（光学专业论文）光纤光栅传感系统的研究与实现.pdf

摘要 光纤光栅( f i b e rg r a t i n 蓟是种新型的光无源器件。它是利用光纤材料的光敏 特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制 光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤的特性之外，它还具有一些独特的 性质。光纤光栅的出现，使许多复杂的全光纤通信网络和传感网络成为可能，极 大地拓宽了光纤技术的应用范围，并由此产生了许多重要的应用。作为光子研究 领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关 注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以检 测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩( 扭应力) 、加速度、 电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中一部分光纤光栅传 感系统已经实际应用。目前，以布喇格光纤光栅( f b g ：f i b e r b r a g gg r a t i n g ) n 传感 器件的传感器已成为研发主流。 本论文主要以布喇格光纤光栅为研究对象，对其传感技术、解调技术以及网络 技术进行了理论和实验的研究。主要内容有： 1 概括介绍了传感技术，特别是光纤传感和光纤光栅传感技术的发展及现 状。介绍了光纤光栅的基本分析方法。分析了以光纤光栅传感作为基本传感器件 的传感器的基本原理以及光纤光栅传感解调和复用技术的原理及应用。 2 以光纤光栅作为传感器件，设计制作了纤栅式多参数、多功能、分布式 传感网络系统( a f s n i 型光纤光栅传感复用网络系统) 。详细说明了其设计原理、 系统结构以及测试结果。该系统的实际波长分辨率为o 0 0 l i n m ，对应应变测量 分辨率约为4 = 1 o u ，对应温度测量分辨率约为卉= 0 0 3 。 3 提出并设计完成了基于啁啾光栅的高速传感复用网络系统，结合边沿滤 波技术，实现了传感光纤光栅的高速波长解调。文中分析了系统原理。该系统基 于全光纤设计，利用啁啾光栅作为选频器件，实现了传感光纤光栅的高速波分复 用解调。该系统已申请国家专利。 4 对高双折射光纤s a g n a c 环镜的理论进行了分析。利用此光纤环镜作为边 沿滤波器件，研究了其在光纤光栅传感系统中的滤波特性，并在7 n m 的范围内 实现了传感波长的线性解调。另外，以高双折射光纤s a g n a c 环镜作为传感元件， 研究了高双折射光纤s a g n a c 环镜的全光纤强度型温度传感特性。在1 5 的温度 变化范围内，透射光强与待测温度的关系具有良好的线性度和重复性。实验测得 环镜的温度灵敏度系数为o 9 2 n m 。测量温度的分辨率可达o 0 3 。 5 利用光纤光栅( f b g ) 作基本传感元件，设计制作了光纤光栅水听器传感 摘要 器，介绍了其原理及实验研究结果。利用匹配光纤光栅解调技术，实现了高灵敏 度动态信号的测量。实验测得的f b g 水听器频率测量范围为1 0 h z - 3 k h z ，动态 范围为6 0 d b 。基于f b g 本身的特点，可以很容易地采用波分复用( w d m ) 、时分 复用( t d m ) 的方法，实现多点网络化水声信号的测量。 6 设计并制作了一种基于悬臂梁的光纤光栅加速度传感器，分析了其原理 及实验结果。光纤光栅加速度传感器具有抗电磁干扰、体积小、质量轻、动念范 围大、能在恶劣环境下工作等优良特性。实验结果表明，该传感器具有很高的测 量精度。 7 最后，给出了a f s n i 型光纤光栅传感复用网络系统在实际工程中的应 用实例。包括建筑用q 2 3 5 标准钢梁的拉伸实验，以及在大型建筑物承重结构处 温度及应变监测的光纤光栅网络系统。 攻读博士学位期间参加和完成的科研项目 匡【家8 6 3 高新技术重点资助项目( 2 0 0 1 a a 3 1 3 1 1 0 ) “光纤光栅传感系统中的 关键技术及实用化研究” 国家自然科学基金项目( 6 0 7 7 0 1 2 ) “宽带光纤光栅水听器” 国家博士点基金项目“分布式多点光纤光栅传感阵列” 天津重点科技攻关项目( 0 0 3 1 0 4 0 1 1 ) “纤栅式、多参数、多功能、分布式传 感技术与网络系统” a b s t r a c t f i b e rg r a t i n g sa r ea t t r a c t i n gc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t si na p p l i c a t i o n s t h e ya r en e w t y p eo fp a s s i v eo p t i c a lc o m p o n e n t s ，w h i c h a r eb a s e do nt h ep e r i o d i c a ld i s t r i b u t i o no f r e f r a c t i o ni n d e xi nf i b e rc o r e f i b e rg r a t i n g sh a v es e v e r a ld i s t i n g u i s h e da d v a n t a g e s o v e rn o r m a lf i