（光学工程专业论文）光纤光栅传感器新型解调技术的研究.pdf

哈尔演理工大学工学硕士学位论文 光纤光栅传感器新型解调技术的研究 摘要 光纤光栅传感信号的解调技术是制约着光纤光栅传感技术发展的关键因 素之一。本文回顾了光纤光栅传感信号解调技术近年来的进展，分析了该技 术领域存在的问题，结合光纤光栅传感技术，针对光纤光栅应变传感系统的 实际需要，对现有光纤光栅传感信号解调技术进行了分类。在此基础上，介 绍了放大自发辐射光源( a s e ) 光源线性边带解调技术，阐述了其工作原理， 并使用该技术进行了温度和应变传感实验。采用了将阵列波导光栅( a w o ) 应 用于光纤光栅传感系统以及使用粗波分复用器件( c w d m ) 线性边带滤波的新 型解调方案。 a w g 由于其强大的复用解复用能力在光纤光栅传感领域有着很大的优 越性。本文阐述了a w g 的结构和工作原理。为了实现a w g 对光纤光栅传 感信号的解调，本文建立了基于a w g 解调的分布式光纤光栅温度传感报警 系统，并使用v c 抖模拟实现了该系统。 c w d m 边带特性解调方案由于其稳定性好、灵敏度高、成本低、能够 实现静、动态传感等诸多优点，有着广阔的应用前景。本文阐述了c w d m 边带特性解调方案工作原理，并对其可行性进行实验验证。实验部分分为静。 态、动态传感实验。应用放大自发辐射光源与c w d m 边带解调结合的技 术，参考磁致伸缩材料的性质，对变化的磁场作用于磁致伸缩材料进而作用 于光纤光栅而产生的应变信号进行解调。静态传感实验对基于磁滞伸缩材料 ( g m m ) 的应变模型输入直流信号，进行静态应变传感；动态传感实验对动 态应变模型输入交流信号，进行动态应变传感。最后确定传感灵敏度，证明 该方案的可行性。 本论文对a w g 解调技术以及c w d m 边带解调技术进行了有意义的、 基础的和实验性的研究，为光纤光栅传感器解调技术的发展提供了新的、有 价值的参考。 关键词光纤布拉格光栅( f b g ) ；解调：阵列波导光栅( a w g ) ；粗波分复用 ( c w d m ) 堕堡量矍三查兰三兰堡圭兰堡丝圣 t h e s t u d yo fn e wd e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g yo f f b gs e n s o r a b s t r a c t s i g n a ld e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g yo ff i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s i n gs y s t e m i so n eo fc r i t i c a lf a c t o r sw h i c hl i m i tt h ed e v e l o p m e n to ff b gs e n s i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , p r o g r e s so ff b gs e n s i n gs y s t e md e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g yi nr e c e n t y e a r sw a sr e v i e w e d ，p r o b l e m se x i s t i nt h i sf i e l d w e r ea n a l y z e d ，a c c o r d i n gt o a c t u a l r e q u i r e m e n to ff b gs e n s i n gs y s t e m ，e x i s t i n gs i g n a ld e m o d u l a t i n g t e c h n o l o g yo ff b gs e n s i n gs y s t e mw e r ec l a s s i f i e dc o m b i n e dw i t hf b gs e n s i n g t e c h n o l o g y , o nt h eb a s i so ft h i s ，d e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g yu s i n g a m p l i f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) l i g h ts o u r c el i n e a rs i d e b a n d sa n di t so p e r a t i o n a l p r i n c i p l ew e r ei n t r o d u c e d ，t e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns e n s i n ge x p e r i m e n t sw e r em a d e b a s e do nt h et e c h n o l o g y d e m o d u l a t i n gs c h e m e sw h i c ha p p l ya l l a y e dw a v e g u i d e g - r a t i n g ( a w g ) t of b gs e n s i n gs y s t e ma n du