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一种基于摆锤结构的紧凑型光纤布拉格光栅倾角传感器

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光学学报 2025年第3期45卷 38-47页

作者：李瀚丁文超肖伟黎明王明胜曾孝洋王世明彭永良郑狄西南交通大学信息科学与技术学院信息光子与通信研究中心中铁城市发展投资集团有限公司乐山分公司西南交通大学地球科学与工程学院地质工程系

设计了一种基于摆锤结构的新型光纤布拉格光栅倾角传感器。摆锤结构采用摆杆和摆锤一体化的设计，有效减小了倾角传感器体积并降低了摆杆形变对倾角测量性能的影响。此外，借助双光纤布拉格光栅设计，通过解调光纤布拉格光栅之间波长差... 详细信息

设计了一种基于摆锤结构的新型光纤布拉格光栅倾角传感器。摆锤结构采用摆杆和摆锤一体化的设计，有效减小了倾角传感器体积并降低了摆杆形变对倾角测量性能的影响。此外，借助双光纤布拉格光栅设计，通过解调光纤布拉格光栅之间波长差的变化，不仅可以区分倾角方向，还能实现温度不敏感的倾角测量。实验结果表明：在-15°至15°的倾角测量范围内，所设计倾角传感器的灵敏度、线性度、迟滞性分别为103.10 pm/（°）、0.9998和0.65%；该传感器能有效抵消温度对倾角测量的影响，在温度快速变化（6℃/min）下的倾角测量误差小于0.21°；在15°倾角条件下24 h的抗蠕变性能测试中，倾角解调波动量小于0.068°，这展现出所设计传感器在大倾角下的长期测量稳定性。所设计的传感器具有结构紧凑、制备工艺简单、对温度不敏感等优点，且在倾角测量范围、灵敏度、线性度、迟滞性等多个性能参数间获得了较好的平衡，具有良好的应用前景。

关键词：光纤传感倾角传感器光纤布拉格光栅温度不敏感健康监测

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基于光纤布拉格光栅的压力式海洋波浪高度传感器

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光子学报 2025年

作者：刘兆坤杜大伟赵强陈东营惠力张文孙鹏郭风祥齐鲁工业大学(山东省科学院) 海洋仪器仪表研究所崂山实验室中国人民解放军国防科技大学气象海洋学院

波浪的实测数据对海浪模型校准、海上生产实践以及海洋灾害预防具有重要作用。本文提出了一种基于光纤布拉格光栅的压力式海洋波浪高度传感器，实现了对海洋波浪高度的实时测量。采用有限元分析对传感器结构进行优化设计，并对传感器的... 详细信息

波浪的实测数据对海浪模型校准、海上生产实践以及海洋灾害预防具有重要作用。本文提出了一种基于光纤布拉格光栅的压力式海洋波浪高度传感器，实现了对海洋波浪高度的实时测量。采用有限元分析对传感器结构进行优化设计，并对传感器的测量原理进行理论分析。通过标定实验可知该波浪高度传感器的压力灵敏度为-9.486 nm/MPa，有效测量量程为0-0.3 MPa。针对传统零线提取方法存在的零点遗漏问题，提出了基于平滑先验方法的波浪零线选取方法，实现零点动态选择，该方法在复杂海洋条件下表现出更好的适用性。外场实验结果表明，该波浪高度传感器各波高特征值的变化趋势与SBF3-2型波浪浮标的测量结果一致，两者相关系数均高于0.85，验证了光纤布拉格光栅海洋波浪高度传感器的可行性。本文提出的压力式光纤布拉格光栅海洋波浪高度传感器具有水下无源、抗电磁干扰、信号传输速度快的特点，为近岸波高测量提供了一种新颖的光学测量方法，具有良好的应用前景。

关键词：光纤布拉格光栅波高传感器压力测量海岸监测海洋波浪

一种聚合物封装的光纤布拉格光栅超声波传感器

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量子电子学报 2025年第2期42卷 286-294页

作者：涂兴华赵海洋南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院光电传感工程研究中心江苏南京210023

针对裸光纤光栅对超声波响应灵敏度较低的问题,本文提出一种聚合物封装的光纤光栅传感器,通过在光纤光栅周围封装一层厚度远超光纤直径的聚合物涂覆层,提高了光纤光栅在受到超声波作用时的应变灵敏度。首先,建立光纤光栅传感模型,根据... 详细信息

