基于敏感薄膜与光纤微加工集成的光纤传感技术概念,现状与前景-武汉理工-杨明洪
光纤传感专业技术工作小结
光纤传感专业技术工作小结1. 光纤传感技术概述
- 光纤传感技术的原理和应用领域
- 与传统传感器相比的优势和局限性
2. 光纤布拉格光栅传感器
- 光纤布拉格光栅的制作方法
- 应变、温度、压力等测量原理
- 实际应用案例分析
3. 光纤干涉传感器
- 法布里-珀罗干涉仪原理
- 马赫-曾德尔干涉仪原理
- 在结构健康监测中的应用
4. 光纤分布式传感技术
- 相位敏感光时域反射技术(Φ-)
- 勃朗温漂移技术()
- 管线监测和结构健康监测应用
5. 光纤传感器信号解调和信号处理
- 解调技术和信号处理算法
- 噪声抑制和信号增强方法
- 数据融合和智能化分析
6. 光纤传感器系统集成
- 光纤传感器阵列设计
- 现场安装和系统集成
- 数据采集和远程监控
7. 未来发展趋势和挑战
- 新型光纤传感器材料和结构
- 智能化和网络化发展方向
- 成本控制和商业化应用
以上是光纤传感专业技术工作的一个简要小结。
根据具体需求,每一部分都可以进一步扩展和深入探讨。
新型光纤湿度传感器研究
。文献显示这些传感
器的工作范围都高于 11%RH，不适用于某些低湿的特殊环境下使用，为此我们研制了一种新型
2．传感原理
低折射率多孔材料
纤芯 包层 高折射率材料
图 1 光纤 F-P 传感探头结构示意图 法布里帕罗式传感器探头结构见图 1，采用溅射镀膜及蒸发镀膜技术在光纤端面镀制三 层薄膜，两边是高折射率材料 Ti3O5，厚度 168nm, 中间是低折射率多孔材料 SiO2 ，厚度为 1621nm。三层薄膜形成 F-P 干涉腔，构成湿度传感探头。 当一束相干光射入 F-P 腔中，大部分光能在腔中来回反射多次，形成光学谐振。其中少量光 能分别从前后两块镜面处透射，且每次透射的光束与前一束透射的位相差都恒定。若两镜面的反
4πL n 2 R 1 − cos λ I = ∫ I R ⋅ dλ = ∫ ⋅ dλ 4πL −B / 2 −B / 2 n 1 + R 2 − 2 R cos λ
B/2 B/2
（2）
式中 B 是光谱宽度， L 为恒定值。当环境相对湿度产生变化时， SiO 2 薄膜的折射率 n 也 会相应改变，使得 F-P 腔干涉波长产生漂移，将相对湿度和干涉波长漂移量进行标定，那么 测量光谱漂移量便可以实现对相对湿度的测量。
Hale Waihona Puke 3．标定实验及数据分析3.1 标定实验装置
图 2 标定试验装置 湿度传感器测量系统组成如图 2 所示。由 HL-2000 海洋光学卤钨灯光源发射的光，通 过 50/50 多模光纤耦合器的一条分路与湿度敏感探头相连，经探头端面反射光再经由耦合器 的另一条支路被微型光谱仪接收，最后经分析软件进行数据处理。 通常计量部门只提供 10%RH∼90%RH 的相对湿度标定环境，难以对传感器的低湿特性 进行研究，为此我们采用 D500 高精密露点仪结合动态湿度发生器，可以给传感器提供 0%RH-100%RH 的大范围湿度环境，从而实现光纤湿度传感器的大范围静态标定。 3.2 实验数据及分析
光纤传感技术的发展与应用前景
光纤传感技术的发展与应用前景光纤传感技术，是指利用光纤作为传感元件、将被测量对象的信息转换成光学信号、再利用光电设备将光学信号转换成电学信号并进行相应处理的一种新兴技术。
随着传感技术的不断发展，光纤传感技术也不断壮大。
本文从光纤传感技术的历史、领域、技术原理和应用前景展开，旨在阐述光纤传感技术的发展与应用前景。
一、历史光纤传感技术的历史可以追溯到1960年代，当时，美国洛克希德公司的科学家们，并没有想到光纤传输技术，而是想用光纤作为激光器的传输媒介。
