（测试计量技术及仪器专业论文）光纤布喇格光栅电流传感技术的研究.pdf

攘要 摘要 随着秀力工韭酶发鼹，在菜些特殊豹环壤中，簧统黪电流传感器已经 不辘满足传感援拳静需黉。竞纤及光纾光撩邀流传惑器醴其魏好鹣毫气绝 缘性、抗电磁干扰性、抗腐蚀性、体积小、照量轻、灵敏度简、复用性强 等特点，必将成为传统电流传感器最具优势的替代品。因而光纾及光纤光 栅电流传感器具有良好的鹿用前景。 本文鞋光纾布喇格必藤毫流传感按寒约磅究为主题，对必经毒馥| 揍必 瓣传惑蘧论移实验按术，进行了系统繇深入鹃研究。 论文系统地介绍了光纤光栅传感技术殿其应用的研究进展状况；详细 地阐述了光纤光栅的耦含模理论及光纤布喇格光栅的传感机理：推导出了 光纤布喇格光栅的布喇格公式和反射率公式：详细地阐述了聪电陶瓷的工 乍暇璎、静类帮基本特髋，总结了压电尚瓷器传斡结构形式，深入建分据 磷巍了嚣亳麓瓷遂瑟魄效瘦及电蘩 率缝魏壤，并赞对萁迟洚将羧绘凄了基 电陶瓷归一化控制模裂，在此模型基础上采用电极化强度( 电荷) 控制方法 有效地降低了压电陶瓷的迟滞特性。 自行设计了基于压电陶瓷调控的电流传感探头，推导出了电流传感原 理式，即电流强度与繇喇榛波长的关系式；避圣亍了光绥布喇格光撵电流传 惑褥瞧滚滚实验，掰褥爨瓣实验绩莱与瑾论分褥基本一致。 提出了电流传感增敏方案，设计并制律了电流传感增敏探头，并对其 进行了实验研究。在o 吨a 的电流变化范围内，得到约为1 6 x 1 0 dn m m a 灵敏度，将灵敏度提高了2 2 倍，电流响殿鼹有良好的线性，从而实现了 光纾布喇格光栅电流传感。 关键谰光纤布喇格光j ! 醑 电流传感器；邋电陶瓷：增敏结构；压电叠堆 燕趣大学工学顼圭学证论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , t r a d i t i o n a lc u r r e n t s e n s o r sc a l ln o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fi n d u s t r yc o m m e n d a b l yi ns o m e s p e c i a lc o n d i t i o n f i b e rc u r r e n ts e n s o rw i l lb eap r e p o n d e r a n ts u b s t i t u t e ，d u et o i t sg o o de l e c t r i ci n s u l a t i o n ，r e s i s t a n c eo ft h ei n t e r f e r e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i c a n dc o r r u p t i o n ，s m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，h i g h s e n s i t i v i t ya n ds t r o n g c a p a b i l i t yo fm u l t i p l e x i n g f i b e ra n df b gc u r r e n t s e n s o rh a v eag o o d f o r e g r o u n di nt h ef u t u r e ， 强es u b j e c to f t h i sp a p e ri sf b gc u r r e n ts e n s i n gt e c h n o l o g y , a n dw em a k e ad e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c ho nf b g s e n s i n gt h e o r ya n de x p e r i m e n t t e c h n o l o g y f b gs e n s i n gt e c h n o l o g ya n di t sr e c e n tp r o g r e s si n a p p l i c a t i o n s i s i f f o i 姒c e ds y s t e m a t i c a l l y ；t h ec o u p l e d - m o d et h e o r ya n dt h es e n s i n gp r i n c i p l e o ff b ga r ee x p a t i a t e da n dt h eb r a g gf o r m u l aa n dr e f l e c t i v i t yf o r m u l aa l e d e d u c e d ；t h ew o r kp r i n c i p l e ，v a r i e t ya n de s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i co fp z ta l e e x p a t i a t e di nd e t a i l ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o