反射式双光纤传感探头的实验研究

选用一种标准化石英玻璃光纤与一种量产化大芯径薄包层特种石英玻璃光纤,构成同芯结构和异芯结构的两种反射式双光纤传感探头。制备四种不同结构参数的探头,对这些探头进行的性能测试表明:从最大测量范围、反射峰值光功率、降低制造成本、传感信息长程传输等多方面评估,确信本项研究找到了两种性能十分优越、非常易于大规模生产的反射式双光纤传感探头,为这类光纤传感器的生产与推广应用奠定了坚实基础。

用于检测痕量铅离子的功能化反射结构光纤干涉传感器

铅离子(Pb^(2+))是日常生活中常接触的有毒重金属污染物之一。本研究开发了一种新型反射式光纤干涉传感器,用于检测痕量铅离子。该传感器结构由单模光纤、无芯光纤和细芯光纤(TCF)依次拼接而成。TCF的包层被氢氟酸部分腐蚀并涂覆功能化的水凝胶传感膜。该传感膜选用甲基丙烯酸2-羟基乙酯(2-HEMA)作为识别单体。2-HEMA中的氧原子能与Pb^(2+)发生配体-受体相互作用,形成“-O-Pb-O-”交联结构,从而改变TCF的新包层有效折射率。因此,可以通过观察反射光谱中光信号的变化来检测水溶液中Pb^(2+)的浓度。所提出的传感器具有很高的检测灵敏度(1.926×10^(9)nm·mol^(-1)·L),其检测极限为4.14 ppt(1 ng·L^(-1)=1 ppt),比世界卫生组织(WHO)规定的饮用水中Pb^(2+)(10 ppb,1μg·L^(-1)=1 ppb)浓度低1000倍。此外,利用一个方程组实现了该传感器的温度自校准功能,成功地消除了环境温度的干扰。由于该传感器良好的特异性、稳定性以及反射式结构,非常便于实时远程检测,为环境和人类健康监测提供了广阔的前景。

基于超弱光纤光栅的声波传感探头增敏方法研究

针对光纤直接探测声波时灵敏度低的问题,提出一种超弱光纤光栅缠绕式薄壁圆筒的声波传感探头增敏方法。理论分析了薄壁圆筒半径、壁厚、弹性模量等参数对光纤探头声增敏的影响,仿真分析了光纤缠绕方式对探头谐振频率的影响,优化设计了弹性管式探头的结构。搭建了基于超弱光纤光栅声波传感系统,并对探头的声敏特性进行了测试。实验结果显示,探头的声压灵敏度最高可达到6.39746 rad/Pa(-103.8798 dB re rad/μPa),在1000~2000 Hz的平均声压灵敏度为3.30341 rad/Pa(-109.6208 dB re rad/μPa);相较于未增敏的裸光纤,探头的平均声压灵敏度提高了约31 dB。

少模光纤光栅温度和应变双参量传感研究

【目的】针对光纤布拉格光栅(FBG)传感时温度和应变的交叉敏感问题,文章对少模光纤(FMF)-FBG各个模式温度和应变的响应特性进行了研究,提出了一种四模FBG的温度和应变双参量传感器。【方法】FMF内可以同时传输基模和少数几个高阶模,兼顾单模光纤(SMF)低模式色散和多模光纤低非线性的优势,可以同时用于多个物理量的传感。通过分析FMF-FBG中LP 01模式在不同温度下应变的光功率灵敏度的不同,结合该模式下波长与温度和应变都有良好的线性度,从而实现了FMF-FBG的温度和应变双参量传感。【结果】研究结果表明,文章所提传感器可以较好地解决FBG传感时温度和应变的交叉敏感问题。【结论】相比于SMF-FBG,FMF-FBG同时拥有几个不同模式的反射峰,不仅可以解决温度和应变的交叉敏感问题,还可以大大提高传感的精度和稳定性,在新型传感领域有着很好的应用前景。

内凹正方角锥反射式光纤传感探头调制特性的数值模拟

针对以往滑觉传感器存在的不足 ,提出了一种新型的光纤滑觉传感机理 .这种传感机理的最大优点是系统抗电磁干扰 ,能实现全自动补偿 ,灵敏度高 .探头结构采用了全方位传感和全自动补偿技术 ,由 5根同种光纤构成 .在纤端出射光场光强分布公式的基础上 ,在小角度近似下 ,理论上推导出内凹正方角锥反射式光纤传感探头调制特性的简明公式 ,即输出信号与角镜转角成正比的结论 .证明了这种传感机理的可行性 ,并为这种传感器的后续信号处理提供了理论基础 .本文给出了非近似条件下的计算机仿真结果 .作出了传感器输出随反射镜调制转角变化的模拟图 .研究了影响这种传感探头调制特性的各种因素及初始结构优化参数 ,为光纤滑觉传感器的研制、开发提供理论指导 .数值模拟与理论公式相一致的结果说明 ,内凹正方角锥反射式光纤传感探头用于光纤滑觉传感器是可行的 .

