英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

用于气体压力传感的光纤在线马赫森德干涉仪

刘尹元、红枫林、戴玉堂、艾周、荔波元

文摘-提出了一种基于双离轴单模光纤(SMF)扭曲变形的马赫森德干涉仪，并对气体压力测量进行了实验验证。在连续电弧放电条件下扭转SMF可以实现离轴扭曲变形。利用飞秒激光器，在两个离轴变形点之间的SMF包层上形成了一个开放的气隙。包层模式通过折射率直接由气压直接决定的气隙传输。该干涉仪用于灵敏度为-5.183nm/MPa的高灵敏度压力传感，温度交叉灵敏度为13.3kPa/°C。因此，由于开放空隙添加的MZI结构的低成本、尺寸紧凑、易于制造和全纤维结构，因此可以被认为是在恶劣环境下作为气体压力传感器的优秀候选材料。

指标术语：光纤压力传感器、马赫森德干涉仪、开放空隙、离轴扭曲变形。

1. 简介

传感器已被证明对石油或天然气极有吸引力

钻井、汽车和航空航天工业[1,2]。光纤传感器具有[3,4]的显著优势。根据工作原理，光纤压力传感器可分为两种[5]：分别依靠腔长度变化或腔折射率(RI)变化，第二型压力传感器基于的玻璃纤维或腔内空气的RI变化。

基于各种结构的多种压力传感器

本工作得到中国国家自然科学基金会(NSFC)（61535004,61735009）、广西项目（AD17195074）和中国国防预研究基金会(CN)（6140414030102）的支持

Y.刘，中国教育部哈尔滨工程大学光纤集成光学重点实验室，中国哈尔滨150001

H.Lin，戴和周，中国武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，邮编430074。

L.袁位于桂林电子技术大学光电子学研究中心，中国桂林541004。（相应作者的电子邮件：lbyuan@vip.sina.com）。

已经提出，如光纤布拉格光栅(FBGs)[6-9]、微结构光纤[10-12]，包括萨尼亚克干涉仪[13]、马赫-森德干涉仪(MZIs)和法布里-佩罗干涉仪(FPIs)[14-17]。在这些压力传感器中，具有薄隔膜或气泡的FPI结构因其超薄膜和高灵敏度而引起了极大的兴趣。然而，薄膜是脆弱的，更难以满足苛刻的要求。MZIs结构在压力传感器中发挥了重要的作用，因为它们很容易制造。W.塔拉泰松等人。用微通道钻入内气孔的顶部，使高压气体流入，其灵敏度为~8239pm/MPa[18]。Z.Li等人。通过双芯纤维的一芯钻孔形成干涉仪臂，获得-9.6nm/MPa的高压气体灵敏度[19]。这些基于纤维的压力传感器具有诱人的优势，但使用特殊光纤使其成本较高。而对于基于SMF纤维的MZI，折射率灵敏度非常低，因此它们不适用于气体压力传感[20,21]。

在本文中，我们演示了一种基于双离轴扭曲变形的气体压力传感器和一种商业单模光纤(SMF)中飞秒激光(FS)诱导的气隙。离轴演示的作用是将SMF核心的部分光耦合到包层中，并将包层中的光反射回核心，形成一个纤维内的MZ。气隙在SMF的包层中形成，并作为传感器的主要传感元件。在包层中传递的光进入气隙，外部气压的变化导致气隙的RI变化，从而导致干涉仪的包层臂的相变，并反过来导致共振倾斜的偏移。气隙辅助的MZI结构显著提高了传统MZI的压力灵敏度。因此，由于所提出的MZI传感器的低成本、操作范围、易于制造和小型尺寸（尺寸为5毫米），因此可以被认为是一个理想的通用环境压力传感器。

1. 工作原理

压力传感器的配置如图所示。1.采用电弧放电方法在SMF上制备了一对离轴扭曲变形点。这两个扭曲的点就会起作用

作为光束分离器和组合器，将SMF核心的部分光线与包层结合，并重新吸收外壳中的光线

d2l

d元空气间隙

(4)

包层回到核心之中。结果，实现了一种基于核心包层干扰的MZI。然后用飞秒激光去除SMF之间的部分包层，在包层中形成一个开放的空隙。在包层中发射的光可以通过间隙，在包层中的光束的光路长度为

dP 2m 1 dP 

空气RI与压力和温度之间的关系为[22]：

 

2.8793109P

直接受到空气折射率的影响。随着气体压力的变化，空气折射率的变化

n1

10.003671t

(5)

