（信号与信息处理专业论文）光纤光栅传感器交叉敏感问题的研究.pdf

i0静fliv 摘要 i i i l l l f l l i i f l l l l lr l l l i i l l l f l l i i l l l r i l l l l l f i l ll i l t y 18 8 9 3 2 7 作为一种正在蓬勃发展的传感技术，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰能力强、耐腐 蚀、尺寸小、重量轻、灵敏度高等优点，在土木工程、石油化工、航空航天等领域取得 了广泛应用。因此对其目前在理论和应用中所存在的各关键问题的逐步解决必将带来重 要的科学意义和经济价值。其中解决温度和应变的交叉敏感问题是光纤光栅传感器得到 实用化并且走向大规模生产的重要前提。所以本文以该问题为核心从光纤光栅理论和解 决方案等方面进行了详细分析。 首先，论文介绍了光纤光栅的基本理论和传感机理。从耦合模理论出发，分析了均 匀布拉格光纤光栅的反射谱特性，并通过仿真进一步分析了不同参量的变化对光纤光栅 反射谱的影响，给出了不同参数下反射谱的带宽和最大折射率变化的表格。根据传输理 论，对光纤光栅的应变特性和温度特性进行了详细的分析，推证了相应的传感模型，并 利用传输矩阵法仿真得出了非均匀应变条件下光纤光栅反射谱的变化，给出了二维和三 维的对比图。 其次，在对光纤光栅交叉敏感产生机理进行了较为详细的理论研究的基础上，具体 分析了国内外典型的应变、温度交叉敏感解决方案，并结合等强度悬臂梁和预应变的设 计思想提出了一种有效且低复杂度的测量方法。根据此方法建立了测量系统，对光纤光 栅的应变和温度传感特性进行了实验研究。接着对实验结果进行了分析，绘出了布拉格 共振波长与温度及应变的关系曲面，另外还分析了温度和波长的非线性关系对测量结果 的影响，给出了布拉格共振波长与温度的线性及非线性的适用范围。在温度的线性测量 范围内，裸光栅部分和预应变部分的温度和应力响应曲线具有良好的线性。相应的应力 灵敏度系数和温度灵敏度系数分别为：o n m n ，0 4 0 8 2 n m n ，o 0 1 2 8 n m ，o 1 3 4 6 n m 。 结果表明，该方法仅需要一个光源，一个解调系统，简单易行，为温度和应力的实际测 量提供了便利。 最后，在解决交叉敏感的过程中为了准确测定解调系统输出信号的峰值波长，在低 成本和高精度的要求下，提出了光纤光栅反射谱的处理算法，用来滤除噪声和精确定位 峰值波长，从而高精度地解决交叉敏感问题。在此基础上，通过实验和仿真从理论和实 际两方面对算法进行了分析，得出采用自适应阈值小波消噪的方法有效提高了系统的信 噪比，降低了噪声带来的读取误差，在相同采样精度下b 样条拟合处理前波长检测的误 差为o o l n m ，处理后误差为0 0 0 1 7 n m ，误差降低了一个数量级，处理后提高了测量b r a g g 波长漂移量的分辨率，降低了波长检测的误差。 关键词：光纤光栅，交叉敏感，等强度悬臂梁，自适应阈值小波，b 样条拟合 a b s t r a c t a b s t r a c t a sab o o m i n gs e n s o rt e c h n o l o g y , f i b e rb r a g gg r m i n gh a sm a n yu n i q u ea d v a n t a g e ss u c h a ss t r o n ga n t i i 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 s mc a p a b i l i t y , c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，s m a l ls i z e ， l i g h tw e i g h ta n dh i g hs e n s i t i v i t y , s oi tc a n b eu s e dw i d e l yi nc i v i le n g i n e e r i n g , p e t r o c h e m i c a l i n d u s t r y , a v i m i o na n ds p a c ef l i g h t t h e r e f o r e ，f i n d i n gs o l u t i o n so fp i v o t a lp r o b l e m sa b o u t f b gi nt h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nc a nb r i n gi m p o r t a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ea n d e c