（测试计量技术及仪器专业论文）光纤光栅悬臂梁测振传感器的研究.pdf

论文题目：光纤光栅悬臂梁测振传感器的研究 专业：测试计量技术及仪器 作者姓名：逯春红 指导教师：刘月明教授 答辩日期：2 0 0 7 年3 月 摘要 签名：垂盔丝 签名： 型壁! v 在机械设备故障诊断中，常常要分析该设备的机械振动频率、加速度等参数与故障的 关系，因此，对振动各参数的精确测量尤其重要。但是目前的振动测试系统主要是由电磁 类传感器组成，其灵敏度不高且抗电磁干扰能力差，已远远不能满足许多实际需要。因此， 研究和开发新型的振动传感器是改善现有振动测试系统的关键。光纤光栅传感技术的出现 为当前振动传感技术的发展提供了良好的技术手段，由于光纤光栅传感器具有灵敏度高、 动态范围宽、不受电磁干扰、成本低、体积小等优点，使其在传感领域具有很好的应用前 景。 本论文设计了一种适用于机械振动故障检测的光纤光栅悬臂梁振动传感器，该传感器 基于光纤光栅应变传感机理，具有灵敏度高、绝缘性好、抗电磁干扰、体积小、重量轻以 及便于远程监测等优点，实测时只需将其安装在待测点上即可，使用安全、方便，实现了 绝对式测量。 传感头的主要结构是热双金属片悬臂梁，悬臂梁一端固定在机座上，另端带有质量 块m ，光纤光栅粘贴在悬臂梁上。在测量机械振动时，把机座固定在振动源上，机座与振 动源同时振动，从而引起质量块m 的振动，在惯性力的作用下悬臂梁产生应变，带动光纤 光栅伸长和收缩，从而引起其布拉格反射波长的变化，如果振动为简谐振动，则布拉格反 射波长将周期性变化，通过探测布拉格波长的变化量即可实现振动的测量。 本论文通过理论分析，证明了光纤光栅反射中心波长的变化量与被测加速度的幅值呈 线性关系，得出传感器的加速度测量范围为0 - 2 0 3 9 ，波长灵敏度为0 0 1 n m g ，频率测量范 围为2 0 h z 1 6 0 h z , 固有频率为1 9 9 5 h z 。利用了a n s y s 软件对所设计的传感器进行了模态 分析，并利用实验证明了理论模型的正确性；同时设计了具体的振动传感解调电路把光 信号转变为电压信号，最终通过示波器显示出待测振动信号的振动加速度幅值和频率：为 了解决光栅的温度一应变交叉敏感问题，对传感器的温度传感特性进行了实验分析，并在 此基础上设计出了振动温度双参数同时测量的解调方案，为后续工作奠定了基础。 本研究得到陕西省教委专项科研基金( 项目批准号：0 6 j k 2 3 0 ) 和西安理 + 大学中青年教师科技创 新基金( 项目批准号：1 0 2 2 1 0 3 0 4 ) 的资助。 西安3 e _ r _ 大学硕士学位论文 关键词：光纤光栅；布拉格反射波长：机械振动故障诊断；双金属悬臂梁；模态分析 t i t l e ：r e s e a r c ho nf i b e rb r a g gg r a t i n gc a n t i l e v e r v i b r a t i o ns e n s o r m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o n n a m e ：l uc h u n h o n g s u p e n ，i s o r ：p r o f l i uy u e m i n g d e f e n s ed a t e ：m a r c h2 0 0 6 a b s t r a c t s i g n a t u r e ：些业纽蚴 s i g n a t u 陀：立丝竺为 v i b r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sf r e q u e n c ya n da c c e l e r a t i o ne t c a r eo f t e nu s e dt o a n a l y z e m e c h a n i c a lf a u l t si nm e c h a n i c a lv i b r a t i o nf a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，s oi ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt o m e a s u r ev i b r a t i o np a r a m e t e r sa c c u r a t e l y h o w e v e r , t h ep r e s e n t - d a yv i b r a t i o nm e a s u r e m e m s y s t e mm a i n l yc o n s i s t so f e l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r s w h o s es e n s i t i v i t yi sl o ww i mp o o ra b i l i t yt o r e s i s te l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c es ot h a tt h es y s t e mi sf a rf r o mm