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中国激光 2021年第1期48卷 117-126页

作者：方莎莎吴许强张刚时金辉左铖张伍军桂磊俞本立安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室安徽合肥230601 安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室安徽合肥230601

提出一种基于光纤Sagnac干涉仪(FSI)和偏振模干涉仪(PMI)级联结构的高灵敏光纤温度和应变传感器。FSI作为参考干涉仪,是将对温度、应变、弯曲及扭转不敏感的椭圆芯保偏光纤(ECPMF)引入到Sagnac环内制得的。PMI作为传感干涉仪,是对光纤... 详细信息

提出一种基于光纤Sagnac干涉仪(FSI)和偏振模干涉仪(PMI)级联结构的高灵敏光纤温度和应变传感器。FSI作为参考干涉仪,是将对温度、应变、弯曲及扭转不敏感的椭圆芯保偏光纤(ECPMF)引入到Sagnac环内制得的。PMI作为传感干涉仪,是对光纤起偏器与末端端面镀金的熊猫型保偏光纤(PMF)的快轴/慢轴以45°角进行熔接制得的。参考干涉仪的自由光谱区(FSR)易被调整为接近传感干涉仪的FSR,从而产生光学游标效应,实现灵敏度放大。实验结果表明:所设计的级联传感器的温度灵敏度达15.56 nm/℃,是单个PMI的11.12倍;应变灵敏度达154.04 pm/με,是单个PMI的11.81倍。所设计的传感器具有灵敏度高、制作简单、稳定性好等优点,在航空航天、工业生产等领域中具有广阔的应用前景。

关键词：光纤光学光纤传感器熊猫型保偏光纤椭圆芯保偏光纤游标效应温度和应变传感器

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基于特种光纤与Sagnac环结构的温度和应变传感器的研究

基于特种光纤与Sagnac环结构的温度和应变传感器的研究

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作者：方莎莎安徽大学

学位级别：硕士

随着全球经济的迅速增长,我国对煤炭资源的需求量进一步增加。浅部煤炭资源已难以满足经济发展需求,大规模开采深部煤炭资源成为我国煤炭工业发展的必然趋势。但在开采过程中存在许多潜在的安全隐患,如未及时发现可能会造成重大人员伤... 详细信息

随着全球经济的迅速增长,我国对煤炭资源的需求量进一步增加。浅部煤炭资源已难以满足经济发展需求,大规模开采深部煤炭资源成为我国煤炭工业发展的必然趋势。但在开采过程中存在许多潜在的安全隐患,如未及时发现可能会造成重大人员伤亡和经济损失。目前,煤矿监测系统主要采用传统的电学传感器。但电学传感器存在着前端需供电、易受电磁干扰、传输距离短等问题,应用于煤矿等易燃易爆的环境中有局限性。而光纤传感器具有前端无电、抗电磁干扰、灵敏度高和精度高等优势,非常适用于煤矿安全管理监测系统。而对于煤矿安全管理监测来说,温度和应变又是两个非常重要的参数。本文深入研究了提高光纤传感器温度和应变灵敏度的方法,设计并制作了两种光纤温度和应变传感器,分别将细芯保偏光纤(Thin-Core Polarization Maintaining Fiber,TPMF)和TPMF-细芯光敏光纤(Thin-Core Photosensitizer Fiber,TPSF)结构引入光纤赛格纳克干涉仪(Fiber Sagnac Interferometer,FSI)。此外,为了进一步提高传感器的温度和应变灵敏度,提出了一种基于FSI和偏振模干涉仪(Polarization Mode Interferometer,PMI)级联结构的高灵敏光纤温度和应变传感器。这三种传感结构都使温度和应变灵敏度显著提高。研究内容如下:1.制作了一种基于TPMF的灵敏度增强的光纤Sagnac温度和应变传感器。利用TPMF与不同芯径的光纤熔接时的纤芯失配,通过实验研究了不同TPMF长度对温度和应变灵敏度的影响。结果表明,TPMF长度对该传感器温度灵敏度有明显影响,对应变灵敏度基本无影响。当TPMF的长度为3 cm时,可获得最高温度灵敏度(-1.70 nm/℃);当TPMF的长度为15 cm时,可获得最低温度灵敏度(-1.52nm/℃),当TPMF的长度为12 cm时,此时的应变灵敏度最高,为23.07 pm/με。2.制作一种基于纤芯失配的光纤Sagnac温度和应变传感器,该传感器由TPMF与TPSF熔接并引入Sagnac制成。利用Ge-B共掺TPSF和不同芯径的光纤熔接时的纤芯失配,通过实验研究了不同TPSF长度对温度和应变灵敏度的影响。TPMF的长度不变,始终为10 cm。结果表明,TPSF长度对该传感器的温度灵敏度有明显影响,但对应变灵敏度基本无影响。当TPSF的长度为12 cm时,可获得最高温度灵敏度(-1.93 nm/℃);当TPSF的长度为16 cm时,可获得最低温度灵敏度(-1.46 nm/℃),此时的应变灵敏度最高,为36.92 pm/με。3.提出了一种将椭圆芯保偏光纤(Elliptical core polarization maintaining fiber,ECPMF)引入Sagnac环内作为参考干涉仪的光纤温度和应变传感器。该传感器由参考干涉仪FSI和传感干涉仪PMI组成,利用参考干涉仪FSI对温度、应变、弯曲及扭转的不敏感特性,从仿真和实验两个方面分别对单个PMI、单个FSI以及级联传感器的温度和应变灵敏度进行了研究。结果表明,单个FSI对温度和应变相对不敏感。级联传感器的温度和应变灵敏度与单个的PMI相比,分别提高了11.12倍(-15.56 nm/℃)和11.81(154.04 pm/με)倍。仿真结果为11.34倍,与实验结果基本一致。基于以上分析,本文提出的传感器克服了传统电学传感器的不足,对煤矿管理监测等公共安全行业起到积极的推动作用。未来可将该传感器应用到航天航空、医药卫生、海洋开发、安全监测等领域。

