（光学工程专业论文）光纤光栅传感与解调技术研究.pdf

l p 南京| 1 1 i ；电火学顷一l j 研了生学位论文 摘要封面 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工科光学工程 研究方向：光纤通信与光波技术 作者：代森 指导教师：黄勇林教授 题目：光纤光栅传感与解调技术研究 l i i ii i ii i ii i ii i i ii iiiil 17 5 5 4 6 5 英文题目：s t u d yo nf 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 n t e c hn o l o g y 主题词：光纤布喇格光栅，开口环结构，光纤光栅传感器，s a g n a c 环镜，温度补偿。 k e y w o r d s ：f b g ，o p e nl o o ps t r u c t u r e ，f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r , s a g n a c l o o pm i r r o r , t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 南京邮i 乜人学硕：j _ f t f j 生学位论义摘要 摘要 光纤光栅( f i b e rg r a t i n g ) 是一种新型的光无源器件。在光纤的纤芯建立一种空间折 射率周期分布的结构，光纤光栅就能够改变或控制在纤j 藩传播的光的行为。光纤光栅的独 特性质使它在传感领域得到广泛的应用，目前已报道的光纤光栅传感器可以检测温度、应 变、压力、位移、压强、加速度、电流电压、磁场、频率、震动等物理量，甚至可以用光 纤光栅组成传感矩阵，应用于大面积的实时测量。作为种光子领域的新兴技术，利用光 纤光栅作为传感器件的传感技术正受到普遍的关注，各国也正在积极开展有关的研究工 作。 光纤光栅作为传感器件，传感信息都是用波长编码的。如何把波长所携带的信息解调 出来，这是光纤光栅传感应用所必须要解决的问题。 本文主要以布喇格光纤光栅为研究的对象，对其传感技术和解调技术进行了理论和实 验的研究。本文主要内容有： 1 概括介绍了光纤光栅的发展史，光纤光栅制作技术概要、光纤光栅传感技术以及解 调技术的概要，系统的对本文所做工作的背景进行介绍。 2 对光纤光栅的耦合模理沦进行了系统的介绍，从m a x w e l l 方程推演出均匀光纤布喇 我们把光纤环镜 n a c 环镜， 南京l l j i j 电人学坝一i j 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t f b g ( f i b e rg r a t i n g ) i san e wo p t i c a lp a s s i v ec o m p o n e n t b yc r e a t i n gap e r i o d i cr e f r a c t i v e i n d e xd i s t r i b u t i o ns t r u c t u r ei nt h ef i b e rc o r e ，f i b e rb r a g gg r a t i n gc a nc h a n g eo rc o n t r o lt h es p r e a d 麓 b e h a v i o ro fl i g h tt h r o u g ht h ef i b e r t h eu n i q u en a t u r eo ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n gc a nb eu s e di n t h es e n s i n gf i e l d n o wi ti sr e p o r t e df i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r sc a nd e t e c tt e m p e r a t u r e ，s t r a i n ， p r e s s u r e ，d i s p l a c e m e n t ，p r e s s u r e ，a c c e l e r a t i o n ，c u r r e n ta n dv o l t a g e ，m a g n e t i cf i e l d ，f r e q u e n c y , v i b r a t i o na n do t h e rp h y s i c a lq u a n t i t i e s ，s o m et i m e st h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gc a nm a k eu ps e n