a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s a c c o r d i n g l y , r e s e a r c h & d e v e l o p m e n to fv i b r a t i o ns e n s o r so fn e wt y p e sc a nb et h ek e yt o i m p r o v i n gt h ee x i s t i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m t h ee m e r g e n c eo ff i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s i n gt e c h n o l o g yc a np r o v i d eag o o dt e c h n i c a lm e a n st od e v e l o pt h ec u r r e n tv i b r a t i o n s e n s o rt e c h n o l o g y f b gs e n s o rw i t h h i g hs e n s i t i v i t y , w i d ed y n a m i cr a n g e ，i m m u n i t yt o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，l o wc o s t ，a n ds m a l ls i z e ，e t c w i l l h o l d g r e a ta p p l i c a b l e p o t e n t i a l i t yi nt h es e n s i n gf i e l d i nt h i sp a p e r , ad e s i g no ff b gc a n t i l e v e rv i b r a t i o ns e n s o ra p p l i e dt om e c h a n i c a lv i b r a t i o n f a u l td e t e c t i o ni sp r e s e n t e d t h es e n s o ri sb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n gs t r a i ns e n s i n gp r i n c i p l e s ot h a ti ti sc h a r a c t e r i z e db yh i g hs e n s i t i v i t y , g o o di n s u l a t i o n ，s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，p r e n f i u m i m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n de a s yr e m o t em o n i t o r i n g i na c t u a lm e a s u r e m e n t ， i ti sn e c e s s a r yt oi n s t a l lt h es e n s o ro nt h eo b j c o t st ob em e a s u r e ds ot h a ti ti ss a f ea n d c o n v e n i e n ti nu s es oa st or e a l i z ea b s o l u t em e a s u r e m e n t t h i ss e n s o rc o n s i s t so fab i m e t a l l i cc a n t i l e v e r ；o n ee n do fw h i c hi sf i x e do nt h ef o u n d a t i o n s u p p o r t ，a n dt h eo t h e re n di sam a s sb l o c km ，af b gs t i c k e do nt h eb e a mi si nt h ev i c i n i t yo f f i x e de n d i nm e a s u r i n gt h em e c h a n i c a lv i b r a t i o n ，t h es e n s o rs e a ts h o u l db ef i x e do nv i b r a t i o n s o u r c e ss ot h a tt h e yc a nv i b r a t et o g e t h e r , w h e r e b yc a u s i n gt h em a s sb l o c kmt ov i b r a t i o n a n d u n d e rt h ei n e r t i aa c t i o n ，t h ec a n t i l e v e rw i l lp r o d u c es t r a i nt oc a u s ef