（光学专业论文）光纤光栅传感器拓展应用研究.pdf

摘要 摘要 光纤光栅传感器( 胁e rg r a t i n gs e n s o r ) 是一种能感测多种物理参量的光无源器 件。利用光学材料的光敏特性在光纤的纤芯上设计并建立的一种具有空间周期性 折射率分布，感测物理参量的变化，从而改变或控制光在该特定区域的传播方式 通过对光本征参数( 波长漂移) 的解调分析，实现对被测量的测量及传感光纤 光栅传感器除具有普通光纤的特性之外，它还具有其它优异的可拓展应用的性 质。对光纤光栅传感器的深入研究，将使许多复杂的神经传感网络的实现成为可 能，为工程化应用奠定理论基础，并使其在许多常规传感器无法正常可靠实现测 量传感的场合得到广泛应用。作为光电子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅 为基本传感器的检测技术近年来受到广泛的关注，世界各国的研究者都在深入开 展此项技术的相关研究。现阶段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，其中有相当数量及品种的光纤光栅传感系统已 经得到了实际工程应用。 本论文主要以布喇格光纤光栅传感器为研究主体，对其传感原理、传感器的结 构与封装、标准化设计、解调技术以及拓展应用、传感网络技术进行了理论和实验 的研究主要内容如下： 1 简要介绍了光纤传感原理和光纤光栅传感技术的发展及现状概括总结 了光纤光栅传感解调技术和复用技术的原理及应用。 2 提出并设计制作了光纤光栅涡街流量传感测量系统。该系统可实现温度 和流量的复合测量，该系统的实际波长分辨率为o 们l 啪，实测精度o 5 f i s 。 详细介绍了其测量原理、系统构建以及测试标定结果。 3 提出并设计完成了轮辐式光纤光栅压力传感器。该传感器可在恶劣的环 境中使用，并能实现超大量程压力的测量，测量范围可达o 1 0 0 0 l ( n 。本论文分 析了该系统的检测原理，介绍了传感器的结构及封装技术，并设计制作了传感器 的标定装置 4 提出并设计完成了金属铠装结构的f b g 温度传感器和类陶瓷封装结构的 f b g 温度传感器金属铠装结构的f b g 温度传感器具有温度灵敏度高、响应快、 结构强度高、易于嵌入式测量类陶瓷f b g 温度传感器具有绝缘性高、封装灵 活等优点，适用于高频、强磁、电场的恶劣工程现场。实验测得温度灵敏度系数 为1 1 3 p 州，测量温度的分辨率可达o 1 。 5 对光纤光栅传感复用解调系统的信号扫描解调单元进行了电路优化设计， 摘要 得到了高稳定性、高信噪比、动态频响宽的测量解调单元，从而为各种光纤光栅 传感器的拓展应用提供了高性能的信号处理技术基础。 6 介绍了电气设备光纤光栅温度安全预警网络监测系统。列举了电气设备 光纤光栅温度检测安全预警网络系统在实际工程中的应用，对系统指标进行了数 据处理及误差分析。从而证明了测量方案的独创性和工程化拓展应用的适用性 关键词：f b g 光纤光栅，调制解调，轮辐式压力传感器，涡街流量传感器，复 合参量测量，金属铠装封装工艺，类陶瓷封装工艺，智能网络测量系统，误差处 理 n a b s t r a c r a b s t r a c t f i b c rg r a t i n gs e n s o 陪a r cn e wt y p co fp a s s i v co p t i c a l 跏p o n e n t s ，w 1 1 i c hc a nb c u s e dt 0m s u r cl a t so fp h y s i c a lp a m i n e t e 体w i mt h ep h a t o s e n s i t i v 姆o f 肺e r ，t l l e y g e tm ep e r i o d i c a ld i 譬t r i b u t i o no fr e f r a c t i o ni r l d e xi nf i b e rc o r e f i b c r 酽a t i n g sh a v e v e r a ld i s t ；n g u i s h e da d v a n t a g e so v e rn o 瑚a l 抽e r s w i mt h ef a s td e v e l o p m e n t ，硒e r g 豫t i n g n s o 塔m a k el o t so fm u l t i p l e xn e r v es e n s i n gn e t w o r k sb e c o m ep o s s i b l e ， w h i c hc a nb ea d o d t e di f lt h es i t u a t i o nt i l a tn o 咖a is e n s o 髂w o u l db ei nt r o u b i e w i t l l t l l ef i b e rg r a t i n g ，i o t so fc o m p l e xa o p t i c a ic o m m u n i c a t i o nn e 铆o