法珀腔光纤压力传感器原理
法珀腔光纤压力传感器原理
法珀腔光纤压力传感器原理如下：
法珀腔（Fabry-Perot interferometer）是一种典型的多光束干涉仪，由两个平行的反射镜组成，中间形成一束光路。当一束与平行板呈角度的光射入法珀腔时，会在平行板中发生多次反射和折射，这些相同频率的光会发生干涉，形成多光束干涉。
光从折射率为n_0的物质中，以角度为θ_1的入射角进入间隔距离为d的
平行板中，平板中的折射率为n_1，由此光在板内的折射率为θ_2，在两块平板间经过多次反射和折射，光程差相同的同频光会发生干涉。光程差引起的相位差使投射光强和反射光强遵从干涉强度分布的公式，即艾里公式。测量反射光强可测量d的大小，这就是光纤法珀腔压力传感器的基本原理。
具体来说，法布里-珀罗干涉仪技术由两条平行的线组成，完全平坦的半反
射镜由一个给定的间隙隔开。当光源通过多模光纤注入法珀腔后，会在半反射镜上发生反射和透射。每次反射时，入射光束的一小部分会逃逸出法珀腔，产生大量平行光束与它们进入法珀腔的角度相同。在自由空间中，通过会聚透镜产生了多重的建设性干涉，形成非常明亮和尖锐的干涉条纹的光束。它
们的间距将取决于光程（即与平行平面与折射率之间的距离在这些平面之间）和自然波长上。然后，光被耦合器分开并传入不同的光纤中。
在法珀腔压力传感器中，当外界压力作用在法珀腔上时，会改变法珀腔的长度或折射率，从而改变干涉条纹的间距和数量。通过检测干涉条纹的变化，可以测量外界压力的大小。具体地，可以采用解调器将干涉条纹转化为电信号的变化，并利用相关算法和计算方法计算出外界压力的大小。
以上内容仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅有关文献或咨询相关人员。
光纤振动传感技术综述
光纤振动传感技术综述 摘要：随着设备朝着大型化、高速化的发展，振动引起的问题更为突出，需要 解决的问题更为迫切，也对振动测试与振动分析技术的研究提出了越来越高的要求。用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等 环境恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势，不同类型、不同原理的光纤振动传感 技术对于振动检测领域的发展有着非常重要的现实意义。本文对光纤振动传感技 术的全球专利申请脉络进行了详细梳理，并通过专利数据统计分析，认识了光纤 振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感 技术的后续审查工作打下了坚实的基础。 关键词：光纤；光栅；振动；传感；解调；分布式 一、引言 振动问题是近代物理学和科学技术众多领域中的重要课题。目前比较成熟的 振动加速度传感器主要为动圈式、压电式、涡流式和微机电系统等电类传感器， 上述类型的传感器都存在易受电磁干扰的问题，应用受到一定的限制。由于光纤 不仅可以作为光波的传输介质，而且光波在光纤中传播的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）会因外界因素（如温度、压力、磁场等）的作用而发生变化。 用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等环境 恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势。本文旨在通过梳理光纤振动传感技术的全 球专利申请，通过专利数据统计分析，认识了解光纤振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感技术的审查工作打下一定的 基础。 二、专利分析 本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和世界专利文摘库（SIPOABS）中，筛 选从1969年6月25日至2017年12月22日申请的国内外专利申请。将从以下 三个方面对光纤振动传感技术的专利进行分析： （1）专利申请发展趋势状况分析 全球范围内关于光纤振动传感技术的专利申请共计1268项，其中向中国专利局提交的国内申请为857项。图1示出了光纤振动传感技术的全球、国内和国外 的专利申请量的发展趋势，从图中可以清楚地看到：光纤传感技术发展中经历了 主要三个阶段，即：1980年以前，光纤传感技术的研究主要停留在理论阶段，以强度调制型光纤传感器的研究为主；从1980年后，开始大规模研究光纤传感技术，出现了大量不同的光纤传感原理和光纤检测技术；进入2000后，各种技术 和器件的研究已基本成熟，光纤传感器开始进入了商业化的进程，光纤传感进入 实用阶段。 图1.专利申请量的发展趋势 对于国外申请而言，尽管他们对于光纤振动传感技术的研究起步很早，但是 总体来看其发展一直呈现较为平稳状态，起伏不大；对于国内申请而言，呈现出 的趋势与国外申请有很大的不同，尽管国内的第一件申请出现的时间较晚，但是 后期发展势头尤为迅猛。 （2）专利申请地域分布状况分析 图2示出了光纤振动传感技术专利申请的国别/地区分布情况，显而易见，中 国是该领域最大的申请来源国；日本是该领域的第二大申请来源国，剩余的部分
MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现
MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现 曹群;贾平岗;熊继军;张海瑞;洪应平;房国成 【摘要】基于外界压力引起敏感膜片形变导致腔长变化来实现压力信号传感的原理，提出了一种MEMS光纤法珀压力传感器的设计，建立了传感器敏感膜片的挠度变化与膜厚、半径及施加压力的关系理论模型，并在此基础上进行了膜片的MATLAB二维数值仿真和Comsol Multiphysics三维数值仿真，并完成了FP压力敏感头的制作，进而设计了能够应用于光纤传感的解调方法，搭建了光纤传感的压力测试系统并进行了相关实验，利用所设计的解调方法对实验数据进行处理，进而对压力传感器的性能及特性进行了测试和验证。实验结果表明，传感器测试曲线线性度良好，与数值仿真结果基本一致，在100 kPa的量程范围内其灵敏度可达62.3 nm/kPa，温度敏感系数为0.023μm/℃，测量精度3.93%，且最小压强分辨率为1.29 kPa，证实了该MEMS光纤法珀压力传感系统具有一定的可行性。%A kind of MEMS optical fiber Fabry-Perot pressure sensor was proposed based on the pressure sensing principle which due to the change of cavity length caused by the deformation of sensitive diaphragm when pressure applied. The sensor’s theoretical model b etween sensitive diaphragm deflection variation with film thickness,radius and loading pressure was established. On the basis,the two-dimensional simulation using MATLAB and three-dimensional numerical simulation by Comsol Multiphysics software was performed and the processing fabrication of FP pressure sensing part was realized as well. Thus the demodulation method which can be applied to the optical fiber sensing was designed and related experiments were taken on after the implementation of optical fiber
环氧树脂封装的EFPI-FBG复合压力温度传感器
环氧树脂封装的EFPI-FBG复合压力温度传感器 刘明尧; 杜常饶; 武育斌 【期刊名称】《《光学精密工程》》 【年(卷),期】2019(027)010 【总页数】9页(P2080-2088) 【关键词】光纤传感; 光纤EFPI; 光纤光栅; 高压传感器; 温度补偿 【作者】刘明尧; 杜常饶; 武育斌 【作者单位】武汉理工大学机电工程学院湖北武汉430070 【正文语种】中文 【中图分类】TN253 1 引言 压力传感器广泛应用于工业生产中。然而，电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器等传统电学压力传感器不适用于要求绝缘和强电磁干扰的环境。光纤传感器具有精度高、体积小、耐高温和耐腐蚀的特点，且具有抗电磁干扰强、电绝缘性好、传播损耗小等诸多优点，可应用于恶劣环境和远距离测量和监控[1-4]。 常见的光纤法珀(Fabry-Perot，F-P)压力传感器结构形式中，MEMS光纤法珀压力传感器[5-9]是由外界压力引起硅敏感薄膜片形变导致腔长变化来实现压力信号传感，其体积小、压力灵敏度高，但压力测量范围小，硅膜片与基座之间的键合技术工艺复杂、操作要求高，高压环境下密封性能差，不适用于液压管路内高压油的
压力检测。另外，EFPI(非本征)型光纤法珀压力传感器[10-13]的玻璃管直接受到压力作用轴向长度伸长，进一步引起F-P腔的腔长变化，其测量范围广；但压力灵敏度较低，且玻璃管直接暴露在压力环境中，受到外界冲击，传感器容易受到破坏。IFPI(本征)型光纤压力传感器将FPI微型光纤结构埋入到环氧树脂内测量压力[14-15]，但IFPI结构加工工艺复杂，传感器难以实现大批量生产。 传统的EFPI-FBG复合结构将光纤F-P传感器与光纤光栅串联，实现应变测量的同时进行温度补偿[16-17]。本文研制了环氧树脂封装的EFPI-FBG复合压力温度传感器，以F-P腔和光纤光栅为敏感元件，利用环氧树脂将EFPI-FBG复合结构进行封装保护作为压力弹性体，抗震性能好，灵敏度高。在压力作用下，环氧树脂受力压缩，封装于环氧树脂内部的玻璃管随着环氧树脂的变形而轴向压缩， EFPI结构中F-P腔的腔长随玻璃管轴向长度的变短而变短，从而实现压力测量。