（光学工程专业论文）传感光纤光栅波长移位检测研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 光纤光栅波长移位检测技术是光纤光栅传感器的关键技术之一。传统的波 长移位检测采用光谱仪法，但由于它存在体积大、成本高、分辨率低等缺点而 不为人们所看好。为此，人们相继提出了干涉法、f - p滤波法、匹配光栅法等 光纤光栅波长移位检测方法。 本文在详细分析和比较各种光纤光栅波长检测技术基础上，利用非平衡 m a c h - z e h n d e r干涉仪法和可调谐窄带光源扫描法对传感光纤光栅的波长进行了精确 测试 。 搭建了可编程窄带激光器扫描光纤光栅波长测试系统，通过基于虚拟仪器工 作平台 ( l a b v 工 e w )波长解调系统快速、智能化地实现光纤光栅波长测试。实验证 明该系统的波长检测灵敏度为0 .0 0 9 6 5 n m l 0 c，温度检测分辨率为0 yc，相应的波 长分辨率为2 p m。波长检测范围不受系统限制，一般可达3 0 n m以上。 组建了基于非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉仪光纤光栅波长检测系统， 并采用主动 相位补偿法实现了光纤干涉仪相位工作点的有效控制。实验表明该系统的波长检 测灵敏度为0 .0 0 1 1 7 n m l p a ， 波长检测分辨率为a a . = 0 .0 0 1 8 匆 m ， 相应的应变分辨率为 3 .2 3 n - ，应变检测范围为1 6 8 f r s 。用该系统对光纤光栅高频应变传感进行了解调， 其最高响应频率达到4 0 k h z 关键词:光纤 b r a g g 光栅:波长移位检测;非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉仪; 温度检测;应变检测; -一一-一一户 i 国防科学技术大学研究生院学位论文 abs tract w a v e l e n g t h - s h i f t d e t e c t i o n i s t h e k e y t e c h n o l o g y o f f i b e r b r a g g g r a t i n g( f b g ) s e n s o r . i t i s a c o n v e n t i o n a l w a y t h a t d e m o d u l a t e t h e w a v e l e n g t h - s h i f t o f f b g w i t h s p e c t r o m e t e r . h o w e v e r , f o r a p r a c t i c a l s y s t e m , t h e m e a s u r e me n t o f a s ma l l b r a g g w a v e l e n g t h s h i f t w i t h s p e c t r o m e t e r i s n o t a g o o d s o l u t i o n b e c a u s e i t i s b o t h c o s t l y a n d b u l k y . s e v e r a l t e c h n i q u e s h a v e b e e n d e v e l o p e d f o r d e m o d u l a t i o n o f t h e s e s e n s o r s s u c h a s : i n t e r f e r o m e t r i c d e t e c t i o n , u s e o f f a b r y - p e r o t f i l t e r , w a v e l e n g t h m a t c h e d g r a t i n g p a i r s , e t c . t h i s t h e s i s f o c u s e s o n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h a b o u t t h e w a v e l e n g t h d e t e c t i o n o f f i b e r b r a g g g r a t i n g ( f b g ) . t w o a p p r o a c h e s f o r d e m o d u l a t i n g t h e w a v e l e n g t h s h i f t s i g n a l o f f b g c a l l e d u n b a l a n c e d - i n t e r f e r o m e t r i c d e m o d u l a t i o n a n d w a v e l e