r l c s 柏ds e 眦i n g n e t 、o f k sb c c o m ep o s s i b l e a san e wt y p eo fs 肌s i n gt c c h n o l o g y t 1 1 ef i b e rg m t i n g s e n s i n gt c _ c h n o l o g yh 嬲b nc a u s c d 眈t c n s i v e i yf o c u s a tp r c s e n t ，f i b e rg m t i n g s e n s o 体h a v eb e e n 豫p o r t e dt 0m e 嬲u r ci o t so fp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，s u c h 觞 t c m p e m t i l r c ，s t m i n ，p m s s u 佗，d i s p l a c c m e m ，i m e n s i 哆o fp f e s s u r e ，铆e 矗k 粕g l e ， a c c e l e 豫t i o ne t c ，s o m eo f t h e mh a v ek 圮ni np r a c t i c a l 印p l i c a t i o n i nt 1 1 i sd i s s e r t a t i o n ，w em a i n l yf k 惦o nt l l e a r c h 柚dr e a l i 动t i o no ff i b e f b m g gg r a t i n g s c n s o 码i n c l u d i n g 妇 p r i n c i p l e ， s t n l 咖佗， e n c a p 鲫l a t i o n ， s t a n d a r d i z a t i o n ，d e m o d u l a t i o na n dm u l t p l e x i n gt e c h n i q u es t h ec o n t c n t sa r el i s t e da s f o l l o w s ： 1 g e n 啪l l yi n 仃0 d u t 1 1 e n s i n gt c c h n i q u c ，e s p c c i a l l yt h ep r c s e ms i t i l a t i o n 柚d d e v e l o p m e n to fn b c r 绷df i b c rb r a g gg 豫t i n g i i s o rt c c l l i l i q u c t h eb 弱i cp r i n c i p l co f f i b e rb m g gg r a t i n gs e n r 锄dd e m o d u l a t i 彻扑dm u l t i p l c xt c c i l l l i q u ec 觚b ef o u n di n t 1 1 i sd i s s e a t i 2 w ep u t f 0 删a 翻 rg m t i n g w 呲既n l n s i n gs y s t e m nc 踟b eu s c d t o m e 船u t c m p c 粕t u r e 柏df l u xs i m u i 诅n e o 懈l y t h er e l 吡i o n 柚dp r e c i s j 蚰o fi t r 龆c h e st 0o o l l n m 蛐do 5 f s ，s p 。c t i v e l y 1 1 忙n s i n gp r i n c i p l e ，s t n l c t l l r e 柚d e x p c 曲e n t 他s u bo f “a g i v 啪 3 a wt y p co f s p o k ef i b c rg r a t i n gp 陀s s u 他s 饥ri sr a i d nc 锄b ea d 叩t e d i l lc x 哺b l es i t i | a t i o n 锄dt l l em c u 佗瑚gm a c ht 0o 一1 0 0 0 k n t h e n s i n gp r i n c 啦l e ， s 嘲j c t i i f c ，朋c 印s u l a t i o n 锄dd e m a r t ee q u i p m e n t 啪b ef o u n di nt i i i sd i s r t a t i o n 4 w ch a v ed e s i g n e d 锄df a b r i c a t e dm e t a ia 咖o u r c df b gt c m p c f a t u r e n s o r a n d 阳m i cf b g 锄n p e r a t i l r e n s o lt h ec h a 豫c t c 璐o fm e t a la 舯o i l r e df b g t c m p