新一代光纤智能传感网技术进展

新一代光纤智能传感网是一项涵盖领域较为广泛的综合性技术,主要包括微结构光纤传感、基于非线性光学散射的光纤传感、基于光纤扰动的光纤传感、传感网的优化及应用技术四个方面。燕山大学、天津大学研制了不同类型的光子晶体光纤传感器,可用于生物化学方面检测。中国计量学院、南京大学开展了基于非线性光学散射的光纤系统研究,并在实际工程中得到应用。复旦大学、天津大学、上海理工大学针对光纤扰动的理论、算法等方面进行了研究。天津大学开展了光纤传感网优化及应用的研究,并在实际中得到应用。该文简要介绍了上述科研机构在光纤智能传感网技术方面取得的进展,为广大科研工作者进行相关研究提供参考。     

高灵敏度光纤MZI折射率传感器

首次在实芯光子晶体光纤中制备了横向大偏置结构光纤马赫-曾德尔干涉仪折射率传感器,并理论分析了此种干涉仪的干涉机制和折射率传感特性,以及影响折射率传感特性的各种因素;搭建实验系统,测试了折射率传感特性。结果表明,腔长330 μm传感器的干涉谱对外部环境折射率变化的响应成线性,透射谱随环境介质折射率增大而向短波方向移动,灵敏度超过-15 100 nm/RIU,灵敏度与腔长长度无关,光子晶体光纤的气孔对折射率传感特性影响很小。此种高灵敏度的光纤微腔折射率传感器适用于液体或气体的快速检测领域。     

光子晶体光纤在光纤传感中的应用

近年来,随着人们对光纤传感和光子晶体光纤研究的不断深入,光子晶体光圩在光纤传感中的应用正成为一个新的研究热点。本文介绍了光纤传感和光子晶体光纤的相关内容,重点结合光子晶体光纤的特点介绍了光子晶体光纤在偏振型光纤传感和布担格光栅传感中的应用。     

光子晶体光纤光栅在传感器系统中应用研究

光子晶体光纤光栅是一种新型的无源器件,可广泛用于光纤通信系统、光脉冲压缩、传感器及滤波装置中.采用耦合模理论对光脉冲在光子晶体光纤光栅中传播进行分析,给出光子晶体光纤光栅的制作方案,提出了光子晶体光纤光栅在压力传感器、折射率传感器、应变传感器和射流传感器等方面的具体应用.光子晶体光纤光栅对温度的敏感性比传统单模光纤传感器要低2至3个数量级,光子晶体光纤光栅传感器系统不需要温度补偿,传感器系统更为简洁而具备充分的优越性.     

新型光子晶体光纤传感器的基础研究

光子晶体光纤因其独特的光学特性、结构可灵活设计的优点以及对空气孔中填充的材料参量变化敏感的特点而成为近几年来传感领域的研究热点。该课题对填充金属纳米材料、气体、液体等材料的光子晶体光纤的光谱特性、温度传感特性及光子晶体光纤光栅的成栅机理进行了深入的研究,得到了一些很有价值的结论,为基于PCF的传感器的实现与应用及进一步拓宽光纤的原有领域奠定了良好的基础。(1)设计了一种有源PCF-SPR传感器,其特点是将有源内腔检测技术与表面等离子共振相结合,利用一根包层气孔充入金属纳米线溶液纤芯掺杂激活介质的光子晶体光纤实现探测激光产生、信息传感及光信号传输集一体的有源传感,并且由于纤芯的折射率可达到1.58,从而也拓宽了PCF-SPR传感器的探测范围。(2)针对在PCF气孔镀金属纳米膜的工艺较难的情况,实验上采用填充Ag纳米线悬浮液的方法实现了PCF-SPR温度传感,实验结果与仿真结果变化趋势一致,此方案可保持PCF用于表面等离子共振传感器的某些优点又简化了工艺操作。(3)设计了一种聚合物光子晶体光纤用于表面等离子共振传感器,这种光纤采用聚甲基丙烯酸甲酯制作,金属膜只需镀在光纤的外部,方便操作。仿真模拟结果表明,聚合物PCF半径、中心空气孔数量及空气孔的直径对波长灵敏度的影响很小,这样降低了对PCF制作的精密度的要求,有利于PCF的实际制作。(4)研究了一种基于混合液体填充的反射式光子晶体光纤温度传感探头,这种结构使得传感部分可以方便的伸入待测环境,相对于透射式传感装置而言,该种反射装置具有更为灵活实用的优点。实验结果表明,该种光子晶体光纤温度传感器可以在特定温度范围内呈现线性响应,其温度灵敏度约为1 d B/°C。此外,根据不同的溶液配比,该种传感器呈现可调谐的温度灵敏区间。(5)对由光子晶体光纤光栅组成的新型生物传感器特性进行了研究,重点对光纤结构参数(空气孔直径和孔间距)、光栅参数(光栅周期和周期个数)、塌缩程度和塌缩方式对谐振波长的影响进行了分析,研究结果表明,随着空气孔直径的增大、孔间距的减小、光栅周期的增大和塌缩程度的减小,其谐振波长向短波方向发生漂移,随着周期个数的增大,其谐振波长未发生明显漂移。     

