（光学专业论文）阵列化光纤光栅传感器技术研究.pdf

南开大学博士生学位论文 摘要 世界已经跨入信息时代，光子作为信息的又一种载体越来越显示了它的显著 地位。光纤作为信息传输的通道正在得到广泛地应用，各种类型的光纤系统及光 纤器件共同构筑了和改善着我们这个社会信息交流的平台，显示了不可替代的重 要性。光纤光栅是纤芯折射率沿光纤轴线呈周期性变化的一种光纤结构，它标志 着近年来继光纤以后的又一座里程碑。目前，以布喇格光纤光栅( f b g ：f i b e rb r a g g g r a t i n g ) 为传感主体的传感器已成为研发主流。这种传感器适于在高温、腐蚀性或 危险性环境中使用。在大型建筑和油井等特殊场合的安全监测方面具有极为广泛 的应用前景。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f 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。 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 概括介绍了光纤传感和光纤光栅传感技术的发展现状。分析了以光纤光栅 作为基本传感器件的原理，说明了不同成栅方法的特点，概述了光纤光栅传感器 的解调和复用技术。 2 从耦合模理论出发，论述了具有不同折射率结构的光纤光栅所表现的传输 谱及其应用范围。以均匀b r a g g 光纤光栅、长周期光纤光栅为典型，简要推导了 传输谱的中心波长、反射率、3 d b 带宽等参数的数学表述，说明了它们与折射率调 制因素的关系。从一般光纤传感器到当今广泛研究的f b g 传感器，研究了它们的 组网原理，讨论了限制传感器网络中点数设置的关键问题。 3 从光纤光栅传感技术的关键点入手，系统阐述了单点解调方法、组网方法 及复用系统的解调方法。这些包括马赫泽德、迈克尔逊等干涉型解调方案以及法 布里珀罗可调谐滤波器、边沿滤波、匹配光纤光栅滤波等滤波型解调方案。分析 了在光纤光栅传感系统阵列化应用时的关键复用技术，如波分复用( w d m ) 、时分 复用( t d m ) 、空分复用( s d m ) 等技术的组合解调方法。同时，还对传感系统中光电 检测的关键技术以及光源技术进行了探讨。 4 从光纤光栅交叉敏感物理模型出发，引入光纤光栅的交叉关联分析方法， 指导高性能传感器的设计。首次提出并设计了用于结构损伤诊断的实用型光纤光 栅传感器，并获得专利授权：研究了应用f p 半导体激光器和f b g 振动传感的方 法；首次提出了一种新颖的光纤光栅温度补偿型应变检测方法和振动传感方法； 南开大学博士生学位论文 在此基础上提出并实现了光纤光栅最灵敏振动传感的方案，振动频率达到7 5 0 h z 、 输入振动驱动功率为2 m w 时，仍能检测到不失真的振动信息。 5 从光纤光栅调谐的基本原理出发，分类阐述了调谐f b g 中心波长和调谐 其带宽的方法。在调谐中心波长方面，首次提出并设计了一种裸光纤光栅的调谐 机构，研究了该机构的实现方法，指出了这样设计的创新点。为实现光纤光栅调 谐过程中的温度补偿，设计了双反射峰调谐方案，实验证明该方法可行有效。本 章还阐述了光纤光栅带宽调谐方法及其应用领域。 6 详细论述了阵列化光纤光栅传感器技术与解调系统( u s t s e e 一1 型光纤光栅传 感测试系统1 的设计原理，研究了波分基础上时分复用系统结构，根据测试结果将 设计进行优化。分别论述了光路、电气、软件等方面的设计思路。测试结果表明， 研制完成的系统的波长分辨率为0 0 0 1 n m ，对应应变测量分辨率为0 8 3 l ，t e 。系统中 调谐技术获得国家专利。所研制的样机通过了专家鉴定，结论为国内领先。 关键词： 耦合模理论，布喇格光纤光栅，长周期光纤光栅，啁啾光栅，传感阵列， m a c h z e h n d e r 干涉仪，温度补偿，应变传感，电流传感，微振动传感可调谐滤 波器，波长解调，边缘滤波，分辨率，波分复用，空分复用，复用网络 攻读博士学位期间参加和完成的科研项目 国家8 6 3 高新技术重点资助项i ；l ( 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f l ( 6 0 7 7 0 1 2 ) “宽带光纤光栅水听器” 建设部科技研究项目( 0 1 4 0 4 8 ) “空间结构安全检测光纤传感器阵列研 究” i i 南开大学博士生学位论文 a b s t r a c t t o d a y , o u rs o c i e t yh a sg o n ei n t oa na g eo fi n f o r m a t i o n b e i n ga n o t h e ri n f o r m a t i o n c a r r i e r , p h o t o ni sp l a y i n ga ni m p o r t a n ! r o l eg r a d u a l l y o p t i c a lf i b e rh a sb e e nw i d e l y u s e da st h em o s ti m p o r t a n tt r a n s m i s s i o nm e d i u mi nt h et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s v a r i o u so p t i c a lf i b e rd e v i c e sa n ds y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hg r e a t l ye n h a n c e t h ef l e x i b i l i t yo ft h en e t w o r k f i b e rg r a t i n g sa r eb e i n gc o n s i d e r e da sal a n d m a r ka n d a 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 s i n a p p l i c a t i o n s ，w h i c ha r eb a s e do nt h ep e r i o d i c a l d i s t r i b u t i o no fr 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 d a d v a n t a g e so 