基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪的研究

研究了一种基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪,进行了液位和曲率的测量实验,利用错位结构将纤芯模式激发到包层,包层模式经过花生形结构被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。包层模式对外界物理量如折射率、应力的变化敏感,导致透射光谱漂移。波谷波长的漂移量与液位和曲率的变化成线性关系,利用波谷的漂移实现液位和曲率的测量。在液位实验中,在水位变化范围为1.00~5.00cm时,波谷向短波方向漂移,灵敏度最高为-0.68nm·cm^(-1),线性拟合度为0.995 4。在曲率实验中,曲率的变化范围为0.3~1.2 m^(-1)时,波谷向长波方向漂移,灵敏度最高为22.47nm·m,线性拟合度为0.986 4,表现出较高的灵敏度。错位结构和花生形结构被用于组成马赫-曾德干涉仪,用普通的光纤熔接机和普通单模光纤即可熔接,结构和制作方法简单,灵敏度高,尤其在曲率的测量中表现出较高的灵敏度。

可双参量同时测量的干涉型全光纤传感器

提出并制作了一种马赫增德干涉仪级联光纤布喇格光栅的全光纤传感器,其中马赫增德干涉仪由两个球形结构组成,起分光器和耦合器的作用.分析了各项结构参量对灵敏度的影响,结果表明马赫增德干涉峰和光纤布喇格光栅的透射峰对不同参量的灵敏度不同.实验测得马赫增德干涉峰对温度、折射率和液位的灵敏度分别为0.072 45nm/℃、87.65nm/RIU和0.029 714nm/mm;光纤布喇格光栅透射峰对温度的灵敏度为0.009 89nm/℃,但对折射率、液位不灵敏,因此可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.该传感器可广泛应用于化学、生物和制药等领域.

基于纤芯偏移衰耗的单模光纤液位传感器

提出了一种基于纤芯偏移衰耗的全光纤迈克耳逊干涉型液位传感器。理论和实验结果表明,传感器的反射谱的条纹对比度受浸在被测液体中的干涉臂臂长影响,当液位变化0～30mm,干涉条纹对比度变化约3dB,在线性区其液位灵敏度约为0.84dB/mm。此外该传感器对温度不敏感,在30°C～80°C范围内,且没有任何温度补偿情况下,被测液位误差小于1%。该液位传感器有很好的鲁棒性和重复性,制作工艺简单,成本低,在实际工业应用中具有广泛的应用前景。

基于七芯光纤的高灵敏度液位传感器

提出并研制了一种基于单模-花生-七芯-花生-单模光纤结构的液位传感器。该传感器采用光纤“花生结构”作为耦合器以提高单模光纤和七芯光纤的耦合效率,第一个光纤“花生结构”用以激发光纤包层模,第二个光纤“花生结构”将包层模与纤芯基模进行耦合而产生干涉。由于包层模与纤芯基模在七芯光纤中传输时存在相位差,所以当环境溶液的液位发生改变时,相位差也随之改变,从而导致透射光谱发生改变。本文对七芯光纤长度分别为24、28、32 mm的传感器进行了液位和温度响应特性的实验研究。实验结果表明,随着液位升高,传感器的透射光谱发生蓝移,三个传感器的水溶液液位灵敏度分别为-0.4069、-0.2739、-0.1653 nm/mm,其液位测量范围分别为24、28、32 mm。在35~90℃的水温变化范围内,传感器的透射光谱随着温度的上升发生红移,三个传感器的温度灵敏度分别为0.0885、0.0740、0.0879 nm/℃。实验表明该传感器具有灵敏度高、成本低、制作简单等特点,在石油化工等领域具有较好的应用前景。

基于在线型光纤迈克耳孙干涉仪的液位传感器

为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺,提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪,由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器,激发出光纤高阶包层模,纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高,对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究,实验结果表明在0~9mm的液位变化范围内,干涉谷波长与液位呈线性关系,水液位灵敏度为-0.116nm/mm,质量分数为4.7%的NaCl溶液液位灵敏度为-0.129nm/mm;在20~80℃的水温变化范围内,干涉谷的温度灵敏度为0.038nm/℃。传感器结构简单、制作简便,而且成本低廉,在石油化工等领域具有较好的应用前景。

基于长周期光纤光栅液位传感器的实验研究

利用长周期光纤光栅(LPFG)的基模和包层模间的耦合特性,设计制作了一种基于LPFG的液位传感器。LPFG包层模对环境折射率的响应不同,随着液位的变化,其透射功率发生变化。用该传感器对蒸馏水和乙醇的液位变化进行测量,当液位在0.0～17.5mm范围内变化时,LPFG透射功率分别变化了6.8719dB和13.4360dB,其灵敏度为0.389 6dB/mm和0.7678dB/mm。结果表明,液体的折射率越大,传感器的灵敏度越高,并且具有良好的线性关系。

基于F-P腔和FBG的强度调制型光纤液位传感器

设计了一种用于液位测量的光纤F-P(Fabry-Perot)传感器,并从传感头的设计制作出发,讨论了提高传感器输出信号对比度的方法;测量系统采用宽带光源,解调时经FBG(Fiber Bragg Grating)反射和透射得到传感信号和参考信号,对两路光强信号进行联合处理,补偿了光源功率波动和光路损耗变化引起的不良影响,消除了强度调制型传感器的固有缺点,此方法具有结构简单、成本低的优点;该系统可进行连续测量,测量范围为0到200kPa,相当于测量水深0到20m,其分辨力小于1cm(水面高度变化),特别适合对易燃易爆的环境中的油库液位进行测量。

基于单模异芯光纤结构的液位传感器

提出了一种新颖的光纤液位传感器。在普通单模光纤（SMF）中间熔接一段细芯单模光纤（TCSMF），构成共轴光纤马赫一曾德尔干涉仪（MZI）。液位的变化引起包层模与芯模的相位差发生改变，从而导致干涉仪的透射光谱发生改变。对传感器的工作原理和测量灵敏度及精度进行了理论分析，实验结果显示透射光谱中特征峰波长漂移量跟液位变化量呈较好的线性关系，且灵敏度随待测液体折射率的增大而增高，与理论分析结果相一致。测量得到纯水和饱和氯化钠溶液的测量灵敏度分别为0．160nm／mm和0．228nm／mm。该传感器采用全光纤结构，制备简单、测量精度高，可适用于折射率低于光纤包层折射率液体的高精度液位测量。

一种光纤调频连续波激光干涉液位传感器

提出一种基于调频连续波干涉测量技术的膜片式法布里-珀罗(F-P)腔液位传感器。根据调频连续波干涉技术液位测量体系理论制作液位传感器,搭建液位测量系统,并对其进行线性度、灵敏度和分辨率等测试。实验结果表明,调频连续波液位传感器液位测量的线性度为0.99998,液位测量的灵敏度为465 nm/mm,分辨率约为33.998 nm,对应的液位值为0.0731 mm,而且具有很好的稳定性、重复性和迟滞性。因此,所设计的调频连续波光纤液位传感器可以实现高精度且稳定的液位测量。