基于双光纤光栅的加速度传感探头结构的设计

分布式光纤光栅加速度传感技术对微弱振动测量分析及其故障诊断具有重要的实用价值。采用副载波调频、波分复用技术提出了一种分布式光纤布喇格光栅加速度测量系统,并进行了基于双光纤布喇格光栅的加速度传感探头结构的设计。该传感探头具有尺寸小,质量轻,不受电磁干扰等优点,有较高的测量灵敏度和分辨率,而且能自动消除温度噪声和相位噪声的影响。

基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感器

以光子晶体光纤(PCF)为研究对象,以提高气体测量灵敏度为研究目标,提出一种反射式的光纤气体传感技术.首先,利用宽谱光源谐波检测技术,并结合实际应用需求,设计了基于空芯PCF的反射式气体传感系统,并详细分析了系统的工作原理.然后,针对空芯PCF与单模光纤耦合困难、气体填充时间长的问题,设计了集密封、固定及连接于一体的机械耦合装置作为测量气室.最后,以乙炔气体为例,测试了该系统的传感特性,体积分数分辨力可达0.02%,最大相对误差为1.39%.该技术将进一步推动PCF在气体传感中的应用,并为其在实际气体浓度测量中的应用提供了理论和实验基础.

双反射峰光纤布拉格光栅调谐与传感研究

介绍了一种基于光纤光栅封装技术的双Bragg波长调谐及传感方案。封装光栅使之产生双反射峰,一个峰对应力更敏感,便于应力调谐,另一个则被温度增敏,更适用于温度调谐。应力调谐时采用了特殊机构,使光纤光栅的张应变与压应变连续并有良好的线性关系,独立调谐范围达5.64nm,温度为23℃至60℃时的独立调谐范围达1.48nm。

垂直反射式光纤传感测温技术在高压开关柜的应用

目前变电站内用的高压开关柜基本为封闭式结构,开关柜内小车触头、母排、出线电缆接头等关键点温度监测较为困难。简要介绍了垂直反射式光纤传感测温技术的原理、方案、特点以及在变电站高压开关柜中的应用。

高灵敏双参量光子晶体光纤传感器的实现方法

提出了一种D型光子晶体光纤磁流体双芯填充的磁场和温度双参量测量传感器结构。通过缩小第1层空气孔的中心两个孔,增强共振效果,提升灵敏度。引入磁流体填充双芯的磁感通道和乙醇填充的温敏通道,实现高灵敏度传感与双参量传感。结果表明,传感器温度在-30℃~50℃,透射峰温敏度为1.239 nm/℃,线性度达0.9957,损耗峰温度光谱灵敏度为2.514 nm/℃,线性度达0.99717。外界磁场在10 mT~30 mT,透射峰磁场灵敏度为-3.799 nm/mT,线性度达0.99727,且温度的测量误差为1.135%,磁场的测量偏差为6.67%,具有灵敏度高、测量准确、结构紧凑及工艺简单等特点。该研究可进一步优化D型PCF-SPR(photonic crystal fiber based on surface plasmon resonance,基于表面等离子体共振的光子晶体光纤)双参量解调传感的设计。

反射式光强调制型光纤传感器的应用及发展

论述了反射式光纤传感器的原理和发展,并介绍了其在实际测量中的一些具体应用。

新型反射式光纤位移传感系统的研制

普通反射式光纤位移传感器的测量范围小,若用单片机对不同类型光纤位移传感器的输出信号进行处理,可研制出一种测量范围的新型的光纤位移传感系统。

基于双斜坡法的光纤应变快速测量方法

为了提高基于布里渊散射的光纤应变测量的实时性,将仅根据两个工作点布里渊增益计算布里渊频移的双斜坡法用于光纤应变测量。介绍双斜坡法的基本原理,基于仿真布里渊谱研究左右两侧工作点选择对布里渊频移计算准确性的影响规律,确定最佳的工作点。基于确定的最佳工作点和不同信噪比的布里渊谱,研究信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)对双斜坡法和最小二乘拟合法准确性的影响规律。结果表明:双斜坡法的两个工作点围绕光纤沿线布里渊频移的均值对称时误差最小;随两个工作点频率之差的增加布里渊频移误差先减小后增大。相似准确性下双斜坡法的布里渊谱测量时间仅为最小二乘拟合法的约1/30,布里渊频移的计算时间仅约为后者的1/480。