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 do p e r a t i o n ，f i b e r g 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 ns u c hd e t e c t i o nf i e l d sa ss t r e s s 、t e m p e r a t u r e 、p r e s s u r e 、e l e c t r i cc u r r e n t 、v o l t a g e 、v i b r a t i o na n ds oo n e n c o d i n gt h ei n f o r m a t i o n o nt h em e a s u r a n di naw a v e l e n g t hf o r mh a sb e e nc a u s e de x t e n s i v e l yf o c u s t h em o s t i 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 na b s o l u t ep a r a m e t e ra n dt h u sd o e sn o t d e p e n do nl o s so ft h es y s t e mo rf l u c t u a t i o no ft h es o u r c ep o w e r m o s to ft o d a y s d 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 gm e t h o d ，s u c ha sb u l ko p t i c a le d g e f 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 mf 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 e f i l t e r sa n dm a c h z c 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 rb r a g g g 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 sa n de x p e r i m e n t so fs e n s i n ga n dd e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e s t h em a i nc 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 et h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to ff i b e rs e n s i n g t e c h n i q u ea n df i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n i q u e t h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo ff i b e rg r a t i n g a n di t sf a b r i c a t i o nm e t h o da r ea l s oa n a l y z 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 gg 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 dm u l t i p l e xt e c h n i q u ec a nb ef o u n di nt h i sd i s s e r t a t i o n 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff b gh a v eb e e ns t u d i e db ym e a n so ft h ec o u p l e d - m o d e t h e o r y r e f l e c t i v i t y 、c e n t e rw a v e l e n g t ha n d3 d bb a n d w i d t ho fs e v e r a lt y p e so ff i b e r g r a t i n g , s u c ha su n i f o r mp e r i o df b gl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n gh a v eb e e nd e d u c e d m o r e o v e lt h en e t w o r kp r i n c i p l ea b o u tf i b e rs e n s o ra n df i b e rg r a t i n gs e n s o rh a sb e e n d e s c r i b e d ，i nw h i c ht h el i m i t a t i o no fs e n s i n gp o t si nan e t w o r kh a sa l s ob e e ng i v e n 3 i no r d e rt om a k ec l e a ro ft h ek e yp o i n t so ff b g s e n s i n gt e c h n i q u e ，t h em e t h o do f i i i 南开大学博士生学位论文 s i n g l ep o i n td e m o d u l a t i o n 、f b gm u l t i p l e x i n gn e t w o r kf o r m sa n dt h e i rd e m o d u l a t i o n m e t h o d sa r eg i v e n ，w h i c hi n c l u d eo p t i c a lf i l t e r i n gm e t h o d ，s u c ha sb u l ko p t i c a le d g e f 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 