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论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 光纤光栅温度应变传感增敏与区分测量技术研究 摘要 光纤光栅传感技术是伴随着光纤通信技术发展而另辟蹊径的一种崭新的传感技术。这种 传感器除具有一般光纤传感器的优点之外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上实现多 点复用、多参量分布式测量的独特优势，可实现温度、压力等诸多物理量的实时在线检测， 具有巨大的发展潜力。温度和应变传感是光纤光栅传感最为主要和直接的应用。由于光纤光 栅温度和应变响应灵敏度低并且存在交叉敏感问题，如何提高温度应变响应灵敏度和对这两 种参量加以区分是光纤光栅传感技术走向实际应用所必需解决的问题。 本文阐述了光纤光栅温度和应变传感的响应机理，对光纤光栅的纤芯材料选择，光纤光 栅的写入方法及封装方法几个方面进行了综合评述，在此基础上讨论了实现光纤光栅温度和 应变传感增敏的基本原理和方法。包括通过长周期b r a g g 光栅融合测量，选用对温度和应变 灵敏的纤芯材料，超短脉冲激光逐点写入法，选用热膨胀系数高和弹性模量低的特种聚合材 料封装以及封装结构设计等。 首次提出并试验验证了利用b r a g g 反射波带宽展宽技术实现单光纤光栅温度和压力同时 区分测量的新方法。通过聚合物材料将光栅粘接于双孔悬臂梁非均匀应变区，在压力作用下 悬臂梁带动光栅发生非均匀应变，使b r a g g 反射波波长漂移的同时带宽展宽，而温度变化仅 引起反射波波长漂移。实验得到温度分辨率为1 7 ，压力分辨率为o 3 8 n ，线性度高于9 9 6 ， 多次测量展宽波型稳定，重复性好。 结合光纤光栅传感技术的本质突出特点和石油工业测量要求，讨论了其在油气生产、储 运中温度和压力检测、测井技术、地震波检测、长距离油气管线监测等方面的应用。基于非 均匀应变b r a g g 反射波展宽原理设计了一种新颖的曲臂梁光纤光栅液位传感器，测量精度 3 m m ，结构简单，可实现油水液位的连续直接测量。 关键词：光纤光栅温度应变传感增敏区分测量液位传感 论文类型：应用基础 资助项目： 1 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目：“油气管线光纤光栅智能传感系统研究 ( 2 0 0 2 从3 1 3 1 5 0 ) ”； 2 国家自然科学基金项目：“油气井下光纤光栅分布式压力温度传感器的理论与实验研究 ( 6 9 8 7 7 0 2 5 ) ”： 3 国家教育部科学技术重点项目：“油气井下光纤光栅分布式压强和温度多参量同时区分探 测传感系统研究( 0 2 1 9 0 ) ”； 4 陕西省自然科学基金项目：“天然气管道分布式光纤光栅压力传感器研究( 2 0 0 0 c 3 4 ) ”； 5 陕西省教育厅项目：“油气管线分布式光纤光栅智能传感系统研究( 0 2 j k l 5 8 ) ”； 6 西安市工业科技攻关计划项目：“油气井下分布式光纤光栅压强温度传感系统增敏技术研 究( g g 2 0 0 1 2 6 ) ”。 s u b j e c t ：i m p r o v e ds e n s i t i v i t y a n dd i s c r i m i n a t i o n s e n s i n go nf i b e rg r a t i n gs e n s i n gt o t e m p e r a t u r e a n ds t r a i n s p e c i a l i t y ： n a m e ：9 “p 衫阮虎门 i n s t r u c t o r ： 如让龅嗜似学 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o p t i cf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，t h et 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 f b g ) s e n s i n g h a sb e c a m ean o v e lo n e a m o n g t r a d i t i o n a lm e t h o d s b e s i d et h en o r m a l a d v a n t a g e so f o p t i cf i b e rs e n s o r s ，i tc a l la c q u i r et h ei n f o r m a t i o no fs e v e r a lp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r ea n d s t r a i ne ta la n da c h i e v ed i s t r i b u t e ds e n s i n gw i t ho n l yo n ef i b e r t h e r e f o r e ，f b gs e n s i n gh a saw i d e u s ei nm