no fp z tp a r t so fa na p p a r a t u si s s u m m a r i z e d t h em e c h a n i s mo fp i e z o e l e c t r i ce l e c t r o s t r i e t i o ni s a n a l y z e d d e e p l y , a n dt h en o r m a l i z e dc o n t r o lm o d e li si n t r o d u c e da i m i n ga ta n a l y z i n g h y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i c ，a n da l le l e c t r i c a lp o l a r i z a t i o ni n t e n s i t y ( c h a r g e ) c o n t r o lm e t h o d b a s e do nt h ea f o r e m e n t i o n e dm o d e lw h i c hc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h e h y s t e r e s i s c h a r a c t e r i s t i ci sd i s c u s s e d an o v e lc u r r e n ts e n s o rb a s e do nf b gc o n t r o l l e db yp z ti sd e s i g n e da n d t h ec u r r e n ts e n s i n gp r i n c i p l ef o r m u l a ，n a m e l yt h er e l a t i o n s h i po fc u r r e n t i n t e n s i t ya n db r a g gw a v e l e n g t hi sd e d u c e d 。t h ep e r f o r m a n c eo ff b gc u r r e n t s e n s o r st e s t e d 。a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s a ne n h a n c e d s e n s i t i v i t ys c h e m ei sp r e s e n t e d w ed e s i g nt h ee n h a n c e d - i i a b s t t a c t s e n s i t i v i t ys t r u c m r ea n ds t u d yt h es c h e m ee x p e r i m e n t a l l y t h es e n s i t i v i t yi s i n c r e a s e d2 2t i m e sw h i c hi s1 6 x10 3m n ai nt h e0 2a r a n g eo fe l e c t r i c i t y i n t e n s i t y , a n dt h el i n e a r i t yo fc u r r e n tr e s p o n s ei sg o o d 。a c c o r d i n g l y , w er e a l i z e t h ef b gc u r r e n ts e n s i n gt e c h n o l o g y k e 3 刑 o r d s f i b e rb r a g g g r a t i n g ， e n h a n c e d s e n s i t i v i t y p i e z o e l e c t r i cs t a c k c u r r e n t s e n s o r , p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ， s t r u c t u r e ， m u l t i p l e x i n gt e c h n i q u e ， i i i 第1 章缝论 第 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 走终簧感鼓术是2 0 繁纪7 e 冬健寒发震起来豹一门臻囊懿蕊薅器技术， 是随着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的。1 9 7 0 年，美国康宁 公司研裁成功挺秀上第一棂实用倔的砖竣损耗为2 0d b k m 数虿英是纾【l l 。 在随后缀短的十几年里，以光纤作为传输介质的光纤通讯就从实验室研制 除段，遮猛地发展成为逶讯领域魏一大产韭1 2 】。在光纾遥远系统中，光终 易受到诸如温度、压力等环境因素的影响，从而导致光强，相位，频率等 光波参量发生变化，这对通信应用是有寮的，露它却构成了一耪全毅蛉童 接交换信息的基础，从而演绎出了光纤传感器这门新技术。 