1 西北工业大学 物理科学与技术学院 陕西省光信息技术重点实验室，西安 710129
2 西安石油大学 理学院 陕西省油气资源光纤探测工程技术中心，西安 710065
3 西北大学 物理学院，西安 710069
针对油气开采微地震监测高频检波器的要求，提出了一种基于对称铰链的光纤布拉格光栅高频加速度检波器结构，分析了该检波器的振动传感原理，利用仿真软件分析了该结构模型的谐振频率，同时对检波器的幅频特性、加速度响应灵敏度、横向抗干扰性能、冲击响应等性能进行了实验研究。实验结果表明：基于对称铰链结构的光纤布拉格光栅检波器谐振频率为1 200 Hz，与利用软件仿真的谐振频率1 191 Hz结果一致；在工作频率20~800 Hz，加速度灵敏度约为10.2 pm/g，线性系数为0.999 8；交叉轴灵敏度约为主轴的5%；在谐振频率附近有很好的冲击响应特性。该检波器加工工艺简单、可靠性高、工作频带宽、灵敏度高、横向抗干扰性好，在石油开采等领域有很好的应用前景。
光纤布拉格光栅 应变传感 加速度检波器 铰链 幅频响应 Fiber Bragg grating Strain sensing Accelerometer Hinge Amplitude-frequency response 光子学报
2022, 51(10): 1006003
西安石油大学 理学院 陕西省油气资源光纤探测工程技术研究中心 陕西省油气井测控技术重点实验室, 陕西 西安710065
针对两点封装, 建立光纤光栅加速度检波器通用模型, 理论推导加速度检波器灵敏度和谐振频率的解析表达式, 深入研究加速度灵敏度和谐振频率的影响因素, 讨论封装光纤刚度系数与检波器结构刚度系数之比对检波器响应特性的影响, 并分析刚度比分别在0~1、0~100范围随着等效质量的增大(0 g~100 g), 加速度灵敏度和谐振频率的制约关系, 及在0 Hz~500 Hz(中低频)和0 Hz~1 200 Hz(中高频)范围内灵敏度的变化规律。此外, 分别以封装光纤长度为10 mm和60 mm举例分析长度对上述二者的影响, 各项仿真中灵敏度均会高达~1 000 pm/G, 并引入品质因数的概念。所提理论研究对FBG加速度检波器的设计和综合性能的评价具有重要的指导意义, 为器件参数优化提供理论依据。
光纤光栅 加速度检波器 灵敏度 谐振频率 品质因数 fiber Bragg grating accelerometer sensitivity resonant frequency quality factor
Author Affiliations
Abstract
Key Laboratory on Photoelectric Oil-Gas Logging and Detecting (Ministry of Education), Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065, China
The reflective spectrum power and the bandwidth of the fiber Bragg grating (FBG) under gradient strain are researched and experimentally demonstrated. The gradient strain is applied on the FBG, which can induce FBG bandwidth broadening, resulting in the variation of reflective power. Based on the coupled-mode theory and transfer matrix method, the segmental linear relationship between the gradient strain, the reflective power, and the bandwidth is simulated and analyzed, and the influence of the FBG length on the reflective spectrum is analyzed. In the experiment, the strict gradient stain device is designed; the experimental results indicate that the reflective optic power and the bandwidth of the FBG under gradient stain are concerned with the length of the FBG. Experimental results are well consistent with the theoretical analysis, which have important guiding significance in the FBG dynamic sensing.
Fiber Bragg grating gradient strain reflective spectrum power reflective spectrum bandwidth Photonic Sensors
2016, 6(4): 333
1 西安石油大学理学院光电油气测井与检测教育部重点实验室, 陕西 西安 710065
2 西北大学物理系, 陕西 西安 710069
设计和制作了一种基于单模多模细芯单模光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构，可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中，多模光纤和细芯单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模，不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差，再经细芯单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移，通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP16模干涉形成。该传感器透射光谱中1535 nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90 nm/RIU和0.0501 nm/℃(其中RIU为折射率单位)；1545 nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56.26 nm/RIU和0.0505 nm/℃。在折射率和温度的变化范围分别为1.3449~1.3972和20 ℃~90 ℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究，结果表明：透射光谱中1535 nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03 nm/RIU和0.0465 nm/℃；1545 nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54.24 nm/RIU和0.0542 nm/℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。
光纤光学 光纤马赫曾德尔干涉仪 折射率和温度测量 纤芯失配 光学学报
2014, 34(11): 1106001
1 西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所， 陕西省光信息技术重点实验室， 陕西 西安 710072
2 西安石油大学陕西省光电传感测井重点实验室， 陕西 西安 710065
3 西北大学光纤光栅传感应用技术研究所， 陕西 西安 710069
提出了一种基于π相位温度不敏感的双光纤布拉格光栅加速度传感技术，并设计了双光栅加速度传感器，对该传感器的温度特性和加速度对中心波长的响应进行了研究。给出了该传感器的结构及封装方法。从理论上分析了基于π相位温度不敏感的双光纤布拉格光栅加速度传感原理，分析了温度和加速度对波长的响应关系，推导了该光栅加速度传感器的响应灵敏度的解析表达式。通过实验分析双光栅的加速度响应和平坦区。实验结果表明，在温度比较宽的范围内，可实现温度不敏感加速度的准确测量，加速度响应灵敏度为15.52 pm/(m·s-2)，实验值与理论值的相对误差为3.06%，加速度与波长具有较好的线性关系，线性度为99.8%，在小于共振频率的低频段具有较好的平坦区。表明该双光纤布拉格光栅加速度传感器具有温度不敏感特性,能实现低频加速度的准确测量。
光纤光学 光纤布拉格光栅 加速度测量 温度不敏感
西安石油大学 理学院 光电油气测井与检测教育部重点实验室, 陕西 西安710065
光纤Bragg光栅流量传感器是基于光信号的新型流量传感器。当光纤光栅受到流体的作用时, 其波长、相位都会发生变化, 通过检测光信号的变化就可得到外界流量的变化。文章主要介绍了几种光纤光栅流量传感器的工作机理, 分析了各种流量传感器的优缺点, 并对光纤光栅流量传感器的发展进行了展望。
光纤Bragg光栅 流量测量 传感器 Fiber Bragg Grating(FBG) flow measurement sensor