o n o m i cv a l u e i no r d e rt om a k ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rb ep r a c t i c a la n dp r o d u c e d0 1 1 1 a r g es c a l e i tn e e d st ot a k ee f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h eq u e s t i o no fc r o s ss e n s i t i v i t ya b o u t t e m p e r a t u r ea n ds t r a i n s ot l l ep a p e r i sm a i n l yf o c u s e do nt h i sp r o b l e ma n dd e t a i l e ds t u d i e so n s o m ea r e a ss u c ha sf i b e rg r a t i n gt h e o r ya n ds o l u t i o n sa r ec a r r i e do u t f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s b a s i ct h e o r yo ff i b e rg r a t i n ga n ds e n s i n gm e c h a n i s m e m b a r ko nc o u p l e dm o d et h e o r y , r e f l e c t i o ns p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i co fu n i f o r mf i b e rb r a g g g r a t i n gi ss t u d i e d a n df u r t h e ra n a l y s i sa b o u t t h ec h a n g eo fr e f l e c t i o ns p e c t r u mw h e nd i f f e r e n t p a r a m e t e r si sc a r r i e do u tu s i n gs i m u l a t i o n t h e nt h et a b l eo fb a n d w i d t ha n dt h em a x i m u m r e f l e c t i v i t yu n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r si sg i v e n a c c o r d i n gt ot r a n s p o r tt h e o r y , s 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 ff i b e rg r a t i n ga r ea n a l y z e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs e n s o rm o d e l i sv e r i f i e da tt h es a m et i m e a n dt h e nt h ec h a n g eo ff b gr e f l e c t i o ns p e c t r u mu n d e r n o n u n i f o r ms t r a i ni so b t a i n e du s i n gt r a n s f e rm a t r i xm e t h o da n ds i m u l a t i o n t w o - d i m e n s i o n a l a n dt h r e e d i m e n s i o n a lc o m p a r i s o nd i a g r a ma r ea l s og i v e n s e c o n d l y b a s e do nd e t a i l e dt h e o r e t i c a ls t u d yo nc r o s s - s e n s i t i v i t yo f f i b e rb r a g gg r a t i n g g e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es o l u t i o n so fc r o s ss e n s i t i v i t ya b o u ts t r a i na n d t e m p