将导致信号臂和参考臂之间的光路差(OPD)的变化。

图中示。1.MZI压力传感器的示意图。

岩芯和包层模式的传播常数不同，因此当它们在光纤的中间部分传播时，可能会引起相位差。这两种模态之间的相位差导致了一个干涉图样。MZI的推理强度可以表示为

其中，n是空气的RI，P是压力，t是温度（°C）。空气的RI与恒温条件下的压力呈线性相关。

图中示。2.光传播的光场振幅分布。

图中示。2显示了基于空气侧隙结构的MZI传感器的水平和垂直截面的光场分布。显然，空气侧隙提供了一种有效的方法来提高传感器对周围环境压力变化的敏感性。

II核心的I包层 2 原因

I核心的I包层

(1)

此处，I_核心的 以及 I_包层 是 的 工作强度 的 的 核心的 工作模式 以及分别为覆层模式和相位差是：给单位

1. MZI传感器离轴扭曲变形的制造系统

2(n n

) l

2n n

L  l 

(2)

如图中所示。3(a)。主要零部件

核心的 空气间隙

核心的 包层 

该系统由一个商用融合拼接器、旋转器、三维电路组成

其中，n_核心的，n_包层和n_气隙是核心模式、包层模式和气隙的有效折射率(RI)模式，l是气隙的长度，是光的波长，而L是两个扭转点之间的长度。

当phi;等于（2m 1)pi;时强度达到最小值，其中m为正整数。与最小值对应的波长表示为：

调节平台和一个自定义软件。使用C#来编辑程序来控制放电系统和电机系统。该变形的轴向形态的光学显微镜图像如图所示。3(b)。

使用FS激光器通过SMF包层（IFRIT，Cyber激光器，Inc.，180fs、780nm、1kHz、200J）钻出的气隙如图所示。3(c)。如下图所示。3(d)和3(e)个给出

 2

n n

ln n

L  l (3)

创造了空隙的观点。酒精是被用来去除酒精的

2m 1

核心的 空气间隙

核心的 包层

 光纤碎片。

由于气体压力不能影响堆芯的RI，且覆层RI的压力变化比空气RI较小，压力敏感度为：

图中示。4(a)给出了具有单个变形点的SMF、具有两个变形点的MZI和带气隙的MZI的透射光谱。对于样品，两个变形之间的距离L=5mm，离轴扭转角

=离轴扭曲半径R=12m，气隙深度

d为=30m，气隙长度为=为500m。我们可以看到基于气隙的MZI传感器的强干涉光谱，而只有变形结构的器件的透射光谱在整个波长窗口几乎扁平，这意味着间隙加载在干涉臂上。选择~1568nm的谐振倾斜，用于表征传感器响应。

图中示。3.(a)SMF离轴扭曲系统原理图；(b)变形轴线形态的光学显微镜图像；(c)飞秒激光处理系统原理图；(d)顶视图和(e)空气侧隙的横截面。

我们研究了MZI传感器在常温和压力条件下的透射光谱特性。为此，按逆时针顺序制备了几个不同参数的样品。这些样品的透射光谱如图所示。4(b)至(d)项。图中示。4(b)显示了四个不同扭曲的样品的透射光谱角度（以及)这些样品也有相同的特征MZI长度（L=5mm）和离轴半径（R=12mu;m）。是观察到的值对变速器有影响吗光谱中，其中共振下降由于扭曲诱导的有效RI的差异而发生位移。图中示。4(c)显示了不同离轴半径（R=3、6、9、12和15mu;m）和相同MZI长度（L=5）的五个样品的透射光谱mm）和扭曲的角度。我们可以看到，在透射光谱依赖于R。当Rlt;12mu;m时，光谱的可见度随着R的增加而提高，当半径超过12时，能见度就会下降m.图中示。4(d)显示了气隙不同深度的四个样品的透射光谱（d=0、20、40和60mu;m）和L=5mm，R=12m它可以看到从光谱中可以看出，共振波长随d的变化而变化。我们可以清楚地看到，其透射光谱为

MZI依赖于上述参数。在这里，FSR被观察到与L大约成反比，这对应于核心包层模式干扰理论。R=12m，d=30m是一套相对不错的套装关于结构鲁棒性、光谱对比度和插入损失的参数。

图中示。4.(a)只有SMF的样品传输谱，一个单一变形，MZI为两个变形，MZI有空气侧隙。(b)使用=1/2至2的MZI样品的透射光谱

下的L=5mm，R=12mu;m。(c)L=5mm、。下步骤R=3至15mu;m的MZI样品的透射光谱(d)在L=5mm下，具有d=0至60mu;m步骤的MZI样品的透射光谱，

R=12m，l=500m.