b e r s b e c a u s eo ft h e i ri n t r i n s i cn a t u r ea n di n h e r e n tw a v e l e n g t h - e n c o d e d o p e r a t i o n ，f i b e rg r a t i n g sa r eu t i l i z e da ss e n s i n ge l e m e n t si nr e c e n ty e a r s t h er e l e v a n t r e p o r t s h a v eb e e n a p p e a l e d m u c ha u e n t i o nt h r o u g h o mt h ew o r l d e n c o d i n gt h ei n f o r m a t i o no nt h em e a s u r a n di n aw a v e l e n g t hf o r mh a sb e e n c a u s e de x t e n s i v e l yf o c u s t h em o s ti m p o r t a n ta d v a n t a g ei st h a tw a v e l e n g t hi s a n a b s o l u t ep a r a m e t e ra n dt h u sd o e sn o td e p e n do dl o s so ft h es y s t e mo rf l u c t u a t i o no f t h es o u r c ep o w e r m o s to ft o d a y sd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sr e l yo no p t i c a lf i l t e r i n g m e t h o d ，s u c ha sb u l ko p t i c a le d g ef i l t e r s ，s c a n n i n gf i b e rf a b r y p e r o tf i l t e r s ，w d m f i b e rc o u p l e r s ，a c o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i l t e r sa n dm a c h z e h n d e rf i l t e r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w em a i n l yf o c u so nt h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ff i b e r b r a g gg r a t i n gn e t w o r k s ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l e s a n de x p e r i m e n t so fs e n s i n ga n d d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s t h ec o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 g e n e r a l l yi n t r o d u c e t h es e n s i n gt e c h n i q u e ，e s p e c i a l l yt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n to ff i b e ra n df i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rt e c h n i q u e t h ef u n d a m e n t a l t h e o r yo f f i b e rg r a t i n gi sa l s od e m o n s t r a t e d t h eb a s i cp r i n c i p l eo ff i b e rb r a g g g r a t i n g s e n s o ra n dd e m o d u l a t i o na n d m u l t i p l e xt e c h n i q u ec a n b ef o u n di nt h i sd i s s e r t a t i o n 2 u s i n gt h ef i b e rg r a t i n ga st 1 1 es e n s o ru n i t w eh a v ed e s i g n e da n df a b r i c a t e da d i s t r i b u t e ds e n s o rn e t w o r k sw i t hm u l t i - p a r a m e t e ra n dm u l t i f u n c t i o n 【a f s n tf i b e r g r a t i n gs e n s o rm u l t i p l e xn e t w o r ks y s t e m ) m o r e o v e r , t