mf i b e rc o u p l e r sa n di n t e r f e r e n c em e t h o d s u c ha sm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ra n dm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r f u r t h e r m o r e ，t h e s y s t e mp r i n c i p l e o f 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 t i m e d i v i s i o n - m u l t i p l e x ( t d m ) d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s a r e d i s s e r t a t i o n ( w d m ) a n d a n a l y z e d i nt h i s 4 f r o mt h em o d e lo fc r o s ss e n s i t i v i t yo ff b gs e n s i n gs y s t e m ，t h ec o r r e l a t i o n f u n c t i o nw a sd e f i n e d ，a n dt h ef b gc r o s ss e n s i t i v i t yb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nw a s a n a l y z e di nd e t a i lb ym e a n so fc o u p l e m o d et h e o r y t h er e s u l t sw e r eu s e dt ot h ed e s i g n o fh i t e c hf b gs e n s o r s f o rt h ef i r s tt i m e at e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e df b gs t r a i n s e n s o rb a s e do nn e wp a c k a g e ds t r u c t u r eh a sb e e nd e m o n s t r a t e d ，w h i c hc a nb eu s e di n t h ed e t e c t i o no fi n n e rs t r a i n i nc i v i le n g i n e e r i n g t h et e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e df o r c h i n ap a t e n t t h ef b gb e i n gu s e da st h eb a s i cs e n s o ru n i t ，av i b r a t i o ns e n s o rh a sb e e n d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，w h i c ha r eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff b g c e n t e rw a v e l e n g t h m a t c h e dw i t ho n em o d eo ff pl a s e rd i o d e b yu s i n gt w of b g sw i t hn e a rc e n t e r w a v e l e n g t h s ，an o v e lt e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n tf b gs t r a i ns e n s o ra n dv i b r a t i o ns e n s o r h a v eb e e nd e m o n s t r a t e d m o r e o v e r , t h em e t h o di s e a s yt or e a l i z ea n dt og e tb e t t e r s e n s i t i v i t y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o ww h e nt h ei n p u tv i b r a t i o nf r e q u e n c yi su pt o 7 5 0 h za n dt h ed r i v ep o w e ri sa sl o wa s2 m w , t h eo u t p u tw a v e f o r mi ss t i l ld i s t o r t i o u l e s s 5 a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l eo ff b gt u n i n g ，t w ok i n d so ft u n i n gm e t h o d u p o ni t sw a v e l e n 【g t hc e n t e ra n dt h e3 d bb a n d w i d t ha r ea n a l y z e d f o rt h ef i r s tt i m e ，a t u n i n gs c h e m ef o ro n eb a r ef b gi sp r e s e n t e da n dd e m o n s t r a t e d i na d d i t i o n ，an o v e l t u n i n gs c h e m ef o ro n ef b gw i t hd u a lb r a g gw a v e l e n g t hi sp r e s e n t e d ，w h i c hc a nb e u s e di ns e t t i n gt e m p e r a t u r es t a n d a r dd u r i n gs t r a i nt u n i n g 6 u s i n gt h ef i b e rg r a t i n