1 西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021
2 西北核技术研究所,陕西 西安 710024
3 西安近代化学研究所,陕西 西安 710065
为实现冲击波动态信号的测量,研制了一种光纤端面镀金-派瑞林-金三层结构的薄膜式光纤法布里-珀罗压力传感器。对该传感器进行了理论分析与仿真,搭建了静态和动态压力测量系统,并对其进行测试与分析。结果表明:在0~60 MPa的静态压力测量范围内,传感器的波长灵敏度和腔长灵敏度分别为0.0809 nm/MPa和0.3200 nm/MPa,与仿真结果一致;在动态压力测量中,传感器成功捕捉到了压力峰值为7.41 MPa和上升时间为75 ns的冲击波信号。
光纤传感器 法布里-珀罗腔 薄膜 压力测量
中北大学 仪器与电子学院 动态测试技术省部共建国家重点实验室,太原 030051
提出并实验验证了一种全石英光纤法布里-珀罗高温动态压力传感器,利用MEMS技术及三层石英玻璃高温热压键合技术实现了传感器敏感单元的批量化制造。为了减小传感器的温度系数,将敏感单元、中空石英管及镀金光纤通过CO2激光熔接技术进行熔接,从而实现全石英结构光纤压力传感器的制作。对制作的传感器进行了高温静压及常温动压测试,高温静压实验结果表明传感器能在800 ℃,1 MPa温压环境下正常工作,且传感器表现出了良好的高温稳定性及超低温度系数(0.069 nm/℃)。常温动压测试结果表明传感器能实现2 kHz的动态压力测量。由于该种传感器具有全石英无胶粘结构,可批量化制造敏感单元以及超低温度系数的优点,使得该种全石英光纤法布里-珀罗动态压力传感器在高温环境下的动态压力测量领域具有潜在的应用潜力。
光纤传感器 法布里-珀罗 干涉 石英 压力测量 Fiber optics sensors Fabry-Perot Interferometry Silica Pressure measurement
华子明 1,2,3李永倩 1,2,3,*王少康 1,2,3温芳芳 1,2,3范海军 1,2,3
1 华北电力大学 电子与通信工程系, 保定 071003
2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室, 保定 071003
3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 保定 071003
为了解决现有光纤布喇格光栅(FBG)传感器温度与压力灵敏度低的问题, 设计了一种基于FBG的薄壁圆筒式液体温度与压力传感器。选用具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢304和铍青铜C17200分别对传感器进行封装, 采用有限元分析法对传感器进行压力和温度特性仿真分析, 研究了敏感元件材料及尺寸大小对灵敏度的影响, 并分析了反射波长随压力和温度的变化关系。结果表明, 使用铍青铜C17200封装的传感器压力和温度灵敏度更高, 在0MPa~12MPa、-5℃~40℃工作范围内压力灵敏度可达153.5pm/MPa、温度灵敏度可达31.7pm/℃, 相较于裸光栅分别提升了51.2倍和2.8倍。此研究结果可为液体的高灵敏度温压测量提供参考。
光纤光学 光栅 温度与压力测量 有限元分析 fiber optics gratings temperature and pressure measurement finite element analysis
利用气体折射率与压力之间的关系,可采用激光干涉仪对气体动态压力进行非接触测量,研究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。通过量子力学角度对气体状态方程进行维里展开,建立气体压力与折射率的模型,基于Edlen经验公式进行最新修正,探究了温度对激光干涉法测量气体动态压力的影响。结果表明,在低压范围内静态压力一定时,-20~80℃范围内温度变化与气体折射率成反比,折射率的改变量约为10-6/℃,每1℃的温度变化相当于产生311.47Pa压力,温度改变对气体低压测量影响较大,应保证测量范围内温度控制优于±0.05℃,才能满足激光干涉法测量气体动态压力的要求。
激光干涉法 温度 折射率 维里方程 压力测量 laser interferometry temperature refractive index virial equation pressure measurement
1 华北电力大学 1. 电子与通信工程系
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3. 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
设计了一种基于分布式传感技术的薄壁圆筒型液体温度和压力传感器。选取具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢316L和铍青铜C17200分别对传感器进行封装。利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对封装的传感器压力和温度特性进行仿真分析,得到器件的径向应变量,分析其布里渊频移随压力和温度的变化关系。仿真实验表明,使用铍青铜C17200封装的传感器压力灵敏度和温度灵敏度更高,在0~12MPa、-5~40℃范围内压力灵敏度达11.1MHz/MPa,温度灵敏度达2.56MHz/℃,相较于普通单模光纤分别提升7.4倍和1.7倍。
布里渊传感器 布里渊光时域分析 温度和压力测量 Brillouin sensor BOTDA technology temperature and pressure measurement
1 深圳大学土木与交通工程学院,广东 深圳 518060
2 中国电建市政建设集团有限公司,天津 300384
3 深圳大学未来地下城市研究院,广东 深圳 518060
4 中电建南方建设投资有限公司,广东 深圳 518000
5 上海大学力学与工程科学学院土木工程系,上海 200444
基于增材制造(AM)技术和光纤布拉格光栅(FBG)制备了一种土压力传感器。标定实验结果表明,FBG土压力传感器的灵敏度为0.2 pm/kPa,最小分辨率为5 kPa,量程为1000 kPa;且该传感器的灵敏度可根据需求用AM参数(填充密度、填充材料)进行调整,从而减小测量误差。室内模型箱的实验结果表明,该传感器能有效测量加载过程中土体内部的压力,且测量范围广,分辨率、量程可以根据实际情况定制,为土体内部的压力监测提供了一种新思路。
光纤光学 光纤布拉格光栅 增材制造技术 土压力测量 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1106006
西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021
针对高精度调频连续波光纤压力传感器对温度和压力交叉敏感的问题,从理论和实验分析该压力传感器的温度特性,并通过优化设计压力传感器的结构,以及采用最小二乘法对温度进行实时补偿。经过理论计算可知,当温度从25 ℃到65 ℃变化时,温度对Fabry-Perot (F-P)腔腔长的形变量为1000 μm。通过优化设计F-P腔,可以使温度对F-P腔的影响降至50 μm。通过实验测试结构优化后的F-P腔腔长的形变量与温度的关系,并采用最小二乘法对温度进行实时补偿。温度补偿后,F-P腔腔长的形变量从50 μm降至4.5 μm,有效降低对温度敏感,提高调频连续波光纤压力传感测量的可靠性和实用性。
传感器 调频连续波激光干涉 F-P腔干涉仪 膜片压力测量 温度补偿 结构优化设计 最小二乘法 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0928002
提出并通过实验研究了一种高精细度微机电系统(MEMS)光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器。该传感器基于MEMS技术,将硅片与Pyrex#7740玻璃片阳极键合并镀上高反介质膜构成一个高精细度的F-P腔。当外界压力发生变化时,F-P腔长会发生变化;采用高灵敏度光纤白光干涉测量技术,通过测量F-P腔长就可获得被测压力。实验结果表明,该传感器压力测量分辨率高,线性度高,并具有低温漂特性。
光纤传感器 压力测量 微机电系统 法布里-珀罗腔 激光与光电子学进展
2019, 56(17): 170625