基于游标效应的级联法布里-珀罗传感器温度特性

理论和实验研究了基于游标效应的级联法布里-珀罗干涉型传感器的温度特性,该传感器是将一段空芯光纤熔接在两段单模光纤之间制作而成的,其中空芯光纤的长度与末端单模光纤的长度相近.仿真结果表明:当温度升高时,传感器的一些反射光谱向长波方向漂移,而另一些反射光谱向短波方向漂移.分析结果可知,光谱的移动方向和级联的两个法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围的差值有直接关系,在温度升高的情况下,自由光谱范围差值的正、负决定了传感器的光谱是向长波还是向短波方向漂移.此外,自由光谱范围差值的大小对传感器灵敏度的高低起决定性作用,其绝对值越小对应的传感器的灵敏度越高.实验制作了两个温度传感器,其自由光谱范围之差分别为0.055nm、-0.456nm,对应的温度灵敏度为163.8pm/℃、-75pm/℃,实验结果与仿真结果一致.通过调整空芯光纤和末端单模光纤的长度可进一步提高灵敏度,从而实现低成本、结构紧凑、高灵敏度的温度传感.     

高敏光纤法布里-珀罗干涉应变传感器

提出一种复合结构应变传感器,该结构将高灵敏度光纤法布里-珀罗干涉仪(FPI)内置于光纤Sagnac干涉仪(FSI)中。利用FPI光谱与定标的FSI光谱叠加产生的游标效应实现了FPI应变传感器灵敏度的大幅度提升。理论计算结果表明,复合结构传感器的灵敏度可以通过两套干涉谱的相对自由光谱区的差来调控。实验结果表明,复合结构传感器的灵敏度相对于单个FPI应变传感器提升了19.7倍,达到65.1pm·με~(-1)。复合结构传感器在需要高灵敏度测量以及精确测量的场景中具有重要作用。     

基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器

为了实现液体折射率的高灵敏度测量,提出并制备了一种基于游标效应增敏的全光纤液体折射率传感器.该传感器由法布里-珀罗传感腔和法布里-珀罗参考腔并联构成,其中,传感腔为开放腔,由单模光纤错位熔接制得,参考腔为封闭腔,由单模光纤与空芯光纤熔接制得.传感腔和参考腔的自由光谱范围相近,但不相等,双腔反射光经光纤耦合器后叠加产生游标效应,达到增敏的效果.实验结果表明,该传感器的折射率灵敏度约为9 048.78nm/RIU,约是单个传感腔的8倍.该传感器具有灵敏度高、结构简单、易于制备、成本低廉的优点,在生物医疗、环境检测等领域有潜在的应用前景.     

基于游标效应的并联法布里-珀罗干涉仪传感特性的分析

针对应用高阶谐波游标效应时出现的内包络消失、外包络可见度低等问题,从理论分析和实验探索两方面出发,得出了降低传感腔和参考腔的光强差异可以提高光谱质量的结论。此外,通过合理设计优化传感腔与参考腔的腔长、折射率等影响游标放大倍数的参数,在实验上采用平行结构的法布里-珀罗干涉仪制成了一阶谐波游标效应的光纤气压传感器,不仅获得了高对比度的游标干涉光谱,还在10～190 kPa气压范围内,实现了152 pm/kPa的气压灵敏度,线性度高达99%,对应的放大倍数可达到35.3。     

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.     

基于掺铒光纤的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器

提出了一种化学腐蚀掺铒光纤制作微型光纤法布里-珀罗干涉传感器的方法。通过对掺铒光纤进行化学腐蚀,形成凹槽,再与单模光纤直接熔接制作而成。实验制作的微型法布里-珀罗干涉传感器干涉条纹光滑,对比度达到15dB。对该微型光纤法布里珀罗干涉腔进行了应变和温度传感实验。实验结果表明,在0-600με￡内,波谷移动随应变改变的灵敏度达到1．7pm／με,线性度为0．9998,从73～23℃,波谷移动随温度改变的灵敏度3．9pm／℃,线性度为0．9982。该方法制作的微型光纤法布里-珀罗传感器具有操作简单,一次成型,制作成本低的优点。     