1970年代末期，欧洲科学家发展了一种新型的光纤，使光纤传播损耗降低到了1dB/km以下，如此低的损耗使人们开始考虑光纤传感技术的利用，其应用前景和技术水平迅速发展。
二、领域光纤传感技术广泛应用于通信、医疗、军事、气象、环保等领域。
其中通信是光纤传感技术的最大应用领域之一，光纤传感器广泛应用在温度、应变、压力、声音、化学成分、湿度等领域。
在大部分的制造业和房地产业中，它们通常被视为能够提高安全性，减损成本等保障。
三、技术原理光纤传感技术的核心技术是光纤的物理机制和电光转换技术。
光纤材料具有较高的机械强度和较小的质量密度，可以抵抗各种恶劣环境的侵蚀，同时也能够实现被测量对象信息的实时传输。
而电光转换技术通过光电元件将光学量转换成电学量，实现了从光信号到电信号的转换。
四、应用前景随着人们对环境的关注程度不断提高，环保领域将是光纤传感技术未来的一个重要应用领域。
光纤温度传感器等技术的应用能够大大提高环保监控系统的可靠性及准确性，这将有力地支持相关领域的发展。
光纤传感技术的其他应用前景还包括海洋观测、气象预测、石油勘探等领域。
这些领域的应用需要能够抵御各种严酷环境的信号传输技术支持，而光纤传感技术无疑是发达国家的一个重要选择。
五、总结光纤传感技术是一种新兴技术，其在通信、医疗、军事、环保等领域都有着广泛的应用前景。
它的技术原理和应用方法之所以得到快速的普及和发展，很大程度上是因为它克服了电气信号传输的困难，具有高强度、高精度、可靠性高等优点。
基于光固化材料的自修复光纤微弯传感器研究(精)
基于光固化材料的自修复光纤微弯传感器研究
全部作者：
李鹏赵志敏洪小芹郭林峰
第1作者单位：
南京航空航天大学
论文摘要：
光纤微弯传感器在受强信号冲击时，传感光纤因弯曲半径小于极限值，易受损发生断裂。
针对这1问题，文章结合光纤弯曲损耗机理和光固化技术，提出了基于光固化材料的自修复光纤微弯传感器的研究。
旨在设计1种可根据自身损伤程度，自行调节修复损伤能力的新型光纤微弯传感器。
实验研制了1种具有良好光敏和粘接性能的光固化材料修复剂，并将光固化材料注入预置有传感光纤的柔性空心纤维中，利用泄漏模作为光固化激励光源，实时调节固化程度，实现了传感器的智能自修复。
对修复效果进行研究和分析，研究结果表明：该传感器自修复时间短、修复效果好并能实现多点修复。
关键词：
光固化材料；光纤微弯传感器；耦合波理论；智能自修复 (浏览全文)
发表日期：
2007年12月26日
同行评议：
通过对传感器的结构设计和光导纤维弯曲损耗研究，确定和优化了光固化材料的制备工艺和配比。
行文规范、语句通顺。
略显不足之处是图中字体偏小，不清晰，是否需要修改？有较高的学术参考性。
综合评价：
修改稿：
注：同行评议是由特聘的同行专家给出的评审意见，综合评价是综合专家对论文各要素的评议得出的数值，以1至5颗星显示。
第4届亚太光纤传感器国际会议
由电子科技大学 、 哈尔滨工程大学、 香港理工大学和 华中科技大学联合协办 。会议得到了国家 自然科学 基 金委 员会 （ Ｎ Ｓ Ｆ Ｃ） 、 国际光 学工 程 学会 （ Ｓ Ｐ Ｉ Ｅ ） 和美 国光学协会（ Ｏ Ｓ Ａ） 的大力支持。大会共有包括来 自
《 圣经》 的汉译研究 ” 的讲座 中， Ｌ ｉ ｈ ｉ 博士 除 持 的题为“ 圣经》 引入到中 学 用详实的史料和生动的图片介绍了《
衔 国的历史 ， 以及《 圣经》 的汉译在 中国的起源和发展
勤 悠
杨明红 ： 教授 ， 博士生导 师。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — ０ １ — ２ ０
感器 的发 展历 史 ， 他以 １ ９ ６ ６年第 一个光 学传感器 的
美 国、 英国、 德国、 加拿大、 澳大利亚 、 日 本、 韩国和中 国等多国的光纤传感领域世界顶级专家学者、研究 人员以及企业界人士共计 ２ ０ ０ 多名代表参加。本次 会议共安排了特邀报告 ２ ｌ 篇， 口头报告 ２ ６ 篇， 张贴 报告 ８ ９篇 ， 会议 论 文 由 Ｓ Ｐ Ｉ Ｅ在线 出版 ， 扩展 后 的优
