基于腐蚀型多模光纤的干涉型传感器实现温度和液位同时测量

提出了一种新颖的基于腐蚀型多模光纤(MMF)级联 的干涉型光纤传感器。在芯径为50μm的MMF1左侧熔接一段被腐蚀的芯径为105μm的大芯径MMF2构成传感区域。 实验中,MMF2的包 层采用HF溶液腐蚀的方法去除。由于纤芯失配,两段MMF内部均产生多种纤 芯模式,它们 之间相互干涉,随之产生一系列具有不同灵敏特性的干涉峰。利用干涉谱中不同波谷对温度 和液位的灵敏 度差异,实现对温度和液位的同时测量。测得3个波谷的温度灵敏度分别为0.066nm/℃、0.139nm/℃和 0.031nm/℃;通过对水和盐水的液位进行实验对比发现,传感器对盐水的液 位灵敏度较高,测得液位灵敏 度最高可达－1.251nm/mm。实验表明,本文传感系统成本低、结构 简单,可用于温度和液位的同时测量,在石油开采、生物制药等方面具有潜在的应用价值。     

一种多模-细芯-多模结构的干涉型光纤传感器

设计并制作了一种基于马赫-曾德干涉仪(Mach -Zehnder interferometer,MZI)原理的温度与压力同 时测量的光纤传感器,该传感器采用多模-细芯-多模(Multimode fiber -Thin core fib er- Multimode fiber,MTM)结构,其原理是,当多模光纤(Multimode fiber,MMF)中的光到达第 1个熔接点时 一部分进入细芯光纤(Thin core fiber,TCF)的纤芯,激发起纤芯模;另一部分进入TCF的 包层,激发起 包层模。当这两部分光到达第2个熔接点处时,TCF纤芯中的光进入MMF的纤芯,TCF包层中 的光一部分进入 到MMF的包层,另一部分进入MMF的纤芯,与纤芯模式发生干涉。外界环境如温度、压力等发 生改变时干涉 谱将随之漂移,因此可以通过观察光谱中干涉谷的漂移来测量外界温度、压力的变化。当温 度变化范围为 30℃时,实验测得Dip1、Dip2的温度 灵敏度分别为0.042nm/℃、0.051nm/℃。当 压力变化范围为 0N－9.8N时,实验测得Dip1、Dip2的压力灵敏度分别为－0.240nm/N、－0.524nm/N。由于 Dip1和Dip2对温度 和压力的灵敏度分别不同,因此可以利用矩阵实现对温度和压力的同时测量。该传感器制造 简单精巧,成本较低,具有一定的研究以及应用价值。     

锥-单模光纤-细芯光纤-球结构的复合干涉型传感器温度特性研究

随着传感技术的发展,传感器的应用领域变得更加 广阔。许多场合需要高精度的温度传感器,干涉型光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰等 优点,受到广泛关注。因此,基于复合干涉原理,设计了一种基于锥-单模光 纤-细芯光纤-球结构的传感器。该传感 器是在由单模光纤制作的锥型结构和球型结构之间,插入相同长度的单模光纤和细芯光纤制 成的,在单模光纤与细芯光纤的熔接处,以及细芯光纤和球型结构的熔接处皆发生干涉。当 温度变化时,光纤纤芯模式和包层模式的相位差发生改变,从而使透射谱中的干涉谷发生漂 移。通过测量干涉谷的漂移量,便可得到温度变化量,实现温度传感。对 传感器温度特性进行研究,当温度从30 ℃变化到75 ℃时,透射谱中的两个干涉谷分别向长波长漂移了 1.5 nm和3.75 nm,灵敏度分别为0.033 nm/℃和0.083 nm/℃。本文提出的传感结构体积小 、制作简便、成本低且两个谷的温度灵敏度较高,可望应用在双参量或多参量测量的场合。     

在光纤拼接处刻写长周期光纤光栅及其传感应用

在"单模光纤-细芯光纤"拼接处刻写了Type II型长周期光纤光栅,构成一种高温光纤传感器。该传感器实际由2段不同的长周期光纤光栅级联构成,在第二个光栅形成了Mach-Zehnder干涉,因此,传感器透射谱由长周期光纤光栅与Mach-Zehnder干涉仪共同作用形成。利用传感器的透射谱与环境温度的线性变化关系,进行环境温度测量。实验中选取传感器透射谱的2个谐振峰波谷dip 1和dip 2来测量外部温度变化。实验结果表明:在300℃~800℃高温测量范围中,波谷dip 1处温度灵敏度为103.4 pm/℃,波谷dip 2处温度灵敏度为121.8 pm/℃,测量最高温度可达到800℃。该传感器制作简单易重复、灵敏度高、线性度好、成本低,在高温传感领域有一定的应用价值。     