o d e m i n d u s t r y t e m p e r a t u r ea n d s t r a i ns e n s i n gi st h em o s t i m p o r t a n ta n dd i r e c tu s eo ff b g s e n s i n g h o w e v e r , t h el o ws e n s i t i v i t ya n dc r o s ss e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r ea n ds t r a i nb e c o m e sa s e r i o u sp r o b l e mi ni t sa p p l i c a t i o n h o wt oi m p r o v et h es e n s i t i v i t ya n dt h ed i s c r i m i n a t i o no f p r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r ei se s s e n t i a l l yi m p o r t a n tt ot h ep r a c t i c a la b p l i c a t i o no f f b g s e n s i n g i nt i l i sp a p e r , t i l er e s p o n s i v em e c h a n i s mo f f i b e rg r a t i n g st ot e m p e r a t u r ea n ds t r a i ni sa n a l y z e d b ya n a l y z i n gt h ea s p e c t so ff i b e r c o r em a t e r i a l s ，f a b r i c a t i o nm e t h o d sa n dc o a t i n gm e t h o d s w e p r o p o s et h eb a s i cm e t h o d so fi m p r o v i n gs e n s i t i v i t yo f f i b e rg r a t i n g st ot e m p e r a t u r ea n ds t r a i n a s f o l l o w s ：h y b r i df b g l p f gs e n s i n g ，u s i n gt e m p e r a t u r e s e n s i t i v ea n ds t r a i n s e n s i t i v ef i b e rc o r e m a t e r i a l s ，d i r e c tf a b r i c a t i o nb ys u p e r - s h o r tp u l s el a s e ra n du s i n gp o l y m e ro v e r l a yc o a t i n g an e w a p p r o a c hf o rs i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eu s i n gas i n g l e f i b e rb r a g gg r a t i n gb a s e do nr e f l e c t e dw a v e sb r o a d e n e db a n d w i d t hi sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d f b gi s 拭x e do nt h en o n u n i f o r m i t ys t r a i na r e ao f d o u b l e - h o l ec a n t i l e v e rb e a m b ys p e c i a lp o l y m e r b r a g gr e f l e c t e dw a v ei ss h i f t e da n dr e f l e c t e db a n d w i d t hi sb r o a d e n e dc a u s e db yp r e s s u r ec h a n g e w h i l et e m p e r a t u r ec h a n g ei u s t1 c a d st ot h es h i ro fr e f l e c t e dw a v e d u et ot h es p e c t r a lr e s o l u t i o no f 0 0 5 r i mf o rs p e c t r a la n a l y z e r , t h er e s o l u t i o n so f t e m p e r a t u r em e a s u r ea n dp r e s s u r em e a s u r ea r e1 7 a n d0 3 8 nr e s p e c t i v e l y t h er e s p