s ec o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u t i p l e x i n g ( c w d m ) l i n e a rs i d e b a n d sf i l t e rt od e m o d u l a t ef b gs e n s i n gs y s t e m s i g n a l sw e r ep u tf o r w a r do nt h eb a s i so fa g g r e g a t ea n a l y s i so fa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gd e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g y o w i n gt op o w e r f u lm u l t i p l e x i n g d e m u l t i p l e x i n ga b i l i t y , a w gh a sg r e a t s u p e r i o r i t i e si nt h ef i e l do ff b gs e n s i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , s t r u c t u r ea n d o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e o fa w gw a se l a b o r a t e d d i s t r i b u t e df b gt e m p e r a t u r e a l a r m i n gs y s t e mb a s e do na w gd e m o d u l a t i n gw a ss e tu pi no r d e rt ou s ea w g t o r e a l i z ef b gs i g n a ld e m o d u l a t i o n a n di t sw a sr e a l i z e db yv c + + p r o g r a m s i m u l a t i o n d u et os om a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i 。g l ls e n s i t i v i t y , l o wc o s t ，t h ea b i l i t yt o r e a l i z es t a t i ca n dd y n a m i cs e n s i n g ，u s ec w d ml i n e a rs i d e b a n d sf i l t e r i n gt o d e m o d u l a t ef b gs e n s i n gs y s t e ms i g n a l sh a sag o o da p p l y i n gf u t u r e i nt h i sp a p e r , o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fc w d ml i n e a rs i d e b a n d sf i l t e r i n gd e m o d u l a t i o nw a s e l a b o r a t e da n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nw a sm a d e e x p e r i m e n t sw e r ed i v i d e d i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i n t os t a t i cs e n s i n ge x p e d m e n t sa n dd y n a m i cs e n s i n ge x p e r i m e n t s u s ea m p l i f i e d s p o n t a n e o u s e m i s s i o nl i g h ts o u r c ec o m b i n e dw i t hc w d ml i n e a rs i d e b a n d s d e m o d u l a t i o nt od e m o d u l a t e ds t r a i ns i g n a l sw h i c hg e n e r a t e db yc h a n g i n g m a g n e t i cf i e l da c t e do ng i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ( g m m ) c o n s e q u e n t l y a c t e do nf b gr e f e rt oc h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e l o s t r i c t i v em a t e r i a l i ns t a t i c s e n s i n ge x p e r i m e n t s ，d i r e c tc u r r e n ts i g n a l sw e r ei n p