n g t h ma x i mu m s c a n n i n g w i t h t u n a b l e n a r r o w - l i n e w i d t h l a s e r d e m o d u l a t i o n a r e s t u d i e d t h e w a y t o f o r m a d e m o d u l a t o r e m p l o y i n g s c a n n i n g b y t u n a b l e n a r r o w - l i n e w i d t h l a s e r i s d e s c r i b e d . t h e w a v e l e n g t h d e t e c t i o n s e n s i t i v i t y o f t h e s y s t e m i s d e m o n s t r a t e d t o b e 0 .0 0 9 6 5 n m / 0 c , t h e t e m p e r a t u r e r e s o l u t i o n w a s o b s e r v e d t o b e 0 .2 0 c , w h i l e t h e w a v e l e n g t h r e s o l u t i o n w a s s u p e r i o r t o 2 . 0 8 p m. a d e mo d u l a t o r b a s e d o n u n b a l a n c e d ma c h - z e h n d e r i n t e r f e r o me t e r i s p u t u p . t h e e x p e r i m e n t r e s u l t d e m o n s t r a t e s t h a t t h e w a v e l e n g t h s e n s i t i v i t y i s 0 . 0 0 1 1 7 n m / p e , t h e w a v e l e n g t h r e s o l u t i o n i s 0 .0 0 1 8 5 p m, t h e s t r a i n r e s o l u t i o n i s 3 .2 3 n e , t h e d e t e c t i o n r a n g e i s土 6 8 / 1- - . h i g h f r e q u e n c y v i b r a t i o n s e n s i n g w i t h f i b e r g r a t i n g i s a c h i e v e d w i t h u n b a l a n c e d ma c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r . a v i b r a t i o n s i g n a l a t 4 0 k h z f r e q u e n c y i s d e t e c t e d s u c c e s s f u l l y b y o u r s y s t e m . k e y w o r d s : f i b e r b r a g g g r a t i n g ; wa v e l e n g t h - s h i f t d e t e c t i o n ; u n b a l a n c e d - i n t e r f e r o me t e r ; t e mp e r a t u r e d e t e c t i o n ; s t r a i n d e t e c t i o n . 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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的地方外， 论文中不包含 其他人已 经发表和撰写过的 研究成果， 也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目 : 传感光 纤光栅波长移 位 脸 卿 a 5 学 位 论 文 作 者 签 名 : . v十 ， 木 日 期:) , m 3年 门 月2 %日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、 使用学位论文的规定， 本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文 档， 允许论文被查阅和借阅; 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，可以采用影印、 缩印 或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 保密学位论文在解密后适用本授权书。 ) 学 位论文 题目 :传感 光纤 光 栅波 长 移 位检测 研究 学 位 论 文 作 者 签 名 : ( 分 t 水日 期 : 作 者 指 导 教 师 s t 叭 ，1 、 砍日 期 : 1- 3 年 ， ， 二 ,9 0 - 年 月 ; 各日 月 ， 护 国防科学技术人学研究生院学位论文 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章 绪论 1 . 1引言 二十世纪七十年代初以来，随着第一代低损耗光纤的研制成功，光纤技术 在通信、 传感和光学信息处理等方面得到了广泛的应用和迅速的发展 ” 。 而光 纤光栅的出现更使许多复杂的全光纤通信和传感网络成为可能，极大地拓宽了 光纤技术的应用范围。因此，光纤 b r a g g光栅 ( f b g )技术的研究和发展是继 掺饵光纤放大器 ( e d f a )技术开拓成功之后，光纤技术领域的又一次重大技术 突破，它与掺饵光纤放大器并称为九十年代光纤技术的两大进步。人们普遍认为: 未来的光纤系统中没有光栅，就像传统的玻璃光学中没有全反射镜一样 ，那是难 以想象。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏特性，在纤芯内形成的空间相位光栅。自 从 工 9 7 8 年 k e n h i l l 首次在掺锗石英光纤中采用驻波写入法制成世界上第一个 光纤光栅以来，随着各种成栅技术的日趋成熟和完善，光纤光栅的应用成果也 越来越多。可以说，光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。 与光纤通信应用相提并论，光纤光栅还广泛应用于光纤传感领域，构成压 力、应变、温度等多种物理量的传感器和各种复杂的光纤传感网络。 1 . 2光纤光栅传感器的发展及应用现状 1 9 7 8年加拿大通信研究中心的 k 0 . h i l l 等人首次观察到掺锗光纤的光敏 特性并采用驻波干涉法制成了世界上第一个光纤光栅” 。 但由于这种方法写入 效率低，并且光栅周期完全取决于入射光的波长，因此当时并未引起人们的广 泛关注。光纤光栅的研究度过了相对沉寂的十年，直到 1 9 8 9年，美国东哈特 福德联合技术研究中心的 g . m e l t z等人用 2 4 4 n m紫外光双光束全息曝光法成 功地制成了光纤光栅，克服了驻波干涉法的缺点，从而在世界范围内掀起了光 纤光栅的研究高潮c y 。 此后不久又出现了更加有效的相位掩模复制法和准分子 激光单脉冲在线写入法 日 。光纤光栅制作方法的成熟极大的推动了光纤光栅 应用技术的发展，使得光纤光栅己成为目前最有发展前途、最具代表性的光纤 无源器件之一。 光纤光栅折射率周期变化使光纤光栅具有窄带反射特性，这一特性使得光 纤光栅在通信和传感领域得到了广泛应用。例如，用光纤光栅作为激光器的反 到塾卫4 0 14坐红为增益介质可构成光纤激光器; 而用光纤光栅作为半导体激 第 . 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 光器的外腔反射器则可构成可调谐外腔式半导体激光器;利用光纤光栅分别与 m i c h e i s o n , m a c h - z e h e d e r 和 f a b r y -p a r o t 干涉仪可构成不同的光纤滤波器: 利用惆啾光纤光栅可构成光纤色散补偿仪。此外。光纤光栅除了应用于光纤通 信外，在光纤光栅传感领域得到了更为广泛的应用。这是由于光纤光栅传感器 除了具有普通传感器的特点外，还具有 自身独特的优势:1 )光纤光栅具有体 积小、重量轻、强度高和弯曲性能好等特点，适于大面积对各种形状的物体进 行实时监测:2 )光纤具有细柔韧的特点，使得它容易掩埋或贴附到各种材料 中形成光纤神经网络;3 )具有比其它传感器高得多的灵敏度，一旦形成智能 材料，便可以对各种监测对象进行高精度的 自诊断和自治愈功能。4 )抗干扰 能力强。一方面因为普通的光纤传输不会影响传输光波的频率特性;另一方面 是因为光纤光栅传感具有波长编码特点 ，光源光强的起伏、光纤微弯效应等引 起的随机起伏以及祸合损耗等因素都不会影响传感信号的波长特性。因而基于 光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性， 这些优点使光纤光栅传感器 的应用前景十分广阔。目前光纤光栅传感器己广泛用于航空、 航天、 化学工业、 电力、水电、船舶、煤矿及民用工程领域 ( 例如建筑物、桥梁、水坝、容器、 高速公路、机场跑道等) ，测定其结构的完整性和内部的应变状态，从而建立 灵巧结构。 1 . 2 . 1光纤光栅在民用工程结构中的应用 ， 川 民用工程 中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。