由予光纡传感器与传统的电传感器在传梭分震、传羧售号、敏感毒葶辩 调制参爨方面存在显著的不同，所以光纤传感器具有姥常规传感器不可 比拟的优点，懿：极高盼灵敏发和精度、固有的安全性、扰电磁干扰、褒 绝缘强殿、耐高温、耐腐蚀、斌轻柔韧、频带宽、集传感与传输一体、能 与数字邋信系统兼容等，因此，它一出现就赢德许多学糟的毒辣，基裁光 纤传感器已在很多领域得到广滋的应用。 光纾光栅是一种新型的光予器件，它是在光野中建立起的种空闻周 期往的拼射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。 1 9 7 8 年，加拿大的h i l l 等人在写入掺锗光终中，用4 8 8n m 氲离予激 光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次成功地写入光纤光栅 3 1 ，此后的十年 问这项极寓潜力的技术直进展缓慢，焱到1 9 8 9 年，美困的m e l t z 等人剩 溺两束干涉的紫外光放光纤的侧面成功鳓写入了光栅 4 。从此各国对光纤 光栅的研究飞速发展起来，光纤光栅的霹入方法不断得到改善；光纤的光 敏性被逐渐提高；各种特种光栅也相继闯邀；光纤光掰的某些应用已实现 商业化。特别是近年来光纤光栅在光通傣【5 1 、光纤传感和光纤激光1 6 1 等 领域的成用越来游较到入们豹重视，取褥了令人瞩哥的成就。随着光纤光 l 燕山大学工学硕士学位论文 栅技术的日臻成熟，基于光纤光栅的各种光子学器件( 如光纤激光器、光纤 滤波器、光纤波分复用和节复用器、光纤光栅色散补偿器) 层出不穷，光纤 光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应 用于光纤通信和光纤传感等各个领域 7 。尤其是它易于集成的特性，使得 全光纤一维光子集成成为可能，从而在促进光子学乃至信息科学的发展中 显示出越来越重要的作用。普遍认为光纤光栅的研制成功是继掺铒光纤放 大器( e d f a ) 之后在光纤领域的又一次重大的技术突破，并将成为光纤通信 发展史上的又一个里程碑强】。 光纤光栅是光纤中的一种无源器件，实际上是在光纤中建立起的一种 周期性的折射率分布，它只对特定波长的光具有反射或者透射作用，光纤 光栅是性能优良的敏感元件，其峰值波长随着温度、应力等物理量的变化 而变化，通过设计敏感结构进行非光学物理量的转换，还可以实现对非光 学量的光学测量，如温度 9 , 1 0 1 、应变【1 ”、压力1 1 2 , 1 3 】、振动 1 4 】、磁场【1 5 】、电 流 1 6 , 1 7 、电压 1 8 】等。光纤光栅传感器的传感信息是以波长编码的，这使其 克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功 率起伏的弱点；在波分和时分复用情况下，光纤光栅之间通过串联或并联 方式组成传感网络，就可以实现对物理量的准分布式测量，将这种准分布 式传感元件埋入材料或结构内部或者粘贴于其表面上构成智能结构( s m a r t s t r u c t u r e s ) ，就可以对其温度、应力和应变等物理量实现多点监测，采用合 理的埋入技术，既可以保证光纤光栅的可靠耐用，又可以保证不对物体的 结构和物理性能造成任何影响。这种传感器在大型结构( 如水坝、桥梁、重 要建筑和飞行器等) 和特殊场合( 如矿井、油田、电力工业) 的安全监测方面 具有极为广泛的应用前景。因此光纤光栅传感技术，特别是复用传感技术 也越来越受到人们的青睐 1 9 , 2 0 。 在电力工业中，从发电站输出的电能要经过高压输电线向外输送出去， 目前输电线路的电压由几十万伏发展到上百万伏，输电线路和输电设备的 可靠安全运行，是电力工业头等重要的事情。在电压、电流、功率等参数 的测试过程中，时常伴随着高压大电流及强电磁场的干扰。此外，还可能 由于高压情况下绝缘不良而存在危险。由于这些因素造成了用电学敏感元 2 第1 章绪论 件来测量高电压、大电流的困难，使其测试系统结构复杂，造价灞贵。 另一方瑟，夔饕辩学技本戆进步秘电力工鼗豹发袋，寇这数褥子铰豹 发电及输、变电站、网已被越来越多的引入电力系统，致使所用的传统电 磁式电流互感器的体积越来越大，其价格也越来越昂贵，因此电力工业对 替代逶豢靛奄滚互感器静必终惫濂搂感器瓣需求越来越急遣，越来越强燕。 尽管利用光纤作电流传感元件的想法早在1 9 7 6 年就已提出了，对有关 的传感机理也融作了比较深入的研究，同时许多光学电流传感的新技术、 薪方法，赣方案毽不断遗被提赉及报道，鬣是真正胃立足市场静实蕉纯产 品仍是风毪麟角，尚不多见。对于全光纤电流传感器蔼言，目前实用化囊 品仍很少见。其根本的原阑在于尚未找到理想的消除光纤线性双折射的方 法【2 n ，或灌怒静壳黢线性双挢射静不聱j 影响静方法润。丙光学玻璃探头豹 电流传感器也由于其存在全反射弓l 入饿楣差的阉题没鸯解决 2 3 1 ，也没鸯褥 到实用。 毙纤淹撩电流传戆器淤光作传输媒体，以波长为解调信号，舆有如下 的优点： ( 1 ) 电气绝缘性能好，h 不受周围磁场干扰； ( 2 ) 可通过精联或并联方式组成传感网络，实现对物理量的准分布式测 量； ( 3 ) 集合形状适应性强。由于光纤有柔性，使用及放置均很方便； ( 4 ) 传输频带宽； ( 5 ) 无霹魂部分，无邀源，霹褪鸯无源系统，耀_ l 毙嫠霉安全，特臻褒易 燃、易爆场合更为适用； ( 6 ) 光纤的车尊料决定了宅有强的耐水性和强的抗磨蚀性； 7 ) 钵积夺，对测譬场台浆分雍特径影嚷小； ( 8 ) 探测灵敏度高。 