h ed e s i g np r i n c i p l e ，t h es y s t e m s t r u c t u r ea sw e l la st h et e s tr e s u l t sa r ed e m o n s t r a t e di nd e t a i l t h ea c t u a lw a v e l e n g t h r e s o l u t i o ni so 0 0 il n m m e a n w h i l et h es t r a i nm e a s u r er e s o l u t i o ni s a p p r o x i m a t e l y 覆2 1 o p e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r em e a s u r er e s o l u t i o ni sa b o u t 簖= o 0 3 * ( 2 3 w ed e s i g n e da n dr e a l i z e dah i g h s p e e ds e n s o rm u l t i p l e x i n gn e t w o r ks y s t e m b a s e do nt h ec h i r pf i b e rg r a t i n ga n d e d g ef i l t e rt e c h n i q u e t h eh i g h - s p e e dw a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o no ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rh a sb e e nt u r n e di n t op r a c t i c e t h es y s t e m p r i n c i p l ei si n t r o d u c e da n da n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es y s t e mi sd e s i g n e da sa l l a l l f i b e rs y s t e m ，u s i n gt h e c h i r pg r a t i n ga st h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ee l e m e n t i tr e a l i z e d t h eh i g h s p e e d w a v e l e n g t h d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n gd e m o d u l a t i o no f f i b e rg r a t i n gs e n s o r - 1 1 1 t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e df o rc h i n a p a t e n t 4 t h et h e o r yo fh i g h b i r e f r i n g e n c es a g n a cf i b e rl o o pm i r r o ri sa n a l y z e d t h e f i l t e rf e a t u r e so ft h eh i - b if i b e rl o o pm i r r o ra st h ee d g ef i l t e re l e m e n ti nf i b e rg r a t i n g s e n s o rs y s t e ma r es t u d i e d t h es e n s o r w a v e l e n g t h i sl i n e a r l yd e m o d u l a t e dw i t h i n7 r i m i na d d i t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g h - b i r e f r i n g e n c es a g n a cf i b e rl o o pm i r r o ra st h e a l lf i b e r l i g h t i n t e n s i t yt e m p e r a t u r e s e n s o rh a v e b e e nr e s e a r c h e d w i t h i nt h e t e m p e r a t u r er a n g eo f15 ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et r a n s m i s s i o nl i g h ti n t e n s i t y a n dt e m p e r a t u r et ob em e a s u r e dm a n i f e s t s g o o dl i n e a r i t y a n d r e p e a t a b i l i t y t h e e x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y o ff i b e r l o o p