o n s ec u r v e so ff b gh a v eg o o dl i n e a r i t yw h i c ha r eh i g h e rt h a n 9 9 6 r e f l e e t i o ns p e c t r u mh a sa s t e a d yf i g u r et h r o u g hr e p e a t e dm e a s u r e m e n t c o m b i n i n g 也eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rg r a t i n g ss e n s i n g 丽mt h er e q u i r e m e n to f p e t r o l e u mi n d u s t r y , t h ea p p l i c a t i o n so f f b gi np e t r o l e u m i n d u s t r ya r ed i s c u s s e d ，s u c ha ss t r a i na n d t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，l o g g i n gt e c h n o l o g y , s e i s m o d e t e c t i n ga n dl o n gd i s t a n c eo i l - p i p e l i n e d e t e c t i n g b a s e do n t h ep r i n c i p l eo fr e f l e c t e dw a v e sb r o a d e n e db a n d w i d t ho nn o n u n i f o r ms t r a i n c a n t i l e v e rb e a m ，w ed e s i g nan o v e lf b g s e n s i n gt om e a s u r em e 1 e v e 】o fl i q u i db o t ho i la n dw a t e r t h er e s o l u t i o n sa r r i v ea t 3 m m i tc a nr e a l i z ed i s c r e t ea n dc o n t i n u o u sl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：o p t i c f i b e r g r a t i n g ，t e m p e r a t u r e a n ds t r a i n s e n s i n g , i m p r o v e ds e n s i t i v i t y ， d i s c r i m i n a t i o ns e n s i n g ，l i q u i dl e v e ls e n s i n g t h e s i s ：f u n d a m e n t s t u d y t h i s p a p e r i ss u p p o r t e d b y ： ( 1 ) n a t i o n a lk e y p r o j e c t so f 8 6 3 sp l a no nn e wm a t e r i a ld o m a i n ( 2 0 0 2 a a 31315 0 1 ： ( 2 ) n a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t ( 6 9 8 7 7 0 2 5 ) ； ( 3 ) s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o j e c to f n a t i o n a lm i n i s t r yo f e d u c a t i o n ( 0 2 1 9 0 ) ； ( 4 ) s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o j e c to fs h a n x ip r o v i n c e ( 2 0 0 0 c 3 4 ) ； ( 5 ) p r o j e c t o fe d u c a t i o no f f i c eo fs h a n x ip r o v i n c e ( 0 2 j k l5 8 ) ； ( 6 ) i n d u s t r i a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g y r e s e a r c h p r o j e c t o f x i a n c i t y ( g g 2 0 0 1 2 6 ) 学位论文创新性声明 6 0 5 6 0 l 本人声明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研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：血 日期：多一尹，z ，侈 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、 借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相若的学术论文 或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 细 微 日期： 同期： ”冬、 、1 y 殛邕垡。