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光纤传感半月谈(17) 精选

已有 8885 次阅读 2016-1-15 10:08 |系统分类:科研笔记


2015年的第五届亚太光学传感器会议(APOS 2015520日在韩国济州召开。这个会议最早由电子科技大学饶云江教授倡议主办(2008年在成都),赞!本次会议包括“物理传感器”、“化学与气体传感器”、“生物与医学传感器”、“传感器集成技术”、“传感器特种光纤”、“分布式传感器与传感器的复用组网”、“工业应用、外场实验与标准化”等多个主题。SPIE论文集卷号9655,现选择部分论文大致分类介绍如下。

 

光纤激光器传感器

中科院半导体所的Wenzhu Huang等人报道了利用两支光纤激光器的拍频实现了纳应变级的静态应变测量(Proc. of SPIE Vol. 9655, 965504)。该方案的不足之处在于由于拍频的频率较高,要求系统的采样率较高(GHz量级)。


1  利用激光器实现高精度应变测量

中科院半导体所的Wentao Zhang报道了基于光纤激光器的流量传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655, 96550W),该传感器采用流体在流动时引入的流噪声来测量流量(图2),已经获得发明专利授权。


2  光纤激光流量传感器

暨南大学的Zeyuang Kuang等报道了利用双偏振光纤激光器拍频的多普勒效应的速度传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655, 965507)。正交偏振的激光经过反射后的拍频速度呈线性关系。这个研究很有意思。在光纤物理量传感器里,除了液位传感器,绝大多数情况都需要光纤本身感受应力/应变、温度、压力等,本文的方案应算是“非接触”传感了。


3  光纤激光速度传感器

暨南大学的Wei He报道了基于磁致伸缩材料的光纤激光磁场传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655, 96552D),灵敏度达到10.5 Hz/μT


4  光纤激光磁场传感器

暨南大学的Nengpeng Hu报道了基于法拉第效应的光纤激光磁场传感器,灵敏度达43 Hz/μTProc. of SPIE Vol.9655, 96552X,图5


5  光纤激光磁场传感器

暨南大学的Qian Cao报道了基于双频激光器的加速度计(Proc. of SPIE Vol.9655, 965538,图6),灵敏度1.7 MHz/g at 1 kHz


6  光纤激光加速度传感器

此外,暨南大学的Yiqin Lao报道了采用FBG进行外部光反馈来降低基于双偏振光纤激光器拍频传感系统的噪声技术(Proc. of SPIE Vol. 9655, 96552Y)。

光纤光栅传感器

日本国防研究院的Satoshi Tanaka报道了采用强度调制技术的FBG超声传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655,96550X),采用多波长激光复用的光谱图如图7所示。


7  FBG传感器的复用光谱

北航的YANG Yuanhong报道了基于空气隙光栅的一些应用(Proc. of SPIE Vol.9655, 96552U),比如位移、温度的传感及激光器(图8、图9)。


8  空气隙光栅的结构


9  空气隙光栅构成激光器的光路图

此外,日本东京大学的Yoji Okabe报道了基于相移光栅的声发射传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655, 96553T);德国的Hartmut Bartelt综述了基于蓝宝石光纤的高温光栅传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655, 96552S)。澳大利亚The University of New South WalesGinu Rajan报道了采用聚合物FBG的力传感器,有望用于微创外科设备(Proc. of SPIE Vol. 9655, 96551E)。

几篇长周期光纤光栅相关的文章:

日本国防研究院的Ngo Thanh Tung报道了采用级联的LPG进行温度和应变传感的方法(Proc. of SPIE Vol.9655, 965537),其解调采用的是光谱的傅里叶变换技术(图10)。


10  LPG的光谱变换方法解调

此外还有:

Long period grating sensors response to photosensitive bacteriorhodopsincoating.Proc. of SPIE Vol.9655, 965535

Chirality measurements using optical fibre long period gratings fabricatedin high birefringent fibre. Proc. of SPIE Vol. 9655, 965533

光纤陀螺

浙江大学的两篇关于谐振式光纤陀螺(resonant fiber optic gyro)的文章。Jianjie Zhang报道了采用混合数字相位调制技术的闭环谐振式光纤陀螺(图11)的一些仿真结果(Proc. of SPIE Vol.9655, 965505)。


11  闭环谐振式光纤陀螺

浙江大学的Yuchao Yan报道了采用保偏PCF的谐振式光纤陀螺仪(Proc. of SPIE Vol.9655, 96550I)。

干涉式光纤传感器

哈尔滨工程大学的Feng Peng报道了基于周边固支模型的光纤加速度传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655, 965522,图12),灵敏度高达6814 rad/g


12  光纤加速度传感器

韩国PukyongNationalUniv.Kyongsoo Park报道了采用保偏光子晶体光纤的光纤振动传感器(图13),传感器采用Sagnac干涉仪的形式(Proc. of SPIE Vol.9655, 965505)。当采用适当的工作波长使传感器工作在干涉仪的线性区时,其输出光强与PCF收到的应变相关。


13  基于PCF光纤振动传感器

解调技术

哈尔滨工程大学的B. Wu报道了对干涉式光纤传感器解调中广泛应用的相位产生载波(PGC)算法的改进,使之对调制深度C不敏感(Proc. of SPIE Vol. 9655, 96550C)仿真结果表明,该算法在总谐波失真方面也有提高。PGC算法的C值问题国内很多研究机构都有关注,感兴趣的研究人员可以关注一下光纤水听器方面的报道。


14  PGC算法流程的改进

香港理工大学的Jun Ma报道了采用Sagnac干涉仪的FP声传感器的解调方案(Proc. of SPIE Vol.9655, 96550D),实现等效噪声接近~ 450 μPa/Hz1/2,传感器结构最早可见IEEE Photon.Technol. Lett. 25(10), 932-935 (2013).