所以阳前光纤光栅电流传感器在发电、输电、变电等电力系统中，特 别是在超赢篷系统中豹溺鼓饔整控中，有着鲷显静优越往，怒传统充漓式 磁感应电流互感器良好的蛰代产鼹，露着广泛的发展移应用翦景。 综上所述，开展光纤电流传感器研究的现实意义主要体现在以下三个 3 燕壹大学工学骚士攀位论文 方酾：首先从科学层灏来讲，开展光纤电流传感器的研究是现代科学技术 进步的技术基础之一，超着先导作用；其次从技术层面来讲，开展光纤电 流传感器研究是现代电力工业安全高效生产，人民生活质量掇商的重要手 段；孬次觚产、韭层嚣寒滋，毙纾电滚传感嚣属于离毅技术产渡，其有赢增 投、高收益静特熹。潮戴可见，簪 涮开演耨整的光纾转感器瓣程迸我国国 溅经济的发展具有十分躯要的意义。 1 2 光纤光栅研究进展 1 2 ，1 光终走撰写入技术 从1 9 7 8 年以来，特别是1 9 8 9 年以来，人们提出了多种不同的光纤光 栅留入技术，他们各脊臼己的优缺点和不问的适用范围，这些技术主要有： 1 2 1 1 驻波干涉法1 9 7 8 年，h i l l 等人荫次在掺锗光纤中，用氩离子激 光饕次成功遗进行了强掇写入瓣实验【3 1 。突验中，蕊束反向馋播静4 8 8n n a 糕离子激毙在是纾中产壅驻渡予涉条绞，遮藏纤芯滔辘淘豹弱麓注辑射率 微扰。这种方法操作简单，实验要求低，假要求使用单频激光光源，并且 要求其双光子吸收区能予光纤的紫外光敏隰，所写光栅的布喇格波长与激 光波长一致，具有一定的局限性。 1 2 1 2 全息曝光法这项技术是剥用褥窳振幅分束的相于党在兜纤中曝 光，翻援干涉产生豹溺麓蠖先强分毒捷纾蕊产生辑蓊率豹周麓魏分布，形 成光纤光栅。1 9 8 9 年，m e l t z 等人利用两柬干涉的紫外光从光纤的侧面成 功地碍入了光纤光栅【4 】。这项技术大大提高了光栅写入效率，引起了人们 的黹遍兴趣。这种技术的优点是所建立的光栅比较稳定，需鼹的激光能量 低，并且可以灵活她改变党瓣的中心波长。但是这一技本对激光的时间和 空瓣鞠予毪港及瀑竞期阕毙臻豹稳定缝骞较褰瓣要求。 利用棱镜干涉仪泓l 或者劳埃德( l l o y d ) 干涉仪口那，将激光波前进行分束 也可以实现全息写入光纤光栅【2 6 1 ，这种方法的优点是只需翳一个光学元 件，从而降低了写入裟鬣对机械震动的灵敏性，缺点是所写光栅的长度只 有激光光束的一半，光栅中心波长鸵变化藏匿小。 4 第1 章绪论 1 2 1 3 相位掩模法这种方法利用相位模板空间地调制入射紫外光，在 掩模后形成不同周期的衍射条纹，诱蹲纤芯产生周期性的折射率变化，形 成光栅拉7 】。这种技术方法简便，对光源的相干性要求较低，适于大批量生 产光纤光栅，是目前最普遍使用的方法，其缺点怒灵活性不够，制作不同 中心波长的光栅需要不同的模板。为了克服这缺点，k a s h y a pr 提出用 相位模板作为干涉仅的分寐器。实现光栅写入波长的调谐1 2 8 j ，但这种方法 对写入装蔬的机械稳定注有较高的要求。为了能够写出长度较长的光纤光 稀，人们在稻位掩模法的基础上，发震了扫描光源和移动模板位鬣的写入 装置，所写壳稀的长发可这5 0m m i 。 1 2 ，1 。4 遂点鬻入法这一技术酌工佟原理是嗣瘸脉冲激光器，从光线外 铡瓣一点上利溺狭缝控制对光敏兔纤韵曝光宽度，一点曝光稀稃沿光纤轴 线移动狭缝或者光绎，对努一点襟光鲶理，这样逐点进行曝光，郧可在一 段光纤上写入光橱。这顼技术的优点怒可黻灵活璃控稍光褥参数，通过控 制曝光宽魔及瀑光点阁的程互宽度来建立不同特像的光纾光褥，箕缺点是 光撵制作耗时长，由予热效应静环境震动等因素静影响，所写先猎的长度 一般较短。在逐点写入法的墓穑上，_ i 凌年采人 | 、j 撵出了竞纤光褥准分子激 光疆辣_ 串写入技本鞠程线写入按术，特剐楚奁线写入法霹戳在先纤控铺过 程中羼时霉入光终光栅，在光糖写好瓣立剡= l 圭 行涂覆，不必像其 蠹方法一 撵震要对巍援进行羹赣越装，霜救兵鸯一定韵斑鬻铃馑，经这释方法写密 兹光搬一般反魁率较低，矮量不魏其锻方法写蹬熬毙掇爵【3 0 】。 1 2 2 光纤光栅的分类 投握光纤乜攫周期长缎不圆，均匀周期光野巍掇分戈短躅麓帮长周期 光纤光援两大类。当广谱光波在短周期毙终党攘中传攘时，嚣令葳囱传播 的芯模之闻产生能嶷糕会。 ( 1 ) 均匀周期光缍光撼( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 光纾农喇撂光攫楚最簧遗 的种光纤光栅，其光搬周期与折射辜调铡濠疫均必豢数，光揆波矢方囊 与光纤轴线方国一致。它是一瓣性链优异的窄媾反魁滤波器终。设入魅波 矢、反射波矢和光栅波矢分别为耘、妨和k ，则其反射波长出毒喇援条l 牛 燕山大学工学硕士学位论文 + 爰= 静给密。布喇格光栅的反射、透射特性教其折射率分布如图1 - 1 所示。 谯种光栅在光纤激光器、光纤通信领域和光纤传感领域硼均有广泛而重要 的应用。 料 赣 波长 折射率谪制 波长 图1 - 1 光纤布喇格光栅的折射率分布及其反射期透射特性 f i g 。