为了提高光纤激光器的温度灵敏度和数据完整性，提出了一种基于拍频解调的光纤激光温度传感系统。利用光纤激光谐振腔中的光纤布拉格光栅（FBG）进行温度传感，将FBG的波长变化依次转变为谐振腔内的波长变化和光纤激光器拍频信号的频移变化，大幅提高了系统的灵敏度。通过Python程序实现秒级数据自动采集及保存，提高了工作效率。用矩形框中心点位置法代替直接寻峰值法对温度信号进行解调，可避免频率抖动较大引起的误差。相比光学解调技术，该系统利用成熟的电学解调技术解调，无需昂贵的波长解调仪，降低了解调成本。实验结果表明，该系统具有较高的灵敏度和测量精度，平均灵敏度为74.087 kHz/℃，测量精度为0.47×10^-3 ℃。

随着第五代移动通信(5G)时代的到来，高频、大带宽的谐振器成为通信行业的迫切需求。该文设计制备了一款可实现高频超大带宽的横向激发体声波谐振器(XBAR)。该谐振器A1模式的谐振频率为5.81 GHz，机电耦合系数可达39.6%，Q-3 dB为248；A3模式的谐振频率高达17.04 GHz，机电耦合系数为7.0%。该谐振器A1和A3模式的频率温度漂移系数(TCF)分别为-72.6×10-6/℃和-38.5×10-6/℃。此外，该文还提出了一种新型叉指电极(IDT)结构，该结构可以抑制寄生模式，提升谐振器性能。

为提高光纤光栅监测微小位移的灵敏度和精度,提出并实现一种基片式环形光纤光栅位移传感器,利用谐振腔中不同模式拍频信号的变化实现传感。Sagnac环形腔有效提升了抽运光源的利用率,同时拥有比直腔更小的相位噪声和更高的信噪比。该传感器采用应变片式结构,能够有效地对光纤进行保护,更加精确地测量由位移引起的频率变化。实验中每5 mm观察一次传感信号的漂移情况,重复实验的多组实验结果表明,该传感器频移与位移基本呈线性变化,线性拟合度高达0.9995,灵敏度为-45.4 kHz/mm,根据频谱仪的最高精度,可得传感器的测量精度为0.88×10 ^-3 mm,与理论推导基本一致。

为解决罗兰光栅光谱成像不易直接读取、平面场凹面光栅成像算法复杂等问题,设计了一种基于全息凹面光栅原理的用于特定蛋白分析仪生化检测的分光光度计。该结构以罗兰光栅为基底,采用双透镜作为过渡元件,将罗兰光栅的曲面成像过渡成平场光谱,同时采用光学设计软件Zemax对该结构进行模拟和优化。优化结果表明,分光光度计能够实现光谱平场化,工作波段为320~800 nm,最高分辨率可达0.5 nm,整体分辨率优于1.7 nm,可被光电二极管阵列直接读取,结构特性满足特定蛋白分析仪的测量要求。样机实验结果与模拟结果一致,仪器重复性、准确度、稳定性及线性度均达到行业标准。

提出并设计了一种基片式多纵模拍频光纤激光位移传感器, 利用谐振腔中不同模式之间的拍频信号实现传感, 可以监测物体微小位移。该传感器采用应变传感基片结构, 有效对光纤进行保护, 并能缓冲拉伸和压缩带来的形变, 增加传感器灵敏度。同时在原有多纵模拍频光纤激光器的基础上进行了改进, 使系统获得更高的信噪比。阐述了多纵模拍频传感器的测量原理, 设计制作应变片并搭建实验平台。实验选取4个不同拍频信号作为传感信号, 实验数据表明: 在0～30 mm范围内, 频率漂移基本呈线性变化, 线性拟合度最高可以达到0.999 4, 这与理论推导结果一致。由于拉伸平台的拉伸精度限制, 该传感器的测量精度为1×10-3 mm。经过反复实验表明, 该传感器具有良好的稳定性。

对三维光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器的温度补偿问题进行研究,设计了新型温度补偿膜片,并采用参考光纤法对传感器进行温度补偿。实验发现,未经老化处理的裸纤在30~40 ℃之间会出现温度拐点,致使温度灵敏系数降低,所以封装之前必须进行老化处理。通过有限元热力分析可知,新型温度补偿膜片在-10~50 ℃之间自身的最大微应变约为0.073 με,受热膨胀系数失配的影响较小,系统的可靠性较高。同时悬臂梁式的缓存结构可使温度补偿光纤在测量过程中不受外界复杂环境的影响,在origin中拟合温度补偿膜片与应变测量传感膜片联合补偿的结果,修正之后线性度可以达到0.9999以上,满量程精度约为0.05%。

设计了一种双环减敏式结构,并对26 mm长的减敏基片进行有限元分析,分别在减敏基片左右端面各施加0.065 mm的拉伸与压缩位移。由仿真结果可得减敏基片的应变减敏比约为3.5,应变测量范围可达到±5000 με,同时可保证减敏基片在其材料的弹性范围内运行,不影响传感器的使用寿命。通过对500 με范围内的双环减敏结构的光纤布拉格光栅传感器进行拉伸实验,实验结果表明该结构设计可使得传感器线性度达到0.999以上,满量程精度约为0.1%。该传感器可实现实时准确的在线监测,系统数据采集迅速、可靠性极高,有望应用于如船舶、桥梁、飞行器等需要对关键结构进行较大应变范围测量的情况。

设计了一款基于LabVIEW的光时域反射仪(OTDR), 选用1625 nm波长的脉冲激光模块作为光源, 采用高灵敏度雪崩二极管光电探测器和高速数据采集卡, 在LabVIEW集成化虚拟仪器开发环境控制下, 对光信号进行采集、处理和数据存储, 实现光纤在线实时监控。采用数字平均与加权滑动平均相结合的算法, 对返回的背向散射信号进行降噪, 并定量分析了数字平均次数、平滑宽度、平滑类型对OTDR系统信号处理结果的影响, 从而给出一个最佳平滑模型。采用求一阶导数方法并设置导数和幅度双重阈值, 对反射事件点进行定位。采用该系统对实际光缆线路的测试结果表明, 所提出的最佳平滑滤波器与传统平滑滤波器在相同平滑宽度下相比, 动态范围提高了1.1 dB, 信噪比提高了1.25倍。所提定位算法能较准确地定位反射事件点, 表明该算法具有一定的实用价值。