b gt oc o n t r a c ta n ds t r e t c h t h i sp r o j e c t w a ss u p p o r t e db y t h e r e s e a r c h f o u n d a t i o n o f e d u c a t i o n d e p a r t m e n t o f s h a n x ip r o v i n c eo f c h i n a ( n o0 6 j k 2 3 0 ) a n dr e s e a r c hf o u n d a t i o no f x i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ( n o 1 0 2 2 1 0 3 0 4 ) 西安理工大学硕士学位论文 w h e r e b yc a u s i n g t h ev a r i a t i o n si nb r a g gr e f l e c t i o nw a v e l e n g t h i ft h ev i b r a t i o n i st h e s i m p l e h a r m o n i cv i b r a t i o n ，b m g gr e f l e c t i o nw a v e l e n g t hw i l lc h a n g ep e r i o d i c a l l y a c c o r d i n g l y , t h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n tc a t lb ea c h i e v e dv i at h ed e t e c t i o no fb r a g gw a v e l e n g t hv a r i a t i o n s i t i sp r o v e dt h a tc h a n g eo ft h eb r a g gr e f l e c t i o nw a v e l e n g t ho ff b gs h o w e dal i n e a r r e l a t i o n s h i pw i t ha m p l i t u d eo fa c c e l e r a t i o n , t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w h e r e b yo b t a i n i n g t h a t a c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n tr a n g ec a nb e ：0 - 2 0 3 9 ，w a v e l e n g t hs e n s i t i v i t y ，o o l n m g ；f r e q u e n c y m e a s l l r e m e n tr a n g e ，2 0 h z - 1 6 0 h za n dt h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo f1 9 9 5 h z a n s y ss o f t w a r ei s u s e dt oa n a l y s i st h em o d e ；as p e c i f i cv i b r a t i o ns e n s o rd e m o d u l a t i o nc i r c u i tc o n v e r t i n go p t i c a l s i g n a l si n t ov o l t a g es i g n a l si sa l s op r e s e n t e d f i n a l l y ，v i b r a t i o na c c e l e r a t i o na m p l i t u d ea n d f r e q u e n c y i ss h o w e d t h r o u g ho s c i l l o s c o p e ；t o s o l v e p r o b l e m o f t e m p e r a t u r e s t r a i n c r o s s s e n s i t i v i t yo ft h es e n s o r ，ar e a l t i m em e a s u r e m e n t o ft e m p e r a t u r ew a st e s t e d o nt 1 1 eb a s i s o fw h i e ht h ed e m o d u l a t i o no f s i m u l t a n e o u sv i b r a t i o n t e m p e r a t u r e d o u b l ep a r a m e t e r si s d e s i g n e d ，w h e r e b yl a y i n gag o o df o u n d a t i o nf o r t h ef o l l o w i n g u pw o r k k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；b r a g g r e f l e c t i o nw a v e l e n g t h ；m e c h a n i c a lv i b r a t i o nf a u l t d i a g n o s i s ；b i m e t a l l i cc a n t i l e v e r ；m o d a la n a l y s i s v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：塞盘i 圣卸。