关键词：光纤传感器 Sagnac干涉仪游标效应温度和应变传感器

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可同时测量温度和应变的游标光纤传感器的研究

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作者：马丽娜广州大学

学位级别：硕士

环境中温度和应变的同时精确测量一直是建筑结构健康监测领域中的关键技术问题。传统的电子式传感器存在传输距离受限、容易受到电磁干扰的影响等弊端。相较而言,干涉式光纤传感器因具有响应速度快、抗电磁干扰能力强和灵敏度高等优点,... 详细信息

环境中温度和应变的同时精确测量一直是建筑结构健康监测领域中的关键技术问题。传统的电子式传感器存在传输距离受限、容易受到电磁干扰的影响等弊端。相较而言,干涉式光纤传感器因具有响应速度快、抗电磁干扰能力强和灵敏度高等优点,在等众多领域都有良好的应用前景。随着现代社会的不断发展和进步,人们对传感器的灵敏度要求也在不断提高。因此,本文提出了一种基于游标效应的温度和应变传感器,主要由空腔Fabry-Perot干涉仪(Fabry-Perot interferometer,FPI)和反射式偏振干涉仪(Polarization interferometer,PI)构成,并分别从工作原理、传感测量实验等方面对提出的传感器的传感特性进行了细致研究。本文主要的研究结论包括:(1)通过实验测试得到了三种内径尺寸不同的空腔FPI反射光谱,发现空芯内径与光谱的消光比成反比关系。对于长度较短的空芯光纤(Hollow-core fiber,HCF),当内径与单模纤芯直径越接近,耦合损耗越低。FPI的温度传感测试结果表明,FPI温度灵敏度仅为0.0073 nm/℃,因此可以认为FPI对温度不敏感。(2)通过对反射式PI进行Matlab数值仿真,发现偏振夹角为45°时,光谱的消光比为最大值;保偏光纤(Polarization-maintaining fiber,PMF)的双折射系数B与长度L和自由光谱范围成反比关系。PI的传感测量实验结果表明,温度灵敏度为-1.98 nm/℃,应变灵敏度为37.76 nm/με。(3)为进一步提高灵敏度,将PI级联FPI构成游标传感器,其中将保偏光纤与空芯光纤直接熔接以提高结构的紧凑性。PMF作为传感元件,而FPI对温度不敏感可以作为参考干涉仪。通过对整个传感结构的光路进行理论分析与推导,并利用Matlab数值仿真对叠加光谱的特性进行研究,证明了所提出传感结构利用游标效应进行灵敏度放大的可行性。对提出的游标传感器进行温度和应变传感测量实验,结果表明两个包络谷点的温度灵敏度分别为-88.73 nm/℃、-71.85 nm/℃,应变灵敏度分别为1.61 nm/με和1.24 nm/με。由此构建灵敏度系数矩阵,并开展同时测量实验验证,结果表明所提出的传感器可实现对温度和应变的高精度同时测量。

关键词：光纤传感器游标效应温度和应变传感器偏振干涉仪 Fabry-Perot干涉仪

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基于细芯保偏-细芯光敏光纤结构的Sagnac干涉仪的温度和应变传感实验研究

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大学物理实验 2020年第6期33卷 1-6页

作者：吴许强方莎莎王鹤林张刚时金辉左铖俞本立安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室安徽合肥230601 安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室安徽合肥230601

提出并实验验证一种基于纤芯失配的光纤赛格纳克(Fiber Sagnac Interferometer,FSI)温度和应变传感器。该传感器由细芯熊猫型保偏光纤(Thin-Core Panda Polarization Maintaining Fiber,TPMF)与细芯光敏光纤(Thin-Core Photosensitizer Fiber,TPSF)熔接并引入Sagnac环中制成。实验研究了不同TPSF长度对温度和应变灵敏度的影响。结果表明,当TPSF长度分别为12 cm和16 cm时,获得的最高和最低温度灵敏度为-1.93 nm/℃和-1.46 nm/℃,但TPSF长度对传感器的应变灵敏度影响不大,相关指标都优于相关文献报道的非填充或无涂层光纤温度和应变传感器。该传感器具有灵敏度高、制作简单、稳定性好等优点。在物理、生物和化学传感方面具有潜在的应用前景。

关键词：细芯熊猫型保偏光纤细芯光敏光纤纤芯失配温度和应变传感器

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