基于光纤Bragg光栅的微生物生长过程检测研究

理论分析光纤Bragg光栅(FBG)生物传感器的折射率与温度传感原理.设计并制作一个单端腐蚀的FBG传感器同时测量折射率与温度,利用数值计算消除温度变化对生物传感器的影响.实验结果表明,消除温度影响的传感Bragg波长的变化量随酵母菌培养时间的增大而增大,在0～10 h酵母菌处于生长繁殖的缓慢期,其酵母菌数量少,浓度低...     

基于FBG的铅酸蓄电池铅离子浓度检测传感器研究

根据光纤Bragg光栅(FBG)折射率的传感原理,将电解液的折射率变化与电解液浓度测量联系起来,而电解液浓度变化主要由铅离子的变化引起,通过测量铅酸蓄电池内电解液的浓度就可测得铅离子浓度的变化.本文采用腐蚀FBG方法制作单端光栅折射率铅离子浓度传感器,用于测量铅酸蓄电池中铅离子浓度变化.实验表明:该传感器输出的信号与电池内铅离子浓度的变化存在一定的函数关系,与理论分析一致.从而证明单端腐蚀光纤Bragg光栅(FBG)是测量铅酸蓄电池内铅离子浓度的有效方法.     

基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器

基于多模干涉效应的单模-多模-单模(SMS)结构光纤折射率传感器通常需要进行包层腐蚀来提高灵敏度,而且易受环境温度影响。为克服SMS结构的这些不足,提出了一种新型的基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器,由单模光纤-色散补偿光纤-单模光纤(SMF-DCF-SMF)级联光纤布拉格光栅(FBG)构成,长度不超过100mm。对其灵敏度、线性范围和温度特性等进行了测试,实验结果显示在测量折射率为1.33～1.39的折射率液时,特征波长与折射率呈线性关系,灵敏度为232.8nm,级联的FBG具有良好的温度校准功能。     

倏逝波光纤布拉格光栅归一化反射率特性研究

基于光波导理论与光纤布拉格光栅（FBG）的模式耦合理论,对倏逝波FBG传感器的能量衰减特性进行了分析研究。最后得到了FBG的归一化反射率的表达式,它是外部介质折射率（SRI）和FBG纤芯直径的函数。理论仿真显示FBG归一化反射率会随着SRI增大和FBG腐蚀程度的加深而减小,呈非线性关系。实验结果也证明增大SRI（小于包层介质折射率）或者增大FBG的腐蚀程度都会使光纤纤芯中的传输能量减小,增强倏逝波与外部媒介的相互作用,从而增加传感器的灵敏度。     

高斯变迹FBG在非均匀介质下的数值响应特性研究

基于光波导理论和传输矩阵法,研究光纤包层被完全腐蚀后的高斯变迹光纤布拉格光栅(FBG)在非均匀外部介质环境下的反射谱特性.仿真过程中,分别考虑高折射率区(1.43～1.45)和低折射率区(1.33～1.36)两种情况,同时假设该非均匀外部介质折射率(SRI)呈不同的线性函数分布.仿真结果表明,高斯变迹FBG的谱带宽、谱强度特性与SRI沿光栅轴向的线性分布梯度密切相关.随着SRI梯度增加,反射谱的3 dB带宽也逐渐增加,此时高、低折射率区的梯度灵敏度分别为3.775×103 nm·mm/riu和3.72×103 nm·mm/riu.研究结果对高斯变迹FBG用于生化传感领域的非均匀介质测量具有一定意义.     

基于高阶模干涉的光纤应变传感器

介绍一种利用光纤内的高阶模干涉原理实现对应变测量的新型光纤应变传感器.在采用相同光纤的条件下,该应变传感器具有与光纤布拉格光栅(FBG)相反符号的应变系数,其温度灵敏度与FBG传感器相同,而应变灵敏度约为FBG传感器的2倍,非常适合与FBG结合实现应变与温度的同时测量,并具有结构简单、制作方便和成本低等特点.     

光纤布喇格光栅铅酸蓄电池容量检测传感器研究

根据光纤布喇格光栅(FBG)折射率传感原理,提出使用腐蚀的FBG制作成的相移光栅折射率传感器测量铅酸蓄电池剩余容量的方案.将电解液的折射率变化与电解液浓度测量联系起来,而电解液浓度又与铅酸蓄电池容量有一一对应的函数关系,从而通过测量铅酸蓄电池电解液浓度就可知蓄电池的容量状态.此法能很好地实现铅酸蓄电池容量的在线测量.该传感器具有测量准确,反应灵敏,使用寿命长等优点.     

