基于马赫-泽德干涉仪级联结构的高灵敏度光纤温度传感器

光纤温度传感器由于其结构的小型化和抗电磁干扰能力强受到了研究者的广泛关注,但目前部分传感器灵敏度无法满足实际需求。针对这一问题,提出了一种基于Lyot滤波器和马赫-泽德干涉仪级联的高灵敏度光纤温度传感器。马赫-泽德干涉仪由两个级联的气泡型凸锥组成,因其全保偏光纤结构具有较好的稳定性。同时,作为传感干涉仪的Lyot滤波器是通过在两个线偏振器之间以45°角熔接一段保偏光纤制成。通过调整Lyot滤波器中传感部分保偏光纤的长度,使其自由光谱范围接近马赫-泽德干涉仪,从而产生游标效应增强级联传感器的灵敏度。实验结果表明,Lyot滤波器的灵敏度为-1.4 nm/℃,级联传感器的灵敏度提高到-28.3 nm/℃,灵敏度放大倍数为20.2。所提出的光纤温度传感器偏振稳定性强、制作简单、灵敏度高,能够满足工业领域中的高精度应用需求。

基于开腔式马赫-曾德尔光纤干涉仪的高灵敏溶液浓度传感器

溶液浓度是表征溶液特性的关键参数之一,当监测和控制溶液浓度特性时,需要实时分析监测某些溶液的浓度。光纤传感器由于具有灵敏度高、结构小巧紧凑、响应速度快、抗电磁干扰及远距离实时检测等优点,广泛用于各种物理、化学以及生物测量传感。为了实现高灵敏的溶液浓度测量,通过大错位熔接技术将三段单模光纤制备成开腔式马赫-曾德尔(Mach-Zehndel,M-Z)光纤干涉仪,通过监测干涉条纹某一损耗峰的波长漂移,实现了溶液溶度高灵敏度的检测。实验结果表明,该开腔式光纤干涉型溶液浓度传感器结构小巧、可重复性高、灵敏度高,灵敏度为-25.27 nm/%。

基于多模干涉与马赫-曾德尔干涉效应的光纤振动传感器研究

提出了一种结合多模干涉效应的新型马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构,并将其用于振动检测研究。与基于两个3 dB单模光纤耦合器(OC)级联而成的传统MZI不同的是,文章采用多模OC与单模OC共同构成MZI。利用芯径为105μm的阶跃折射率分布多模光纤与芯径为62.5μm的渐变折射率分布多模光纤分别采用熔融拉锥法制作了分光比为1∶1的3 dB多模OC,并将其分别与3 dB单模OC构建了MZI,同时为了对比,也利用两个单模OC构建了MZI。分别对采用不同类型OC构建的MZI中的一个干涉臂施加振动干扰,并使用示波器进行数据采集和分析。结果表明,基于芯径为105μm的阶跃折射率分布多模耦合器构建的MZI具有最大的可检测振动频率范围,为1~20 kHz,同时在振动频率偏差和振动频率鉴别能力上也表现最优。

基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器设计

电流互感器作为一次侧电流的常用计量设备之一,它在电力系统的交流电测量、继电保护、电力设备检修控制等相关领域均具有十分重要的地位。针对传统电流互感器存在的线性度低、抗干扰能力差及精度低等问题,尤其在工频小电流精确测量这一难题方面更是捉襟见肘。鉴于此,本文提出一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器。该互感器利用电流经过电阻所产生的焦耳热改变光纤中的光信号特征,从而引起马赫-曾德干涉仪的输出信号变化,然后通过光电探测器完成对干涉仪的光信号捕捉,并将其转换为电信号输出,完成工频小电流检测。结构上通过采用PCB型罗氏线圈作为感应取电装置,并利用MATLAB完成其动态响应分析。另外针对信号采集、传输、处理过程中所出现的噪声信号,设计了基于FPGA技术的信号处理系统,以提高信噪比。最后通过实验对工频小电流进行测量,线性度为0.9961,检测精度可达到0.14%。实验结果表明提出的光纤电流互感器相较于传统光学电流互感器相比,具有更高的线性度和测量精度,为基于热效应的电流互感器发展提供了新的思路,也为工频小电流的测量提供了一种新的方法。

