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填充型增敏式光子晶体光纤压力传感器结构

激光技术 2021年第2期45卷 224-228页

作者：钱诗婷廖秋雨高翔张克非西南科技大学理学院绵阳621010 西南科技大学计算机科学与技术学院绵阳621010

为了实现光纤传感器压力增敏的效果,设计了一种具有高双折射的光子晶体光纤结构。采用有限元法计算光子晶体光纤在不同应力作用下的有效折射率,基于光子晶体光纤的压敏特性,分析光子晶体光纤的模式,并选择该结构里的一个空气孔,填充具... 详细信息

为了实现光纤传感器压力增敏的效果,设计了一种具有高双折射的光子晶体光纤结构。采用有限元法计算光子晶体光纤在不同应力作用下的有效折射率,基于光子晶体光纤的压敏特性,分析光子晶体光纤的模式,并选择该结构里的一个空气孔,填充具有特定折射率的液体材料,构成新型压力传感器。该结构的压力灵敏度由COMSOL软件的仿真得出。结果表明,经填充液体后,偏振相位灵敏度从72rad/(MPa·m)提升至128rad/(MPa·m),显著提高了77.7%。该研究对增强传感器的力学性能有帮助。

关键词：光纤光学光子晶体光纤有限元法选择性液体填充压力增敏压力传感器

偶联剂自组装对聚合物FBG压力传感器性能的影响

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光电子．激光 2006年第10期17卷 1181-1185页

作者：周红乔学光罗俊王宏亮霍汉平西安石油大学光纤传感实验室陕西西安710065

用超分子和熵驱动自组装机理，使偶联剂在Si基质光纤Bragg光栅（FBG）上形成平均直径为2．0～2．3μm的胶体球，分析了聚合物、偶联剂和FBG的耦合机理。用偶联剂均匀和自组装涂敷方式，分别封装了聚合物FBG压力传感器，并测试了其性能... 详细信息

用超分子和熵驱动自组装机理，使偶联剂在Si基质光纤Bragg光栅（FBG）上形成平均直径为2．0～2．3μm的胶体球，分析了聚合物、偶联剂和FBG的耦合机理。用偶联剂均匀和自组装涂敷方式，分别封装了聚合物FBG压力传感器，并测试了其性能参数。结果表明，在其他封装工艺相同的情况下，采用偶联剂自组装涂敷，传感器的量程从0．6MPa扩大至1．6MPa。耦合失效实验由54次延长至125次，压力灵敏度系数由1．09提高到2．98。通过球体直径和线密度控制，可以改变传感器的量程和灵敏度。

关键词：偶联剂自组装光纤Bragg光栅(FBG)传感应变传感压力增敏

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高灵敏度光子晶体光纤压力传感器研究

高灵敏度光子晶体光纤压力传感器研究

作者：林猛暨南大学

学位级别：硕士

光纤传感技术是以光纤为传导媒质,光波为传输信号的载体,通过测量外界干扰引起的光信号变化,感知外界各物理量变化的新型传感技术。传统电学传感器拥有易解调、价格便宜以及稳定性好等特点,但是这类传感器不能够在环境比较恶劣的情况下... 详细信息

