基于新型边孔微结构光纤的加速度传感器及应用研究

Accelerometer for vibration measurement plays an important role in the applications of civil engineering, railway operation safety, oil&gas exploitation, national defense, and therefore how to improve the performance of the accelerometers becomes very scientific and technical. Compared with the conventional single mode fiber, microstructured optical fibers (MOFs) have more flexible structures in design, which is of great ease to modify the optical and mechanical properties in the fiber and hence better to develop high performance sensors. Currently, most fiber accelerometers are based on the single mode fiber and developed with grating and interferometric technologies, especially focusing on the mechanical design of the strain transducer. This kind of fiber accelerometer either has low resonant frequency or small measureable acceleration. To improve these particular performance, we propose to develop the novel fiber accelerometer particularly from the perspective of MOFs. In this project, we will start with the theoretical design, optimization of the air hole size and arrangement in MOFs, and then experimentally fabricate the proposed MOF by optimizing the fabrication techniques, and eventually develop the fiber accelerometers based on the approaches of Sagnac interferometer and Rocking filter to demonstrate better performance in terms of the sensitivity, resonant frequency as well as the measurable acceleration. The achievements obtained in this project could create a scientific paradigm for the mechanical sensing applications employing this type of MOFs.

振动加速度传感器在土木结构安全，铁路安全运行，油气开采，国防安全等发挥着巨大的作用，如何提高加速度计的性能具有重要的科学研究意义和实用价值。与普通单模光纤相比，微结构光纤的结构设计更灵活，易于改变光纤的光学和力学特性，开发出高性能的光纤传感器。目前，大部分的光纤加速度计利用的是普通单模光纤，通过光栅或者干涉仪的技术而开发的，并着重在机械结构上进行创新设计，该类加速度计或者谐振频率不高或者测量加速度范围有限。针对此问题，本项目拟从光纤本身的角度出发设计并制备新型的用于加速度传感的微结构光纤，通过理论建模设计，优化微结构光纤的空气孔尺寸及排布，并在实验中研制出所设计的光纤，优化制备工艺，最后以萨格拉克干涉仪和偏振回旋滤波器的传感技术分别开发加速度计，从加速度计的灵敏度、谐振频率和最大可测加速度几方面加以提高。本项目的开展和完成，可为此类光纤的力学传感应用提供科学方案，具有重大的实际研究价值。

振动加速度传感器在土木结构安全，铁路安全运行，油气开采，国防安全、海底环境扰动监测等方面发挥着巨大的作用，研究新型的光纤振动加速度计及提高其性能具有重要的科学研究意义和实用价值。本项目通过提出新型的大边孔微结构光纤，从光纤结构、力学分析、传感器研制、信号处理分析、应用验证等多方面展开研究，获得了多种新型微结构光纤及高性能的传感器，包括振动加速度传感器及压力传感器等，获得的加速度传感器灵敏度可达50pm/g，谐振频率高于2.5kHz，压力传感器灵敏度可达20.6nm/MPa，并提出了基于机器学习的光传感信号解调新方法。同时，本项目针对研制的光纤振动加速度传感器及多参量光纤传感器系统，展开了铁路列车的结构健康监测，海底环境扰动探测等新的应用研究，取得了一系列的创新研究成果。本项目通过光纤结构设计到振动加速度计的开发以及最后的应用验证，进一步拓展了微结构光纤的传感领域，丰富了相应的理论及应用研究。此外，基于本项目的技术积累，获得了多种新型光纤传感器，同时展开了新应用探索，累积发表了高水平期刊论文15篇及会议论文4篇，并申请了2项发明专利，为结构健康监测及海洋环境扰动探测提供了新的技术方案，具有重要的实际应用价值。