环氧树脂受温度影响沿轴向发生形变，使得环氧树脂内的玻璃管轴向长度发生变化。为消除温度变化对压力测量的影响，玻璃管内的入射光纤刻有光栅且处于自由状态，进行温度检测，从而对压力传感进行温度补偿。 2 传感器结构设计及其工作原理 2.1 EFPI传感原理 如图1所示，EFPI传感器是由两个端面平行、同轴的单模光纤，密封于内径为D 的准直管内而成。两光纤端面构成F-P腔，腔长为L。当一束宽带光束射入F-P腔中，大部分光能够在F-P腔中来回多次反射，形成光学谐振。如图2所示，如果F-P传感器的光程差保持不变，反射光谱的强度在以波长为横轴的二维坐标系中，为一条正弦曲线。光学F-P腔的反射干涉信号与腔长L有关，当玻璃管产生轴向应变，导致F-P腔的腔长随着玻璃管轴向长度的变化而改变，这会引起输出光谱的整体漂移，利用这一点，F-P腔可以应用于压力测量。 图1 EFPI传感器结构Fig.1 Structure of EFPI sensor
法珀腔光纤压力传感器原理
法珀腔光纤压力传感器原理 法珀腔光纤压力传感器原理如下： 法珀腔（Fabry-Perot interferometer）是一种典型的多光束干涉仪，由两个平行的反射镜组成，中间形成一束光路。当一束与平行板呈角度的光射入法珀腔时，会在平行板中发生多次反射和折射，这些相同频率的光会发生干涉，形成多光束干涉。 光从折射率为n_0的物质中，以角度为θ_1的入射角进入间隔距离为d的 平行板中，平板中的折射率为n_1，由此光在板内的折射率为θ_2，在两块平板间经过多次反射和折射，光程差相同的同频光会发生干涉。光程差引起的相位差使投射光强和反射光强遵从干涉强度分布的公式，即艾里公式。测量反射光强可测量d的大小，这就是光纤法珀腔压力传感器的基本原理。 具体来说，法布里-珀罗干涉仪技术由两条平行的线组成，完全平坦的半反 射镜由一个给定的间隙隔开。当光源通过多模光纤注入法珀腔后，会在半反射镜上发生反射和透射。每次反射时，入射光束的一小部分会逃逸出法珀腔，产生大量平行光束与它们进入法珀腔的角度相同。在自由空间中，通过会聚透镜产生了多重的建设性干涉，形成非常明亮和尖锐的干涉条纹的光束。它
们的间距将取决于光程（即与平行平面与折射率之间的距离在这些平面之间）和自然波长上。然后，光被耦合器分开并传入不同的光纤中。 在法珀腔压力传感器中，当外界压力作用在法珀腔上时，会改变法珀腔的长度或折射率，从而改变干涉条纹的间距和数量。通过检测干涉条纹的变化，可以测量外界压力的大小。具体地，可以采用解调器将干涉条纹转化为电信号的变化，并利用相关算法和计算方法计算出外界压力的大小。 以上内容仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅有关文献或咨询相关人员。
法布里-珀罗光纤传感综合报告
法布里-珀罗光纤传感综合报告 一、基本概念及工作原理 光纤传感技术主要涉及不同类型光纤传感器的开发和应用。在目前已经开发出的各种类型光纤传感器中应用比较广泛的有光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)、长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，LPFG)和几种基于干涉原理的传感器，包括马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer，MI)和法布里-珀罗干涉仪(Fabry-PerotInterferometer，FPI)等。其中光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高、耐高温和抗电磁干扰等优点，广泛应用于航空航天、能源工业及环境监测等领域。 1.1法布里-珀罗传感器原理 光纤FPI传感器是基于多光束干涉原理，其中多光束干涉是指一组相互平行并且任意两束光之间光程差都相同且频率相同的光束相干叠加。典型的FPI 通常由两个平行的反射面构成，如图1所示，当一束光以倾角θ，入射到厚度为L的平行玻璃板时，光会发生多次反射，从而形成多光束干涉。 图1 多束光干涉原理图 并且无论是反射光还是透射光，任意两束相邻光束之间的相位差δ 可都是相同的。相位差δ 可由公式(1) 计算： nLcosθt（1） δ=4π λ0
在公式(1)中，λ0为光的波长，n为玻璃板的折射率，θt为射入玻璃板光束的折射角，L为玻璃板的厚度。反射面上的光强为： I0（2） I r=T2 T2+4Rsin2δ 2 其中I0为初始光源。透射面上的光强为： I0（3） I t=T2 T2+4Rsin2δ 2 其中T 是玻璃板单面的透射率，R 是玻璃板单面的反射率。从公式(1) 可知，任意两个相邻光束的相位差δ 由入射光的波长λ0，玻璃板的折射率n，玻璃板的厚度L 和进入玻璃板光束的折射角θt 共同决定。 光纤FPI 传感器的两个反射面可近似看作玻璃板的上下表面。当传感器受到环境的影响时，法珀腔内部的折射率或腔长发生变化，表现为其反射谱的反射峰发生红移或蓝移。当反射率非常低时，可以将多光束干涉近似地视为双光束干涉。此时，FPI 干涉光谱的光强公式可以表示为： I=I1+I2+2√I1I2cosϕ（4）其中，I1和I2分别是从FPI 两个反射面反射的光的强度，而ϕ是FPI 随压力和温度变化引起的相变，可以表示为： ϕ=4πn1L/λ+ϕ0（5）其中n1是FPI 中法珀腔内部的折射率，ϕ0是初相位，L 是法珀腔的腔长，λ 是入射光的波长。FPI干涉光谱的自由光谱范围(Free Spectrum Range，FSR) 为： FSR=λ2−λ1=λ1λ2 （6） 2n1L 其中λ1是干涉波谷的波长，λ2是λ1 相邻干涉波谷的波长。 1.2光纤FPI传感器的温度传感原理 当外界温度改变时，光纤的折射率以及长度会发生变化，从而导致FPI的相位发生变化，引起光纤FPI的干涉谱发生移动。因此可以通过检测其干涉谱的移动来感知外界温度的变化。FPI的干涉波谷的波长可以表示为：