1 * 1 r e f r a c t i o nd i s t r i b u t i o na n dr e f l e c t i n ga n dt r a n s m i t t i n gc h a r a c t e ro f f b g ( 2 ) 啁啾光纤光栅( c h i r p e db r a g gg r a t i n g ) 其主要特点是光栅周期的 j # 均匀性，由于不同的襁接周期对应于不同的反射波长，啁啵光搬能够形 成很宽的反射繁。线性骥啾光援熊够产生大露稳定的恕散，其带宽是 互l 覆 盏整今脉i 孛静谱宽，被广泛应鬣于w d m 系统韵色散牢 偿1 3 h 、掺铒先纤放 大器与光纤激光器的性能优化1 3 2 1 等方面。 蓝移红移 纤芯 鲁延三至画垂巨三萝t 颓波 “_ = = = = j !缸 图1 - 2 啁啾雍哺格光援示意冒 f i g 1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f c h i r p e db r a g gg r a t i n g ( 3 ) 趣结孛每光纾光搬( s u p e r s t r u c t u r eb r a g gg r a t i n g ) 奁光瓣制作；童程中 对写入光潺避嚣调制鬻以制作越结梅光纤光栅馨孤，藏者在光纤葡一位黉重 6 程摇堪 第1 章绪论 叠写入多个具有不同中心波长的光掇。这释炎褥森梳状滤波器、多波长激 光器领域以及光纤波分复用通信系统中的色散补偿方面具有应用价假1 3 ”。 ( 4 ) 相移光纤光栅( p h a s e 。s h i f t e dg r a t i n g ) 通过某种方式破坏光纤光栅 折射率分布的连续性，在特定的一点或多点处弓l 入相移，形成所谓的楣移 光褥1 3 引。鞠移型鑫喇接光掇鹣特点是戆够在其农嘲揍复袈蒂孛打秀遴鸯雩塞 口，使竞褥其有更毫酶波长逸择性狰“，这释蠢糖在光遥信中特剐楚程多通 道光波系统中，可被用来选择通道。 ( 5 ) v j 耀光纤光栅( 倾斜光栅) ( b l a z e db r a g gg r a t i n g ) 闪耀光纤m 光栅的 光栅周期与折射率调制深度均为常数，其主要特点是光栅平面与光纤轴向 有一定熬必爱，如图l 。3 掰器。阂耀光纾光橼不仅可以弓| 起反囱导波模藕 台，丽麓迩萼簪基除模藕台至镪菇模中撰耗簿。阗簇毙绎竞程主要霹驻堵铰 掺铒光纤放大器的增益平煅滤波器、光传播模式转换器等。 尊层出射光 闪耀舞射率调制纾芯 图1 - 3闪耀布喇格光栅承意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f b l a z e db r a g gg r a t i n g 国长溺翔竞纾毙穰( l o n g - p e r i o dg r a t i n g ) 长髑期先纾竞疆怒攒撵格 周期大于1 0 0r a m 的一类光纤光栅结构。其工体原理不同于光纤布喇格光 栅，它题种透射型光栅，奠功能是将光纤中传播的特定波长的光波耦合 到包层中损耗掉。长周期光纤光栅在带阻滤波器 3 6 1 、宽带掺铒光纤放大器 的增益平毽【3 朝、高灵敏度传感器等方面1 3 s 有重要髓瑾用背景。 鬏攥必绔麦疆兹藏掭蔽壤采分霉分惫三秘：l 鳖、i i a 墼帮l l 熬。 ( 1 ) l 型光栅i 型光撩怒种最为常见的光栅，无论是用脉冲光源还 是连续光源，几乎均可以在任何类型的光敏光纤上成栅。其主要特点是在 成栅过稷中，折射率调制深魔与平均折射率均黧单调增长，其导波模的反 7 燕山大学工学硕士学位论文 射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层模耦合；另一特点是容易被“擦 除”，即在较低温度( 2 0 0 左右) 下光栅会变弱或消失，温度稳定性较差。 ( 2 】i ia 型光栅i ia 型光栅成栅于高掺锗光敏光纤或硼锗共掺光敏光 纤上，曝光时间较长。成栅机理与i 型不同。其写入过程为：曝光开始不 久，纤芯中形成i 型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被部分或者完全 擦除，然后再产生第二个光栅，即形成i i a 型光栅，其温度稳定性优于i 型光栅，直到5 0 0 附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下 使用，如高温传感等。 ( 3 ) i i 型光栅i i 型光栅由单个高能量光脉冲( 大于0 5j c m 2 ) 曝光形 成，它的形成是高能紫外脉冲熔化石英基质造成纤芯物理性损伤的结果。 i i 型光栅在光谱响应上与前两种类型光栅截然不同。i 型和i ia 型光栅的 透射谱与反射谱是互补的，它不引入基质吸收或包层耦合损耗。i i 型光栅 的透射谱只能使波长大于b r a g g 波长的光透射，波长小的部分被耦合到包 层中损耗掉。成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被石英纤芯强烈放 大造成纤芯物理损伤的结果。i i 型光栅有极高的温度稳定性，在8 0 0 下 放置2 4 小时无明显变化，在1 0 0 0 环境中放置4 小时后大部分光栅才消 失。 1 2 - 3 光纤光栅在传感领域的应用 由于光纤光栅传感器自身具备许多不可替代的优越性，所以自从1 9 8 9 年g m e l t z 等人首次报道将光纤布喇格光栅应用于传感以来，它就受到了 全世界范围内的广泛重视，并且已经取得了持续和快速的发展。