基于PI湿敏薄膜的分布式光纤Bragg光栅湿度传感器

研究了基于聚酰亚胺（PI）湿敏薄膜的分布式光纤Bragg光栅（FBG）湿度传感器。传感器利用PI薄膜湿膨胀效应,将湿应变作用于Bragg栅区,从而改变光纤FBG湿度传感器中心波长的原理,实现了对26-98％RH范围内环境相对湿度的监测。通过改进PI湿敏薄膜的制备及涂覆工艺,有效提高了FBG湿度传感器性能,并采取了相应温...     

基于氧化石墨烯-聚乙烯醇薄膜的光纤光栅湿度传感器

为提高光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)对环境湿度的敏感性,本文提出将氧化石墨烯-聚乙烯醇溶液涂覆在FBG上进行湿度增敏。首先对传感器的湿度响应进行了理论研究,然后使用提拉镀膜法制作了传感器样品,实验讨论了湿敏溶液的混合比例和薄膜厚度对湿度灵敏度的影响。进一步的实验研究结果表明:当氧化石墨烯和聚乙烯醇溶液的混合比例为9∶1,涂覆 厚度为89 μm时,在相对湿度 50%—60%RH(relative humidity)的 湿度范围内,传感器的湿度灵敏度为2.3 pm/%RH;在60%—70%RH的 湿度范围内,传感器的湿度灵敏度为7.7 pm/%RH;在70%—80% RH的湿度范围内,湿度灵敏度为47.2 pm/%RH。传感器的温度灵敏度为13.2 pm/℃,湿度测量的不稳定性为0.064 7% RH,响应和 恢复时间分别为0.84 s和11.46 s。该传感器制作简便、湿度灵敏度高、稳定性好,具有较大的应用潜力。     

光纤多参数传感器研究

基于光纤Bragg光栅(FBG)检测原理,研发了适用于地下空间安全监测应用的光纤风速、温度、湿度等多参数传感器。光纤风速传感器基于激光致热光纤热线式流量检测原理,对于低风速有较高的灵敏度,风速从0变化到0.5 m/s时,FBG波长变化量为800 pm,采用解调精度为1 pm的光纤光栅解调仪,风速分辨率为0.7 mm/s。光纤湿度传感器通过在FBG光栅表面均匀涂覆湿度敏感的聚酰亚胺溶液,湿度变化导致光纤应变变化进而实现湿度测量。对新型光纤光栅温湿度传感器的性能参数进行测试,实验测试结果显示,传感器监测灵敏度为4.2pm/%RH,检测精度小于±3%RH。     

基于聚酰亚胺的FBG湿度传感特性及细观特征研究

实现了一种采用聚酰亚胺(PI)薄膜材料涂敷的光 纤布拉格光栅(FBG)湿度传感器,并研究了其表面涂覆结构、湿度传感特性、稳定性及迟滞 特性。采用新的PI溶液的制备工艺,提出了一种增强PI溶液与光纤栅区的耦合方法,并利用 扫描电镜(SEM)确定出4种典型的表面涂覆结构。实验结果表明,当FBG湿度传感器的PI涂覆 厚小于75μm时,湿度特性曲线拟合度大于0.99,标准差 小于0.5;温度特性曲线拟合度大于0.98,标 准差小于0.5;其中,45μm厚的FBG湿度传感 器 湿度灵敏度为7.9pm/%RH,误差度为2.19%, 迟滞性误差为2.6%,稳定时相对湿度波动范围小于0.8%RH。     

FBG嵌入型光纤Sagnac环的窄道空间微流速和温度测量系统

提出了一种光纤布拉格光栅(FBG)嵌入型光纤Sagna c环的窄道空间微流速和温度测量系统,其由传统光纤Sagnac环和嵌入光纤Sagnac环中的FBG 组成。光纤Sagnac环中的保偏光纤(PMF)受到的侧压 力会随着微流体流速的不同而发生变化,通过监测光纤Sagnac输出干涉峰的漂移实现对微 流速的测量。此外,嵌入光纤Sagnac环中的FBG对温度有较高的响应灵敏度,可以实现环 境温度的监测。实 验过程中,用毛细管模拟窄道空间,将光纤Sagnac环中的PMF置于毛细管内部,用 微流泵获得一定范 围的微流速。实验结果表明,当微流体的微流速在0～450μm/min范 围内变化时,光纤Sagnac环输出的干涉谱 向短波方向漂移;由监测波长1522.47544.64nm处的谐振峰可知,测量的微流速平均灵敏 度分别为 5.59pm/(μm/min);实时监测环境温 度的结果表明,在20～45℃范围内,FBG的温 度灵敏度为9.74pm/℃。本文传感器具有测量范围大、灵敏度高、结 构简单和成本低等优点,特别适用于微通道如生物血管等方面。     