s i n g m a t r i xa n db ea p p l i e dt ol a r g e s c a l er e a l t i m em e a s u r e m e n t t h e r e f o r e ，a sa ne m e r g i n gp h o t o n f i e l dt e c h n o l o g i e s ，t h eu s eo ff i b e rb r a g gg r a t i n ga sas e n s i n gc o m p o n e n to ft h es e n s o r t e c h n o l o g yb e c o m e sau n i v e r s a lc o n c e r n ，m a n yc o u n t r i e sa r ea l s oa c t i v e l yc a r r yo u tr e l e v a n t r e s e a r c hw o r k f i b e rb r a g g g r a t i n g a sas e n s i n gc o m p o n e n t ，t h es i g n a l si sc o d e db yt h ew a v e l e n g t h ，s oa l l t h em e a s u r e dp h y s i c a lq u a n t i t i e sa r ef i r s tc o d e di nt h ef o r mo fs i g n a lw a v e l e n g t h h o wt o d e m o d u l a t et h es i g n a lf r o mt h ew a v e l e n g t h ，w h i c hm u s tb ef i r s ts o l v e db e f o r ef i b e rg r a t i n g s e n s o ra p p li c a t i o n s i nt h i sp a p e r , w et a k et h ef i b e rb r a g gg r a t i n ga st h eo b j e c to fs t u d y , a n ds t u d yi t ss e n s i n g t e c h n o l o g ya n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s m a i n c o n t e n t so ft h i sa r t i c l ea r e ： 1 w eo u t l i n et h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n g ，o v e r v i e wf i b e rg r a t i n g p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g ya n das u m m a r yo fd e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e s ，a n ds y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b et h eb a c k g r o u n d so f o u rw o r k s 4 、 2 w e s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h ec o u p l e dm o d et h e o r yo ff i b e rg r a t i n g ，f r o mt h e m a x w e l le q u a t i o n st od e d u c et h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fu n i f o r mf i b e rb r a g gg r a t i n g ，a sw e l l ，w e b r i e f l yi n t r o d u c ef o u r i e rt r a n s f o r ma n a l y s i sm e t h o da n dt r a n s f e rm a t r i xa n a l y s i sm e t h o d 3 w ed e s i g na no p e nl o o ps t r u c t u r ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ，a n da n a l y z et h es t r a i n e f f e c ti