改进PDMS的高灵敏度C-LPFG丙酮气体传感器研究

本文研究了一种基于级联长周期光纤光栅(C-LFPG)丙酮气体传感器。以单个长周期光纤光栅(LPFG)结构为基础,对聚合物敏感涂层聚二甲基硅氧烷(PDMS)折射率变化进行了仿真分析,研究了LPFG和C-LPFG对丙酮气体的灵敏度的影响。结果表明:优化PDMS后C-LPFG传感器的灵敏度约为-605 nm/RIU,相较于传统C-LPFG的灵敏度增大了约6倍,是传统LPFG传感器灵敏度的5.26倍,检测范围扩大了约1.5倍。

长周期光纤光栅(LPFGs)的谱结构研究

利用相位匹配条件,从理论和实验上研究了均匀LPFGs的谱结构特点结果表明,导模和不同包层模耦合产生的光谱特性有很大差别在模序较小时,谱宽较小;模序增加,谱宽也增加;在某一模序附近,谱宽达到最大;以后随模序增加,谱宽迅速减小给出了LPFGs中透射谱的最大损耗率及3dB带宽与包层模序、光栅周期、耦合系数和栅长的关系这些关系对设计满足特定最大损耗率和带宽的带阻滤波器或增益均衡器提供一种理论参考选用不同的包层模、耦合系数和栅长。

应用LPFG/EFPI集成式光纤传感器实现温度及应变的同时测量

叙述了基于LPFG/EFPI的集成式光纤传感器的结构、温度和应变同时测量的原理及实验 ,首次制作了该传感器并测试了其性能 实验结果表明温度精度为± 0 .5℃ ,应变精度为± 2 0 με 。

镀有SiO_2-WO_3纳米复合薄膜LPFG气体传感特性研究

以钨粉和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺和浸渍提拉镀膜方法,在玻璃衬底上制备出了具有气敏传感特性的SiO2-WO3纳米复合薄膜.采用原子力显微镜和X射线衍射仪表征了薄膜样品的表面形貌和物相结构.实验结果表明:掺杂SiO2使WO3薄膜中的颗粒尺寸减小,空隙率提高,比表面积增大.将SiO2-WO3复合薄膜镀于长周期光纤光栅上(LPFG),在室温条件下,将LPFG置于体积分数为2%的NO气体中,LPFG谐振峰红移了4.77 nm,损耗由-9.93 dB变为-8.53 dB,相应的气体传感灵敏度达到3%,元件响应时间10 s,恢复时间20 s.

单个LPFG实现溶液温度和折射率测量的两种方法

长周期光纤光栅(LPFG)具有不同损耗峰,对外界环境表现出不同的灵敏度;一个损耗峰近似线性区的光强对数值与外界环境参量均具有线性关系,并且折射率在一定范围内时损耗峰中心波长与外界环境参量同样具有线性关系。本文提出两种单个光纤光栅进行温度和折射率同时测量的方法,长周期光纤光栅透射谱的两个不同阶次的损耗峰具有不同的温度和折射率灵敏度;一个损耗峰的近似线性区内光强对数值和其损耗峰同样具有不同的温度折射率灵敏度。利用这两种谱特性实现单个光栅双参数测量。对长周期光纤光栅的光谱进行理论分析和数值仿真,证实了这两种方法的可行性。单个长周期光纤光栅作为传感器较其他结构复杂的传感器的灵敏度相对较低,由于其解调简单、成本低廉、体积小巧,具有很好的应用前景。

FBG-LPFG组合式传感器对液体浓度和温度的测量研究

为实现溶液内测量点的浓度与温度同时测量,将FBG与LPFG进行级联,并使得两段光栅呈串联形式,使得测量区域更加集中于相同位置,不仅解决了温度对LPFG在测量折射率时的交叉影响,又同时实现了温度与折射率的同时测量。实验结果表明,在同一环境下,当仅有温度参数发生变化时,FBG中心波长偏移量为0. 008 5 nm/℃,而LPFG偏移量为0. 074 7 nm/℃;当环境测量点仅有浓度发生变化时,FBG的中心波长几乎没有偏移,LPFG的折射率灵敏度为-32. 42 nm/RIU。因此本文研究设计的组合式光纤光栅传感单元能够实现浓度与温度双参数的同时测量。

LPFG镀层参数对其折射率传感特性的仿真分析

长周期光纤光栅在传感测量领域具有防爆、防磁、抗干扰等优点,且对周围介质折射率的变化敏感,适用于矿井、油田等易燃、易爆、强电磁干扰环境及具有毒性、腐蚀性等不宜接触的液体的折射率测量。本文采用在长周期光纤光栅包层外沿径向镀一金属薄层的方式,从长周期光纤光栅传感原理着手,利用三包层模型的本征方程,并借助MATLAB进行方程求解和仿真分析,讨论了包层模序数、光栅周期、膜层厚度等参数与谐振峰中心波长偏移的关系。为合理选择光栅结构参数、制作符合要求的长周期光纤光栅用于折射率传感测量提供了依据。