仵弓月讶日 学位论文使用授权声明 本人：篷盔红在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位沦文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：盘盎挺导师签名：幽壁竺岬年毕月日 绪论 1 绪论 1 1 光纤光栅传感器概述 光纤光栅是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种在光纤通讯、光纤传感及光信息处理领域 有着广泛应用前景的基础性光纤器件n 1 。m o r e y 珏1 于1 9 8 9 年首次提出将光纤光栅用于传 感领域。光纤光栅传感器不仅具有灵敏度高、动态范围宽、抗电磁干扰、可靠性高、成本 低、集传感与传输于一体、构造简单、使用方便等优点n - ，而且具有可对结构的应力及应 变进行高精度绝对测量、准分布式数字测量的优点”1 ，同时还可构成各种形式的光纤传 感网络系统| 0 - 1 0 3 。因此，从光纤光栅传感器一诞生起就得到了广泛关注，当前它已成为传 感器研究的一个热点。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 如外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折 射率的永久性变化) ，把光纤置于紫外光形成的空间干涉条绞中曝光而在纤芯内形成的空 间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的( 反射或透射) 滤波器或反射镜1 1 1 。 当一束宽谱光经过光纤光栅时，满足布拉格条件的光波将被反射回来，而其余的光将 透过光纤光栅继续向前传输。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以 及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的周期和纤芯折射率，从而 引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，因此，温度和应变是光纤光栅能够直接传感测 量的两个最基本的物理量。其它各物理参数如：振动 1 2 - 1 6 | 压力 1 7 , t s l 电流 1 9 2 0 | 动态电 磁场“”的传感都是以光纤光栅的应变温度传感模型为基础衍生出来的。这种集探测与 传感为一体的传感器具有体积小，损耗低，波长选择好、不受非线性效应的影响、极化不 敏感、易于与光纤系统连接、损耗小、便于使用和维护等优点。随着社会的发展以及各项 技术水平的提高，光纤光栅必将在未来社会生活更多领域中发挥出越来越重要的作用。 1 2 振动传感器概述 振动是工程实际中普遍存在的一种现象，工程中多数结构都承受随时问变化的动载 荷。工程机械、建筑结构、海洋石油平台、机床、旋转机械、车辆船舶结构和航空航天器 等，它们都是承受各种动载荷的动力结构。动力结构不可避免的要出现振动。剧烈的振动 将导致构件裂纹的萌生与扩展，最后使构件疲劳破坏；振动加剧还会影响设备运行的平稳 性、可靠性和精度指标。如：剧烈振动将导致列车运行平稳性恶化，降低运行舒适度，甚 至导致列车出轨，发生翻车事故；振动还将导致轴承等摩擦副的磨损，紧固件松脱，影响 设备运行的可靠性和寿命，影响设备的正常功能和性能指标；振动还将消耗能量，降低效 率，振动及其伴随噪声还会恶化环境。振幅、频率和相位是表征振动的基本物理量，而从 加速度信号中可以提取振幅、速度、烈度等特性参数。加速度测试技术一直是解决工程振 动问题的重要手段。 西安理工大学硕士学位论文 加速度测量的重要应用是在故障诊断方面。现代机械设备要求高可靠性与高效益。为 此，一种以状态检测为基础的故障诊断技术得到了推广，大大增加了机械运行的可靠性， 提高了设备的利用率，减少维修时间和降低维修费用。一般把加速度传感器与信号调理电 路集成后制成的组件称为加速度计。加速度计在通讯运输、医疗卫生、工业控制等领域有 着极为广泛的应用。 1 2 1 振动测量一般方法概述 按照测量振动的方式，测振仪分为相对式和绝对式( 惯性式) 两种。相对式测振仪用 于测量两个部件之间的相对振动，它可以做成电容式、电感式、电阻式及电磁式等：绝对 式测量时，是以地球为绝对坐标，测量某一部件相对于地面的振动绝对式测振仪是利用 质量的惯性来测量振动参量的。 绝对式测量的方法很多，各种测量位移的方法大多都能用在这种绝对加速度测量的方 法上。按其测量方法分，也有电测量法和光纤测量法。压电式加速度计是应用比较多的一 种加速度类型惯性传感器，配接电荷放大器后，可以应用于低频振动测量。