光子晶体光纤及在光纤光栅中的应用

从光子晶体光纤(PCF)与普通光纤在光纤结构上的差异出发,简要分析了PCF的导光原理与单模特性,探讨了基于PCF的光纤光栅的稳定性,基于聚合物填充多孔光纤的长周期光纤光栅的温度调谐性能,以及纯结构性非光敏纤芯长周期光子晶体光纤光栅的原理,从一个方面说明了光子晶体光纤的潜在应用。     

保偏型光纤传感器解调系统仿真与参数优化

研究了光纤布拉格光栅传感器的波长解调原理和保偏光纤环镜的结构及传光原理,分析了输入光波长和输出光功率的分配特性,提出了一种基于保偏光纤环镜的光纤布拉格光栅传感解调方案,应用Matlab7.0进行仿真分析,验证了理论的正确性,运用Optisystem7.0进行光路测试及参数测定充分验证了解调方案的可行性.最后给出了该解调模型中保偏光纤长度、耦合器耦合系数及两偏振态相位差等参数的最优设置范围.     

湿腐蚀法制备U形塑料光纤折射率传感器

为提升折射率测量灵敏度、方便测量,通过湿腐蚀法制备了高灵敏度的U形塑料光纤折射率传感器.从理论上分析了多模塑料光纤宏弯曲折射率传感器的原理,利用射线法对塑料光纤中传输光场进行近似,获得多模塑料光纤宏弯曲模式损耗的表达式.采用丙酮和甲醇混合溶液作为腐蚀剂,利用湿腐蚀法对塑料光纤进行处理,观察不同腐蚀剂浓度腐蚀后光纤表面形貌,得到最佳腐蚀剂浓度为丙酮浓度80％.采用热定型法对腐蚀后的光纤进行宏弯曲处理,通过改变光纤芯径及弯曲半径优化传感器性能.利用655 nm红光激光器作为光源对其灵敏度进行测试,在1.30 ～1.45的较大折射率范围内,得到最佳灵敏度为618％/RIU(RIU为折射率单位).实验结果证明,通过宏弯曲处理可以使传感器灵敏度得到提升,并且U形探头使测量更加方便,可以广泛应用于折射率传感领域.     

基于光子晶体微腔和光纤环形衰荡的微力传感器

提出一种基于光子晶体微腔的高灵敏度的微力测量方法.首先,提出一种M型结构的梁作为传感探头,使系统在受到微力作用时,仅有光子晶体微腔的空气孔折射率发生变化而引起谐振波长的漂移,极大地提高了传感器的线性度和测量范围.然后,对微纳环结构的光子晶体微腔结构进行优化设计,获得了品质因子高达7100的微腔.最后,选择合适的实验器件及其特性参数,搭建基于光纤环形衰荡的波长解调系统,实验结果表明该系统的波长解调灵敏度为90μs/nm,所设计的微力测量系统的灵敏度可达194.616μs/μN.     