tc 厂 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 人类正进入信息化时代，计算机与通信网络的发展深刻地改变了社会的 面貌，人类的活动超越疆域的局限，愈加强烈地体现丰富多彩的多样化社会 的全球性。信息一通过传感获取、网络传播、计算机处理，作为社会机体的 灵魂，正渗透到社会细胞的每一个角落，发挥着瞬息万变的调节功能。 信息化的到来，首先归功于电子学技术的发展。电子作为信息的载体， 已作出了巨大的贡献。然而，无论是信息传输的容量、处理的速度、提取交 换的实时性和灵活性，还是信息传输与共享的安全性，电子技术均受到电子 载体固有特性的局限，其运行能力已表现出严重的“瓶颈”效应。无独有偶， 不荷电性的光子就是理想的选择，光子学技术因此孕育而生。建立在成熟电 子学技术上的光子学技术无疑将成为信息高科技的支柱。 以光子或光波代替电子或电磁波作为信息载体是超高速率和超大容量 现代信息科技发展中的必然选择。在信息获取领域，光子技术更是充分显示 出它不可替代的地位。信息的获取和载入是未来国家信息基础设施中的重要 组成部分。反映了社会和物质运动状态的信息，可以通过声、图、文、数据 的表达而反映出来，物质的运动状态通常伴随有光场、电磁场、声场、热场 和应力场等的出现，它们的存在可以使某种材料或器件的物理、化学等特性 发生变化，通过对这种变化的测量就能察觉物质的存在、运动或变化状态， 这种器件称为传感器。光纤传感技术便是以光纤作为信息传感与传输器件的 一种崭新的传感技术。 1 2 光纤传感技术与发展现状 一、光纤传感技术 光纤传感技术是伴随着光纤通信技术和纤维光学的发展而产生的一种 新型的光电子学技术。和所有的传感技术一样它是- - f 综合性很强的交叉学 科，涉及到纤维光学、非线性光学、激光技术、微电子技术、精密机械与仪 器技术、计算机技术、通信技术、信号与图像处理技术等多个学科及领域【l 叫。 光纤传感技术是利用光波在光纤中传播时表征光波的特征参量( 振幅、 西安石油大学硕士学位论文 相位、偏振态、波长等) 因外界因素( 如温度、应力、磁场、电场、位移、 转动等) 的作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤作为传感元件来探 测待测物理量。 光纤传感可分为传感型和传光型两大类。利用外界物理因素改变光纤中 光的强度、振幅、相位、偏振态、波长、频率等，从而对外界因素进行计量 和数据传输的称为传感型光纤传感器；利用其他敏感器件测得的物理量由光 纤传输称为传光型光纤传感器。光纤传感示意图如图卜1 所示。 光纤一光墟信播介雁 出射光波 彳 7 而、 、竺，一一 图1 - 1 光纤传感示意图 二、光纤传感系统 光纤传感系统由光源、信号传输线( 光缆) 、传感器件、光电转换及信 号处理四部分组成，如图卜2 所示。光波经光纤传输到传感头，光波的某些 特征参量在传感头内被外界物理参量所调制，含有被调制信息的光波经出射 光纤传输到光电转换部分，经解调后就能得到被测量物理量。现在光纤传感 器的种类繁多，光信号中能被解调的参量也相当多，包括光的强度、相位、 多普勒频移、偏振态、波长等。由于光波的频率相当高( 1 0 控_ 1 0 1 4 h z ) ，且是 一种二维信号载体，所以它能传感和传输的信息量极大。 1 - 2 光纤传感器工作原理示意图 三、光纤传感器的特点 与传统传感器相比，光纤传感器具备以下主要特点： ( 1 ) 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 灵敏度高，响应速度快。 ( 3 ) 体积小，重量轻，外型设计灵活。 ( 4 ) 传输损耗小，可实现长距离遥测。 ( 5 ) 对被测介质影响小，尤其适用于医药生物领域。 ( 6 ) 传输容量大，可实现分布式测量，易网络化。 ( 7 ) 测量范围广，可实现温度、压强、应变、应力、位移、流量、电流、 液位等。 ( 8 ) 成本低，市场潜力巨大。 正是由于光纤传感器具有上述独特优势，它可以解决许多传统传感器无 法解决的问题，因此自从问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机 械、石油、化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。自从本世纪7 0 年代 中期产生以来，经过2 0 多年的研究开发，光纤传感技术的商业开发条件也 日益成熟，已从实验室研究走向实用化，不断有新型光纤传感仪器投入实际 应用，并形成了产业，其社会经济效益与日俱增。目前，关于光纤传感的基 本技术和理论已经有了详细阐述，涉及到波导和传统光学的各个方面，如何 依据理论设计制作出性能稳定可靠、价格低廉的传感器件是光纤传感技术走 向实际应用的关键。 