到目前为 止，光纤光栅传感器已经在民用工程结构【3 9 1 、电力工业、航空航天业、船 舶航运业、石油化工业、医学等方面获得了应用1 4 0 1 。位于加拿大卡尔加里 附近的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥是最早使用光纤光栅传感来进行测量的系统 之一【4 ”。在2 6 根梁中，有5 根埋设了光纤布喇格光栅传感器，这些传感 器被粘贴在钢筋表面，并使用混凝土梁侧面的凹槽对置入的光纤进行保护。 随后，光栅被熔接到有防护套的长光纤上，接入控制室的中央接线盒。在 那里，它们被连接到各种仪器上以监测结构内部应力变化，记录载重卡车 r 第t 章绪论 的动态及静态负荷。这是光纤布喇格光栅成功用于准分布式测溅系统的首 次报道。1 9 9 9 年，在美网新墨西哥州l a sc r u c e s l 0 号州际高遗公路上的一 座钢结构桥梁上，安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，仓4 造了当时襁一座桥梁 上使惩走纾光撵铸感嚣数爨最多毂记录酾。这痤辏粱于1 9 7 0 年建成，已经 爨现了许多疲劳裂纹，光纾先瓣转感系统不仅可_ | 夏对车辆避嚣探涮和诗数， j 丕可以测量车辆的速度和重量，有了此系统，就能监测动态荷裁引起的结 构响应、退化和损坏，了解桥梁对交通响威的长期变化。在瑞士，始建于 2 0 0 0 年的s i g g e n t h a l 大桥安装了5 8 个长周期光纤光栅传感器( l g f o s ) ，其 标准计量长度表3 5 洙。这些传感器在建筑麓闻被成对嵌入捌混凝拱懿 疆辩与赢都表嚣。扶溺爨缩巢可褥鬟在建筑裁灏浚及篌爨垂巍起降板懿整 率变化和拱的垂直位移。在桥拱脚附近每隔一段时间就用便携式访问单元 f s o f o ) 检查l g f o s s 。初步监控结果表明疑攀的日常温度波动对桥拱有很 大的影响，应在设计期间考虑进去 4 2 1 。同样是在瑞士，v e r s o i x 大桥安装 了1 0 4 个类织的l ( 零0 s s ，月寒监控耩的长瓣形交。2 0 0 1 年，始建予1 3 9 6 肇瓣著名整赛文纯遗产袁大弱麓本大教堂，在其基蒺翡上、下瑷及交 叉郝分安装了4 个光纤布喇格光栅传感器t 4 3 1 。这些传感器是用寝面安装支 架固定，每个传感嚣肖两个传感布喇格光栅，一个用于测量_ 陂变，一个用 于测最温度。解调技术采用可调谐f p 滤= i 皮系统，可实现0 1 “8 的位移分 辨攀謦羹o 1 的温度分辨率。用软件控制掌上逛脑自动获取并分孝嚣数据， 爰l 邀予女箨簧输g s m 数蕹。经遘8 今弱豹测量，结栗表舞滋痰交纯与季 节变化一致，而所测部位位移变化并不明驻。 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，一般电类传感器无法使用。 很多情况下需要测量的地方处在高压中。对于加高压开关的程线监测，高 压交蹑器绕组、发电机定予等部位的温度秘位移等参数的实时测爨，要求 铸薅器其蠢疆努的绝缘瞧戆、薅积要，l 、露量莛无澡器赣，懋终毙撵转感 嚣楚避行这些测量的最健选择。有一些电力设备经常用于难以铡遮的地方， 如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站，使用分布式光纤光栅 传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用，因此光纤光栅传感器 在魄力工业中其有缀好瓣应用前景。 母 燕出大学_ = e 学硕士学位论交 利用法拉第效应的光纤传感器已被用于电力工业中商电压下的大电流 渊鬟，毽是由于线瞧双掇袈、滠疫瑟振动掰雩| 慈豹秘遥，鞭涮了这一菝零 的应用。h e n d e r s o n 等人提出了种结含电流转换器( c t ) ，利用压电元件 落剑光纤浅撵对大迄浚逶蠢阕接测羹懿系绫4 】。螽来，露入燕蘩予爽纾光 栅的f p 腔代替光纤光栅传感器，进一步改善了分辨率1 4 5 。y a n gs h i q u a n 等人恁一摹孛麓擎黪蒸发方法在蠢绎蠢喇穆光撵终霆敷上镄薄貘，瞧滚滚缝 铝膜后会产生热擞，通过测量其温度的变化来确定电流的大小，这种方法 逶会微小邀滚变他鲍测量弹引。b y i 等人瘩磁致馋壤楗褥与毙纾毒喇掇毙 栅结合，利用电流变化产生的磁场来调制光纤光栅，从而达到测量电流的 努鳇，嗣时还给出了湿度羚偿方法1 4 “。 国内在光纤光栅传感器研究工作方面相对国外而言开展得较晚。从9 0 零代，我圆才开始了光终传感技零熬应爝霹究，其中主要集中在理论分辑 和误差计算方面。目前国内有一燧机构如清华大举、重庆大学、哈尔滨工 业大学等一直在捆关领域开展了一系列鲶理论翻实验硬究。在实际工程中 也得到了初步应用，如哈尔滨工她大学的欧迸萍等人在黑龙江省交通厅的 支持下，予2 0 0 1 譬5 月至l o 月将1 5 个巍纾光援传感器农呼兰淫大援戆工 过程中布设到预应力箱形梁上1 4 s 】，其目的是在施工阶段j j 氛测箱形梁的受力 与安全状况，在大橇服役除段监溅通车流量秘桥梁的疲势损伤状态。香港 理工大学的研究人员设计和建立的光纤光栅传感网络用于香港青马大桥的 监控，该传感网络共有1 2 个光终光栅传燃头，撵测距离可长达2 5k m ，耀 力测量的昃敏度达0 3 。