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光纤传感半月谈(4)

已有 7199 次阅读 2011-10-25 16:09 |个人分类:综述|系统分类:科研笔记| 光子晶体, 光纤, 光纤光栅

这两周以来报道最多的仍是基于光栅类或光纤激光器的传感器。中国计量大学的C. Shen等人通过在悬臂梁上粘接FBG的方式来测量位移("Novel temperature-insensitive fiber Bragg grating sensor for displacement measurement," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 170, pp. 51-54, 2011.)。其设计的核心为由两个等腰三角形构成的悬臂梁悬臂梁,两个等腰三角形前后连接(实际上是一个等腰梯形上面接了个三角形),从而使在不同三角形上的光栅应变不同而产生啁啾,测量灵敏度0.058 nm/mm,温度不敏感,如图所示。

1  光栅被啁啾后的反射谱

大连理工的Yan-Nan Tan等人提出了采用连接在一起的两个光纤DBR激光器进行温度和应变的同时测量(Y.-N. Tan, et al., "Simultaneous strain and temperature fiber grating laser sensor based on radio-frequency measurement," Opt. Express, vol. 19, pp. 20650-20656, 2011.)。两个激光器分别为掺铒和铒镱共掺,单模工作。两个激光器的两个偏振模分别产生两个排频(RF频段),而两个排频的温度和应变系数不同,由此可同时测得温度应变信号。

2  两个级联激光器工作系统图

南开大学的H. Zhang等人提出了用光纤激光器测量掺铒光纤双折射的方法("AN ACTIVE STRAIN SENSING SYSTEM BASED ON SINGLE-LONGITUDINAL-MODE DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR FIBER LASER AND ITS APPLICATIONS IN THE MEASUREMENT OF ERBIUM-DOPED FIBER BIREFRINGENCE," MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS, vol. 53, pp. 2508-2512, Nov 2011.)。用单纵模DBR光纤激光器测量应变大家都熟悉,但是由于双折射产生的拍频也与应变相关,通过同时测量DBR输出的波长变化和拍频变化即可测量掺铒光纤的双折射。

3  波长与排频随应变的变化

南京航空航天大学的X. Zhang等人针对FBG传感网络在SHM中的生存特性问题提出了基于遗传算法-支持向量回归(GA-SVR)("Genetic algorithm-support vector regression for high reliability SHM system based on FBG sensor network," Optics and Lasers in Engineering.)并通过8点的FBG传感网络验证了该算法的优势。

东京大学的K. Kajiwara等人提出了基于光学相干函数合成(SOCF)的长FBG的复用方法("Multiplexing of Long-Length Fiber Bragg Grating Distributed Sensors Based on Synthesis of Optical Coherence Function," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 23, pp. 1555-1557, Nov 2011.),此方法是该课题组在2008年提出的基于SOCF的长光栅波长分布的基础上,进一步消除由于光源扫频频率提高而造成的外差频率变化的影响,从而实现相同波长FBG的复用。

意大利的A. Iadicicco等人报道了采用电弧放电的方法制作长周期光纤光栅的方法("Long-Period Gratings in Hollow Core Fibers by Pressure-Assisted Arc Discharge Technique," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 23, pp. 1567-1569, Nov 2011.),如下图所示。

4  用电弧放电的方法在PCF上制作LPG

东京大学的Q. Liu等提出了采用光纤光栅并用窄线宽可调激光器进行解调的达到纳应变级的解调方法("Realization of nano static strain sensing with fiber Bragg gratings interrogated by narrow linewidth tunable lasers," Opt. Express, vol. 19, pp. 20214-20223, 2011.)。其核心技术是“互相关算法”,文中对影响系统分辨率的各个因素进行了逐一分析。但本人认为,在实际应用中如何克服测量光栅和参考光栅所处位置的温度梯度十分关键。

