新型多功能光纤传感器研究及应用

应用了基于马赫曾德干涉机构的新型光纤传感器,其优点为:结构灵巧,易于埋入待测结构内;灵敏度高,能感受到材料内部的微小变化;测量原理简单可靠,信号容易探测.这种传感器将可以检测应变、温度等参量,为工程结构的长期健康监测提供了强有力的保证.本文构建了一套光纤传感器检测系统,通过电测系统对其进行了标定,得到了干涉条纹移动数与应变之间的关系,并用其对典型试件受静态栽荷做了检测,结果与实际相符.此外应用该系统做了温度变化的标定与测量试验,同样结果较好.说明该光纤传感器在工程结构中的应用前景很好.     

基于化学腐蚀法制备的光纤微结构传感器

利用化学腐蚀法对单模光纤(HI-1060)进行端面微加工处理,制作了一种光纤干涉型传感器。将单模光纤一端放置于40%浓度氢氟酸溶液中腐蚀20 min,腐蚀凹槽深度为45μm,制得的传感器条纹对比度为6 d B,波长间隔14 nm。分别设计不同温度及不同折射率的酒精溶液对传感器的温度特性以及折射率特性进行分析研究。实验发现随着温度的增加传感器的谐振波长发生红移,温度灵敏度和线性度为15.3 pm/℃和0.996;随着酒精溶液折射率由1.341 7增加到1.348 3,传感器的谐振波长发生蓝移,折射率灵敏度和线性度为-1 185.7 nm/RIU和0.951。实验结果表明基于化学腐蚀法制作的光纤干涉型传感器对温度以及液体折射率变化均有较高的灵敏度,可用于温度和液体折射率传感测试。     

FBG传感器应变标定方法

为了提高光纤光栅应变传感器测量精度,针对光纤光栅传感器工程应用情况,提出了一种光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,简称FBG)传感器应变特性标定方法。通过理论分析和实验标定了封装式光纤光栅应变传感器的灵敏度系数,对传感器理论与实验灵敏度系数误差进行了分析。实验结果表明,该方法简单、易行,用于光纤光栅传感器使用前的标定,可以提高基于光栅光栅传感器的测量精度和准确性。同时,该方法为光纤光栅传感器的工程推广应用奠定了基础。     

一种新型自混合激光干涉光纤应变传感器

提出了一种新型的光纤应变传感器.它是基于LD自混合干涉原理,作为探头的Fabry-Perot(F-P)腔的两个光纤端面都镀上反射膜.这两个端面的反射光返回到LD后,将在LD谐振腔中产生自混合干涉,干涉条纹数反映了应变的大小.该传感器结构灵巧、灵敏度高,其测量结果与采用反射镜时所得结果完全一致.     

光纤电流传感器的延迟光纤偏振串音误差

为了减小保偏延迟光纤偏振串音对光纤电流传感器测量精度的影响,利用琼斯矩阵研究了全光纤电流传感器的偏振耦合误差。简化了保偏延迟光纤的偏振串音模型,并基于简化模型得出了保偏延迟光纤偏振串音与输出的关系。通过理论仿真分别分析了在常温和变温条件下偏振串音对传感器变比的影响。对比实验结果与理论分析结论,验证了简化的偏振串音模型的合理性和仿真结果的正确性。测量了实际保偏延迟光纤偏振串音的温度特性,结果表明:在延迟光纤存在一定偏振串音时,光纤电流传感器的变比误差随电流的增加而增大;电流一定时,延迟光纤串音越高,光纤电流传感器的变比误差越大。最后,给出了满足光纤电流传感器0.2S级误差要求时延迟光纤偏振串音的允许波动范围。     

基于中心微泡结构的光纤F-P传感器应力特性研究（英文）

硅基材料光纤具有比较小的热膨胀系数,可用来制备具有折射率、应变、应力等敏感特性而温度不敏感特性的传感器件,比如利用光纤F-P传感器可实现高灵敏度的应力传感。本文提出了一种基于化学腐蚀法的低成本、高灵敏光纤F-P传感器件,并分析了其应力传感特性。该方法先利用HF溶液制备凹孔端面光纤,然后采用熔融放电方法制备空心结构的光纤FP传感器,有助于增强光纤器件的应力传感特性和温度不敏感能力。实验结果表明,所设计的F-P传感器其应力变化与光纤F-P传感器干涉谱峰变化呈正比关系,其应力灵敏度可以达到5.2,且成本较低廉,具有一定的应用价值。     