m i r r o ri so 9 2 n m ，a n di t s t e m p e r a t u r e r e s o l u t i o nr e a c h e so 0 3 5 t h ef b g b e i n gu s e da st h eb a s i cs e n s o ru n i t ，ah y d r o p h o n es e n s o rh a sb e e n d e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d i t s p r i n c i p l e a n dr e l e v a n t e x p e r i m e n t a l r e s u l ta r e i n t r o d u c e d b yu s i n gt h em a t c h e df i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，d y n a m i c s i g n a lm e a s u r e m e n tw i t hh i 曲s e n s i t i v i t yi sr e a l i z e d t h e 行e q u e n c yr a n g eo ft h e f b g - b a s e dh y d r o p h o n ei s1 0 - 3 k h zw i t had y n a m i cr a n g ei s6 0 d b d u et ot h e c h a r a c t e r so ff b gi t s e l f , t h em e a s u r eo fm u l t i p l e p o i n t su n d e r w a t e rs i g n a lc a nb e r e a l i z e d c o n v e n i e n t l yb yu s i n gw a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x ( w d m ) a n d t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x ( t d m ) t e c h n i q u e s 6 ，ac a n t i l e v e r - b a s e df b ga c c e l e r a t i o ns e n s o ri sp u tf o r w a r d a n di t sp r i n c i p l e a sw e l la st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h i sf i b e rg r a t i n ga c c e l e r a t i o ns e n s o r h a sg o o dp e r f o r m a n c es u c ha sa n t i e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，c o m p a c ts i z e ，l i g h t w e i g h t ，w i d ed y n a m i cr a n g ea n dc a p a b i l i t yo fw o r k i n gu n d e rs e v e r ec o n d i t i o n t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e n s o rh a sa h i 曲m e a s u r i n gp r e c i s i o n 7 a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，ap r a c t i c a lc a s et h a tu s e di nr e a lp r o j e c tu s i n g t h ea f s n if i b e r g r a t i n gm u l t i p l e x s e n s o rn e t w o r k s y s t e mw a sp u tf o r w a r d i t c o n s i s t so ft h et e n s i o ne x p e r i m e n to f q 2 3 5s t a n d a r ds t e e lg i r d e ri na r c h i t e c t u r ea n d t h em o n i t o r i n go ft h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i ni nt h el o a d - b e a r i n gs t r u c t u r eo f c a p i t a l b u i l d i n g s i v 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订丁论文首贞) 论文光纤光栅传感系统的研究弓实现系本人 在南丌大学t 作和学列期问创作完成的作 ，并已通过论文答辩。 本人系小作 n l n l 的唯作者( 第作者) ，即著作权人。