基于光纤法布里-珀罗干涉仪的高灵敏微压传感技术研究

光纤传感器在电池安全监测领域的应用日益增多。针对储能电池内部气压变化微小难以测量的问题,基于光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)腔体端面镀膜的结构模型,研讨了膜厚、有效半径和腔长之间的关系,深入探究了三者之间的相互制约及理论基础,设计了一种小型化、高灵敏度和高精度的光纤微压传感器。制备了气压灵敏度-239.836 nm/MPa、线性度0.998的微压传感器,其在100 kPa压强范围内表现出良好的线性和稳定性。该传感器结构紧凑、制作简单且成本低,具备较高的灵敏度和优异的压强响应特性。

光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器研究进展

光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高、耐高温和抗电磁干扰等优点,广泛应用于航空航天、能源工业及环境监测等领域。本文首先介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的传感原理、传感性能、传感特性和制备方法。然后对其温度、压力和应变的灵敏度和测量范围等特征参数进行了归纳。总结了光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的国内外研究进展及性能参数。介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪传感器温度和压力的交叉敏感问题及解决方法和基于不同种类光纤的法布里-珀罗干涉仪高温传感特性。针对近几年光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的研究进展,介绍了多种用于双参数测量的光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器。最后对光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的未来发展趋势和前景进行了展望。

利用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长同时测量混合溶液中多溶质浓度(英文)

为了同时探测混合溶液中多种溶质的浓度,提出一种用光纤法布里-珀罗谐振器作为传感器测量混合溶液中多溶质浓度的测量系统.从理论上分析了光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长与混合溶液浓度之间的关系,采用光纤法布里-珀罗谐振器干涉透射波长实现了高准确度同时测量混合溶液中多溶质浓度的原理和可行性.构建了由InGaAs发光二极管光源、光纤耦合器、FFPR传感器、光电信号转换和放大器、光谱分析仪等组成的测量系统.对乙醇和甘油的9组标准混合溶液进行测量实验,并用测量结果标定了混合溶液中各溶质浓度与光纤法布里-珀罗谐振器传感器干涉透射波长之间的数学解析关系式.根据数学关系式用Action Script 2.0脚本语言编写程序,计算机实时监控了混合溶液中各溶质浓度的变化过程.

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15 dB。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1.7 pm/με,线性度为0.9998,从73～23℃,波谷移动随温度改变的灵敏度3.9 pm/℃,线性度为0.998 2。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。

基于最小二乘法的光纤法布里-珀罗传感器相位校正解调算法

为了提高光纤法布里—珀罗传感器的解调精度和效率,利用干涉光谱中的波峰计算出一系列光程差,根据最小二乘法求出该组光程差中方差最小的解作为粗略解调结果,并计算出光谱附加相位;在光谱附加相位基础上进行校正,得到补偿光程差,两者之和为最终解调结果.仿真结果表明,该算法的解调误差在±2.5nm内.光纤法布里-珀罗蓝宝石高温传感实验表明,从室温升到1000℃时,该算法解调光程差精度为5.4nm,对应温度的精度为±0.36‰F.S.,同等条件下计算速度比FFT-MMSE快400倍,具有计算精度高,计算速度快的优点.

光纤法布里-珀罗传感器的条纹计数法解调误差研究

为探究光纤法布里-珀罗传感器条纹计数法的解调准确度,对基于波峰波谷复合算法的条纹计数法的腔长解调误差及其影响因素进行了理论推导、仿真分析和实验验证.结果表明:光纤法布里-珀罗传感器干涉光谱的干涉级次及干涉级次差、波峰波谷的位置准确度是影响解调准确度的主要因素;干涉级次随腔长的变化导致腔长解调结果产生周期性跳动误差,跳动周期约为光源中心波长的1/4;周期性跳动误差的幅度受波峰波谷位置准确度的影响,波峰波谷位置准确度越低,周期性跳动误差幅度越大,腔长解调误差越大.

基于光学相关的光纤法布里-珀罗传感器解调仪

针对当前光纤法布里-珀罗(F-P)传感器解调仪存在的结构复杂和成本较高等问题,提出一种基于光学相关原理的新型解调方案.采用平板玻璃作为光学互相关器,利用平板玻璃与F-P腔的互相关关系解调出光纤F-P传感器的腔长.建立仿真模型对解调光路进行优化设计,搭建了结构简单的单模光纤F-P传感器解调仪,该仪器仅由宽谱光源、平板玻璃、线阵CCD、柱面镜和单模光纤搭建而成.实验结果表明,腔长解调分辨率达到0.72 nm.该解调仪在光纤测井、液位测量和结构健康监测等领域中的温度、压力和位移测量中有着广阔的应用前景.