基础结构的 状态 ，力学参数的测量对于桥梁、大坝 、隧道 、高层建筑和运动场馆的维护是 至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部荷载的状态。光纤光 栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行 实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。另外，多个光纤光栅传感器可以串接 成一个网络对结构进行分布式检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控 室进行遥测。因此在民用工程中，光纤光栅传感器成为结构监测的有效手段之 目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。加拿大卡尔 加里附近的 b e d d i n g t o n t 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 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，这在以前被认为是不可能。1 9 9 9年，美国 新墨西哥 l a s 纤光栅传感器， c r u c e s 1 0号洲际高速公路的一座钢结构桥梁上安装 了 1 2 0个光 创造 了在一座桥梁上使用传感器数量最多的记录。 2 . 2光纤光栅在航空航天业中的应用 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、温 度、振动 、燃料液位 、起落架状态 、机翼和 方 向舵的位置等 ，所 需要 使用 的传 第 z页 国防科学技术大学研究生院学位论文 感器超过 1 0 0 个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器只 有 1 根光纤， 敏感元件 ( 光栅)制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲， 凡乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤光栅传感技术非常 重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的技术专利 . 2 ， 。 1 . 2 . 3 光纤光栅在船舶航运业中的应用 ， 川 在光纤光栅传感器应用方面，唯一可以和飞行器相提并论的就是船舶了。 随着船载控制系统复杂性的不断增加，要求有越来越多精巧的传感器引入整个 船舶。所需要的传感器数量很可能不断增大，并且唯一的限制将只有传感系统 的成本。 现代船用传感器中多达 9 0 %是压力或温度传感器，通过选择适当的封 装和衬底材料可以将光纤光栅应变传感器转变成温度和压力传感器，利用波分 和时分复用原理，一个探测系统的光纤光栅传感器数量可以多达数万个，从而 大大降低了整个传感的系统的成本。同时，光纤传感器能够为现代船舶的操作 提供瞬时的和丰富的传感信息，进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险 报警和损伤评估来保证船舶的安全。美国 s y s t e m s p l a n n i n g与 a n a l y s i s . i n c 受阿林顿海军研究办公室的资助，已经制成用于美国海军舰队结构健康监测的 低成本光纤网络。他们还开发了一种解调装置，这个装置使用数字空间波长复 用技术，从而能低成本多复用地进行应变监测，此装置能以 2 k h z的取样率对 多达 1 2 0个分离光纤光栅进行查询。 整个系统于 2 0 0 1 年初进行现场试验， 2 0 0 2 年投入商用。 1 . 2 . 4光纤光栅在电力工业中的应用 ， 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， 加高压开关的在线监测， 高压变压器绕组、 发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量。这些地方的测量需要传感 器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件，光纤光栅传感器是进行 这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常用于人难以到达的地方，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 电力工业 中的应 用前景很好 度 的 测 量 ， 2 0 0 c一 1 6 0 0 c 乒习. 卫 卫。 1 . 2. 5 。德国西门子公司正将光纤光栅传感器用于气冷涡轮发电机定子温 他们 用环 氧 树脂将光 纤光栅埋 于 定子 中 ，连续测 量范 围从 ， 测量精度小于1 0 c。