u ti ng m ms t r a i nm o d e l ，a n d a l t e r n a t ec u r r e n ts i g n a l si nd y n a m i cs e n s i n ge x p e r i m e n t f i n a l l y , e x p e r i m e n td a t a w a sp r o c e s s e db ym a t l a ba n ds e n s i t i v i t i e sw e r ec a l c u l a t e d ，a n df e a s i b i l i t yo f t h i ss c h e m ew a sd e m o n s t r a t e d m e a n i n g f u l ，f u n d a m e n t a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo na w g d e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g ya n dc w d m l i n e a rs i d e b a n d sd e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g y i n t h i s p a r e r an e wa n dv a l u a b l er e f e r e n c ew a so f f e r e dt od e m o d u l a t i n g t e c h n o l o g yo f f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o l k e y w o r d s f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b o ) ；d e m o d u l a t i n g ；a l l a y e dw a v e g u i d e g r a t i n g ( a w g ) ；c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c w d m ) 1 1 i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光纤光栅传感器新型解调 技术的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立迸行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：叨j 严日期：矽s 7 年；月e t f 7 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 光纤光栅传感器新型解调技术的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 1 乃t 僻 导师签名：丝壶形龟 日期：斌净) 月“日 ， 7 日期：炉弄多月，伯 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是8 0 年代后期产生的。布拉格光 栅的传感原理是基于光纤光栅布拉格波长漂移理论，将被感测信息转化为其 波长的漂移，通过波长解调判断待测量大小。近几年来，作为发展最为迅速 的光纤无源器件之一，光纤布拉格光栅传感器由于其广阔的应用前景而备受 瞩目。 1 9 7 8 年，k o h i l l 等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生的光栅效 应“1 ；1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的gm e l t z 等人用双光束侧面全息 相干法在掺锗石英光纤上研制出世界上第一只布拉格谐振波长位于通信波段 的光纤光栅，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展“3 ；1 9 9 3 年，h i l l 等人发明了相位掩模法和逐点写入法，它们降低了对紫外光源相干性的要 求，重复性好，实现了光纤光栅大规模生产。1 。由于光纤光栅具有许多独特 的优点，例如潜在的低成本；复用能力强，便于构成各种形式的光纤光 栅传感网络，可进行大面积的多点测量；传感元结构简单、尺寸小( 标准 裸光纤为1 2 5 l j a n ) 且重量轻，使它具有了可掩埋性；可同时测量多项参 数；抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作；测量结果具有 良好的重复性；耐温性好( 工作温度上限可达4 0 0 c - 6 0 0 c ) 传输距离 远( 传感器到解调端可达几公里) 。人们将其用于光通信的同时也致力于将其 应用于对各种物理量的测量“”。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用 成果的日益增多，光纤光栅在建筑、石油、医学等行业中得到了深入研究和 广泛应用这使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源 器件之一“1 。光纤光栅的出现，使许多复杂的全光纤通信和传感网络成为可 能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。 