基于CO2激光熔融塌陷的PCF Mach-Zehnder干涉仪折射率传感特性

基于CO2激光熔融技术与模间干涉原理,提出一种CO2激光熔融塌陷型光子晶体光纤(PCF)Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。在一段较短的PCF上,通过采用CO2激光熔融烧蚀改变PCF包层空气孔结构,由包层模和纤芯模的干涉构成MZI。整个PCF传感器塌陷区长为419.01μm,塌陷区最细处直径为58.69μm,干涉条纹对比度可达10.6dB,并研究了其温度传感特性以及折射率传感特性。将制备完成的传感器分别置于温度控制箱和不同折射率的甘油水溶液中,两端分别连接至ASE宽带光源(1 520~1 610nm)和光谱仪(OSA)上,光源输出功率为16dBm,测量其传输光谱。实验结果表明,在30~70℃温度范围内,测得其温度灵敏度仅为0.005 1nm/℃;1.352 5~1.413 4折射率范围内,测得其折射率灵敏度为33.388 4nm/RIU。     

细芯光纤M-Z干涉传感器多参数测量研究

实验制备了基于细芯光纤(TCF)的马赫-曾德尔干 涉仪(MZI)并进行了多参数测量传感研究。 传感器采用两段单模光纤(SMF)进行腰椎放大连接细芯光纤,形成MZI结构。利用TCF与SMF 的纤芯直径不匹配,在第1个接点激发出包层模式,包层模在第2个接点耦合进纤芯与纤芯 模产生 干涉,利用干涉条纹的波长漂移实现对外界环境参量的测量。实验所用的TCF纤芯的掺Ge浓 度较高(约为38mol.%),相对折射率和热光系数较普通SMF大,所以在保证 适当的自由光谱范围(FSR) 的前提下,TCF的长可以减小到2mm,传感头尺寸较小,且传感结构对于温度的变化十分 敏感。 实验结果表明,在30～250℃的温度范围内,其温度灵敏度为70.2pm/℃,并具有较好的线 性响应度。测试了传感器对折射率、应变和弯曲的响应,获得的灵敏度分别为－8. 12nm/RIU、1.8pm/με和2.07nm/m－1。     

基于光子晶体光纤和单模光纤错芯结构的光纤传感器

制作了一种基于光子晶体光纤(PCF)和单模光纤( SMF)错芯结构的全光纤传感器。实验中,采用5cm的PCF,将其两端分别与SMF错芯熔接,制 成传感单元。第1个错芯结构将宽带光源的光分别耦合到PCF的纤芯和包层中,纤芯模式和包 层模式经过一定传输距离后进行SMF的纤芯,满足相位条件的发生干涉。在光谱仪(OSA)中观 测其干涉谱。当外界温度、折射率变化时,观测干涉峰位置的改变可实现对温度和折射 率的传感。实验结果显示,本文光纤传感器对温度的灵敏度为－8×10－3 nm/℃,对折射率的灵敏度为102nm/RIU。 对PCF填充乙醇后,制成相同结构的传感器,温度灵敏度达到－1.008nm/℃,提高了123倍。本文传感器制作简单,操作方便,能够广泛 应用于生物和物理传感领域。     

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。     

温度不敏感的少模光纤应变传感

为了解决光纤传感器中普遍存在的温度和应变交叉敏感问题,基于少模光纤的模间干涉原理,研究了LP01和LP02模式干涉的应变和温度传感特性,详细分析了模间干涉传感的相位灵敏度理论。结合少模光纤的数值仿真结果,设计了一种温度不敏感的应变传感少模光纤,其纤芯直径为15.1μm,在1550nm下纤芯折射率为1.4512,包层折射率为1.444。搭建了实验系统来研究少模光纤温度和应变传感特性,结果表明:理论计算能够较好地预测实验结果;少模光纤在0~600μm范围内,应变的相位灵敏度为0.0196rad/μm,在30~330℃范围内,对温度不敏感,可有效改善温度和应变的交叉敏感问题。     