ga st h 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 m o r e o v e r , t h e d e s i g np r i n c i p l e ，e s p e c i a l l yt h ec o m b i n a t i o no fw d m a n dt d ma r es t u d i e di nd e t a i l t h ea c t u a lw a v e l e n g t hr e s o l u t i o ni s0 0 0 1 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 n i sa p p r o x i m a t e l y 0 8 3 v e k e yw o r d s ： f i b e r b r a g gg r a t i n g ，l o n gp e r i o dg r a t i n g ，c h i r p e dg r a t i n g ，a r r a ys e n s i n g ， 南开大学博士生学位论文 t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , t e m p e r a t u r es e n s i n g ，s t r a i n s e n s i n g ，m i c r o v i b r a t i o ns e n s i n g ，c u r r e n ts e n s i n g ，v o l t a g es e n s i n g ，f i l t e r , w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n ，e d g ef i l t e r , r e s o l u t i o n ，w d m ，s d m ，m u l t i p l e x i n g n e t w o r k s 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， 一j 意如卜各项内容：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、 扪描、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 奉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f ，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名铭浩 1 ，d r 年0 月2 ，日 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 研究作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位沦文 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。对本论文所涉及的研究1 ：作做出贡献的其他个人和集 体，均l 在文巾以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 m 木人承担。 学位论文作者签名聋互活 v 年 月z 日 南开大学博士生学位论文 第一章绪论 1 1 光纤传感技术概述 随着光纤通信技术的发展，光纤在传递图象和检测技术方面应用也在不断深 入。在光通信系统中，光纤作为远距离传输信号的介质，它传输的光信号受外界 影响越小越好。但是，光纤受到外界环境因素如压力、温度、机械扰动等影响时， 其内部光信号的参数如光强、波长、相位、偏振等不可避免地产生变化。检测出 光信号的这些参数变化，就能解调它所代表的环境参数，这就是光纤传感的基本 原理。 光纤传感器按被调制的光波参数不同可以分为强度调制光纤传感器、相位调 制光纤传感器、波长调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器以及频率调制光纤传 感器等。设光纤中传输光波用下列方程描述 e = e o c o s ( o 坩+ 妒)( 1 - 1 ) 式中，e 。为光波的振幅；c a ) 为频率；妒为初相位。2 对应于光强度，m 对应于光 波频率和波长，m t + 妒对应于相位，e 。的方向对应于偏振。在传感部位哪一项因 素被调制，输出信号也对该因素解调。不同方式调制的光波需要不同的传输光纤， 强度调制信息对光纤要求最低，多模和单模光纤都可满足要求。 光纤通信技术与它的感测技术发展相辅相成。光纤传感器不仅可以与光纤遥 测技术相配合、实现远距离测量和控制，而且随着机械技术和计算机技术的进一 步发展，由光纤传感器组成的系统便于与中心计算机相连接，实现多功能、智能 化要求。光纤传感系统的一个突出优点就是多点检测【1 “，由于它既可以传递信息 又可以感测信息，所以很容易把许多欲传感的参量分布式检测、汇总、集中处理。 一般而言，用一根光纤作为分布式传感元件，可以实时传感路径场中不同部 位的温度、应变等信息，这就是光纤传感器阵列化。由于这种光纤链路上都是纯 光信号，不存在电火花隐患，因此这种分布式光纤传感器在复合材料固化监控、 易燃、易爆、强电磁场干扰等场合更显优越。例如对大型机械系统和重大建筑结 构如地下大空问、桥梁、水坝、油井气阳、高速公路等，用光纤传感器监测它们 的健康状态具有重要意义。近年来，美国、英国、德国、加拿大等国家在光纤传 感器应用于混凝土结构安全检测方面进行了许多研究”肌3 1 ，在应用光纤构造飞 南开大学博士生学位论文 机、火箭等飞行器的“智能蒙皮”方面也有报道1 1 4 l 。 1 2 光纤传感中的关键技术 光纤直接作为感测元件的光纤传感器，称为功能型光纤传感器。它一般由四 大部分组成，除感测头和传输光纤之外，还必须有光源、光电转换及信号处理两 个重要部件，如图1 1 所示。这类传感器不存 图1 1 光纤传感器组成图 在光纤与其它器件连接时耦合的困难，但存在传感部分光纡对环境增加敏感、传 输部分对环境降低敏感的困难。一根光纤上设置多个传感器的方法是在光纤上安 装转换机构，使得此段光纤内光波某参量受传感因素调制，同时确定此类传感器 在光纤上的位置。 1 2 1 光纤传感的复用技术 分布式光纤传感器是当今发展的趋势，对分布的光纤传感器的地址进行编码 是关键。最简单的地址编码方式为每根光纤代表一个测量点，传象光纤束就是这 种编码的光纤传感器。