FP传感器方面,俄国科学院的Y. N. Kulchin等提出了用弯曲FP腔测量折射率的方法("Effect of small variations in the refractive index of the ambient medium on the spectrum of a bent fibre-optic Fabry-Perot interferometer," Quantum Electronics, vol. 41, p. 821, 2011.),其原理是周围折射率会影响弯曲的FP腔(纤芯模和包层模发生耦合)反射谱的峰值变化,达到的灵敏度为5×10E-6

5  弯曲FP传感器

香港理工的J. Ma等人报道了在多模光纤端面制作微腔压力传感器的方法("A Compact Fiber-Tip Micro-Cavity Sensor for High-Pressure Measurement," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 23, pp. 1561-1563, Nov 2011.),大家可从下图详细了解制作过程,灵敏度315 pm/MPa

6  微腔传感器的制作

日本东京大学的Q. Liu等人提出了采用FFPI对进行高精度静态应变的策略方法("Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique," Opt. Lett., vol. 36, pp. 4044-4046, 2011.

在分布式光纤传感技术方面,韩国的H. J. Yoon等报道了分布式光纤传感技术在轨道监测方面的试验("Longitudinal strain monitoring of rail using a distributed fiber sensor based on Brillouin optical correlation domain analysis," Ndt & E International, vol. 44, pp. 637-644, Nov 2011.)。试验中采用的是分布式BOCDA传感技术,将光纤粘接在一段2.8 m长的钢轨的轨底上方进行试验。取得了3.8 cm的空间分辨率和±15 με的测量精度。

7  基于BOCDA的钢轨试验

日本的M. Bravo等人提出了基于光纤环镜并用OTDR进行解调的长达250 km的远程传感系统("Ultralong 250 km remote sensor system based on a fiber loop mirror interrogated by an optical time-domain reflectometer," Opt. Lett., vol. 36, pp. 4059-4061, 2011.),其核心在于通过光纤环镜增加了信噪比,使在不加任何放大器件的情况下使用商用OTDR解调成为可能。

8  250 km的远程传感系统图

此外,其它方面的报道包括,大连理工的C. Wu等人对利用边孔PCF进行偏振-压力传感进行了研究("Side-Hole Photonic Crystal Fiber With Ultrahigh Polarimetric Pressure Sensitivity," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol. 29, pp. 943-948, Apr 2011.)。所研究的ABCD四种光纤如下图所示,其最高B值可达2.34×10E-3,其偏振-压力灵敏度为-2.34×10E-5/MPa

9  C. Wu等人所使用的PCF

德国的A. Apelsmeier等人提出了非本征型光纤强度调制的温度传感器进行损耗补偿的方法("Compensation of parasitic losses in an extrinsic fiber optic temperature sensor based on intensity measurement," Sensors and Actuators A: Physical.)。

日本的K. Wada等人提出了平衡的PM光纤Sagnac干涉仪测量振动的方法,("Balanced polarization maintaining fiber Sagnac interferometer vibration sensor," Opt. Express, vol. 19, pp. 21467-21474, 2011.),方案是将两根相同的PM光纤主轴正交的耦合在一起,一个作为参考臂,一个作为信号臂,如图10所示。

10  基于Sagnac的振动传感系统

武汉理工的Y. Yuan等人对tapered fiber tip的传感特性进行了研究("Theoretical investigation for excitation light and fluorescence signal of fiber optical sensor using tapered fiber tip," Opt. Express, vol. 19, pp. 21515-21523, 2011.),该课题组还对级联的光纤SPR传感器进行了理论分析("Theoretical investigation for two cascaded SPR fiber optic sensors," Sensors and Actuators B: Chemical.)。

印度的S. S. Patil等报道了一种基于反射式的光纤位移传感器("Modeling and experimental studies on retro-reflective fiber optic micro-displacement sensor with variable geometrical properties," Sensors and Actuators A: Physical.)。该文的重点不在于达到了多高的精度或测量范围,而是讨论了适用不同光纤的几何位置的通用模型,这对于克服该类传感器在加工和装配方面的几何误差十分有意义。


11  反射式光纤传感器几何模型



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1 何全华

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