基于细芯光纤马赫-曾德干涉和曲率修正模型的高灵敏度光纤曲率传感器

提出了一种基于细芯光纤结合Mach-Zehnder干 涉仪的高灵敏度曲率传感器,传感头由一段细 芯光纤嵌入在两段的单模光纤中错位熔接而成。当干涉仪受到弯曲作用时,由于细芯光纤和 单模光 纤的错位熔接,使得纤芯和包层模光强度产生损耗,在一定曲率范围内使得纤芯和包层模光 强度更 加接近而导致干涉增强,通过研究特定干涉峰的干涉强度相对于曲率的变化关系,可以实现 光纤曲 率传感。为了增加曲率的校准精度,提出了一种基于悬链线法的光纤弯曲的曲率修正模型。 实验结 果表明:利用曲率修正模型修正后,在9.15m－1到11.02m－1的范围内的曲率测量灵敏度达到 142.28dB/m－1。这种基于强度变化的低成本、高灵敏曲率传 感器,具有广阔的应用前景。     

弯曲增敏型光纤曲率传感器的优化分析

为一种直接检测弯曲曲率的光强调制型光纤曲率传感器—它采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲的灵敏度,能区分正向弯曲和负向弯曲,具有线性范围宽、成本低和适合薄结构的埋入式检测等优点建立了数学模型。基于这个模型,讨论了敏感区的光强的调制原理,推导出了光功率损耗与光纤弯曲半径、敏感区几何参数的关系,并通过实验验证了理论分析的有效性,为传感器结构的优化提供了定量依据。     

内嵌Sagnac干涉结构的光纤环形激光器弯曲传感研究

本文报道了一种基于光纤环形激光器的弯曲传感 器,将基于单模-保偏-单模的光纤Sa gnac干涉结构作为弯曲传感元件和滤波器插入到光纤环形激光器中。光纤Sagnac干涉光谱的 滤波特性受保偏光纤弯曲曲率调制,在激光器环型腔内形成了曲率可调谐的滤波器,通过测 量激光输出能量实现光纤激光器内腔弯曲传感。本文从理论上分析了传感系统的工作原理, 并通过实验验证了高分辨率弯曲传感的可行性。实验结果表明,在0m－1~5.686 m－1曲率 范围内,传感器可达到的最大分辨率为6.5×10－8 m－1。采用激光器内腔强度调制方式,曲 率分辨水平从10－4 m－1提高到了10 －8 m－1。该传感器具有结构简单, 易于制造的特点,在建筑结构健康监测、结构微弯曲角度测量等领域有潜在的应用前景。     

同时测量弯曲曲率和弯曲方向的长周期光纤光栅传感器

通过实验发现了高频CO2激光脉冲制备的长周期光纤光栅（LPFGs）的弯曲特性具有明显的弯曲方向性：即当其向不同的方向弯曲时,其谐振波长和损耗峰值的变化对应的弯曲灵敏度不同,并且在两个弯曲方向上最敏感,而在另外两个弯曲方向最不敏感。本文根据此独特性质,提出了不仅可以测量弯曲曲率而且可以同时判别弯曲方向的传感器,该弯曲传感器由2个具有弯曲方向相关性的LPFG和1个没有弯曲方向相关性的LPFG组成。结果表明,它克服了其它弯曲传感器只能测量弯曲曲率或只能判别弯曲方向的缺点。     

长周期光纤光栅与无芯光纤级联的弯曲传感器

在实际工程中,光纤弯曲传感器有很大的市场需求。该文利用长周期光纤光栅与无芯光纤串联在1根光纤上构成传感器,实现对弯曲的传感测量。无芯光纤与长周期光纤光栅级联后,输出的透射谱中产生了大量对弯曲敏感的谐振峰,实验考察了波峰1、2的中心波长随弯曲曲率的变化关系。研究结果表明,波长漂移量与弯曲曲率间存在很好的线性关系,实验测得弯曲灵敏度分别为-12.51 nm/m^-1与-12.504 nm/m^-1。该传感器具有结构简单、弯曲灵敏度高,成本低,重复性好等优点,在大型建筑物与桥梁等弯曲测量领域具有一定的应用价值。     

硬塑料包层光纤构成的弯曲传感器

提出了一款高灵敏的弯曲传感器,该传感器是 利用飞秒激光微加工技术与光纤熔 接技术制作的。首先利用单模光纤与硬塑料包层光纤熔接成(Mach-Zehnder interferometer,MZI),然后利用 飞秒激光在硬塑料包层光纤上刻写一排均匀的微槽,构成“SMF-HPCF-SMF”的新型弯曲传感 器结构。硬塑料包层光纤中的微槽增加了传感器对弯曲大小与弯曲方向的敏感度。实验结果 表明在曲率变化时传感器透射谱的光强度发生线性变化,利用光强变化能够解调出曲率大小 ,实验测得最大弯曲灵敏度为2.22 dB/m－1。传感器在0°, 90°和270° 4个不同方 向弯曲时,光强度变化趋势两两相反,依据这个能够初步判断弯曲方向。该传感器结构简单 、成本低、灵敏度高,在工业建筑、国防军事和海事领域有一定的应用前景。     