其测量范围宽， 理论上从零赫兹到几千赫兹。但其使用时易受磁场和核辐射等因素的影响。 1 2 2 光纤加速度计 二十世纪七十年代末出现了光纤加速度传感器，与传统加速度传感器相比，光纤加速 度传感器不但能抗电磁干扰，而且体积小、质量轻、动态范围宽、精度高、能在恶劣环境 下工作，因此各先进国家对光纤加速度传感器在军事和商业领域的应用极其重视，各种实 用的光纤加速度传感器不断涌现 ? a - - 3 0 1 。 1 3 光纤光栅振动传感器的研究现状 近几年来，光纤光栅的制备工艺日益成熟，人们对其在光传感方面的研究也变得更为 广泛和深入。目前，光纤光栅传感技术己成为现代传感领域的一个重要研究方向，其在振 动传感领域的应用也取得了一定的成就。光纤光栅传感器主要应用于桥梁等大型建筑结构 的健康诊断和各种机械的故障诊断系统；也可应用于石油、金属矿藏、煤炭、工程地质、 水文地质和地热等的精细勘探。 1 9 9 2 年a d k e r s e y “1 首先提出了采用f b g 和非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉仪来测量振 动的方案，其结构原理如图l 一1 所示。该方案中f b g 被直接粘于压电传感头上，由压电 传感头产生动态应变，其动态应变灵敏度在1 0 0 h z 时可达0 6 n “i - i z 阮。1 9 9 6 年，t h c t i a u l t 等人”提出了利用f b g 测量加速度的方案，其结构原理如图卜2 所示。该系统输出的电 流与所加的加速度成线性关系，测量的加速度的最大值可达1 7 0 0 0 0 9 。但这两种方案中都 绪论 没有设计出独立的传感头，只是验证了用f b g 可以测量振动的可行性，距离f b g 振动 传感器实用化的进程还比较远。 图卜1 使用f i g ；测量振动的结构图 f i 9 1 - 1v i b r a t i o nm e a s u r e m e n tu s i n ga nf b gs o n s o r 甫奶l 谜度所产 向 图l - 2 使用f 8 6 测量振动加速度的结构图 f i g l - 2a c c e l e r a t i o ni n c a s e m e n tu s i n ga l lf b g s e n s o r y o o n “1 等人将f b g 埋入层状智能复合物结构中，和保偏光纤环镜解调方法结合起来 进行实时振动测量，显示出了比较好的效果，证明了其在复合物振动测量中具有广阔前景， 但这种传感器只适合埋入式测量。w a n g “1 等人把长x 宽x 高为5 0 5 o 5 m m 3 ，测量范 围为3 0 0 0 m e 的f b g 应变传感器组成阵列，埋入到长宽x 高为5 5 x 0 3 x 0 1 5 一的 混凝土粱中，进行准分布式测量。实验中为消除温度的影响还采用温度传感器对其进行补 偿和修正，采用压电加速度传感器与其进行对比，结果证明该方案可应用于长期结构健康 检测和短期结构状态监测。c u s a n o 鹏利用f b g 传感器对a 磁谱仪( 粒子探测器) 的星象 跟踪仪模型进行了动态应变的测量，并进行了前两阶模态分析，显示出很好的应用前景。 最近，日本的n o b u a k it a k a h a s h i 等人”州使用f b g 以及可调l d 激光源进行强度解 调成功实现了振动的高灵敏度测量，最小振幅为0 0 7 1 m a ：并且设计了同时测量温度和振 动的f b g 传感器，其温度测量范围为一1 5 5 0 ，信噪比 5 5 d b ，振幅测量范围可达 5 0 0 n m ，但该传感器还没有走向实用化。 在国内，l is u n 利用1 0 个f b g 传感器，其中一个做温度传感器，两个用作加速度传 感器，其余七个作为应变传感嚣组合起来测量海上石油平台模型的动态响应，其结构如图 卜3 所示，其中图( a ) 是水下振动台和海上石油平台模型，( b ) 是光栅在平台中的粘贴位 置，图中l # 至7 # 光栅是管式封装的对温度不敏感的f b g 应变传感器，8 # 和9 # 光栅是测 3 西安理工大学硕士学位论文 量加速度的。该实验证明f b g 应变传感器的抗电磁干扰能力优于普通应变仪：f b o 加速 度传感器的噪声抑制能力也优于普通加速度计，且加速度的测量值与普通加速度计的测量 值相吻合，而且实现了远程测量，其缺点是只适合低频( 2 0 h z ) 测量，且采样频率不稳 定，易受压电传感器的干扰，这样会导致灵敏度和分辨率的下降。 b ( a ) 图i - 3 光纤光栅海上石油平台振动测量模型 f i g l - 3 f b os e n s o r s f o r l h e m e a s u r e m e n t o f d y n a m i c n s p 雠o f o 伍s h o r e o i l p l a t f o r m m o d e l (a)(b) 图1 q “1 1 管式封装的f b g 应变传感器及其在水下管道中的振动实验 f i g ! - 4t u b e - p a c k a g e df b o 或r a i ns e n s o ra n di nt h ev i b r a t i o ne x p e r i n m to f s u b m a r i n ep i p e l i n em o d e l l i a n gr e n “1 1 利用f b o 应变传感器成功地测量了水下管道模型的振动，为消除环氧 树脂封装引起f b g 背景反射的多峰值反射效应，采用了一种对应变不敏感的钢管和环氧树 脂对传感头进行封装，封装后的传感头如图1 - 4 ( a ) 所示。