同时他们还对同一发电机的大电流进行了测 石油化学工业中的应用 “ 3 石化工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油气井、 油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常 适合在石油化工领域里应用 。挪威的 o p t o p l a n正在开发用于井下测量的光纤 第 3页 国防科学技术大学研究生院学位论义 光栅温度和压力传感器;w e i s 等人用光纤光栅制成一个井下光纤光栅调制器， 用来跟踪钻井过程中绞盘头的幅度变化:美国的 c i d r a 和英国的 s m a r t f i b e s l t d 都在将光纤光栅传感技术用于海洋石油平台的结构监测。1 9 9 6 年 m e l t z 等 人就报道了一种光纤光栅化学传感器，它是利用光纤光栅周围化学物质浓度的 变化通过倏逝场影响光栅的布喇格波长这一事实来探测各种化学物质。 光纤光栅传感器除了用于上述领域中外，它在医学、核工业、加速度器、 水声探测等领域也广泛应用。 总之，光纤光栅传感器的应用是一个方兴末艾 的领域 ，有着非常广 阔的发展前景。 1 . 3光纤光栅波长移位检测技术的发展及现状 光纤光栅传感器是利用外界物理量 ( 温度或压力)的变化引起光纤光栅的 光栅周期或折射率变化，从而使光纤光栅的反射中心波长发生改变以达到温度 和压力传感目的。在光纤光栅传感系统中，外界物理量是以光纤光栅的反射波 长为载体来传递的。因此 ，对外界物理量的解调就归结为对光纤光栅的反射中 ,c; , 波长的检测。于是光纤光栅波长移位检测技术就成为光纤光栅传感器的关键 技术之一。传统的波长检测采用光谱仪， 它在光纤光栅传感器的前期研 究中发 挥了重要作用。但由于光谱仪体积大、价格高、分辨率低，只适合作为基础实 验研究， 这在实际应用中还远远不够。因此， 研究实用的光纤光栅波长移位检测 方法成为光纤布拉格光栅应用中的热点研究问题之一。1 9 9 2 年 a . d . k e r s e y等 人提出了非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉仪法川。该法利用了非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉仪将光纤光栅反射光的波长变化转化为相位变化，通过检测相位变化得到 波长变化信息。由于相位检测具有很高的灵敏度，因此，采用该法可得到较高 的检测分辨率。有报道采用该方法构成的时分复用系统的波长分辨率低于 1 0 - 5 n m 量 级 ， 5 0 0 h z 时 的 应 变 分 辨 率 为 0 .6 n e 司 丽， 1 0 h z 时 为2 n e l 了 h z 。 此 后 ， a . d . k e r s e y 等人又先后提出了锁模激光调制法、 可调谐光纤 f - p滤波法和外加 调市 ， 非平衡 m a c h - z e h n d e r干涉仪法。1 9 9 2 - 1 9 9 4年，s e r g e m . m e l l e和 m . a . d a v i s等人提出了被动解调法。该法利用了信号通道和参考通道的比例运 算以消除光强和连接损耗的影响，并且结构简单，其波长分辨率决定于线性滤 波器的斜率。1 9 9 3 年，d . a . j a c k s o n 等人提出了光栅匹配法，并且提出了用于 分步式光纤光栅传感系统的结构“ 0 a 1 9 9 4 年，g . a . b a l l 等人又提出了可调谐 窄带光源扫描法【 _ i 。己提出的光纤光栅波长解调方法很多， 但投入实际应用的 产品并不多见。目前，技术上较为成熟、实用的典型方案主要有被动解调法和 可调谐 f - p 滤波法。美国m i c r o n o p t i c s 是一家光纤光栅传感器解调产品做得 比较好的公司，他们采用可调谐 f - p腔滤波法生产的 f b g i s ， 动态范围为 3 0 n m , 第 4页 国防科学技术大学研究生院学位论文 分辨率为 i p m ,测量精度达士 5 p m ，扫描速度 5 0 h z ，价格约 2 万美元。新推出的 f b g s l 工 采用可调激光扫描方法:动态范围大于 3 0 n m ，分辨率为 l p m ，测量精度 士 5 p m ，扫描速度 l 0 0 h z ，可同时对四路光纤 2 5 6 个 b r a g g 光栅进行询查，价格 几万美元。s y s t e m p l a n n i n g与a n a l y s i s , i n c使用数字空间波长域复用技术， 能低成本多复用地进行应变监测，此装置能以 2 k h :的取样率对多达 1 2 0个分 离光纤光栅进行询问【 3 。 1 . 4光纤光栅制作技术 光纤光栅的制作主要是使光纤芯区折射率生成永久性、周期性调制。 制作光纤光栅的方法主要有:纵向驻波写入法、逐点写入法、横向干涉法 目前 、才 目 位掩模法其中后两种方法是近年来采用较多的方法， 下面对其做简单的介绍。 