针对裸光纤光栅对超声波响应灵敏度较低的问题,本文提出一种聚合物封装的光纤光栅传感器,通过在光纤光栅周围封装一层厚度远超光纤直径的聚合物涂覆层,提高了光纤光栅在受到超声波作用时的应变灵敏度。首先,建立光纤光栅传感模型,根据传输矩阵法仿真分析了聚合物杨氏模量和泊松比对光纤光栅应变的影响。随后,利用聚氨酯(PU)、聚丙烯酸酯(ABR)与聚氯乙烯(PVC)塑料三种不同参数的聚合物材料封装光纤光栅,通过线性边缘滤波法将光纤光栅的波长漂移转化为电压信号,测量封装后的传感器对超声波的传感特性。研究结果表明,聚合物杨氏模量的降低与泊松比的提高有助于改善光纤光栅对超声波的响应灵敏度。三种材料中,PU封装后的效果最好,峰值电压达到139.6 mV,约是裸光纤光栅的15倍,且封装后的传感器的峰值电压随着距声源距离的增大呈指数型衰减,符合超声波在水中的理论衰减趋势,可以用来还原空间中的声场状态。

关键词：纤维与波导光学光纤布拉格光栅线性边缘滤波法聚合物超声波传感

基于飞秒激光写制的双凹面型光纤布拉格光栅结构设计与传感特性分析

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光学学报 2025年第3期 30-37页

作者：郑胜男陈东营赵强王晶中国海洋大学信息科学与工程学部物理与光电工程学院齐鲁工业大学(山东省科学院)海洋仪器仪表研究所崂山实验室

针对飞秒激光逐点刻写短栅区光纤布拉格光栅（FBG）的反射率低的问题，设计了一种基于双凹面型结构的高反射率FBG，并进行了初步实验验证和传感特性的仿真分析。优化了双凹面圆弧弧度，使FBG反射特性达到最优；讨论了调制区域长度、周... 详细信息

针对飞秒激光逐点刻写短栅区光纤布拉格光栅（FBG）的反射率低的问题，设计了一种基于双凹面型结构的高反射率FBG，并进行了初步实验验证和传感特性的仿真分析。优化了双凹面圆弧弧度，使FBG反射特性达到最优；讨论了调制区域长度、周期、光栅调制深度及阶数对其反射性能的影响，并与传统FBG进行对比。初步结果表明，当双凹面圆弧弧度为0.062πrad、栅区长度为400μm、周期为1.6μm、调制深度为0.0083、阶数为3时，飞秒激光写制FBG的反射率达到81.7%，比传统FBG的反射率增加了近一倍，而3 dB带宽几乎不变。利用飞秒激光直写法写制了上述条件均相同的传统FBG和双凹面型FBG，实验结果与理论仿真结果一致。所提出的双凹面型FBG具有反射率高且灵活可调的优点，为新型微纳光学器件的性能优化提供理论参考。

关键词：光纤布拉格光栅反射特性光栅设计传感特性

光纤布拉格光栅型全光纤声光调制器的特性研究

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物理学报 2013年第3期62卷 173-179页

作者：刘超裴丽李卓轩宁提纲高嵩康泽新孙将北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044

将光纤光栅的傅里叶模式耦合理论应用于光纤布拉格光栅型全光纤声光调制器的理论分析中.与现有的分析方法相比,该模型算法简单、求解容易,能够快速有效地获得调制器的传输特性.基于该模型,理论分析了超声波频率及声致应变幅度对调制器... 详细信息

将光纤光栅的傅里叶模式耦合理论应用于光纤布拉格光栅型全光纤声光调制器的理论分析中.与现有的分析方法相比,该模型算法简单、求解容易,能够快速有效地获得调制器的传输特性.基于该模型,理论分析了超声波频率及声致应变幅度对调制器特性的影响.仿真结果表明,该调制器反射谱的主反射峰与次反射峰的波长间隔与超声波频率成正比,反射峰的反射率随着声致应变幅度的改变而发生周期性的变化.另外,在同一声致应变幅度下,低频超声波调制的光栅反射中存在更多的次反射,光栅反射能量的周期性变化更加明显.实验中,使用频率为885.5kHz的超声波对光纤布拉格光栅进行调制.实验结果与仿真结果相一致.

关键词：声光调制光纤布拉格光栅傅里叶模式耦合理论光谱特性

光纤布拉格光栅在医用蒸汽灭菌器温度监测的应用

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光学精密工程 2020年第9期28卷 1930-1938页

作者：饶春芳吴锴胡友德陶欢董珺张聪睿吴超江西师范大学物理与通信电子学院江西省通信与光电子重点实验室江西南昌330000 江西省人民医院口腔科江西南昌330000

为了解决由于检测技术原因而导致的医用蒸汽灭菌器温度监测执行率低、设备合格率低等问题,设计了基于光纤布拉格光栅的医用蒸汽灭菌器温度监测系统,对整个灭菌过程中温度监测的可行性、精准性和可靠性进行了研究。根据医用蒸汽灭菌器温... 详细信息