e m t u r es c f i s 0 馏a h i g i ls e n s “i v i 劬m p i dr e s p o n ，h i 曲l yr i g i d i t y 锄de a s y e m b c d d c d t h cc c 怕m i cf b gt c i n p e m t u r cs e n s o ra l s oh 勰l o t so fa d v 柏t a g e s ，跏c ha s h i 曲i s o l a t i o n ，f l e x i b i e 锄c a p s u l a t i on s o ，i t 啪b c 啦c d i nh i 曲矗弼u e n c y ，m a g n e t i 锄 m a b s t r a ( 叮 a n de l e c t r i cn e l de n g i n e e r i n gs i t u a t i o n t h ee x p e r i m e n 协lt c m p e 馏t u r cs e n s i t j v i t ) ，a n d r c s o l u t i o nr c a c h c st o1 1 3 p m 卸d0 1 ，r e s p e c t i v e l y 5 w i t hs o m eo p t i m i z et e c h n i q u e ，t | l es e n s i i 塔d e m o d u l a t cp a r sg o ts o m e a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 曲s t a b i l i t y h i g hs n r a n dw i d cd y n 啪i cr c s p o n s ef r e q u e n c y i t p r o v i d et 1 1 ew e l ld e m o d u l a t et c c h n i q u cf o rs o r t so f f i b e rg r a t i n gs e n s o l 6 a tt l l e 蛐do f t l l j sd i s s e 艇i o n ，t i l ee l e c “c a ld e v i c et e m p e m t u mm o n i t o rf i b e r g r a t i n gs y s t e mi sr a i s e d t h ep m c t i c ea p p i i c a t i o no fi ti sg i v e n t h ee r r o re v a l u a t i o n 锄de x p e r i m e 眦d a t aa n a l y s i sd e m o n g t r a t ct t l a tt h eo 啦i n a lc r c a t i o n 锄dt h ea d a p t a t i o n o f t h es y s t e ma r eg o o d k e yw o r d ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，d e m o d u l a t i o n ，s p o k ef i b e rg r a t i n gp r e s s u r es e n s o r ， v 饼t e xf l u xf b gs e n s o f ，m u l t i p a r 啪e t e f ss e n s i n g ，m e t a la r m o u f 甜f b gt e m p 嘲l u s e n s o r c e r a m i cf b gt e m p e r a t u r es e n s o r s m a ns c n s i n gn e t w o r k s ，e r r o re v a l u a t ；册 i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位茹囊缸民 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 琵狐 学位论文作者签名： 凄幺跃，夕 解密时间： 7 v 年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的砑究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 民帅钆4 名一 第一章绪论 第一章绪论 第一节传惑技术概述 世界正高速跨入信息化时代，支持着全社会运转的核心载体运用的主要技术 基础就是信息技术伴随着现代生产力的飞速发展，传感器作为科技发展水平的 标志性信息获取环节，越来越得到世界各国的广泛重视及研究。