提出一种可测量外腔式Fabry-Perot传感器所加载的静态/动态复合信号的腔长自补偿改进对称解调技术。在对称解调技术的基础上，通过其输出信号的直流量判断传感器腔长的变化，从而划分腔长稳定段与突变段，分段并重新进行信号解调，以保证动态分量的解调精度；同时利用腔长变化前后计算出的干涉信号相位差对腔长的变化量进行补偿，以提高静态分量的测量精度。实验证明该解调技术能够实现对静态/动态复合信号的测量。实验中实现了幅度超过100 μm复合信号的解调，大幅度腔长变化量的测量误差约为2%。该解调技术能够解调不同腔长传感器上加载的包含高频分量的静态/动态复合信号。

提出了一种恢复非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)传感器非周期动态信号的三波长正交相位补偿方法。利用三个干涉信号消除直流分量的影响,并通过相位补偿算法产生两个正交信号,用于解调出待测信号。在实验中对EFPI传感器加载一个非周期动态信号,使用三种不同的激光干涉测量技术对实验数据进行信号解调。结果表明,所提方法具有较高的解调精度,适用于高温环境下腔长变化的场合和非周期动态信号的测量。

为了实现对液压管路中液压油的压力和温度检测, 研制了一种EFPI-FBG复合压力温度传感器。对该传感器的压力特性以及温度特性进行研究。首先, 介绍了以光纤F-P腔和光纤光栅为敏感元件, 利用环氧树脂将EFPI-FBG复合结构经过封装保护构成压力温度传感器结构以及制作方法。接着, 建立了压力温度传感模型, 对传感器受力进行了理论分析, 并使用Matlab和有限元软件分析传感器的压力灵敏度和温度灵敏度。最后对传感器进行压力和温度实验验证。实验结果表明, 该传感器的压力灵敏度为2.83 μm/MPa, 温度灵敏度为1.97 μm/℃, 温度监测范围为10~80 ℃, 应用于压力测量时的有效工作温度为20~65 ℃。此EFPI-FBG复合压力温度传感器具有良好的线性度, 较小的回程误差, 灵敏度高, 抗震性能好, 可用于液压管路中液压油的压力和温度测量。

设计并制作了一种基于光纤干涉仪的低频声传感器,用于检测频率小于20 Hz的次声信号。该传感器利用厚度为5 μm,半径为1/2 inch(1 inch=2. 54 cm)的圆形镍膜作为振膜,该振膜被平整地固定在金属腔体的一个端口,呈周边拉伸式。伸入腔室的单模光纤的端面与振膜内表面构成一个非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪(EFPI),用于检测由声音导致的振膜的振动。为了优化传感器性能,基于弹性力学原理和有限元仿真软件,分析了振膜预应力和振膜厚度对传感器一阶谐振频率的影响。仿真结果表明在一定的膜厚范围内,一阶谐振频率对预应力非常敏感而对膜厚不敏感。利用B&K 4193-L-004型标准声传感器和42AE型标准次声发射腔对所制光纤次声传感器进行了测试,结果表明该传感器在0.1~20 Hz范围内具有良好的频率响应特性,对1 Hz声波的灵敏度高达285 mV/Pa。

设计了一种基于飞秒激光加工的无膜式光纤气体压力传感器。通过熔接形成了单模光纤-空心光纤-无芯光纤(NCF)结构,熔接结构中的两个熔接面作为反射面,构成一个低精细度的外腔式法布里-珀罗干涉仪(EFPI)。利用飞秒激光加工结构中的空心光纤部分,烧蚀出一个与外界环境连通的小孔。外界气体压力的变化引起EFPI腔中气体折射率发生变化,通过测量法布里-珀罗腔的光学腔长,得到对应的外界气体压力。实验结果表明,传感器在0~5 MPa压力范围内的腔长-压力灵敏度为1.02 μm/MPa,传感器的压力分辨率为2.4 kPa。该压力传感器具有量程大、灵敏度高、分辨率高和线性度高等优点。

针对大于500℃的高温环境, 提出了一种可用于高温温度测量的高温光子晶体光纤(PCF)温度传感器。在光子晶体光纤末端熔接一段纯石英无芯光纤构成外腔式光纤法珀腔(EFPI)结构。纯石英无芯光纤在高温下的热膨胀和热光效应使得EFPI的光学腔长发生变化。结合光纤白光干涉测量技术, 通过测量EFPI的腔长得到被测温度。在不同温度环境下, 对腔长为175μm的EFPI光纤温度传感器进行连续测量。测量结果显示, 设计的高温光纤温度传感器在27~1100℃范围内, 腔长-温度三阶拟合精度达到99.95%, 腔长-温度灵敏度为(0.851+0.0023T-0.000000957T2)nm/℃, 其中在1100℃时, 温度测量分辨率为0.225℃。

针对深井温度变化小, 提出了一种可用于深井温度测量的高灵敏度光纤温度传感器。两根陶瓷插芯从铝管的两端插入构成外腔式光纤法珀干涉仪(EFPI)结构, 用螺钉固定插芯, 再用高强度的环氧树脂密封该结构, 达到防水防尘效果。金属铝和陶瓷插芯具有不同的热膨胀系数, 温度的变化将引起EFPI腔长变化, 采用高灵敏度光纤白光干涉测量技术, 就可以通过测量EFPI腔长获得被测温度。分别在固定温度和不同温度下, 对腔长为 146.5μm的 EFPI光纤温度传感器进行了连续测量。测量结果表明, 高灵敏度EFPI光纤温度传感器的腔长-温度灵敏度为260nm/℃, 温度测量分辨率为0.002℃。

报道了一种基于飞秒激光加工的微纳高温振动传感器。通过熔接形成单模光纤-空芯光纤-单模光纤的结构, 利用单模光纤和空芯光纤在熔接面形成的菲涅尔反射, 构成外腔式法布里-珀罗干涉仪(EFPI)。用飞秒激光烧蚀空芯光纤, 形成悬臂梁结构。末端的单模光纤作为质量块, 在受到振动时带动悬臂梁振动, 使悬臂梁产生微弯, 进而使EFPI腔长发生变化。实验结果表明, 传感器的工作区域为20~300Hz, 在100Hz时, 0~3.01g范围内测得加速度分辨率为5×10-4g, 加速度响应灵敏度为129.6nm/g。传感器受温度影响小, 腔长的温度交叉响应仅为0.225nm/℃, 传感器可耐950℃高温冲击。

为了提高光纤EFPI传感器的灵敏度, 提出了一种新型EFPI传感结构, 并对其温度特性以及横向负载特性进行了研究。首先, 介绍了采用端面镀钯金膜的光纤EFPI传感器的结构及其制作方法; 接着, 建立了镀钯金膜光纤EFPI的温度传感模型, 并通过Solidworks、Hypermesh与有限元分析软件ANSYS联合仿真, 对它在不同受压力下进行理论模拟, 获得了腔长变化与压力之间的关系; 最后, 对传统的光纤EFPI与镀钯金膜光纤EFPI的温度和横向负载特性进行了对比试验。试验结果表明, 镀钯金膜光纤EFPI的温度灵敏度为6.083 pm/℃, 具有温度自补偿特性; 它对横向负载的检测灵敏度可达40.83 m/g, 相对于传统的光纤EFPI横向负载的灵敏度提高了2.10倍。实验结果与理论分析相符合, 为实际制作具有温度自补偿的高灵敏度光纤EFPI传感器提供了理论与实验依据。