为了有效检测输油管道应变, 首先, 提出采用有限元软件对支吊架结构输油管道施加载荷, 仿真管道表面应变分布, 从而优化分布式光纤输油管线应变检测排布方式; 然后, 在实验中将传感光纤沿轴向黏贴于管道外表面, 通过布里渊光时域分析仪(BOTDA)测量光纤布里渊频移, 以对管道表面应变分布进行实时监测。对比仿真和实验数据可知, 管道顶部和底部对应变敏感, 且管道表面应变分布的仿真结果与实验数据基本吻合。

通过有限元分析软件对硬质聚氯乙烯材料支吊架结构管道建立模型，采用中央竖直向下施加静态持续载荷方式进行力学仿真。将传感光纤沿轴向直线排布在模拟管道顶部、底部和侧部，通过粘贴传感器将管道外表面应变传递至传感光纤，并采用布里渊光时域分析仪对不同载荷下管道的应变变化进行监测。结果表明：管道轴向方向到管道底部为拉伸正应变，顶部为压缩负应变，侧部中线的应变基本不变；管道中段的应变最大，向管道两端的应变逐渐减小，距离管道端部0.6 m处的应变趋于0。此外，油气管道中段底部的应变灵敏度为顶部的3.3倍，为支撑端的5.5倍。

该文设计并制作了一种基于熔融拉锥技术的温度和折射率传感器。该结构是将一段单模光纤(SMF)两端级联无芯光纤(NCF), 并通过火焰熔融拉锥技术把中间的单模光纤进行拉锥处理, 从而构成了马赫-曾德尔光纤干涉仪(MZI), 两个无芯光纤分别充当分束器和耦合器。实验研究了该传感器对于温度和折射率的光谱响应特性, 研究表明, 当温度升高时, 透射光谱出现红移现象, 其响应灵敏度为43.96 pm/℃, 线性度为0.990 5。当传感结构置于折射率1.341 6~1.382 32的蔗糖溶液中时, 透射光谱强度随着折射率的增加而变大, 其响应灵敏度为366.68 dB/RIU, 线性度为0.989。

设计并制作了一种基于七芯光纤的应变不敏感温度传感器。该传感器将一段七芯光纤与两段单模光纤进行熔接, 通过优化熔接参数在熔接点处形成两个分别充当光路分束器和耦合器的凸锥结构, 构成了马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。实验研究了该传感器对温度和应变的响应特性。结果表明, 传感器的光谱对应变不敏感, 但传感器对温度具有良好的线性响应特性, 在40~200 ℃内, 其谐振光谱波长随温度升高线性红移, 对应温度灵敏度达到93.11 pm/℃, 波长漂移线性度达99.4%。

为了解决光纤光栅在低温环境中的应用问题, 该文从光纤布喇格光栅(FBG)的传感理论出发, 通过深入分析了FBG在-60~25 ℃时热光系数和热膨胀系数的变化。采用2根未封装的FBG进行实验验证, 得到了FBG在低温环境下的响应情况。研究结果表明, FBG在低温环境下具有良好的响应和重复性, 这对FBG在低温环境中的应用具有重要指导意义。

提出一种基于光子晶体光纤(PCF)的光纤迈克耳孙干涉仪,传感器结构由单模光纤(SMF)与一段PCF熔接构成。SMF与PCF之间的粗锥作为耦合器,既能激发出PCF中的高阶包层模,又能耦合PCF端面反射回的纤芯基模与高阶包层模,形成模间干涉。由于PCF中的空气孔全部暴露在环境中,湿气与光纤充分作用,有效提高了传感器的湿度灵敏度。传感实验结果表明,在30%~90%的相对湿度范围内,传感器的湿度灵敏度为-0.095 dB/%,线性拟合度为0.998;在20~100 ℃的温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm/℃,线性拟合度为0.997,温度引起的湿度测量误差为0.01%/℃;稳定性实验结果显示,该传感器的湿度测量标准误差为0.25%;呼吸测试表明,传感器的响应时间为190 ms。所设计的传感器结构简单、制作简便、灵敏度高、稳定性好、响应快,在湿度监测领域有较好的应用前景。

随着光纤光栅传感技术研究的不断深入和振动测试技术发展需求的不断增大,关于光纤光栅振动传感器的研究工作迅速展开。介绍了基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的振动传感器的原理，然后就不同的结构类型对近几年的FBG振动传感器研究进行了归纳,并着重对悬臂梁式和膜片式结构进行了总结。阐述了同种结构类型的不同光纤光栅封装方式的优缺点,分析了现阶段所使用的FBG振动传感器,并提出了影响其性能优化的四点因素。最后对FBG振动传感器的发展作了进一步展望。

为研究不同材料对法布里-珀罗(F-P)干涉声传感器性能的影响。采用几种不同金属材料, 设计制作了基于光纤端面—膜片非本征型F-P干涉声传感器, 利用有限元方法对圆形振动膜片进行模态分析, 得到了一阶固有频率。实验结果表明: 由金、锌合金材料制作的传感器可探测较低声压, 且传感器灵敏度较高、对外界声波信号响应成良好的线性关系。

利用准分子激光器在普通单模光纤上加工微孔, 制作了一种微孔结构型的光纤Fabry-Perot(FP)腔, 并对该微孔型光纤FP腔的温度特性进行了理论和实验研究。研究表明, 当外界环境温度变化时, FP腔腔长和腔中介质的折射率会发生变化, 致使传感器输出光谱发生漂移。通过观测光谱对应的峰值或谷值的漂移量, 即可实现对环境温度的传感检测。实验结果发现, 随着温度的升高, 波长逐渐向短波方向方发生漂移, 且波长的漂移量温度变化呈线性关系, 其对应的温度灵敏度和线性度分别为-0.152 nm/℃和98.8%。该微孔结构型光纤F-P腔温度传感器具有结构简单、成本低廉、实用性好等优点, 可以适应不同温度的需要, 研究结果可为该种器件在传感中的应用提供一定参考。

针对微纳光纤布拉格光栅(MNFBG)在应用中存在的温度依赖问题，数值模拟了被不同折射率液体包围的MNFBG的反射波长与温度的关系，并且制作了可更换封装液体的MNFBG用于实验研究。通过使用蒸馏水和不同折射率的匹配液封装MNFBG，得到了MNFBG反射光谱及其中心波长随封装液体温度的变化规律。研究发现，在相同的温度变化过程中，不同性质的封装液体会影响MNFBG反射光谱的形状和移动方向，改变了普通光纤布拉格光栅(FBG)在温度升高过程中反射光谱形状几乎不变但其中心波长线性红移的特性。封装液体的折射率和热光系数越大，MNFBG反射波长随温度的变化越趋于非线性。换用折射率和热光系数分别为1.456和4×10-4 ℃-1的匹配液体后， MNFBG反射波长的温度灵敏度为-50.3 pm/℃。MNFBG特性与环境液体、温度和FBG的尺寸有关，通过有效控制相关因素可以实现FBG在更多领域的功能化应用。