传感技术的深入 研究及发展将决定了各个领域的信息化发展水平 我国近期制订的“十一五”发展规划和国家中长期科学和技术发展规划纲 要着重提出的重点发展领域】中指出，以传感技术为核心的多个技术领域中 优先发展的前沿技术：智能感知技术、自组织网络技术、虚拟现实技术、智能材 料与结构技术的研究发展，实质就是传感技术在其中的成功应用及采用科学合理 网络测量技术，综合分析已获取的所有的信息，以实现各种科学的预期。光纤光 栅传感器由于光纤本身优异的天然特性，能够直接或间接地灵敏感测多种物理信 息，兼具网络主流媒质之特点，利用传感光纤光栅与传输光纤天然的连接亲和性， 采用成熟的网络复用技术构成系列科学研究体系，将为我国的创新型现代化建设 做出不可估量的贡献。 传感器f r r a n s d u c e r s 朋s o r ) 是测量控制系统中感受敏感各种被测参量的信息 获取元件。它包括敏感元件( s c n s i n ge l c m e n t ) ：是指传感器中能直接感受或响应 被测量的部分；转换元件m 蛐s d u c t i o ne l e m e n t ) ：是指传感器中能将敏感元件感 受的或晾应的被探测量转换成适合传输和测量的电信号的单元部分l i 司 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 采用现代光、机、电技术和计算机技术的最新成果设计制造的各类新型传感 器，为信息获取与信息的处理提供了丰富的手段，从而使检测与控制技术发展达 到了一个全新的境荆1 3 1 。它已经发展成为2 l 世纪世界各国在高新技术发展方面 激烈竞争的焦点，并被视为现代高新技术发展的关键。研发性能优良、高精度、 第一章绪论 多参量监测、易于功能集成的传感器件光纤光栅传感器f 14 1 ，并逐步实现模 块化、产业化生产，探索纤栅式传感器应用的新领域，将是一项经济价值和社会 效益极高的科学命题。 。 第二节光纤传感技术简介 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一门崭新的技术，是门类繁多 的传感器家族新成员。是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而派生的全新概念 的传感器件。光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来检测、度量它所感 受到的环境变化通过被测量的变化来调制波导中的光波，使光在光纤中传输的 光本征参量随被测量的变化而改变，从而德到被测量信号的量值， 近年来，世界各国对光纤光栅的深入研究得到了飞速发展光纤光栅的写制 技术不断改善、提高，光纤的光敏特性不断优化，越来越多的光纤光栅已在现代 工业系统中得到应用。随着光纤光栅技术的日臻成熟，基于光纤光栅的各种光学 器件( 如光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用和解复用器等) 层出不穷和 其它传感器件相比，由于光纤光栅具有造价低、稳定性好、体积小单元传感器 信息可由波长绝对编码、天然的抗强电磁干扰等优良性能，因此可被应用于光纤 通信和光纤传感等各个领域而且光纤光栅本身写制在光纤中，易于与光纤网络 系统连接、损耗小，易于系统集成，这就使得架构包含多种信息参量的网络测控 系统的成功应用成为可能 由于光纤本身优异的天然特性，因此相对于常规的传感器，光纤传感器具有 许多优点： 1 感测灵敏度高，响应频带宽，动态范围大 2 ，可根据实际需要傲成各种易于满足测量对象的结构形式 3 可以用相关联物理基础构成测量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l l 一 4 便于与计算机和光纤传输系统相连，实现系统的远程铡控 5 可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀性、放射性等各种恶劣及高危险 环境。 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。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 或混合型光纤传感器。 2 第一章绪论 由于普通光纤的响应敏感环境因素较多，光纤传感器选用的光纤必须是一些 具有独特性能的特种光纤。这样才能够有效地减弱或消除交叉敏感问题。因此采 用新材料、研制特殊结构的专用光纤是促进光纤传感技术发展的努力方向。表 1 1 列出了一些常用的特种光纤1 1 表卜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 光纤)面在要求传输距离内始终保 持不变 低双折射光纤( 磁光 偏振态调制型光纤传惑器单模光纤，线偏振面随外界作 效应光纤)用旋转 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 满油检测 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 耐放射性光纤核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残小 图像侍输光纤可见光红外光图像传送规则排列光纤束 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。 