e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d a n dt h e na ne r i e c t i v ea n d1 0 wc o m p l e x i t ym e a s u r e m e n t m e t h o di si n t r o d u c e d w h i c hi sb a s e do ne q u i i n t e n s i t yc a n t i l e v e rw i mp r e - s t r a i nf i b e rb r a g g g r a t i n g a st h e s e n s i n ge l e m e n t a c c o r d i n g t ot h i sm e t h o d ，am e a s u r e m e n ts y s t e m1 5 e s t a b l i s h e d s t r a i na n dt e m p e r a t u r es e n s i n gp r o p e r t i e so ff i b e rb r a g gg r a t i n ga r es t u d i e du s i n g t h i ss y s t e m t h e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e d ，a n dr e l a t i o n s h i pc u r v e ds u r f a c ea b o u t b r a g gr e s o n a n c e ，w a v e l e n g t ht e m p e r a t u r ea n ds t r a i ni sp l o t t e d i na d d i t i o n ，t h em e a s u r e m e n t r e s u l ti m p a c to ft h en o n 1 i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dw a v e l e n g t hi sa n a l y z e d t h e nt h el i n e a ra n dn o n l i n e a ra p p l i c a t i o ns c o p eo fr e f l e c t i o nw a v e l e n g t ha n dt e m p e r a t u r ei s g i v e n 。l i n e a rr e s p o n d st os t r a i na n dt e m p e r a t u r eo fb a r eg r a t i n gp a r ta n dp r e - s t r a i np a r ta r e a c h i e v e di nt h el i n e a rm e a s u r a b l er a n g e so ft e m p e r a t u r e 1 1 1 em e a s u r e ds t r a i ns e n s i t i v i t y c o e f f i c i e n ta n dt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yc o e 伍c i e n ti s0n m n ，0 4 0 8 2 n m n ，0 0 1 2 8 n m a n d 0 13 4 6 n m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dn e e d so n l yal i g h ts o u r c e ，ad e m o d u l a t o ra n d o p t i c a la r c h i t e c t u r ei ss i m p l e ，s ot h i ss y s t e mm a k e st h ea c t u a lm e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r e a n ds t r a i nf a c i l i t a t e d f i n a l l y , i no r d e rt od e t e r m i n et h ew a v e l e n g t ho f t h eo u t p u ts i g n a lw h e nt h ep e a l 【m o m e n t o c c u r sa c c u r a t e l yi nt h ep r o c e s so fs o l v i n gc r o s s s