大偏移量错芯MZI实现较低温度灵敏度的曲率传感

基于光纤大偏移量错芯(large core-offset structure, LCOS)熔接形成的马赫-曾德尔干涉结构(Mach-Zehnder interferometer, MZI),设计了一种具有较低温度灵敏度的曲率传感器。该结构采用GF3光纤作为核心灵敏单元,与两段单模光纤(single mode fiber, SMF)进行LCOS熔接,通过实验对比偏移量和传感光纤长度对温度和曲率灵敏度的影响,得到最佳参数组合实现较低温度灵敏度的曲率传感。实验结果表明,偏移量为20μm、传感光纤长度为10 mm时的LCOS MZI,曲率灵敏度可以达到10.9 nm/m^-1,且温度灵敏度仅为0.9 pm/℃。该传感器具有结构简单、成本低、曲率灵敏度较高和温度灵敏度低的特点,在工程结构、健康监控与人体可穿戴设备等方面具有潜在的应用价值。     

柔性复合基体光纤布拉格光栅曲率传感器

面向生物医学智能装备和软体机器人等领域柔性机构以及高端装备和重大基础设施复杂结构的曲率测量需求,提出一种高适应性柔性曲率传感器。通过将光纤布拉格光栅封装在硅胶基体中,并将硅胶基体与聚氯乙烯薄片贴合,形成基于光纤布拉格光栅的柔性硅胶曲率传感器。采用光纤传感解调系统和标准曲率标定块,实验测得光纤光栅传感器反射谱特征及其随标定块曲率变化规律,分析了光栅波长位移与曲率变化的关系以及传感器灵敏度与嵌入硅胶基体深度的关系。实验结果表明:硅胶-聚氯乙烯基体的曲率传感器可以实现曲率变化实时测量,最高灵敏度可达0.329 2 nm/m-1。随着光纤光栅嵌入深度的增加,传感器灵敏度在0.2~0.35 nm/m-1范围内逐渐增大。在多次重复测量中传感器具有较好的一致性,可用于柔性机构和复杂结构的曲率测量。     

基于保偏光子晶体光纤的高灵敏度曲率传感器

为了能高精度测量小曲率,采用单模-鼓包-保偏光子晶体光纤-多模-单模光纤组成的结构,其中多模光纤和单模光纤之间错位熔接。通过理论分析和实验验证得到在0.04582m-1~0.054776m-1及0.054776m-1~0.06929m-1曲率范围内,谐振波长漂移与曲率变化之间分别存在着线性关系。结果表明,该曲率传感器灵敏度值分别为93.95nm/m-1和30.89nm/m-1,可以应用于健康监测等需要测量小曲率的场合。     

基于马赫-曾德尔干涉的球形结构光纤温度传感器

提出一种基于马赫-曾德尔干涉的球形结构光纤 温度传感器。该传感器通过在单模光纤上熔接两个球 形结构形成球形-单模-球形结构的马赫-曾德尔干涉仪。外界温度的变化会引起光纤包层 模的有效折射率变化, 从而导致干涉光谱的变化,通过检测干涉谷的特征波长漂移量,实现对温度的测量。实验结 果表明,在温度 变化范围为18～78℃时,当中间单模光纤长度为1.8cm时,传感器 的灵敏度为0.129nm/℃ ,当中间单模 光纤长度为2.4cm时,传感器灵敏度为0.121 nm/℃,当中间单模光纤长度为4.0cm时,传感器灵敏度为 0.070nm/℃。根据0.01nm的波长分辨率,该传感器可以实现温度 的分辨率为0.077℃。该球形结构的 光纤温度传感器灵敏度高、结构紧凑、制作简单、成本低廉,在温度检测方面具有良好的应 用前景。     

基于单模光纤传输的单模-无心-单模光纤型表面等离子体共振传感器（特邀）

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器结合了光纤传感器的微型化、可在线传输、易操作和SPR生物检测技术的高灵敏、高选择性、免标记等优势,是当前免疫学生物传感器的研究热点。但传统多模光纤SPR传感器的信号在远距离传输中易损耗、失真。文中提出了一种单模-无心-单模光纤型SPR传感器,能有效减小信号传输中的损耗与失真,且适合与当前的光纤网络衔接。为了消除传感器中的干扰信号,改变无心光纤的芯径,采用去除背景干扰,高斯拟合等方法,最终选取了具有芯径为61.5 μm无心光纤的此类传感器,并从中提取出了有效的SPR光谱信号。传感器的灵敏度为1153.40 nm/RIU,分辨率为1.70×10?4 RIU。此类光纤生物传感器的成功开发,为智慧医疗、远程医疗提供了一种新的思路。     