基于法布里-珀罗腔的光纤温度传感器的设计
滨江学院 毕业论文(设计) 题目基于法布里-珀罗腔的光纤温度传感器的设计 院系电子工程系 专业电子科学与技术 学生姓名陈如俊 学号20072321045 指导教师葛益娴 职称讲师 二Ｏ一一年六月二日
目录 1引言 (1) 2光纤法布里-珀罗腔传感器的基本原理 (2) 2.1光纤法布里－珀罗传感器结构 (2) 2.2光纤法布里－珀罗温度传感器的干涉原理－多光束干涉 (3) 3. 光纤温度传感器的设计 (5) 3.1 设计结构 (5) 3.2 模型分析 (5) 3.3模拟仿真 (7) 4.解调方法 (8) 4.1常用解调方法 (8) 4.1.1强度解调法 (8) 4.1.2相位解调 (9) 4.1.3波长解调 (11) 4.2双波长解调方法 (13) 4.3数据处理 (14) 5．GUI界面 (15) 参考文献 (17)
基于法布里-珀罗腔的光纤温度传感器的设计 陈如俊 南京信息工程大学电子科学与技术，南京210044 摘要：本文主要阐述了以半导体硅为基底，光纤为核心的温度传感器的设计，详细介绍了以法布里-珀罗腔为理论模型的光纤温度传感器的工作原理，利用半导体硅的热光效应，仿真模拟了该传感器的设计参数，提出了用双波长法解调该传感器，利用Matlab软件设计了一个关于光纤温度传感器温度测量线形拟合直线的GUI界面，结果表明该传感器可适用于煤矿等恶劣环境。 关键词：光纤，光纤温度传感器，半导体硅，热光效应 1引言 由于光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点，所以近几年来，光纤传感器与测量技术发展成为仪器仪表领域新的发展方向，而新型光纤传感器不外乎有以下特点：（1）光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到≤0.2 dB/km的水平。 （2）光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。 （3）光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。 还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源韦富、抗电磁干扰，抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控。对传统的传感器起到扩展提高的作用，不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的仟务。 正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。 国内外现已有多种光纤辐射高温计,其中比较典型的是中国科学院西安光学精密机械研究所于 1989年12月申请的专利“双波长光纤温度传感器,其由探测光纤连接器、Y型分路集成器、信号处理和显示部分组成具有结构紧凑体积小、成本低、性能高等特点。该传感器可用于高温测量 ,相对误差小于1% ,响应速度为0~10um/ms,可调。值得注意的是 ,现已
简析光纤传感技术在地震监测中的应用
简析光纤传感技术在地震监测中的应用 摘要：光纤传感器是一种近年来新出现的地震监测新手段，光纤传感器本身具 有精度较高且能够抗电磁干扰等特点，应用在地震检测中，能够得出较为准确的 结果。因此需要利用光纤传感器本身的抗干扰能力等优秀性能，推动光纤传感设 备在地震监测中的应用，基于此，本文阐述了光纤传感器的传感原理及特点以及 光纤传感器在地震前兆观测中的主要技术，对光纤传感器在地震监测中的应用进 行了简要分析，旨在提高地震监测水平。 关键词：光纤传感器；传感原理；特点；技术；地震监测；应用 我国作为地震多发国家，目前对地震监测研究逐渐深入，利用光纤传感器 是其重要环节之一。近年来光纤传感技术被广泛地应用于地形变观测、地震波探测、水文地球化学观测和地磁探测等众多领域并取得了大量研究成果。以下就光 纤传感器在地震监测中的应用进行了探讨分析。 一、光纤传感器的传感原理及特点 光纤传感器可以按照传感原理分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、 波长调制光纤传感器等。具体表现为： 1、强度调制光纤传感器。强度调制光纤传感器通过感知外界环境导致的光 纤传输光强度变化来检测相应的物理量。光纤法珀传感器是一类典型的强度调制 光纤传感器。