1 3 光纤光栅传感技术与研究进展 1 3 1 光纤光栅传感技术 在光纤传感技术发展的过程中，产生出来一种更新颖、更具有光纤本征 特性的新型传感技术一光纤光栅传感技术。 光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一【1 。它是利用光 纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相位光栅，从而在纤芯内形成一个 窄带( 透射或反射) 滤波器或反射镜。利用光纤光栅可制成用于检测应力、应 变、温度等诸多参量的光纤传感器。自从1 9 7 8 年k 0 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以来，由于它的独特优 点，因而在光纤通信、光纤传感等领域均拥有广阔的应用前景。随着光纤制 造技术的不断完善，应用成果的日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展 西安石油大学硕士学位论文 前途、最具代表性的光纤无源器件。 目前最引人注目的是对光纤b r a g g 光栅( f b g ) 、光纤长周期光栅( l p f b ) 和光纤啁啾光栅( c p f b ) 的研究和应用。 基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界待测参量对b r a g g 中心波 长的调制来获取传感信息，这是一种波长调制型光纤传感器。 光纤光栅的反射或透射波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折射率调制周期和纤 芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射波长的变化，这就是光纤光栅传 感器的基本工作原理。因此，温度和应变是光纤光栅直接传感测量的两个最 基本的物理量，它们构成了其他各种物理量传感的基础，其他物理量的传感 都是以光纤光栅的温度应变传感为基础间接衍生出来的。例如，基于光纤光 栅的应变传感功能，结合弹性膜片的辅助敏感元件，光纤光栅可以用来传感 压强、流量、位移等；若将光纤光栅紧贴在磁致伸缩材料或压电材料上，则 可以用于测量磁场、电场等电参量。 1 3 2 光纤光栅传感技术的特点、发展现状和应用难点 一、光纤光栅传感技术的特点 与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，光纤光栅作为波长 调制型传感器具有许多独特的优点： ( i ) 测量信号避免了“光强型”传感器( 读取信息是测量光强大小) 因 光源起伏、连接损耗、光纤弯曲损耗等因素造成的测量精度下降的影响。 ( 2 ) 避免了“干涉型”传感器( 读取信息是观察干涉条纹的变化) 中相 位测量的不清晰和对固定参考点的需要。 ( 3 ) 光纤光栅传感器是自身参考的，可以通过对光纤光栅定标后对被测 量进行绝对测量，不必基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。 ( 4 ) 传感探头结构简单、尺寸小，其外径与光纤本身相同，适于各种精 密测量。 ( 5 ) 光纤光栅传感器能方便的利用波分复用技术在一根光纤中串联多个 光纤光栅进行分布式测量，构成光纤传感网络。 西安石油大学硕士学位论文 二、国内外发展现状 由于光纤光栅传感的显著特点及其潜在的巨大优势，在短短的十几年里 对光纤光栅的传光机理及制作已有了深入的研究。 从国外相关报道看，自光纤光栅用于传感以来，受到世界范围内的广泛 重视，并且在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力 工业、核工业、医学等方面取得了持续和快速的发展。民用方面，应用光纤 光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大是制造光纤光栅的起源 地，其卡尔加里附近的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器 进行测量的桥梁之一( 1 9 9 3 年) ，1 6 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支 撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测；航天航空方 面，使用先进的复合材料来制造航空航天器件( 如机翼部件) 是必然的趋势。 s m a r tf i b e r sl t d 为飞机和航天器提供埋有光纤光栅传感器的复合材料灵 巧结构，以利于器件使用的监测、结构的损伤探测、设计信息的搜集以及智 能控制等；医学应用方面，光纤光栅传感器能通过最小限度的侵害方式对人 体和生物组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的局部精确 信息。一种光纤光栅阵列温度传感器被设计用来测量超声波、温度和压力场， 内部实地研究病变组织的超声和热性质，传感器的分辨率为0 i o c ，精度为 0 2 0 c ，测量范围为3 0 6 0 0 c 。 目前，我国对光纤光栅技术研究总体而言处于研究开发阶段，研究成果 效益化及实际应用还不够完善。国家对光纤光栅技术的出现和发展非常关 注，早在9 0 年代就出现了这方面研究成果的报道。