1 、干涉法是利用双光束干涉所产生的干涉条纹对光纤做横向曝光来形成 光纤光栅 ” ， ，如图 1 . 1 所示。它利用的是 m a c h - z e h n d e r干涉仪产生的于涉 条纹。干涉仪用 a =2 4 4 u m的紫外光将剥去包层的光纤以一定角度置于干涉场 中 曝光。 干涉条纹的间隔，即 为光纤中感生光栅周期八 = _ : _ 。 ， 通过改 变角 - . i。 1 , y n : u j i in n ” 卜 / “ i 。一 ” 以一 2 。 何 尹 ，杯 凌 一/2 $ m6 - - - - x 1 -1 度9 或改变光源波长兄 来控制光栅的周期a 图中的圆柱透镜用来将其产生的线 状干涉条纹聚焦在光纤上，附加的转镜可放在干涉仪的一个臂上，以便移动反 射镜 。为使光纤总的折射率产生周期性改变 ，紫外光的每个激光脉冲能量密度 可 达 i j i c m , 1 mi n - 5 mi n， 这 个 光 强 度 接 近 于 光 纤 表 面 损 伤 闭 值 ， 典 型 曝 光 时 间 为 为获得 良好 的干涉条纹 ，激 光相干长度约要达到 1 0 c m。在 曝光期 间，必须小心保持干涉仪稳定，免受振动和气流的扰动。 图 ， . ，横向制作法原理图 2 、相位掩模法是利用相位掩模产生干涉条纹 j ” ，用接触曝光方式在光纤 中制作光栅 ，图 1 . 2示 出其原理图。 第 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图 1 z 相位掩模法原理图 相位掩模母板由石英底板上刻蚀方法制成刻蚀周期为n的相位光栅。紫外 光垂直入射在相位光栅上，其衍射作用产生+1和一1级两束衍射光，衍射光 在 光 纤 上 形 成 干 涉 条 纹 ，经 一 定 时 间 曝光 形成 光 纤 光 栅 ，光 纤 光 栅 周 期 、 一 “ r/。 此 法 制 作 的 光 纤 光 栅 的 优 点 是 便 于 规 模 生 产 ， 光 栅 周 期 与 光 源 波 长 无关 。 卜 述两种方法制成的光纤 b r a g g 光栅，从机理上讲都是干涉或衍射图样的 l; v能量与石英光纤相互作用导致纤芯折射率的永久性空间周期调制。 目前该技 术己发展到可按使用者的要求制作任意 b r a g g 波长、任意反射率和反射谱宽的 光纤光栅 。 1 . 5本课题研究的主要内容 国防科大光纤信息技术教研室多年来一直从事光纤水听器的研究并取得 了 丰硕成果。目前已处于国内领先地位，达到国际先进水平。随着光纤水听器 技术的不断成熟， 目前正往拖曳阵方 向发展。而在大覆盖范围的拖曳阵中， 控制 阵列在水 中 的深度对保证水听器 的正常工作至关重要 光纤 光栅传感器体积 小、重量轻 、高精度 、抗干扰等特性非常适合于光纤水听器 中应用 因此研制 高精度光纤光栅压力传感器是我们 目前要解决的主要课题之一。目前限制光纤 光栅传感器普遍应用的最主要障碍是光纤光栅传感信号的解调。正在研究的光 纤光栅传感解调方法有许多，但是能够实际应用的解调产品并不多，而且价格 昂贵，使一般场合很难接受。本课题正是基于以上背景，对光纤光栅波长移位检 测技术进行了深入的理论和实验研究。通过分析国内外报道的光纤光栅波长移位 检测方法的工作原理及特点，结合教研室的实际情况，我们提出了程控可调谐窄 带光源扫描波长移位检测方案。该解调方法具有一般可调谐窄带光源扫描法信噪 比高、工作稳定可靠、动态范围大、分辨率较高等优点。同时利用可调谐激光器 的可编程特性，解调系统中激光器波长扫描及信号采集、处理采用 l a b v 工 e w虚拟 仪器工作平台，从而大大提高了系统的性能。论证了方案的可行性后，我们搭建 了解调实验装置，并对温度引起的光纤光栅中心反射波长的变化进行了检测。实 第 6页 国防科学技术大学研究生院学位论文 验证明该波长解调系统的温度检测分辨率高于0 yc，对应的波长分辨率优于 2 .0 8 p m ， 波长检测范围不受系统限 制， 可用于静态检测。 此外，我们还对高分辨率的非平衡 m a c h - z e h n d e r干涉仪波长解调方案进行 了理论和实验研究。搭建了非平衡 m a c h - z e h n d e r干涉仪波长解调实验系统，并 采用主动相位补偿法对干涉仪的相位工作点进行了有效控制。利用该解调系统对 动态微小应变及光纤光栅高频振动进行了解调。该解调系统的理论波长检测分辨 率为4 a = 0 .0 0 1 8 5 p m ，相应的应变分辨率为3 .2 3 n e ，应变检测范围为1 6 8 p 6 。实验表 明:该非平衡 m a c h - z e h n d e r干涉仪波长解调系统适合对动态小信号解调，实验 最高响应频率达 4 0 k h z . 第 7页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章 光纤光栅传感器基本工作原理 光纤光栅传感器是利用 b r a g g 波长对温度、应力的敏感性而制成的一种新 颖光纤传感器。