基于聚酰亚胺材料的FBG湿度传感特性研究

提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)侧面镀膜感湿的新型全光纤湿度计,选取具有高湿敏特性和线膨胀系数(9.432×10-5%RH)的改性聚酰亚胺(PI)作为湿敏材料。通过在FBG侧面涂覆5种不同厚度的PI薄膜,检测厚度对传感器灵敏度和响应时间的影响,实验结果与理论计算符合很好,通过测试,PI薄膜厚为21μm时,传感器的湿度灵敏度为2.67×10-6/%RH,响应时间小于8s,有很好的实际应用前景。     

基于双光栅级联结构的温度及浓度传感特性测试

研究了长周期光纤光栅（LPFG）级联布拉格光纤光栅（FBG）结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG,且FBG波谷位于1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明:升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度26.36 pm/℃,线性度0.950 8;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-24.55 pm/℃,线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度25.00 pm/℃,线性度0.945 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度为-21.82 pm/℃,线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感,当浓度由3%增至30%时,LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度196.36 pm,线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现温度和浓度的测量。     

一种温度自补偿的高灵敏度FBG双向倾角传感器

为实现对高铁站房空间网架结构变形的监测,并 针对光纤布拉格光栅(FBG)对应钛合金TA2杨氏模量较小等材料特性,本文首次设计了一种 圆弧铰链式FBG双向倾角传感器,同时在此基 础上进行了理论分析、有限元模拟和传感器性能试验。并进行了结果对比与误差分析。 该传感器的敏感结构是双轴圆弧铰链 ,通过将预拉伸后的FBG粘贴在与圆弧铰链相连的上下基座的导纤槽,实现对被监测对象的 倾斜角度双向监测。实验 结果表明,该FBG双向倾角传感器的灵敏度为168.43 pm/deg,有效监 测范围为±15°,在监 测范围内线性相关度可达0.999,同时消除了 温度影响,适用于温度 变化较大且精度要求较高的工作环境,特别是高铁站房顶部网架结构变形的实时监测。     

高灵敏度塑料光纤湿度传感器

为了提高塑料光纤湿度传感器的灵敏度,该文利用商用塑料光纤、聚砜、二氧化锗(GeO₂)和聚酰亚胺构建了一种新型结构的塑料光纤湿度传感器。首先将长度为0.5 m的商用塑料光纤中心部分(长5 cm)包层去除,并弯曲成U形(弯曲半径为2 cm),再将聚砜与GeO₂的混合物涂覆在商用光纤纤芯表面,然后将涂覆聚砜与GeO₂的塑料光纤在70 ℃下干燥10 h,最后涂覆上聚酰亚胺湿敏材料,在60 ℃下干燥后形成塑料光纤湿度传感器。实验研究了不同涂覆对塑料光纤传感器光传输特性及其灵敏度的影响,实验结果表明,在温度40 ℃、相对湿度10%RH~80%RH下,当塑料光纤纤芯直径为900 μm、聚砜与GeO₂涂覆层厚200 μm、聚酰亚胺湿敏膜厚 20 μm时,传感器对湿度的响应灵敏度可达到-0.9 nW/(1%RH),是将20 μm聚酰亚胺湿敏材料涂覆在1 500 μm塑料光纤纤芯表面响应灵敏度的6.9倍。     

基于琼脂薄膜的微型端面光纤F-P湿度传感器

提出了一种基于琼脂薄膜的微型法布里-珀罗(F abry-Perot,F-P)光纤湿度传感器。传感器通过将标准单模光纤插入空 芯玻璃管并在玻璃管端面浸涂琼脂薄膜形成双F-P结构 。当环境相对湿度变化时,琼脂薄膜的体积和 折射率发生改变,从而引起干涉光发生波长偏移。搭建了湿度传感实验系统,对传感器的湿 度传感特性进行了表征,在50%RH—80%RH的相 对湿度范围内实现了高达1.232 nm/%RH的相对湿度测量灵敏度。该传感器尺寸紧凑、成本低、具有较好的线 性 灵敏度,且制备方式简单。     

磁流体包覆薄包层光纤光栅磁场传感研究

利用磁流体替代光纤布喇格光栅(FBG)的部分二氧化硅包层,制作了一种磁流体封装薄包层FBG结构的磁场传感器,研究了传感器对磁场和温度的响应特性。结果表明,在5.0～20.0mT的磁场范围内,传感器的波长灵敏度和功率灵敏度分别为34.9pm/mT和-1.063dBm/mT,波长线性响应度达到了99.2%。封装工艺未改变FBG波长随温度线性变化的特性,但受磁流体磁光效应影响,其温度灵敏度减小到9.2pm/℃。该传感器可实现磁场测量中的温度补偿,方法简单、易于实现。     

基于光纤环镜的温度不敏感相对湿度传感器

提出了一种基于两段相同长度的保偏光纤环镜的温度不敏感相对湿度传感器,其中一段保偏光纤经高浓度的氢氟酸腐蚀后覆以一层湿敏材料聚乙烯醇薄膜用于获得空气的相对湿度,另一段保偏光纤则对传感器的温度进行补偿。该传感器成功实现了对周围环境相对湿度(RH)20%~80%范围内的测量,同时不受外界环境温度的影响。实验表明,该传感器所得数据呈现出良好的线性关系,获得的湿度灵敏度为0.98 nm/%(RH),温度所带来的影响仅为0.0072 nm/℃,达到了消除温度影响的目的。     