光纤传感技术是以光纤为传导媒质,光波为传输信号的载体,通过测量外界干扰引起的光信号变化,感知外界各物理量变化的新型传感技术。传统电学传感器拥有易解调、价格便宜以及稳定性好等特点,但是这类传感器不能够在环境比较恶劣的情况下正常工作,而光纤传感器能够克服难题。光纤传感器具有体积小,不受电磁干扰,灵敏度高,寿命长,尤其是在高温、易燃易爆、高压、强电磁干扰的情况下正常工作。光纤压力传感器主要是对外界压力进行即时的测量,这也是在传感领域中比较常用到的一种传感器。传统的光纤压力传感器普遍存在灵敏度不高的问题,监测效果并不理想。这是因为传统光纤是实芯的结构,且石英材料的杨氏模量很大,在压力作用下光纤形变非常小,造成了压力传感器不灵敏的结果。而随着光纤制造工艺的成熟,光子晶体光纤（Photonic-crystal fiber,PCF）有着可灵活设计的结构和新颖的传输特性,成为了传感领域研究的一个热点。在本文中我们提出了两种基于光子晶体光纤制作高灵敏度光纤压力传感器的方法。首先,选择性地对光子晶体光纤进行填充高折射率液体,从而制作成光纤压力传感器,并利用石英玻璃和液体之间力学属性的差异获得高压力灵敏度。第二,熔接简化空芯微结构光纤与单模光纤制作法布里-珀罗干涉型压力传感器,通过用氢氟酸腐蚀简化空芯微结构光纤的外径的包层厚度来提高传感器的压力灵敏度。本论文的内容如下:（1）阐述了光纤传感器的基本工作原理及光子晶体光纤的传输特性,就如何利用光子晶体光纤在结构和光学上的特点来提升光纤传感器的性能进行了详细分析。（2）针对石英材料在压力作用下形变小的问题,为了进一步提高传感器的压力灵敏度,提出了液体选择性填充的光子晶体光纤传感器,这主要是利用液体和固体具有不同的压力特性,在受到压力作用下两种物质的折射率变化不同,这导致了液体与光纤耦合波长发生漂移,增强了传感器的力学特性。与裸光纤布喇格光栅压力传感器相比,其压力灵敏度增加了207倍,达到-0.621nm/MPa。（3）提出了一种压力增敏的方法,用氢氟酸腐蚀光子晶体光纤的外包层,通过减小外包层的厚度,削弱了石英材料的杨氏模量的影响,这一结构能够有效地增大外界压力对法布里珀罗腔长度的变化的影响,从而达到了增敏的效果。通过对光子晶体光纤外包层厚度的优化,压力灵敏度由-17.5pm/MPa提升到了-32pm/MPa,几乎提升了2倍,与此同时温度灵敏度基本不发生变化,这种方法在提升压力灵敏度的同时,有效降低了温度交叉敏感性。（4）对论文成果进行总结,归纳了研究工作的创新点,并对未来研究进行了展望。

关键词：光纤传感器光子晶体光纤压力传感器压力增敏

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基于特殊悬臂梁的光纤光栅应力响应特性分析

光电子．激光 2004年第2期15卷 153-155页

作者：孙安乔学光贾振安郭团陈长勇西安石油大学光纤传感实验室陕西西安710065

分析了一种特殊结构的铝合金空心悬臂梁的受力原理。将光纤Bragg光栅(FBG)粘贴于悬臂梁上,在悬臂梁自由端施加载荷,对BGF的应力响应进行测试。实验结果表明,当所加载荷为200g时,Bragg波长漂移了约为0.215nm;而当梁不为空心时,其漂移量仅... 详细信息

分析了一种特殊结构的铝合金空心悬臂梁的受力原理。将光纤Bragg光栅(FBG)粘贴于悬臂梁上,在悬臂梁自由端施加载荷,对BGF的应力响应进行测试。实验结果表明,当所加载荷为200g时,Bragg波长漂移了约为0.215nm;而当梁不为空心时,其漂移量仅为0.019nm,增敏约10倍左右。因此,如果使用弹性材料对FBG进行封装时,通过这种封装结构能够实现对FBG的压力增敏。

关键词：悬臂梁光纤Bragg光栅应力响应压力增敏

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光纤光栅封装耦合对应变传感增敏的实验研究

西北大学学报（自然科学版） 2004年第4期34卷 409-412页

作者：周红乔学光王宏亮贾振安尉婷西安石油大学光纤传感实验室陕西西安710065

目的　研究光纤Bragg光栅与基底材料封装耦合对应变传感的增敏问题。方法　选用弹性模量小、耐180℃度高温且对温度敏感极小的有机聚合物材料,对裸光纤光栅进行封装,封装中采用特殊的偶连工艺,实现了封装材料与光纤光栅的牢固耦合并对... 详细信息

