基于多模干涉的光纤冰体应变传感器

基于“单模-无芯-单模”光纤传感器对冰体进行应变测量研究。传感器以“分层冰冻”的方法植入冰体,冰体应变变化导致传感器干涉光谱波长偏移,通过监测光谱波长实现冰体应变测量。对于实际环境中已经存在的冰体,对“分层冰冻”方法进行优化,通过在冰面上铺设光纤,之后注水冰冻的方式,实现光纤在已有冰体中的植入。利用光谱相邻波谷温度灵敏度相近的特点,将相邻波谷波长差应用于应变测量,可以不受冰体温度变化影响。实验结果显示,冰体承载力大于500 g时,其应变显著增加,当承载力大于600 g时,冰体出现脆性断裂,传感器有效提取了该区间内冰体“韧-脆”转变过程中的应变信号。融化实验显示,传感器可以监测到冰体自然融化过程中完整的应变变化过程,测量结果不受冰体内部温度变化的影响。

基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究

开展了基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究,提出了单端固定开口波纹薄筒光纤声增敏方法,建立了光纤声增敏装置波节间距、单波节轴向刚度、光纤长度等参数对光纤相位灵敏度的影响理论模型.制作了3种规格的光纤声增敏传感装置进行声传感实验.实验结果表明,声增敏传感装置相位灵敏度达到2.975 rad/Pa,最小声探测信号达到60.1 dB,3种规格的声增敏传感装置的灵敏度测试值与理论分析基本一致.研究结果为高灵敏度的光纤分布式声传感的进一步发展提供了理论和实验基础.

光纤法珀传感解调方法研究进展

光纤法珀传感器是目前发展历史最长、应用最普遍、技术最成熟的一种光纤传感器,广泛应用于各类极端复杂的环境中,对其传感信息进行准确解调是实现高精度测量的关键。首先对光纤法珀传感技术的发展历程进行了回顾和评述,接着介绍了光纤法珀传感器的类型和基本传感原理,对光纤法珀传感器解调方法的研究进展进行了阐述,从强度解调和相位解调两方面分别介绍了强度解调法、光谱解调法和低相干干涉解调法。最后总结了各类解调方法的应用特点,为光纤法珀传感器高精度快速解调的研究与应用提供参考。

光纤法珀压力传感系统设计与风洞初步实验

针对航空领域对大气压力的测量需求,基于光纤法珀传感和低相干干涉技术,搭建了光纤法珀多通道压力传感系统。介绍了系统解调算法及工作原理,对光纤法珀压力传感器的标定和温度补偿方法进行理论分析,将非恒温条件下的传感器拟合误差降低至0.134%F.S.。在风洞环境中,在侧滑角-4°~4°变化范围内,对飞机实体模型的三个监测点进行压力测量实验,并将压力测量结果与Ansys-Fluent软件模拟仿真结果做对比。结果显示,光纤法珀压力传感系统与模拟仿真数据变化趋势相同,全量程误差为0.38%F.S.,证明此系统能够提供可靠的压力数据,真实反映飞机模型被监测位置在风洞中的受力情况。

基于U型结构的单模光纤SPR折射率传感器

设计了一种基于U型结构的单模光纤表面等离子体共振折射率传感器,采用在移除部分包层并弯曲成U型固定后的单模光纤表面镀金纳米层和TiO2调制层的方式,实现表面等离子体共振的激发.利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,研究了不同弯曲半径和TiO2调制层厚度对传感性能的影响.通过对四种弯曲半径(R=0.3cm,0.5cm,0.8cm,1cm)的分析,结果表明随着弯曲半径增大,表面等离子体共振信号强度增大且峰值波长有微小的蓝移.在弯曲半径为0.5cm的条件下,研究了TiO2调制层厚度从0变化到40nm对传感器性能的影响,结果表明随着TiO2调制层厚度增大,表面等离子体共振峰峰值波长红移且对外界折射率变化的灵敏度显著增大.在弯曲半径为0.5cm,TiO2调制层厚度为40nm的条件下,传感器在低折射率区(nd=1.333)灵敏度达到了5 959nm/RIU,高折射率区(nd=1.383)灵敏度达到了11 092nm/RIU.与没有调制层的结果相比,灵敏度提高了一倍左右.