第 ４届亚太光纤传感器国 际会议
杨 明红
（ 武汉理工大学光纤传感技术 国家工程 实验 室， 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０ ）
２ ０ １ ３ 年１ Ｏ 月１ ５ １ ７日， 第４ 届亚太光纤传感 Ｂ ｉ ｒ ａ ｎ Ｃ ｕ ｌ ｓ ｈ ａ ｗ教授 也分 别致 辞 。会议期 间 ， Ｂ ｒ ｉ ａ ｎ ｕ ｌ ｓ ｈ ａ ｗ教授 、 Ｅ ｔ 本东 京 大 学 Ｋ ａ ｚ ｕ ｏ Ｈ ｏ ｔ ａ ｔ ｅ教授 以及 器 国际 会议 （ Ａ Ｐ Ｏ Ｓ ２ ０ １ ３ ） 在 武 汉 理工 大 学举 行 。本 Ｃ
微型光纤电流传感器探头及其制作方法[发明专利]
![微型光纤电流传感器探头及其制作方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/20bc383984254b35effd349f.png)
专利名称：微型光纤电流传感器探头及其制作方法专利类型：发明专利
发明人：杨明红,代吉祥,李小兵
申请号：CN201010223244.8
申请日：20100705
公开号：CN101915865A
公开日：
20101215
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种微型光纤电流传感探头及其制作方法。
该探头由溅射有TbDyFe薄膜(10)的D型光纤光栅(9)与具有同样中心波长的没有镀膜的参考光栅(8)对接焊接起来构成，其溅射有TbDyFe 薄膜的D型光纤光栅是经过侧边抛磨处理的光纤光栅上溅射一层超磁致伸缩材料TbDyFe薄膜构成，薄膜厚度为2-20μm。
其制作方法是将对磁场敏感的磁致伸缩TbDyFe薄膜与抗电磁干扰D型光纤光栅结合起来形成光纤电流传感器探头。
采用磁控溅射工艺、热处理工艺和温度补偿技术，使传感器的准确性和灵敏度得到极大地提高，并且传感探头体积大大减小，有利于实现光纤电流传感器的微型化。
申请人：武汉理工大学
地址：430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路122号
国籍：CN
代理机构：湖北武汉永嘉专利代理有限公司
代理人：张安国
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武汉理工大学成功研发燃料电池和光纤传感新技术
武汉理工大学成功研发燃料电池和光纤传感新技术
刘共华
【期刊名称】《化工装备技术》
【年(卷),期】2009(30)5
【总页数】1页(P57)
【作者】刘共华
【作者单位】(Missing)
【正文语种】中文
【相关文献】
1.“一线多传感器”滑坡监测新技术研发成功 [J], 地调局水环中心
2.光纤新技术—光纤传感器在船舶领域的应用 [J], 朱生山
3.国家重点研发计划"种子、种苗及土壤处理技术及配套装备研发"项目"高效低风险种子种苗处理新技术研发"课题现场观摩及工作推进会在深圳成功召开 [J], 胡茂林
4.武汉理工大学将成立“光纤传感技术国家工程实验室” [J],
5.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室简介 [J],
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敏感材料及SPR光纤化学传感系统的研究的开题报告
敏感材料及SPR光纤化学传感系统的研究的开题报告一、研究背景SPR（表面等离子体共振）技术是一种广泛应用于化学传感领域的先进技术，其原理是通过光学系统感测化学物质的吸附或反应行为，从而实现化学分析的目的。
