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    6. 基于光纤热竞技的有源光纤传感器
      通告人:热竞技网址 时光:2019-10-16 关怀:

      光纤热竞技以他易于热控管理、转移效率高、进出口稳定、拓宽增益带宽、分立式选择简单且泵浦功率要求低等优点而得到了大规模的采用。名将他用于传感应用的光纤传感器具有灵敏度高、可远程实时监测、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,把广大应用于生物化学、水利监理和航空航天等许多世界。本文简要介绍了可自己光纤热竞技的提高现状并距离说明了在电力、投票率、温度、压力、声波及磁场等方面传感应用的实行方案。

      1. 引言

      早在1964年Snitzer和Koester最先提出并说明了光纤热竞技,在70年代由于低损耗光纤和室温激光二极管的出现光纤热竞技得到了进一步的提高。1985年,S.Poole等人口采取改进后的化学气相沉积法制作出了序一个低损耗的掺Nd光纤,事后人们开始对各族不同结构和不同掺杂元素的光纤热竞技展开了大规模的研讨。

      外貌较于传统的气体热竞技,光纤热竞技具有很多优点。最先,光纤增益介质的多少形状本身就具有很大的面积,腔内产生之热量很容易散发到空气或者周围介质中,不需要设计额外的热沉而只需使用简单的制冷装置就能够在较高输出功率下开展实用的散热并得到较好的光环质量。副,光纤热竞技由于他具有较长的有源腔长和较细的导向光纤使得电光转换效率远高于传统固体热竞技,不需要太高的泵浦功率就足以得到实惠的极光。另外,光纤的波导结构对激光光束的限制作用也保证了出口光束的品质,不容易出现传统固体热竞技经常出现的热致模式失真的场面。同时,全光纤的构造也不需要自由空间光学元件的利用从而放松了在风热竞技中严厉的校准和机械稳定性要求,优化了热竞技结构和运用,有助于实现热竞技的民用化,增强热竞技的祥和。上述的那些优点使得光纤热竞技在成千上万世界都具有很高的调研和生意应用价值。

      光纤热竞技原理示意图

      随着光纤制造工艺、光纤器件以及高功率泵浦源的不断提高,光纤热竞技在输出功率、光束质量、进出口光波段、条件宽压缩和脉冲持续时间等方面都拥有了家喻户晓提升,这也促进了光纤热竞技在光纤传感领域的采用。利用光纤热竞技自身具有的可以性质,穿过输出光的变通进行解调可以对待测物理量的进展实时监测。早在1993年,Serge M. Melle等人口就提出了一种调动布拉格光栅的光纤热竞技应力传感系统[7],名将掺铒光纤、宽带反射镜和光纤光栅组成光纤热竞技,伊出口波长即取决于用于应力测量的光纤光栅从而实现一个自供给的光纤热竞技应变传感器。另外,名将光纤热竞技与伦敦光栅阵列进行组合,还能够同时对多个岗位的容量变化进行监测,落实覆盖面更广阔、竞争性更强的大规模分布式传感。上述这些光纤激光发生器在过去的平均数十年内发展得相对成熟,并且已经广泛采用在成千上万科学研究和现实生产中。

      2. 根本品种

      2.1 电力传感器

      电力在生存中特有广泛,对其它的探测具有特殊普遍的采用范围,如大型机械的构造稳定性检测以及桥梁和过道等设备的例行监控等都要求对应变进行精密测量。而基于光纤热竞技的水力传感器灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀且实施方案灵活,在电力监测方面把广大应用于工程实践中。

      如下图所示为双稳频举报环路光纤应变传感器,该传感器频率范围可以下准静态到几百赫兹,由用于应变传感的π相移光纤布拉格光栅和行为参考的光纤法布里-珀罗干涉仪组成。系统利用Pound-Drever-Hall艺术来产生误差信号,闪光载波和边带分别通过两个挺立的报告回路锁定到参考元件和传播元件。伊应变分辨率在0.01-250Hz的带宽内具有出1/f的特点,在10Hz的效率下应变分辨率优于0.01nε,动态范围高达149dB。与俗的常态应变传感器相比,这种报警器在利率和传播带宽方面都有很大的增强,可以变成地球物理研究应用中的有力工具。

      基于FP腔和随机镜的光纤应力传感器

      2.2 投票率传感器

      在生物、化学等学科的研讨以及材料制造、西医检测等实际利用场合中,对于折射率的探测一直是根本的一个环节。光纤在利率传感方面具有很显然的劣势,其它的分量轻、面积小、强度高、带宽大和抗电磁干扰的特点,吸引了累累研究者的注目。近日,在光纤激光折射率传感器的研讨方面,也取得了新鲜明显的总成绩。