金属氧化物半导体材料用于LPFG气敏传感研究

通过分析长周期光纤光栅(LPFG)透射波长与金属氧化物半导体材料电导率、折射率之间存在的关联性,针对性分析了温度对材料气敏性能的影响,综合讨论金属氧化物半导体材料应用于LPFG气敏传感的合理性。建立了金属氧化物半导体材料应用于LPFG气敏传感时各相关量之间对应的逻辑关系,并利用光纤光栅传感特性辅助分析系统做出理论计算进行验证。计算结果与理论分析呈现出良好的一致性,当还原性气体吸附导致外包层n型金属氧化物半导体材料折射率增大时,LPFG透射波长逐渐向短波方向移动,表现出了相应的气体敏感特性。

LPFG和FBG级联结构双参数光纤传感器研究

提出了一种长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)的温度/应变双参数光纤传感器。利用飞秒激光直写制作LPFG并级连FBG,且FBG波谷位置为1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 559.1 nm,最高对比度为-12.7 d B。在30~70℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对0~500με应变变化范围内对传感器应变特性进行测试。实验结果表明,升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度15.00 pm/℃,线性度0.981 3;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-11.75 pm/℃,线性度0.945 3。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度18.25 pm/℃,线性度0.953 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-15.42 pm/℃,线性度0.980 2。加载过程FBG中心波长发生红移,灵敏度0.93 pm/με,线性度0.991 5;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.986 3。卸载过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度0.92 pm/με,线性度0.990 9;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.972 8。结果表明,该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现应变和温度的测量。

少模LPFG的写制及其温度传感特性的研究

首先基于LPFG温度传感理论对相位匹配条件进行了仿真,然后介绍了利用高频CO_2激光脉冲法在少模光纤上制备LPFG的过程,并且对写制的少模LPFG进行了温度传感特性的测量。

基于LPFG微弯特性的高精度位移检测系统

在研究长周期光纤光栅(LPFG)温度及微弯特性的基础上,通过引入聚合物温度增敏封装后的光纤布拉格光栅(FBG)作为解调滤波器,搭建了温度自补偿微位移检测系统.将LPFG粘贴于试件上进行微弯测试,在固定波长处,其插入损耗的变化与弯曲度变化呈线性关系.为解决LPFG带宽宽、谐振波长难以精确测量的问题,选择特定波长的FBG作为滤波器,实现了位移检测系统的功率化解调.同时,对FBG利用聚合物进行了温度增敏封装,使其温度灵敏度与LPFG尽量相同,消除了温度对系统的影响.试验结果表明,传感系统输出的光功率与微位移呈良好的线性关系,位移灵敏度为2μW/mm,分辨力为0.5×10-2mm.所设计的系统结构简单、灵敏度高、线性度好,不受外界温度干扰.

利用LPFG对应变和温度进行同时测量的研究

针对布喇格光纤光栅(FBG)同时测量应变和温度时测量精度低的问题,提出了利用双芯长周期光纤光栅(LPFG)对应变和温度同时测量的方案。描述了方案的原理和实现方法,并通过仿真和数值计算验证了方案的性能。

基于双模LPFG折射率不敏感双参量传感器

环境折射率和环境温度变化是影响光纤应变测量误差的主要因素。本文利用双模光纤纤芯双模式(LP01和LP11)支持特性设计了一款环境折射率不敏感的双模光纤(DMF)长周期光纤光栅(LPFG)应变传感器。设计了传感器模型结构,制作了最优化参数的传感器样品。实验测试了DMF-LPFG传感结构对外部环境中应变、温度和折射率的响应。通过在单模光纤上用紫外激光刻写的布拉格光栅(FBG)解决了环境温度的交叉影响。轴向应变实验结果表明,该新型结构传感器在0με~840με应变范围内其轴向应变灵敏度可以达到-5.4 pm/με,该灵敏度值相比较于普通LPFG有很大提高。温度在25℃~80℃范围内其灵敏度为58.86 pm/℃,表现出较好的线性度。同时,传感器对环境折射率变化表现出不敏感特性。通过采用双参数矩阵对少模LPFG和FBG的应变和温度灵敏度进行处理,可以实现双参数的同时解调。该新型复合光栅结构具有良好的传感性能和工程应用前景。

三芯LPFG模式耦合及有效折射率计算方法

以耦合模理论为基础,研究了两种不同结构的三芯长周期光纤光栅的模式耦合方式,推导了模式耦合方程.分析了两种不同结构三芯光纤光栅包层模有效折射率的计算方法,并对包层模有效折射率进行了数值模拟计算.模拟计算结果表明,不同纤芯排列方式会影响一阶奇次和偶次包层模有效折射率随波长增加而减小的程度.研究结果为三芯长周期光纤光栅的进一步应用开发提供了潜在的理论指导.

