的灵敏度系数的理论值与实验值分别为0．2246nm／MPa、0．2218nm／MPa，在0～6MPa测压范围内，调谐范围为1．35n／n．     

倾角对倾斜光纤光栅光谱特性的影响

基于倾斜光纤光栅模式耦合理论,研究了倾斜角度对光纤光栅光谱特性的影响,并应用OptiGrating软件进行数值模拟仿真。通过对不同倾斜角度得到的光纤光栅反射谱及透射谱的研究发现,随光栅倾角的增大,布拉格波长的中心波长偏移,同时反射率下降,而包层模式耦合增强,透射损耗变大,群时延减小。仿真结果对光纤光栅的设计和优化有一定的指导意义。     

偏振对于光纤光栅传感器工作性能影响的研究

基于布拉格衍射理论的光纤光栅传感器应用于温度、浓度、应力等参量高精度测量,通常要求高精度的波长分辨率.当入射光波前有偏振态存在时,将会对光栅系统的波前测量结果产生误差.在保偏光纤中,偏振对于光栅的影响尤为严重.当光栅周期与光栅矢量排布方向发生改变时,它与带有偏振信息波前作用后的衍射波前也会发生变化,而且在不同的衍射级上...     

准分布式光纤传感输电线路安全监测技术

针对电力行业安全监测技术中常用的电学传感器易受干扰的问题,设计了一种基于抗弯拉光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器和波分复用(WDM)技术的准分布式输电线路安全监测系统.采用不受力的两端点粘封装方式对传感器进行封装,解决了温度与应变交叉敏感的问题.采用光纤布拉格光栅串并联加波分复用的方式,实现单系统320个测点的同时监测.试验结果表明,所研制的光纤布拉格光栅温度传感器灵敏度为11.2 pm/℃,可用于输电线路温度的长距离实时在线监测,满足电力系统安全运行监测的需求.     

准分布式光纤传感输电线路安全监测技术

针对电力行业安全监测技术中常用的电学传感器易受干扰的问题,设计了一种基于抗弯拉光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器和波分复用(WDM)技术的准分布式输电线路安全监测系统.采用不受力的两端点粘封装方式对传感器进行封装,解决了温度与应变交叉敏感的问题.采用光纤布拉格光栅串并联加波分复用的方式,实现单系统320个测点的同时监测.试验结果表明,所研制的光纤布拉格光栅温度传感器灵敏度为11.2 pm/℃,可用于输电线路温度的长距离实时在线监测,满足电力系统安全运行监测的需求.     

基于倾斜光纤光栅的液位传感特性研究

研究了一种基于倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)的液位传感器,利用OptiGrating软件仿真分析了外界折射率和温度对TFBG透射谱的影响,仿真结果表明,当外界折射率为1.408～1.444时,TFBG透射谱包层模的透射谱幅值随外界折射率的增大逐渐减小,且不受温度的影响,但峰值波长随温度升高而增加。同时,搭建了液位和温度测量实验装置,对不同浓度的5种甘油溶液进行液位测量,并采用包层模归一化面积作为液位测量量度来提高灵敏度,证实随着液位的升高,归一化面积逐渐减小,且溶液折射率越接近包层折射率,液位测量灵敏度越高。同时,可利用TFBG布拉格谐振峰中心波长的漂移量与包层模归一化面积实现温度与液位的同时测量。     

压差式光纤Bragg光栅流量传感器

采用文丘里管式节流管和光纤Bragg光栅压强机构设计了一种压差式光纤光栅流量传感器。该传感器中将两根光纤光栅分别粘贴在两个垂直固定于圆筒壁内的等腰三角形悬臂梁中心线上,有效解决了温度与应变的交叉敏感问题,提高了测量精度。实验测试结果表明,光纤光栅流量传感器中布拉格波长漂移量与流量的函数关系为二次曲线,实验结果与理论分析值符合得较好,其相对误差为2.9%。为了进一步减小误差,应选用光纤、粘结剂及波纹膜片三者杨氏模量相近的材料。     

Near-Field Nanofluid Concentration Measurement by Rayleigh Particle Scattering Bragg Grating Evanescent Wave

We report an approach to detect near-field nanofluid concentration by scattering Bragg grating evanescent wave (EW). Since the suspended nanoparticles can enhance the scattering intensity of the EW from the thinned and tapered fiber with Bragg grating, the reflectance ratio of Bragg grating is dependent on the corresponding refractive index (RI) of the nanofluid at different nanoparticle volume fraction. A critical reflectance ratio measurement identifies the nanofluid concentration. Theory and simulation of scattering Bragg grating EW was analyzed. The scattering Bragg grating EW fiber sensing probe was designed and fabricated by the wet chemical etching method, and calibration was made by several chemical solutions without suspended nanoparticles. The example application of the nanofluid containing dispersed 40 nm SiO₂ nanoparticles demonstrates the feasibility. The reflectance ratio decreases by over 3.2% with the nanofluid concentration increasing from 0.25 wt.% to 4 wt.%, while the temperature disturbance can be negligible.     