光纤传感与红外视频的复合入侵监控系统设计

针对机场、油库等特定区域的高识别率、低误报率入侵事件监控需求,提出了一种基于光纤传感与红外视频的目标识别方法。其中,光纤传感部分采用基于MCSVM的非对称双马赫-曾德尔干涉仪(ADMZI)分布式光纤振动传感器,将EMD(经验模式分解)、将峰度特征与MCSVM相结合以提高识别率;红外识别部分将灰度差值图像通过小波变换提高清晰度。两者经过模式对比算法,实现入侵事件判定。搭建系统做现场实验,结果表明:该方法能够识别四种常见的入侵事件(爬越围栏、敲击电缆、剪断围栏、摇动围栏),平均识别率在92.5%以上,误报率0.9%,相对传统单一传感器方案,该方法在漏报率和虚警率等系统性能上都有较大的改善,能够满足实际应用要求。

基于卷积神经网络的多维度分布式光纤振动传感事件识别

基于双马赫-曾德尔干涉(DMZI)型分布式光纤振动传感系统与无人机(UAV)视频监测系统,通过卷积神经网络同步对光信号和无人机视频信号进行模式识别,从多维度对多类别扰动事件进行精准检测。与传统的模式识别方法相比,所提方案将两个不同维度上的信号有效结合,实现了不同维度上模式识别方法的优势互补,将识别信号的时间维度加入识别,解决了静态信号识别事件有限、准确率较低的问题。为了验证所提方案的可行性和有效性,对常见的9种传感行为(攀爬、轰砸、剪切、脚踢、重敲击、轻敲击、拉扯、摇晃、无入侵)进行了实验测试和分析。实验结果表明,所提出的多维度模式识别方案可以对9种入侵事件达到99.58%的平均测试准确率,并且平均识别时间为0.16 s,短于系统的采样时间0.3 s,满足实际工程应用的需求。

基于YOLOv5s模型的光纤振动传感事件精准检测研究

通过将双马赫-曾德尔干涉仪(DMZI)分布式光纤振动传感系统和四旋翼无人机(UAV)监测系统融合,设计了一种基于YOLOv5s模型的多类别光纤振动传感事件精准检测方案。首先,通过地面站QGroundcontrol将DMZI与UAV进行联动控制。其次,将二维振动信号时频谱与无人机捕捉的对应原始图像共同送入YOLOv5s卷积神经网络模型进行识别检测。最后,为验证所提精准检测方案的有效性和可行性,对5种常见的传感模式进行实际应用环境下的实验测试与分析。实验结果表明,所提出的精准定位检测方案对5种传感模式的平均精度均值(mAP)可达96.6%,并且其平均识别检测时间可控制在5 ms内。

用于分布式光纤声传感的薄壁圆筒声增敏实验研究

研究了基于光纤缠绕薄壁圆筒的声增敏方法,基于3×3耦合器建立了声压灵敏度标定实验系统,实验探讨了薄壁圆筒的方向特性,实验研究了半径、壁厚尺寸参数对光纤声增敏的影响,实现的声压灵敏度达到1.338 rad/Pa(−117.47 dB re rad/μPa)。光纤缠绕薄壁圆筒接入所搭建的准分布式声传感系统进行实验,在20.06 km传感距离上,恢复的1 kHz正弦波形与施加波形误差不超过4.1%,比未增敏光纤环传感信噪比提高了21.03 dB,显示了薄壁圆筒声增敏的传感效果。该研究结果为高灵敏度的准分布式声传感的进一步发展提供了实验基础。

基于紫磷增敏的即插即用式双通道光纤表面等离激元共振折射率计

光纤表面等离激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术可以直接感测传感器周围分子相互作用导致的传感器表面折射率变化,具有体积小、成本低、免标记、灵敏度高,易实现小型化、多参量、实时原位检测等优势.本文基于新型二维纳米材料紫磷并结合完备的制备与表征工艺首先构建了两种探针式光纤SPR折射率计,可实现对面/体结合折射率的高灵敏度、即插即用式检测.在1.33-1.34低折射率范围内,本文设计的光纤/紫磷/金层/样品层近场增强型SPR折射率计灵敏度和品质因数最高分别达到2335.64 nm/RIU和24.15 RIU^(−1),分别是单金层SPR折射率计的1.31倍和1.25倍;所设计的光纤/金层/紫磷/样品层近导波型SPR折射率计灵敏度和品质因数分别达到2802.06 nm/RIU和22.53 RIU^(−1),是单金层SPR折射率计的1.57倍和1.16倍.最后,将近场增强型SPR和近导波型SPR集成到一个光纤探针中,实现了双通道传感.本文开发的探针式双通道光纤SPR折射率计为生化领域中多类型蛋白检测、重金属离子检测等提供了一种新思路.

