（光学专业论文）光纤光栅有源传感技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着光纤光栅技术的不断完善发展，光纤光栅传感技术越来越多的受到人 们的重视。以光纤b r a g g 光栅作为传感元件的各种传感器以及传感系统已经被实 际应用于重大工程的健康监测中。随着传感系统要求的不断提高，单个传感器 已远不能满足要求。网络化已成为传感器技术发展的必然趋势。 光纤光栅有源传感技术是在无源传感技术的基础上发展起来的，利用光纤 激光器代替光纤光栅作为传感元件，构成有源传感系统进行实验研究。其显著 特点是提高了传感波长的信噪比和光功率，使之与一般的宽带光源相比，传感 信号的强度信噪比有了极大的提高，因而具有波长易于检测的优点。 本论文是在国家八六三计划嚣项目( n o 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 7 ) 、国家自然科学基金 重点项目( n o 6 0 7 3 6 0 3 9 ) 的支持下完成的。主要内容包括： 1 。对基于光纤光栅的无源和有源传感技术的传感机理和发展现状等进行了系 统的介绍。并着重阐述了单纵模分布布拉格反射( d b r ) 光纤激光器的基于 拍频检测的有源传感技术，对其传感特性进行了分析。这种有源传感器不仅 具有传统光纤有源传感器的高信噪比、高功率、易检测等特性，作为拍频调 制型传感器还具有工作带宽宽、信号解调更加简单、比波长调制型声学传感 器灵敏度高等独特优点。 2 我们对拍频调制型传感器也就是单纵模d b r 光纤激光器的输出特性进行了 研究。在光纤光栅的基本分析方法和基于光纤光栅的光纤激光器的基本理论 基础上，通过理论模拟分析了基于光纤b r a g g 光栅( f b g ) 的f p 线形腔的 输出特性，并讨论了腔镜反射率和谐振腔的长度对纵模线宽和纵模间隔的影 响。实验上设计制作了d b r 光纤激光器，实验结果很好的验证了输出特性 理论。 3 研制了工程化光纤光栅一维温度、应变以及轮辐式压力传感器，并取得了很 好的研究结果。采用圆柱体结构研制了光纤光栅三维应变传感器，对其三维 传感特性在理论上进行了分析，并采用有机玻璃和钛钢材料的圆柱体结构进 行了三维传感的实验研究。在研制多维多参量传感器的基础上，与无线传感 网络技术相结合，对基于光纤光栅传感的、可对多维环境进行多参量监测并 摘要 具有管理及决策功能的无线传感网络系统进行了初步探讨。 4 设计并研制了基于单纵模d b r 光纤激光器的传感器，通过研究侧压力和弯 曲对单模光纤双折射特性的影响，对传感器基于拍频检测的传感原理进行了 分析。利用单纵模d b r 光纤激光器做传感元件，成功研制了基于拍频检测 的压力和纯弯曲的单参量有源传感器。由于激光器的波长和正交偏振的拍频 在温度变化时都会有所变化，我们通过检测波长和拍频的变化来测量温度的 变化，实现了双参量解调的传感技术。通过理论分析和温度传感实验验证， 实验结果和理论推导相一致。 5 通过研究基于单纵模d b r 光纤激光器的有源传感技术，对这种传感器的波 分频分复用技术进行了研究，几种不同工作频率不同工作波长的传感器串联 组成传感阵列。设计了泵浦光和信号光分开传输的双总线结构，利用光源分 路器为每个传感单元单独提供泵浦，实现最大化利用泵浦能量。另外为了实 现大规模传感阵列，我们设计采用空分复用和波分频分复用相结合的方式， 实现m n 的组网方案。 关键词：分布布拉格反射，光纤光栅，传感技术，有源传感，无源传感， 拍频检测，正交偏振，三维传感，圆柱体，侧压力传感，纯弯曲传感，毫米波， 波分频分，复用技术，传感阵列，双总线结构，m n 组网 攻读博士学位期间参加和完成的科研项目 国家“八六三计划 高新技术重点资助项目( n o 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 7 ) ：多维多参 量光纤光栅无线传感器网络系统研究； 国家自然科学基金重点项目( n o 6 0 7 3 6 0 3 9 ) ：集成化、高速率、多参数、大 规模新型光纤传感网络关键技术及其应用研究； 上海紫珊光电技术有限公司横向项目：世博场馆大空间结构安全保障关键技 术； 光电信息技术教育部重点实验室开放基金资助项目。 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i b e rg r a t i n gt e c h n o l o g y ， s t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no f f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o rh a sg o tm o r er e c o g n i t i o n r e a l t i m ed e t e c t i o na n d m o n i t o r i n gt os t r e s s ( o rs t r a i n ) o fs t r u c t u r a ls y s t e m sh a v eb e e np u ti n t oe f f e c t m a r t i a l r e s e a r c h e si nf i b e rg r a t i n gh y d r o p h o n eh a v ea l