1. 实验和讨论

压力传感器的实验设置如图所示。 5.传感器连接到超连续宽带光源(SBS；超紧凑型NKT光子公司)和光谱分析仪(OSA；AQ6370C，横川公司)，用于在整个实验中监测透射光谱的变化。压力传感器头放入压力罐，用AB胶密封纤维和压力罐之间的间隙。压力发生器采用压力泵（ConST162），压力罐上安装高精度压力表（ConST-211），以监测压力。对于气体压力测量，将光纤预张紧并固定在v形凹槽中，以防止光纤受到弯曲或振动的影响。

图中示。5.气体压力测量的实验系统。

为了得到干涉图样的压力与传输凹槽之间的关系，选择了1568.5nm的谐振倾斜作为测量参数，如图所示。6英寸。如图所示。6、压力与共振波长的关系具有良好的线性和单调性。随着压力的增加，共振波长转移到较短的波长。在0-0.8MPa的范围内，灵敏度达到-5.183nm/MPa，步长为0.1MPa。测量到的灵敏度可与理论上的灵敏度相当。来自等式的信息（3），空隙长度为500mu;m的传感器的理论灵敏度在1580nm下为~-8.2nm/MPa。测量的灵敏度低于理论上的测量灵敏度。这可以归因于两个原因。首先，实际的气隙长度

由于测量误差，飞秒加工可能短于计算的长度。其次，在理论计算中忽略了压力机对未加工部分包层模态有效RI的影响。

图中示。6.波长位移与压力的关系。嵌入显示了传输光谱演化在压力范围内从0到

0.8Mpa步台阶为0.1MPa。

为了进行比较，本工作和其他一些MZI结构的敏感性见表I。该传感器的灵敏度比其他风通道结构略小。然而，该传感器的制造过程相对简单（只有扭转和自由速度加工），成本低（不需要特殊纤维）。

表一

mzi结构用压力传感器的灵敏度

压力传感器的类型	灵敏度
当前的配置	-5.183nm/MPa
MZI与一个微通道横跨 光纤机芯，[18]	~8.239nm/MPa
双芯纤维 微通道 核心的[19]	-9.6nm/MPa

30°C至100°C之间温度的波长变化如图所示。7.在温度测试中，该装置被放置在玻璃毛细管中并自然拉直，以防止由于夹具和基板的变化而导致的不准确测量。随着温度的增加，边缘倾斜转移到更长的波长。在正常压力条件下，共振波长在30°C至100°C的范围内，灵敏度为0.069nm/°C，呈单调和线性变化。

图中示。7.凹槽波长的波长与温度相比。

温度引起的气压测量误差为13.3kPa/°C，高于OSA确定的检测限值（plusmn;3.86kPa）。如果建议的压力传感器应用在温度变化较大的恶劣环境中，则该传感器需要连接到光纤布拉格光栅(FBG)以进行温度补偿。通过检测FBG的峰值波长，可以获得环境温度。FBG的共振波长如图10°C单调线性变化，范围为30°C至110°C-10°C，灵敏度为-0.010nm/°C。 8.

图中示。8.FBG传输波长对比度与温度的关系。

利用温度补偿方程式可以提高实际的气体压力传感性能

参考文献

1. R.Mijaras，D.帕斯卡西奥，R.Gevara和J.罗德里格斯，“高温井下仪器系统中热漂移补偿的信号处理算法”，测量与控制研究所事务25,9

   剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

   ---

   资料编号：[606467]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 数控直流可调开关电源的设计外文翻译资料
• 基于动态贝叶斯推理的智能红绿灯控制系统研究外文翻译资料
• 传统并网和太阳能独立路灯系统从摇篮到坟墓的生命周期比较评估：黎巴嫩农村地区的案例研究外文翻译资料
• 基于语音控制的智能垃圾桶的实现外文翻译资料
• 移动设备红外温度传感系统的改进外文翻译资料
• 基于偶极-四极偶合的混合盘/棒人工等离激元分子中的双Fano共振外文翻译资料
• 用于气体压力传感的光纤在线马赫森德干涉仪外文翻译资料
• 睑板腺区域的客观图像分析外文翻译资料
• 一种用于手写数字图像识别的最优权值学习机外文翻译资料
• 一种新的基于累加器阵列增强的Hough变换直线检测方法外文翻译资料