nt h e o r y t h es t r a i na n d t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es e n s o ri sa l s os t u d i e di n e x p e r i m e n t 4 w eh a v em a d eaf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e d ，u s i n gt h ee d g e v 南京l | | i j b 人学颂j j 研究生学位论文 a b s t r a c t f i l t e rn a t u r eo fh i g hb i r e f r i n g e n c ef i b e rr i n gm i r r o ra ss i g n a ld e m o d u l a t i o no ff i b e rg r a t i n g i n o r d e rt oe n h a n c et h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m ，w ep a s t ea p a r to ff i b e rl o o p m i r r o ro nt h ep l e x i g l a s st oa c h i e v et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n k e y w o r d s ：f b g , o p e nl o o ps t r u c t u r e ，f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r , s a g n a cl o o pm i r r o r , p t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 伽 南京邮r 乜人学顺：j j 研究生学位论义口录 目录 摘要4 a b s t r a c t 5 目录7 第一章绪论1 1 1 光纤光栅的发展史1 1 1 1 光纤光栅的分类1 1 1 2 光纤光栅的制作技术3 1 2 光纤光栅传感技术基础6 1 2 1 光纤光栅的温度传感8 1 2 2 光纤光栅的应变传感8 1 2 3 光纤光栅的交叉传感1 0 1 3 光纤光栅传感信号的解凋技术1 1 1 3 1 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解凋法1 2 i 3 2 非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉解调法1 3 1 3 3 基于光纤f a b r y p e r o t 滤波器解调法1 4 1 3 4 匹配光栅滤波法1 4 1 4 课题背景和本论文主要内容1 5 第二章光纤光栅的理论分析方法1 7 2 1 耦合模方程h 引1 7 2 2 耦合模公式在周期性皱阶波导中的应用1 9 2 3 均匀周期光纤光栅的耦合模方程解析解2 3 2 4 傅立叶变换和传输矩阵分析法2 5 第三章一种光纤光栅传感器的设计2 8 3 1 应变特性分析2 9 3 2 温度特性分析3 3 第四章光纤光栅传感器解凋技术及研究3 5 4 1 萨格奈克( s a g n a c ) 干涉解调法3 5 4 2 边沿滤波解调法3 6 4 3 基于温度补偿的高双折射光纤环镜的边缘滤波解调方法3 8 4 3 1 高双折射光纤( s a g n a c ) 环镜滤波器干涉原理3 8 4 3 2 双折射光纤环镜的温度补偿原理4 1 4 3 3 基于温度补偿的高双折射光纤环镜的边缘滤波解调实验4 2 总结与展望4 8 参考文献4 9 致谢s 2 攻读硕士学位期间发表的论文5 3 、 南京邮 u 入学坝二l j 研究生学位论文第一章绪论 1 1 光纤光栅的发展史 第一章绪论 1 9 7 8 年，加拿大的k 0 h i l l 等人在掺锗光纤中，采用4 8 8 n m 的氩离子激光在光纤中 产生驻波干涉条纹，这种干涉条纹改变了光纤光栅纤芯的折射率分布，从而成功的制作 ， 出世界上第一根光纤光栅，又称“h i l l ”光栅。在以后的十年里，光纤光栅因为成栅技 术的原因发展缓慢，直到1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人心利用西束干涉的紫外光从光纤的 侧面写入光栅，解决了光栅制作困难等技术问题，光纤光栅的研究才得以飞速的发展； 经过二十年的发展，光纤光栅的写入技术不断得到发展，各种各样的特种光纤也被研制 出来，光纤光栅目前已经达到了商用化的程度。近些年来光纤光栅在光通信、光纤激光 器和光纤光栅传感器等领域的应用已经得到了人们的高度重视，并取得了令人瞩目的成 就。