s ob e e nd e v e l o p e d w i t ht h ei n c r e a s i n g o ft h es e n s i n gs y s t e m , s e n s i n gn e t w o r kh a sd e v e l o p e db yd e g r e e s f i b e rb r a g gg r a t i n ga c t i v es e n s i n gw a sd e v e l o p e db a s e do np a s s i v es e n s i n g u s i n gf i b e rl a s e ra ss e n s i n ge l e m e n t , a c t i v es e n s i n gs y s t e mw a sc o n s t r u c t e da n d s t u d i e do ne x p e r i m e n t a c t i v es e n s i n gs y s t e mh a sm a n yi n s t i n c t i v ea d v a n t a g e s ，s u c h a sh i g hs i g n a l - t o - n o i s e ，h i l g hl i g h tp o w e r c o m p a r e dw i t l lg e n e r i cb r o a d b a n ds o u r c e ( b b s ) ，i ti n c r e a s e dt h es i g n a l - t o - n o i s eo fs e n s i n gs i g n a la n dh a st h ea d v a n t a g eo f e a s yc h e c k - u pt h ew a v e l e n g t h w i t ht h es u b j e c t ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( g r a n tn o 2 0 0 6 a a 0 1z 217 ) ，t h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef u n dp r o j e c t s ( g r a n tn o 6 0 7 3 6 0 3 9 ) a n dt h ek e yl a b o r a t o r yf u n do f o p t o e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n i c a ls c i e n c e ，m i n i s t r yo fe d u c a t i o no fc h i n a ，t h e m a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra l ea sf o l l o w i n g ： 1 i n t r o d u c e ds y s t e m i c a l l yt h ea c t i v ea n dp a s s i v es e n s i n gt e c h n o l o g yo ft h ef i b e r b r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) b a s e do nd i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) f i b e rl a s e r , w es t u d i e dt h eb e a tf r e q u e n c yd e m o d u l a t i o ns e n s i n gt e c h n o l o g y c o m p a r e dw i 廿l g e n e r i cf b gs e n s o r , i th a s m a n yi n s t i n c t i v ea d v a n t a g e s ， s u c ha s h i g h s i g n a l t o - n o i s e ，h i g hl i g h tp o w e r , a n de a s yc h e c k u pt h ew a v e l e n g t h 2 t h eb a s i st h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o do ff i b e rb r a g gg r a t i n ga n df i b e rl a s e rw e r e p r e s e n t e d t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co ff pl i n e a r i t yc a v i t yb a s e do nf b gw a s s i m u l a t e da n da n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fr e f l e c t i v i t ya n dc a v i t yl e n g t ho n l o n g i t u d i n a lm o d ew i d t ha n dl o n g i t u d i n a lm o d ei n t e r v a l sw e r ea l s od i s c u s s e d w e d r e wt h ec o n c l u s i o n ：r e d u c et h ec a v i t yl e n g t hi s n e c e s s a r yt oa c h i e v es i n g l e l o n g i t u d i n a lm o d ei nf i b e rl a s e r ， i i i 一一 垒! 