现本人同意将本作晶 收录f “南开大学博硕十学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学化论文 电子版 了印刷版论文的内容致，如冈不同饰引起学术声脊l 的损失由本人自 负。 本人完伞了解直五太堂图主堡 苤王堡在! 焦旦堂僮迨塞盟篮堡盘选。j 叫 意南开大学幽+ s 馆在下述范同内免费使川本人作占占的电子版： 本作6 6 呈交“1 年，在校l 列网【：提供论文几录检索、文摘浏览以及论文全文 部分浏览服务( 博十论文前2 4 贝，硕十沦文前1 6 负) 。公开级学位论文全文电 子版于提交1 年后，在校同刚j ：允许读者浏览并下找全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适川。 院系所名称：现代光学所 作者签名 纠徒 j 学号：叭1 9 6 7 日期：2 0 0 4 年5 月2 0 日 第一章绪论 1 1 传感器技术概述 目前，全世界正在进行着一场新的技术革命，而这场革命的主要基础就是信 息技术。现代的信息技术主要有三大支柱：一是信息的采集技术( 传感器技术) ， 二是信息的传输技术( 通信技术) ，三是信息的处理技术( 计算机技术) 。传感器技 术在其中占有十分重要的地位。传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术 的性能，其生产能力与应用水平直接影响到信息技术的发展与应用。 传感器( t r a n s d u c e r s e n s o r ) 是与人的感觉器官相对应的元件。它的历史可以 追溯到远古时代。而以电量作为输出的传感器，其发展历史最短，但是随着真空 管和半导体等有源元件的可靠性的提高，以及计算机技术的不断进步，这种传感 器也锝到了飞速发展。在国家标准g b7 6 6 5 8 7 中对传感器下的定义是：“能够感 受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏 感元件和转挟元件组成”。敏感元件( s e n s i n ge l e m e n t ) ，是指传感器中能直接感受 或响应被铡量的部分；转换元件( t r a n s d u e t i o ne l e m e n t ) ，是指传感器中能将敏感 元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和测量的电信号的部分【1 1 。 图1 1 为传感器组成方块图，说明了传感器的基本组成和工作原理。 图1 1 传感器组成方块图 在现代工业生产中，广泛采用自动检测系统进行实时测量及分析产品性能， 并采用自动控制系统对产品加工过程进行实时控制。图1 2 为自动化控制系统的 结构图。可以看出，传感器技术，也是自动化控制技术的重要支柱。 图1 2 自动化控制系统结构图 现代电子技术和计算机技术的发展为信息转换与处理提供了十分完善的手 段，使检测与控制技术发展到一个崭新的阶段。因此，传感器技术也越来越显得 重要。“没有倍感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。 它将是2 l 世纪人们在高新技术发展方面争夺的个制高点，世界各国都将传感 器技术列为重点发展的高新技术，视为现代高新技术发展的关键。从2 0 世纪9 0 年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也 将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从2 0 世纪9 0 年代以来 也已将传感器技术列为国家高新技术发展的重点。 未来的传感器将向着小型化、集成化、多功能化、智能化和系统化的方向发 展。同时，由多个微传感器、微执行器及信号的数据处理器总装集成的网络系统 也越来越引起人们的关注，加速了新一代传感器的开发和产业化。 1 2 光纤传感技术 光纾传感技术是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一门崭新的技术，是传感器技 术的新成员。它是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而形成的。 光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。但是，人们 很快就发现，通信质量易受干扰的一个原因是光纤对外界环境因素十分敏感，如 温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化，将引起光波参量，如强度、相位、 频率、偏振态等的变化，人们很快由此提出了光纤传感的概念。 由于光纤本身的特性，因此相比于传统的传感器，光纤传感器具有许多优点， 主要有12 ： 1 与其它传感器相比，具有很高的灵敏度。 2 频带宽，动态范围大。 3 可根据实际需要做成各种形状。 4 可以用相似的技术基础构成传感不同物理量的传感器，包括声场、磁场、 压力、温度、加速度、转动( 陀螺) 、位移、液位、流量、电流、辐射等。 第一章绪论 5 便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。 6 可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。 目前，人们在各个领域对光纤传感器进行深入研究，使光纤传感技术获得了 飞速发展。