随着光纤光栅技术的不断发展，基于光纤光栅的各种光子学器件层出不穷，如光纤 激光器、光纤滤波器、光纤波分复用解复用器、光纤光栅色散补偿器等，光纤光栅以其 造价低廉、稳定性好、体积小、易于光纤相连接、抗电磁干扰能力强等优点被广泛的应 用在光纤通信和光纤传感等各个领域。 光纤光栅是光纤器件中的一种无源器件，其实质就是在光纤中建立了一种周期性的折 射率分布，能对特定波长的光具有反射或者透射的功能。光纤光栅作为传感器件，其特 点是传感的信号是用波长进行编码的，从而克服了强度调制传感器必须对光纤连接器和 耦合器损耗进行补偿，必须使光源输出功率稳定等缺点。同时光纤光栅能通过设计敏感 结构进行非光学物理量的测量，如温度、压力、震动、磁场、电流电压等。因而光纤光 栅传感技术，具有重要的研究价值，将会得到更深入的研究。 1 1 1 光纤光栅的分类 光纤光栅从光栅的折射率分布特性方面可以大致分为以下六种： 1 均匀周期光纤布喇格光栅1 均匀周期光纤布喇格光栅是最早被研究出来，也是光纤光栅中最为常用的一种。这种 光栅周期一般为1 0 2 n m 量级，折射率调制的深度一般为l o 一1 0 一，光栅的波矢方向与光纤 ， 南京i | | | f f 乜人学硕士研究生学位论义笫章绪论 轴向方向一致。这种光纤光栅其有较窄的反射带宽和较高的反射率，其反射带宽和反射 率可以根据需要通过改变写入条件进行调节。目前在光纤通信和光纤传感领域的应用非 常广泛，如光纤激光器、光纤传感器、光纤光栅复用解复用器等。 2 嘣啾光纤光栅 啁啾光纤光栅的特点是栅格间距不是常数，而是沿着光纤轴向变化的；由于不同的栅 格周j 坍x , j - 应着不同的反射波长，所以反射型光纤光栅具有反射带宽较宽的特点，最多的 达到几十纳米，远远大于均匀周期光栅的带宽。常用的啁啾光栅是线性啁啾光栅，这种 光栅栅格间隔沿轴向是线性变化的。啁啾光栅具有的反射潜带宽宽和稳定的色散的特点， 被广泛的应用于窄带带通滤波器、色散补偿器等n 5 l 。 3 长周期光纤光栅 长周期光纤光栅的特点是栅格周期相对于布喇格光栅比较大( 一般达到几百微米) 、 栅格问距均匀的光纤光栅。它是一种透射型光纤光栅，其作用是把特定波长的光耦合到 包层中损耗掉，从而在透射谱中形成宽带损耗峰。所以利用这一特性，通过选择适当的 光栅周期，长周期光栅可以把一定波长的光损耗掉而不存在反射，因而是一种性能优异 的波长选择性损耗元件。长周期光纤光栅被用于掺铒光纤放大器( e d f a ) 中作为增益平 坦元件1 ；同时长周期光纤光栅损耗峰会因外界应变和温度的影响而变化，是一种理想的 传感元件口1 。 4 超结构光纤光栅确，鲫 超结构光纤光栅特点是利用方波函数对光纤布喇格光栅或啁啾光栅的折射率分布进 行调制而形成的，光栅的反射谱有一组分立的反射峰。由光纤布喇格光栅调制而成的超 结构光纤光栅的反射谱中，具有各反射峰的波长间隔相等的特征，因此这类超结构光纤 光栅可以用于梳状滤波器和多波长光纤激光器领域。由啁啾光栅调制而成的超结构光纤 光栅在波分复用光纤通信系统中的色散补偿方面有潜在的应用价值，可以用同一根这种 超结构光纤光栅实现多信道的同时色散补偿。 5 相移光纤光栅n 引 相移光纤光栅的特点在布喇格反射带中打开了透射窗口，光栅具有很高的波长选择 性，而且窗口的位置可以随相移量的大小而改变。这些特性是通过破坏均匀周期光纤光 栅折射率分布连续性，在均匀周期光纤光栅的特定点上引入相移而形成的。相移光纤光 栅可用于制作窄带带通滤波器：同时通过选择适当的相移点位置和相移量，能使长周期 光纤光栅更好的满足e d f a 增益平坦的需要。 南京邮电大学顺二i j 研究生学位论文 第一章绪论 6 闪耀光纤光栅 闪耀光纤光栅的特点是光栅的周期和折射率调制深度虽然均为常数，但是光栅的波矢 方向与光栅的轴向方向不一致，有一定的夹角。这种光栅彳i 但能产生反向导波模，而其 还能将基模耦合到包层中耦合掉。利用包层模幅合形成的宽带损耗特性，可用于e d f a 的 增益平坦1 ；当光栅法线与光纤轴向夹角较小时，还可以用作空问模式耦合器。 1 2 光纤光栅的制作技术 自从1 9 7 8 年第一根光纤光栅在掺锗光纤中成功制作出来以后，光纤光栅的制作技术 已经得到了长足的发展，已经研发出了多种写入技术。目前，采用适当的光源和光纤增 敏技术，几乎可以在各种类型的光纤上根据需要写入光栅。常用的光纤光栅制作技术主 要有以下几种： 1 横向干涉法n 2 1 这项技术是利用两束相干光形成的干涉条纹对光纤进行曝光，在光纤中形成光栅。这 种全息相干法最早应用于横向写入制作光纤布喇格光栅，其工作示意图如图1 1 ，结构类 似于m z 干涉仪。 图1 1 横向干涉法制作光栅示意图 入射光经过分光镜分成两束，经全反射后相交于光纤上，产生干涉场，形成正弦分布 的明暗相问的干涉条纹；被曝光的光纤在干涉条纹的影响下，在纤芯内部引起和干涉条 纹同样分布的折射率分布，从而在光纤纤芯中形成正弦分布的光栅。 