e n s i t i v e ，as p e c t r u mp r o c e s s i n gm e t h o di s p r o p o s e dw h i c hi su s e d t of i l t e rn o i s ea n dg e tp r e c i s ep e a ka tt h er e q u e s to f l o wc o s ta n dh i g h p r e c i s i o n t h i sm e t h o dc a ns o l v ec r o s s - s e n s i t i v i t yp r o b l e mw i t hh i g hp r e c i s i o n o nt h i sb a s i s ， t h ep a p e ra n a l y z e st h ea l g o r i t h mu s i n ge x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h i sa n a l y s i s ， u 二型墅坚坠羔一一 a d a p t i v et h r e s h o l dw a v e l e tc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v es n ro ft h es y s t e ma n dr e d u c er e a m n g e r r o r sc a u s e db yt h en o i s e i na d d i t i o n ，t h ee r r o ro ft h ew a v e l e n g t ht e s t i n gi s o oln m b e f o r e b 。s p l i n ef i t t i n ga n d0 0 017 n ma f t e rf i t t i n gu n d e rt h es a m es a m p l i n gp r e c i s i o na n de r r o ri s l o w e da b o u ta no r d e ro fm a g n i t u d e s ob - s p l i n e f i t t i n gc a ni m p r o v et h er e s o l u t i o nf o r m e a s u r e m e n to ff i b e rb r a g gg r a t i n g w a v e l e n g t h s h i f ta n dr e d u c ed e t e c t i o ne n o r s o f w a v e l e n g t hu n d e rt h es a m es a m p l i n gp r e c i s i o n k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，c r o s s - s e n s i t i v i t y , e q u i i n t e n s i t yc a n t i l e v e r ，a d a p t i v et h r e s h o i d w a v e l e t ，bs p l i n ef i t t i n g i i i a b s t r a c t ， i v 目录 目录 摘要j 。i a b s t r a c t ：i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义。l 1 2 光纤光栅传感器的发展与现状2 1 3 光纤光栅传感器的优势3 1 4 论文组织结构4 第二章光纤光栅的基本理论5 2 1 光纤光栅的分类。5 2 1 1 按光纤光栅的周期分类5 2 1 2 按光纤光栅的波导结构分类5 2 2 光纤光栅的模式理论。6 2 2 1 耦合模理论6 2 2 2 传输矩阵法9 2 2 3f o u r i e r 变换法1o 2 3 光纤b r a g g 光栅的数值分析1 1 2 4 本章小结1 4 第三章光纤b r a g g 光栅的传感原理15 3 1 引言15 3 2 应变传感模型l5 3 2 1 轴向均匀应变传感特性16 3 2 2 轴向非均匀应变传感特性。1 9 3 2 3 横向应力传感特性。21 3 3 温度传感模型2 2 3 4 光纤光栅传感器的指标2 4 3 5 本章小结2 5 第四章光纤光栅传感器交叉敏感问题的分析与解决方案2 7 4 1 交叉敏感产生机理2 7 4 2 交叉敏感问题解决方案2 8 4 2 1 不同包层直径光栅组合法。2 8 4 2 2 双波长光纤光栅法2 8 4 2 3 保偏光纤光栅法2 9 4 2 4b r a g g 光栅与长周期光栅组合法2 9 4 3 交叉敏感问题解决方案优化设计3 0 目。