光纤傅里叶变换光谱术在光纤光栅传感解调中的应用

介绍了光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本原理和光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)的结构;基于光纤Mach-Zehnder干涉仪,采用傅里叶变换光谱算法对光纤Bragg光栅传感器的波长进行了解调。宽带光源发出的光经过光纤耦合器进入光纤Bragg光栅,其反射光由耦合器返回进入到FFTS中进行测量,FFTS的最高光谱分辨率达到0.05 cm-1,即在近红外1 550 nm波长处分辨率为0.012 nm。分别对光纤Bragg光栅的应变特性和温度特性进行了测量。测量显示:光纤Bragg光栅的应变灵敏度为0.833 pm/με,温度灵敏度为19.78 pm/℃。得到的结果表明FFTS系统具有高分辨率、大测量范围的特点,可满足光纤Bragg光栅传感器波长解调的需求。     

一种倾角及温度同时测量的光纤传感器

叙述了一种用于倾斜角及温度同时测量的传感器。该传感器由光纤锥和光纤布拉格光栅构成,当传感器倾角发生改变时引起光纤锥的通光损耗改变,通过测量通光损耗的变化而测量倾角,通过测量光纤光栅的反射波长的变化而实现温度测量,此外光纤布拉格光栅还有提高倾角测量灵敏度的作用。     

光纤光栅空分光复用传感系统的研究

介绍了一种光纤光栅空分复用传感系统,并将光纤光栅的传感特性应用于结构健康检测系统中。宽带光源发出的光波进入光栅阵列时,利用光开关选通不同光路实现FBG空分复用传感系统。系统采用等腰三角形悬臂梁调谐装置对FBG进行挠度加载,利用非平衡M-Z干涉技术对传感信息进行解调,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,从而得到被测应变的大小,成功地实现了空分复用传感。该系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点,其传感分辨率为7.3 nε,灵敏度的实验值为0.82°/με。     

基于平膜片和悬臂梁的光纤光栅压力响应特性研究

提出一种基于平膜片和等强度悬臂梁的组合式光纤光栅压力传感结构,应用材料力学和耦合模原理,分析得出了粘贴在悬臂梁上的双光纤光栅的中心波长偏移量与外界均匀压力成正比的结论,并应用软件仿真模拟了基模谐振波长的压力漂移特性。结果表明:布拉格谐振波长随压力线性增长,双光栅的组合使用,提高了测量灵敏度,解决了温度交叉敏感问题,这一结论对光纤光栅的生产和应用有一定的指导作用。     

SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF STRAIN AND TEMPERATURE WITH POLARIZATION MAINTAINING FIBER BRAGG GRATING LOOP MIRROR

□ A novel simultaneous method of strain and temperature measurement based on a polarization maintaining fiber Bragg grating loop mirror is proposed and demonstrated. The sensing head was composed of a fiber loop mirror and a section of fiber Bragg grating made of a polarization maintaining fiber. The Bragg wavelengths of the fiber grating in the polarization maintaining fiber were along slow and fast axis showing different sensitivities to strain and temperature with the interferometric peak wavelength of the fiber loop mirror. By monitoring the shifts of the Bragg wavelength and interferometric peak of the fiber loop mirror, with its temperature sensitivity of 0.1167 nm/°C and strain sensitivity of 0.0093 nm/μ?, a temperature measurement resolution about 0.009°C and a strain measurement resolution of 1.08 μ? was achieved theoretically and experimentally.     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

倾斜光纤光栅周期对其透射谱的影响

倾斜光纤光栅作为一种特殊结构的光纤光栅,近年来受到了研究人员的广泛关注。基于模式耦合理论,仿真研究了光栅周期对倾斜光纤光栅透射谱的影响规律。研究结果表明,纤芯导模与包层模的波长差和光栅周期之间存在良好的线性关系。利用这一结论可提高倾斜光纤光栅在应变测量中的灵敏度和检测精度,且能够实现单光纤多测量的目的。     

Improved low concentration gas detection system based on intracavity fiber laser

The improvement of a low concentration gas detection system based on the intracavity fiber laser is proposed in this paper. The sensitivity of the system is deduced based on Lambert-Beer law. The optimized system was established with the gas cell made elaborately. In order to apply the wavelength sweeping technique, the fiber Bragg grating reflector was substituted by the wavelength independent Faraday rotation reflector. The sensitivity of the system for acetylene detection is reduced to less than 100 ppm by using the average of three absorption spectra. The acetylene detection coefficients of variation with different concentrations are measured. The gas measurement system is validated to detect low concentration gas effectively.