高精细度微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪

通过在镀膜单模光纤端面制作微透镜,构造了微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪.利用ABCD矩阵方法分析厂微透镜法布单-珀罗腔的模场.由于微透镜的会聚作用,法布里-珀罗腔模场可以和单模光纤模场良好的匹配,从而达到高精细度和低插入损耗.实验制作的微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪,自由光谱区范围32.28 nm,精细度为78,峰值透射比为73%;在法布里-珀罗腔的光学腔长增加到100um的情况下,峰值透射比仍然大于50%.该微透镜光纤法布里-珀罗十涉仪制作容易、对设备要求低,可以封装成光纤法布里-珀罗滤波器和传感器,具有广泛的应用前景.     

基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变解调方法

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变传感器解调方法,该方法综合了光纤法布里-珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统,精确调节匹配光栅法布里-珀罗干涉仪的温度和应变,有效解决了光栅法布里-珀罗干涉仪的失配问题,从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置,同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明,该系统能够响应50~800 Hz的输入信号,应变最小分辨力至少为0.4 nε/Hz^1/2,解调灵敏度高,且不受环境温度波动的影响,因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.     

基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变解调方法

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变传感器解调方法,该方法综合了光纤法布里-珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统,精确调节匹配光栅法布里-珀罗干涉仪的温度和应变,有效解决了光栅法布里-珀罗干涉仪的失配问题,从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置,同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明,该系统能够响应50～800Hz的输入信号,应变最小分辨力至少为0.4nε/Hz1/2,解调灵敏度高,且不受环境温度波动的影响,因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.     

光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器的灵敏度分析

理论上推导了光纤法布里-珀罗复合结构传感器的反射光谱条纹对比度与外界介质折射率的关系,并分析了实验参数对传感器灵敏度的影响.利用化学腐蚀渐变折射率多模光纤制作了光纤法布里-珀罗复合结构折射率传感器,空气中的条纹对比度可达30 dB以上,折射率测量的灵敏度达45 dB/RIU(refraction index unit,简RIU)以上.实验结果与理论符合很好.通过理论和实验分析,提出了进一步提高传感器灵敏度的方法. 关键词： 光纤传感器 法布里-珀罗复合结构 折射率测量 灵敏度     

光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展

光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点,已被广泛应用于军事和民用领域.在某些环境恶劣,如具有强电磁干扰和腐蚀性,或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域,微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用,国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望.     

基于游标效应的双芯光子晶体光纤温度传感器

设计了一种基于双芯光纤耦合效应和游标效应的高灵敏度温度传感器,传感器是由2个相差一定长度的双芯光子晶体光纤和单模光纤级联构成。双芯光子晶体光纤通过级联实现游标效应,同时对纤芯中间的气孔填充乙醇实现温度传感。仿真结果表明,该温度传感器在35 ℃～45 ℃范围内的平均温度灵敏度可达?20.37 nm/℃。与单纯依靠双芯光子晶体光纤能量耦合效应的传感器相比,该传感器的温度检测灵敏度提高了10倍。     

具有温度自校准功能的光纤折射率传感器

提出一种具有温度自校准功能的光纤折射率（RI）传感器,传感头结构由2段很短的多模光纤（MMF）之间夹熔一段对折射率不敏感的光纤布拉格光栅（FBG）构成,传感头总长度为14 mm,FBG可以为折射率测量提供良好的温度校准功能。实验结果证明,该传感器的折射率灵敏度为126 nm。其干涉光谱共振波长的温度灵敏度为35.09 pm/℃,用于温度校准的FBG的温度灵敏度为11.14 pm/℃。相比于普通的折射率传感器,这种具有温度自校准功能的折射率传感器具有良好的实用前景。     

Integration of miniature Fabry-Perot fiber optic sensor with FBG for the measurement of temperature and strain

A sensor has been fabricated by the integration of a fiber Bragg gating sensor (FBGs) with a fiber Fabry-Perot (F-P) sensor fabricated by etching method. In the integrated sensor, the FBG was used to measure temperature, while the fiber Fabry-Perot interferometer sensor (FFPIs) was used for strain measurement. Wavelength decoding for FBG and peak tracking for FFPI was employed for demodulation, respectively. The result showed that the temperature and strain sensitivity for the integrated sensor is ~ 2.7 pm/μεand ~ 9.3 pm/°C, respectively.     