横向干涉法的优点是：突破了纵向驻波法对布喇格中心反射波长的限制，人们可以通 过改变两束光的夹角或者旋转光纤方便地改变光纤光栅反射光的布喇格中心反射波长： 若光纤以一定的弧度放置于干涉场中，则又可以得到啁啾光纤光栅。 南京| i | i f 电火学硕二l 研究生学位论义第一章绪论 但这种方法也有缺点：全息相干对光源的空问相干性和h 寸阳j 相干性的要求苛刻，要得 到准确的布喇格中心反射波长，对光路的调整需极高的精度；f 司时全息相干法需要一定 的曝光时间，这就要求光路在一定的时r ：i j 内是高度稳定的，甚至波长量级的扰动都会造 成光路的错位，恶化相干效果。 2 相位掩模成栅技术n 叫 相位掩模成栅技术实现的原理如图1 2 ： 熔融石多 相位摸板 图1 2 相位母版制作光纤光栅原理图 光纤 这种方法的特点是使用了相位掩模板，又称母板。这种掩模板是在石英硅衬底上刻制 而成的周期为人的相位光栅，可以用全息曝光或者电子曝光结合反应离子束刻蚀技术制 作而成。相位掩模板对衍射光束进行分离，理想的相位掩模板可使相位光栅的零级衍射 为零，正负一级的衍射最大。当紫外光垂直照射到相位掩模板上式，在紧靠掩模板后面 可以得到间距为人2 的光栅衍射图样，从而在模板后面的紫外光敏光纤上形成间距为 人2 的光纤布喇格光栅。 这种方法制作的光纤光栅栅格间距与光源的波长无关，而只与相位光栅的间距有关 系，因此对光源的相干性要求很低，提高了成栅的效率和光栅的质量。但是这种方法所 需掩模板的制作是很复杂的。 这种方法大大简化了光纤光栅的制作过程，适用于光纤光栅的大批量生产，是现有光 纤光栅制作技术中很有前途的一种技术。 4 南京邮l u 大学硕j j 研究生学位论文第一章绪沦 3 逐点写入法 这种方法是将聚焦的激光束投射到由精密机械控制位移的光纤上，通过轴向移动对光 纤逐点曝光，使纤芯的折射率形成周期性分布。该方法灵活性好，光栅的参数可以测控， 很适合于在线写入光栅。由于这种技术需要复杂的聚焦光学系统和精确地位移控制技术， 因而光栅的制作耗时长，成栅的效率低，无法制作出一阶反射波位于1 5 5 0 n m 附近的光纤 布喇格光栅。 在原则上该方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极端的高反射率的光纤光 栅。但是在实际的应用中，受步进电机及其传动机构精度的限制，一般只用于长周期光 栅的制作。 4 相位掩模投影成栅法 这是相位掩模成栅法的一种改进方法，其实现的原理如图1 3 ： 图1 3 掩模投影成栅法原理图 在相位掩模成栅技术中，虽然可以调整产生光栅的两束相干光的路径长度，但是条纹 的间距随相位掩模板到光纤之间的距离会发生显著地变化，所以记录下的光栅周期也是 不确定的：同时在相位掩模成栅技术中，光敏光栅与掩模板紧紧相贴，激光辐射在使光 纤成栅的同时，也会损伤掩模板。为了避免以上的弊端，人们对相位掩模成栅技术进行 了如图1 3 的改进，在相位掩模板和成栅光纤之间插入了一个1 0 倍的圆柱形透镜，从而 使光纤成栅更容易，同时减少了对掩模板的损害。 南京邮l 乜人学坝一i ： o i - 究生学位论文第一章绪论 5 唰i 瞅光栅成栅法 上丽介绍的光纤光栅制作方法可用于均匀光栅或线性调制啁啾光栅的制作，由于啁啾 光纤光栅在色散补偿系统中表现出的巨大潜力，各种专门用于制造啁啾光栅的方法也被 提出来了： ( 1 ) 两次曝光法n5 1 ：这种方法采用简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路，第一次曝光 在光敏光纤上并不形成光栅，而仅形成一个渐变的折射率梯度；第二次曝光过程是在第一 次曝光区域上继续写入周期均匀的光栅，两次效应叠加就构成了啁啾光栅。这种方法的优 点是采用了简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路，制作方法简单。 ( 2 ) 光纤弯曲法n 引：这种方法就是在均匀光纤光栅的制作过程中在光纤中引入机械变 形，由于光纤的弯曲角度是渐变的，引起了成栅周期的渐变。这种方法简单易行，但是引 入的啁啾量不能过大，否则会引起导模耦合成包层模造成附加的损耗。 ( 3 ) 锥形光纤法n 引：首先在锥形光纤两端施加应力使之发生形变，然后保持这种形变， 曝光写入均匀周期光栅：当应力释放后，由于锥形光纤各部分的伸长变形时不同的，造成 光栅周期的轴向发生不均匀的变化，形成啁啾光栅。同样，也可以现在锥形光纤中写入均 匀周期光栅，然后在光纤上施加应力，能得到同样的结果。 6 长周期光栅成栅法 目前制作长周期光纤光栅最常用的方法是掩模法，可以制成6 0 m l m m 范围内变化的 光栅，而且这种方法最大的优点是对光源的相干性没有要求。另外一种重要的方法就是逐 点写入法，利用精密的机械控制光纤运动位移，每隔一个周期就曝光一次，通过控制光纤 的移动速度就可以写入任意周期的光栅；这种技术的缺点则是需要复杂的光学聚焦系统和 精确的位移移动控制技术。 目前光纤光栅的写入方法还在不断地发展和进步当中，许多新的技术也在不断地出现， 如在线成栅法、光纤刻槽拉伸法、微透镜阵列法等。 