壁堕 一一 3 b a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g ，w es t u d i e do nt e m p e r a t u r e ，s t r a i n , w h e e l - t y p e s t r u c t u r e p r e s s u r e s e n s o ra n da c h i e v e da l l r i g h te x p e r i m e n t a lr e s u l t u s i n g c y l i n d e rs t r u c t u r e ，3 - d i m e n s i o n a l 舶e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s t r a i ns e n s o rw a s p r o p o s e d t h r e ef b g sw e r eu s e da ss e n s i n ge l e m e n t sa n df i x e d i nt h eo u t e r s u r f a c eo ft h ec y l i n d e ra tt h es a m el e v e la c c o r d i n gt o12 0 0a n g l ei n t e r v a l s i n p r i n c i p l e ，t h et h r e ef b g sh a ds o m ef i x e dr e l a t i o n s h i pw h e nw ep u tas t r a i n f o nt h ec y l i n d e r b a s e do nt h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c sp r i n c i p l e ，t h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n sa n de x p e r i m e n ts e t u pw e r ea l s os h o w e d a c c o r d i n g t oo u r e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h i ss e n s o rc o u l dm e a s u r et h es i z ea n da n g l e so f t h es t r a i no r d i s p l a c e m e n ta c c u r a t e l y c o m b i n e dt h ew i r e l e s ss e n s i n gn e t w o r kt e c h n o l o g y ，a m u l t i p a r a m e t e r , m u l t i d i m e n s i o n w i r e l e s ss e n s i n gn e t w o r ks y s t e mw a ss t u d i e d 4 b a s e do ns i n g l el o n g i t u d i n a lm o d ed i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o ro b r ) f i b e rl a s e r , l a t e r a lp r e s s u r ea n dp u r eb e n d i n gs e n s o rw a sd e s i g n e d u s i n gs i n g l el o n g i t u d i n a l m o d ed b rf i b e rl a s e ra ss e n s i n ge l e m e n t ，t h es e n s o rw a sb a s e do nb e a t 行e q u e n c y d e m o d u l a t i o na n dh a sh i g hr e p e a t a b i l i t ya n dd i r e c t i v i t y b a s e d o ns i n g l e l o n g i t u d i n a lm o d ed b rf i b e rl a s e r , t h eb e a tf r e q u e n c ya