新型反射式光纤位移传感系统的研制

普通反射式光纤位移传感器测量范围小,本文用单片机对不同类型光纤位移传感器的输出信号进行处理,研制了一种新型的光纤位移传感系统,使测量范围扩大。

双悬臂梁光纤Bragg光栅应力传感器

报道了一种新颖的光纤Bragg光栅应力传感器.理论分析和实验证明了这种传感器Brrag光栅中心波长随应力变化的线性工作区.将光纤Bragg光栅贴于双悬梁的梁端面,在双悬梁的自由端部施加载荷,对光纤Bragg光栅的应力响应特性测试.当所加载荷为300 g时,光纤Bragg光栅中心波长变化了0 .156 nm.从实验上获得了-0 .05 nm/N的应力响应灵敏度.该结构具有应力增敏作用,且应力响应的线性、重复性和迟滞性较好.应力响应灵敏度随着梁的大小以及材料的力学参量的改变而改变.

光纤麦克风传感探头的设计研究

提出了一种新型反射式光纤麦克风的理论设计 ,首次采用了Y形单根多模反射式光纤传感探头结构的形式 ,并在对光纤传感探头的理论研究基础上建立数学模型 ,给出了接收光纤接收光强的计算公式以及光强调制的理论曲线。另外 ,从理论和实验两个方面设计了实验型光纤麦克风并给出系统设计的整体结构框图。

CO_2激光刻写长周期光纤光栅与光纤MZ结构的双参数传感特性

为了实现温度与应变的双参数高精度传感测量,提出了一种CO_2激光刻写长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,LPFG)与光纤马赫-增德尔(MZ)干涉型结构的光纤传感器,利用CO_2激光刻写制作LPFG并利用错位熔接法制备光纤MZ结构,将二者级联并实时监测温度及应变变化时的透射谱变化,研究了其传感原理并验证了其温度及应变传感特性。实验结果表明:该双参数光纤传感器的LPFG仅对温度敏感,MZ干涉结构对温度和应变都敏感;在温度范围35~70℃时,LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度39.17 pm/℃;MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度为37.50 pm/℃;当应变范围0~450με时,MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/με,卸载灵敏度为4.24 pm/με。为温度和应变的实时测量提供了一种灵敏度高、线性度好的光纤传感器。

基于SMS-FBG结构的温度应变双参数传感特性研究

提出了一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤干涉结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的光纤微结构温度应变双参数测量传感器,并对其应变特性、温度特性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将长度为35.5 mm的多模光纤熔接在两段单模光纤之间,构成SMS光纤干涉结构,并通过级联FBG制成温度应变双参数测量传感器。结果证明,在200~2000με应变范围内,单模-多模-单模干涉结构和FBG的应变灵敏度分别为-2.31和1.22 pm/με,线性度分别达到0.9992和0.9994;在580~700℃温度范围内,其温度灵敏度分别为58.79和13.64 pm/℃,线性度分别达到0.9967和0.9982,可实现温度、应变双参数的同时测量。

长啁啾光纤光栅分布式双参量传感特性研究

针对在复杂条件下传统精密位置传感器易受电磁干扰,复合材料兼容性差等问题,提出了一种基于长啁啾光纤光栅的分布式位置与压力双参量传感器。建立了长啁啾光纤光栅双参量传感模型,通过数值仿真对长啁啾光纤光栅双参量传感器理论模型进行了验证。并建立了长啁啾光纤光栅双参量传感系统,实验表明该传感器对于位置参量在全量程范围内具有50μm的空间分辨率与99.99%的线性度;对于横向力具有0.003 399 d B/N的灵敏度系数与99.8%的线性度。该传感器可以应用于复杂环境下的精密横向力测量及定位。

双通道光纤浊度传感器的设计

在散射透射比值浊度测量法的基础上,采用光纤传感技术,设计了一种双通道在线浊度传感器。光源通过光开关双通道交替发光,同时光谱仪根据发光通道的改变分时交替测量透射光和散射光。论述了传感器的检测原理和结构设计。利用散射透射光强比值的平均值表征浊度。共用同一光源和光谱仪,并利用光纤传输光信号,增强了稳定性和抗干扰能力,降低了成本,结合空分和时分复用技术可拓展实现浊度的准分布式多点在线监测。