15  FP声传感器的解调方案

武汉理工大学的Haihu YU报道了在相同弱反射FBG阵列中的串扰问题的研究(Proc. of SPIE Vol.9655, 965530)。随着在线成栅技术的不断完善,大规模FBG网络的应用前景日渐清晰,因而显得此方面的研究十分具有应用价值。

此外还有:Sensingcharacteristics of Brillouin scattering spectra in a micro-scaled silica fiber.Proc. of SPIE Vol.9655, 96552r);Fabrication of fiber Bragg gratings in embedded-core hollow optical fiber.Proc. of SPIE Vol. 9655, 96552Z)。

特种光纤光栅结构及器件

武汉理工大学的Xian Zhou等人报道了微结构光纤光栅的特性以及在其外敷敏感膜后的磁场传感器、温度传感器等应用(Proc. of SPIE Vol. 9655, 965509)。


16  Xian Zhou等人报道的微结构光纤光栅

上海交通大学的报道了一种高精度的温度传感系统,该系统采用一个相移光栅作为传感元件(温度系数10 pm/K),HC13N气室的吸收峰作为参考,通过FP腔扫描二者之差来进行温度传感。目前达到mK级的光纤温度传感器大都通过特种光纤器件和增敏结构实现,该方案为高精度温度传感提供了一种新的解调方案,很有意义。笔者认为如果能解决高速测量问题(比如在海洋领域采样率1 ms),则具有十分广阔的应用前景。


17  高精度的温度传感系统

深圳大学王义平教授的课题组在光纤微结构方面的报道较多,开展了广泛而深入的研究。Yiping Wang等报道了几种不同形式的光纤气压传感器,包括光纤端部微球FP腔、在PCF光纤利用CO2激光器烧球、基于光纤微槽的MZ干涉仪等(Proc. of SPIE Vol.9655, 96550G)。另有一文报道(Proc. of SPIE Vol. 9655, 965517


18  不同形式的光纤气压传感器

深圳大学的Shen Liu等报道了光纤微球的应变传感特性(Proc. of SPIE Vol.9655, 96550A)。空气微球采用光纤熔接机制作(图19)。


19  采用光纤熔接机制作的空气微球

深圳大学的Kaiming Yang还报道了基于FP腔的光纤温度传感器(Proc. of SPIE Vol.9655, 96553W)。

日本SOKA UniversityHiroshi Yamazaki报道了基于异芯光纤的触觉传感器(Proc. of SPIE Vol.9655, 96550O)。


20  光纤触觉传感器

暨南大学的Bo Liu报道了采用氢氟酸微滴腐蚀形成FP腔用于折射率传感的方法(Proc. of SPIE Vol.9655, 96552N)。


21  光纤折射率传感器

暨南大学的Yang Ran报道了采用8.5μm微纳光纤制作IIa型光纤光栅用于高温传感器的研究(高温可达800℃,Proc. of SPIE Vol.9655, 96552V

北航的Qiaoni Wang报道了在镀金光纤上用飞秒激光器刻写光纤光栅用于高温传感器的研究(可达700℃,Proc. of SPIE Vol.9655, 96552W

悉尼大学的Kevin Cook报道了把FBG和刻蚀的FP腔熔接在一起同时测量温度和应变(Proc. of SPIE Vol.9655, 965539)。


22  FBG和刻蚀的FP腔熔接在一起

光子晶体光纤传感器

深圳大学的Yongqin Yu报道了采用PCF的光纤FP压力传感器(Proc. of SPIE Vol.9655, 96550M)。


23  光纤FP压力传感器

深圳大学的Bing Sun报道了采用液晶填充的PCF的温度传感器(Proc. of SPIE Vol.9655, 96551W),温度灵敏度达105 nm/


24  PCF温度传感器

韩国School ofInformation and CommunicationsKhurram Naeema报道了采用聚合物填充PCF的温度传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655,96552G),由于聚合物的温度系数不同,可实现MZ干涉仪原理的温度传感器。


25  PCF温度传感器

暨南大学的Chuang Wu等报道了采用高双折射PCF进行压力和温度的同时测量(Proc. of SPIE Vol.9655, 965528)。采用双芯PCF由于几何的不对称造成对X偏振和Y偏振光的温度压力系数不同,从而实现温度和压力的同时测量。