n dw a v e l e n g t h t w o p a r a m e t e r s d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yw e r es t u d i e d w h e nt h et e m p e r a t u r e c h a n g e d ，t h eb e a t 行e q u e n c ya n dw a v e l e n g t hw e r eb o t hc h a n g e d b yd e t e c t i n g t h e c h a n g e so fb e a tf r e q u e n c ya n dw a v e l e n g t h , w ec o u l d s e n s et h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r e t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n sa n de x p e r i m e n ts e t u pw e r ea l s os h o w e dt h a t t w op a r a m e t e r sd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sh i g hs e n s i t i v i t y 5 b a s e do ns i n g l el o n g i t u d i n a lm o d ed i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) f i b e rl a s e r , 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 ( w d m ) a n df r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x ( f d m ) t e c h n i q u e sw e r es t u d i e d s e v e r a ls e n s o r sw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t ha n d d i f f e r e n tb e a tf r e q u e n c yw e r ec o n n e c t e di ns e r i e st of o r ms e n s i n ga r r a y w e d e s i g n e dd o u b l eb u st o p o l o g ys t r u c t u r e w h i c hs e p a r a t e dt h es i g n a la n dp u m p l i g h t u s i n gc o u p l e rw ep u m p e de v e r ys e n s i n ge l e m e n ts e p a r a t e l yw h i c hu s e d p u m pp o w e r f a r t h e s t u s i n g 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 a n d f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e xt of o r ms e n s i n ga r r a y , t h el a r g e s c a l e n e t w o r k d i d n tc o m et r u e w ed e s i g n e dm xnn e t w o r kb yu s i n gs p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e x ( s d m ) a n dw d m ，f d mt e c h n i q u e s i v k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r , f i b e rb r a g gg r a t i n g ，s e n s i n gt e c h n o l o g y ， a c t i v es e n s i n g ，p a s s i v es e n s i n g ，b e a tf r e q u e n c yd e m o d u l a t i o n , p o l a r i z a t i o no r t h o g o n a l ， 3 - d i m e n s i o n a ls e n s o r , c y l i n d e rs t r u c t u r e ，l a t e r a lp r e s s u r es e n s o r , p u r eb e n d i n gs e n s o r , m i l l i m e t e rw a v e ，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 xa n df r e q u e n c y d i v i s i o n - m u l t i p l e x ， s e n s i n ga r r a y , d o u b l eb u st o p o l o g ys t r u c t u r e ，m nn e t w o r k 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。 