这种传感解调简单，测量点直接对应光纤号，但是它远没 有发挥光纤传输信息量大的长处。 光纤传感系统的一个突出优点就是它的大容量复用，指的是在一根光纤上复 用多个传感器。为区分每个测量点对应的测量结果，有两种基本方法进行位置编 码。一种方法是利用光时域反射原理( o t d r ) ，它应用于有后向散射的光纤传感 器阵列。这种技术能够检测出光纤沿线上的损耗分布，由温度和应变导致的光损 耗代表了测量点的温度和应变，测量点的位置由光回到探测器的时间决定。o t d r 原理的典型应用成果就是准分布式光纤温度传感器【1 5 】。另一种复用方法是利用光 潜反射原理，在一根光纤上设置多个空问周期不同的光纤光栅，每个光纤光栅有 不同的窄带反射波长【1 6 j 。这些中心波长不同的传感器放置在对应位置，在光谱分 2 南开大学博士生学位论文 析仪上读到不同位置的测量结果。 随着科学技术的发展，还出现了多种灵活的编码方法。对分布式光纤传感器 的地址分配发展到了串并联结合、时域反射和光谱编码相结合、白光干涉地址编 码等多种方法1 1 7 】。 1 2 2 解调技术 单点的光纤传感器，不同的调制方式对应不同的解调技术。但是为了对信号 进行分析，光电变换前的量总为光强，因此多种调制信号的探测都是转化为光强 度信号后进行光电转换的。光强的时域特性是另一个重要因素，转换后的光强时 间关系可以从示波器读出。光强的频谱域特性检测相对繁琐，须通过频谱分析才 能解调出信息。 光强调制型传感器对应于通信中的强度调制一直接解调( i m d d ) 模式，其 信源就是光纤传感头。这种方式解调简单、通过o t d r 形式便于复用，但其抗干 扰能力差。相位调制型光纤传感器信息为光波相位的变化，它不易直接探测，需 要经过与参考光波的干涉，变成强度信息后再转换为电信号。这种传感器灵敏度 太高，非常易受环境因素影响。波长调制型光纤传感器的典型代表就是光纤光栅 传感器，这种传感方式抗干扰能力强、便于复用构成传感网络，是极具发展前景 的光纤传感器【1 8 1 ，近年来关于这种传感器的解调技术有了巨大的发展【1 9 l 【l l “。光 纤传感器输出信息为光频率的变化时称为频率调制型传感器，这种输出信息不易 检测，需要引入参考光波与它干涉，检测干涉光强而后进行电信号的频谱分析。 不同调制型的光波需要不同的传输光纤，相位调制的光信号必须出单模光纤来传 输，参考信号同样也用单模光纤来传输。 1 3 光纤光栅传感技术 1 9 7 8 年k e n h i l l 及其它科研人员首次发现掺锗石英光纤紫外光敏特性一一光 诱导产生光栅效应【l l ”。1 9 8 9 年g e r y m e l t z 又发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术 m 2 】。后来在光纤传感与通信方面受到了极大地重视，几乎在各个领域都得到研究 和应用，成为光纤在通信和传感中的首选器件。光纤光栅的研制成功，成为继掺 杂光纤放大器技术之后，光纤领域的又一重大突破。 光纤光栅是应用专门的技术在光纤的轴向纤芯上形成折射率的周期性分布， 这是一种一维的光栅结构。光栅周期与光波氏可比拟时称为b r a g g 光栅：光栅周 期远大于光波长时称为长周期光栅。光纤光栅传感器是利t e f ! ib r a g g 光纤光栅( f b g ) 南开大学博士生学位论文 的波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器。与传统的光 纤传感器相比f b g 将被测信息转化为共振波长的移动，属于波长调制方式的传感。 这种调谐方式可以很方便地将多个f b g 传感器复用，这是它的显著优点，其它传 感器无法与之相比。f b g 传感器适用于特殊结构的传感网络，如水坝寿命监测、 桥梁缺陷监测、油井气田、航空航天器具、大型运输载体的复合材料等等。当前， 光纤光栅传感头的设计与研究、光纤光栅传感网络化是重多研究工作的热点。 1 3 1 光纤光栅波长调谐原理 光纤光栅应用的一个重要方面就是光纤传感技术。根据光栅理论，当一束宽 光谱入射光输入光纤光栅时，在满足b r a g g 条件时就会发生全反射，其反射光谱 在b r a g g 波长 处出现峰值。光纤光栅受到外部物理场( 如应力、应变、温度、 或经过转换变为这些因素等) 作用时，其栅距a 随之发生变化，从而改变了后向 反射光的峰值波长 。根据 变化的大小就可以确定被测部位相应物理量的变化， 原理说明见图1 2 。 图1 2f b g 对宽带光源反射的原理 光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对b r a g g 中一t b 波长的调制来实现 的，属于波长调制型传感器。它具有以下显著优点： 1 抗干扰能力强。一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性；另 一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，比如光源输 出功率起伏、光纤微弯造成的光强起伏等都不影响光的波长特性，因而基于光纤 光栅的传感系统具有很高的稳定性和可靠性。 2 传感探头结构简单、尺寸小( 其外径和光纤本身相同) ，适合于各种应用 场合。 4 南开大学博士生学位论文 3 测量结果具有良好的重复性。 4 便于构成各种形式的光纤传感网络。 5 可用于对外界参量的绝对测量( 在对光纤光栅进行标定后) 。 6 光栅的写入工艺较成熟，便于形成规模化生产。 由于光纤光栅具有上述诸多优点，因而在传感领域和光纤通信领域正被越柬 越广泛的应用。但是光纤光栅作为传感器也有其不足，因为对波长移动的检测需 要技术复杂价格昂贵的仪器和器件，动态范围也受光源、探测点数等的限制。 1 3 2 光纤光栅分类 根据物理机制的不同可分为蚀刻光栅和折射率调制的位相光栅两类。前者在 成栅过程中使光纤的结构出现明显的物理刻痕【1 ”】，后者主要在纤芯中形成折射率 周期性分布。目前，无论用于研发还是工程实用，后者均占主导地位。因此，通 常所说的光纤光栅指的是后者。 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【1 t 4 】：栅格周期一般为1 0 2 n m 量级，折射率调制深度一般 为1 0 0 1 0 ，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 n 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【i t 5 1 ：栅格周期远大于靠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，它不足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，目前主要用于掺饵光纤放大器的增益平坦和光纤传 感。 