基于膜片式光纤法布里-珀罗传感器的超声波检测

为了研究光纤传感器在超声波检测方面的应用,提出了一种膜片式光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的结构和制备方法。首先探究了声场中放置距离和角度对膜片式光纤F-P超声传感器的声振动敏感膜片形变量的影响,仿真得到光纤F-P传感器的传感效果随距离、角度的增加而下降,然后提出了一种基于熔接、切割、抛磨方式制备的膜片式光纤F-P超声传感器,最后对该传感器的传感性能进行了实验验证。实验结果显示,提出的传感器的频率探测范围为20~80 kHz,信噪比不小于25 dB。此传感器的制备使用全焊接方式,与传统的胶连接方式相比,结构更稳定,使用寿命更长,因此在电网局部放电检测等场景中具有广泛的应用前景。

光纤法布里-珀罗传感器阵列串扰抑制方法

本文提出了一种基于多波长平均的五步相移解调方案,解决非本征光纤法布里-珀罗(F-P)传感器阵列的串扰问题。以光纤F-P传感器的两基元并联复用系统为研究对象,探讨了基于五步相移解调方案的基本串扰理论以及多波长解调抑制串扰的具体方法。通过数值仿真研究了串扰与传感系统的消光比、平均波长数、波长间隔以及不同传感器基元腔长的关系,对单波长解调方案和多波长解调方案的串扰抑制效果进行了对比分析。结果表明,相较于单波长解调方案,多波长解调方案通过对多个连续工作点处的五步相移信号解调结果进行平均,降低了传感阵列的串扰。同时,该解调方案降低了对传感阵列光开关消光比和不同基元间腔长一致性的要求,有效推进了光纤F-P传感器阵列大规模复用的发展。

用157nm激光制作的光子晶体光纤法布里-珀罗传感器

157nm准分子激光用于微加工具有单光子能量高,峰值功率高,材料吸收系数高,分辨率高等优点。利用157nm激光微加工的方法,在光子晶体光纤上融切出微小矩形孔,从而构成腔长为45.6μm的微光纤法布里-珀罗干涉腔,得到的干涉条纹平滑,衬比度约为26dB,并从激光与石英材料的相互作用上分析了形成较好干涉条纹的原因。把这种微腔应用于应变测量,在550μm范围内,腔长增量相对于应变的灵敏度为0.32nm/μm,线形度达0.9994。实验证明该微腔对温度不敏感,800℃范围内腔长变化仅20nm。157nm准分子激光加工光纤法布里-珀罗腔方法简单,一次成型,具有较高的加工效率和精度,有望实现光纤法布里-珀罗腔的规模化批量制造,具有较好的应用前景。

空间扫描型光纤法布里-珀罗传感解调系统中CCD的光照度数学模型研究

针对空间扫描型光纤法布里-珀罗(F-P)传感解调系统中CCD的光照度分布建立了数学模型,研究了不同帧扫描频率下CCD输出信号和信噪比。利用已设计的解调模块进行了CCD光照度分布的实验,实验结果表明,当帧扫描频率不同时,CCD各个像素输出信号电压的实验值与计算值的相对误差均小于2.5%,同一像素输出信号电压的实验值与计算值的相对误差变化数值均小于0.005,随实验所用CCD帧扫描频率变化,信噪比以184Hz为分界点以两种变化斜率改变,验证了数学分析模型的有效性。

基于激光微加工的新型光纤法布里-珀罗折射率传感器

提出了一种新型的光纤法布里-珀罗（F-P）折射率传感器，该传感器由单模光纤头端面和靠近该端面的由157nm激光加工而成的短空气腔构成。短空气腔两个端面的反射光和光纤头端面的反射光发生干涉形成了传感器的反射谱干涉条纹。干涉条纹的对比度受光纤头端面外部的折射率影响，在干涉条纹包络的波谷处具有最大的对比度，外部待测折射率可通过计算该处的对比度得到。传感器对温度不敏感，测量范围广。在1．33至1．441范围内，折射率灵敏度约为27dB，分辨率约为1．12×10^-4在1.45～1．62范围内，折射率灵敏度约为24dB，分辨率约为1．26×10^-4。

空间扫描型光纤法布里-珀罗传感解调中信噪比的影响研究

结合单色频率绝对相位算法仿真分析了空间低相干干涉条纹信噪比对解调中干涉级次和绝对相位的影响,仿真结果显示,当条纹信噪比大于18 d B时,可避免干涉级次跳变问题,此时解调得到的绝对相位标准差随信噪比的增加呈线性减小趋势,在25 d B信噪比下其值可达到0.023 rad。通过改变光源强度进行了不同信噪比对解调影响的实验研究,实验结果与仿真分析结果基本一致。另外,压力解调实验结果显示,解调误差随信噪比增加而降低,在24.79 d B信噪比下压力解调误差为0.044 k Pa,相比18.10 d B信噪比降低了2.84倍。实验结果表明,在5~150 k Pa压力范围内,为保证0.05%F.S.（F.S.表示全量程）的解调精度,则信噪比应大于22 d B。