High-temperature sensor using a Fabry-Perot interferometer based on solid-core photonic crystal fiber

A micro Fabry-Perot interferometer(M-FPI) is constructed by splicing a short section of polarizationmaintaining photonic crystal fiber(PM-PCF) to an end-cleaved single-mode fiber with controllable offset. Due to the high effective optical path difference induced by the solid core of the PCF,the M-FPI has an ultrasmall cavity of approximately 110μm.The temperature sensitivity within a range from 33℃to approximately 600℃is measured to be 13.8 pm/℃,which shows good agreement with the theoretical result.This proposed sensor has the advantages of ultracompact size and high stability.Therefore,it is suitable for various space-limited sensing applications in harsh environments.     

Long period grating cascaded to photonic crystal fiber modal interferometer for simultaneous measurement of temperature and refractive index

We propose and demonstrate a novel and simple dual-parameter measurement scheme based on a cascaded optical fiber device of long-period grating (LPG) and photonic crystal fiber (PCF) modal interferometer. The temperature and refractive index (RI) can be measured simultaneously by monitoring the spectral characteristics of the device. The implemented sensor shows distinctive spectral sensitivities of -30.82 nm/RIU (refractive index unit) and 47.4 pm/°C by the LPG, and 171.96 nm/RIU and 10.4 pm/°C by the PCF modal interferometer. The simultaneous measurement of the temperature and external RI is experimentally demonstrated by the sensor. The temperature shift and RI shift calculated by the sensor matrix agree well with the actual temperature and RI change in the experiment.     

高灵敏度光纤温度传感器

针对深井温度变化小,提出了一种可用于深井温度测量的高灵敏度光纤温度传感器。两根陶瓷插芯从铝管的两端插入构成外腔式光纤法珀干涉仪(EFPI)结构,用螺钉固定插芯,再用高强度的环氧树脂密封该结构,达到防水防尘效果。金属铝和陶瓷插芯具有不同的热膨胀系数,温度的变化将引起EFPI腔长变化,采用高灵敏度光纤白光干涉测量技术,就可以通过测量EFPI腔长获得被测温度。分别在固定温度和不同温度下,对腔长为146.5μm的EFPI光纤温度传感器进行了连续测量。测量结果表明,高灵敏度EFPI光纤温度传感器的腔长-温度灵敏度为260nm/℃,温度测量分辨率为0.002℃。     

Cascaded dual-channel fiber SPR temperature sensor based on liquid and solid encapsulations

In order to control the working wavelength range of the fiber surface plasmon resonance(SPR) temperature sensor and realize the wavelength division multiplexing type multi-channel fiber SPR temperature sensor, by comprehensively investigating the influence of liquids with different thermal-optical coefficients and solid packaging materials on the performance of fiber SPR temperature sensor, a dual-channel fiber SPR temperature sensor based on liquid–solid cascade encapsulation was designed and fabricated. The liquid temperature sensing stage encapsulated in capillary worked in 616.03 nm–639.05 nm band, the solid sensing stage coated with pouring sealant worked in 719.37 nm–825.27 nm band, and the two stages were cascaded to form a fiber dual-channel temperature sensor. The testing results indicated that when the temperature range was 35℃–95℃, the sensitivity of two-stage temperature detection was -0.384 nm/℃and -1.765 nm/℃ respectively. The proposed fiber sensor has simple fabrication and excellent performance which can be widely used in various fields of dual-channel temperature measurement and temperature compensation.