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合，一部分进入纤芯传输，另一部分进入包层形成包层模，纤芯模和包层模具有不同的有效折射率，经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合，形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究，得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性，给出了温度响应灵敏度。实验结果表明，在30～400℃温度范围内，长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度，其响应灵敏度为0．115 nm·℃^-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析，可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP01和高阶模LP08两种模式，透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰，具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器。将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7cm、锥腰直径为30.1μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系。将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50%∶50%的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器。从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25~50mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86nm/℃。该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域。

基于马赫-曾德尔干涉仪的全光纤梳状滤波器的研究

交叉复用Interleaver技术已成为解决网络扩容的有效办法。而全光纤型的梳状滤波器由于其优异的特性使其成为交叉复用技术的首选。本文对于几种基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪制成的梳状滤波器介绍了他们的数学模型以及对他们的输出光谱等特性进行了仿真和比较,说明了其应用前景及其优异的特性。

基于混合干涉结构的光纤温盐深传感器设计

提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪(FPI)级联马赫-曾德干涉仪(MZI)的混合干涉型光纤温盐深传感器。利用两段单模光纤与二氧化硅(SiO_(2))毛细管制作了28μm的FPI微腔。FPI导出单模光纤依次与大芯径多模光纤、细芯光纤对准熔接,并在细芯光纤后错位熔接单模光纤,FPI导出单模-多模-细芯-错位熔接单模构成MZI。对传感器的温度、折射率及深度响应特性进行了理论分析和实验研究,通过监测反射谱和透射谱,选取不同的特征波长。实验结果表明:FPI对折射率变化不敏感,温度和深度灵敏度为0.578 nm/℃和1.297 2 nm/cm, MZI两个特征波谷对温度灵敏度分别为0.052 4 nm/℃和0.055 2 nm/℃,折射率灵敏度分别为-35.157 nm/RIU和-27.581 nm/RIU,对深度变化不敏感。该传感器具有制作简单、成本低廉等优点。

马赫-曾德尔光纤干涉仪型梳状滤波器优化计算

提出了一种具有方波形输出谱的级联马赫-曾德尔光纤干涉仪型梳状滤波器的优化计算方法。利用传输矩阵法将级联马赫-曾德尔光纤干涉仪的输出光谱表示为显式函数,采用独特的递推方法将理想的梳状滤波器的方波型输出函数展开,当这2个函数的系数对比时,有时候没有精确解,此时利用Matlab,通过特别的优化计算,可以得到级联马赫-曾德尔光纤干涉仪的近似结构参数,使其输出谱近似为方波。设计实例表明:此种优化计算方法非常方便、灵活和有效。

金属基底增敏的干涉型高温光纤传感器

为了实现对井下潜油电泵机组温度的实时监测,设计了一种由粗锥型单模--多模--单模(Coarse Cone Singlemode-Multimode-Singlemode,CCSMS)构成的马赫--曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)型高温光纤传感器。该结构采用直接熔接的方法将单模光纤与多模光纤相熔接;接着通过调整熔接机的熔接参数,在单模光纤上制作出粗锥结构;最后将制备的结构嵌入铜基板的U型槽中,实现传感器的增敏封装。对封装后的传感器的温度响应特性进行了测试。实验结果表明,在40~250℃的温度范围内,该传感器实现了灵敏度为124.9 pm/℃的温度传感。对其稳定性和重复性进行了测试。结果表明,传感器的稳定性最大误差约为0.44%,重复性最大误差约为2.29 pm/℃。该传感器具有灵敏度高、重复性和稳定性好的特点,有望用于油气井下潜油电泵机组的温度监测。