1 2 光纤光栅传感技术基础 由于具有一系列优良的特性，光纤光栅被广泛的应用于传感器的设计。光纤光栅的信 号是用波长编码的，若要进行非光学物理量的测量，如温度、压力、震动、磁场、电流电 6 南京邮电大学硕- j ：研究生学位论文第一章绪论 压等，需先把这些物旦巳量转变为波长信号。目前光纤光栅传感器的设计主要集中在温度传 感和应变传感两个领域。 由祸合模理沦n 刚知：当满足相位匹配条件时，光栅的布喇格波长为： 九= 2 n 。s s 人 ( 1 1 ) 式中：以为布喇格波长，n 研为光纤传播模式的有效折射率，a 为光栅周期。 布喇格波长的峰值反射率和透射率为： 脯a 曲2 ( 等三卜础t ( 等_ 2 ， 式中a n 是折射率最大变化量，是光栅长度。由( 1 2 ) 可以看出，a n 越大，反射 率越高；三越大，反射率越高。 如图1 4 所示，当一个宽谱的信号输入到带有光栅的光纤后，经过光栅就会有满足布 喇格条件波长的光被反射回来，而其他波长的光将会透射过去。 图1 4 光纤光栅传光原理 反射波的中心波长五，与光栅周期a 和纤芯的有效折射率n 有关，所以当外界的被测 量参量引起光纤光栅的温度和应力改变，会导致反射光中心波长的变化，可以通过光纤光 栅反射光中心波长的变化来映射外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长移动量与 温度和应变的关系为： 等2 ( 吁+ 孝) 仉( 卜e e ) 血 ( 1 - 3 ) 式中：吁= 1 人筹为光纤的热膨胀系数，f = 告鱼d t 为光纤材料的热光系数，= 一去安 为光纤材料的弹光系数。 南京邮f u 人学顺i j 研究生学位论文第一章绪论 1 2 1 光纤光栅的温度传感 忽略外界应力的影响，温度变化引起光纤光栅反射波长的变化n 引，由( 1 - 3 ) 可推出： 竽：( 口+ 孝) r 乃 “ ( 1 _ 4 ) 由上式可以看出，以与丁之问呈线性关系，通过测量光纤光栅反射波长的移动九， 便可以确定环境温度的变化丁。将上式变形可得光纤光栅的温度灵敏度系数： 丝 巧= a 么丁= 吁+ f ( 1 5 ) 对于普通的光纤，如掺锗石英光纤，口，= 0 5 x 1 0 巧。c ，孝= 7 0 x l o _ 6 。c ，可以估算 出常温下以掺锗石英光纤为基底的光纤光栅的温度灵敏度系数大约为7 5 x1 0 “o c 。 由前面的分析可见，若要是把光纤光栅应用于实际的传感，必须对光纤光栅进行增敏， 现有的方法一般是将其封装到热膨胀系数大的基底材料上。若基底材料的热膨胀系数为 ，且口，口，则粘贴后光纤光栅反射波长随温度的变化关系为： 等书+ ( 1 刊叫盯 ( 1 - 6 ) 式中：以为光纤的弹光系数。般情况下可以忽略口，把( 卜5 ) 式写为： 砧 k r = 么丁= 孝+ ( 1 一以) ( 1 7 ) 即为封装后光纤光栅的温度灵敏度系数。 常用的基底材料是热膨胀系数较大的金属材料、聚合物材料、合金材料等；常用的封 1 2 2 光纤光栅的应变传感 忽略环境温度影响，光纤光栅在受到压力或应力作用时， 变化啪1 ： a a = 人乞 8 轴向应变引起的光栅栅距的 ( 1 8 ) 南京i | | | 咆大学顺j ：硎宄生学位论文 第一章绪论 1 段哎光栅仅仪义剑轴向应力的作用，温搜场和均匀场都保持恒定不焚， 变化可以由弹光系数矩阵弓和应变张量矩阵s 表示： = 耔”啦，3 ， 式中：( i = l ，2 ，3 ) 分别表示x ，y ，z 方向。 由于剪切应力为零，毛= 毛= = 0 ，应变张量矩阵占，则表示为： 0 = 卜哆一垤：乞0 0 o 7 只，= 片 只： 片： 只2 彳。 彳： oo oo oo 鼻2 000 只2 000 片1 000 0 只4 00 00 只4 0 000 只。 有效折射率的 ( 1 - 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 式中：弓是弹光系数，y 是纤芯材料泊松比，对于各项同性的材料，巳= ( 片。一只：) 2 。 由于剪切应变的存在，故考虑弹光张量中f ，= 1 ，2 ，3 的矩阵元，此时弹光张量可简化为： i l l 厂 。薹麓乏黧 = 一扣m y = 一扫分懈m 2 ) t 定义有效弹光系数e 为： = 丢甩 片：y ( 片，+ 只：) 】 ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 1，_1i 日片彳 2 l 2舅暑暑i片片只 。l i i p 南京邮l b 大学倾+ l j 研究生学位论义第一章绪论 则得应变灵敏度系数为： 厶 了， 疋2 卅一只 ( 1 1 6 ) 举典型的掺锗石英光纤为例，鼻l = o 1 2 1 ，舅2 = 0 2 7 0 ，v = 0 1 7 ，因此得只= 0 2 2 ， k 。= 0 7 8 。 