表1 - 2 光纤传感器的应用及目前技术水平 检测量工作原理技术水平 温度传光型鼠金属片：3 5 5 0 ，精度士o 1 半导体：5 0 砣5 0 ，精度如5 荧光：- 5 0 以5 0 ，精度士o 1 光谱型蓝宝石：5 以o o o ，精度0 1 相位干涉型灵敏度：1 0 0 _ 3 0 0 m d ，l m 压 力传光型肛1 0 0 0 p a ，精度l 加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 m ，动态范围：1 1 0 d b 加速度待光型 2 5 i o 一奄 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4 】，其温度稳定性较好，可达5 0 0 0 c 。 3 型光纤光栅【l ”1 ：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 0 c 二、根据折射率的变化导致的结构性区别，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，将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大类型。 ( 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。依据光栅周期的长短及波矢方向的差异因素，此类光纤光栅的典 型形式为：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q ：栅格周期一般为l 旷i l i i i 量级，折射率调制深度一 般为1 0 4 1 0 - 5 ，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( lo 1 n m ) 和较高的反射率( l o o ) ，其反射带宽和反射率可以根据需 要，通过改变写入条件而进行灵活地调节。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非常广泛 2 长周期光纤光栅【l ”】：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，而是耦合 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【i i s l ：与光纤布喇格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光 第一章绪论 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，将一种导模褐合到另一种导模之 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 碉啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。 l 、线性啁啾光纤光栅【l1 9 l ：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 、分段啁啾光纤光栅【l 训：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。 以上两种啁啾光纤光栅具有的共同点是：反射带宽远大于均匀周期光栅的带 宽，可达几十n m ，主要用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 3 、非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤光栅( 布喇格或啁啾 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 第四节光纤光栅传感技术国内外研究现状及研究方向 1 9 8 9 年，w w m o r e y 等人在研究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交传感特性进行了研究l ”1 l1 1 捌，得到光栅反射波长温 度和应变的灵敏度分别为1 1 l o - 2 n m ，o c 和1 2 lo - 3 n t i l 嵋。1 9 9 3 年。m g x u 等 人分柝了光纤光栅在受到各向均匀压力时的传感特性【l 】，发现波长随压力变化 的灵敏度为3 o x l0 - 3 n m 伽p a 。 