比如在航天( 飞机及航天器各部位的压力、温度传感、陀螺) 、航海f 声 纳) 、石油化工( 液面、流量) 、电力工业( 高压输电网的电流、e e l , 计量) 、核工业 ( 放射剂量、原子能发电站泄漏剂量监测) 、医疗器械( 血液流速、血压及心音测量) 、 科学研究( 地球自转、敏感蒙皮) 等技术领域都取得了很多的研究成果。 光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个 重要部件。如图1 3 所示。 ( a ) 功能型 图1 3 光纤传感器的组成与分类 ( b ) 传光型 光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能 制成的传感器，称为功能型传感器：另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，必须 在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器，它称为传光型传感器。 由于普通光纤的敏感因素太多，因此，用作光纤传感器的光纤必须是一些具 有独特性能的光纤，称之为特种光纤。它们可以有效地减弱或消除交叉敏感问题。 表1 1 列出了一些常用的特种光纤 1 3 】。 表1 1 常用特种光纤 特种光纤名称应用场合光纤特性 高双折射光纤( 保偏相位干涉型光纤传感器单模偏振态光纤，使模式偏振面在 光纤1要求传输距离内始终保持不变 低双折射光纤f 磁光偏振态调制型光纤传感器单模光纤，线偏振面随外界作用旋 效应光纤)转 闪烁光纤测放射线剂量掺杂荧光物质光纤 被覆光纤电场、电压、磁场、电流通过被覆层改变光纤参量 油溶性光纤漏油检测光纤皮料为油溶性有机物质 耐热( 耐冷) 光纤高( 低) 温环境下的传输线路温度影响小 耐放射性光纤橱环境下传输线路去敏光纤 光谱光纤红外、紫外波段专用对红外、紫外光衰减小 图像传输光纤 可见光，红外光图像传速规则排列光纤束 光纤传感器可以测量多种物理量，目前已经实用的光纤传感器可测量物理量 达7 0 多种。因此，光纤传感器具有广阔的发展前景。表1 - 2 列出了光纤传感器 的一些应用及目前所能达到的技术水平叫】。 表1 2 光纤传感器的应用及目前技术水平 检测量： 作原理技术水平 温度传光型双金属片：3 5 5 0 c ，精度01 半导体：5 0 2 5 0 ( 2 ，精度o 5 荧光：5 0 2 5 0 c ，精度0 1 光谱型蓝宝石：5 0 0 2 0 0 0 c ，精度o1 相位干涉型灵敏度：1 0 0 3 0 0 r a d t - m 压力传光型。一1 0 0 0 p a ，精度1 0 1 相位干涉型2 5 d b u p a 位移光强调制型最小可测位移：0 0 8 n m ，动态范围：1 1 0 d b 加速度传光型 2 5 1 0 。5 9 相位干涉型 5 0 0 j ，c m 2 ) ，或者在掺杂浓度较高的光纤( 例如高掺锗或硼锗共掺光 纤) 内形成结构重构引起折射率变化【1 1 “，其温度稳定性较好，可达5 0 0 0 c 。 3 i i 型光纤光栅【l ”】：是在极高u v 曝光量，瞬间局部温度达上千度，熔化 石英基质造成纤芯物理破坏引起折射率变化。其折射率变化较大，可达1 0 2 量级， 有很强的包层损耗，因此该类光栅在光谱曲线上与前两种类型不同，其反射峰较 宽，透射谱中波长大于其布喇格波长的光波透射，而波长小于布喇格的光耦合入 包层被损耗。i i 型光纤光栅具有很高的热稳定性，可达8 0 0 。c 。 二、根据由于折射率的变化导致的结构差异，即光纤光栅空间周期分布及折 射率调制深度分布是否均匀，可以将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大 基本类型。 ( 一) 均匀光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的 一类光纤光栅。从光栅周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅 的典型代表有光纤布喇格光栅、长周期光纤光栅和闪耀光纤光栅等。 1 光纤布喇格光栅【11 6 】：栅格周期一般为1 0 2 n r n 量级，折射率调制深度一 般为1 0 。l o 一，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。这种光纤光栅具有较窄的 反射带宽( 1 0 一m ) 和较高的反射率( 1 0 0 ) ，其反射带宽和反射率可以根据需 要，通过改变写入条件而加以灵活地调节。这是最早发展起来的一类光纤光栅， 目前在光纤通信及光纤传感领域应用极其广泛。 2 长周期光纤光栅7 】栅格周期远大于布喇格光栅的栅格周期，一般为 几十到几百微米，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。与光纤布喇格光栅不同， 长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，它不是将某个波长的光反射，而是耦舍 到包层中损耗掉。这种光纤光栅除具有插入损耗小、易于集成等优点外，还是一 种性能优异的波长选择性损耗元件，目前主要用于掺铒光纤放大器的增益平坦和 光纤传感。 3 闪耀光纤光栅l j ”】：与光纤布喇格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光 纤轴线方向有一定的交角。这种光纤光栅不但能引起反向导模的耦合，而且还能 将基模耦合到包层模中辐射掉。这种宽带损耗特性可用于掺铒光纤放大器的增益 平坦。对交角很小的闪耀，可做成模式转换器，将一种导模耦合到另一种导模之 中。 ( 二) 非均匀光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常 数。从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性 啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。 1 线性啁啾光纤光栅9 】：栅格周期沿纤芯轴向在整个区域内单调、连续、 准周期线性变化，折射率调制深度为常数。这种啁啾光纤光栅可视为仅对光栅周 期进行线性调制的情况。 2 分段啁瞅光纤光栅f 1 2 0 1 ：栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内单调、连续、 准周期线性变化，而折射率调制深度为常数。 这两种啁啾光纤光栅具有的共同特点是：反射带宽远大于均匀周期光栅的带 宽，可达几十m ，主要用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 第一章绪论 3 非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤光栅的栅格周期或折 射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的啁啾光纤光栅。典型的有如下几 种： 相移光纤光栅f 1 2 1 】：这种光纤光栅可视为光纤布喇格光栅、长周期光纤 光栅或啁啾光纤光栅的栅格周期被占函数调制的结果，而折射率调制深度不变， 实际上是在某些特定的位置( 一点或若干点) 引入闻断点使光纤光栅的折射率空 间产生不连续分布，亦即若干个周期性光栅的不连续连接结果，其中的每个间断 点都会产生一个确定的相移。其主要特点是：可在周期性光栅的光谱阻带内打开 若干个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。利用相移型 光纤布喇格光栅可以构造多通道滤波器件，通过选择合适的相移位置与相移量制 作的相移型长周期光纤光栅，可用于e d f a 的增益平坦，它们在光通信及光谱分 析等研究领域具有很高的应用价值。 超结构光纤光栅【12 2 ：这种光纤光栅可视为布喇格或啁啾光纤光栅的栅 格周期被方波函数调制的结果，而折射率调制深度不变，其反射谱具有一组分立 的反射峰。由光纤布喇格光栅调制而成的超结构光纤光栅，其反射谱的波长间隔 相等，在梳状滤波器、多波长光纤激光器及光纤传感领域具有应用价值：由啁啾 光纤光栅调制而成的超结构光纤光栅，在波分复用通信系统中的色散补偿方面具 有潜在的应用价值，用一根这种超结构光纤光栅可实现多信道的同时色散补偿。 t a p e r e d 光纤光栅【l2 3 】：这种光纤光栅可视为光纤布喇格光栅的折射率调 制深度被特定的函数( 如正弦或余弦函数的平方) 调制的结果，而栅格周期不变。 根据实际需要，通过改变调制函数及有关参数可控制其反射谱的形状。常见的有 高斯分布型及正弦调制型，前者被用于压制光栅反射谱的边瓣进行色散补偿效果 ”3 8 1 ，后者被用于光纤环形腔激光器产生多波长激光输出。 m o i r 6 光纤光栅 i2 4 1 ：即摩尔光纤光栅。这种光纤光栅可视为光纤光栅( 布 喇格或啁啾光纤光栅) 的栅格周期与折射率调制深度被特定函数( 如正弦或余弦 函数) 共同调制的结果，其折射率分布是一种具有慢变包络的快变结构。m o i r 光纤光栅有布喇格m o i r 6 光纤光栅与啁啾m o i r 4 光纤光栅之分，其制作方法是采 用两个具有微小周期差异的紫外条纹，对光纤同一位置进行二次曝光。m o i r 4 光 纤光栅的谱特征是在反射带中开一个很窄的透射窗口，实际上相当于一个2 4 相 移光纤光栅，在滤波器、色散补偿及通道选择器等方面具有良好地应用前景。 此外，还有取样光纤光栅 1 2 5 1 、t o p h a t 光纤光栅【1 2 6 】等。 1 3 3 光纤光栅传感技术 作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术 的研究应用近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已 报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、 扭角、扭矩伺1 应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、 振动等1 2 7 “，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。目前，以布喇格 光纤光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 为传感器件的传感器为研发主流，以长周期光 纤光栅( l p g ：l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ) 和l 啁啾光纤光栅( c f g ：c h i r pf i b e rg r a t i n g ) 的 传感器的研究也引起了人们的兴趣。 表1 3 列举了一些典型的光纤光栅传感器的研究状况 1 45 1 。 