国家对其极为重视，“8 6 3 ” 计划和自然科学基金以及其他一些基金项目给予了一定力度的支持。“八五” 期间国家基金委就布置了若干与之相关的重大基金项目，并且投资力度逐渐 加大。到现在为止，数量上已形成了一定规模，水平上已经上了新的层次。 清华大学在1 9 9 6 年提出了波长扫描光纤b r a g g 光栅及其传感特性的研究， 对光纤光栅制作做出了具体研究，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，提出了利用光纤光栅实现温度和应变同时区分测量的构想 和连续波调频技术在气体成分测量中应用的研究；南开大学提出了宽带光 西安石油大学硕士学位论文 源，光纤光栅封装技术，以及适用于光纤光栅应用的光纤放大器等研究方向， 其现代光学研究所在光纤光栅通信和传感方面已有深入的研究，在国内外科 研期刊上发表大量文章，形成实力强大的科研梯队；华中科技大学、武汉邮 电科学院、哈尔滨工业大学，吉林大学等单位都在应用光纤光栅这种特殊光 学智能传感器实现分布式测量的方向上作了大量工作。此外，我国对紫外写 入光栅的研究也十分重视，1 9 9 6 年国家基金委作为重大基础研究课题已首 批立项，南开大学、北京大学，上海光机所已率先开展了光纤光栅的研究。 清华大学、北京光电子工艺中心、北方交通大学、重庆大学、武汉邮电科学 院等单位，在光纤光栅制备以及光纤光栅传感器研究中也作了出色的工作。 吉林大学自1 9 9 5 年初开始至今一直致力于光纤光栅的制作及应用的研究， 目前在光纤光栅制作工艺上已经逐步趋于成熟，并具备了批量生产能力。这 些成就都极大的促进了我国光纤光栅智能传感技术的发展。 三、光纤光栅传感技术应用难点 从大量的文献资料分析可以看，当前光纤光栅传感技术的发展趋势及在 实际应用中需要解决的问题主要有： ( 1 ) 光源的宽带化和输出功率的提高。光纤光栅传感器需要使用大功率 宽带光源或可调谐光源。目前通用光源一般采用发光二极管( l e d ) 功率低， 而激光二极管( l d ) 的带宽则较窄。研制掺饵光纤放大光源，利用其自发辐 射谱( a s e ) 为传感器提供宽带高功率光源谱是一种较为理想解决方法。 ( 2 ) 信号解调。实验中一般采用光谱分析仪提供准确全面的解调数据。 但光谱仪价格昂贵、体积大、不能输出与被测量物理量成正比的电信号。因 此，在实际测量中必须开发高效低成本的信号解调系统。 ( 3 ) 增敏技术研究。通常传感中使用的光纤光栅是从通信系统中直接移 用的，由于通信系统要求器件的稳定性，因此通信光纤光栅具有较好的稳定 性，对外界环境变化不敏感。研制对诸如温度、应力等传感参量敏感的光纤 光栅，提高光纤光栅的响应灵敏度即增敏技术是光纤光栅传感实用化的关 键。 ( 4 ) 多参量区分测量技术。由于光纤光栅对温度、应力、弯曲等诸多物 西安石油大学硕士学位论文 理量变化同时敏感，反射波长的漂移是诸多因素综合作用的结果，因此如何 确定每一个待测参量的实际变化即区分测量技术是必须解决的问题。 ( 5 ) 光纤光栅光学特性研究。其中包括对光纤材料光敏本质的机理研究 以提高光纤光栅写入的折射率调制度；光纤光栅纤芯材料的选取以提高其响 应灵敏度和动态响应范围。 ( 6 ) 波分复用、时分复用的多路传感阵列研究，实现光纤光栅网络化传 感。 ( 7 ) 封装技术。在通过特殊材料( 聚合物) 封装光纤光栅以提高其使用 寿命的同时，有效地提高光纤光栅的响应灵敏度。 1 4 本论文的主要工作 本文以光纤b r a g g 光栅为研究对象，对光纤光栅传感的基本特性和应用 进行了理论和实验方面的研究，分七个章节阐述。 第一章为绪论。综述了光纤传感技术和光纤光栅传感技术的特点、发展 现状和应用前景。结合国内外发展现状，讨论了光纤光栅传感在实际应用中 的难点和发展方向。 第二章研究了光波在光纤光栅中的传输规律。从光纤光栅的折射率调制 入手，利用耦合模理论分析了光在光纤光栅中的传播规律，推导出光纤光栅 满足的b r a g g 条件。 第三章研究了光纤光栅的传感机理。论述了光纤b r a g g 光栅温度应变传 感机理，分析了裸光纤光栅温度、应变和压力的响应特性，讨论了温度一应 变交叉灵敏问题。 第四章研究了光纤b r a g g 光栅温度应变传感增敏技术。通过对光纤光栅 的纤芯材料选择，写入方法及封装方法几个方面的综合评述，讨论了实现光 纤光栅对温度和应变传感增敏的基本原理和方法。论述了通过长周期b r a g g 光栅融合测量，选用对温度和应变灵敏的纤芯材料，超短脉冲激光直接写入 法，选用热膨胀系数和弹性模量不同的特种聚合材料封装结构设计等方法实 现温度和应变增敏。 第五章论述了单光纤光栅温度压力同时区分测量方法。总结了已有的光 西安石油大学硕士学位论文 纤光栅温度压力区分测量方法。首次提出并实验验证了利用反射波带宽展宽 实现单光纤光栅温度压力同时区分测量的新方法，在理论分析双孔悬臂梁温 度压力响应特性的基础上，结合实验阐述了利用带宽展宽技术实现单光纤光 栅温度压力区分测量方法，对实验结果进行了讨论和误差分析。 第六章讨论了光纤光栅传感技术在石油工业中的应用。结合石油工业 测量现场特点，讨论了光纤光栅传感技术在油气生产中温度和压力测量、 测井技术、地震波检测、长距离石油管道监测等方面的应用。