马赫-泽德光纤传感器实验研究

基于光纤传感这一现代科学技术,利用Newport光纤组合实验器件,搭建了一套最基本的马赫-泽德(M-Z)干涉传感器装置。通过本实验的练习,对于开阔理工科院校学生的视野,提高他们的学习兴趣具有重要的作用。同时,对于引导学生迅速进入工程应用的前沿领域也有良好的导向作用。

光纤温度传感器的设计与实现

本文设计了一种基于马赫-曾德尔干涉仪原理的相位调制型光纤温度传感器。介绍了实现方法和实验现象。说明了通过热敏电阻标定温度与干涉条纹数之间关系的方法。着重分析讨论了利用CCD进行干涉条纹采集及利用MATLAB软件对条纹图像进行滤波、边缘提取等处理的一种新方法。给出了条纹移动数判别的程序编写方案,实验中得到了较好的温度测量结果。结果表明用此方法实现光纤温度传感是一个较为可行的方案。

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。

马赫-泽德光纤干涉仪的类别、特性及应用

马赫-泽德光纤干涉仪具有许多光电传感器无法比拟的优点,在国防军事,工业民用及高科技领域中都有着广泛的应用。本文介绍这类传感器的类别、特性及应用。

基于MZI与DSO的高灵敏度光纤温度传感器

该文介绍了一种基于马赫-则德尔干涉仪(MZI)与二甲基硅油(DSO)相结合的高灵敏度光纤温度传感器。传感器由MZI及填充在其表面的DSO组成。MZI由单模光纤-锥形无芯光纤-单模光纤构成。填充DSO后,MZI的谐振峰向右有小的漂移。通过跟踪MZI谐振峰波长随温度的变化,对环境温度进行测量。经测试,传感器的温度灵敏度为-97.7 pm/℃,而未填充DSO的MZI温度灵敏度为-50.1 pm/℃,传感器灵敏度提高了约1.95倍。该传感器具有结构制作简单,造价低及灵敏度高等优点,具有一定的应用前景。

关于光纤马赫-泽德尔干涉仪多参量测量的性能探讨

从解调理论入手 ,对光纤马赫 -泽德尔干涉仪的多参量测量功能进行了探讨 ,得到在一定条件下 ,通过对输出信号的频谱分析可同时检测调强。

同时测量温度与折射率的细芯锥形光纤传感器

在工程实际中,具有多参量同时测量功能的光纤传感器有很大的市场需求。为了实现多参量的同时测量,提出了一种“单模—无芯—细芯—无芯—单模”光纤熔接与拉锥的马赫-泽德尔干涉仪传感器。细芯光纤作为传感器的主要传感元件,利用多功能光纤熔接拉锥机对细芯光纤进行了精准拉锥,提高了传感器对环境温度与折射率的敏感度。研究了传感器对环境温度与折射率的传感特性,利用传感器透射谱中2个谐振峰波谷的温度和折射率灵敏度,构建测量矩阵,消除了交叉敏感,完成了温度与折射率的同时测量。实验结果表明:传感器透射谱谐振峰波谷的中心波长随温度变化、折射率变化均有很好的线性关系,最大温度灵敏度达到33.63 pm/℃,最大折射率灵敏度为-135 nm/RIU。该传感器尺寸小、集成度高、结构简单、制作容易、灵敏度高,在工业、民用、日常生活等方面有一定的应用价值。

分布式光纤传感器的周界安防入侵信号识别

在分布式光纤周界安防系统中,对距离较长、背景环境复杂的边境进行检测时,系统根据光缆沿线发生的事件进行识别。为了区分各种引起光缆振动的激励,本文根据入侵信号与环境引起的振动信号在小波尺度上方差幅值的分布特征,利用小波多尺度分析理论构造了由各尺度下的方差组成的特征向量,提出了根据方差特征向量的不同来识别各种振动信号的"尺度-方差"信号的方法。在实验系统中,光缆总长度为56km,光源的功率为300μW,工作波长为1550nm。实验结果表明,此方法可以有效区分入侵信号、环境噪声和人为活动引起的非入侵事件,提高了系统的检测概率和降低系统的虚警率。