      如下图所示为一种基于线性腔双波长掺铒光纤热竞技的上镜率传感器,该传感器的主干结构为线性腔,运用了两个基本波长相隔小于1nm的光纤布拉格光栅(FBG)。出于两个FBG具有相同的EDF增益介质,所以会在腔内发生增益竞争。顶传感元件,即一段15mm长的微光纤浸入到待测溶液中时,某一波长的荣誉会发生光功率损耗。两个FBG在1.300至1.335的上镜率范围内分别具有-231.1dB/RIU和42.6dB/RIU的贡献度,两个FBG波长的相对功率变化具有更高的贡献度-273.7 dB/RIU,出于降低了货源抖动和外部干扰而具有更好的祥和。这种双波长增益竞争折射率传感器由于他高清晰度和概括的构造,在化学和生物化学传感领域具有大规模的采用潜力。

      双波长光纤折射率传感器

      2.3 温度传感器

      在温度传感方面,如下图所示为一种基于法布里-珀罗混合腔和随机镜组合的光纤激光温度传感器,法布里-珀罗混合腔是由单模光纤与一小段悬浮芯光纤熔接构成,随机镜是由多个瑞利散射沿着色散补偿光纤传播时产生之,是光纤中拉曼增益的直接结果。在该组织中法布里-珀罗腔同时具有激光反射镜和温度传感腔两个力量。该光纤激光温度传感器在 15nm的波长范围内最大输出功率大约为4mW,同时可以在200℃的测量范围内温度灵敏度达到约6pm/℃。

      基于FP腔和随机镜的光纤温度传感器

      2.4 压力传感器

      在终点环境中如石油或地热井中温度高达130℃上述,风的电传感器无法满足持久的压力监测需求,下半时能够测量液体或气体压力的光纤激光发生器引起了人人的兴趣。如下图所示为用于测量流体静压的偏振式法布里-珀罗光纤激光发生器,运用双折射光纤光栅和两段椭圆芯掺铒光纤,基于正交极化和拍频原理,流体作用在激光腔中的其中一个椭圆芯光纤上,产生两个正交偏振模式的变数相位的偏移,所以产生相应纵向激光模式的拍频的变通。另一番光纤的拱形芯方向具有90°偏移,补充了温度引起的相移。双折射光纤布拉格光栅反射器中的色散用于消除给定阶次之偏振模式拍频的近简并性,该传感器能够测试的气体压力达100MPa。

      2.5 声波传感器

      如下图所示为一种用于声波探测的高频光纤激光发生器,超声波能够使光纤激光腔发生巨变,引起外差输出信号的效率变化。玉器在22MHz处发生频率响应,伊宽带声学传感灵敏度为2.25MHz/kPa,顶采样率为100 MHz时,噪声当量压力达到45Pa。伊针对球面波的探测带宽达到18 MHz。沿光纤纵向的贡献度随激光空间模式而变化,并由光栅和腔这两个参数决定。在径向方向上,强度与声源和推进器之间的距离的变数成反比。穿过压缩腔的长可以增进声学灵敏度,短腔可以一目了然增强传感器的荣誉生显微镜(PAM)强度和穿透深度。

      基于宽带光纤热竞技的超声传感器

      2.6 磁场传感器

      如下图所示是用于磁场检测的基于磁流体的光纤环形激光发生器,在激光环型腔中接入涂覆有磁流体的单模-电气化芯-单模光纤结构,可以同时表现带通滤波器和磁场传感元件。基于自映像效应,外面磁场改变时会通过作用于磁流体从而改变单模-电气化芯-单模光纤结构的滤波参数即输出光谱波长,得到的带通滤波边模抑制比为14 dB,插入损耗约为-1.03 dB。顶外界磁场增大时,闪光波长蓝移。在15.9 Oe到222.3 Oe的磁场范围内传感灵敏度为12.05 pm/Oe。该传感器具有高信噪比的转口光谱、窄带宽和高Q值等优点。

      3. 总结

      本文对光纤热竞技的提高过程和研讨现状进行了介绍,并介绍了光纤热竞技在不同传感应用下的传播结构和落实原理。随着科学研究和工程采取的需要不断增长,用于测量各种物理量的光纤激光发生器得到了大规模的研讨和飞跃的提高,近日尤其在声波和磁场等部分不太常见的园地都有了迅速的提高。随着关于光纤热竞技性能的不断增强,以及更多光纤传感结构和调控方法的落实,名将会产生具有更优性能光纤激光发生器并广泛采用到各领域科学研究和现实工程中。

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