录 4 3 1 基本原理3 0 4 3 2 等强度悬臂梁力学特性分析3 1 4 3 3 光纤光栅应力响应特性实验3 3 4 3 4 光纤光栅温度响应特性实验3 4 4 3 5 温度、应力双参量测量分析3 5 4 4 本章小结3 7 第五章光纤光栅传感器测量精度的提高3 9 5 1 噪声分析及处理方法3 9 5 1 1 光路噪声分析3 9 5 1 2 噪声解决方案4 0 仿真4 1 4 3 理4 3 仿真4 4 4 7 4 8 4 9 4 9 ! ；( ) ! ；1 j ! ；：； 士学位期间发表的论文5 7 i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着社会的不断发展，电力、石油石化、环境以及基础建设等行业的高速增长，安 全生产已成为一个世界性的问题。此外，在桥梁和隧道监测等民用工程中，由于材料老 化、腐蚀、气候环境变化以及人为损坏等因素造成的安全隐患也受到了世界各国人士的 广泛关注。因此，温度、应变、位移等物理量作为现代工业生产和环境监测中重要的参 数，实现对这些参数的准确测量有着极其重要的意义。传感器作为现代信息技术的三大 基础技术之一，在温度、应变等物理量的测量上发挥了极大的作用。同时，这些参数的 测量在可靠性、测量精度、实用性、测量范围等方面，也对传感器提出了更高的要求。 因此，国内外的研究学者一直热衷于研究新型传感技术，并不断提高它的性能。 传感器的基本作用是将某种形式的输入能量( 被测对象) 的变化转化为同种或其他 形式的能量( 信号) 的单值变化。如在电话机中，声音压力的变化导致电流的变化；在 热电偶中，温度的变化导致电压的变化；在电视摄像中，物体空间位置的变化导致电流 的变化【l j 。目前，在不断的技术创新之中，全球的传感器市场呈现出快速增长的趋 势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上得到延伸和提高。新 技术的发展将会重新定义未来的传感器市场，比如光纤传感器、无线传感器、智能 传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的不断扩大。 近年来，在光通信迅速发展的带动下，光子产业取得了巨大的成功，光纤传感器作 为传感器家族中年轻的一员，以其独特的优势脱颖而出。作为现代传感技术领域的重要 分支，光纤传感器种类繁多，与其他形式传感器相比，具有抗电磁干扰能力强、电绝缘、 尺寸小、重量轻、灵敏度高、被测范围广等优点。因此其应用范围非常广泛，并且特别 适于恶劣环境中的应用。光纤光栅是目前最优秀的光纤传感器之一，由于其波长绝对编 码的特点决定了其感测结果不受光源功率波动及连接损耗的影响，且可靠性好，易于进 行网络化、分布式传感等，自诞生之日起就受到人们的青睐【2 】o 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在 纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制【3 1 。 其传感原理是外界环境发生的变化引起反射光波长发生漂移，测量此波长的漂移量就能 够检测外界温度、应变等参量的变化。根据此原理和光纤光栅的独特优点，光纤光栅传 感系统具有很高的可靠性、稳定性和安全性，因此它在很多领域都有着广泛的应用，如 民用工程结构检测( 桥梁、大坝、隧道、高层建筑结构的安全维护、矿业环境安全) 、航 天工业( 要求传感器多，重量轻) 、复合分子材料形状变化、工业中的高压性能检测和高 温检测、爆破领域的安全性能检测。 综上所述，由于光纤光栅传感器在测量温度和应变等物理量中的重要应用价值和广 泛的应用前景，对其进行深入的研究具有十分重要的意义。 江南大学硕士学位论文 1 2 光纤光栅传感器的发展与现状 自2 0 世纪7 0 年代美国康宁公司首先研制出传输损耗为2 0 d b k m 的光纤至今，光纤 通信技术从实验室走向产业，迅速壮大，并发展为当今信息时代的支柱产业之一，年产 值已逾千亿元。与之相伴的光纤产业链的另一个分支光纤传感技术产业也在光通信 的带动下得到了快速发展。光纤光栅作为目前最优秀的光纤传感器之一，在经历了由零 星研究走向集中开发、由军用步入民用、由单点监测走向分布式的网络监测之后，近年 来正大踏步地走向产业腾飞之路。 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的h i l l 等人发现纤芯掺锗的光纤具有光敏性，并利 用驻波干涉法制成了世界上第一根光纤光栅【4 】，从此将光纤光栅传感器的理论研究与应 用带入了一个新的领域。