基于光纤马赫-曾德尔干涉仪光纤水听器的实验研究

本文对基于马赫-曾德尔干涉技术的光纤水听器系统进行了实验研究.根据光外差检测原理,利用自制的全光纤马赫-曾德尔干涉仪系统,对鱼群活动引起的扰动信号进行了测量和分析.得到在一定条件下,随着鱼群活动区域面积的增加或温度的降低,探测灵敏度呈线性减小,最小分辨能力下降的结论.实验结果表明:随着活动区域直径的降低,系统灵敏度分别为1.606 6、2.349 9和2.412 5μW/条,最小分辨力分别为14、10和8条;随着活动区域温度的降低,系统灵敏度分别为1.339 1、1.022 7和0.432 1μW/条,最小分辨力分别为4、6和18条,测量结果与分析得到的结论一致.

基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤扭转传感器

提出一种基于马赫-曾德尔干涉仪的扭转传感器,通过实验进行了验证。干涉仪采用无芯光纤-七芯光纤-无芯光纤的结构,当七芯光纤发生扭转时,中心纤芯和外部纤芯的相位差发生变化,使得其透射光谱随之改变。实验结果表明,随着七芯光纤扭转角度的增加,输出光谱的下陷峰向短波长方向偏移,其传感敏感度为0.33nm/(°),角度最小测量精度为0.15°。所提光纤传感器具有成本低、构造简单、制作简便的优点,可以应用于涉及扭转、旋转等的角度测量领域。

基于偏芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的电流传感器设计

该文开展了基于偏芯光纤马赫-曾德尔干涉仪和磁致伸缩介质Galfenol构建的光学电流传感系统的实验研究,为“传感器原理”课程中电流传感理论教学环节做实验示范。利用透射光谱中波谷处的光波长解调待测电流信号,相应的电流灵敏度为66.8 nm/A。该传感器提供了一种电流信号测量的替代方法,在电力和电子电路相关行业中具有一定的应用价值。教学实践结果表明:通过引入电流传感系统的实验教学,可激发学生学习兴趣,加深学生对传感系统相关理论知识及实际应用价值的理解,提高学生分析与解决实际问题的能力,取得了良好的教学效果。

双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度特性

对适用于温度传感的双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪进行了研究,并通过将一根单模双芯光纤熔接在两根单模光纤之间,制得了双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪型梳状滤波器。用干涉原理分别分析了该器件传输谱的自由空间谱宽与波长、双芯光纤的长度和两纤芯间的有效折射率差的关系,实验检测了它的温度特性。结果显示,随着温度的升高,该器件的传输谱发生红移。在相同温差下,不同波长处的波长漂移值不同,短波长处波长漂移较小,长波长处波长漂移较大。在固定波长处,该器件的传输谱的波长漂移实验数据与温度变化具有较好的二次曲线关系。该器件的温度灵敏度和波长有关,不同波长处灵敏度不同;固定波长处,灵敏度与温度成正比。另外,通过对单模光纤与双芯光纤熔接处的拉锥处理,可以有效降低所制器件的插入损耗。实验制得了插入损耗约为7 dB的梳状滤波器,其体积小、制作容易、与光纤系统具有良好的匹配性,可应用于光纤温度传感。

基于3×3耦合器的双马赫-曾德尔干涉仪数字化相位解调

由于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉传感系统的定位精度在实际应用中受到初始相位偏移的影响,本文针对系统的光路结构,提出了一种基于3×3耦合器的被动数字化解调方法。利用3×3耦合器的2路输出信号构成椭圆曲线,在约束条件下对信号系数进行最小二乘拟合,然后采用微分交叉相乘法解调出相位信号。与传统的解调方法相比,提出的方法降低了对耦合器高对称性的要求,不需限制其它参数;约束条件下椭圆拟合的鲁棒性好,尤其是对于椭圆度较差的数据点具有很强的适应能力,适用于微弱振动信号的解调。仿真结果和现场实验数据证明该方法切实有效,运算量小,利用现场数据解调出的相位信号相关性达到0.992 0;互相关计算显示其在总长43km的管道上的定位误差为81.2m,有效提高了系统性能。