3 闪耀光纤光栅【1 1 6 】：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 南开大学博士生学位论文 基模祸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 线性啁瞅光纤光栅”：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【1 1 8 l ：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【1 1 9 l ：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6 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、引入间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1 1 2 0 l ：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1 1 2 1 】：这种光纤光搬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1 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 南开大学博士生学位论文 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【1 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【1 2 2 】：即莫尔光纤光栅。这种光纤光栅可视为光纤光栅陆i 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j 下弦或余弦函 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 6 光纤 光栅有布喇格m o i r 6 光纤光栅与啁啾m o i r 6 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 6 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 ”、t 0 p h a t 光纤光栅1 1 埘】等。 1 3 3 光纤光栅传感应用 光纤光栅是掺杂光纤在蓝色或紫外光强激光的照射下，其光学特性发生了永 久性的改变。这种光敏效应在光纤纤芯上形成了折射率周期性的改变，从而使该 结构具有了电类传感器无法取代的优点。随着光纤光栅制作技术的完善，它使许 多复杂的传感器网络和全光通信网络成为可能。 表1 - 1 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 温度聚合物封装波氏解调 2 0 - 1 0 0 0 2 3n m 压力 聚合物增敏罐 波k 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 x1 0 2 n m m p a 基于f b g 应变的f p 滤波器0 3 3 肛 应变复用感测系统参考光栅 1h z ，6 x 1 0 f u z z f b g 应变感测系统匹配光栅滤波 0 4 “ 扭角扭梁结构波k 变化 一4 5 + 4 5 。0 0 8 6 7n m d e g 扭矩 ，6 2 7n m n m 位移双侧悬臂梁结构 波睦变化0 + 3 0m m ，0 6 5 8n m m m 电流磁致伸缩材料波k 变化0 - 1 2 a ，0 0 8 5 5a i l p g 腐蚀处理 波氏变化 1 4 1 5 0 1 4 5 4 1 ，9 1 5 5 x1 05 ； 折射率塑料光纤强度变化 1 3 1 5 9 ，( 2 5 ) x1 0 。3 振动 光纤光栅振动系 m z 光纤干 5 0 0 h z ，0 6n 面 统涉仪 7k h z ，5 6 1 0 n 厄 浓度多模光纤强度变化 0 1 速度列车实时追踪系 波 = = 变化lm s p o i n t 统 加速度两端周定曲梁干涉解调 2 - 1 2 5 p e g ，i m g 厄 南开大学博士生学位论文 经过近年来的深入研究，光纤光栅传感器可以检测的物理量己由最初的温度、 应变、压力拓展到位移、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【1 2 5 】【1 2 6 j i l 2 7 1 12 8 j 【1 2 9 】【1 3 0 】【i 3 i j 【1 3 甜，其中一部分光纤 光栅传感系统已经实际应用。光纤光栅传感系统同样可阻分为传感端和解调端， 近期研究表明，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 ) 可直接作为传感器端，也 有用f b g 和其它器件组合构成特殊功能的传感端，例如为了消除交叉敏感设置的 温度传感头1 1 3 3 1 ；用f b g 或把它与长周期光纤光栅( l p g ：l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n 曲 和啁啾光纤光栅( c f g ：c h i r pf i b e rg r a t i n g ) 组合来完成输出信号的解调。表i - 1 列举 了一些典型的光纤光栅传感器的研究状况1 1 3 4 1 。与其它类型的光纤传感器相比，光 纤光栅对光源强度波动及外界干扰不敏感，且不带电，抗射频和电磁干扰，防燃、 防爆、抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐电离辐射，能在有害环境中安全运行，在 许多工程和科研领域有重大的应用价值，因而具有更好的应用前景。 1 3 4 光纤光栅阵列化方法 光纤光栅的主要优点之一就是便于构成传感网络。自然界被感测的对象往往 呈现一定的空间分布场，如果场是连续的则需要分布式传感网络，如果场是不连 续的可应用准分布式传感器网络。 分布式光纤光栅传感器网络是将众多光纤光栅分布在一根光纤上，实现对空 间点几乎连续的检测。它的解调方式是基于o t d r 时间域的查询，