目的　研究光纤Bragg光栅与基底材料封装耦合对应变传感的增敏问题。方法　选用弹性模量小、耐180℃度高温且对温度敏感极小的有机聚合物材料,对裸光纤光栅进行封装,封装中采用特殊的偶连工艺,实现了封装材料与光纤光栅的牢固耦合并对两种外型尺寸的封装进行了研究对比。结果　封装后的光纤光栅对应变传感有增敏作用,FS光纤光栅取得了较高的应力灵敏度,与裸光纤光栅报道值比较增敏1174倍。结论　封装后的光纤光栅应力响应曲线具有良好的线性。通过对封装结构及尺寸优化,可以实现量程与灵敏度的最优组合。

关键词：光纤Bragg光栅封装耦合应变传感压力增敏

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光纤光栅传感器的聚合物封装增敏技术

光通信技术 2005年第12期29卷 39-41页

作者：李婷乔学光王宏亮贾振安傅海威刘钦朋王向宇西安石油大学光纤传感重点实验室西安710065

基于聚合物封装光纤光栅温度、应变传感原理,从聚合物材料的特点、聚合物材料的选择、用聚合物对光纤光栅传感器进行封装的要求及封装工艺进行了综述,并介绍了目前解决光纤光栅压力和温度增敏及应变和温度同时区分测量的各种方法,同时... 详细信息

基于聚合物封装光纤光栅温度、应变传感原理,从聚合物材料的特点、聚合物材料的选择、用聚合物对光纤光栅传感器进行封装的要求及封装工艺进行了综述,并介绍了目前解决光纤光栅压力和温度增敏及应变和温度同时区分测量的各种方法,同时介绍了聚合物封装的应用前景。

关键词：波导与光纤光学聚合物封装压力增敏温度增敏

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光纤布拉格光栅渗压传感技术研究

武汉理工大学学报 2006年第12期28卷 117-119页

作者：蒋冬青梁磊信思金湖南工学院机械工程系衡阳421008 武汉理工大学光纤传感技术研究中心武汉430070

基于光纤光栅传感技术,提出了一种新型的光纤光栅渗压传感器设计方法,有效地解决了传感器研制过程中的关键工艺技术,建立了系列光纤光栅渗压传感器的设计模型,将研制的该种传感器应用于工程实际,取得了良好的应用效果。研究表明,光纤光... 详细信息

基于光纤光栅传感技术,提出了一种新型的光纤光栅渗压传感器设计方法,有效地解决了传感器研制过程中的关键工艺技术,建立了系列光纤光栅渗压传感器的设计模型,将研制的该种传感器应用于工程实际,取得了良好的应用效果。研究表明,光纤光栅压力传感器具备良好的重复性、线性度和灵敏度,可以满足实际应用的要求,具有广阔的应用前景。

关键词：光纤光栅压力传感器压力增敏 ANSYS

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分布式光纤振动传感器系统硬件设计及实验

分布式光纤振动传感器系统硬件设计及实验

作者：徐恩波华中科技大学

学位级别：硕士

光纤传感器,从70年代末提出以来,因其具备了灵敏度高、动态范围大、不受电磁干扰等优点,在军事,工业,科研等领域都取得了广泛的应用。而分布式光纤振动传感器则可以实现连续高精度定位传感,具有广阔的应用前景。本文在广泛阅读文献的基... 详细信息

光纤传感器,从70年代末提出以来,因其具备了灵敏度高、动态范围大、不受电磁干扰等优点,在军事,工业,科研等领域都取得了广泛的应用。而分布式光纤振动传感器则可以实现连续高精度定位传感,具有广阔的应用前景。本文在广泛阅读文献的基础上,对分布式光纤振动传感器技术的基本原理进行研究,分析传感器系统的硬件组成以及系统对硬件的要求,设计适用于系统的光电硬件。论文主要内容包括: (1)介绍分布式光纤振动传感器技术的基本原理,分析系统硬件设计的关键问题以及影响系统性能的因素;(2)从分析分布式光纤振动传感器系统对光源的要求出发,选择合适的激光器光源,设计电源驱动系统和温度控制系统,并进行理论分析和实验验证;(3)实现光电转换。分析选用的PIN光电二极管的理论模型,介绍光电探测电路的基本结构及电路的噪声来源,设计改进的光电探测电路;介绍PIN-FET组件,并制作其外围辅助电路。 (4)分析实现系统压力增敏的方案,介绍各种光纤振动传感用特殊光纤;从理论上分析改进光纤来实现系统增敏的原理,优化设计光纤结构以及铺设方案,并进行了实验验证。 (5)将各个分立的光电部件合理的摆放在合适的机箱中,组成整机系统。并进行整机实验。在论文的最后,根据理论分析和实验结果,对整个系统硬件设计做一简单的总结。