此后，因为制作技术等原因，在一段时间内，进展比较缓慢， 限制了光纤光栅在实际工程中的应用，但在1 9 8 9 年，美国东哈特福德联合技术研究中 心的m e l t z 等利用2 4 4 n m 的紫外光双光束全息曝光法成功地制成了光纤光栅【5 】，利用该 项技术不仅可以有效提高光纤光栅的写入效率，而且改变两束相干光的夹角可以调控光 纤光栅波长，这使得光纤光栅的实用化变得可行。1 9 9 3 年，h i l l 等人利用紫外激光照射 掩模板，通过掩模板的衍射光相干形成的周期性明暗条纹对光纤曝光，制成光纤光栅1 6 1 ， 此技术放宽了对写入光源时间相干性的限制，这为光纤光栅的制作变得简易开辟了一条 可行的道路。1 9 9 7 年后，光纤光栅进入大规模发展阶段，在封装、制作长度、啁啾度等 方面都有了飞速发展。 随着光纤光栅制作技术的逐渐完善，各种光纤光栅传感器不断涌现，受到了国内外 学者的广泛关注。根据可查到的资料表明，目前利用光纤光栅传感器能够检测的外界参 量有：应变、温度、振动、位移、加速度、扭角、频率、浓度、电流、电压、磁场、热 膨胀系数，液位等。在这些当中，一部分光纤光栅传感系统已经在实际中得到应用。一 般来说，温度、应变是直接影响光纤光栅波长变化的物理量，但裸光纤光栅对温度、应 变响应的灵敏度系数较低，要通过光纤光栅传感器实现对温度和应变的测量，必须对其 增敏。此外，光纤光栅传感器在实际使用中存在应变和温度的交叉敏感问题，解决该问 题，实现多参量的同时测量，才可以使光纤光栅传感器从实验室真正走向实际应用。以 光纤光栅作为传感单元，低成本地将微小的波长移动精确地解调出来，也是光纤光栅传 感器的关键技术问题。 国外对于光纤光栅传感器应用于应变、温度的测量研究开展较早，早在1 9 8 9 年 m o r e y 等人在发展紫外光侧面写入光敏光栅技术的同时就首次对光纤光栅的温度和应变 特性进行了研究，并从理论上计算了应变和温度的灵敏度系数，拉开了光纤光栅传感技 术发展的序幕。1 9 9 2 年r u t g e r s 大学的学者们将光纤b r a g g 光栅( f b g ) 埋入钢筋混凝 土结构中进行实验，测量应变。1 9 9 3 年加拿大科学家使用了贴在预应力混凝土支撑的钢 增强杆和碳纤维复合材料上的1 6 个光纤光栅传感器，对桥梁结构进行长期监测。这是 光纤光栅传感器第一次应用于一座诸如桥梁的大型结构，也是光纤监测的第一次长期现 场测试，这使光纤光栅传感器在土木工程中有了突破性的应用。随后由于光纤光栅传感 器具有抗电磁干扰能力强等优点，且可对大型构件的应力、温度、载荷和震动等物理参 2 第一章绪论 数进行实时安全检测，在电力工业、航空航天、石油化工等领域得到了非常广泛的应用。 在国内，由于国家自然科学基金、8 6 3 项目等国家基金以及其他专项基金给予的大 力赞助和支持，光纤光栅传感器也得到了迅速发展。目前很多单位都已经开展了这个领 域的相关工作，比如华中科技大学、清华大学、北京品傲光电科技有限公司、上海紫栅 公司、武汉理工大学等。在传感理论方面，清华大学的研究人员就对光纤b r a g g 光栅具 体性能进行了较为深入的研究与实验，得出了波长扫描光纤b r a g g 光栅及其传感特性的 研究理论；哈尔滨工业大学、武汉理工大学、西安石油大学在传感器的封装和埋覆方面 也提出了重要理论研究。在传感应用方面，2 0 0 3 年9 月深圳会展中心就采用了由北京品 傲光电科技有限公司生产的光纤光栅传感系统进行施工监测和长期监测，整体系统采用 3 5 只光纤光栅传感器和分析仪，在施工过程中成功实现了对其主体结构的多参数的长期 测量。另外，在海口世纪大桥、巴东长江大桥等结构上也安装了光纤光栅传感器监测系 统，对结构的温度和应变变化进行实时监测。 随着我国加入世界贸易组织，传感器作为国家重点发展产业之一，具有不可小觑的 发展空间和市场需求，其中光纤光栅传感器的市场份额将会不断增大。但是现有技术的 局限影响了光纤光栅传感器的实用化。另一方面，较高的市场价格也限制了其在国内的 应用，这就有待于从材料、原理和制作工艺等方面入手，降低成本，研制出性价比较高 的光纤光栅传感器。因此，如何改良制造工艺、提高测量精度，将光纤光栅优良的传感 特性真正运用到生产实际当中，这是需要研究人员长期努力去解决的重大问题。 1 3 光纤光栅传感器的优势 传感器技术是当代科技技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成 信息产业的三大支柱。目前，电式传感器和光纤传感器是进行物理参数测量的两种常用 方法。传统的电式传感器虽然在使用方面历史悠久、技术成熟，但是却具有以下缺陷： 1 受测量环境的电磁干扰影响大； 2 受周围材料的温度以及测量材料的热噪声影响大； 3 体积较大、不稳定、测量动态范围有限。 电式传感器的这些缺点限制了其在诸如石化工业这样的行业的应用。光纤光栅传感 器是一种特殊的光纤传感器，因此，除了具有光纤传感器的特点外，还具有一些其它特 殊的优点。光纤光栅传感器和传统的电式传感器相比，主要有以下优点【7 】： 首先，光纤光栅传感器抗电磁干扰，耐腐蚀，安全可靠。