学位论文作者签名：习韭荒 伽譬年月弼日 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。 指导教师签学位论文作者签 名：名： 解密时年月日 间： 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。对本论文所涉及的研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：呵建荒 细留年譬月嚆日 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁下匕 1 1 传感技术概论 传感器技术是信息时代的重要标志技术之一，也可以说是新技术革命和信 息社会的重要技术基础。它与通信技术、计算机技术共同构成了信息产业的三 大支柱【1 1 ，历来受到各国研究者的广泛关注。近年来随着通信技术和计算机技术 的不断发展，传感器技术的重要性变得越来越明显。 “传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信 号”。这是国际电工委员会( i e c ：i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 对传感器 的定义。传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。从能量形式来定 义可以把传感器分为两类：有源传感器和无源传感器。有源传感器能将一种能 量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。无源传感器不能直接 转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能。 针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：高灵敏度，抗 干扰的稳定性( 对噪声不敏感) ，线性，容易调节( 校准简易) ，高精度，高可靠性， 无迟滞性，工作寿命长( 耐用性) ，可重复性，抗老化，高响应速率，抗环境影响 ( 热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃) 的能力，选择性，安全性( 传感器应是无 污染的) ，互换性、低成本，宽测量范围，小尺寸、重量轻和高强度，宽工作温 度范围。 光纤传感器是上世纪7 0 年代末伴随着光导纤维及光纤通信技术发展起来的 - 1 7 崭新技术。由于光纤本身的特性，相比于传统的传感器，光纤传感器具有： 高灵敏度；频带宽，动态范围大：可做成各种形状；可对声场、磁场、压力、 温度、加速度、转动、位移、液位、流量、电流、辐射等多种物理量进行传感； 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；可用于高温、 高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境等等优点。因此发展迅速，目前已经 实用的光纤传感器可测量物理量达7 0 多种，具有广阔的发展前景。 光纤光栅自从问世以来，就以其优良的特性成为传感领域的新的亮点。基 于光纤光栅的传感器件除了具有重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、结 第一章绪论 构紧凑等优点外，还有其独特的优越性，与光纤具有天然的耦合性，耦合损耗 极低；具有极高的抗干扰能力；成熟的波分复用( w d m ) 技术，使其很容易构成 分布式传感网络等等。这些其他传统传感器无可比拟的优点，使得光纤光栅传 感器近年来在复合材料及混凝土结构状态检测、电力工业、医学以及能源化工 等实际应用领域都取得了长足的进展。 当前的传感器技术正朝着微型化、集成化、多功能化、智能化、系统化、 低功耗、无线、便携等方向发展。同时由多传感器构成的分布式多维多参量传 感器网络系统技术的研究尤其受到重视。而基于光纤光栅的多维多参量传感器 件完全可以满足上述要求，可以预料，在不远的将来，分布式光纤光栅传感网 络将取得越来越多的应用空间。 传感网络系统的性能主要取决于传感器，本论文首先在研究维的光纤光 栅的无源传感器的基础上设计并研究了三维光纤光栅应变传感器，并对多维多 参量无线传感网络进行了初步探讨。在无源传感的基础上，利用单纵模d b r 光 纤激光器代替光纤光栅作传感基元对光纤光栅有源传感及组网技术进行了理论 推导和实验分析，设计并研制了光纤光栅有源应力和弯曲传感器以及双参量解 调的温度传感器，对有源传感器的复用和组网技术进行了初步的研究。 1 2 光纤光栅无源传感技术 光纤光栅是一种新型光纤无源器件。它在光纤中建立起一种空间周期性的 折射率分布，使在其中传播的光发生变化。光纤光栅作为光子研究领域的一门 新兴技术，在通信、传感等领域具有极其广阔的应用前景。 