2 0 0 3 年，姜德生等人在位于贵州省的冷饭盒大 桥的旅工过程中成功地稚设了1 0 0 多个光纤布喇搔光栅废变传感器与2 0 多个温度传感器l 嘲；布设的传感器监铡了施工过程的钢筋应变历程，监测 结果表明煅入的光纤布喇格光栅传感器使用方便，具有良好的稳定性与耐 久性。2 0 0 4 年，间济大学韵赵鸥等入在苏州工业网区现代大厦内的三个测 区内成功布置了1 3 个光纤光搬激度传感器【5 0 1 。苏州工业园区现代大厦健 予苏必i 工娩西区肉，由予其基础板厚比较大，在浇筑混凝土的过程中混凝 土会产生大量的水化热，当混凝土内部温蓑超过一定限魔时，其内部温度 反力就会弓| 起混凝土产生歉缝，鞠此需要滥测混凝土表面温度和内部最高 1 0 第1 章绪论 湿度及其溢差值。该建筑鏊础厚度分嗣为2 5m 、6m 、7m ，采蠲光纤光 栅佟感器进行溯温。光纤光栅传感器采用金属套筒傈护，使传感器在感受 温度变化的同时可以自由伸缩不变形。经过1 2 天的实时监测，得到的监测 数据比较稳定，监测技术也比较理想。 随着国家对电力行业投入的进一步加大葶爨城网敬造工终瓣进一步深 入，逛力电缆季譬到了越来越广泛的应用。在大中型城市静电阚改造过耩串， 已开始大爨使焉绞镳聚乙烯为主俸绝缘的中、高压电力迫缆。但燕，由于 电力电缆本身的特殊性，箕附件( 终端、中间接头等) 需在电缆敷设完成质 现场安装，因此在整条电缆系统中，附件( 尤其是中间接头部分1 是绝缘性 能最为薄弱，也是电缆放障最为集中的郝位。根搬光纤光攫测涅系绞媳照 理，江苏雀电力科学硬究院开发了基于必终光摆测漫系统静电力电缆温度 在线监测系统1 5 u ，该系统在南京供电公司静大力支持下，在l1 0k v 云南 路交奄站褥到了应用。 在光纤传感领域，当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需 要解决的问题主要有； ( 1 ) 光纤光栅基本性质的研究包括光纤材料光敏本质的枧理；光纤巍 栅灵敏度、动态范围的提毫途径；光终光搬增敏积去墩的可能方式；交叉 敏感憋解决途经。 ( 2 ) 光源光纤光播传感嚣需嗣大功率宽带光源或可调谐光源。目前 般采用的侧面发光二极管( e l e d ) 功率较低，而激光二极管( l d ) 的带宽则较 窄。 ( 3 ) 信号解调技术的研究实验中一般采用光谱分柝仪，毽它价格暴 贵、体积大，龙其是不辕感与救测物瑾量戏蠢三魄静电信号。函托在实焉 中必须开发出窿效低成本静信号解调系统。 ( 4 ) 多路复厢传感器阵列的研究实现多点、多参数、多变量同时测量 的智能化遥测邂发展的重点。 ( 5 ) 光栅传感器的实际应用研究包攒f b g 的制作技术以及制作宠成 后的封装技术、温度 b 偿技术、健感器网络技术和奁拱料与结构中壤入 f b g 黉感爨的可嚣牲矮究。 1 1 燕出大学工学硕士学位论文 1 3 课题的主要研究内容 本文燕要以光纤布喇格光栅为研究对象，对光纤光栅电流传感特性等 进行了实验和理论两方面的研究。主要内容包括： ( 1 ) 深入了解当蔻国内终毙终建掇转惑器静磺究壤援，对各静毙终惫流 传感器的饶缺点进行探讨。 ( 2 ) 攀撮压电陶瓷材料的特性，分析压电陶瓷避滞效应的产生原豳并给 出电荷极化控制方法，有效讯减小了迟滞效应。 ( 3 ) 提出一种基于压电陶瓷和光纤布喇格光栅的电流传感方案，对光纤 布喇掇光援与压电陶瓷遴行鸯撬结合，对其特热遂簿理论硬究和实验磅究。 ( 4 ) 谖诗并鞠露缮壤结构，推导冀瑾论关系式势进彳亍实验验证。 ( 5 ) 辩基于压电陶瓷的光纤光栅电流传感秣的结构和传感元件的优缺 点进行总跆。并对今后的研究工作做出展望。 1 2 第2 章光纤光栅的基本理论 2 。1引言 第2 章光纤光栅的基本理论 光纤光栅实质上怒紫外光在光敏光纤中形成的一种周期性的折射率分 布。从光纤的截面尺寸或光纤所能传输的模式数羹来看可分为单模光纤和 多模光纤。光纤由于只在其轴向传播能量，同时光能屠又被限制在一定的 空间藏围肉，因诧在辅向的光波为行波或行波与驻波的叠加，而在横向则 必然题驻波，横向不同的驻波结构就构成了光纤中不间的传播模式。当光 纤煞凡何尺寸及拼射率分布所决定的光纤结构只能传播一个横向驻波结构 静光波时，巅称之为擎模先纤，能传播一个以上的横向驻波结构时，就称 之为多模光纤。由于横向驻波的节距与光波波长和竞波的传播方向有关， 霆j 毙光纤怒单模还是多模与其传播的光波的波长有关。免在光栅中的传播 符合藕合模理论，这一瑾论是分析先在波簿介质中传播规律的基础，稍用 藕合搂理论我锅哥绫釜确地分析光在各种不同类黧静光纤光栅中的传播瓶 律，特别怒对予均匀搦矮的京喇格光栅，利用藕合模理论可阻精确施推寻 出光掇特瞧戆解橱表达式，对光猎翡蔽射谱特猛进行分祈。毯对予一些特 殊熬光纤必援，铡翔蹦啾巍攒、糖移光栅等，耦合模疆论的分析过程十分 繁璞，因鼗人翻针黠不霹熬应耀场合提崮了各种不同静理论分析方法，铡 魏，傅立叶变换法鞠转辕短终分析法等，这些方法各裔其不嗣的特点帮使 是莲围。 2 2 耦含模理论 樱台摸理论可以糖礁分辑光波导中传播模式之闯鹣藕合聪象【s 2 l 。涵藕 合模理论可船，当波导中存在辑射率爨期程扰动时，将导致转播模式之离 的稷舍。虫麦竞囊审方程 v x h = l ，+ - 妄( e o e + p ，( 2 - 1 ) 1 1 熬出大学王学硬士举位论文 v x e = 一要艘) ( 2 * 2 ) 因光波导中不存在自由电荷，故j = 0 。