表1 3 典型光纤光栅传感器研究状况 待测参量传感结构或系统解调方式 灵敏度或精度 温度聚合物封装波长解调 2 0 - 1 0 0 c ，o 2 3n m * c 压力 聚合物增敏罐波长解调 0 4 4m p a , 一5 2 7 7n m m p a 中空玻璃球5 0m p a , 2 7 1 0 2 n m m p a 基于f b g 应变的f p 滤波器o 3 - 3 r e 应变复用感测系统参考光栅 1h z ，6 x1 0 3 厄 f b g 应变感测系统匹配光栅滤波 0 4u 担角扭粱结构波长变化- 4 5 + 4 5 。0 0 8 6 7n m d e g r e e 担矩 - 4 5 + 4 5 。6 2 7n m n m 位移双侧悬臂梁结构波长变化 0 3 0m m 0 6 5 8n m m m 电流磁致伸缩材料波长变化0 - 1 2a ，0 0 8 5 5a i l p g 腐蚀处理波长变化n = 1 4 1 5 0 1 4 5 4 1 91 5 5 6 x1 0 1 5 折射率塑料光纤强度变化 n = 1 3 1 5 9 ，( 2 5 ) x1 0 3 振动光纤光栅振动系统 m z 光纤干涉 5 0 0 h z 0 6n 面 仪 7k h z 5 6 1 0 5n s 酝 浓度多模光纤强度变化 o 1 速度列车实时追踪系统波长变化 1m s p o i n t 加速度两端固定曲粱干涉解调 2 - 1 2 5u e 儋，1 m g ，压 1 4 光纤光栅传感技术国内外研究现状及发展前景 通常，温度、应变和压力是直接影响光纤光栅波长独立变化的物理量，1 9 8 9 年，w wm o r e y 等人在发展紫外光侧面写入光敏光栅技术的同时，首次对光纤 光栅的温度和应变传感特性进行了研究6 l 【14 7 1 ，得到了光栅反射波长温度和应 变的灵敏度分别为1 1 1 0 - z n m o c 和1 2 1 0 。n m g 。1 9 9 3 年，m g x u 等人分 析了光纤光栅在受到各方均匀压力时的传感特性叫8 1 ，发现波长随压力变化的灵 敏度为3 0 1 0 1 3 n m m p a 。 但上述实验表明，光纤光栅对很多物理量的响应度都比较低，所以人们采取 了各种封装技术提高光栅的响应灵敏度。1 9 9 6 年，m g x u 等人将光纤光栅固定 于中空的玻璃球结构中，使其对压力的敏感度提高了一个数量级【l4 ，但是这种 方法存在光纤光栅在压缩过程中容易损坏的缺点，因此具有一定的局限性。2 0 0 0 年，我们课题组采用聚合物封装技术，将光栅波长压力和温度灵敏度分别提高了 3 1 5 倍和7 7 倍【1 5 。2 0 0 1 年，又采用新式压力( 液压、气压) 增敏封装技术，将 压力灵敏度提高到1 7 0 0 多倍 1 5 1j ，是目前最好的高灵敏度测量结果。以上的这 些解决方案各有自己的优缺点，分别适用于不同的实际情况。 另外，光纤光栅传感器存在交叉敏感问题，即光纤光栅对于应变和温度都是 敏感的，当光纤光栅用于传感测量时，区分应变和温度的方法有两大类：一是温 度补偿f b g 方法2 1 【1 5 3 1 【i54 1 ，二是其它对温度与应变敏感的传感器与f b g 的组 合j 0 9 | | 量方法 15 5 1 t5 6 05 7 i5 8 1 。 阵列传感器也是光纤光栅十分重要的应用之一，目前国外已经开展了广泛而 深入的研究，取得了很多重要的研究成果。1 9 9 3 年a dk e r s e y 等人利用可调光 纤f - p 滤波器检测的方法来实现光纤光栅波分复用传感【15 9 】，对四个光纤光栅构 成的阵列用可调f p 滤波器检测的应变分辨率可达3 u e 。在环形腔激光器中加 入可调f p 滤波器，还可以制成一种基于环形腔反射器的光纤光栅激光传感器阵 列，其中光纤光栅既做为激光器的反射镜，又同时做为传感元件。但是由于激光 腔内一次只能存在一种激光波长，事实上此类方案并未实现真正的波分复用。 采用匹配光栅解调的方法也可以实现分布式传感，这种方法要求传感阵列中 的每一个光栅，在接收端都有一个特性完全一致的光栅组成传感一接收匹配光栅 对，采用这种方法实现的波分和时分复用传感系统可以获得1 “的应变分辨率 16 0 1 。a d k e r s e y 等人还利用非平衡m z 干涉仪检测的方法来实现光纤光栅复用 传感【l 引】，但由于非平衡m z 干涉仪易受环境干扰，因此这种方法只适用于检测 动态应变，不适合检测静态应变。还有人提出了一种利用可调谐窄线宽激光光源 来查询传感光栅阵列，从而确定光栅反射波长的方法，来实现波分复用传感1 1 6 2 ， 实验中对温度的分辨率可达o 2 ，但传感光栅的个数和使用范围受激光器稳定 性和调谐范围的限制。1 9 9 6 年，y j r a o 等人将波分、时分和多路复用技术相结 合，组成光纤光栅传感网络，实现了对应力的分布式测量【1 6 3 1 。 近年来，光纤光栅准分子单脉冲在线写入法的成功，给以上的光纤光栅分布 式传感系统提出了新的挑战。由于批量生产的光纤光栅一般具有几乎相同的中心 反射波长和较低的反射率，因此必须采取新的技术实现分布式测量。针对这种情 况，m a r kf r o g g m t 等人采用快速傅立时变换光谱的方法，利用一根光纤中的多个 中心波长几乎相同的弱光栅来实现对静态应变的分布式测量，取得了较好的实验 效果。目前这方面研究已经成为光纤光栅传感研究的热点，许多重要的研究成果 第一章绪论 正不断出现。 在光纤光栅传感技术应用方面，1 9 8 8 年光学工程团体( s p i e ) 召开首届光纤“智 能结构蒙皮”的国际学术会议，由此开始了对“3 s ”系统的国际性研究，至今 方兴未艾。“3 s ”是指s m a r tm a t e r i a l 、s m a r ts t r u c t u r e 、s m a r ts k i n ，即把高超的光 纤光栅技术、光神经网络