由于其传感是利用光波来 感知外界环境的变化，并利用光纤来传输信息，而光纤是耐腐蚀、电绝缘的传输介质， 因此不会受到外界电磁场的影响，并且安全可靠。 其次，光纤光栅传感器小巧紧凑，容易对空间很小的部位的物理量进行测量，且易 于埋入材料内部，这有利于在航空、航天及狭窄空间的应用。另外，由于光纤光栅和光 纤之间具有很好的兼容性，很容易串联多个光纤光栅形成阵列，从而实现分布式传感。 再次，光纤光栅传感器具有波长自参考特点，抗干扰能力强。作为传感单元，光纤 光栅能够将被测物理量的变化转化为波长的偏移，不会受到光强、光纤的微弯效应的影 江南大学硕士学位论文 响。因此相较于一般的光纤传感器具有更高的可靠性。 由于上述这些优点，采用光纤光栅作为传感单元的传感器能够较好地克服传统的电 式传感器的缺点，从而实现在大型机电、石油化工、冶金、高压、强电磁干扰，特别是 易燃易爆、强腐蚀环境中安全可靠地传感。 1 4 论文组织结构 在基于光纤布拉格光栅的传感器的研制中，一直存在着交叉敏感问题，即光纤光栅 对于应变和温度都是敏感的，因此如何低成本高精度地提取温度和应变信息，解决交叉 敏感问题，达到要求的测量指标，是本课题需要研究的核心理论和所要解决的技术问题。 本文从光纤光栅的基本理论和传感机理出发，运用预应变的方法对光纤光栅温度和应变 交叉敏感问题进行了研究，并利用数字信号处理方法对影响传感器测量精度的噪声进行 了分析和处理。 第一章，介绍本论文的背景及研究意义，对光纤光栅传感器的发展、现状以及优势 进行了描述，并给出论文的章节安排。 第二章，首先介绍了光纤光栅的分类，然后详细阐述了光纤光栅三种分析方法的原 理及其适用范围。最后对光纤b r a g g 光栅进行仿真分析，讨论其参数的变化对反射谱的 影响。 第三章，叙述了光纤光栅的传感机理以及其传感模型，在理论上推导出了光纤光栅 的应变和温度灵敏度系数的表达式。 第四章，深入地研究了光纤布拉格光栅传感系统中的交叉敏感问题，包括成因和解 决方法，提出利用预应变的方法解决交叉敏感的总体方案，介绍了该方案的设计思路和 结构，并利用实验进行了分析。 第五章，给出了提高光纤光栅传感器测量精度的方法，并且对该方法进行了理论仿 真和实验分析。 第六章，对论文中所做的工作进行全面的总结，并展望未来的研究工作。 4 第二章光纤光栅的基本理论 第二章光纤光栅的基本理论 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯锗离子相互作用引起折射 率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其相互作用实质上是在纤芯内形成一 个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜【8 】。光纤光栅的这一重要特性使之成为光纤器 件中最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的无源器件。光纤光栅易于与光纤系 统集成，已广泛应用于光纤传感、光纤通信和光信息处理等领域。本章将描述光纤光栅 的基本理论以及其分析方法，作为光纤光栅传感器研究所必需的理论基础。 2 1 光纤光栅的分类 从光纤光栅出现至今，由于技术的不断发展和实际的需要，如今的光纤光栅市场种 类繁多，特性各异，分类方法层出不穷。 2 1 1 按光纤光栅的周期分类 光栅是折射率周期性变化的光学介质，因此当光通过时将产生相位的周期性变化。 光纤光栅的示意图如图2 1 所示，图中光纤纤芯内的黑白条纹显示出折射率的周期性变 化，参数人为光纤光栅的周期。 ；，。 - - 卜 一卜一i _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ i 1 人i 图2 1 光纤光栅的示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f f i b e rg r a t i n g 根据周期的差别和出现时间先后的不同，光纤光栅大致可以分为两大类，即短周期 光纤光栅( 又被称为光纤布拉格光栅) 和长周期光纤光栅。一般，前者的周期小于1 微米， 后者的周期分布较宽，在几十到几百微米之间。但这两类光纤光栅无论是制作方法还是 理论处理上都有很多类似之处，都可用于传感和通信等领域，因此两者有着不可分割的 联系。其不同在于光纤布拉格光栅是传输方向相反的模式之间发生耦合，只反射特定波 长的光，而长周期光纤光栅是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，将光纤中传输 的特定波长的光波耦合到包层中损耗掉，无后向反射。 2 1 2 按光纤光栅的波导结构分类 按纤芯折射率沿轴向分布的形式，可将光纤光栅分为以下几类： 1 均匀光纤光栅。特点是光栅的折射率呈固定的周期性调制分布，即光栅的周期和 折射率调制的大小均为常数。