无论f b g 传感器元件，还是“庞大”复杂的f b g 分布式传感器阵列的光 纤网络均可以非常方便地植入除了微观物体以外的任何宏观物体，并且对物 体的结构和物理性能几乎不造成任何影响。正因为此，自f b g 问世以来， 对它的研究引起世界各国科学家的广泛关注，已经并且在未来相当长的一段 时间内还将是光学领域研究的热点课题! 随着写入方法不断改进，写入技术 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的日趋完善，f b o 制作成本不断降低并将会进一步大幅下降，并将具有与 通常电子传感器一争高低的可能；并随着基于f b g 的各种功用的智能材 料、灵巧结构装置的研制，f b g 传感器的全面实用化和商用化将成为可 能。 f b g 光栅传感器将被测信号编码在波长中的显著特点，相对于其他基 于光强测量方法来说，具有许多明显的优点，因为波长是恒定参量“1 ，波长 检测就不受光纤连接器、耦合器或光源等的光强水平和损耗的影响。 光纤光栅传感器的波长编码特性及其可复用性是其它类型传感器所无法 比拟的。基于f b g 光栅的光纤传感器在许多方面得到应用，特别是作为植 入式传感器用在智能结构中，来实时检测负载、应变、温度、振动、磁场等 其它参量。因为一根光纤上可以写入多个光栅，并且可以利用多路复用技术 来编址，所以f b g 传感器具有分布式传感测量的能力。 为了实现f b g 传感器的在传感领域的进一步应用，必需研究具有高灵 敏度、高光能利用率、操作简单、价格低廉、使用方便并适用于工程应用的 波长位移检测技术，要求该技术能够快速而准确地检测光栅反射光的波长变 化，即对光纤光栅的波长编码信号进行解调，因此，研究新型的光纤光栅传 感系统的信号解调技术是促进光纤光栅在传感领域的应用发展的关键。 1 2 光纤光栅传感系统解调技术概况 目前光纤光栅传感系统的信号解调装置仍是光谱分析仪，它具有较高的 精度和灵敏度，但它价格昂贵，体积较大，使用条件苛刻，不适合工程现场 使用，因此研究实用的信号解调技术是实现传感的关键。迄今为止，人们己 提出了不少光纤光栅复用信号解调方法，例如：非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉 仪法”1 ，它具有较高的测量灵敏度，但仅适于动态检测，不适于检测静态 量；匹配f b g 可调滤波检测法。1 ，它虽具有较高分辨率，但光路中需使用 较多的耦合器，使系统信噪比比较低；可调窄带光源检测法“，虽然可以获 得很高的信噪比和较高的系统分辨率，但其光栅复用个数和测量范围很有 限，且价格比较高；可调法布里珀罗滤波器( t u n a b l ef i b e rf a b r y - p e r o t f i l t e r ，f f p f ) 解调法“”，具有较宽的调谐范围，可大大提高测量范围和传感 光栅复用个数，但由于光纤f p 腔可调谐滤波器的重复性不好，典型的波 长调谐重复误差为0 1 n m l n m ，对最终传感量的测量精度影响比较大。另外 还有被动解调法“”以及将光纤光栅传感元件用作光纤激光器腔镜实现传感测 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 量“”。 浙江大学信息与电子工程学系对干涉型光纤传感器的相位载波( p g c ) 调制一解调技术进行了研究1 ，分析得出了新的相位载波检测带宽要求，并 在实验室中用相位载波检测方式检测到了较为稳定的模拟传感信号。在多种 干涉型光纤传感器的检测技术中，相位载波方式克服了有源跟踪零差检测中 使用压电陶瓷调相器和复位系统引入较大的附加噪声的不足，适用于无源检 测、遥测和阵列复用，在远距离、恶劣环境、无源检测和复用传感系统中有 很大的应用前景。 香港理工大学电机工程系和南开大学现代光学研究所合作，提出了匹配 光栅调谐光纤激光器波长扫描寻址解调方案“”，即采用光纤光栅作为光纤激 光器的波长调谐元件，微机控制光纤激光器进行步进扫描，并同步采集光电 探测器的输出信号，根据对应于光电探测器最大输出的调谐步数来确定传感 光栅的中心反射波长值。由于光纤激光器的扫描步长较大，此种方法所获得 的波长位移分辨率不够高。为了提高波长位移分辨率，他们对其作了改进 “”。改进方案中，微机控制光纤激光器完成一次扫描过程后，用高斯一牛顿 法对光电探测器输出电压与激光波长之间的关系数据进行曲线拟合，通过拟 合来确定传感光栅的中心反射波长值。这样，便提高了解调分辨率。从而实 现高分辨率的温度及应变测量。 南开大学现代光学研究曾采用波长扫描极值解调法“”实现光纤光栅应变 和温度传感的测量。利用可编程环形腔镜激光器作光源，扫描被测光纤光栅 的反射最大信号，该信号对应的激光器输出波长即表征了被测传感量的大 小。用这一方法即波长扫描极值传感解调法分别对温度及应变导致的光纤光 栅反射波长移动进行测试，应变测量范围为2 4 4 0 p 8 ，灵敏度为 o 0 1 6 s t e p p 8 ；温度测量范围达6 0 8 ，灵敏度为0 ，1 3 s t e p * c 。 干涉型光纤传感器的解调方法主要包括：相位生成载波法、光程匹配差 动干涉法、差动延时外差法。 相位生成载波解调的改进方法“”；参考传感器法。一个参考传感器来监 测光源频率抖动或环境漂移的影响，用于消除由此引入的测量误差。其中一 种方法是用于干涉型光纤传感器，采用了一个参考干涉仪。另一种方法采用 了一个参考f b g ，应用于f b g 测量系统中，通过测量f b g 与参考f b g i ：l 相的 方法消除系统热扰动的影响。