关键词：分布式光纤传感器马赫-泽德干涉仪激光器驱动温度控制信号检测压力增敏

基于光纤光栅的海洋温深传感器结构设计与特性仿真

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基于光纤光栅的海洋温深传感器结构设计与特性仿真

作者：刘兆悦海南师范大学

学位级别：硕士

温度和压力参数是海洋声速、流速、密度、热含量等参数获取的基础,温深传感器作为海洋探测的基本设备在海洋经济、海洋生态、海洋军事等领域占据重要地位。用于海洋温深探测的传统XBT与CTD使用的大多是电学测温元件,除使用经验公式测量... 详细信息

温度和压力参数是海洋声速、流速、密度、热含量等参数获取的基础,温深传感器作为海洋探测的基本设备在海洋经济、海洋生态、海洋军事等领域占据重要地位。用于海洋温深探测的传统XBT与CTD使用的大多是电学测温元件,除使用经验公式测量深度外还存在灵敏度较低、响应时间较慢、热稳定性较差等问题。光纤光栅具有体积小、抗电磁干扰、耐压耐腐蚀等特性,并且作为良好的温度-应变敏感器件,在水下探测工作时表现出高分辨率与快响应速度,可以实现对海洋温深数据的高灵敏度动态传感。本文在广泛调研国内外光纤光栅传感器的研究基础上,基于将光纤光栅与其它增敏结构集成的思路,提出了用于XBT与CTD的四种温深传感结构,并针对这四种结构进行了详细的理论分析与仿真工作,本文具体研究工作与创新点如下:(1)提出了一种基于膜片与杠杆的温深传感结构,杠杆对膜片的二次增敏相较单一膜片结构提高了压力灵敏度。通过对该结构的材料、尺寸进行仿真模拟,在使用半径为2mm的纯铜管封装FBG时,获得了31.7pm/°C的温度灵敏度,压力灵敏度为4.21nm/MPa,且温度响应时间与压力响应时间较为相近,均在30ms以内,可以用于海洋0～800m范围的快速温深传感;(2)提出了一种基于弹簧式的温深传感结构,相较裸FBG大幅提高了压力灵敏度。对其进行了有限元分析,在选用弹簧钢作为弹簧材料时,四根平均直径为4mm,材料直径为2.5mm的弹簧对FBG进行增敏,在1MPa压力下表现出了8.96nm/MPa的高灵敏度,可以用于海洋0～400m范围的稳态深度传感;(3)提出了一种基于膜片与液体填充的温深传感结构,利用液体的热膨胀与膜片受压形变的方式对两个FBG分别进行了温深增敏,在使用厚度为1mm,半径为10mm的黄铜膜片与Ga In Sn液体时,传感结构的温度灵敏度为1.065nm/°C,压力灵敏度为1.245nm/MPa,其温深响应时间均在51ms以内,可用于海洋0～800m范围的快速传感。(4)提出了一种基于级联膜片的温深传感结构,利用了级联膜片的方式对FBG进行压力增敏,大幅提高了该传感结构的量程,在使用3片厚度为3mm,半径为20mm的不锈钢膜片同轴平行级联时,传感结构的温度灵敏度为31.7pm/°C,压力灵敏度为225.2pm/MPa,其温深响应时间在36ms左右,故可用于0～8000m深海海域的动态传感。与传统电学XBT与CTD的传感结构对比,本文所设计的传感结构提高了温度灵敏度与深度灵敏度,并且显著提高了温深响应速度。本文优化和解决了温深数据获取时间的匹配问题。四种传感结构的设计与仿真可以为新型光学海洋传感器的研究提供理论基础与选择方案,同时在温深传感领域的应用具备广阔前景。

关键词：光纤光栅海洋温深传感器快速响应温度增敏压力增敏