一种基于马赫-曾德尔干涉仪的折射率和温度同时测量传感器

设计制作了一种基于马赫-曾德干涉结构的传感器用于折射率和温度的同时测量,传感器的结构为单模-多模-细芯-多模-单模。利用RSoft光学仿真软件的BeamPROP模块对传感结构内部光场进行模拟分析,确定了多模光纤(multi-mode fiber, MMF)及细芯光纤(thin core fiber, TCF)的最优长度,制作了传感结构并搭建实验系统观测其折射率和温度响应情况,结合敏感矩阵,实现了双参量的同时测量。实验结果表明,该传感器在1.333—1.380的折射率范围内灵敏度为-44.944 nm/RIU,在30—65℃的温度范围内灵敏度为0.082 9 nm/℃。本文提出的传感器结构简单、体积小、灵敏度高,可以为折射率和温度双参量传感设计提供参考。     

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。     

基于七芯光纤的迈克尔逊干涉型光纤温度传感器

为了实现对环境温度的精确测量,提出了一种基于七芯光纤(seven-core fiber, SCF)的迈克尔逊干涉型温度传感器。该传感器由单模光纤(single mode fiber, SMF)和SCF熔锥构成,当光由SMF进入SCF时,由于光纤直径的急剧变小,在光纤细锥区域会激发出SCF中的高阶模,这些高阶模与纤芯基模经SCF端面反射后,再次回到细锥区域时发生干涉,并经由SMF输出。制作了不同长度SCF的传感器样品,并分别进行了温度传感实验研究。温度响应实验结果表明,在20—160℃温度范围内,长度为47 mm的传感器的温度灵敏度为0.127 4 nm/℃,拟合线性系数为0.998 3,温度测量分辨率为0.007 8℃,稳定性实验测得传感器的测量标准偏差为0.289 6℃。该温度传感器结构紧凑、易于制作、成本低廉、灵敏度高且测量范围大,在温度监测领域具有一定的应用潜力。     

空芯光纤多模干涉型光纤液位传感技术研究

为了测量液位高度变化,采用基于空芯光纤多模干涉效应的方法,研究了在外界介质影响下光源在空芯光纤中多模干涉所产生的干涉谱的变化,进行了基于空芯光纤中多模干涉效应的液位传感实验,研究了该液位传感器的干涉谱与液位变化的关系以及不同折射率液体对测量结果的影响,并分析了实验误差。结果表明,该光纤液位传感器的液位测量范围为0mm~55mm、液体折射率为1.33和1.35时,液位测量灵敏度分别为0.180nm/mm和0.224nm/mm。使用单模-空芯-单模结构的传感器进行液位变化测量是较为精准与可行的。     

一种全光纤拼接结构的MZI液位温度传感器

本文设计并制作了一种基于光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)的光纤液位温度传感器。该结构是由熔接在单模光纤(single-mode fibers, SMFs)之间的一段无芯光纤(no-core fiber, NCF)和一段多模光纤(multi-mode fiber, MMF)拼接而成。由于周围环境液位和温度的变化会导致干涉仪传输光模式改变,进而引起干涉光谱条纹移动。通过检测干涉光谱的两个谷值波长的漂移情况,便可获得液位和温度响应的灵敏度,利用灵敏度系数矩阵可实现对液位和温度的同时测量。研究表明,当液位升高时,干涉光谱发生红移;在0—36 mm液位变化范围内,其最大液位响应灵敏度为208.38pm/mm。当温度升高时,干涉光谱依然保持红移现象;在30—70℃温度变化范围内,其最大温度响应灵敏度为29.67 pm/℃。该传感器结构具有灵敏度高、测量范围大、制造简单、成本低以及液位温度同时测量等优点,在传感领域具有应用潜力。     

细芯锥形光纤构成的温度与折射率同时测量传感器

在工程实际中,具有多参量同时测量功能的光纤传感器有很大的市场需求。为了实现多参量的同时测量,提出了一种“单模—无芯—细芯—无芯—单模”光纤熔接与拉锥的马赫-泽德尔干涉仪传感器。细芯光纤作为传感器的主要传感元件,利用多功能光纤熔接拉锥机对细芯光纤进行了精准拉锥,提高了传感器对环境温度与折射率的敏感度。研究了传感器对环境温度与折射率的传感特性,利用传感器透射谱中2个谐振峰波谷的温度和折射率灵敏度,构建测量矩阵,消除了交叉敏感,完成了温度与折射率的同时测量。实验结果表明：传感器透射谱谐振峰波谷的中心波长随温度变化、折射率变化均有很好的线性关系,最大温度灵敏度达到33.63 pm/℃,最大折射率灵敏度为-135 nm/RIU。该传感器尺寸小、集成度高、结构简单、制作容易、灵敏度高,在工业、国防、民用等领域有一定的应用价值。     