1 2 1 光纤光栅概述 1 9 7 8 年，加拿大的h i l l 等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光栅的效 应 2 1 。制成了世界上第一只被称为“h i l l 光栅 的光纤光栅。1 9 8 9 年，美国的 m e l t z 等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术【3 1 ，为光纤光栅实用化开辟了 一条可行的道路。1 9 9 3 年，h i l l 等人提出了位相掩模写入技术【4 】，极大地放宽 了对写入光源相干性的要求，使光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产 成为可能。 、 2 第一章绪论 此后，世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展起来。光纤光栅的写 制技术及光纤光敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高和完善。 而光纤光栅独有的抗电磁干扰、高灵敏度、复用技术等技术优势也逐渐地显现 出来。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。 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据 形成的物理机制的不同，可分为蚀刻型光栅和折射率调制型位相光栅两类。前 者在光纤结构中形成明显的物理刻痕，后者主要在纤芯中形成折射率周期分布。 无论用于研究还是实际工程应用，后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤 光栅指的是折射率调制型位相光栅1 5 】。 一、根据光敏机制的不同，可将光纤光栅分为以下三种类型 6 1 ：i 型、n 型和 i i a ( m ) 型光纤光栅。 1 i 型光纤光栅：连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传 统意义上的光折变光栅被称之为i 型光栅。 2 型光纤光栅：用单脉冲成栅时，不断提高脉冲能量，发现存在一个取决 于光纤中锗浓度的阈值( 1 耽m 2 ) ，低于该阈值时形成的光栅均为i 型光栅，而 高于该阈值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近1 0 0 ，称此时的光栅 为型光栅。 3 型光纤光栅：区别于i 型光栅的是随着曝光量的增加折射率呈负增长 趋势，显然也不属于型光栅，因此称之为型光栅。 二、按光纤光栅按其空间周期和折射率分布分类可大致将光纤光栅分为两 大类：均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。 1 、均匀光纤光栅：指光栅的光学周期( 光栅有效折射率与折射率调制深度 的乘积) 沿轴向保持不变的一类光栅。如布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅和 闪耀光纤光栅等。 均匀周期布拉格光纤光栅( f b g ) m 这是最早发展起来的一种光栅，栅格 周期一般为1 0 。n m 量级，折射率调制深度一般为1 0 3 - - 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 d 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，也是目前应用最广的一种光栅。 长周期光纤光栅【8 】：其栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同， 3 第一章绪论 它不是将某个波长的光反射，而是将其耦合到包层中去。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， 目前其主要用于e d f a 的增益平坦和光纤传感。 闪耀光纤光栅【9 】：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴向不垂直时，造 成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，就形成了闪耀光栅。闪耀光栅 不仅引起反向导波模耦合，而且还将基阶模耦合至包层模中损耗掉。闪耀光栅 主要用于e d f a 的增益平坦和空间模式耦合器。 2 、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，即光栅的光学周期沿光栅轴向变化的一类光栅，如啁啾光纤光栅、相移光 纤光栅等。 此外，t a p e r e d 光纤光栅、超结构光栅、莫尔光栅、取样光栅、t o p h a t 光栅 等均为非均匀的特种光栅，在通信与传感领域均具有不同的用途而亦受广泛的 关注。 1 2 2 光纤光栅无源传感机理及研究现状 在传感领域，光纤b r a g g 光栅( f b g ) 因其自身的优良传感特性得到最广泛的 研究和应用，在本论文中，不特别说明，所谓的光纤光栅都是指光纤b r a g g 光栅。 光纤b r a g g 光栅无源传感过程的基本原理是：当光入射到光纤光栅后，在满 足b r a g g 条件下将发生反射，其反射光谱在b r a g g 波长处出现峰值。