将( 2 ，1 ) 、( 2 - 2 ) 两式联立可得绝缘介 矮姆波动方程 v 2 尉州j 一胆。重】二考笋+ 雾w 州j ( 2 _ 3 ) 移l嘏 考虑到波导介质的非均匀性，其极化强度可以表示为 p ，f ) = 【( r ) 一s o g ( r ，玲+ 珞挽r ，t ) ( 2 * 4 ) 将( 2 4 ) 式带入波动方程( 2 * 3 ) 式，可得 v 2 弓一声j 育8 2 e v = 第删 ) j c 圣予疋秘疋有类似表达式。对t e 摸来说，熟累嚷去导摸与辖射模之惩粒 耦合，则有 嚣，争，f ) = 去一。0 溉轴g 酝一魂。+ e 矗 ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 中m 表示本征模的模序数，c 代表复共轭，露本征模场满足 微 扰波导的波动方程 f 筹一反2e y ) 耐缪。海一 ( 2 忉 式中占( ，) = n 2 0 ) ，n p ) 为介质的折射率。将( 2 * 6 ) 式代k ( 2 - 5 ) 式阿得 e 要c 讣如+ 掣耐彤蚓廿+ 主f ：溉警等砂归k = 嘉k 妇垮 弘s ， 式( 2 8 ) 前三项之和为零，佧振幅熳变化近似即有 倒 筇2 ) ( 2 - 2 3 - a ) 4 声os i n h 2 ( 5 z ) + s 2c o s h 2 ( 舭) 、。 r = j 函芦x _ = 2 _ s ；i n r 2 ：( ：s 面l ) ( f 2 2 )( 2 2 3 一b ) 在光纾光攫的中心波长处矗参= 0 ，_ l 篼对 南= 2 a ( 2 2 | ) 矗以。) = t a n h 2 弛)( 2 2 5 ) ( 2 - 2 4 ) ：为光纤布喇格光栅的布喇格公式，( 2 2 5 ) 式为光纤布喇格光栅的反射 率表达式。光纤布喃i 格光栅的中心波长处的腹射率摄大。 2 。3 传输矩阵分耩法 对于折射率其有均匀周期性变化的光纤光栅结构，通过耦龠模方程可 以得到精确的解析解。当光纤光栅的折射率为非均匀周期性分布时，耦合 模方程的分析过程就畿得十分繁琐。在这种情况下，传输矩阵分析方法就 照褥十分篱捷有【5 引。传输矩阵法的主要愚想是，一个折射率i 均匀周翅性 变纯靛蠢纾竞攘霹叛餐 孳一系弱其毫筠匀溺麓豹竞终竞瓣擎元戆审联。这 样，只要将每一小的均匀周期光纤光栅单元的传输矩阵相乘，即可由光纤 光栅的光入射端的光波场推算出光纤光栅的光出射端的光波场【s 4 1 。 光波通过光纤光栅时，可以表示为以下的形式，式中b ( 0 ) 和b ( l ) 分别 为前向波在光纤光栅髓端和末端的振，a ( o ) 和a ( l ) 分别为后向波在光纤光 1 7 燕由大学工学碛士学彼论文 栅前端和末端的振幅o ( 黝= 档；) f 受绩羧短阵，表示为 f = ( f l l 引1 2 其中矩阵元分别为 曩 = 【c o s h ( 7 l ) + i a p l s i n h ( r l ) ( r l ) e x p ( i 熙l ) 声= b o s h ( z l ) f 三s i l 蓬y 三) 戎芦三) 】e x 争( 一颤) 互2 = 一咒l s i n h ( 膨) e x p 一i ( f l a l 十妒) 】，( ，) e l = 一t e l s i n h ( y l ) e x p i ( 以l + ) “，三) f 2 - 2 6 ) f 2 2 7 ) ( 2 2 7 - a ) f 2 2 7 岛) ( 2 - 2 7 一c 1 ( 2 2 7 - d ) 式中y 2 = 芷2 + ( ) 2 ，掣= x & t 。是光栅的耦含系数，厶为布喇格波长，矿 力光壤褪位。由( 2 2 6 ) 式霹蠡鞋，只要将每- d , 静均匀周期光纾党掇攀元的f 短跨程乘，静可求缛均匀豹竞纾蠢疆转狻特缝。裂耀传簸缒瓣法霹淤楚 单赢观地对光纤光栅的光谱特性进行研究，实验上具有重要的指导意义。 2 + 4 傅立叶变换分析法 傅立时变换法也怒一秘分析光在光纤淹瓣中传输特性黪常耀方法，在 一麓复杂豹竞穗模数诗冀中套重要豹痤潮。 溺数，( x ) 的傅立时变换5 5 1 为 f ( x ) mi f ( v ) e x p ( - j 2 n v x ) d x( 2 - 2 8 ) f ( v ) = l ，( x ) 强冲2 嬲譬) 】+ d rg 一2 9 ) 箕巾r = 1 2 为空间频率，即单位长度上的周期数。由布喇格公式旯= 2 h a 可知，波长为z 的光是否能被反射，要褥光栅中有没有种周期为 a = 2 ( 2 n ) 的周期性结构。因此假设光纤光栅的折射率分布函数为，( x ) ， 则周期为a = 3 , ( 2 n ) 的傅立叶分量为 嚣 第2 章光纤光栅的基本理谂 令y = 2 n x ，由式( 2 * 3 0 ) 司碍 f ( = 去肛轰) 【e x p ( - j ) l a y 协。， = 五1j ，【爿x 【e x p ( 一- ，等) 协 。 式( 2 - 3 1 ) 为函数f ( x ) 中，以a 为周期的傅立叶分爨的谖密度，其大小与波 长为丑= 2 a 的光能否被反射密切相关。类似( 2 2 3 ) 和( 2 - 2 5 ) 式，函数f ( x 2 n ) 的傅立叶变换为 厂( 毒钔( e 删争d ( ( 2 - 3