它是历史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器。 光纤法珀传感器是光纤传感器中的重要一员。光纤法珀传感器的核心敏感元件是 法珀腔，所有被测物理量的变化都会直接或间接地反映在法珀腔长的改变上，根 据光纤珐珀腔的结构不同，光纤法珀传感器可以分为本征型（EFPI），非本征型（IFPI）和在线复合型（ILFP）。非本征型光纤法珀传感器是目前光纤法珀传感器 中应用最广泛、研究最多的一种光纤法珀传感器，常见的非本征型光纤法珀传感 器有毛细管型非本征光纤法珀传感器和膜片式微加工型光纤法珀传感器。 2、相位调制光纤传感器。相位调制光纤传感器通过敏感部件感知光纤折射 率或传播常数的变化从而对被测物理量进行探测。这类传感器需要采用干涉技术 将相位信息转化为强度信息来进行检测。 3、波长调制光纤传感器。波长调制光纤传感器主要指光纤光栅传感器，这 类传感器利用待测物理量调制传输光波长信息，通过探测波长信息的变化即可对 待测量进行检测。光纤光栅传感器是一类典型的波长调制光纤传感器。光纤光栅 不仅尺寸很小、重量相对轻、还具有带宽宽、灵敏度很高、耐腐蚀能力强和抗电 磁干扰能力强等的优点，由于其固有特性，能够实现对波长的绝对编码、集传感 与传输于一体、且可以不受光功率波动的影响、相对易于制作封装及埋入材料的 内部。在测量领域能对结构的应力、应变进行高精度的绝对检测。同时，也能够 采用准分布式的方式多点测量外界温度、应力场作用下的大量待测目标的时间和 空间特征。 二、光纤传感器在地震前兆观测中的主要技术分析 1、基于光纤光栅的高精度低壳形变观测技术。首先是光纤光栅的观测技术，在光纤光栅穿高技术之前，一直使用干涉式测量系统进行短期测量，虽然精度可 以向上发展，但是发展的同时，因其本身测量是相对的，不能进行绝对测量，造 成其不适应长期的地形观测。反之光纤光栅传感技术虽然能够进行绝对测量，能 够应用在长期的地形变化检测中，但是本身的测量精度较低，通过干涉式测量系 统以及光纤光栅系统的精度的对比，可以发现，干涉式光纤的精度可以达到10-9
光纤传感白光干涉
光纤白光干涉 摘要 光纤干涉型传感器是光纤传感器中的一个重要分支，而白光干涉测量技术是一种被广泛应用的光学干涉测量技术。白光干涉测量技术应用于光纤干涉型传感器，能够测量光纤干涉仪的绝对光程差，且动态测量范围大，测量分辨率高。本论文分别阐述了扫描白光干涉测量技术和光谱域光纤白光干涉测量技术的原理与研究现状，分析和总结了不同的光纤白光干涉测量的结构和特点。 关键词：光纤传感器；光纤干涉仪；白光干涉测量术； Abstract Fiber optic interferometric sensor is an important branch of the fiber optic sensor. White-light interferometry is a widely used technique of the optical interferometry. The white-light interferometry, which is applied to fiber optic interferometric sensor can measure the absolute optical path difference (OPD) and possess the abilities to provide large dynamic measurement range and high measurement resolution.In this dissertation, the principles and research status of scanning white-light interferometry and spectral-domain optical fiber white-light interferometry are described respectively. The structures and characteristics of different optical fiber white-light interferometry are analyzed and summarized. Keywords:Fiber optic sensor;fiber optic interferometer; white-light interferometry; 1、绪论 光纤传感技术是20世纪70 年代末新兴的一项技术，近年来，光纤传感技术在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位。光纤具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、电绝缘性好、灵敏度高等优点，可以构成传感网络。光纤传感器的主要工作原理[1]是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，待测物理量与光发生相互作用后，导致光的部分光学性质发生变化（例如光的波长、强度、频率、偏振态、相位等），称为被调制的光信号，信号光再经过光纤送入光探测器通过解调后获得被测参数。 光纤传感器通常可以分为强度调制型光纤传感器，光纤光栅传感器（波长调