此外还有:All-fiber Sagnacloop hybrid interferometer based on a highly birefringent photonic crystalfiber with two asymmetric cores and its sensing applications.Proc. of SPIE Vol.9655, 96551x);Sensing characteristics of all-solid photonic bandgap fiber modalinterferometers. Proc. of SPIE Vol. 9655, 96552p)。

分布式光纤传感器

日本国防研究院的Atsushi Wada报道了采用FBGOFDR技术的分布式振动传感系统(Proc. of SPIE Vol.9655, 96550U)。

日本Tokyo Institute ofTechnologyNeisei Hayashi报道了基于塑料光纤的相关域布里渊传感器(Proc. of SPIE Vol. 9655, 965529)。

其他分布式光纤传感器的报道

Utilization of negative beat-frequencies for maximizing the update-rate ofOFDR,(Proc. of SPIE Vol.9655, 96553I

Slope-assisted complementary-correlation optical time-domain analysis ofBrillouin dynamic gratings for high sensitivity, high spatial resolution, fastand distributed fiber strain sensing.Proc. of SPIE Vol. 9655, 96550V)。

High resolution optical time-domain reflectometry based on correlationutilizing an all-fiber chaotic source. Proc. of SPIE Vol. 9655, 96553J

Brillouin optical correlation domain reflectometry with lock-in detectionscheme. Proc. of SPIE Vol.9655, 96553L

A comparative study for massive data compression in long-distancedistributed optical fiber sensing systems.Proc. of SPIE Vol. 9655, 96553M

A novel optical coherent domain reflectometer with dual frequencymodulation. Proc. of SPIE Vol. 9655, 96553P

Multi-scale wavelet decomposition and its application in distributedoptical fiber fences.Proc. of SPIE Vol. 9655, 96553U

High performance distributed acoustic sensor using cyclic pulse coding ina direct detection coherent-OTDR.Proc. of SPIE Vol. 9655, 965547

Long-range and high-resolution correlation optical time-domainreflectometry utilizing an all optical chaotic source.Proc. of SPIE Vol.9655, 965548

光纤传感器的应用

韩国Chonbuk NationalUniversityDae-gil Kim等报道了采用多种FBG进行风力发电机叶片的监测(Proc. of SPIE Vol.9655, 96550N)。

韩国Hongik UniversityKi-Soo Kim报道了FBG用于放射性废物的监测(Safety monitoringof the FBG sensor in respect of radioactivity and deformation measurement of asilo structure for radioactive waste disposal. Proc. of SPIE Vol. 9655, 96553Y)。

电子科技大学的Huijuan Wu报道了采用分布式振动传感器用于水管泄漏的监测(A hydrostatic leak test for water pipeline by using distributed opticalfiber vibration sensing system. Proc. of SPIE Vol. 9655, 965543)。

其他

哈尔滨工程大学的Yu Zhang报道了基于光致热效应的光镊(Proc. of SPIE Vol.9655, 96551C)、Enming Zhao报道了模式复用的光镊(Proc. of SPIE Vol. 9655, 96551D),关于苑立波老师课题组的光镊报道亦可见“Opt. Express, 14(25), 12510-12516(2006).”、“Appl. Phys. Lett., 91(5), 41011 - 41013(2007)”、“Opt. Express, 16(7), 4559- 4566 (2008).”等。

武汉理工大学的Minghong Yang综述了武汉理工大学光纤传感国家工程实验室在光纤传感技术方面的研发和应用(Proc. of SPIE Vol. 9655, 965545)。

另有一些生化相关的传感器方面的报道,如:

In-line chemical sensor based on C-type fiber and novel photonic crystalfibers with high sensitivity and fast dynamic response.Proc. of SPIE Vol.9655, 965512);

Microfiber Bragg grating hydrogen sensor base on co-sputtered Pd/Nicomposite film.Proc. of SPIE Vol. 9655, 965513);

A tapered optical fiber interferometer study on the microdynamics phaseseparation mechanism of the poly(N-isopropylacrylamide) aqueous solution.Proc. of SPIE Vol.9655, 965510);

Multi-point hydrogen detection system using hetero-core structured opticalfiber hydrogen tip sensor based on surface plasmon resonance and pseudorandomnoise code correlation reflectometry.Proc. of SPIE Vol. 9655, 965515);

U-shaped evanescent wave optical fibre sensor based on a porphyrinanchored nanoassembled thin film for high sensitivity ammonia detection. Proc. of SPIE Vol.9655, 965518);

In situ and ultrasensitive DNA detection based on a graphene-coated silicafiber taper interferometer.Proc. of SPIE Vol. 9655, 96551F);

Optical fiber sensing of human skin emanations Proc. of SPIE Vol.9655, 96551K);

Orthodontic mechanics using mini implant measured by FBGProc. of SPIE Vol.9655, 96551N);

A high-sensitivity chemical sensor based on titania coated optical-fiberlong period grating for ammonia sensing in water. Proc. of SPIE Vol.9655, 96552H);

Surface plasmon scattering: an alternative approach for optical fibersbiosensors. Proc. of SPIE Vol. 9655, 96551Q);

Fe(C)-coated optical fiber sensors for corrosion alarm monitoring. Proc. of SPIE Vol.9655, 96553S)。




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