由于光纤光栅对上述物理量的响应灵敏度较低，所以研究者通过采取各种封 装技术以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，以使压力的敏感度较大提高l l ，但是这种方法存在着光纤光 栅在加压的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；南开大学 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l 】2 0 0 1 年，又采用压力( 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【i 蚓，是目前最好的高灵敏度测量结果2 0 0 4 年，南开大学课题组采 用轮辐式结构封装制作光纤光栅压力传感器，实现了能满足工程化要求的标准 化、归一化高灵敏度输出的高性能传感器，测量范围是o _ _ 3 0 l ( n ，灵敏度为 6 第一章绪论 o 0 2 8 4 3 m i l ，l 烈。采用铠装结构及类陶瓷结构封装了光纤光栅温度传感器，又使 光纤光栅传感器向工程化、实用化方向发展跨越了一大步 表1 3 列举了一些典型的光纤光栅传感器的研究状况【”7 】。 表卜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 o 2 3m n ， 压力 聚合物增敏罐波长解调 o 4 4m p 巩- 5 2 7 7m r 坍“p a 中空玻璃球 5 0m p a ，2 7 1 0 。咖棚订p a 基于f b g 应变的f p 滤波器 o 3 a e 应变 复用感测系统参考光栅 1h z 6 l o 3 “e 面 f b g 应变感测系统 匹配光栅滤波 o 4 腿 扭角扭梁结构波长变化- 4 5 一+ 4 5 。，o 0 8 6 7 嬲l ，d c 髀 扭矩 - 4 5 十4 5 。6 2 7 n m ，n m 位移双侧悬臂梁结构波长变化 o v 3 0m m 0 6 5 8j 1 m m m 电流磁致伸缩材料波长变化1 2 a o 0 8 5 5 a i l p o 腐蚀处理波长变化 i l = l - 4 1 5 0 1 4 5 4 1 9 1 5 5 6 1 0 4 辘舞l 孥塑料光纤强度变化 n - 1 3 1 5 9 ，( ：k 5 ) x 1 0 3 振动光纤光栅振动系统m z 光纤干涉 5 嗍乙o 6 鹏，面 仪 7k 啦5 6 x 1 旷船厄 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 m 加速度两端固定曲梁干涉解调 加1 2 ，5 肛幢l l l i g ，厄 光纤光栅传感器的显著的应用优越特点便是：易于设计制作成为阵列传感器 在光纤光栅应用中已显现出其独到的优势。是实现多点、准分布式传感测量网络 的重要途径。世界各国已经在这方面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 d k e 格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【l o 同，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士3 i l 。采用匹配光栅解调的方法也可以实现分布式传感，用 这种方法实现的波分和时分复用传感系统可以获得l 肛8 的应变分辨率 a d k e 培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 ，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 7 弟一苹绪论 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【i 捌，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【l ”】 近年来，随着光纤光栅准分子单脉冲在线写入法的成功应用，使光纤光栅分 布式传感测量系统遇到了新的发展问题。由于批量生产的光纤光栅般具有几乎 具有相同的中心波长和较低的反射率，因此必须采取新的调制解调技术实现分布 式测量。针对以上情况，m a r kf r o g g a 仕等人采用快速傅立叶变换光谱的方法，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，对光纤光栅复用技术的研究已经成为光纤光栅传感研究的又一新领 域着重介绍的大事记是：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【l ”，由此展开了对“3 s ”系统的国际性研究“3 s ”是指 s m a nm a t c r i a l 、s m a ns t n i c t u 、s m a ns k i n ，即把高超的光纤光栅技术、光神经 网络、光纤致动仪器有机地融为一体，利用掩埋或贴附技术把它们复合到制造现 代运载体( 如飞机、舰船、坦克等) 或各种建筑体( 如桥墩、大坝、楼房等) 的 框架、承力件外蒙皮的复合材料中，制成智能敏感材料、灵敏结构和灵敏表皮形 成智能传感系统1 1 3 习。“3 s ”系统就如同人体有感知的“神经系统网络”一样，对被 测对象的多种参数如应变、温度、应力、老化、裂变等进行大范围的实时测量、 诊断及控制，并通过测量和数据处理系统进行状态分析，并对各种异常参数适时 报警及做出相应的执行动作，自动调节各种闭环终端。