基于带宽展 宽技术设计了一种新颖的曲臂梁光纤光栅液位传感器，测量精度3 m m ， 结构简单，可实现油水液位的连续直接测量。 第二章光纤光栅的理论分析 第二章光纤光栅的理论分析 2 1 引言 光纤光栅是在光导纤维中形成的一种周期性的折射率分布。光在光纤光 栅中的传播可以用耦合模理论来分析。利用耦合模理论我们可以得到光在各 种不同类型的光纤光栅中的传播规律，特别是均匀周期的b r a g g 光栅。但对 于一些特殊的光纤光栅，例如啁啾光栅、相移光栅等，耦合模理论的分析过 程十分繁琐。因此人们针对不同的应用场合提出了其他理论分析方法，例如 傅里叶变化法、传输矩阵分析法和多层薄膜叠加法等，这些方法各有其不同 的特点和使用范围。本章从光纤光栅的折射率调制入手，利用耦合模理论分 析，推导出光纤光栅满足的b r a g g 条件。 2 2 光纤光栅中的折射率调制 光纤b r a g g 光栅( f b g ) 的成栅原理是通过紫外光侧面辐照使光纤芯区折 射率周期性改变，这样前向传输光波发生特定波长的模式耦合，使其透射光 谱和反射光谱对该波长出现奇异性，透射或反射出特定波长的光波。对于整 个光纤曝光区域，可以由下列表达式给出折射率分布较为一般的描述： f n l + f ( r ，妒，= )旷l s 口l ”p ，妒，z ) = h 2口1 i ，i 兰口2 ( 2 1 ) 【n ， h 口： 式中f o ，仍z ) 为光致折射率变化函数，具有如下特性： f ( r ，仍2 ) ：垒型趔 ( 2 2 ) 其中肌舭】= 等 【f ( r ，仍z ) = 0 ( o z l ) 式中，日，为光纤纤芯半径，d ：为光纤包层半径；一，为纤芯初始折射率；”：为 包层折射率；a n ( r ，妒，z ) 为光致折射率变化：加一为折射率最大变化量。 考虑到光纤光栅的非均匀性，可通过采用光纤光栅传播常数为与之相关 的渐变函数折射率调制来描述。基于这些考虑，可采用下列一般函数描述光 西安石油大学硕士学位论文 光纤纤芯b r a g g 光栅 图2 ，1 光纤光栅结构不熏图 致折射率变化： 聃荆= 等f o ( 懈) 塾c o s k k g m + ) 卅 ( 2 r 3 ) 式中f o o ，热z ) 表示由于纤芯对紫外光吸收作用而造成光纤横向界面曝光不 均匀性，或其他因素造成光纤轴向折射率调制不均匀性，k 。= 2 x a 为光栅 的传播常数，a 为光栅的传播周期，m 为非正弦分布时进行傅立叶展开的谐 波阶数，a q 为展开系数，妒( z ) 为表示周期非均匀性的渐变函数。结合上式， 可以得到光栅的实际折射率分布为 吣，”) = 砷朋z ) 讪+ 垒争，0 ( 唧宝a q c 酞g m + 北) ) 司( 2 - 4 ) n 磊 一 。 尽管在实际制作中很难保证折射率变化严格遵循周期变化，但一般情况 下认可近似将光纤光栅折射率变化作为均匀分布处理。在这种情况下，( 2 4 ) 式变为 m m t + a n c o s 卜等z j ( 2 - 5 ) 2 3 光纤光栅耦合模理论分析订1 研究光波在光纤光栅中传输规律有许多种方法，包括耦合模式法，包络 函数法，多层介质薄膜法，光程法等。其中作为光波导的理论工具，耦合模 理论因其直观性和可明确描述模场特性而得到广泛应用。 光在光纤中的理想振幅模式耦合方程组为： 西安石油大学硕士学位论文 盟d z = 莓妊以e x p 【f ( 成一成) z 】+ 足：厶e x p 【f ( 成+ 尾m ( 2 6 ) 警= 莓球：爿：e x p 【_ f ( 成+ 卢。) z l + k z a , 7 , e x p 卜i ( l 一统) z 1 ) ( 2 7 ) 在分析求解方程之前，可采用以下三个近似： ( 1 ) 弱传导近似。光纤中纤芯和包层的折射率非常接近，故可以采用弱 传导近似，使得我们在分析中可以采用线偏振模的方法。 ( 2 ) 无吸收损耗。通常b r a g g 光栅的耦合长度仅为数毫米至数厘米，故 可以忽略材料的吸收损耗。 ( 3 ) 传导模与辐射模的耦合不显著。这样我们在处理耦合模方程时可仅 考虑传导模。 在b r a g g 光栅中耦合主要发生在沿相反方向传播的模式之间，因此在求 解耦合波方程组时只需考虑沿相反方向传播模式之间的耦合，于是耦合波方 程可简化为 堕d z = ；( 站巧e 砸f 2 尾力 ( 2 8 ) d j a f ；= ； 上譬钟e x p ( 一f 2 尾z ) ( 2 9 ) 式中a + 和4 一分别表示沿正z 方向和负z 方向传播模的振幅系数。 由于我们考虑的是弱光波导作用下的光纤光栅，其中的光波场几乎是 完全线偏振的横向场，因此在计算耦合系数时可忽略纵场分量的贡献。于是 k 瓦= 而0 9 6 of = e ( 订2 一九；) 瓦瓦蛐 = 警c o s ( m 百2 2 r z ) e e 瓦瓦出方 ( 2 一l o ) = - - h ，i e x 鼬和+ 唰一拥等z ) 】la、 式中q 称为横向耦合系数 q = 竺萨e e 或瓦螂 ( 2 1 1 ) 西安石油大学硕士学位论文 i 司埋口j 得 q - ；= 1p 沏和+ e x p ( - i m - 等捌 将上式分别代入耦合模方程中，得 警= 孚4 ：她凤+ 聊和州c z 成一哮瑚 韶f faai i d a 2 = 肇 e x p h z 以+ m 争小e x p 【- f ( 2 成一晰各砖韶 z iaai 忽略式右侧高次项谐波，则方程简化为 警= 弘删( 2 成一m 马a z 】 d zl i d a ；= la ? e x p - ，( 2 允一m 马a 刁舷l 由上式可以看出，模式耦合存在的必要条件是 j o x p t f ( 2 成一m 争砘o 即 2 夙m 塾a = o 这就是相位匹配条件。 