基于中心微泡结构的光纤F-P传感器应力特性研究

硅基材料光纤具有比较小的热膨胀系数,可用来制备具有折射率、应变、应力等敏感特性而温度不敏感特性的传感器件,比如利用光纤F-P传感器可实现高灵敏度的应力传感.本文提出了一种基于化学腐蚀法的低成本、高灵敏光纤F-P传感器件,并分析了其应力传感特性.该方法先利用HF溶液制备凹孔端面光纤,然后采用熔融放电方法制备空心结构的光纤FP传感器,有助于增强光纤器件的应力传感特性和温度不敏感能力.实验结果表明,所设计的F-P传感器其应力变化与光纤F-P传感器干涉谱峰变化呈正比关系,其应力灵敏度可以达到5.2,且成本较低廉,具有一定的应用价值.     

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。     

用于真空环境的光纤光栅温度传感器设计

光纤光栅传感器在航空航天领域有着广阔的应用前景,为了实现在航空航天真空环境下对卫星结构进行温度测量,对光纤光栅进行了特殊封装结构设计,在准确采集温度数据的同时,排除了结构应变对测量结果的影响,并对设计进行了有限元仿真分析。在-60-60℃的温度环境下,这种新型封装光纤光栅温度传感器的测试线性度为0.998,温度灵敏度为14.87pm/℃。为了验证其解耦特性,在MTS拉伸试验机上进行了测试,试验结果表明:结构形变带来的应变对该温度传感器没有影响,与理论分析相符。将其运用到实际真空环境进行对比验证,实验精度达0.15+0.002|t|℃。     

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。     

一种基于光学游标效应的光纤应变传感技术研究

游标效应是提高传感器测量灵敏度的有效方法，提出了一种具有温度稳定性的基于光学游标效应的高灵敏度光纤应变传感方法。详细阐述了高灵敏度光纤应变传感方法的理论基础和系统结构，并对基于光学游标效应的光纤应变传感器的增敏效果进行了仿真研究。理论分析和仿真结果表明：将光学游标增敏效应与SMS干涉仪传光特性相结合，通过两个干涉仪的级联，可以实现具有环境温度稳定的高灵敏度应变传感器，灵敏度相较于原有的光纤应变传感器提高了10倍。该技术的研究和推广对光纤应变传感技术的发展具有重要意义。     

超低温宽温域环境下FBG传感器应变标定方法

在某超低温风洞结构健康监测的工程中,光纤光栅传感器被用来实时监测风洞洞体结构变形,然而超低温及宽温域的环境会极大地影响应变测量精度。为解决光纤光栅传感器在-196℃至常温范围的应变测量的温度影响,进一步提高测量精度,提出了一种超低温宽温域环境下的光纤布拉格光栅(fiber-optic Bragg grating,简称FBG)传感器应变灵敏度系数标定方法。该方法通过一套超低温宽温域标定系统对FBG传感器在-196℃～20℃的多个温度点的应变灵敏度系数进行了试验测量,利用该标定结果修正超低温宽温域环境下温度对应变的测量结果,可有效提高光纤光栅传感器的应变测量精度。试验还发现,FBG传感器的应变灵敏度系数呈现出随温度降低而升高的规律,该结论对进一步开展超低温宽温域环境下FBG应变传感器温度补偿研究奠定了基础。     

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。     

可同时测量温度和压力的高灵敏度光纤光栅传感器

报道一种新颖的基于单个光纤布拉格光栅的传感器。该传感器将光栅的一部分封装在周围填充聚合物的金属空腔里,另一部分固定在金属柱体内。由于固定的光栅部分不受应变的影响,而封装在聚合物的光栅同时受温度和应变的影响,因此该结构可实现温度和应变的分离传感。同时,这种聚合物封装的结构把施加在聚合物上的横向应力巧妙地转化为施加在光栅上的轴向应变,可大大提高其应变传感灵敏度。实验结果表明该传感器不但可以实现压力和温度的同时测量,而且其压力灵敏度系数可达9.65×10-3MPa-1,约为裸光栅的4770倍。     

数字化白光扫描干涉仪的研究

研究并设计实现了微形貌测量白光扫描干涉仪系统和光纤偏振耦合点监测白光扫描干涉仪系统.前者采用Mirau相移干涉形式,用压电陶瓷传感器PZT作移项器,主要用于微形貌测量,精度可达nm量级.后者采用光路补偿白光Michelson干涉形式,用格兰棱镜对偏振态进行调整控制,用移动参考臂来补偿由于耦合点所造成的光程差,光纤寄生偏振耦合测试仪的空间分辨率达到50mm,测量范围达到1km,探测灵敏度不小于-80dB(耦合模式与主模式的功率比).     