该实验中用5 个f b o 应变传感 器做水平振动监铡，另外5 个傲垂直振动监测，所使用的电子加速度传感器的嗓音为2 5 雌， 而新设计的传感器仅为2 肛，显示了f b g 应变传感器对电磁干扰的免疫性很好，但其应 4 绪论 变传输因数随安装基底材料变化而变化，限制了它的应用范围。l e e ”1 设计了一种对温度 不敏感的双f b g 振动传感器，他把反射谱部分重叠的两根f b g 连接起来，并且分别粘贴 于长宽x 高为2 0 0 x 2 x 1 6 r a m 3 的p m m a 悬臂梁的上下表面。当悬臂梁感受振动时， 一根f b g 被拉伸而另一根被压缩，f b g 的反射谱重叠部分被振动调制，用光功率计和光 电探测器即可得到待测振动信号；另一方面，外界温度变化时，两根光栅的中心波长移动 方向一致且移动量也相同，结果光栅的反射谱重叠量不变，所以温度对振动的影响被消除 了。该方案中波长，振幅灵敏度为0 3 4 1 0 。，但其振动频率测量范围仅限于1 0 h z 8 0 h z 。 现阶段，国内大部分光纤光栅传感器的研究还只局限在实验室，清华大学、武汉理工 大学、浙江大学、燕山大学、天津大学和中国科学院西安光机所等单位对光纤光栅进行了 大量的理论和实验研究。武汉理工大学光纤传感技术国家重点工业性试验基地已研制出了 光纤光栅应力、温度、振动、加速度、化学等多种传感器，并已研制出解调频率达5 k h z ， 带宽1 0 r i m 的基于边缘滤波器的光纤光栅高速解调器，多路复用光纤光栅动态解调的技术 框架基本形成。光纤光栅传感器实用化的最大问题是其解调部分，但总的来说，经过十多 年的研究和开发，我国的光纤光栅传感技术已取得了丰硕的成果。现存的文献反映出，目 前在利用f b g 进行振动测量上存在的问题主要有：灵敏度的提高问题、横向灵敏度的消除 限定问题、温度与光纤本身的噪声干扰消除问题、系统精度与抗干扰问题、降低仪器系统 成本及提高实用化水平问题。 1 4 本论文的主要研究内容与意义 本论文旨在设计一种适用于恶劣环境下工作的f b g 悬臂梁振动传感与远程监测系 统，主要用于机械振动故障诊断识别，该传感器可以测量振动加速度、振源频率及机器周 围环境温度，具有灵敏度高，使用安全等特点。 论文的主要研究内容如下： 1 研究f b g 的应变、温度传感特性，验证其测量振动和温度的可行性。 2 研究使用双金属片做悬臂梁并在其表面粘贴f b g 测量振动和温度的可行性。 3 对传感头进行合理设计，并用a n s y s 分析软件对该传感头进行模态分析和尺寸 优化，使传感头具有较大的测量范围和较高的灵敏度，为传感头的加工制作提供基础模型。 4 对传感器的解调方法进行合理选择，设计出振动加速度测量系统的具体解调电路， 为传感器实用化奠定基础。 5 详细介绍了实验装置、光路设计以及传感头振动和温度测量实验过程；把实际测量 结果与理论分析进行对比，验证课题设计的可行性和正确性。 6 指出了存在的不足之处，设计出温度和振动同时解调的方案，为后续的研究工作奠 定了基础。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 光纤光栅光学传感特性 2 - 1 光纤光栅传感技术的研究与进展 2 1 1 光纤光栅的分类 在光纤光栅出现至今的2 0 多年里，由于研究的深入和应用的需要，各种用途的光纤 光栅层出不穷，但归结起来主要可以从光纤光栅的周期和相位等几个方面对光纤光栅进行 分类“。 色按光纤光栅的周期分类 ( 1 ) 短周期光纤光栅( f i b e r b r a g g g r a t i n g ) 。 通常把周期小于1 岬的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反 射光栅。特点是传输方向相反的模式之闻发生耦合，属于反射型带通滤波器。 ( 2 ) 长周期光纤光栅( l o n g - p e r i o df i b e ro r a n g ) 。 把周期为几十至几百i n n 的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称透射光栅。特点是 同相传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。近年来 长周期光纤光栅已成为光纤传感领域研究的一大热点。 b 按光纤光栅的波导结构( 光栅轴向折射率分布) 分类 ( 1 ) 均匀周期光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 。 特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为常数，其反射谱具有对称的边模振荡。均 匀周期光纤光栅是发展最早、制作工艺最成熟，也是应用最广泛的光纤光栅。