光纤光栅马赫-曾德干涉仪条纹信号的傅里叶分析

基于长周期光纤光栅马赫-曾德干涉仪的频分复用技术是实现光纤多参量传感的重要途径.研究了频分复用中复合条纹信号的傅里叶处理方法,分析了傅里叶频谱中和频与差频信号的幅值与单个干涉条纹信号的关系,提出了抑制和频与差频信号的有效方法,即改变光栅结构参量适当降低中心波长处的条纹对比度以提高频谱信号的信噪比,增加特征频谱滤波的有效性.结果表明:经过优化调整的傅里叶频谱信噪比可以提高至原来的2倍以上;对比频谱调整后恢复相位的余弦曲线与原条纹信号发现,频谱信噪比提高的同时保留了反映各单个原条纹特征的足够相位信息.该光谱优化方法可为基于光纤光栅马赫-曾德干涉仪和频分复用的光纤多参量传感技术提供理论与技术指导.

光纤分布式扰动传感器中瑞利和受激布里渊散射光谱特性及其影响研究

针对光纤分布式扰动传感器长距离应用定位误差增大的问题,研究了传感器长距离光纤中的瑞利散射和受激布里渊散射的光谱特性及其对系统定位精度的影响。建立了长距离光纤中瑞利和受激布里渊散射的数学模型,通过仿真研究发现散射光波的杂波干涉和强度噪声会严重降低干涉仪的光学信噪比,从而导致定位误差。通过实验验证了仿真结果的正确性。研究结论可以为提高长距离应用定位精度提供理论指导。

多点扰动对光纤分布式扰动传感器定位准确度的影响

基于激光干涉原理,建立了基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤分布式扰动传感器多点同时扰动的信号模型.在此基础上,通过数值模拟研究了多点同时扰动对传感器定位准确度的影响,明确了多个扰动信号同时作用时扰动的幅值比和位置差不同情况下传感器的定位准确度.仿真结果表明:当多点同时扰动的信号幅度差别大于等于20倍时,可以给出较强扰动的定位信息;当多点同时扰动的空间距离小于等于100m时,可以近似看成单点扰动.在光路中增加偏振分束器来抑制偏振衰落的影响,并采用信号发生器对实验光路中的两个压电换能器同时施加正弦信号来模拟扰动进行实验.实验结果表明:在5km和10km的位置同时施加扰动,当两个扰动的幅值比大于等于20时,距离较强扰动点的最大定位误差的最大值为200m;在5km和5.05km位置同时施加幅值比为1的扰动,距离5km位置的最大定位误差为200m,验证了仿真结果的正确性.该研究为多点同时扰动条件下光纤分布式扰动传感器定位准确度的提高和误报率的降低提供了理论指导.

分布式光纤传感器周界安防入侵信号的多目标识别

针对分布式光纤在周界安防系统中信号种类,即不同的环境下产生的噪声信号干扰和常见的入侵产生的信号。本文基于全光纤马赫—泽德干涉仪的分布式光纤传感模型,提出了一种识别常见的越境信号和消除环境噪声干扰信号的方法,实现了在去除环境干扰的情况下,用BP神经网络对多种入侵信号识别。实验结果证明,该方法能够有效的区分越境信号和不同环境状态产生的噪声信号,极大的提高了整个系统的识别率,降低了其虚警率。

光纤传感器的研究进展

本文首先概述了光纤传感器的研究状况,其次分析了基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤传感器的工作原理,然后简单的介绍了它在土木工程中的应用及安装工艺,最后对光纤传感器的发展进行了展望。