则光纤光栅应变测量的一般公式，即裸光纤光栅应变测量的计算公式为： 以= 0 7 8 t 九 ( 1 1 7 ) 若沿轴向施加拉力，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为： 1 尸 2 es ( 1 1 8 ) 式中e 为光纤的杨氏模量，s 为光纤的横截面积。 则拉力，所引起的布喇格波长的变化为： 以= 去考( 1 一) 以 ( 1 1 9 ) 1 2 3 光纤光栅的交叉传感 在以上的讨论中，我们都假设温度或应变有一个是恒定的，但实际的情况却并非如此。 在光纤光栅传感器的使用过程中，不可避免的会发生温度和应力同时变化的情况：测量温 度( 或应变) 时，应变( 或温度) 也是同时变化的，造成两个测量参量相互影响，造成测 量偏差，甚至会影响传感器的正常使用，这就是光纤光栅传感器交叉敏感问题。 把( 1 - 7 ) 和( 卜1 6 ) 代入( 1 - 3 ) ，可得： 警：k s + k r a t ( 1 2 0 ) ( 卜2 0 ) 包含了两个参量，描述了波长变换与应变和温度之间的关系。若要解( 卜2 0 ) ， 就必须要构成关于占和丁的二元一次方程组，这就是光纤光栅的交叉敏感问题解决方案的 设计原理。 目前解决光纤光栅传感交叉敏感的方案有许多，但主要分为三大类：双光栅法，双参 南京邮c 乜大学l , h i _ t ：t i j f 究生学位论文 第一章绪论 量法和应变( 温度) 补偿法。 ( 1 ) 双光栅法心：这种方法利用两个具有不同中心反射波长的光栅，利用两者不同的 应变和温度特性来实现对应变和温度的nh , - j - n。当两个波长和如同时对应变和温度敏 感，则( 卜2 0 ) 可由下面的矩阵方程表示： 睇州乏甜陶 乙， 其中系数矩阵k 可以通过实验测定，而且要满足k 。蜓：砗。坼：。因此只要测得a 和 无的大小，就可以通过矩阵运算求得光纤光栅所受应变和温度的变化。基于这种方法的 方案有双波长叠加f b g 法、双周期法、不同阶数衍射光法、偏振回旋滤波法等。 ( 2 ) 双参量法乜引：这种方法的基本思想与双光栅法大体相近，不同之处在于矩阵中采 用的两个参量中至少有一个是非波长参量。当两个参量“- 和“z 同时对温度和应变敏感 时，( 卜2 0 ) 可以用矩阵方程表示为： 。a。“u：1，“u：tj：。ikku。g：l惫：azlt占 。1 2 2 ， 式中：k 。和k r 分别表示物理量u 的应变和温度灵敏度系数，由上式可知通过检测物 理量“的变化，便可以实现应变和温度的同时区分测量。 ( 3 ) 应变( 温度) 补偿法：这种思想就是通过对光纤光栅传感单元特殊设计，使其对 应变( 温度) 不敏感，或者借助其他的传感手段实现对其中应变( 温度) 的测量，从而达 到同时测量的要求。基于该思想的方案有不同光纤对接法、不同包层直径法、啁啾光栅法、 主动温度补偿法等。 光纤光栅用于传感器的方法也在不断地研究之中，一些更精确更稳定的应用技术将会 不断地涌现。 1 3 光纤光栅传感信号的解调技术 光纤光栅的传感信息采用的是波长编码，波长的变化表征了被测物理参量的变化。如 何检测传感光栅布喇格波长的微小变化则是光纤光栅用于传感所面临的关键问题。实验室 所采用的一些解调仪器价格高、体积大、扫描速度慢，远远不能满足现实对信号解调的要 南京邮电人学硕一i j 研究生学位论文第一章绪论 求，一些简便易行、实时性好的解凋方案被提出来。这些方案主要有：非平衡扫描迈克尔 逊干涉仪解调法、非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉解渊法、基于光纤f a h r y p e r o t 滤波器解调 法、匹配光栅滤波法等。 1 3 1 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解调、法【2 3 l 迈克尔逊光纤干涉系统是基于传统的迈克尔逊干涉原理制成的，它的两个干涉臂尾端 带有铝膜反射镜。来自传感光栅的光波进入非平衡扫描迈克尔逊干涉仪( 干涉仪的短臂缠 绕于受锯齿波信号驱动的压电陶瓷上) ，输出信号经探测器接收后变为电信号，适当处理 后与压电陶瓷的驱动信号分别作为待测信号和参考信号一起输入相位计。调整驱动信号的 幅值以及直流电平的大小，使干涉信号变换的频率与参考信号的频率一致，此时相位计所 显示的值与施加在传感光栅上的待测应变的大小有关，其原理图如图1 5 。 镜 面 耦合器 传感光栅 图1 5 扫描迈克尔逊干涉法解凋实验装置原理图 假设环境温度不变，应变使得光纤光栅出现波长漂移，其相对漂移量九九与轴向应 变t 成正比，即： 九九= ( 1 一p 。) q ( 1 2 3 ) 式中p 。为有效弹光系数。若干涉仪臂长差为l ，纤莓折射率为n ，则波长变换引起的两 臂间相位差变化为： 1 2 1 3 2 非平衡m a c h z e h n d e r 干涉解调法f 2 4 ，2 5 】 这种解调法的实现方法如图1 6 。