基于光纤微弯的分布式光纤应力传感器

研究了光纤的微弯损耗机理,在此基础上开发了一种用光时域反射仪(OTDR)进行探测的分布式光纤应力传感器。对光纤微弯调制机构和传感器系统进行了设计与实验,分析了系统的灵敏度和空间分辨率的影响因素,实现了空间分辨率为3m,测量范围为1km的测量精度。现场实验表明,采用该传感器能对山体滑坡等事故的发生实现及时准确的灾害预报。     

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。     

Study on optical fiber multi-parameter sensor

Based on the principle of fiber Bragg grating detection,an optical fiber sensor for detecting wind speed and temperature and humidity in underground space was designed.The designed optical fiber wind speed sensor was based on the thermal flow detection method,which has high sensitivity to low wind speed.For the speed rising from 0 to 0.5 m/s,the wavelength variation is about 800 pm.For the demodulator with sensitivity of 1 pm,the speed resolution is 0.7 mm/s.Fiber optic humidity sensor was fabricated by uniform surface coating of FBG element in polyimide solution,and detection sensitivity of 4.2 pm/% RH was achieved with accuracy less than ± 3% RH.     

A study on the development of transmission-type extrinsicFabry-Perot interferometric optical fiber sensor

The conventional reflection-type extrinsic Fabry-Perot interferometric (EFPI) optical fiber sensor has good sensitivity and resolution compared with other types of optical fiber sensors. However, they have the disadvantage that the distinction of strain direction of EFPI is difficult because of measurement method by only fringe counting. This paper presents the newly developed transmission-type EFPI (TEFPI) optical fiber sensor, which has been improved by additional functions, and whose measuring system differs from that of the reflection-type EFPI optical fiber sensors using a single-mode fiber (SMF) and multimode (MMF) fibers as light guides and reflectors, respectively. The output signal of the TEFPI optical fiber sensor was analyzed with the uniform plane wave-based model, the SMF power distribution-based model and the splice loss-based model; the analyzed signals were then verified experimentally. Based on the results of analysis, the TEFPI optical fiber sensor was fabricated using two single-mode fibers connected to the light source and optical receiver; this was then used in strain measurement. The strain measured by the TEFPI optical fiber sensor was compared with that measured by the electric strain gauge     

小型光电编码器的高分辨力细分技术

为了实现在不增加体积和重量的前提下提高小型光电编码器分辨力和细分精度,对光电编码器高分辨力细分技术进行了研究。首先,分析了影响小型光电编码器分辨力及细分精度的主要因素;其次,利用ADC841单片机对A/D转换的增益误差和失调误差进行修正;最后,优化电子学细分算法,设计出小型光电编码器高分辨力的信号处理电路。实验结果表明,该设计可以实现编码器精码信号的1 024细分,细分周期误差的峰峰值由163减小到70;将外径为40 mm的小型光电编码器分辨力提高4倍至4.98,精度提高至30。设计的编码器细分方法,电路结构简单、细分数高,可应用于对体积和重量有严格要求的绝对式和增量式光电编码器中。     

Temperature-Insensitivity Bending Sensor Based on Cladding-Mode Resonance of Special Optical Fiber

A temperature-insensitive fiber bending sensor is demonstrated by using a special optical fiber with cladding-mode resonance. The special fiber with a pure silica core and a fluorine-doped silica inner cladding shows strong cladding-mode resonance. The single-mode fiber (SMF)-special fiber-SMF is proposed as a sensor head to monitor the cladding-mode resonance. The response of the resonant spectrum exhibits high sensitivity to bending curvature and inherent insensitivity to temperature. The proposed special fiber bending sensor is simple and inexpensive.     

Coherent optical frequency domain reflectometry for interrogation of bend-based fiber optic hydrocarbon sensors

The paper presents distributed fiber optic bending sensor for petroleum hydrocarbon leak detection based on coherent optical frequency domain reflectometry (C-OFDR) technique. In order to introduce bending losses a sensitive polymer, which reversibly swells under hydrocarbon influence is employed. In this work we used lumped reflectors, namely fiber Bragg gratings, placed between distributed sensitive elements. Design of proposed sensor utilizes the principle of distributed detection with section localization (DDSL) of perturbation. Analysis of signal-to-noise ratio (SNR) for multi-reflectors system was performed. We have demonstrated that the C-OFDR technique with bending sensor is capable to detect hydrocarbon presence within a few minutes for 20-cm perturbation-length with spatial resolution about 0.5 m for strong perturbation.