当外界的温度、应力等物理量变化时，会引起光纤光栅的周期 和折射率发生改变，从而导致光纤光栅的反射光的中心波长变化。因此，只要 对传感光纤光栅的中心反射波长进行检测，即可得到外界物理量的变化， 以实 现压力、应变 、温度等物理量 的检测 。 2 . 1光纤b r a g g 光栅传感基本原理 由藕合模理论可知，光纤布拉格光栅 ( f b g )中心反射波长可表为 3 r 礼= 2 n ,ff a ( 2 . 1 一 1 ) 其中n ,。 为导模的有效折射率，a 为光栅的周期。 当外界压力、 应变、 温度等物 理量变化时， 导致a 和n ,ff 发生变化， 从而引起b r a g g 中心反射波长的变化 a . 由 ( 2 . 1 - 1 )式可得到 礼= 2 a n ,f .a + 2 n , a a ( 2 . 1 一 2 ) l 式表明光栅中心反射波长的偏移与光纤芯的有效折射率。 qtr 和光栅周期 a的变化都有关。 2 . 1 . 1光纤光栅的 应变特性 16 1 , 19 1 , 9 2 1 当外界应力变化时，由于材料的弹性应变导致光栅周期a发生变化，同时 由 于光 纤本身 所具有的弹光 效应和波导效 应等因素， 有效 折射率n rff 也会产生变 化，从而引起中心反射波长发生偏移 元 。 。为简单起见，我们假设光纤光栅只 受轴向应力作用，且轴向应力只引起光栅长度变化，并忽略应变引起的光纤光 栅芯径的变化。对 ( 2 . 1 - 1 )式进行变分可得: a = 2 a n ,a + 2 n , a a = 2 a d n s a l + 2 n ., da a l 恻司工， d乙 ( 2 . 1 一 3 ) 、， ， 。* 、 .， 。 二 、 .， 、， 、 . 。 d n , ,、 _ . 二 ， 一 d a、_1 1 1 1 _ _ _ . _ _ _ 3 : 1 l 1 l 1 1, 衣 兀 灯 i1 j va 问仰 i 1 0 夏 ， 一 二尸衣 不 i -尤 v )n il ， 二， 衣 t 坦 1 t p a引a -r i n 口乙d乙 纵向弹性应变效应 。 第 8 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 ( 1 )弹光效应所引起的波长偏移 利用相对介电抗渗张量q 。 与介电常量: 。 的已 知关系 q ; n i , l = 1 , 2 , 3 ( 2 . 1 一 4 ) 由于几参数的对称性，上 式 可 写 为 戏 一 生 - e ;1n,2 ( 一 1,2,. ，“ ” 可 “ : 1 1 2 a n _ . 戏一 ( 污卜 ( 万 ) = 一 l c n: n_ n . m . 型沪勺 户 ( 2 . 1 一 5 ) 式中n 是某一方向上的折射率。对于熔融石英光纤，由于其各向同性，可 认为各向折射率相同，故可用n n 代替n 。因此 ( 2 . 1 - 3 )式中的第一项变为: 一lwel a 2 一一 ( 几 。 ) . ( n) ， 1 - i 一以-) 2 n rl! ( 2 . 1 一 6 ) 利用材料 的光弹性质 a r 9 = 几 气 ( 2 . 1 一 7 ) 其中 pj 为材料的弹光系数。同时我们的假设，光纤内部不存在剪切应变， 即a ; 二 ， 二 6 = o 。因此我们只需考虑 i , j = 1 , 2 , 3的情况，同时由光纤内部 性质可得弹光 系数矩阵可表示为: ( 2 . 1 一 8) |lesesesesesesesesj ppp ppp ppp 尸!leeeeeel 因此根据 ( 2 . 1 - 5 ) , ( 2 . 1 - 6 ) , ( 2 . 1 - 7 )式，可得 a -z 1 =( p n e . + p a e o e + p i e e z . ) ( 2 . 1 - 9) = l p i : 一 v ( p i + p . , ) 二 式中。 为 p o i s s o n比，将 ( 2 . 1 - 9 )式代入 ( 2 . 1 - 6 )式可得弹光效应所引 起的波 长相对偏移: / 兄 ; 、n ? t, 。 t- 万， 一万lp i， 一 “ 甲 ， 十 p 12 ) i- , ( 2 . 1 一 1 0) ( 2 )纵向弹性形变所引起的波长偏移 根据 ( 2 . 1 - 2 )式可知，纵向弹性形变所引起的波长偏移为: 第 9页 国防科学技术大学研究生院学位论文 (a a ,), 一 ， 、 d a a ld l ( 2 . 1 一 1 1 ) 利用光纤在均匀拉伸下满足条件:a l i l = a a i a，并根据纵向应变表达式 e . . = a l i l ，则可得: ( a a , ) , = 2 n ,l a e . , ( 2 . 1 一1 2) 因此纵 向弹性形变所引起 的波长相对偏移为 : 兄 ， 、 t =1= e, 心 - ( 2 . 