新颖的光纤光栅温度压力同时区分测量传感器

提出了一种基于圆柱形容器和活塞结合的双光纤Bragg光栅(FBG)温度和压力同时区分测量的传感模型.将FBG 1和FBG 2粘结在基底材料上,基底材料固定在活塞和圆柱形底部间,圆柱形容器内压力和温度的变化将引起FBG 1波长的变化,圆柱形容器内温度的变化引起FBG 2波长的变化,通过2根光栅的波长漂移来进行温度和压力的区分测量.实验测得该传感器的压力响应灵敏度系数为0.822 3 nm/MPa,温度响应灵敏度系数为0.032 2 nm/℃,分别是裸FBG的274倍和3.2倍.该传感器可以实现10 MPa压力以下、-20～100 ℃温度的液体和气体的高精度同时测量;可以改变基底材料的种类或基底材料和活塞的参数,实现不同灵敏度要求的温度、压力同时测量.     

增敏型级联双参量测量的光纤传感器北大核心CSCD

旨在有效解决液体折射率检测中温度和折射率交叉敏感的问题,研制了一种增敏型光纤光栅(FBG)级联马赫-曾德尔(M-Z)结构的温度、折射率双参量测量的光纤传感器。通过多次熔接实验,调节相应参数将单模光纤(SMF)和薄芯光纤(TCF)进行拉锥熔接;然后在TCF的另一端熔接无心光纤(NCF),制备出M-Z光纤干涉仪;再在NCF末端级联上铝制毛细管增敏封装后的光纤光栅(FBG),最终完成双参量测量的光纤传感器的制备。根据M-Z干涉原理及FBG模式理论,计算了增敏FBG理论的温度灵敏度,给出了传感器的灵敏度系数矩阵与温度、折射率与透射谱的波长漂移量的理论公式。搭建了温度、折射率传感测试系统,实验结果表明:在15~85℃温度范围内,随着温度增加,该传感器的透射谱逐渐红移,封装后的FBG和M-Z结构的温度与波长偏移量线性相关系数分别为0.96323和0.91577,温度灵敏度分别为33.71 pm/℃和11.58 pm/℃;在室温下(25℃),液体折射率在1.333RIU~1.34235RIU范围内,随着折射率增加,FBG透射谱不发生偏移,M-Z透射谱逐渐蓝移,折射率与波长偏移量线性相关系数分别为0和0.98761,折射率灵敏度分别为0 nm/RIU和-493.51322 nm/RIU。该传感器可以有效提高温度、折射率的检测精度和灵敏度,可应用于环境、生物、石油化工和食品生产等领域。     

基于双光纤光栅温度压力同时区分测量的研究

提出了一种基于薄壁圆柱壳体的压力温度同时区分测量的光纤Bragg光栅(FBG)传感器结构。将双FBG沿着轴向分别粘贴在壁厚度不均匀的柱体外表面,由于两个FBG受到温度影响而引起的波长漂移量是相同的,这时两光栅Bragg波长漂移量之差就完全取决于压力,从而实现对压力温度的区分测量。实验测得,在0～7MPa内传感器的压力响应灵敏度为0.073nm/MPa,在22.6～112.6℃内的温度灵敏度为0.037nm/℃,分别是裸FBG的24倍和3.7倍。结果也表明,这种传感器具有良好的线性度与可重复性。     

基于多模干涉和长周期光纤光栅的温度及折射率同时测量

基于多模干涉理论和长周期光纤光栅(LPFG)的传感特性,提出了一种单模-多模-单模(SMS)结构与LPFG级联的光纤传感器,实现了温度和折射率的同时测量。实验结果表明,SMS结构的干涉谱和LPFG对温度和折射率具有不同响应灵敏度,其温度灵敏度分别为0.017nm/℃和0.060nm/℃;SMS结构对折射率不敏感,而LPFG的折射率灵敏度为-35.60nm/RIU(RIU为折射率单位)。因此利用敏感矩阵,实现对温度和折射率的同时测量,得到温度和折射率的最大测量误差分别为±0.59℃和±0.0013。该结构灵敏度高、结构简单,且不易受电磁等干扰。实验结果具有良好的线性度,在生物化学领域应用前景良好。     

Study on the sensing characteristics of a local micro-structured long period fiber grating

A simple and effective method employing a local micro-structured long period fiber grating （LMS-LPFG） for the simultaneous measurement of temperature and refractive index is proposed and investigated experimentally. The LMS-LPFG is formed by using the partial etching technique with hydrofluoric （HF） acid in a standard LPFG, in which there are discontinuities in the effective refractive index of cladding modes. Similar to the phase shift theory, a narrow passband and two stopbands are formed. The temperature and the surrounding refractive index （SRI） characteristics of the two stopbands and passband are studied. The temperature sensitivities of the two stopbands and passband are 0.05 nm/℃ approximately. The SRI sensitivity ofpassband （-61.56 nm/RIU） is bigger than that of the two stopbands （-35.62 nm/RIU）. Thus, with the sensitive matrix, we can simultaneously measure the changes of temperature and refractive index.     

