High temperature-sensitivity sensor based on long period fiber grating inscribed with femtosecond laser transversal-scanning method

We propose a high temperature-sensitive long period fiber grating（LPFG） sensor fabricated by using the femtosecond laser transversal-scanning method. The femtosecond pulses scan over the whole fiber core and some part of the cladding region; the modified regions are more extended. It is found that the LPFG-I fabricated by the transversal-scanning method shows higher temperature sensitivity and better temperature uniformity than that of LPFG-II written by the femtosecond laser point-by-point method. The LPFG-I with a temperature sensitivity of 75.96 pm/°C in the range of 25°C–400°C is measured. Moreover, in the range from 400°C to 800°C, a higher temperature sensitivity of 148.64 pm/°C and good linearity of 0.99 are achieved, while the temperature sensitivity of LPFG-II is only 95.55 pm/°C. LPFG-I exhibits better temperature characteristics, which, to the best of our knowledge, has the highest sensitivity in silica fiber temperature sensors.

变周期亚波长介质光栅多层膜的双重Fano共振特性

现在众多传感结构模型只能对单变量待测样本折射率进行传感检测,为实现不同待测样本的高通量检测并降低环境因素的干扰,提出了一种基于波长调制的变周期亚波长介质光栅多层膜复合结构。以双周期为例进行分析,变周期光栅层由两个具有不同光栅周期的介质光栅A和B组成,通过有限元法对传输特性进行分析,TE偏振入射光以垂直于光栅层表面的方式入射至介质光栅表面,当在介质光栅区域A和B内分别满足相位匹配条件时,变周期亚波长介质光栅会形成GMR,提供两个具有单一窄带的双离散态共振缺陷峰;由于类F-P腔中含有周期性光子晶体,光波传播到光子晶体会产生光子禁带,提供一个较宽频带的连续态。在满足相位匹配条件时,变周期亚波长波导结构中形成的双离散态共振缺陷峰与周期性光子晶体多层介质薄膜构成的类F-P腔中形成的连续态发生耦合,实现双重Fano共振。然后通过探究波导层厚度dw和光子晶体周期数N对传感特性的影响,选择dw=97 nm和N=3,使其达到FOM值最大。最终因变周期介质光栅层是由两种具有不同介质折射率的材料构成,在介质光栅区域A和B的光栅凹槽部分可设置两个传感检测单元,建立基于波长调制的双重Fano共振全电介质传感模型,设置不同的传感检测区域,发现双重Fano光谱曲线在不同传感检测区域内都能随着ns1和ns2变化,间接实现了对待测样本折射率的动态检测,因而可在同一传感结构模型中实现对不同待测样本折射率区间的多变量检测。结果表明,在传感检测单元A内,FR1和FR2的FOM值分别为631.53和463.7 RIU^(-1);在传感检测单元B内,FOM值分别为480.67和834.04 RIU^(-1)。所设计的传感结构模型通过结构参数优化,实现了传感结构的高反射率、高FOM值和较宽的检测范围,对双重Fano共振提供了理论参考,对待测样本折射率的多变量检测具有一定的研究价值。

基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究

[目的]针对光纤位移传感器动态范围窄的问题,设计一种结构简单、易于制备的气球形长周期光纤光栅(LPFG)位移传感器。[方法]采用RSOFT软件进行仿真与优化,得到光纤在不同曲率下的光谱形态,以此来确定测量区间。通过将多模光纤周期性嵌入单模光纤形成的气球形长周期光纤光栅(MMF-BLPFG),提供用于测量位移的参考峰。使用精密的连续切割装置作为实验基础,制备与仿真结果一致的实验样品进行测试。[结果]通过测量2个谐振峰的漂移,实现了36 mm的最大位移测量范围。[结论]该研究成果在舰船水下疏水空间管系的稳定性测量和连续监测等需要大规模测量的场景中具有良好的应用潜力。

提高容栅位移传感器精度的有效方法

为解决环境温度变化、尺体导轨加工误差以及边缘效应等因素对容栅位移传感器测量精度的影响,提出了三极板结构、周期比较测量以及分段采用正余弦极板分段数据处理的方案。三极板结构中动极板仅起屏蔽作用,可以降低对尺体导轨加工精度的要求;周期比较测量在提高系统温度稳定性的同时,由于采用了全数字电路的实现方式能有效降低专用集成电路的设计、制作成本;交替使用正余弦极板的读数避开边缘效应的影响。理论分析和实验结果证明了该方案的可行性。

智能材料和智能结构(3)——智能结构的设计、控制和探测

智能结构是当代最具挑战性、最活跃的新研究领域之一。智能结构技术包括材料设计、高等执行和传感技术、自适应计算机算法和能量利用最佳化。智能结构的应用范围从空间飞行器和飞机到大型民用建筑和桥梁。本文综述了智能自适应光学系统波前传感器的设计、智能mm波望远镜的表面控制和振动抑制、智能建筑物层间漂移的激光叉丝监测、智能圆柱形结构应变的光纤光栅测量系统和智能结构的长周期光栅传感器。

浅评变栅距光栅位移传感器几种位移解算方案

本文针对提高变栅距光栅位移传感器动态响应的问题,提出了传感器几种位移解算方案,并从解算时间、影响解算精度的主要因素等方面进行了分析。通过计算与对比,最终确定以综合回归法作为在传感器工作中的应用方案,并对综合回归法的参数进行了优化。

嵌入式时栅角位移传感器短周期误差分析与补偿

为提高嵌入式时栅角位移传感器测量精度,从传感信号形成机理出发,对短周期误差成因进行了详细分析。通过对绕组等效分析和激励信号分析,确定了短周期误差的主要特性为一次和二次误差,一次误差来源为零点残余误差和直流分量误差,二次误差来源为激励信号正交误差。针对短周期误差补偿,提出了基于超限学习机的误差补偿方法,通过对测量值与真实值样本的训练得到模型最优参数,根据模型参数建立短周期误差模型,利用所得误差模型实现对短周期误差的补偿。实验结果表明,短周期误差分析结果与传感器实际误差特性一致,采用该补偿方法传感器短周期误差大幅度降低,降低了约96%。对比和重复性实验表明,该方法与谐波补偿法相比精度提高了约1倍,误差补偿效果更优,同时方法具有良好的测量稳定性,对提高嵌入式时栅角位移传感器的测量精度具有重要的理论和现实意义。

新型地层抬动检测装置的研究

目前,在水利水电工程灌浆施工中,地表抬动监测主要用千分表等,千分表观测存在灵敏度受环境影响大,不能连续观测等问题。通过对光栅传感器进行特性分析,证实了其应用于地表抬动监测是可行的,并提出了光栅传感器与灌浆自动记录仪结合的方案,研制了一套新的地层抬动监测系统,可实现抬动测量自动化,可确保测量精度及连续性。

基于S型结构的光纤光栅微位移传感器的研究

提出了一种特殊的光纤光栅传感器，该传感器在s型结构上刻写而成。在实验中，监测传感器透射光谱中的波谷特征波长实现微位移的测量。为了获取精准的测量数据，实验选取在1533．06nm（dipl）和1564．57nm（dip2）两处的干涉谷的特征波长作为观察的对象。通过理论分析和实验验证在0～70μm的微位移测量范围，两个干涉谷漂移量与微位移均呈现良好的线性关系。