基于双芯LPFG边缘滤波的动态解调系统

为了实现长周期光纤光栅(LPFG)边缘滤波动态解调,利用LPFG的线性滤波特性,并结合压电陶瓷(PZT)的压电效应,提出一种基于双芯LPFG边缘滤波光纤布喇格光栅(FBG)动态解调系统。对该系统进行理论分析、可行性分析和仿真分析,并与静态滤波系统进行比较。结果表明:该系统具有较高的稳定性、精度和线性度。

特殊LPFG温度传感器的灵敏度特性研究

普通长周期光纤光栅(LPFG)温度传感器的灵敏度较低,在一些需要对温度进行精确测量的领域中,该传感器的使用受到限制。为了解决这一问题,从理论上分析了LPFG温度传感器的灵敏度影响因子,并且依据理论分析,选取特殊的聚合物聚氯乙烯(PVC)和环氧树脂作为纤芯材料来进行灵敏度研究。仿真研究发现,与普通LPFG温度传感器相比,在一定的温度范围内,使用环氧树脂作为纤芯材料的光纤光栅温度传感器具有较大的温度灵敏度,在25℃~30℃之间温度灵敏度可以达到37.8nm/℃,相当于普通纤芯LPFG温度传感器的16倍。该结论表明,使用环氧树脂作为纤芯材料可以提高LPFG温度传感器的灵敏度,进一步拓展光纤光栅传感器的应用范围。

基于双LPFG解调的高灵敏度振动检测系统

基于边缘滤波解调原理,提出了一种利用双长周期光纤光栅(LPFG)解调光纤布拉格光栅(FBG)振动传感信号的新方法。利用传输光谱叠加后的双LPFG作为边缘滤波器,增大了FBG传感信号解调灵敏度。静态实验结果表明,利用单、双LPFG作为滤波器解调的灵敏度分别为-1.196 5dB/nm和-2.483 6dB/nm,双LPFG解调的灵敏度约是单LPFG解调灵敏度的2倍。设计制作FBG振动传感器,利用双LPFG作为滤波器进行了FBG振动传感信号的解调实验,结果表明,传感器的动态响应时域信号及频谱与激振信号吻合很好,并具有良好的冲击振动响应。

一种基于LPFG高灵敏度浓度传感器

利用Sagnac光纤环全反射的特性和单根长周期光纤光栅(LPFG)构成Michelson干涉仪,入射光经LPFG后,部分被耦合到包层中传输,经过包层和纤芯传输的光信号经Sagnac光纤环全反射后重新耦合回LPFG,在光栅区域干涉。利用传输矩阵理论分析了干涉结构的光谱特性。用此干涉结构检测了蔗糖溶液浓度,传感灵敏度可达0.065 nmLg-1。

混凝土中基于预埋式LPFG波长解调的耐久性健康监测

为了实现混凝土结构的耐久性健康监测,提出基于长周期光纤光栅(LPFG)折射率特性,将LPFG预埋入混凝土结构中,通过对LPFG的波长解调,实现钢筋锈蚀监测。钢筋发生锈蚀后,钢筋钝化层表面附近Cl-浓度的改变将影响钢筋周围混凝土的折射率,对LPFG进行波长解调并进行温度补偿,获知环境折射率变化进而判断钢筋的锈蚀程度。实验结果表明,钢筋锈蚀率达到12.6%时,对应的锈水折射率1.353 6仍小于LPFG可监测到的折射率范围,并实验获得了LPFG谐振波长漂移量与钢筋锈蚀率之间的对应关系。本方法无需化学试剂,全光纤化,能够准确地实现混凝土结构中钢筋锈蚀的早期至中期监测。

基于LPFG和HBF环镜的温度和应变同时测量

利用长周期光纤光栅(LPFG)和高双折射光纤(HBF)环镜的谐振波长对温度和应变的灵敏度差异,设计了温度和应变同时区分测量系统。在理论分析的基础上,分别测定了LPFG以及HBF环镜谐振波长对温度和应变的灵敏度系数,构建相关系数矩阵方程,实现温度和应变区分测量。实验测得该系统的温度和应变测量精度分别为±0.36℃和±13.7με。利用温度与应变的同时测量数据以及温度实验数据,解析到应变的变化曲线,验证了方法的准确性。实验结果表明,本文方案能较好地解决测量中存在的应变和温度间的交叉敏感问题,有效地提高了系统的测量精度。