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光纤传感半月谈(3)

已有 7279 次阅读 2011-10-13 14:50 |个人分类:综述|系统分类:科研笔记| style, 英文文献, 半月谈, 光纤传感

发现原来想的“半月谈”如今已经变成“一月谈”了,文献虽然也读,但是鲜有时间整理出来。今后不妨先这样:第一,以英文文献为主,中文文献仅择其在本人看来较“有意思”的介绍;第二,以期刊为主,会议文献次之;第三,以传感原理大致分个类(仅仅大致而已,也可能按照原理,也可能按照被测量,看这段时间的文献特点),读起来也方便;第四,限于本人的研究领域,重点介绍物理量传感器。

在光纤FP传感器方面:

上海大学的T. Y. Wang等人提出了利用飞秒激光器在光纤内形成FP腔的方法("Fiber-optic intrinsic Fabry-Perot interferometric sensors fabricated by femtosecond lasers," in SPIE. vol. 8034, H. Xiao, et al., Eds., Bellingham: SPIE, 2011.)。与以前电子科大饶云江课题组(Y.-J. Rao, et al., "Micro Fabry-Perot interferometers in silica fibers machined by femtosecond laser," Opt. Express, vol. 15, pp. 14123-14128, 2007.)报道方法不同,T. Y. Wang采用的是用透镜将光束聚焦在纤芯,制作成两个FP腔的“端面”。

1  飞秒激光器制作的FP腔“端面”

国防科大近期在两个FBG形成FP腔的研究方面发表了一系列研究报道:S. L. Niu等人介绍了采用两个FBG形成FP腔的方法("Pico-strain measurement using optimised fibre Fabry-Perot sensor system with reference wavelength," Electronics Letters, vol. 47, pp. 969-U47, Aug 2011.)。这种结构在上一期提到过,此文中达到1.5 的分辨率。

2  采用FBG对实现FP腔传感器

W. Rao等报道了在FP干涉式传感器中采用PGC的方法("Phase-generated carrier demodulation scheme for fiber Fabry-Pérot interferometric sensor with high finesse," Optical Engineering, vol. 50, p. 094401, 2011.),见图3。上期曾提到哈尔滨工程大学的康崇报道了PGC算法在FP光纤水听器方面的应用。此文与之不同的是,文中的FP腔采用PM光纤和两个耦合器构成环形腔,以消除PIF,并具有较高的精细度。

3  环形腔FP传感器的系统图

此外还有:牛嗣亮等,"光纤布拉格光栅及其构成的法布里-珀罗腔的相位谱特性研究," 光学学报, vol. 31, p. 0806007, 2011.以及S. Niu, et al., "Fiber Fabry-Perot Hydrophone Based on Push-Pull Structure and Differential Detection," Photonics Technology Letters, IEEE, vol. PP, pp. 1-1, 2011

顺便提一下,该课题组还报道了光纤水听器4元阵的海试,(R. Wei, et al., "Seafloor exploration using a 4-element towed fiber optic hydrophone array," in Electronics and Optoelectronics (ICEOE), 2011 International Conference on, 2011, pp. V2-359-V2-361.)。文中的光纤传感器采用Michelson干涉式,3×3解调。

美国马里兰大学的H. Bae等人报道了在45度的光纤端面上制作FP腔的方法("Investigation of miniature fiber optic surface-mountable Fabry-Perot pressure sensor built on 45 degrees angled fiber," in Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2011. SPIE vol. 7981)。该传感器可用来测温度和压力,但最大的优势在于可方便地表面安装。

4  在光纤端面形成的FP传感器

大连理工的H. Hao等提出了FP传感器的频分复用(Frequency division multiplexing of etrinsic Fabry-Perot interferometric (EFPI) optical fiber sensor. SPIE vol. 8191, 2011.)。就本人所知,这种方式上个世纪美国弗吉尼亚理工大学Anbo Wang课题组就提出过。文中最主要的图之一Fig.2也没有表达清楚,文中的S1S2没有标示出来。

在折射率传感器方面:

北京理工大学的L. Jiang等人采用飞秒激光在光纤上刻蚀U型槽,从而形成微型的MZ干涉仪,用来进行折射率传感("Femtosecond laser fabricated all-optical fiber sensors with ultrahigh refractive index sensitivity: modeling and experiment," Opt. Express, vol. 19, pp. 17591-17598, 2011.)。这种方法的灵敏度达到-3754.79 ± 44.24nm/RIU