温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器

飞机载荷参数测试对保障飞行安全至关重要,光纤光栅传感器凭由诸多优势在不断尝试应用在其中。为了实现对结构应变的精确测量,同时排除温度带来的影响,通过对基底及光栅刻写工艺的特殊设计,实现了温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器,并对基底进行有限元分析。在10~60℃的温度范围内,该新型传感器温度灵敏度为45pm/℃,较裸光纤光栅增敏4.5倍,线性度良好。在MTS拉伸试验机上测试拉伸试验件在0~700με条件下传感器特性,灵敏度为1.46pm/με,较裸贴方式增敏1.4倍,线性度良好。传感器温度误差小于0.1℃,应变误差小于3με。实验结果表明,传感器解耦性能良好,与理论分析相符,满足飞机载荷谱测试的应用背景。     

一种新型的全光纤速度干涉仪实验研究

全光纤可测量任意反射面的速度干涉仪,对强动载下的界面运动速度测量具有重要意义.基于传统光纤速度干涉仪的特点,设计了一种新型全光纤速度测量系统.该系统不仅能消除延迟线圈的分布式相位调制噪声,还能得到高条纹对比度的干涉信号.采用偏振分束器替代耦合器,应用琼斯矩阵法分析推导了偏振分束器能够消除系统中的非相干光束原理.振动台表面速度测量的实验结果表明,该系统能得到89.1％条纹对比度的干涉信号,大幅提高系统信号噪声比,并且相比Levin结构的传统干涉仪能抑制延迟光纤线圈的相位噪声超过30 dB.     

用于瞬态微观轮廓检测的 Mirau 偏振干涉显微镜

基于PZT移相的传统Mirau干涉显微镜存在采样时间间隔长、易受外界环境扰动影响以及对比度不可调等问题,提出了用于瞬态微观轮廓检测的Mirau偏振干涉显微镜。系统利用线栅偏振片作为偏振分束器,实现偏振分光和条纹对比度的可调,以满足不同反射率被测对象的检测需求;利用偏振相机瞬时获取四幅偏振相移干涉图,可有效降低外界环境扰动影响。对系统采用的偏振元件进行了建模分析,得到实际的偏振像差分布,并将其作为系统误差予以剔除。同时针对偏振相机存在的视场误差,研究了基于相位插值的视场误差校正方法。通过分析系统中各个器件特性对测量结果精度的影响,提出相应的误差校正方法。对所提出的Mirau偏振干涉显微镜的精度和可行性进行了实验论证,实验结果表明,其测量精度优于1/100λ,重复性精度优于0.1 nm。该测量系统具有对比度可调、瞬态测量以及结构紧凑等优点,为各类元件表面微观轮廓以及微小结构的在线检测提供了一种可行方法。     

反射式光纤温度传感器的设计

针对强磁、狭小空间等特殊环境下的液体温度实时检测,利用液体折射率随温度变化规律,结合光在液体中的传播特性,设计了用于液体温度实时检测的反射式光纤温度传感器。在提出反射式光纤温度传感器测温原理的基础上,确定了传感器探头结构,根据光纤纤端光场近似高斯分布的特性建立传感器数学模型,分析了不同参数对传感器输出特性的影响,并搭建传感器实验平台进行静态标定。实验结果表明：在30~120℃的测量范围内,该传感器可以实现对温度的检测,灵敏度为0.71 mV/℃。     

散斑干涉条纹测量系统设计

为了测量散斑干涉条纹,从而计算出被测物体的微位移,提出了一种基于AT89S52芯片的解决方案。运用单片机驱动步进电机,精准控制光敏传感器的移动,利用传感器判定暗条纹中心,结合软件进行实时处理,获得再现干涉条纹间距。实验结果表明,该设计方案对散斑位移的测量精度可达0.001mm。