以期达到设备及装置运行 在最佳状态“3 s ”系统是涉及到材料学、机械学、结构动力学，电子学、光电子 学、神经网络、控制学，计算机、制造工艺学等学科的智能化的构件【l 蚓美国 军方、宇航部门以及相关研究机构一直对光纤“智能结构，蒙皮研究”极为重视， 已投入了大量的人力和物力进行研究。并制定出多项研究计划。1 9 7 9 年美国国 家航天局( n a s a ) 首次把光纤埋入聚合物复合材料从7 0 年代末到8 0 年代中 期，主要工作是“3 s ”系统的基础探索，进行了传感器和复合材料之间的兼容性， 掩埋特性和封装技术等探索研究从8 0 年代后期开始进入广泛基础研究和实验 阶段光纤光栅的出现，以及敏感特性进一步的被提升，使得这一研发进程得到 更大提升如美国在波音7 7 7 机翼掩埋了多达数百根的光纤光栅进行蒙皮实验， 跟踪复合材料的温度、应力、应变等物理量的变化实验结果表明，这项技术大 大提高了设计的可靠性、合理性和科学性。由于实时监测动态参数的实现，大大 减少了系统设计安全系数的冗余度和休闲时间，避免了工艺材料的浪费同时减 少了整机负载的重量，经济效益相当可观。麦道公司1 9 9 5 年进行了f 1 5 飞机 0 第一章绪论 侧翼、f 1 8 外翼智能蒙皮试验。多伦多大学和波音公司合作完成世界首架包含 损伤评估系统的飞机d a s h 一8 智能结构蒙皮实验研究等。英国十分重视光纤传感 技术的研究，许多研究所和大学都在进行光纤传感技术的研究，在特殊光纤的研 究方面卓有成效。日本对光纤传感技术的研究已制定了庞大的发展计划，为赶超 美国，不惜投入巨资，并计划将光纤传感器用于大型工厂、解决生产过程的检测、 传输和控制问题【l 。3 ”。在国内，自1 9 8 3 年第一次全国性光纤传感器会议以来， 光纤传感技术的基础理论及应用研究方面已有了长足的发展，但仍然与发达国家 还有不小的差距。光纤光栅及其应用技术多数还仍处于实验研究阶段。距离实用 化要求还有相当大的差距。 光纤光栅传感技术的研究面临的突出问题主要有以下几个方面： 一、光纤光栅的制备。目前光纤光栅的商业制备技术得到了很大的提高。但 在如何保持光纤光栅的长期稳定性仍然有繁重的工作要做。 二、光纤光栅传感器封装、粘附技术及新结构工艺的研究。这需要兼顾三方 面的问题，一是尽可能的提高传感头的灵敏性，即增敏问题，二是注意不同材料 的膨胀系数和温度系数给传感器带来的损伤以及附加误差。三是光纤光栅传感器 存在交叉敏感问题，应变和温度都能同时引起光纤光栅的敏感，当光纤光栅传感 器测量时，解决应变和温度交叉敏感的方法有：一种是温度主动补偿方法，该方 法主要应用于多参数系统中的共模信号的自动抵消。第二种是被动( 后续) 补偿 方法，即对温度与应变敏感的传感器测量后，经信号分离或计算处理实现的组合 测量方法本课题针对传感器的测量对象特点，在研究中作了大量的具体工作， 从而使光纤光栅传感器的整体性能有了较大程度的提高 三、多点分布，信号分离和处理技术，分布式传感系统必须具备传感功能和 寻址功能对于分布式光纤传感系统，具体体现在要采用光的复用技术不同的 复用测量技术可以构成不同的传感系统 四、数据处理技术由于采用网络化传感技术，数据处理功能应能及时准确 地反映出待测点的变化，以及运用模糊控制理论的关联技术推测出其变化趋势 【1 蚓，实现实时测量与监控。因此，如何改进工艺制造、发展实用化技术，将光 纤光栅优良的传感特性在生产过程的测控系统中集中体现，将是需要努力去解决 的重大技术难题 尽管如此，光纤光栅以其自身独到的优点，正在成为光纤通信、光纤传感、 信息处理及其相关领域里的新一代高新技术基于光纤光栅传感器形式多样，性 能各异，研发的主体是以单元点式传感器为源头，通过复用技术架构线阵、面阵 等拓展应用结构及准分布多点网络系统，与各种材料相有机复合，实现真正意义 上的智能结构，蒙皮该类传感器也将在各生产部门、科研机构、国防建设、空 第一章绪论 间探测、等诸多领域具有良好的推广应用价值。因此，研发质量优良、集性能完 备多参数检测、功能集成化于一身的纤栅式传感器件，最终实现模块化、产业化、 规模化生产积推广应用将使光纤光栅技术的长期的研发方向 第五节本论文研究的主要内容及创新点 1 5 1 本论文主要内容 本论文是在国家8 6 3 高新技术重点资助项目( 2 0 0 l 从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、天津市重点攻关项目( 0 4 3 1 8 2 0 1 1 ) “工程化光纤光栅 传感器及其网络解调系统设备研制”项目的支持下完成的。主要以布喇格光纤光栅为 研究对象，对光纤光栅传感的传感技术拓展应用、解调技术以及网络复用技术进行 了理论和实验研究。根据项目要求，研制开发了光纤光栅涡街流量传感器；光纤光 栅轮辐式压力传感器金属铠装及类陶瓷封装的温度传感器；参与光纤光栅传感原 理构建的工程化光纤光栅传感网络系统：g c w 系列光纤光栅传感网络解调系统 研究开发 全文共分七章，主要内容包括： 第一章：概括介绍了传感技术基础理论，介绍了光纤传感和光纤光栅传感技 术的发展及应用现状。 