5  基于微型干涉仪的折射率传感器

墨西哥的J. E. Antonio-Lopez等人提出了采用无芯光纤的液位传感器("Fiber-optic sensor for liquid level measurement," Opt. Lett., vol. 36, pp. 3425-3427, 2011.),可同时进行液位和折射率的测量。

6  采用无芯光纤的液位传感器

哈尔滨工程大学的Zhou等报道了基于非对称双芯光纤的折射率传感器("Asymmetrical Twin-Core Fiber Based Michelson Interferometer for Refractive Index Sensing," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol. 29, pp. 2985-2991, Oct 2011.)。通过化学腐蚀的方法去掉一段包层,使边芯的基模有效折射率对外界敏感,灵敏度可达270 nm/RIU

7  采用刻蚀方法的折射率传感器

香港理工的M. Yang等提出了在FBG上打孔实现温度和折射率同时测量的方法("Fiber Bragg Grating With Micro-Holes for Simultaneous and Independent Refractive Index and Temperature Sensing," Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 23, pp. 1511-1513, 2011.)。通过透射谱上的峰值测量折射率,通过Bragg波长测量温度。

8  光栅上打孔的传感器

此外,马来西亚的H. A. Rahman等报道了基于塑料光纤的盐度传感器("Tapered Plastic Multimode Fiber Sensor For Salinity Detection," Sensors and Actuators A: Physical.)。

香港理工的A. Q. Jian等报道了基于谐振光学隧道效应的折射率传感器("Liquid refractive index sensors using resonant optical tunneling effect for ultra-high sensitivity," Sensors and Actuators a-Physical, vol. 169, pp. 347-351, Oct 2011.)。

在光纤光栅类传感器及其解调和应用方面:

南开大学的Z. F. Wu等人提出了用CO2激光器在PCF上制作高质量的LPFG的方法,并通过理论和实验验证了LPFG是由LP01LP11的模式耦合造成的("Mechanism and characteristics of long period fiber gratings in simplified hollow-core photonic crystal fibers," OPTICS EXPRESS, vol. 19, pp. 17344-17349, Aug 2011.)研究指出,模式耦合的机理是周期性的微弯。

加拿大渥太华大学的W. L. Liu等提出了线性啁啾FBG传感器的实时解调方法("Real-Time Interrogation of a Linearly Chirped Fiber Bragg Grating Sensor for Simultaneous Measurement of Strain and Temperature," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 23, pp. 1340-1342, Sep 2011.)。该课题组还报道了基于干涉时序谱的快速高分辨率的FBG传感器解调方法(C. Wang and J. P. Yao, "Ultrafast and Ultrahigh-Resolution Interrogation of a Fiber Bragg Grating Sensor Based on Interferometric Temporal Spectroscopy," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol. 29, pp. 2927-2933, Oct 2011.)。

北京交通大学的Y. Quan等提出了用FBG传感器监测列车出轨的方法(Detecting the possibility of train derailment based on FBG sensor system. SPIE vol. 8191, 2011.),文中进行了一些分析,并在一个悬臂梁上进行了模拟实验,没有钢轨试验的结果。

中国计量大学的F. Zhang等给出了利用FBG传感器进行高温高压管道监测的仿真分析(Optimized design and simulation of high temperature pressure pipeline strain monitoring with optical fiber sensing technology. SPIE vol. 8191, 2011.),文中并无实验结果。

哈尔滨理工大学的J. Liu介绍了利用温度调谐的DFB激光器进行FBG传感器解调的方法("FBG demodulation method based on DFB laser," in Strategic Technology (IFOST), 2011 6th International Forum on, 2011, pp. 1207-1210.