北京清华大学精仪系精密测试技术及仪器国家 重点实验室对用于干涉仪光纤传感器的相位生成载波解调技术进行了研究。 在一项m a e h z e h n d e r 干涉型光纤水听器研究中“”，采用两种不同的调制 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 解调技术，p g c 调制解调方式包括光路中相位载波调制的实现和信号检测与 解调电路的设计两个方面。在干涉型光纤水听器系统中可以有两个途径实现 相位载波调制：一是采用p z t 域柱，即外调制，它可以使干涉仪系统达到零 光程差工作，降低了对光源相干性和相位噪声的要求，但由于这种调制不得 不使用电缆，致使光纤水听器结构复杂，体积增大，不利于实现全光纤化和 大规模组阵；二是采用半导体激光器的直接电流频率调和不平衡光纤干涉 仪，即内调制，它的优点是可以省去p z t 调相器从而使水听器能够用于遥 测。但为了把电流引起的频移转换为相对相移，则必须要求干涉仪两臂之间 光程差不为零，从而使半导体激光器频率抖动产生的相位噪声增大，限制了 光纤水听器的最小可检测声压。研究着重分析了用3 3 耦合器组成的干涉型 光纤水听器的解调原理。比较分析了这两种方案的特点，指出采用3 3 耦合 器解调技术是将来构成全光纤干涉型水听器系统的优选方案。 干涉型光纤传感器能够达到极高的灵敏度。可以用来探测微弱的物理 量。实际应用中，必须用适当的信号处理技术自动且线性地将被测信号提取 出来，目前提出的解调技术都要采取下列之一的措施，才能提取出被测物理 量；( 1 ) 扫描激光光源的波长：( 2 ) 用p z t 控制干涉仪的光程差，使之始终处 于正交状态；( 3 ) 用移频器( 如声光调制器) 实现外差；( 4 ) 采用3 3 或4 4 | a 合器使其输出正交或互成1 2 0 0 相位。相对于前三种技术，采用3 3 耦合器来 使干涉仪的输出成1 2 0 0 更可靠和稳定，而且简便实用。从3 3 耦合器的输出 端解调出被测物理量，需要经过复杂的运算，才能提取出干涉信号的相位， 用模拟电路来实现运算，所需电路规模较大、繁杂，且模拟运算的误差较 大，但能实时处理信号。随着近几年计算机硬件技术的进步，用软件来实时 实现这些运算已经成为可能“”软件来模拟实现信号的解调，不仅省去了繁杂 的模拟运算电路，而且达到了极高的解调精度。尤其重要的是，通过软件解 调运算，可得到运算中间各过程的波形图，也可以分析出各种误差和产生误 差的原因，并对硬件解调电路的设计有指导意义。北京理工大学光电工程系 进行了这方面的研究。 美国是光纤传感器研究最早、技术水平最高的国家，以军用为主要目 标，斯坦福大学海军研究室、动力系统公司、s p e e i k i eb a b e c k & w i l c o x 公 司、f i b e r d y n a m i c s 公司、e o t e e 公司、o p t r a 公司在研制与开发光纤传感器方 面享有盛名。 日本、法国、德国、意大利等国都投入了相当大的力量研制和开发光纤 传感器，其中日本的科研成果转化为商品的速度较快。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目前，国外光纤温度传感器可探测至u 2 0 0 0 高温，灵敏度达l 。普 通型光纤温度传感器在一l o 3 0 0 范围，精度为1 - 4 - 3 ，响应时间为 2 s 。利用g a a s 、c d t c 、g a p 等半导体材料获得温度变化而制成的光纤温度 传感器，可获得0 5 的测量精度。用于低温范围的光纤温度传感器，可 测量0 1 的变化。光纤振动传感器在2 0 2 0 0 f i z 时，可感知i 肛m 甚至0 1 m 的振幅。光纤位移传感器测量范围为0 0 5 0 1 2 m m ，分辨率为o 0 1 r a m 。光 纤位移传感器可测位移为0 8 a ，动态范围为1 1 0 d b 。高灵敏度光纤加速度传 感器已研制成功灵敏度为5 1 0 - 1 0 9 ，测量能力小于l p g 。光纤磁场传感器测 量精度为1 0 1 ”g s m 。 国内的传感技术与欧美等国相比，还存在一定的差距，特别是在光纤传 感器的共性基础技术、中间试验技术、生产装备技术方面尤为突出，不能实 现光纤传感器产品的产业化，表现出“研究单位多、生产单位少、研究成果 多、商品化产品少、技术水平高、产品质量低”的状况”1 。 欧美等国光纤布拉格光栅传感器的应用形式主要是以布拉格光栅传感器 采集信息，将布拉格光栅反射波引入光谱仪或干涉仪中提取测量信息，美国 m i c r o n o p t i c s 公司的f b g i s 波长解调仪是这一领域先进技术的代表1 。 需要指出的是，在已知的这些应用中，均无法直接获得所感知的物理 量，更无法将波长变化直接转化为电信号，供其它设备如控制设备的使用。 这无疑是光纤光栅传感器得到广泛应用的一大障碍。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题结合光纤光栅传感技术，针对光纤光栅应变传感网络的系统实际 需要，对目前光纤光栅传感器解调技术进行研究总结，在此基础上，采用了 新型的解调方案，并从理论分析、计算机仿真、实验验证三个方面进行了研 究。