光纤法珀腔声传感器理论与仿真分析研究
光纤法珀腔声传感器理论与仿真分析研究 程进;邹小平 【摘要】根据干涉原理,对基于低精细度法珀腔的光纤声传感器的敏感机理进行了理论分析,明确了采用单色光源工作时需要满足正交相位点和小信号的条件.采用ANSYS软件,对敏感声波的振膜进行了预应力振动模态和预应力谐响应有限元分析,仿真了在声波作用下振膜的振动特性,以及其频率响应特性.进一步分析了光纤法珀腔声传感器的灵敏度与材料、结构、光学、电学参量的关系,以及它的动态范围.【期刊名称】《传感技术学报》 【年(卷),期】2018(031)011 【总页数】8页(P1633-1640) 【关键词】光纤声传感器;法珀腔;仿真分析;灵敏度;动态范围 【作者】程进;邹小平 【作者单位】北京信息科技大学传感技术研究中心,北京市传感器重点实验室,教育部现代测控技术重点实验室,北京100101;北京信息科技大学传感技术研究中心,北京市传感器重点实验室,教育部现代测控技术重点实验室,北京100101 【正文语种】中文 【中图分类】TN253 作为一种新型声传感器,光纤声传感器与现有电动式、压电式、电容式等传统的声-电直接转换原理的声传感器相比,具有灵敏度高、抗电磁干扰、传输损耗低、耐腐
蚀、体积小、重量轻等优点,在环境噪声监测、噪声源定位、光声探测[1]等应用领 域也有广泛的需求,特别是对强电磁干扰环境下的声波拾取具有不可替代性[2]。因 此光纤声传感器得到广泛研究。 光纤声传感器根据调制光学参量的不同,可分为强度型、相位型、波长型、偏振型等,其中研究较多的主要强度型和相位型光纤声传感器。强度型光纤声传感器的研 究开展的较早,它原理简单,易于实现,目前已商品化。相对于相位型光纤声传感器,它的灵敏度较低、本底噪声较大[3],不能满足于微弱声信号的应用,如微弱语音拾取、远距离声源定位、光声探测等。相位型光纤声传感器是基于超高灵敏的光干涉技术,具有灵敏度高、本底噪声低等优点,因此目前是声传感器的前沿研究热点之一[4]。 相位型光纤声传感器是通过不同的干涉结构实现的[5],包括迈克尔逊、马赫-曾德尔、法珀腔、萨格纳克环等干涉结构。在这些干涉结构中,法珀干涉结构只需一根光纤, 该光纤的端面与敏感体的反光面形成法珀腔,该结构简单,特别适合制作声传感器。 目前关于光纤法珀腔声传感器的研究主要涉及如下几个方向:①法珀腔的设计[6-14],包括采用不同结构、不同的振膜、不同材料制作光纤法珀腔声传感探头;②信号解调方法研究[15-16];③稳定性研究[17-18]等。目前光纤法珀腔声传感器还没有 实用化,在实用化过程中,需要对其进行较为系统的理论与仿真分析研究,然而目前关于这方面的研究鲜有报道。 本文根据光纤法珀腔声传感器的原理结构,对其敏感机理进行了理论分析,采用ANSYS软件对振膜的预应力振动模态和预应力谐响应进行了有限元仿真,并对其关键参数灵敏度、动态范围进行了分析。本文对光纤法珀腔声传感器的实应化研究具有指导作用。 1 光纤法珀腔声传感器原理结构 光纤法珀腔声传感器的原理结构如图1所示,它的核心结构包括敏感声波的振膜和 光纤,其中振膜的反光面和光纤端面组成光纤法珀腔。
光纤光栅传感网络技术研究与应用
光纤光栅传感网络技术研究与应用 随着科学技术的发展，传感器在各个领域的应用越来越广泛。其中，光纤光栅传感网络技术作为一种先进的传感器技术，具有高灵敏度、抗干扰能力强、传输距离远等优点，在工业生产、医疗卫生、建筑设施等领域得到了广泛应用。本文将详细介绍光纤光栅传感网络技术的现状、研究方法及其应用，并展望未来的发展趋势。 光纤光栅传感网络技术是基于光纤光栅（FBG）的一种传感器技术。 光纤光栅是一种由光纤制造的周期性折射率变化的器件，通过对光纤的光学特性进行调制，实现对特定波长光的反射。光纤光栅传感网络由多个光纤光栅和一个解调器组成，通过对反射光的波长变化进行测量，实现对外部物理量的感知。该技术在其他相关领域也有着广泛的应用，如光纤通信、光学陀螺仪等。 目前，国内外对于光纤光栅传感网络技术的研究已经取得了很多成果。在国外，一些知名的研究机构和企业，如美国的麻省理工学院、斯坦福大学、日本的东芝公司等，都在该领域进行了深入的研究和产品开发。在国内，一些高校和科研机构，如清华大学、北京大学、中科院等，也在积极开展光纤光栅传感网络的研究工作。 在实现方法上，目前光纤光栅传感网络主要采用分布式和集成了两种
方式。分布式光纤光栅传感网络可以实现长距离的感知，但解调难度较大；集成式光纤光栅传感网络可以实现多个光纤光栅的集成，提高测量精度和响应速度，但测量距离较短。还有一些研究小组尝试将光纤光栅与其他传感器进行结合，以实现多参数的测量。 光纤光栅传感网络技术在各个领域都有广泛的应用。在工业生产中，可以利用光纤光栅传感器对生产过程中的各种物理量进行实时监测，如温度、压力、位移等，以提高生产效率和产品质量。在医疗卫生领域，光纤光栅传感器可以用于实时监测病人体内的生理参数，如血压、体温等，为医生提供准确的诊断依据。在建筑设施领域，光纤光栅传感器可以用于监测建筑物的变形、振动等，为建筑物的安全评估和预防性维护提供支持。 随着光纤光栅传感网络技术的不断发展，未来该领域的研究将更加深入和应用更加广泛。预计未来的研究将主要集中在以下几个方面： 高灵敏度光纤光栅传感器的研发：目前的光纤光栅传感器在某些方面的灵敏度还有待提高，因此未来的研究将致力于开发出更高灵敏度的光纤光栅传感器，以满足不同领域的应用需求。 智能化光纤光栅传感系统的研究：未来的光纤光栅传感系统将更加智能化，具备自适应、自校准等功能，能够更好地适应各种复杂环境的