双光纤-悬臂梁FBG加速度传感器研究

针对现有悬臂梁FBG加速度传感器光纤表面粘贴会造成FBG受力不均匀,并且无法在温度变化和振动等复杂的环境中工作的问题,提出一种双光纤-悬臂梁结构的FBG加速度传感器。理论分析了结构参数对传感器灵敏度和固有频率的影响,并采用ANSYS有限元分析软件进行了静应力和模态仿真分析,最后搭建了测试系统对传感器进行性能测试。结果表明,加速度传感器的固有频率为84.86Hz,在15~60Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,双光纤在增加传感器的灵敏度的同时有效消除了温度变化的影响,加速度灵敏度为156.70pm/g,线性度为99.38%,刚性梁有效增加了结构的稳定性,在工作频段内的横向串扰为-26.97dB。     

一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅已经成为非常有前景的温度、应力及其它参数测量的传感元件,但其存在温度和应力的交叉敏感问题.提出了一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器,将一个布拉格光纤光栅分成两半,各自具有不同的包层半径,其中一半保持不变,另一半包层半径从62.5m减小到40m.实验结果表明,两半光纤布拉格光栅的温度灵敏度均为10.4 pm/℃,而应力灵敏度分别为1.12 pm/ue 和3.89 pm/ue.初始的单个布拉格反射峰分裂成两个,分别对温度和应力敏感,而两个反射峰之间的波长差只受应力的影响,随着应力的增加其波长差逐渐增加.因此,通过这一个光纤布拉格光栅即可分辨出温度和应力所引起的布拉格波长漂移.该光纤光栅传感器结构简单、体积小巧、成本低廉、制作方便,可以广泛应用在各个领域实现温度和应力的同时测量.     

Optical hydrogen sensor based on etched fiber Bragg grating sputtered with Pd/Ag composite film

A novel fiber optical fiber hydrogen sensor based on etched fiber Bragg grating coated with Pd/Ag composite film is proposed in this paper. Pd/Ag composite films were deposited on the side-face of etched fiber Bragg grating (FBG) as sensing elements by magnetron sputtering process. The atomic ratio of the two metals in Pd/Ag composite film is controlled at Pd:Ag = 76:24. Compared to standard FBG coated with same hydrogen sensitive film, etched FBG can significantly increase the sensor’s sensitivity. When hydrogen concentrations are 4% in volume percentage, the wavelength shifts of FBG-125 μm, FBG-38 μm and FBG-20.6 μm are 8, 23 and 40 pm respectively. The experimental results show the sensor’s hydrogen response is reversible, and the hydrogen sensor has great potential in hydrogen’s measurement.     

低温环境下FBG温度传感特性研究

在低温环境中,光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)材料的热膨胀系数和热光系数会发生改变,从而影响其温度传感特性。文章通过实验研究了裸光纤光栅传感器和黄铜管封装的光纤光栅传感器在低温下的温度传感特性。结果表明,在80~300 K温度范围,裸FBG温度传感器的灵敏度为6.43 pm/K,线性度为0.974,在80~230 K温度范围,温度与光纤光栅的中心波长呈现非线性关系;黄铜管封装的FBG温度传感器,在整个温度范围内灵敏度可达26 pm/K,线性度为0.996,较裸FBG温度传感器均有较大提升。对比实验表明,对光纤光栅进行封装,可以提高其温度灵敏度和线性度,改善温度传感特性。     

基于乙醇灌注边孔光纤的Sagnac干涉型温度传感器

提出并研究了一种基于乙醇灌注边孔光纤(SHF)的Sagnac干涉型温度传感器。边孔光纤是一种高双折射光纤,其包层中纤芯两侧具有两个空气孔。将乙醇填充进边孔光纤的空气孔中,利用乙醇的折射率随温度的变化,改变边孔光纤的双折射系数,使Sagnac干涉仪的输出谱发生波长漂移,从而实现了温度传感。实验获得该传感器在20℃～80℃的温度变化范围内灵敏度为86.8pm/℃,为普通光纤布拉格光栅(FBG)传感器的8倍。     

一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计

设计了一种大量程双弹簧式光纤光栅位错计。选 用弹簧作为位移-力转化元件,使光纤布拉格光栅 (fiber Bragg grating,简称FBG)所在基体发生轴向应变进而得到中心波长变化量。理论分 析了FBG位错 计机械结构与基体之间的位移传递关系,给出了位错计的理论灵敏度系数公式。以位移量为 变化参数,对 FBG位错计进行了标定试验并根据数据进行传感器静态特性分析。结果表明,位错计的双向 线性度分别为 2.445%和2.386%;迟滞性分别为 3.385%和1.237%;灵敏度系数分别为34.93pm/cm和31.20pm/cm。该 FBG位错计结构简单、量程大、精度高、抗电磁干扰且可以实现温度自补偿。可应用于恶劣 以及复杂的地下工程结构长期的相对沉降远程监测。