新型光纤传感器的飞秒激光制作及其替代方法研究

本论文主要研究内容包括：①研究了飞秒激光微加工的特点，在石英玻璃和光敏玻璃上加工出高质量微结构；针对近红外飞秒激光制备长周期光纤光栅（long period fiber grating，LPFG）时存在的焦点与纤芯相对位置难调、信号较弱等缺陷，提出一种改进的加工方法并利用飞秒激光加工了高性能LPFG；针对光纤光栅传感器灵敏度低、易受环境因素交叉敏感等缺陷，采用飞秒激光加工了三种新型高灵敏度光纤马赫-泽德干涉仪（Mach-Zehnder interferometer，MZI）传感器，并将其应用于折射率和温度等传感测试；②虽然飞秒激光制作的光纤传感器具有很好的性能，但成本较高，不利于工业化大批量生产，对此本文提出采用电弧放电的方法制备了三种新型低成本光纤 MZI 传感器，并用来进行折射率、温度和转角等物理量测试，还进一步提出通过降低光纤包层厚度的方法提高折射率灵敏度；③讨论了基于回廊模的光纤传感器原理，搭建了微球与光纤锥耦合的测试平台，还提出利用单根光纤制作光纤圈式回廊模传感器的新方法，并将该传感器用于测试折射率、转角变化。本论文提出的新型光纤传感器具有耐高温、高灵敏度、低交叉敏感和工艺简单等优点，极具产业化应用潜力。

带风雨探测器的光纤传感器周界报警系统研制

介绍了基于马赫一泽德干涉仪结构的光纤传感器应用于周界报警系统，能够对发生在传感器区域的扰动信号进行报警和监控，并具有极高的灵敏度。风雨探测器可以减少周界报警系统误报警率，这对于报警系统实现工程应用具有突破性进展。

新型熔锥型M-Z光纤干涉仪的研究与设计

对熔锥型M-Z光纤干涉理论中的模间干涉进行了研究,给出了熔锥型Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪结构设计,采用熔锥型M-Z干涉仪进行了折射率和温度传感仿真实验。仿真结果表明,该干涉仪具有一定的实用价值。

基于LP_(01)和LP_(11)模式干涉的少模光纤温度传感器

提出了一种基于LP01和LP11模式干涉的少模光纤温度传感器,利用单模光纤(SMF)和少模光纤(FMF)在入射端偏芯熔接、出射端对准熔接制作而成。利用标量法对FMF建立理论模型,通过光场的电磁边界连续条件推导出了FMF的特征方程,并通过对特征方程数值求解详细分析了FMF中的传输模式;通过有限元分析软件对上述理论模型仿真计算,验证了理论计算结果的正确性;利用制作的传感器进行温度传感实验,并对不同温度下的传输光谱进行傅里叶变换,对参与干涉的两种模式进行了分析。根据光纤的热光效应,建立温度传感模型,分析计算该传感器的温度灵敏度,实验结果与理论计算一致。利用上述特性制作的传感器进行温度测量,当温度发生变化时,干涉峰发生漂移,在25.3~77.3℃范围内,传感器长度为16mm时,温度灵敏度为158.06pm/℃。该传感器能广泛应用于工业生产、生物医学等领域的温度测量。

一种双参量同时测量的MZI传感器

为了获得能够实现双参量同时测量的高灵敏度光纤传感器,设计了一款单模光纤-无芯光纤-单模光纤拼接结构的马赫-泽德尔干涉仪(MZI)传感器,通过对无芯光纤进行精准拉锥,提高了传感器对外界参量变化的敏感度。实验研究了传感器透射谱与轴向应变和环境折射率之间的变化规律,发现传感器透射谱谐振峰波谷的中心波长与轴向应变、折射率之间均有很好的线性关系,最大应变灵敏度为7.829 pm/με,最大折射率灵敏度为330.2 nm/RIU。此外,利用轴向应变与环境折射率灵敏度构建测量矩阵,消除了交叉敏感,实现了轴向应变与环境折射率的同时测量。

分布式光纤安防系统传感和定位技术研究

提出了一种基于马赫-泽德(M-Z)干涉仪原理的分布式光纤振动传感与定位的技术,该技术可实时检测整个光纤沿线发生的振动信息,并利用该技术设计了一种安防报警系统。分析了该系统的定位工作原理,理论分析和模拟实验表明系统具有很高的检测灵敏度。在总长度为18.46 km的光纤上进行了实验,系统实时地给出振动的位置,平均定位误差为42 m,将光源功率增至300μW,可对长度26 km的光纤上的振动信号进行定位。

取样长周期光纤光栅多通道带阻滤波器

提出一种基于取样长周期光纤光栅制作的多通道带阻滤波器,采用不同的分析方法对其传输特性进行了较详细的分析,分别给出光栅参数与其透射特性和时延特性之间的关系,并得到具有一致性的结果,由此得出的结论对器件的优化设计具有实际指导意义。