基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪的电压传感研究

利用压电陶瓷 ( PZT)的电致伸缩效应 ,我们报道了一种全光纤马赫 -曾德尔干涉仪 ( MZI)电压传感器 ,对直流电压传感特性进行了实验研究 .采用波长定标法 ,在消除环境干扰的情况下 ,当直流电压在 -58～ 58V范围内变化时 ,波长改变了 3 .86nm,调谐灵敏度为 0 .0 3 3 nm/ V,线性拟合度为 0 .

非对称马赫-曾德尔干涉仪型不等带宽光学梳状滤波器

为提高光交错复用器系统带宽的有效利用率,满足系统中不同传输速率对带宽的要求,针对信道间隔为50 GHz的输入信号提出了新的非对称MZI型不等带宽光学梳状滤波器,研究了该系统的输出谱和制作方法。基于光纤传输理论分析了设计构成,给出了输出谱表达式及设计中所需要的实验参量。当滤波器的两对光纤干涉臂长度差相等,各耦合器的耦合系数选取适当时,该器件实现了奇偶信道上不等带宽输出,可分别用于10 Gb/s和40 Gb/s传输,信道间隔为0.8 nm,信道隔离度>25 dB;分析还发现该器件对3个耦合器的耦合参数不敏感。实验表明:该器件不仅能实现不等带宽输出功能,在实际制作过程中还由于器件对耦合器的耦合参数要求不是十分严格而降低了器件实际制作难度,因此具有实用价值。

基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器研究

为进一步促进光学电流互感器(OCT)在电力系统中应用,将光纤传感技术与磁致伸缩材料相结合,提出了一种新型的OCT的设计方法。将干涉仪的两个臂分别沿平行于磁场方向和垂置与磁场方向回环粘贴在正方形磁致伸缩材料的两个表面上,确保光纤均匀、对称分布,上下表面上光纤正交排列、匝数相同,形成双臂对称型的马赫-曾德干涉仪,得到了一定的温度补偿,消除了磁致伸缩材料热膨胀带来的测量影响,测量误差为0.65%,表明了该结构能达到温度补偿的效果,在一定程度上解决了阻碍OCT实用化进程的测量温漂问题。

一种基于半导体光放大器马赫-曾德尔干涉仪的新型全光信头和净荷分离方案(英文)

提出一种新型的光分组信头净荷分离方案.利用一个非对称半导体光放大器马赫-曾德尔干涉仪提取出信头脉冲,然后再利用对称的SOA-MZIs构建异或门,完成信头脉冲和光分组脉冲在差分调制下的逻辑运算,提取出净荷脉冲.在50Gb/s速率下,数值仿真表明提取出的信头和净荷信号的开关比均超过16dB.此外通过更改参数设置.该方案还可以应用到不同速率,不同信头长度的信头净荷分离中.

一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪滤波器

为改善普通马赫-曾德尔干涉仪(MZI)滤波器的输出性能,采用将双微环谐振器与马赫-曾德尔干涉仪相结合,设计出一种新的滤波器结构。采用信号流程图理论分析得出该结构的传递函数,并对输出端口的透射谱进行数值模拟分析。仿真结果表明,与普通马赫-曾德尔干涉仪滤波器相比,当选择合适的耦合系数,双微环谐振器辅助马赫-曾德尔干涉仪滤波器的透射谱顶部平坦,形状类似于方形,自由光谱范围达到了19nm,锐度因子为1.16,消光比为54dB,品质因子为94.5,滤波性能得到较大改善。详细研究了耦合系数和微环半径对滤波器输出性能的影响。