一种实用型光纤光栅复用检测系统

本文报导了一种实用型光纤光栅复用传感系统．该系统利用可调谐光栅反射解调的原理，其波长分辨率达到0.01nm，对应测量的应变分辨率为8．27με．实用结果和理论值相吻合。     

基于生产者-消费者程序结构的振动传感系统

低频振动常伴随自然灾害的发生,低频振动信号的实时准确检测对海底地震监测及海啸预警等领域的灾害探测具有重大意义,光纤振动传感器是实现低频信号检测的有效方式.设计了一类光纤振动信号传感系统的传感光路及相位解调单元,采用基于迈克尔逊干涉仪结构的顺变柱体传感检波器实现对传感系统中振动信号的转换和探测.针对光纤式低频振动信号传感系统的信号处理高实时性和高信噪比的难题,提出在信号解调处理单元引入LabVIEW的生产者-消费者程序结构模式,极大提高程序并行运算速率并有效释放上位机内存压力.经过系统整体联调测试实验验证,系统对0.01～1 Hz的超低频振动信号有高信噪比的输出,同时为光纤振动传感技术在低频频段研究工作提供参考.     

基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器

针对扭转角度的精确测量问题,提出一种基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器.采用对温度不敏感的保偏光子晶体光纤作为扭转角度的传感单元,当保偏光子晶体光纤被旋转一定角度时,其双折射值会发生改变,进而影响光在环镜系统内的干涉情况,最终表现为光谱仪上干涉谱的移动.理论推导出系统的传感规律后,实验测得该传感器在扭转角度为0°~101°的范围内,灵敏度为0.061 7 nm/(°);若光谱仪分辨率为0.01 nm,则系统最小分辨力为0.16°,并具有超低的温度灵敏度-0.6 pm/℃.该角度传感器具有体积小、成本低、对温度不敏感及可用于远距离传输等优点.     

基于空芯光子晶体光纤的反射式气体传感器

以光子晶体光纤(PCF)为研究对象,以提高气体测量灵敏度为研究目标,提出一种反射式的光纤气体传感技术.首先,利用宽谱光源谐波检测技术,并结合实际应用需求,设计了基于空芯PCF的反射式气体传感系统,并详细分析了系统的工作原理.然后,针对空芯PCF与单模光纤耦合困难、气体填充时间长的问题,设计了集密封、固定及连接于一体的机械耦合装置作为测量气室.最后,以乙炔气体为例,测试了该系统的传感特性,体积分数分辨力可达0.02%,最大相对误差为1.39%.该技术将进一步推动PCF在气体传感中的应用,并为其在实际气体浓度测量中的应用提供了理论和实验基础.     

基于伸缩杆结构的光纤光栅多级应变传感器

为了扩大光纤光栅称重传感器的测量范围,提高传感器的测量精度,在理论上设计了一套新型的可以扩大测量范围、提高测量精度的系统,并通过Matlab平台仿真.结果表明,单级传感器在波长变化小于0.2nm时具有良好的线性度.该系统将双光纤光栅串联,分别粘贴于等强度梁的上下两侧,采用光强解调的方法实现对光纤光栅输出信号的解调;在解调基础上,利用伸缩杆结构传递载荷重力.实验测试结果验证了多级应变测量的可行性,在保证分辨力的同时扩大了传感器的测量范围.     

基于高阶模干涉的双参量同时测量传感器的实验研究

提出一种单模-多模-单模(SMS)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的传感结构,利用了多模光纤内的高阶模干涉原理实现传感测量.本文采用了同长度芯径分别为50μm和60μm的多模光纤.实验结果显示,在SMS结构中,芯径50 μm和60μm的温度灵敏度分别为0.095nm/℃和0.127nm/℃,采用大芯径多模光纤略有提高SMS结构的温度灵敏度;折射率灵敏度分别为61.96nm/RIU和128.11nm/RIU,采用大芯径多模光纤大大提高了SMS结构的折射率灵敏度,该传感器能够用于温度和折射率的同时测量.     

光纤传感技术在油田开发中的应用进展

相对于传统电学传感器,光纤传感器具有体积小、灵敏度高、耐酸碱腐蚀、抗电磁干扰能力强、不产生电火花以及可实现分布式、实时在线、永久性监测等特点,得到了众多科研工作者的广泛关注,并在油田开发中获得了广泛应用。对应用于油田开发中的光纤传感技术的原理和发展现状进行了介绍,主要包括用于温度、压力、流场、声波、应力等方面检测的光纤传感技术。阐述了各种光纤传感技术在油田开发中的具体应用,通过对各传感技术的优缺点进行分析,并与现有的传统传感技术比较,指出了光纤传感技术在油田开发应用中的巨大优势和广阔前景,并对光纤传感技术在油田勘探和开发中的进一步的应用和发展进行了展望。