布拉格光纾 光栅就是一种均匀周期光纤光栅，因此只有很窄的带宽内满足布拉格条件的光被选择性反 射，其余的光可以几乎无衰减地通过，是一种选择性很好的带阻滤波器 在许多文献中都直接将均匀周期光纤布拉格光栅简称为光纤光栅，通常所讲的光纤光 栅传感器往往也是指均匀光纤布拉格光栅传感器，本论文在不会引起歧义的情况下也采用 这个简称。 ( 2 ) 啁啾光纤光栅( c h i r p e df i b e rb r a g gc r a t i n g ) 。 特点是光栅的周期沿轴向长度逐渐变化，其周期结构可以根据需要来设计，可以是线 性变化也可以是非线性变化的。该光栅在光纤通信中的应用较多。 ( 3 ) 高斯变迹光纤光栅。 特点是光致折射率变化大小沿光纤轴向为高斯函数。高斯变迹光纤光栅的反射谱不具 有对称性，在长波边缘光谱平滑，在短波边缘存在边模振荡结构，并且光栅长度越长，振 荡间隔越密，光栅越强，振荡幅度越大。 6 光纤光栅光学传感特性 ( 4 ) 升余弦变迹光纤光栅。 光致折射率变化大小沿光纤轴向分布为升余弦函数，且直流“d c ”折射率变化为零。 这种光纤光栅在d w i ) m 中有很重要的应用。 ( 5 ) 相移光纤光栅。 特点是光栅在某些位置发生相位跳变，通常是兀相位跳变，从而改变光谱的分布。 相移的作用是在相应的反射谱中打开一个缺口，相移的大小决定了缺口在反射谱中的位 置，而相移在光栅波导中出现的位置决定了缺口的深度，当相移出现在光栅中央时缺口深 度最大，因此相移光纤光栅可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。 ( 6 ) 超结构光纤光栅( s a m p l e d f i b e rg r a t i n g ) 。 又称取样光纤光栅，特点是光栅由许多小段光栅构成，折变区域不连续，如果这种不 连续区域的出现有一定周期性则又称为取样光栅，其反射谱出现类似梳状滤波的等间距尖 蜂。且光栅长度越长则每个尖峰的带宽越窄，反射率越高。 ( 7 ) 倾斜光纤光栅( b l a z e df i b e rg r a t i n g ) 。 也称为闪耀光纤光栅，其特点是光栅条纹与光纤轴成一小于9 0 。的夹角。合理选择 倾斜角可增强辐射模或束缚模耦合，从而抑制布拉格反射。倾斜光纤光栅主要可以用作掺 铒光纤放大器的增益平坦器、光传播模式转换器等。 2 1 2 光纤光栅的写入技术 1 9 7 8 年加拿大的k o h i l l 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只 光纤光栅一光纤布拉格光栅( i n f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) ，但当时采用的写入技术是内 写入法，由于该技术的写入效率低，写入的布拉格波长受激光写入波长限制等原因，当时 制作的光纤光栅未能得到充分的发展，直到1 9 8 9 年，g m e l t z 等人发明了紫外侧写的分振 幅干涉法，光纤光栅技术才得到了迅速发展。1 9 9 3 年，h i l l 等人又提出了紫外光垂直照 射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，这使得光纤 光栅真正走向实用化和产业化。该方法的一个很大的优点是写入光栅的周期仅仅取决于相 位光栅周期而与辐射光的波长无关，因此这种方法对激光光源的相干性要求大大降低，使 采用低相干光源写入光栅成为可能。相位掩模是目前为止最成熟的光纤布拉格光栅写入方 法，该方法降低了写入装置的复杂程度，简化了光纤光栅的写入过程，并且对周围环境的 要求大大降低，这使得大规模批量生产光纤光栅成为可能，极大地推动了光纤光栅的发展 及其在光纤通信和传感领域的应用。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 2f b g 的基本光学特性 2 2 1 光纤光栅( f b g ) 的波导结构 f b g 的波导结构如图2 - 1 所示，其传感原理为：在光纤纤芯传播的光将在每个光栅 面处发生散射，如果不满足布拉格条件，依次排列的光栅平面反射的光相位将会逐渐变得 不同直到最后相互抵消。另外，由于系数不匹配，与布拉格谐振波长不相符的光在每个光 栅平面的反射也很微弱，这种反射将沿光栅长度累加。例如：长为l 衄、谐振波长为1 5 哪、n 为0 0 0 1 的光栅对谐振波长以外的光反射率约为0 0 5 。当满足布拉格条件时， 每个光栅平面反射回来的光逐步累加，最后会在反向形成一个反射峰，中心波长由光栅参 数决定。 布拉格光栅 塞目 9 0 。但是，单纯的强 调高反射率的同时，也要同时考虑边模抑制。也可以说，反射率决定信号强度，边模抑制 决定了信噪比。 b 透射率， r 一1 一r( 2 8 ) c 中心波长且。 k 。( 1 + 堕) 如 ( 2 9 ) 仃盯 由于面坳 嘞- ，所以波长偏移量很小，在光栅应用时经常可忽略，把布拉格波长和 中心波长等同起来都叫做f b g 的布拉格波长或都叫做f b g 的中心波长。 d 反射带宽五 由反射带宽的定义：r ( a ) = r ( cx b ) 2 ，可求出两个2 值，并进一步给出b r a g g 西安理工大学硕士学位论文 波长的半高全宽( f w 五m ) 为： 从- 毛s ( 2 1 0 ) 式中，为表示光栅平面的数目；s 的大小取决于光栅反射率的大小，如果反射率为 l o o ，j 约等于1 ，如果反射率比较小，则s 约等于o 5 。 