用于光纤法布里-珀罗传感器腔长互相关解调的光楔的数学模型研究

光楔是实现光纤法布里-珀罗(F-P)传感器互相关解调的重要光学元件。根据互相关解调的原理分析了造成光楔和光纤F-P传感器F-P腔的反射光相位不同的因素,进而建立了光楔的干涉光强的数学模型,在此基础上对具有不同反射率的光楔的干涉光强进行了数值仿真,和相同反射率的光纤F-P传感器F-P腔的干涉光强对比之后建立了光楔的简化数学模型。对光楔的简化数学模型进行的误差分析表明:当光楔的楔角小于0.1°且两端面反射率乘积不大于9%时,光楔的简化数学模型引入的误差小于0.6%。光楔的数学模型为建立基于互相关解调的光纤F-P传感系统以及进一步提高系统的解调精度奠定了理论基础。

激光微加工的光纤法布里-珀罗应变传感器

报道了一种在光纤内部通过采用157nm激光微加工一个自封闭法布里-珀罗(F-P)腔而形成的在线式全光纤标准具。实验研究了这种标准具的应变和温度特性,结果表明,在标准具两固定点相距1m的情况下,位移-相移系数和位移-谷值波长漂移系数分别为1mrad/μm和5.2pm/μm,曲线的线性度为99.92%;在18℃～500℃的温度范围内平均温度系数为0.13mrad/℃和0.64pm/℃,温度不敏感。实验证明该标准具有很好的传感特性,能满足各种应变测试的需要,如极好的条纹对比度(高达30dB)、低温度交叉敏感、大规模生产的极大潜能、低成本和耐恶劣环境能力强等。

基于LED调制和光纤阵列的多通道光纤法布里-珀罗传感解调系统研究

提出了一种基于发光二极管(LED)脉冲调制和光纤阵列的多通道光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感解调系统。在建立的多通道光程差分布理论模型基础上,通过采用光纤阵列实现了多通道并行光路的复用,并采用LED脉冲调制的方法实现了多个通道的切换,该方法能够有效地抑制耗尽层(PN结)温度升高,减小因PN结温度升高对解调的影响。实验研究了LED脉冲调制的占空比和频率的影响,表明在占空比低于60%、调制频率大于35 Hz时具有最优的解调效果。采用脉冲调制频率为50 Hz、占空比为12.5%的8通道解调系统实验表明,各通道解调一致性很好,并且在全量程范围(F.S.)所有通道的误差均在0.045%以内。

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30dB、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/℃(1 080℃)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130~1 080℃测温范围,测温误差小于±2.45℃,1 080℃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。

基于直接相位解调的双光纤法布里-珀罗位移传感器

条纹计数法解调精度受限,而常用的高精度外差调频解调法(如相位生成载波法、线性调频法),在光源调频过程中伴生有幅度调制并且调制解调系统复杂。提出了一种基于双光纤光路相位解调的法布里-珀罗(F-P)位移传感器,原理上省去了光源调频过程,在提高检测精度的同时,成本与条纹计数法相当。与已有报道的双光路结构不同的是,该传感器对两干涉光路之间相位差无严格要求,安装调节简单,降低了传感器的工艺难度。位移测量实验结果表明,该传感器在0～500μm的测量范围内,线性度为1.1%,误差限值为±3μm。

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矩阵方法分析了微透镜法布里-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100 μm的情况下,峰值透射比仍然大于50%。该微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪制作容易、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。

光纤法布里-珀罗传感器偏振互相关解调系统的复消色差光路设计

光纤法布里-珀罗(F-P)传感器被广泛应用于航空发动机的检测中。偏振互相关解调法是最常用的F-P腔长解调方法。在偏振互相关解调系统中,光学系统的轴向色差会引起零级干涉条纹的偏移和光强的减小,从而降低解调精度并减小信号幅值,因此分析了光学系统的轴向色差对解调的影响。为了减小光学系统的轴向色差对解调的影响,设计了一种应用于偏振互相关解调仪的复消色差光学系统。该光学系统在光楔长度方向上的轴向色差为1.9×10^(-4) m^(-1),最大光程差为0.021λ_0(λ_0为中心波长),光程差远小于F-P腔长。对于特定的解调系统,采用复消色差光路时,零级干涉条纹的测量值偏移量为2.85μm,小于CCD像素宽度的一半,并且CCD任意像素的光照度提高了3.75倍。