高灵敏度光纤温度传感器
高灵敏度光纤温度传感器 摘要：光纤光栅是一种光学无源器件，由于其具有质量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀以及传感测量的准确度高等优良特性，现已广泛应用于传感测量领域。光纤光栅作为一种传感测量元件，当外界环境温度发生变化时，使得光纤光栅产 生一定的应变，这将引起光纤光栅的周期和光栅折射率的变化，从而使得进入光 纤光栅中被反射和透射的光波发生一定的漂移，但在实际的应用中，往往由于温 度变化的范围不大，从而温度引起的光纤光栅的应变非常微小，即裸光纤光栅的 温度灵敏度很低，所以在实际的工程应用中，一般将裸光纤光栅进行温度增敏封装，以提高其温度灵敏度。 关键词：高灵敏度；光纤温度；传感器 现有的光纤光栅的封装形式有很多，根据封装结构和材料的不同，主要有聚 合物封装、金属管封装、基片式封装等比较常见的形式。本文研究基片式的封装 形式，通过对封装的结构进行改良设计，使其在温度方面的灵敏度得到较大提高。 1ＥＦＰＩ光纤温度传感器结构与原理 ＥＦＰＩ光纤传感器结构如图１所示。两个光纤陶瓷插芯相对放置插入一个 铝套管中，使其端面相互平行，用陶瓷插芯的端面做反射面，形成Ｆ－Ｐ谐振腔 结构。一个带尾纤的陶瓷插芯作为第一个反射面，另外一个不带尾纤的陶瓷插芯 作为第二个反射面，两次反射的光形成双光束干涉。用螺钉将陶瓷插芯固定在铝 套管内，然后用高强度的环氧树脂进一步固定并且密封该Ｆ－Ｐ腔结构的装置。 图１ＥＦＰＩ光纤传感器结构图 陶瓷插芯热膨胀系数为α＝１１．４５×１０－６／℃，铝热膨胀系数为β＝ ２３．６×１０－６／℃。设计铝管有效长度Ｌ１＝２０ｍｍ，Ｆ－Ｐ初始光学 腔长Ｌ２＝１５０μｍ，Ｆ－Ｐ光学腔长Ｄ的温度特性可以表示为 若白光干涉解调仪腔长测量分辨率为０．５ｎｍ，则对应温度分辨率为 ０．００２０４℃。 2ＥＦＰＩ温度传感器实验 实验使用自主研制的光纤白光干涉测量仪解调出ＥＦＰＩ的腔长。当白光干 涉测量仪的腔长测量范围在８０～４００μｍ时，腔长测量分辨率可达０．２μｍ，四个通道同时测量时，测量频率为１Ｈｚ。该解调仪使用自主研制的可调谐光纤 法珀滤波器（ＦＦＰ－ＴＦ），滤波器扫描范围８０ｎｍ，线宽０．１５ｎｍ， 精细度达到６００，损耗小于２ｄＢ，扫描频率大于５００Ｈｚ，由此滤波器构 成的波长扫描掺铒光纤激光器作为光源。通过频谱分析分离出相位信息，得到光 学腔长Ｄ。 首先在２５℃恒定温度环境下连续测量１００次，以测试测量系统的腔长测 量分辨率，解调仪解调频率１Ｈｚ。解调仪对ＥＦＰＩ光纤温度传感器的白光光 谱进行分析与计算，得到的绝对光学腔长结果如图２。从测量结果可以看出光学 腔长测量的波动范围在０．４ｎｍ内，分辨率可达０．２ｎｍ。在全温度测量范 围内，该解调仪的腔长测量分辨率只有０．５ｎｍ。 图２２５℃恒定温度下光学腔长１００次测量结果 再设置恒温水槽的温度，在室温３０℃先测量一次，然后以５℃的间隔升高
基于光纤复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法
（19）中华人民共和国国家知识产权局 （12）发明专利申请 （10）申请公布号 CN106197492A （43）申请公布日 2016.12.07（21）申请号CN201610495631.4 （22）申请日2016.06.29 （71）申请人南京航空航天大学 地址210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号 （72）发明人曾捷;穆昊;常晨;郭晓华;王珂;程竹明;贾鸿宇 （74）专利代理机构江苏圣典律师事务所 代理人贺翔 （51）Int.CI G01D5/353; G01N21/41; 权利要求说明书说明书幅图 （54）发明名称 基于光纤复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法 （57）摘要 本发明涉及一种基于光纤复合法珀腔结构 的法珀腔长与折射率计算方法，属于光纤传感技 术领域。该光纤复合法珀腔传感器，其从左到右 依次由单模光纤（6）、毛细玻璃套管（7）、高 折射膜片（9）、高反射膜（11）组成。所述的传 感系统包括可调谐激光光源（1）、光环行器 （2）、上述光纤复合法珀腔传感器（3）、光电
探测器（4）、高速数据采集卡（5）以及计算机 （12）。本发明在满足一定条件时高折射膜片折 射率与空气折射率、以及两个法珀腔的腔长具有 一定的比例关系，由此可以计算出第一法珀腔腔 长和高折射膜片折射率。该方法具有简单、便捷 等特点。 法律状态 法律状态公告日法律状态信息法律状态 2016-12-07公开公开 2016-12-07公开公开 2017-01-04实质审查的生效实质审查的生效 2017-01-04实质审查的生效实质审查的生效 2018-07-03授权授权
无损检测基于光纤传感技术的应力监测