基于侧边抛磨多模光纤的高灵敏度折射率传感器

提出一种可于生物传感的侧边抛磨多模光纤(SPMMF)折射率传感器。针对1.300~1.430折射率范围传感特性,研究了纤芯直径50.0、62.5和105.0μm的多模光纤(MMF)侧边抛磨不同深度时SPMMF折射率传感器的光谱特性和光功率传输特性。结果表明,在1.300~1.430折射率范围内,光纤纤芯直径和剩余半径(抛磨面到纤芯中心的距离)越小,传感器灵敏度越高;纤芯直径为50.0μm、剩余半径为0μm时,可以获得最高达42.23dB/RIU的灵敏度,最小分辨率为2.37×10-5RIU;纤芯直径为105.0μm、剩余半径30μm时,SPMMF折射率传感器仍有10-5 RIU量级的分辨率。     

用于测量折射率的光纤迈克尔逊干涉型传感器

提出了一种基于单模光纤-四芯光纤-薄芯光纤(SMF-FCF-TCF)迈克尔逊干涉结构的折射率传感器。采用直接熔接的方式将各光纤进行熔接,由于各光纤之间纤芯的直径不匹配,因此在光纤的熔接处会发生光的激发和耦合。薄芯光纤端面涂覆有一层银面反射膜并用紫外固化胶进行保护来增强光在端面的反射率。四芯光纤作为传感结构中的耦合器,激发了更多的光进入薄芯光纤的包层中,提升了传感器的灵敏度。对传感器的折射率和温度传感特性分别进行了实验探究,实验结果表明,在折射率1.3333~1.3794范围内的灵敏度为137.317 nm/RIU,线性度为0.999,并且温度对传感器的影响较小。该传感结构熔接方式简单,在折射率测量领域具有一定的应用前景。     

蓝宝石光纤法布里-珀罗高温传感的实验研究

进行了基于蓝宝石光纤及晶片的光纤法布里- 珀罗(F-P)高温传感器研究。理论仿真分析了传感器温度传感灵敏度及干涉光谱信号质量 随蓝宝石晶片厚度 变化趋势。结果表明,在信噪比(SNR)为30〖J P ＋2〗dB、晶片厚为75μm时,可避免干涉光谱信号波峰干涉级次跳 变问题, 同时获得3.114nm/℃(1080℃)的温度传感 灵敏度。建立了高温传感器系统,并基于干涉光谱相位分析算法 进行解调,实现了130～1080℃测温范围,测 温误差小于±2.45℃, 1080℃下温度传感灵敏度测试值为2. 973nm/℃,与理论温度传感灵敏度基本吻合。     

全光纤马赫-曾德干涉型高精度油罐液位传感器

提出一种用于油罐液位测量的高精度全光纤马赫-曾德干涉型液位传感器及其频谱解调法。基于全反射原理,传感器透射谱条纹对比度随传感光纤周围油液位升高明显下降,油液位变化45mm,干涉条纹对比度最大变化约8dB。通过快速傅立叶变换分析滤除零频分量的透射谱发现,特定频率分量随液位升高线性下降。实验结果表明,传感光纤90mm时,灵敏度311/mm,分辨率3μm。该油液液位传感器温度串扰小,在25°C 到95°C范围内,被测液位误差小于0.14%。     

腰椎放大细芯光纤传感器实现折射率/温度同时测量的研究

根据马赫-曾德尔干涉(MZI)原理,在两段标准单模光纤(SMF)中间腰椎放大熔接长为2cm 的细芯SMF (TCSMF),构成光纤传感器。利用TCSMF的包层模、纤芯模对折射率和温度的灵敏度差异, 通过检测透 射光谱中不同级次的干涉谷的特征波长变化,结合敏感矩阵实现对折射率/温度的双参数同 时测量。实验选取 在1502.54nm波长处干涉谷的折射率和温度的 灵敏度分别为270.5171nm/RIU(其中RIU为折射率单位)和19.3 pm/℃;在1521.64nm波长处干涉谷的折射率灵 敏度为239.510nm/RIU,对温度不敏感。根据 0.01nm波长分 辨率的光谱仪(OSA),本文光纤传感器对折射率和温度的分辨率分别为3.6966×10－5 RIU 和0.518℃,也可以应用于其他参数的 测量,具有良好的应用和发展前景。