西北大学的J. H. Zhang等最近报道了两种光纤加速度计,第一种是基于金属波纹管("Proposal of metal bellows-based fiber Bragg grating accelerometer," Chinese Optics Letters, vol. 9, Sep 2011.),如图9所示。典型的m-k系统,波纹管为弹性元件。另一种是基于弯张换能器的加速度计(J. H. Zhang, et al., "Flextensional fiber Bragg grating-based accelerometer for low frequency vibration measurement," Chinese Optics Letters, vol. 9, Sep 2011.),其弹性元件为曲型梁,见图10

9  基于波纹管的加速度计

10  基于曲型梁的加速度计

丹麦的W. Yuan等报道了湿度不敏感的TOPAS聚合物光纤光栅("Humidity insensitive TOPAS polymer fiber Bragg grating sensor," Opt. Express, vol. 19, pp. 19731-19739, 2011.)。

其它方面简述:

哈尔滨工程大学的J. Yang等人研究了低相干传感系统中的高阶干涉问题("Higher-order interference of low-coherence optical fiber sensors," Opt. Lett., vol. 36, pp. 3380-3382, 2011.)。研究指出,当传感链上的传感器数目较多时(比如10个),高阶相干将成为降低信噪比的主要因素,这可通过降低各个传感器的反射率加以抑制。这也是为什么采用FBG对进行传感的系统中采用低反射FBG的原因。

11  低相干传感系统中的高阶干涉

弗吉尼亚理工学院的D. Y. Wang等人提出了采用声致rocking grating进行全光纤温度传感的方法("Fully distributed fiber-optic temperature sensing using acoustically-induced rocking grating," Opt. Lett., vol. 36, pp. 3392-3394, 2011.)。此前,该课题组曾经报道采用弯曲波产生长周期光纤光栅的方法(D. Y. Wang, Y. Wang, M. Han, J. Gong, and A. Wang, IEEE Photon. Technol. Lett. 22, 1553, 2010)。此文与之不同的是采用PM光纤上产生扭转波,利用温度与双折射的关系进行传感。

台湾的S. C. Her等报道了光纤传感器的应变传递问题("Effect of Coating on the Strain Transfer of Optical Fiber Sensors," Sensors, vol. 11, pp. 6926-6941, Jul 2011.)。这方面的研究已经很多,可参考(1X. Chang, et al., "Study on strain transfer of polymer optical fiber grating sensors," in International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009, SPIE vol 7381;(2Ansari Farhad, Yuan Libo. Mechanics of bond and interface shear transfer in optical fiber sensors. Journal of Engineering Mechanics, 1998, 124(4)385-394;(3Zhou, G.; Li, H.; Ren, L.; Li, D. Influencing parameters analysis of strain transfer in optic fiber bragg grating sensors. SPIE Proc. 2006, 6179, 61790R1-9

加拿大的M. T. V. Wylie等提出了一种分布式的位移传感器("Fiber Optic Distributed Differential Displacement Sensor," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol. 29, pp. 2847-2852, Sep 2011.)。

哈尔滨工程大学的Y.-b. Zhang等提出了利用法拉第镜的偏振不敏感光纤传感器(A polarization-insensitive fiber optic sensor based on Faraday rotator mirror. SPIE vol. 8191, 2011.),这种方法上个世纪就已经比较成熟。

英国南安普顿大学的G. Y. Chen等提出了基于微光纤的弹性碟片式加速度计("Theoretical and experimental demonstrations of a microfiber-based flexural disc accelerometer," Opt. Lett., vol. 36, pp. 3669-3671, 2011)。在传感器结构方面相比于以前的设计并无创新之处,而新颖之处在于使用了microfiber。传感器利用10 mmmicrofiber达到了2.2rad/g的灵敏度。

美国伊利诺斯大学的Bassam等报道了利用光纤传感器进行震后桥梁损伤评估的方法("A simple quantitative approach for post earthquake damage assessment of flexure dominant reinforced concrete bridges," Engineering Structures, vol. 33, pp. 3218-3225, 2011.)。

美国Redondo Optics, Inc.,公司的E. A. Mendoza等介绍了光纤氧传感器在航空燃料箱内气体环境监测方面的应用(Advances towards the qualification of an aircraft fuel tank inert environment fiber optic oxygen sensor system. SPIE vol. 8026: SPIE, 2011.)。

法国的C. Perrotton等综述了光纤传感器在氢气泄露监测方面的应用(Review of optical fiber sensor technologies for hydrogen leak detection in hydrogen energy storage. SPIE vol. 8026: SPIE, 2011.)。

葡萄牙的H. Martins等报道了传感用的不同结构的超长光纤拉曼激光器("300 km-ultralong Raman fiber lasers using a distributed mirror for sensing applications," Opt. Express, vol. 19, pp. 18149-18154, 2011.)。



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