从宽普光源发出的光经过一个2 x2 的耦合器后传输给 光纤光栅探头，经过光纤光栅探头返回的光再次进入耦合器，作为有效输入光进入非平衡 m a c h z e h n d e r 干涉仪，通过检测干涉仪的输出光强即可以得到光栅的波长值。 图1 6 基于非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪的分布式光纤光栅传感系统 由上式的原理可知，干涉仪输出光强为： ，= a + a c o s ( 2 万址) 以( 1 - 2 6 ) m a c h z e h n d e r 干涉仪的两臂有光程差( 门a t ) ，当输入光波长变化兄时，其输出光 南京i l i l 5 电火学硕。卜研究生学位论文第一章绪论 强为： ，= a + a c o s ( 2 元 g o - a l ) 以一( 2 7 r n e f f a l ) 允确( 1 - 2 7 ) 通过检测输出光强的大小，就可以求得兄的值。 1 3 3 基于光纤f a b r y p e r o t 滤波器解调法 f - p 腔可以作为一个窄带滤波器，在一定波长范围内，若有平行光入射到f - p 腔，则有 满足相干条件的某些特定波长的光发生干涉，产生相干极大。用光纤f - p 腔实现解调的原 理图如图1 7 。 从宽谱光源发出的光经隔离器传送到光纤光栅传感器，传感器反射的波经过一个3 d b 耦合器引入到可调谐f - p 腔中。构成f - p 腔的两个高反射镜一个固定，另外一个在外力的 作用下移动。利用压电陶瓷的电能一机械能转换特性，使用压电陶瓷p z t 作为f - p 腔的活动 高反射镜的驱动元件。给压电陶瓷一个扫描电压( 一般是锯齿波) ，使f - p 腔长发生变化， 透过f - p 腔的光的波长发生改变。若f - p 腔的透射波长与光纤光栅的反射波长相等，则探 测器能探测出最大的光强，此时给压电陶瓷施加的电压v 就对应着光纤光栅的反射波长， 进而得到所测参变量。 1 3 4 匹配光栅滤波法犯们 图1 7f - p 腔用于光栅解调原理图 匹配光纤光栅滤波法实现的方法如图1 8 所示，f b g i 作为传感光栅，f b g 2 作为匹配光 1 4 南京邮电大学颁：i j 研究生学位论文 第一章绪论 栅；幂, jj h 匹配光栅的反射谱特性，入射光在特定的波长范围内才会被反射，并且反射光的 光强与入射光光谱和反射光光谱重叠的面积有关，重叠的面积越大，反射光的光强越大， 检测到的光强为两个光谱函数的卷积；在初始状态时，f b g i 和f b g 2 的光谱重叠面积最大 ( 墩f b g i 和f b g 2 光谱相同) ，输出光强是最大的；当外界参量变化改变f b g i 的特性后， f b g i 的光谱也会发生变化，反射峰会产生响应的移动，输出光强也会变弱，由此可以通过 检测光强输出得知f b g i 反射峰的移动情况，达到解调f b g i 波长信号的目的。 图1 8 匹配光纤光栅滤波法原理示意图 器 上面仅介绍了一些具有代表性的解调方案，与本文工作密切相关的解调方法将留在第 四章重点介绍。 1 4 课题背景和本论文主要内容 光纤光栅与传统的传感器相比，波长调制型的光纤光栅具有很多优点，如化学性能稳 定，抗干扰性强，可靠性高，结构简单，尺寸小，易与传输光纤连接等，因而有着广泛的 研究价值。 目前光纤光栅在民用工程的结构监测的应用最为活跃，而应用最多的当数桥梁的安全 监测。如1 9 9 7 年瑞士的s t o r c k 大桥的拉索上安装了光纤传感器，该系统已经很好的运行 了很多年，得到了较好的实验结果心引；德国的m e i s s n e r 等人将布喇格光栅埋入一座预应 力混凝土的大桥中，测量载荷下的基本线性响应，并证实了光纤光栅的可行性啪1 。 在我国，光纤光栅的研究也取得了很多研究性成果，但是在工程方面的应用还需发展。 2 0 0 3 年深圳会展中心的施工监测和长期监测都采用了光纤光栅传感系统，整体采用了3 5 0 南京邮l 乜大学硕：研究生学位论文 第一章绪论 只光纤光栅传感器和传感网络分析仪，完成了施工过程中的结构温度、应变等参数测量， 该工程是目前围内最大的光纤光栅传感网络系统心引；目前对光纤光栅在隧道健康监测0 。、 水听器臼、铁路监测2 1 等方面的研究也在积极的进行中。 光纤光栅另外一个应用的领域就是军事领域。特别是美国、加拿大等发达国家，他们 均投入了大量的资金和人力进行研究，并取得了较快的进展。美国的s y s t y m s p l a n n i n g & a n a l y s i s i n s 在政府的资助下制成了低成本的光纤网络系统，并用这项技术对 美国的海军舰船进行了健康结构的检测；美国基于光线机敏结构与蒙皮的研究，为飞机等 结构外壳内埋入各种光纤传感器和信号处理器，实现了飞行器运行过程中机载传感系统的 实时健康和性能监测，降低了维护成本，改善了飞行器的性能。 目前我国对光纤光栅民用和军用的研究都已经展开了，在这种环境下，对光纤光栅传 感器的研究及对解调技术的研