由于应力、 应变、温度等外界因素的作用，必然引起光纤光栅的栅格间距或者其有效折射 率门发生变化，从而使光纤光栅的中心波长发生变化，即产生传感效应。 根据波长变化大小即可计算出待测物理场( 如应力、应变、温度、位移、电 流、电压、振动强度、加速度、流量等) 的变化。其传感原理公式如下【1 0 】： 卜扣叫即蚴州口+ 晕 丁i i ( 1 - 1 ) ) 式中，丁、占分别为光纤光栅所在场温度变化量和应变量，温度砗、k 。 分别为光纤光栅的温度灵敏度和应变灵敏度。a 、盯分别为光纤光栅的周期和 4 第一章绪论 石英光纤的泊松比。 由( 1 - 1 ) 式可知，当f b g 受到外场( 应变场或温变场) 作用时，利用光检测仪 器( 如光谱仪等) 测量f b g 的反射或透射波长的变化，即可获得相应外场( 应变场 或温变场) 的定量信息。 目前，以布拉格光纤光栅( 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以及 传感系统已经被实际应用于重大工程的健康监测中弘1 6 1 。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 ) 8 8 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 ) 的传感 器的研究也常见报道 1 7 - 2 0 。但是，大多数的研究和应用都是集中在一维传感器 方面。目前对于光纤光栅二维传感器的研究也在开展，还处于理论分析及初步 实验阶段，距离实用还很远。而对于光纤光栅三维传感器的研究罕见报道。 ， 在本论文中，我们通过研究光纤光栅的无源传感技术及封装技术，结合实 验室条件，研制了光纤光栅温度、应变传感器，在不对光纤光栅进行增敏仅仅 对其保护性封装的同时，保证温度、应变传感器的优良特性，而且消除温度和 应变的交叉敏感，适合工程上应用。结合轮辐式结构研制了压力传感器，该传 感器具有结构新颖，稳定性高，量程大，而且抗干扰性强的特点。结合圆柱体 结构的力学特性，研制了有机玻璃和钛钢材料的光纤光栅三维应变传感器，实 现了光纤光栅对应变的三维测量。研究了光纤光栅传统的复用技术，结合组网 技术，无线通信技术等对多维多参量无线传感网络进行了研究。 1 3 光纤光栅有源传感技术 光纤光栅的有源传感是基于无源传感的基础上发展起来的，用光纤光栅激 光器取代光纤光栅为传感元件。与普通光纤光栅传感相比，有源传感具有高信 噪比、高输出功率及易于检测的优点。将无源传感升级为有源传感，以提高信 噪比和传输距离。它既保留了光纤光栅传感技术的优点，又克服了光纤光栅传 感技术的不足，是对光纤光栅传感技术的继承和发展。 1 3 1 光纤光栅有源传感技术 自从1 9 8 9 年报道利用全息侧面写入技术制作光纤光栅以来口1 1 ，基于光纤光栅的 光纤激光器受到了极大的重视 2 2 - 2 4 】。先前报道的很多有源传感都是基于利用光 5 第一章绪论 纤激光器构成光纤有源传感系统，进行传感实验研究 2 5 - 2 9 1 。其显著特点是提高 了传感波长的信噪比和光功率，使之与一般的宽带光源相比，传感信号的强度 信噪比有了极大的提高，因而具有波长易于检测的优点。在这种光纤光栅有源 传感系统中，光纤光栅不仅在激光器中起到选频作用，还是传感的最基本元件。 大连理工大学的关柏鸥教授提出了一种单纵模分布布拉格反射( d b r ) 光纤 激光器做传感元件的有源传感技术，研究了基于单纵模d b r 光纤激光器的水听 传感器，属世界上首例( 3 0 j 。其基本原理是将声信号转换为单纵模d b r 光纤激光器 两个正交偏振态的拍频的变化，通过测量此拍频变化得到声信号。这种传感系 统基于拍频检测而不是波长检测，是一种全新的传感机制。 关教授研究结果表明，这种新型声学传感器的工作带宽在4 0 m h z 以上。这 种新型传感器对声信号进行频率编码，可以方便地把具有不同拍频的光纤激光 器( d b r 或分布反馈( d f b ) 光纤激光器) 串接在同一条光纤里构成频分复用 传感网络，具有易于复用、组网方便的优点。由于频率是一种绝对参量，这种 编码方式还具有可靠性好、抗干扰力强的优点。由于声信号对激光器拍频信号 进行频率调制，而激光器的拍频在几百m h z 到几十g h z 之间，因此，可以利用 成熟的无线电技术对传感信号进行解调，具有解调简单的优点。此外，这种新 型声学传感技术还能够同时感测温度和声信号。该功能对许多应用场合来说非 常有用，比如在超声医学上，高强度聚焦超声场导致温升，同时测量温度和超 声场非常重要，再比如在电力变压器监测方面，温度和声发射信号均是需要检 测的重要参量，用一个传感器实现二者同时测量，能够大大节省成本。 1 3 2 单纵模d b r 光纤激光器传感技术 单纵模的d b r 光纤激光器由两个波长匹配的光纤b r a g g 光栅做腔镜，超短 单模掺铒( 或铒镱共掺) 光纤作为增益介质构成线形f p 谐振腔，该激光器最大 的特点就是可以实现稳定的单纵模输出。由于任何一个纵模都有正交偏振的两 个简并的偏振态，一旦腔内引起双折射的变化，单纵模的两个偏振态不再简并， 产生差拍。 单模增益光纤的双折射主要是由两种原因引起，光纤芯截面几何尺寸的偏 差与光弹效应产生的机械应力1 3 。石英光纤有很高的杨氏模量，这决定了光纤 制成后几乎不可能再有形状的变化。但外来应力可以通过光弹效应引起光纤的 6 第一章绪论 感应双折射。