第二章：归纳了光纤光栅的基本分析方法，并用耦合模理论和传输矩阵法对 较为典型的光纤光栅进行了数值分析详细介绍了光纤光栅传感的基本原理以及 光纤光栅传感解调和复用技术的应用原理 。 第三章：详细讲述了光纤光栅式涡街流量传感器所涉及的流体力学理论和材 料力学理论基础。并对传感器的结构设计理念从理论上予以阐述。首次设计并实 现了基于光纤光栅传感技术设计实现了光纤光栅式涡街流量传感器。该传感器基 于光纤光栅原理设计，利用介质流量场对传感器的调制作用，通过对测量信号的 仿真分离的适配电路成功地实现了采用单指传感器实现温度参量与流速参量的 复合测量，对实验数据进行了研究分析并作了误差分析研究 第四章：重点介绍了以光纤光栅作为传感元件利用轮辐式压力应变弹性体结 构设计的轮辐式光纤光栅压力传感器。并详细说明了其设计原理、结构以及测试 结果其中，测量范围在o _ _ 3 0 k n ，双栅型轮辐式压力传感器的灵敏度达到1 3 n 第五章：重点介绍了在研究光纤光栅传感技术的基础上针对实际应用设计制 作的工程化应用的光纤光栅温度传感器。对温度传感器的传感原理和封装结构分 别做了详细介绍。并对试验测试数据进行分析级误差评定。结果表明我们研制的 温度传感器完全达到了工程化、实用化的实际要求。 第一章绪论 第六章：详细介绍了基于光纤光栅传感原理构建的工程化光纤光栅传感网络 系统：电气设备光纤光栅温度检测安全预警网络系统。该系统以光纤光栅作为传 感基本元件，采用波分复用( w d m ) 、空分复用( s d m ) 技术相结合，将多个 不同波长的光纤光栅的线阵、面阵及体阵等多种拓扑结构构建而成。实验结果表 明，该系统具有很高的测量精度和工程化拓展应用的适用性。 第七章：概括全文各章节的主要内容，归纳总结所有研究工作的收获及心得， 探索f b g 光纤光栅传感器拓展应用的新的研发方向。 1 5 2 本论文的创新点 一、设计并研制出基于光纤光栅传感技术的光纤光栅式涡街流量传感器，并达 到了较高的测量精度。 二、提出并实现了利用单只传感器实现温度及流速的复合测量方法，并通过试 验验证：该方法具有先进性和独创性。 三、首先以光纤光栅作为传感元件并应用复用解调系统原理，采用轮辐式压力 应变弹性体结构设计轮辐式光纤光栅压力传感器( 并已申请国家专利) 。 四、设计完成了一种新颖的能够根据被测信号变化规律，进行参量分离的有源 滤波检测电路，可实现对复合信号分离测量 第二章光纤光栅传感理论与分析方法 第二章光纤光栅传感理论与分析方法 第一节引言 光纤光栅具有纤细的结构易于制作各种形式的传感器件、天然的抗电磁干 扰、适宜于在多种恶劣环境中工作、与光纤系统兼容性好、插入损耗低、波长编 码不受光源的指标波动及连接或耦合损耗的影响等优异特点，现已发展成为光纤 通信、光纤传感系统中极为关键的重要组成部分随着光纤光栅紫外侧面写入制 作技术的日臻完善及社会需求的持续增加，对光纤光栅在光纤通信和光传感领域 中的开发研究与拓展应用正被业界广泛关注。因此必须从物理概念、成栅机制、 物理量测量传感器研制等方面对其进行深入研究，一些重要理论成果被陆续提 出，并经过大量的科学试验探索加以应用与修正 本章首先概述光纤光栅的基础理论一耦合模理论1 2 “、传输矩阵法】和傅氏变 换法d 棚；根据光纤光栅基本的光学性质，阐述光纤布喇格光栅的传感机理，对 传感器的基本指标和性质并进行了深入的分析：介绍了光纤光栅传感解调的反射 式透射式物理模型，分析了光纤光栅传感解调理论，对现阶段较为成熟的解调 方案进行研究分析，并分别介绍了三种典型的传感解调方案。 第二节光纤光栅耦合模理论 耦合模理论是分析光纤光栅的基本方法之一，该理论能够详尽地描述光波在 波导中的物理模式，即：波导中的同类模( 导波模、包层模和辐射模) 之间、不 同类模( 导波模与包层模、导波模与辐射模、包层模与辐射模) 之间的功率交换 规律。波导相当于一个调制光场，可对进入该波导区域的光波产生扰动，使之产 生耦合效应并转变为另一种模式的光波。耦合模理论能够比较全面、准确地诠释 光波耦合过程。 耦合模理论的主要内容有：光纤光栅实质上是运用紫外光在光敏光纤纤芯中 形成的一种周期性的折射率分布，通常可认为是对纤芯折射率的施加微幅扰动 由于我们认定光纤光栅区域的电场横向分量为无微扰的、很多理想模式的叠加 口】，即 1 2 第二章光纤光栅传感理论与分析方法 e ，( ，矿，二，f ) ( 2 1 ) = 【a 。( z ) e x p ( f 店：) + b ，( ：) e x p ( 一i 屈z ) 】a ，( r ，) e x p ( 一，m f ) 其中，系数a ，和b ，分别为沿+ z 和一z 方向传输的第，个模式的慢变振幅，届和 e 。( r ，) 是相应模式的传输常数和横向模场，尼= ( 2 矿五) 7 0 ，f ，( ，矿) 既可描述导 波模，亦可描述辐射模和包层模。在理想波导情况下，这些模式之间正交且无能 量交换。当折射率变化引起微扰时，第f 个模式的振幅a ，和b ，沿z 方向演变规律 满足如下方程： 警= ，军聪+ 蚴c x 町( 反一舭1 + ，；皿( 戤一酢) e x p 卜( 以+ 届) ：1 警叫；姒砧一确c x p 【慨+ 肛】 一f b ( x ：+ 足；) e x p 卜f ( a 一属) ：】 此二式中第f