为了解决由于检测技术原因而导致的医用蒸汽灭菌器温度监测执行率低、设备合格率低等问题,设计了基于光纤布拉格光栅的医用蒸汽灭菌器温度监测系统,对整个灭菌过程中温度监测的可行性、精准性和可靠性进行了研究。根据医用蒸汽灭菌器温度监测的相关标准,运用波分复用技术设计了光纤光栅串传感器件。接着,基于光纤光栅串传感器件搭建了相应的温度监测系统,并对整个灭菌过程进行了实时温度监测。最后,通过分析灭菌过程中各阶段温度随时间的变化,有效灭菌温度下的灭菌时间,灭菌器空载、半载及满载腔内各点之间的最大温度差,来验证该检测系统的性能。监测结果准确地给出了灭菌器灭菌过程中各阶段温度随时间的变化,所测灭菌器的有效灭菌时间为7.8 min,空载时腔内各点的最大温差在2℃以内,而满载时可达4.5℃。此系统的温度测量范围、分辨率及精度,时间记录精度及数据存贮能力均达到国家及行业标准要求,并具备多点监测成本低及可进入狭小区域监测等突出优势。

关键词：光纤布拉格光栅实时温度监测医用蒸汽灭菌器可行性监测系统

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

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光谱学与光谱分析 2016年第9期36卷 3008-3013页

作者：邵敏乔学光傅海威李岩姚妮贾振安西安石油大学理学院陕西省光电传感测井重点实验室陕西西安710065 西北工业大学理学院陕西省光信息技术重点实验室陕西西安710072 西北大学物理学院陕西西安710069 浙江大学光电工程系现代光学仪器国家重点实验室浙江杭州310027

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode,SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不... 详细信息

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode,SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35mm、纤芯直径为85μm的传感器在45%~95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06dBm·(%RH)^(-1)。在20~80℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008nm·℃^(-1),温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃^(-1)。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。

关键词：光纤布拉格光栅单模-多模纤芯-单模光纤结构湿度传感

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光纤布拉格光栅非线性传输特性的数值仿真

电子科技大学学报 2012年第3期41卷 378-383页

作者：彭拥军邱昆武保剑纪四潍电子科技大学宽带光纤传输与通信网络重点实验室成都610054

为简化数值求解光纤布拉格光栅的非线性耦合模方程组,避免冲击响应带来数值仿真结果失真,设计了基于半隐式龙格-库塔法及简单迭代的单步系统。与其他方法和实验结果进行对比,验证了该方法的可行性。在相同精度要求下,该方法能够极大地... 详细信息

为简化数值求解光纤布拉格光栅的非线性耦合模方程组,避免冲击响应带来数值仿真结果失真,设计了基于半隐式龙格-库塔法及简单迭代的单步系统。与其他方法和实验结果进行对比,验证了该方法的可行性。在相同精度要求下,该方法能够极大地减小计算工作量,实现简单且能够避免数值计算发散。利用该方法建立了光纤布拉格光栅静态和动态情况下统一的数值仿真模型,并设计了仿真中所采用的平滑技术。数值研究了连续波和脉冲输入情况下光纤布拉格光栅的非线性传输特性,静态结果显示相移光栅的开关阈值功率比均匀光栅的低。在动态情况下,对比不同峰值功率脉冲的输出时域特征显示,通过光纤光栅可实现非线性全光调谐延迟。

关键词：光纤布拉格光栅非线性耦合模方程非线性光学光学双稳态预报-校正系统半隐式龙格-库塔法

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光纤布拉格光栅滤波型甲烷浓度测量系统设计

仪器仪表学报 2020年第8期41卷 129-141页

作者：巩楠楠衣文索陈刚高新雨林家楷长春理工大学光电工程学院长春130012

针对甲烷浓度测量过程中,系统测量易受外界环境、气室不稳定等因素的影响,存在测量结果不准确的问题,设计了一套适用于低浓度甲烷气体测量的检测系统。首先,根据甲烷的吸收光谱结合现有光源的带宽选择甲烷2ν3带的R(4)支(1 650.955 nm)... 详细信息

针对甲烷浓度测量过程中,系统测量易受外界环境、气室不稳定等因素的影响,存在测量结果不准确的问题,设计了一套适用于低浓度甲烷气体测量的检测系统。首先,根据甲烷的吸收光谱结合现有光源的带宽选择甲烷2ν3带的R(4)支(1 650.955 nm)作为吸收峰;其次,根据光纤光栅的温度敏感特性,测量系统中加入参考光栅,解决了温度变化影响气体浓度精确测量的问题;然后,运用ZEMAX软件对设计的气室进行仿真模拟和优化,气室对甲烷近红外激光的耦合效率达到93.2%。通过实验验证了该气室的高耦合效率和高稳定性;最后,搭建测量实验系统,进行了系统的标定、系统技术指标的计算和气体浓度测量。测量结果表明,测量系统的灵敏度为0.02 mV/ppm,测量系统的稳定度为0.12%,最大测量相对误差为0.149%,系统测量的示值与理论值具有良好的线性关系,具有稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等优点。

关键词：光纤布拉格光栅差分吸收测量棱镜气室甲烷气体检测