主要研究内容如下： 1 阐述阵列波导光栅工作原理，讨论将阵列波导光栅应用于光纤光栅 传感器的可行性，并对阵列的寻址过程进行仿真实验； 2 介绍a s e 光源线性边带解调方案，使用该方案进行温度和应变传感 实验，通过实验数据计算其温度以及应变灵敏度，并通过实验证明应变与输 出电压的线性关系； 3 采用粗波分复用( c o a r s ew a e e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，c w d m ) 线性边带解调方案，阐述其工作的原理，引入基于超磁致伸缩材料( g i a n t 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，g m m l 的应变模型，分别进行静态和动态应变传 感实验，通过实验结果证明该方案可行性。 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感器及其解调技术 自从光纤布拉格光栅出现的2 0 多年来，光纤光栅传感技术得到了快速发 展，并逐渐应用到民用工程领域。由于光纤光栅具有无电磁感应、化学稳定 性高、容量大、精度高等优点，因此它在传感领域中具有广阔的应用前景。 光纤布拉格光栅是将外界环境变化量( 如温度、应变等) 转化为波长漂移 量来实现传感。但目前进行波长检测使用最多的还是造价昂贵的光谱分析 仪，这严重阻碍了光纤光栅传感技术向实用化的发展。为了降低生产成本， 在光纤光栅传感系统中引入解调技术，即精确测量波长漂移的技术，将波长 漂移量转换成光强变化量，用光电接收系统这种廉价的设备就能实现工程上 的应用，因此解调技术是光纤光栅传感系统的关键，直接决定了传感系统的 性能，目前已发展了多种波长漂移的解调技术，这些技术降低了光纤光栅传 感系统的成本，使用方便快捷。 2 1 光纤光栅传感器 2 1 1 光纤布拉格光栅的结构及工作原理 光纤布拉格光栅的结构”如图2 1 所示。入射到光纤布拉格光栅的宽 带光，只有满足一定条件的波长的光能被反射回来，其余的光都被透射出 去。光纤光栅传感的基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅周期对外 图2 - i 光纤光栅结构示意图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f f b g $ g n $ o r 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动，通过检 测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量的测量。 光纤布拉格光栅是在光纤的一小段范围内沿光纤轴向利用紫外线照 射，使纤芯折射率发生周期性变化而形成的芯内体光栅。当一束光通过 光纤照射到光纤光栅时，满足布拉格反射条件的入射光将被光纤光栅反 射回去，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器和 反射镜。如图2 2 所示，宽带光源发出一束光经过3 d b 耦合器分成两束光 强密度大小一样的两束光，其中一束通过光纤光栅，满足布拉格反射条 件的中心波长为以的光波将被反射，通过3 d b 耦合器到达检测端：其余 的光波将通过光纤光栅。当光纤光栅受外界影响时，如应变、温度等， 反射光波的中心波长厶也随之改变。由此可知只要确定波长漂移量和光 纤光栅变化量之间的关系，并实现波长检测，就可以利用光纤光栅实现 传感功能。 b 啦旯脚+ 衄 图2 2 光纤光栅传感原理图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ff b g s e n s o r 由耦合模理论可知，光纤光栅的布拉格中心波长为 a r = 2 n e f f a ( 2 - 1 ) 式中，锯是纤芯的有效折射率，是光栅周期。可见布拉格波长如随n e f f 和a 的变化而变化，而和a 的改变与应变和温度有关。应变和温度分别通过 弹光效应和热光效应影响h 。，通过长度改变和热膨胀效应影响a ，进而使 厶发生移动。 其微分形式可表述为 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 厶厶= 嘿扩谤+ 从 ( 2 - 2 ) 可见能引起折射率或格栅间距发生微扰的物理量均能引起布拉格反射波长的 变化，并被f b g 传感元件所感知。 2 1 2 光纤布拉格光栅传感 2 1 2 1 应变传感当温度恒定时，即a t = 0 ，光纤光栅仅受轴向应变作用， 则由式( 2 - 1 ) 可得轴向应变引起的光栅布拉格波长变化为 a 口。= 2 a a n e t + 2 玎。人 ( 2 2 ) 均匀轴向应变是指对光纤光栅只受到拉伸或压缩应变，则轴向应变可表 示为。” 毛= 己三= ( 2 3 ) 利用材料张量吃与应变系数口的关系”b = 1 8 = 1 打，则得 n 彬= 一a b u 易2 ( 2 - 4 ) 把式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 代入式( 2 - 2 ) 中，有 31 a 口。= 2 a 一等( 士) 】+ 2 n e f f a 哆 ( 2 - 5 ) ”e h 由材料的光弹性质有如下关系” 蝇 f i , b 6 o0 oo 圪0 只2 0 日1 0 0 匕 00 oo 00 00 00 00 巳0 0 匕 岛 乞 岛 0 0 0 式中，丑。、只：、心为光纤的光弹系数，且p * 4 = ( a 。一a ：) 2 。 由于切应变为零，即毛= 岛= 毛= o ，则依据式( 2 - 6 ) ，应变张量矩阵8 d 可用轴向应变占：表示为下式( 2 7 ) 形式 占j = 【- t 8 ；- a s ：占。0 0 o 】1 ( 2 7 ) 式中，为纤芯材料的泊松比。最后得到轴向应变引起的布拉格波长的相对 变化为 旯口。，五日。