通过把外界应力的变化转换为激光器拍频的变化，通过检测这种 拍频变化来测量外来应力。 当铒纤的双折射度发生改变，单纵模的光纤激光器谐振腔内产生两个正交 偏振的不同模式的光束，两个模式之间的频差为【3 0 】： a v = b y ( 1 - 2 ) 刀 式中y 是激光频率；曰和n 分别是光纤的双折射度和折射系数；激光的偏振 频差l ，可以通过光电探测管和射频仪测得。 从公式( 1 2 ) 可以看出，通过检测激光器正交偏振拍频变化就可以测量外来 应力的变化。这就是单纵模d b r 光纤激光器的传感机理。 在本论文中，我们通过分析d b r 光纤激光器的谐振腔参数对其纵模线宽和 纵模间隔的影响，设计并研制了单纵模的d b r 光纤激光器。分析了单纵模d b r 光纤激光器的基于拍频检测的传感原理，研究了基于挤压和弯曲改变光纤双折 射从而改变激光器拍频来实现传感的传感机制。结合实验室条件，研制了基于 单纵模的d b r 光纤激光器作传感元件的压力、纯弯曲的单参量光纤光栅有源传 感器，实验结果和理论推导相一致。分析了温度导致波长和拍频同时变化的机 理，研究了拍频、波长双参量同时测量的温度传感系统。结合实验研究，对光 纤光栅有源传感大规模组网技术进行了初步探讨。 1 3 3 光纤光栅有源传感器研究现状 目前，光纤光栅有源传感器一般是基于利用光纤激光器构成的光纤有源传 感系统，进行传感实验研究。光纤激光器的波长随着温度应力等外界物理量的 变化而变化，利用波长检测而实现对外界物理量的传感，这种类型的光纤光栅 有源传感器在国内外已经得到广泛的研究。基于光纤光栅激光器的温度、应变 等有源传感技术以及构建有源传感网络技术都有见报道 3 2 - 3 5 1 。这种传感器与普 通的光纤b r a g g 光栅传感器相比具有窄线宽，高信噪比，传输距离远，易于检测 等优点。 大连理工的关柏鸥教授研究的基于正交偏振单纵模d b r 光纤激光器的拍频 调制型水听传感器，不但具有波长调制型光纤声学传感器的几乎全部优点，而 且它还具有自己的独特优点：1 ) 工作带宽宽，2 ) 信号解调更加简单，3 ) 比波 7 第一章绪论 长调制型声学传感器灵敏度高。拍频调制型光纤声学传感器与其它类型光纤声 学传感器的比较见表1 1 。 表l - 1 不同类型光纤声学传感器技术性能比较 传感头编码参量能否同时 x 目 工作带宽复用能力信号解调 尺寸属性测量温度 强度调制壹 2 m h z 大 差 相对量 否简单 数十 偏振调制型大差相对量否复杂 m h z 双光束干涉 m h z 以 大差相对量否复杂 型下 多光束干涉 2 0 小差相对量否复杂 型 m h z 4 0 拍频调制型小强绝对量是简单 m i - i z 1 4 本论文主要研究内容及创新点 1 4 1 本论文主要研究内容 本论文是在国家“八六三计划项目( n o 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 1 7 ) ：多维多参量光纤光 栅无线传感器网络系统研究，国家自然科学基金重点项目( n o 6 0 7 3 6 0 3 9 ) ：集成 化、高速率、多参数、大规模新型光纤传感网络关键技术及其应用研究，上海 紫珊光电技术有限公司横向项目：世博场馆大空间结构安全保障关键技术以及 光电信息技术教育部重点实验室开放基金资助项目的支持下完成的。主要以光 纤b r a g g 光栅为研究对象，对光纤光栅的多维多参量传感技术及基于单纵模d b r 光纤激光器的光纤光栅有源传感技术及网络技术进行了理论和实验的研究。结 合项目要求，与其他老师和同学合作研制开发了多维多参量无线传感网络系统 及基于光纤光栅有源传感器的复用系统。并设计完成了基于单纵模d b r 光纤激 8 第一章绪论 光器的压力、纯弯曲有源光纤光栅传感器，波长和拍频同时检测的温度传感器 和光纤光栅三维应变传感器等，取得了较好的研究成果。 本文的主要内容包括： 1 - 对基于光纤光栅的无源和有源传感技术进行了系统的介绍。并着重阐述了 以单纵模d b r 光纤激光器作为传感元件的基于拍频检测的有源传感技术，对其 传感特性进行了分析。这种拍频调制型有源传感器，不但具有波长调制型传感 器的几乎全部优点，还具有工作带宽宽、信号解调更加简单、比波长调制型声 学传感器灵敏度高等优异特性。 2 介绍了光纤光栅的基本分析方法和基于光纤光栅的光纤激光器的基本理 论。并在此基础上通过理论模拟分析了d b r 光纤激光器的f p 线形谐振腔的输 出特性，并讨论了腔镜反射率和谐振腔的长度对纵模线宽和纵模间隔的影响。 实验上设计制作了d b r 光纤激光器，实验结果很好的验证了输出特性理论。并 得出结论：要研制成功单纵模的d b r 光纤激光器，首先要缩短腔长，超短腔的 结构是d b r 光纤激光器保持在单纵模运行的必要条件。在腔长一定的基础上， 提高两个腔镜的反射率乘积有利于减小纵模的线宽。 3 研制了工程化光纤光栅一维温度、应变以及轮辐式压力传感器，并取得了 很好的研究成果。在此基础上采用圆柱体结构研制了光纤光栅三维应变传感器， 对其三维传感特性在理论上进行了分析，并采用有机玻璃和钛钢材料的圆柱体 结构进行了三维传感的实验研究。在研制了多维多参量传感器的基础上，与无 线传感网络技术相结合，在设计实现基于光纤光栅传感的、可对多维环境进行 多参量监测并具有管理及决策功能的无线传感网络系统等方面进行了初步探 讨。 4 设计并研制了单纵模d b r 光纤激光器，通过研究侧压力和弯曲对单模光纤 双折射特性的影响，对激光器基于拍频检测的传感原理