假设光纤b r a g g 光栅的折射率分布为严格的余弦形式，即聊= 1 ，如图 2 2 所示。 4 ( 0 ) 4 ( 0 ) 图2 2 光纤b r a g g 光栅折射率分布示意图 设彳。( z ) ，a ，( z ) 分别是入射波和反射波的振幅，并令 4 ( e ) 4 ( 三) ) ) ) 渤 ” d d 埘 埘 m l 卜 1 一 一 1 弘 2 倍 西安石油大学硕士学位论文 邶= 2 p n x 2 1 此时耦合模方程变为 晕4e x p 【f 肛】 f 单：晕舢x p 【一i a f l z 舷i 设光栅长度为，并引入边界条件 一，( o ) 2 1 ，a ，( 工) 2 0 解方程得 删一e x p i ( a f l 仞z ，业耢器舞篡掣 4 ，( = ) = e x p h 印2 ) z 】面面蕊s i n h 面 s ( 磊z - l 丽) 面画 式中s ：正( 丽 光纤光栅的反射率和透射率分别为 t = f q 2 s i n h 2 ( 乩) 2 i s 2 c o s h 2 ( 乩) + ( 筇，2 ) 2s i n h 2 ( s d i q 2 s i n 2 ( q 正) i ( 卢2 ) 2 一q 2c o s 2 ( q 匹) s 2 s 2c o s h 2 ( 乩) + ( 筇2 ) 2 s i n h 2 ( 乩) ( a p 2 ) 2 一q 2 ( p 2 ) 2 一q 2c o s 2 ( q 正) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) q 2 ( 筇2 ) 2 q 2 a ，因此( 5 6 ) 式可简化为 a 日= 2 n 。a ( ( 1 一p 。) 占+ 【喜+ ( 1 一p 。) 口；岫 a t ( 5 - 7 ) 5 3 2 双孔悬臂梁温度压力响应特性分析 双孔悬臂梁由铝材料制成，设梁长度为l ，厚度为。双孔中各单孔由 两离心半圆组成，其结构如图5 ，2 所示。双孔悬臂梁一侧紧固子侧壁，另一 侧施加压力。通过聚合物材料将光栅粘贴于预定标的双孔悬臂梁非均形变区 上表面，粘贴时通过刻入适当深度凹槽以确保光栅与梁表面粘贴的牢固性和 准直性。 图5 2 双孔悬臂粱结构不薏图 当在梁的自由端施加垂直压力时，梁的上表面受拉应力作用产生拉应变， 根据材料力学原理嗍，自由端压力p 引起的梁上考察点处截面的弯矩m 可 表示为 m = 化一x ) p ( 5 - 8 ) 式中，x 为考察点到悬臂梁固定端的距离。处的轴向应力仃可表示为 盯= m h 2 1 = f ( 三一x ) h 2 i p ( 5 9 ) 式中，为处截面的惯性矩，由梁的横截面面积及其制成材料决定；h 1 2 为 到中性轴的距离。( 5 8 ) 式表明，梁表面应力的大小与惯性矩，有关，在 相同的压力p 作用下，梁臂横截面积越小，越小，梁臂所受拉应力盯越大。 通过双孔设计，可以增加梁臂较薄处的拉应力，实现压力增敏。与此同时， 西安石油大学硕士学位论文 为了使截面上的应力变化趋于平稳，双孔悬臂梁在拉应力集中区采用较大半 径的圆弧过渡，使拉应力集中能够均匀的分布在横截面上，改善了悬臂粱的 应变响应特性。 由胡克定理得到压力p 引起的梁上考察点处的应变占为 s = a e = “三一x ) h 1 2 e i p ( 5 1 0 ) 式中e 为铝材料的弹性模量。 结合双孔悬臂梁结构分析公式( 5 - 9 ) 可知，在相同的压力作用下，由于 光栅粘贴处各位置梁的截面积不同即惯性矩，不同，不同位置的应变占将由 弧顶向两侧递减，带动光栅不同位置栅距伸长量以同样的趋势依次递减，从 而得到中心反射波长不同的反射峰，由于各反射峰间距相对于其反射波带宽 较小，波与波之间大部分重叠，因此形成了一个整体带宽展宽的b r a g g 反射 波。对于由同材料制成的双孔悬臂梁，各部分热胀系数相同，光栅与梁表 面的聚合物热胀系数恒定，因此温度变化时光栅各位置的应变占相同，带宽 不展宽。成为与温度变化无关的压力函数。设光栅长度为，在压力p 的 作用下，光栅应变变化绝对量为 占= ( 上一x ) h i 2 e 1 2 】p ( 5 1 1 ) 将( 5 1 0 ) 式代入( 5 - 7 ) 式，得到粘贴于双孔悬臂梁上的b r a g g 光栅中 心反射波长随温度与压力变化响应关系式为 砧= 2 n d 人 【( 1 一p 。) ( 三一x ) h 1 2 e i p + 【孝+ ( 1 一p 。) 位。m 】r ) ( 5 - 1 2 ) 将( 5 - 1 1 ) 式代入( 5 7 ) 式，得到b r a g g 中心反射波带宽展宽量随温度 与压力变化响应关系式为 旯b = 2 n q q a ( 1 一p 。) ( 三一x ) m 2 e 1 2 】p ( 5 1 3 ) 综上所述，b r a g g 中心反射波长漂移量和反射带宽展宽量与压力和温度 变化量的关系矩阵为 ( 恐心碧 ( 暑 ( 5 - 1 4 ) 式中，和 。，分别为b r a g g 中心反射波漂移量和带宽展宽量；p 和