理论上f b g 的带宽越小测量精度越高，但从实际的制作工艺水平和可行的精度来看， 最合理的值应该在0 2 r i m 和0 3 r i m 之间，通常取0 2 5n l n 。 传感光栅的长度， 理论上光栅的长度越小，测量点越精确。而实际制作光栅时要综合光栅的各种参数， 光栅越短，反射率越低，带宽越宽。很短的光栅，其反射率和带宽都很难达到要求，因此 要在三者之闯做一个中和。 f 边模抑制比 对一个两边有许多旁瓣的f b g ，f b g 波长解调仪会错误的把某些旁瓣当作峰值。所以 一个好的f b g 除了要具有一个光滑的峰顶外，还要有光滑的两边。边模抑制比是决定f b g 传感性能较重要的一个参数，它直接决定了信噪比。控制边模，提高边模抑制比需要f b g 的制造商有较高的工艺水平。在f b g 反射率大于9 0 0 a 的情况下，边模抑制比应高于1 5 d b ， 更理想的要高于2 0 d b 。 上述参数中，f b g 的中心波长如、带宽越、中心波长处的反射率墨。是f b g 的三个 最重要参数，对f b g 传感器的设计具有重要的意义。 2 2 3 光纤光栅反射峰的特点 根据模耦合理论。可以总结出f b g 反射谱具有如下特点： ( 1 ) 对于理想的布拉格反射谱，其波形近似高斯型分布，即： r ( x ，砧) - e x p - a ( a 一九) 2 】 ( 2 1 1 ) 式中：如为光栅的峰值反射率，罢为f b g 常数，如为f b g 的半高全宽；知为 。 f b g 的中心波长。事实上，高斯函数和布拉格光纤光栅的真实反射谱非常接近。 ( 2 ) 线宽较窄，约为0 0 5 0 3 r i m 因此，反射信号光功率较低。 ( 3 ) 反射信号的光功率与光纤光栅的反射率有关。反射率越高，光功率越高。 2 3f b g 的基本传感原理 2 3 1f b g 应变传感模型 在所有引起光栅布拉格波长移位的外界因素中，最直接的是应力、应变参量。因为无 0 光纤光栅光学传感特性 论是对光栅拉伸还是挤压，都将导致光栅周期a 的变化，并且光纤本身所具有的弹光效 应使得有效折射率惭也随着外界应力状态的变化而改变。因此采用光纤b r a g g 光栅可制 成光纤应力传感器，其中应力引起光栅b r a g g 波长的移位可由式( 2 1 2 ) “”统一描述： 地- 2 从+ 2 a n 面a ( 2 1 2 ) 式中从为光纤本身在应力作用下的弹性形变；，l d 为光纤的弹光效应。 不同的外界应力状态将导致从和舰矿的不同变化。一般情况下，由于光纤光栅属 于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力可在柱坐标系下分解为o ，和o o 和o z 三个方 向，只有o z 作用的情况称为轴向应力作用；只有嘶和o o 作用的情况称为横向应力作用； 三者同时存在为体应力作用。 a 光纤光栅应变传感模型分析的前提假设 外界应力的改变会引起f b g 布拉格波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原 因主要有3 个方面：光纤弹性形变、光纤弹光效应及光纤内部应力引起的波导效应。为了 能得到光纤光栅应变传感更详细的数学模型，对所研究的光纤光栅做以下假设。 ( 1 ) 作为传感元，光纤光栅的结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所有外包层的影响。 从光纤光栅的制作工艺可知，要进行紫外曝光必须去除光纤外包层以免除它对紫外光的吸 收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构的分析能更直 接的反映光纤本身的传感特性，而不至于被其它因素所干扰。 ( 2 ) 由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循胡克 定理，且内部不存在切应变。该假设与实际情况也非常接近，只要不接近光纤本身的断裂 极限，都可以认为该假设是成立的。 ( 3 ) 紫外光引起的光敏折射率变化在光纤横截面上均匀分布，且这种光致折变不影 响光纤本身各向同性的特性，也即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。 ( 4 ) 所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间的变化情况。 根据以上假设，可以建立均匀轴向应力作用下光纤光栅应变传感模型。 b 均匀轴向应力作用下f b 6 的应变传感模型 均匀轴向应力是指对f b g 进行纵向拉伸和压缩，f b g 只受到拉伸或压缩应变，此时各 向应力可表示为。矿p ( p 为外加压强) ，盯o o o = o ，且不存在切向应力，根据各向同性介质 中胡克定理的一般形式，各方向的应变为 卧 p t ，一 层 p t ，一 e p e ( 2 1 3 ) 式中，e 和d 分别为石英光纤的弹性模量及p o i s s o n 比。现已求得在均匀轴向应力作用下 各方向的应变值，就可以此为基础进一步求f b g 的应力灵敏度系数。 西安理工大学硕士学位论文 将式( 2