目前，SPR技术已经广泛应用于生物医药、食品检测、环境监测等领域，取得了良好的效果，并成为近年来化学传感领域研究的重要方向之一。
然而，由于SPR技术强烈依赖光纤传感器的质量和物理性能，如光学透过率、稳定性、灵敏度等，因此光纤传感器的设计和制备成为了限制SPR技术发展的瓶颈之一。
目前，大多数传感器尚不能在复杂环境中进行实时监测，不能快速、高灵敏度与高准确度地识别目标有机物，且无法满足多种场合下需要的实时监测等特殊要求。
因此，如何开发高性能SPR光纤化学传感系统、探索新型敏感材料，成为了SPR技术研究的重要课题。
二、研究目的该论文旨在探索新型敏感材料及光纤传感器的制备技术，以提高SPR光纤化学传感系统的灵敏度、选择性和稳定性，并开发实时监测和高通量检测方案，同时保证系统的经济性和可靠性。
主要研究内容包括：1.设计制备高性能SPR光纤化学传感器，包括光学系统及相关硬件，建立光学传感器分析模型，评估光纤传感器的光学性能。
2.寻找合适的敏感材料，研究材料在SPR光纤化学传感器中的光学传感性能，探索优化材料表面的捕获-释放效应，以提高传感器的灵敏度和选择性。
3.开发实时监测方案，实现快速、高灵敏度、高通量的检测，以应对现场分析和快速分析的需求。
三、研究内容和方法1.制备高性能SPR光纤化学传感器该研究将采用目前主要的制备方法和技术，如表面修饰和薄膜制备技术等，提高传感器的灵敏度和稳定性，并通过谐振耦合模型、最小二乘法等理论手段，对传感器的光学性能进行完整测试和分析。
2.寻找合适的敏感材料该研究将采用新型的较大比表面积的纳米材料，如氧化锌、纳米金、石墨烯等作为敏感材料，探索优化表面捕获和释放效应等性能，提高选择性和灵敏度。
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7
光纤镀膜与光纤微加工技术的集成
单元技术
共性关键问题 高结合强度 的低温镀膜
集成技术
光纤镀膜 光纤侧面成 膜的均匀性 高精度控制 的微细加工 光纤微加工 微结构一致 性与重复性 光 光纤 纤微 微加 加 工 与 光 纤 工与光纤 镀 镀膜 膜的 的集 集 成技术 成技术
维纳薄膜传 感 ( 光纤微加 工后镀膜)
基模有效折射率
不同侧抛程度的PCF，n与neff的关系变化图
19
武汉理工大学光纤传感国家工程实验室
侧边抛磨光子晶体光纤基模有效折射率变化的敏感区
1.46465
1.46460
1.46455
基模有效折射率
1.46450
1.46445
1.46440
1.46435
n=1 n=1.33 n=1.36 n=1.385 n=1.401 n=1.41 n=1.4189 n=1.4293 n=1.4398 n=1.4524
1.光纤：侧面腐蚀，基于消逝波耦合对环境变化敏感，光纤折射 率传感，如生物化学传感器等 2.光纤光栅: 本身只对温度和应力敏感，侧面抛磨加工后镀制敏感 薄膜，可扩展应用范围，对生物化学、气体、磁场等参量敏感 3.光纤微结构：基于飞秒激光或157nm准分子激光的光纤F-P腔， 光纤M-Z腔，腔本身为空气，测量基于空气腔的变化，当在腔内假 山敏感薄膜后，可拓展传感的应用范围 4. 光纤表面：光纤表面微加工制备敏感薄膜（如磁致伸缩薄膜） ，可望提高薄膜的灵敏度和与光纤结合的机械稳定性
21
旋转光纤镀膜与旋转光纤微加工旋转光纤镀膜来自旋转光纤微加工22
共溅射光纤镀膜 实现新型敏感材料的制备
Pd 靶
Ag 靶
•共溅射为制备新型敏感薄膜提供可能 •Pd/Ag共溅射，Pd/WO3共溅射，提高氢气敏感的机械稳定性
23
概念：光纤端面微结构 + 敏感薄膜制备
24
光纤端面微加工测氢气实验飞秒激光微加工
SLD Source
Coupler