这是最常见且应用也最广泛的一种光纤光栅，其反射谱具 有对称的边模振荡。 5 江南大学硕士学位论文 2 啁啾光纤光栅。特点是光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的。由于不同的 栅格周期对应于不同的反射波长，该光栅能形成很宽的反射带，也呈现大量的群速度色 散( g v d ) ，g v d 的特性和大小能被啁啾控制。因此，线性啁啾光纤光栅被广泛用于色散 补偿元件【9 , 1 0 。 3 变迹光纤光栅。特点是采用特定的函数对光栅的折射率大小进行调制。这种光纤 光栅可通过选择不同的变迹函数抑制其反射谱的边模振荡达到不同的效果，因此其具有 丰富的谱特性。高斯函数，升余弦函数，双曲正切函数都是其常用的变迹函数。变迹光 纤光栅在密集波分复用( d w d m ) 中有很重要的应用。 4 相移光纤光栅。特点是在光栅的某些位置上，由于一些方法破环了其周期的连续 性，在这些不连续的位置上会产生一个相移，从而改变光谱的分布。相移的作用是在光 栅的反射谱中打开一个缺口，相移出现的位置决定了缺口的深度，其大小决定了缺口的 位置。因此相移光纤光栅可以用来制作窄带通滤波器，也可用于分布反馈式( d f b ) 光纤 激光器i l 。 5 倾斜光纤光栅。也称为闪耀光纤光栅，其光栅周期与折射率调制深度均为常数， 但其光栅波矢量方向与光纤轴成一小于9 0 度的夹角。光栅条纹倾斜的主要影响是有效 降低光栅的条纹可见度，将基阶模耦合至包层模中损耗掉，使布拉格反射减弱。可将倾 斜光纤光栅应用于掺铒光纤放大器的增益平坦【1 2 1 和空间模式耦合器【1 3 】。 6 超结构光纤光栅。特点是光栅的折射率调制是间断的，如果这种间断具有一定周 期性，那么此光栅又称为取样光栅，其反射谱具有一组分立的反射峰，且光栅长度越长 则每个尖峰的带宽越窄，反射率越高。因此超结构光纤光栅在梳状滤波器以及多波长激 光器中具有一定的应用价值【1 4 1 。 除了上面所述的光纤光栅外，还存在一些特殊折射率变化的光纤光栅，这些光纤光 栅在光纤通信和光纤传感领域具有特殊应用。 2 2 光纤光栅的模式理论 光纤光栅应用于传感的实质是将外界环境的改变转化到其中心波长的变化上，因此 在理论分析光纤光栅传感器的响应机理前，必须建立光纤光栅的理论模型，了解光在光 纤光栅中的传输规律。这对合理地应用光纤光栅传感器具有十分重要的意义。目前，耦 合模理论分析法1 1 5 , 1 6 、传输矩阵法【1 7 , 1 8 1 和傅立叶分析法这三种方法是比较常用的分析光 纤光栅的理论方法【l 9 。 2 2 1 耦合模理论 从理论上分析光纤光栅，最常用也是最基本的方法是耦合模理论。此方法简单精确， 常被用来分析布拉格光栅的光谱特性。 光纤光栅是在不同样式的模板下利用紫外光曝光从而在光敏光纤中形成所需要的 折射率扰动而产生的。由曝光形成的总导模有效折射率的变化可以用公式( 2 1 ) 表示， 即： 6 墨三兰垄竺垄塑塑苎查矍笙 肾面“1 + s c o s ( 罢z 吲z ，) ， 式中，刀形为一个光纤光栅周期内的平均有效折射率变化( 折射率的直流调制) ；s 是 折射率变化的对比度，通常视光栅反射率强弱取值，一般在0 5 - - 1 之间；人为光栅周 期；z 为光纤纵轴坐标，光纤的横截面为x y 平面；缈( z ) 为光栅周期的啁啾或相移。 对于均匀周期光纤b r a g g 光栅，由于其，z 不变，缈( z ) 为0 ，其有效折射率变化 可改写成公式( 2 2 ) ，即【2 0 1 ： 石万i1 + s e o s ( 等z ) ( 2 2 ) 由于光波导具有纵向不均匀性，理想波导模式单独传播的条件已受到破坏，此时传 播的光波场是一个极为复杂的电磁场边值问题的解。但在纵向不均匀性不是很严重时， 即理想波导受到微扰时，总的电场可以表示为各分立的理想电场模式之和，即【16 】： e r ( x ，弘z ，f ) = a m ( z ) e x p ( i f l m z ) + b , ( z ) e x p ( - i f l , z ) q t 一( x ，y ) e x p ( 一i o t ) ( 2 3 ) 式中， ( z ) 与吃( z ) 分别为沿+ z 与一z 方向传播的第m 阶模缓慢变化的幅度；为传输 常数，其值为( 2 刀五) ，：( x ，y ) 为纤芯、包层或辐射模；彩为光波角频率。在理想情 况下，各阶次模式之间是正交的，没有能量交换，但是光栅中周期性介电微扰会使它们 产生耦合。它们的振幅沿z 轴不断变化【1 6 l ： 等= f 4 ( + l ) e x p 螅一尾) z 】 + f 或( 一) e x p - i ( f l q + 成) z 】 譬：一f 4 ( 一) e x p 崛+ 尾) z 】 ，一f 岛( + ) e x p - i ( f l q 一尾) 引 一 其中，c 磊o ) 和分别为模式q 和模式m 之间