氧化石墨烯涂覆的空心微泡腔回音壁谐振模气体传感器

提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁,使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与有效折射率(气体体积分数)对应,据此实现腔内气体体积分数的传感测量。实验结果表明,当氨气的体积分数在0~40×10-6的范围内时,提出的光纤气体传感器的响应呈线性,其传感灵敏度为0.73×106 pm,分辨率为1.9×10-6。当氨气的体积分数为20×10-6时,传感器的响应和恢复时间分别是294 s和329 s。空心微腔结构一方面可以作为敏感单元,另一方面可以直接作为气体通道,避免了外部气室的使用或额外气体通道的封装,极大地提高了传感系统的实用性。

基于复合波长参考的温度稳定光纤光栅传感解调研究

为实现温度稳定的光纤光栅传感解调,提出了综合使用法布里-珀罗（F-P）标准具和乙炔气室进行实时复合波长参考的校正方法。分析了F-P标准具透射光谱和乙炔气室吸收光谱的温度漂移特性。建立实验系统,测试了F-P标准具透射光谱的温度漂移特性,实验显示F-P标准具谱线平均温度灵敏度为1.16 pm/℃,谱线温度重复性误差可达13.0 pm。进行了基于F-P标准具单独参考和基于复合波长参考的解调温度稳定性实验,实验结果表明0℃~55℃的高低温循环,基于F-P标准具单独参考的解调值变化范围为±32.7 pm,标准差为20.7 pm,基于复合波长参考的解调值变化范围为±1.2 pm,标准差为0.39 pm,解调值变化范围温度稳定性提高了27倍。

空间扫描型光纤法布里-珀罗传感解调中信噪比的影响研究

结合单色频率绝对相位算法仿真分析了空间低相干干涉条纹信噪比对解调中干涉级次和绝对相位的影响,仿真结果显示,当条纹信噪比大于18 d B时,可避免干涉级次跳变问题,此时解调得到的绝对相位标准差随信噪比的增加呈线性减小趋势,在25 d B信噪比下其值可达到0.023 rad。通过改变光源强度进行了不同信噪比对解调影响的实验研究,实验结果与仿真分析结果基本一致。另外,压力解调实验结果显示,解调误差随信噪比增加而降低,在24.79 d B信噪比下压力解调误差为0.044 k Pa,相比18.10 d B信噪比降低了2.84倍。实验结果表明,在5~150 k Pa压力范围内,为保证0.05%F.S.（F.S.表示全量程）的解调精度,则信噪比应大于22 d B。

基于线性调频脉冲的光纤分布式声波传感技术

基于线性调频(LFM)脉冲的光纤分布式声波传感(DAS)技术采用同时具有连续波形和脉冲波形优势的LFM脉冲作为探测光,利用频移产生附加相位实现光纤应变导致相位补偿的原理进行传感。可实现光纤链路沿线声/振信号的定量波形恢复,具有响应速度快、灵敏度高等特点,在地球物理学、线性基础设施监测等领域具有显著的优势和应用前景。论述基于LFM脉冲DAS技术的基本传感机理,概述传感距离、空间分辨率、频率响应与衰落噪声抑制等关键技术指标的研究进展,介绍DAS在典型应用中的进展,并对未来可能发展趋势进行探讨。

高温环境下光纤法布里-珀罗微腔传感技术研究进展

光纤法布里-珀罗(F-P)微腔传感器具有抗电磁干扰、耐恶劣环境、体积小、精度高等诸多优点,基于光纤F-P传感技术的高温环境物理参量测量得到了研究人员的广泛关注。从光纤F-P干涉原理出发,介绍了F-P多光束干涉原理和光束耦合模型,以及用于干涉光谱信号解调的两种解调技术;讨论了基于光纤F-P传感技术在高温环境下物理参量测量的研究进展。在此基础上,分析了高温环境下光纤F-P传感在新工艺制造技术催生下,向着微型化、批量化制备和多用途化方向的发展趋势。