= ( 1 一，) 占；( 2 - 8 ) 式中，只为有效弹光系数，且 吃晶吃o石兄吃0 = 解鹏必鹏 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 只= i x 珂彬2 只2 一, t ( 只i 一只2 ) 】 ( 2 - 9 ) 二 对掺锗石英光纤，有丑l = o 1 2 1 、最2 = 0 2 7 0 、, i t = o 1 7 、= 1 4 6 ，由式( 2 9 ) 可得只* 0 2 2 。则式( 2 - 8 ) 可写成 旯a ，a b ，= 0 7 8 占： ( 2 - 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可见，布拉格相对波长漂移的应变灵敏度系数为o 7 8 ，为常 数，所以恒温条件下布拉格波长漂移与轴向应变呈理想线性关系。光纤光栅 所允许的应变可达到1 ，即1 0 4 雌，当超过5 时，光纤即发生断裂。 2 1 2 2f b g 温度传感当光纤不受外界应力而温度变化为a t 时，则由热膨 胀效应引起的光栅周期变化a 为” a a = i x 人r ( 2 - “) 式中，a 为光纤材料的热膨胀系数，一般对于掺锗石英光纤，系数口值为 o 5 ，c 1 0 6 c 。由热光效应引起的有效折射率变化为” a n e f f = n e f f 孝丁 ( 2 1 2 ) 式中，善为光纤材料的热光系数，一般对于掺锗石英光纤，其系数善值为 7 0 x 1 0 6 。由式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 可得，由温度变化产生的布拉格波长漂移为 以r a 口r = ( 口+ 善) r = 7 5 1 0 丁 ( 2 - 1 3 ) 可见，在无应变作用时，布拉格波长漂移与温度变化成线性关系。 2 1 3 光纤光栅制作 光纤光栅是在直径约为1 0 微米的单模光纤纤芯及包层上周期性的加上紫 外光条纹。 这些紫外光条纹主要是用波长为2 4 8 n m 或1 9 3 n m 的准分子激光经干涉或 透过相位光照射而成的。干涉条纹将在纤芯形成周期性的折射率变化，当入 射光波波长满足布拉格条件时，其反射光将沿原光路返回而形成光滤波器。 目前为止，光纤光栅的写入技术已经发展的比较成熟了，其中“全息相干法” 和“相位掩模法”是应用最广的两种光纤光栅制作工艺。 1 全息相干法 全息相干法是最早用于横向写入制作光纤光栅的一种方法。此方法是 由一束入射紫外光经过分光镜分成两束相干光，相交于光纤纤芯上，形 成按正弦分布的明暗相间的干涉场，如图2 - 3 所示。光纤经过一定时间的照 射后，纤芯内部的折射率将发生周期性的变化，这种变化的周期和紫外干涉 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 条纹的周期是相同的。干涉条纹间距由两束光的夹角决定。 a=xsms2(2-10) 式中曰为两束光夹角的一半。2 , 1 2 为紫外光波长。 幽2 - 3 全息相干法不意图 f i g 2 3d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f h o l o g r a p h i c a li n t e r f e r e n c e 干涉法的优点是灵活性大，光栅的布拉格波长可以通过改变口角进行调 节，而且所需的光学元器件简单。缺点是对光源的空间相干性和时间相干性 要求比较高，对光路的稳定性也有苛刻的要求。 2 相位掩模法 相位掩模法是将光敏光纤贴紧相位光栅掩模，利用相位光栅掩模近场衍 射所产生的干涉条纹在光纤中形成周期性扰动的折射率，从而形成光纤光 栅。 如图2 4 所示，在紧贴光纤前放置一个石英制作的相位掩模光栅，模板 的材质为石英玻璃，其上表面为光学平面，下表面是在光学平面上通过蚀刻 形成浮雕层。衡量掩模性能的除了尺寸和刻痕的均匀性外，最重要参数是零 级和士1 级的衍射效率，具体地说零级衍射效率越低、士1 级越高则模板的质 量越好。用来制光栅的模板通常要求零级衍射效率小于5 ，而一级衍射效 率大于3 5 。紫外光透过掩模光栅照射光纤上，其一级衍射光束在光纤上形 成条纹，从而将所需结构写入光纤。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 相位模板 图2 4 相位掩模法示意图 f i g 2 4d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f p h a s i cm a s k 相位掩模法的优点是产生的光纤光栅周期为掩模光栅周期的一半，与入 射光无关，因此对光源的相干性要求不高并且稳定、易于准直，重复性好， 可以简化光纤光栅的制作系统，大大降低了制作的复杂性和成本。其缺点为 制作掩模复杂，通用性差。 2 1 4 光纤光栅应用 光纤光栅传感器凭其抗干扰能力强、精度高、结构简单、价格便宜等优 点，使用范围不断扩大，特别是在桥梁、建筑、海洋、油田及航空等工程都 有广泛的应用。除此之外，光纤光栅传感器在其它领域如电力、医学、化学 中也有很好的发展。 1 。电力工业中的应用 光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可以实现长距离低损耗传输，从而 成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电 流、高电压等都可利用光纤光栅传感器测量。其中载重量可以通过测量导线 的轴向应变而实现：变压器温度可以利用光纤光栅温度传感器实现；而测量 大电流、高电压时，则需要把待测量转化成应变量进而利用应变传感器实 现。 