无损检测基于光纤传感技术的应力监测 1 范围 本标准规定了基于光纤传感器的应力监测技术、方法和要求。 本标准适用于利用点式、分布式光纤传感技术实现机械设备或结构的应力状态监测，如特种设备、钢结构等。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 13992 金属粘贴式电阻应变计 GB/T 13993.2 通信光缆系列第2部分：核心网用室外光缆 GB/T 16529.3 光纤光缆接头第3部分：分规范光纤光缆熔接式接头 3 人员要求 按本标准进行应力监测的人员应经过相关专业培训。 4 监测前的准备 在进行监测前，需要通过资料审查和现场实地考察获取一些基本信息，至少应包括如下的要素： a)监测人员的资格； b)监测计划； c)监测仪器设备； d)监测校准状态； e)信号记录； f)记录表格和报告格式； g)母材的成分或等级； h)待监测结构的位置和范围； i)监测结构表面几何形状； j)表面状态； k)其它有助于机械结构健康监测的信息。 5 传感器的选择和布置 5.1 测点布置 根据设计单位的要求、有限元仿真分析结果以及历史损伤数据分析等方法，给出被测对象的理论应力分布、大小和方向，据此确定应力测点的位置、测量范围、灵敏度和数量。 5.2 光纤应变传感器 光纤应变传感器包括点式光纤应变传感器和连续式光纤应变传感器。
点式光纤应变传感器是指针对单元点进行结构局部应变变化测量的光纤传感器，如光纤光栅应变传感器、光纤法珀应变传感器或其他。 点式光纤应变传感器应得到有资质的第三方测试认证，具有测试证书，其测试证书内容至少应包括：测量范围、线性度、灵敏度、信噪比、重复性、温度系数和预期寿命等。 连续式光纤应变传感器是指一种经过特殊被覆处理的特种光缆，当其整体埋/置入被测结构后，被覆层能将结构的应变传递给光纤，使光纤既作为应变传感的敏感元件、又作为光信息的传输介质，以实现应变的连续分布式测量。 连续式光纤应变传感器应得到有资质的第三方测试认证，具有测试证书，其测试证书内容至少应包括：空间分辨力、应变分辨力、温度系数和预期寿命等。 6 光纤应力监测系统 6.1 基于点式光纤应变传感器的应力监测系统 系统组成 系统包括传感器、解调仪、传输光缆、二次仪表和计算机等部分。各组成部分应经过有资质的第三方测试合格后方可使用。并随附出厂测试合格证。 系统使用时，应具有温度补偿功能。 点式光纤应变传感器 用于设备和结构应力监测的点式光纤应变传感器应满足5.2要求。 解调仪 根据传感器的数量选择解调仪通道数，应至少预留10%通道数，解调仪性能指标和长期稳定性应经过有资质的第三方认证，获得测试证书，其测试证书内容至少应包括：通道数、波长范围、扫描频率、应变分辨力、波长重复性、稳定度和长期可靠性等指标。 6.2 基于连续式光纤传感技术的应力监测系统 光纤连续式应力监测系统包括连续式光纤应变传感器、传输光缆和分布式光纤测量仪组成。 根据被测对象特点，选择合适的传感光缆，并附有详细测试指标的合格证书。 分布式光纤测量仪是基于光纤传播中的背向散射特性、并利用光雷达技术，获取沿光纤长度方向上各点的光散射信号，并通过数据处理解析出外界作用场的信息，从而获得光纤轴向的分布场信息的特种仪器。分布式光纤测量仪需与传感光缆匹配，并附有详细测试指标的合格证书。 6.3 传输光缆及附件 传输光缆 用于户外安装的光缆应使用直埋或架空型铠装护套光缆。 光纤分路器 根据传感器的数量选择合适的光纤分路器类型，并附有详细测试指标的合格证书。 6.4 数据采集、传输与保存 数据采集 数据采集仪器及二次仪表应安放在被测对象附近具有良好保护性能的机箱或机房内，应避免震动、高低温、潮湿、电磁干扰，且有较好的供电稳定性等。 数据采集可采用动态、静态两种方式，可连续采集或定时触发两种模式之一，其中动态采集的采样频率或定时触发的采样间隔，可根据实际需要确定。
FBG光学传感器基础
FBG 光学传感器基础 概述 近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。 在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑 结构健康监测应用等。 光纤传感器简介 从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型(混合型) 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。 光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯(core)，包层(cladding)和保护层(buffer coating)。其中包层能够将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯中，以保证光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功能的实现原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传播到包层的时候会发生全内反射。最外面的保护层提供保护作用，避免外界环境或外力对光纤造成损坏。而且可以根据需要要强度和保 护程序的不同，使用多层保护层。 图1. 典型光纤的横截面图