腐蚀型FBG在非均匀液相介质下的数值响应特性

基于光波导理论和传输矩阵法,研究了光纤Bragg光栅(FBG)折射率传感器在非均匀液相介质下的响应特性。在数值计算中,分别考虑高折射率区(1.42～包层折射率)和低折射率区(1.33～1.36)两种情况,并假设非均匀液相介质的折射率分布为线性函数,仿真结果表明,FBG的反射谱特性强烈依赖于介质折射率分布函数的某些特征参数,比如折射率沿FBG轴向的分布梯度、折射率在FBG两端的差值。研究结果对FBG折射率传感器在生化传感中的应用具有一定意义。     

采用聚酰胺酸层的高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器

设计并论证了一种高灵敏度的长周期光纤光栅（LPG）温度传感器。将LPG的包层腐蚀,封装进金属外壳使LPG保持恒定拉力,再密封进盛满聚酰胺酸（PAA）的试管中,其中聚酰胺酸热光系数较大,作为感温材料。测试并讨论了使用不同折射率的聚酰胺酸与不同包层直径的LPG时,LPG共振波长随温度变化的漂移。结果显示,对于一个直径已知的特定LPG,当使用较大折射率的聚酰胺酸时,LPG温度传感器的灵敏度变高。对于使用相同折射率聚酰胺酸的LPG,随着LPG的包层直径减小,LPG温度传感器的灵敏度变高。实验制作的LPG温度传感器的灵敏度为1.26 nm/℃,约为普通LPG制作的传感器的10倍,以及普通FBG制作的传感器的100倍。这种新传感器在2~35℃线性度为99.80%,这提高了传感器的潜在应用,特别是在生物医学检测,海洋监测等这些温度范围接近室温的领域。     

应用在油气管线的光纤光栅温度压力传感系统

为了提高光纤光栅的温度和压力灵敏度系数以满足实用化对灵敏度精度的要求,对光纤光栅进行封装设计。得到封装后的光纤光栅温度和压力灵敏度系数分别为0.052nm/℃和0.8208nm/MPa,分别为裸光栅的5倍和273倍,且传感器的温度和压力响应与光栅反射波长成良好的线性关系。通过半个月的油气管线现场实验,测得光纤光栅温度压力传感器与油气管线的电类传感器的测量值符合得特别好,该温度和压力传感系统满足了温度和压力的实时测量。     

基于空芯光子晶体光纤的F-P干涉式折射率计

提出了一种基于空芯光子晶体光纤(HCPCF)的Fabry-Perot(F-P)干涉式高灵敏度折射率计。利用被测液体进入F-P腔后可改变腔内介质的折射率,从而使得干涉光光程差发生变化这一特点,通过检测光程差的变化就可实现对液体折射率的测量。实验结果表明,对折射率在1.3340～1.3612内变化的不同浓度酒精溶液测量时,光程差变化了9.508μm,其折射率测量灵敏度可达187μm/RI     

Study of the characteristics of concentration sensing based on FBG Fabry-Perot cavity

Fiber Bragg grating Fabry-Perot (FBG F-P) cavity is used as the sensing model to measure the refractive index of the liquid solution. The cladding of the fiber, which is used as the F-P cavity, is etched by HF solution to enhance the sensitivity to the external refractive index. The experimental results show that with the concentration change of the external solution, the effective refractive index of etched fiber will change, thus the spectra of FBG F-P cavity will appear a spilt point. The relationship be...     

基于Lyot滤波器和长周期光纤光栅的温度与应变的同时测量

提出了一种基于光纤干涉原理的同时测量温度和应变的传感器,通过在Lyot滤波器(LFF)中熔接一段长周期光纤光栅(LPFG)构成。其中LFF由在起偏器(PL1)和检偏器(PL2)中嵌入一段保偏光纤(PMF)构成。实验结果表明,LFF的干涉谱和LPFG的谐振峰对温度和应变有不同的响应灵敏度,因此可利用敏感矩阵实现对温度和应变的同时测量。实验测得LFF和LPFG的温度灵敏度分别为-1.3173nm/℃和0.0604nm/℃,应变灵敏度分别为-0.0185nm/με和-0.0004nm/με。温度和应变的测量精度分别为±1℃和±25με。该系统采用线性结构,结构简单、易于实现,具有较高的灵敏度和稳定性,同时测量结果具有良好的线性度。