2 工程结构中的应用 工程结构检测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的。通 过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及健康状况。光纤光 栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋人结构中，对结构同时进行健康检 测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另 外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，组成一个准分布式检测 系统，对系统的整体结构实施在线检测。除此之外，我们还可以通过计算机 对传感信号进行远程控制。 3 航空航天领域的应用 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、 温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用 的传感器超过1 0 0 个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传 感器只有l 根光纤，敏感元件( 光栅) 制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优 点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。美国国家航空和宇宙航行局对 光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机x 3 3 上安装了测量应变 和温度的光纤光栅传感器网络。”。 4 石油化工业中的应用 石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸如油气罐、油气 井、油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全 性非常适合在石油化工领域里应用。美国马里兰州大学工程学院灵巧材料和 结构研究中心用光纤光栅开发了一个分布式氢气泄漏传感系统，系统中有4 0 个光纤光栅氢气传感器。 5 在医学中的应用 医学中用的传感器多为电子传感器，它对许多内科手术是不适用的，尤 其是在高微波( 辐射) 频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中，由于电子 传感器中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起传感部分或 肿瘤周围的热效应，从而导致传感器读数错误。为测定高频辐射或微波场的 安全性，需用超声波传感器检测一系列医疗( 包括超声手术、过高热治疗、 碎结石手术等) 中所用的超声诊断仪器的性能。近年来，使用高频电流、微 波辐射和激光进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注。而且传感 器的小尺寸在医学应用中是非常重要的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较 小，光纤光栅传感器是目前为止能够做到的最小的传感器。光纤布拉格光栅 传感器能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波 场的精确局部信息。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于光纤光栅的光纤传感器，其传感过程是通过外界参量( 如温度、压 力等) 对布拉格中心波长的调制来实现的。与其他类型的光纤传感器相比， 光纤布拉格光栅对外界干扰不敏感，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，在许多工程领域有重大的应用价值，因而具有很好的应用前景。可以预 见，随着制作技术的日益成熟和性能的不断提高，光纤光栅传感器必将在传 感应用领域中体现出巨大的活力。 总之，光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的 发展前景，而其传感的关键技术解调与复用技术具有一定的发展，但离实用 化还有一定的距离。 2 2 光纤布拉格光栅传感器的解调技术 光纤光栅传感器目前的解调技术大体可分为滤波法、干涉法、有源检测 法和可调谐光源检测法，可调f - p 滤波器解调法、边缘滤波解调法、匹配 f b g 可调滤波解调法、体全息滤波器解调法和副载波调频滤波法等方法属 于滤波法，非平衡m z 干涉仪法属于干涉法。另外还有色散法，由于其实 用性不强，应用范围较窄，不适于工程测量，这里不作介绍。 1 滤波法 使用滤波法作为光纤光栅传感系统解调技术的方法很多，有传统的体滤 波器法、一维滤波器法、可调f p 滤波器法、边缘滤波法以及匹配f b g 可 调滤波检测法。 ( 1 ) 可调光纤f - p 滤波器解调法 可调f p 滤波解调法用可调光纤带通滤波器取代比较光路，对一串 f b g 传感器迸行查询，可算得上光纤光栅传感技术发展的一次突破。 图2 5 所示为接收端使用可调光纤f p 滤波器检测的分布式传感器的方 案“。宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅阵列后，被各光栅反 射，又经耦合器送到f f