Hydrogen chamber
OSA Fiber Silica Tube
M. Yang, Y. Sun, C. Zhou, D. Jiang Sensor & Actuator B: Chemical Vol. 143, Iss. 2, pp. 750–753 (2010)
光纤端面加工
测氢气实验 在加工端面镀30nmPd膜，测反射谱
镀膜后端面
25
报告内容
光纤镀膜与光纤微加工的问题
实验手段与理论分析
我们的技术创新与研究创新
光纤旋转镀膜解决光纤侧面成膜均匀性 复合成膜技术解决新型敏感材料的实现可能 光纤微加工与敏感薄膜结合的技术创新
敏感薄膜与光纤微加工集成的光纤传感理论体 系：典型实例
薄膜波导传感 （光纤镀膜后 微加工）
8
光纤微加工与敏感薄膜结合的光纤传感技术及一些实例
光纤微加工技术 敏感薄膜制备技术 电化学沉积 光纤侧面抛磨 聚合物旋涂及 提拉法 射频磁控溅射 飞秒激光微加 工 PVA高分子膜 典型敏感薄膜 Fe-C膜 典型应用
光纤锈蚀传感 器 光纤超声波传 感器 光纤磁场 / 电流 传感器 光纤氢气传感 器 光纤湿度传感 器 光纤 CO 气体传 感器
光纤侧面抛磨后产生的光泄露
14
光纤和光栅的侧面抛磨 + 敏感薄膜
15
单模光纤侧边抛磨数值敏与实验
10 9 8 7
功率损耗 (dB)
6 5 4 3 2 1 0 -1 0 10 20 30 40 50
smf1 smf2 smf3 smf4 smf5 smf6 smf7
60
剩余包 层厚度（ μm）
侧抛实验数据（共7根单模光纤）
26
氢气敏感材料：Pd 膜
优势: 对氢气的选择性敏感 劣势: 由于是敏感膜的相变，对 ppm 级氢气浓度不敏感，机械稳定性较差
光纤镀Pd 膜的SEM图片
局部放大，应用相变产生的微裂纹
27
光纤端面Pd/WO3 复合膜的氢气传感器
0 .7 8 0 .7 6 0 .7 4 Power (uW) 0 .7 2 0 .7 0 0 .6 8 0 .6 6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 T im e (s )
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
h小于9μm被认为是PCF 小于9μm被认为是PCF
抛磨敏感区域，在这个 抛磨敏感区域，在这个 区间内， 区间内，neff随着 eff随着n的变 的变 化得到较明显的改变。 化得到较明显的改变。
1.46430
抛磨敏感区域的抛磨深度h
不同侧抛程度的PCF，n与neff的关系变化图
基于敏感薄膜与光纤微加工集成的光纤传感技术: 概念，现状与前景 杨明红
武汉理工大学 光纤传感国家工程实验室
1
报告内容
光纤镀膜与光纤微加工的问题
实验手段与理论分析
我们的技术创新与研究创新
光纤旋转镀膜解决光纤侧面成膜均匀性 复合成膜技术解决新型敏感材料的实现可能 光纤微加工与敏感薄膜结合的技术创新
3
光纤镀膜
LB自组装膜 Sol-Gel溶胶-凝胶膜 磁控溅射成膜 热蒸发成膜
125 um 9 - 50 um
1-2 um
光纤镀膜的难点：
光纤端面镀膜 (MgF2, SiO2, TiO2, etc…)
光纤侧面镀膜: (Pd, TbDyFe, FeNi, etc…)
1. 低温镀膜，附着力不佳 2. 面积及体积小，点成膜，对镀膜材料和光纤材料理化特性的差异敏感 3. 溅射和蒸发镀膜时侧面膜层厚度均匀性不易控制
4
光纤微加工
通过改变光纤几何结构，影响光纤波导传输，最终控制光纤光场的分布和与外界的耦合
熔融拉锥, B. Lee, Optical Fiber Technology 15 (2009) 209–221
侧边抛磨, W. Ecke OFS-19, 2009