基于振膜耦合增益原理的飞轮型光纤F-P声矢量传感器

提出一种飞轮型耦合振膜光纤法布里-珀罗(F-P)声矢量传感器。该传感器通过两个飞轮结构振膜的相邻辐条自然耦合,形成面内膜间桥耦合结构。仿真结果表明,基于振膜耦合增益原理的飞轮型光纤声矢量传感器振膜具有摇摆和弯曲两种振动模态,可实现数千赫兹宽频率范围的相位差放大,从而提高传感器定向精度。两个飞轮型振膜与光纤端面构成两个独立的F-P微腔传感单元,通过光学干涉信号强度提取得到振膜的振动信号。对所制备的传感器在5~7.4 kHz频率范围内进行二维平面声源定向实验,实验结果与仿真结果符合良好,该传感器在5~7.4 kHz的宽频率范围内具有相位差放大效果,在7.2 kHz处取得最大相位差增益5.05。

TiO_(2)纳米粒子增强的光纤损失模式共振折射率传感器

以多模光纤为基底来实现损失模式共振(LMR)折射率传感的灵敏度较低,在利用铟锡氧化物(ITO;In_(2)O_(3)和SnO_(2)的质量分数分别为90%和10%)激发光纤LMR传感的基础上,在ITO薄膜上静电组装二氧化钛(TiO_(2))纳米粒子,实现折射率灵敏度的提升。使用Kretschman结构模型对传感器进行理论分析,仿真分析了LMR共振阶数与ITO薄膜厚度的关系,以及ITO作为LMR膜层实现折射率传感的可行性。通过在光纤侧壁磁控溅射ITO薄膜以产生LMR效应,制备ITO-LMR折射率传感器。通过折射率传感实验对ITO-LMR和TiO_(2)-ITO-LMR两种传感器进行性能测试,在1.3333~1.3840的折射率变化范围内,TiO_(2)-ITO-LMR传感器灵敏度可达1651.659 nm/RIU,相较于ITO-LMR折射率传感器,其灵敏度提升了3.058倍。

光纤表面等离子体共振传感灵敏度提高研究进展

光纤表面等离子体共振传感器是一类新型光纤传感器,具有灵敏度高、免标记等优点,在化学、生物、环境以及医药等领域展现出广阔的应用前景。伴随着光纤表面等离子体共振传感器在生物化学传感领域的广泛应用,传统标准光纤表面等离子体共振传感器的灵敏度已经难以满足实际应用对检测精度的要求。因此,如何提高传感灵敏度是近年来这一研究领域的热点问题之一。主要介绍了光纤表面等离子体共振传感器灵敏度提高方法的研究进展,并对相关应用进行了探讨。

基于双可调谐激光器的光纤法布里-珀罗声振动传感解调系统研究

为实现光纤法布里-珀罗（F-P）腔初始腔长和腔长变化量在宽范围条件下的声振动传感解调,提出了基于双可调谐激光器的正交相位提取方法。理论计算了保持相位正交的光纤F-P腔初始腔长范围。仿真和实验研究了初始腔长漂移对信号解调的影响,实验通过改变温度实现了初始腔长0～2.2μm的漂移,在此情况下对干涉强度法和正交相位提取法解调结果进行了对比分析,正交相位提取法解调信号幅值相对变化小于5.3%,其稳定性比干涉强度法解调信号幅值稳定性提高了12.4倍。利用波长调谐补偿实现了传感器初始腔长范围55～130μm的覆盖,解调信号幅值相对变化小于4.9%。

基于微管腔的光纤激光盐度传感研究

基于光学无源方案的光纤盐度传感器中光与物质的相互作用长度受限,且通常需要单独的流体通道设计,增加了检测复杂度,为此提出了一种基于薄壁微管腔和环腔结构的光纤激光盐度传感器。将薄壁微管腔作为盐度敏感单元和光滤波器,与掺铒光纤相接构成光纤环形谐振腔。通过拉锥光纤耦合在薄壁微管腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与盐度线性对应,实现薄壁微管腔内溶液盐度的传感测量。与无增益的微管腔透射谱相比,激光可以提供具有更高信噪比和更窄线宽的传感信号。实验结果表明,在0‰—45‰盐度范围内,提出的光纤激光盐度传感器的传感灵敏度为36.5 pm/‰,线性度达到0.99924,盐度测量误差小于±0.751 3‰,最小探测极限为0.485 5‰,且不需要额外的流体测量通道,有望成为海洋盐度探测的有力工具。