化学腐蚀, J.-P. Laine, IEEE PTL, 1999
1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65
没有变化。 没有变化。 h为19-9μm 为19-9μm neff逐渐随着 eff逐渐随着n改变 改变 发生变化，曲线开始 发生变化，曲线开始 下降。 下降。 h小于9μm 小于9μm neff eff随着 随着n的改变明 的改变明 显变化，曲线的坡度 显变化，曲线的坡度 越大，随着 越大，随着h的减 的减 小， 小，neff减小。 eff减小。
28
基于Pd/WO3 复合敏感膜的光纤光栅氢气传感器
-50
-54
1294.694 1294.893
Air初 4%H 2 Air末
B
-55
信噪比/dB
-60
1294.6 1294.8 1295.0 1295.2
A
-70
1285
1290
λ /nm B
1295
1300
1305
1294.40
第一次
4%H2
第二次
4%H2
第三次
4%H2
70
1294.38
wavelength shift( pm)
D-shaped FBG-1 coated with 120nm WO3-Pd composite film D-shaped FBG-2 coated with 120nm WO3-Pd composite film 60 D-shaped FBG-3 coated with 120nm WO -Pd composite film 3 FBG coated with 120nm WO3-Pd composite film
敏感薄膜与光纤微加工集成的光纤传感理论体 系：典型实例
10
光纤镀膜系统（定制）
•带有 load-lock 的超高真空系统 •直流和射频磁控溅射 •电子枪蒸发 •特殊定制的光纤镀膜夹具（可任意方向 自由旋转，速度可调）
11
飞秒激光微加工
飞秒微加工系统组成：飞秒激光器、光路系统、CCD监控、三维工作台
70 60 50 40 30 20 10 0
1294.36
50 40 30 20 10
λ /nm B
1294.34
3%H2 2%H2 1%H2 0%H2
3%H2
3%H2 2%H2
1294.32
2%H2 1%H2 0%H2 250 1%H2 0%H2 0%H2
1551500 1551000 1550500 1550000 1549500 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 RI of material overlaid the side poished area lamd_b0(pm) lamd_b1(pm) lamd_b5(pm) lamd_b3(pm)
覆盖材料的折射率分别选取为 覆盖材料的折射率分别选取为 1.4524，1.4398，1.4293， 1.4524，1.4398，1.4293， 1.4189，1.41，1.401， 1.4189，1.41，1.401， 1.385，1.36，1.33 1.385，1.36，1.33
SP-PCF光学模型
9
TbDyFe 磁致伸 缩膜 Pd膜 多孔介质膜
直流磁控溅射 真空蒸发镀膜
可控化学腐蚀 溶胶凝胶成膜 WO3 溶 胶 凝 胶 膜
报告内容
光纤镀膜与光纤微加工的问题
实验手段与理论分析
我们的技术创新与研究创新
光纤旋转镀膜解决光纤侧面成膜均匀性 复合成膜技术解决新型敏感材料的实现可能 光纤微加工与敏感薄膜结合的技术创新
飞秒微加工系统主要参数：
激光器 波长：780nm 平均输出功率：1.1w 脉冲频率：1kHz 脉冲能量：1.1mJ 脉冲间稳定性：1.5%rms 三维工作台 工作台移动范围（XYZ）：±100× ±100 ×±25mm 工作台移动精度（XYZ）：1.0×1.0×0.5μm