1 一 1 3 ) 因此综合考虑各种效应，可得由应变而产生的总的波长相对偏移为 一 v ( p , + p a) e . , ( 2 . 1 一 1 4) 争 之 b _ 兄 h 其中p r = ( i 一 p r ) 二 工 p az - v 伽u + p , a，由于硅介质的p r = 0 .2 2 ， 所以对于石英光纤 一-2叨 n 则有 a a= 0 .7 8 e ,- a , ( 2 . 1 一 1 5 ) 从上式可以看出，由 a 。 可方便地求出外界应力二 二 。实际应用中由于e , 是 很小的量，常引入p e ( i p e = 1 x 1 0 - 6 e )作为应变度量单位。 2 . 1 . 2光纤b r a g g 光栅温度传感特性 2 7 1 . 1 2 8 1 温度对 b r a g g 波长的影响是由热膨胀效应和热光效应引起的。当外界温度 变化时，由 光栅布拉格方程a b = 2 n ff a可得: a a = 2 a n . a + 2 n 二 a = 2 a 鱼a t + 2 n 。 坐a t u 1 u ( 2 . 1 一1 6) 其 中 dn ,d t 表 示 光 纤 的 热 “ ” 应 表 示 光 纤 的热 膨 胀 效 应 。 定 义 咨=为光 纤 光 栅 折 射 率 温 度 系 数 (热 光 系 数 ) ， 硅 光 纤 中 n 叨 咨= 6 . 6 7 . 1 0 - 1 / 1 c。 1 认、. ， 、， ， r _ . ，_ j ，_ . ，_ _ a= 丁六 二 刀 尤 汁 h 9热 腾 脓 杀 数 ， 盯 寸 珍 错 白 英 光 针 八口i a = 5 . 5 x 1 0 - / 0 c。则温度引起光纤光栅总的波长变化为 几 r 兄 。 ( + a ) - o t ( z . 1 一 1 7 ) 通过比较石英光纤热光系数和热膨胀系数的大小可知:温度变化引起的光 纤光栅波长漂移主要取决于热光效应，它占了热漂移量的 9 5 %。 第 1 0页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 . 1 . 3光纤光栅压力传感特性 2 ti 7 压力影响b r a g g 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。 假设温度 场和轴向拉力保持恒定，光纤处于一个均匀压力场 p中，由于没有剪切应力 故光纤所受的应力状态可 以用一个三维应力矢量来表示 。 = a x , y , q _ 1 = - p ，一 尸 ，一 尸 ， ( 2 . 1 一 1 8) 相应的应变状态也可 以用一个三维应变矢量表示 : 一 e ,., e y , s : = - p ( 1 - 2 v ) / e ,- p ( i - 2 v ) / e - p (1 - 2 v ) / e j ( 2 . 1 一 1 9 ) 其中v 为光纤材料的 p o i s s o n比，e为光纤材料的杨氏模量。因此，轴向应 变引起 的光栅周期的变化为: a a= a : = - a p ( 1 一 2 v ) / e ( 2 . 1 一 2 0 ) 有效折射率的变化为: a nlir = - 1 n a ( z )_.， 一 1 n (p i e )(1 一 2 v )(2 p ,z + p ) 乙月 1 11 ) ( 2 . 1 一 2 1 ) 将( 2 . 1 - 2 0 ) 和( 2 . 1 - 2 1 ) 两式代入 ( 2 . 1 - 2 )式，得到压力引起的波长漂移: 几 。 1 一 2 v n p ( 2 + p 7， 一 ，” ( 2 . 1 一 2 2) 几 。e 对 掺 锗 石 英 光 纤p = 0 . 1 2 1 ，p l, = 0 .2 7 0，v = 0 . 1 7，e= 7 . 0 x 1 0 n/ m n , = 1 .4 5 6 可以估算出压力灵敏度约为一 2 .8 x 1 0 - 0 / m p a 。由于掺杂成分和掺杂浓 度不同，各种光纤光栅 的压 力灵敏度相差较大。 2 . 2光纤光栅传感器波长移位检测方法 光纤光栅传感器虽然具有其独特的优点，但由于它的波长解调成本过高而 使诸多_1 程人员望之兴叹。因此，传感信号的解调技术己成为目前限制光纤光 栅传感器普及的最主要障碍。 多年来， 人们先后提出了多种波长移位检测方案。 这些方案归纳起来可分为:宽带光源/ 宽带滤波或边缘滤波器接收、宽带光源/ 可调窄带接收、宽带光源/ 干涉接收和可调谐窄带光源/ 宽带接收四种方案 2 . 2 . 1宽带光源/ 宽带( 边缘) 滤波器接收方案 3 1 . i 2 4 1 1 ) 光谱仪法 光谱仪能直接读取光的波长，因此根据光谱仪得到的传感光纤光栅反射光 的波长就能检测到被测物理量 ( 应力、温度等)的大小。这种方法最简单、最 直接。但光谱仪体积大、结构复杂、价格昂贵、携带不便、使用时需反复校准。 第 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 因此，光谱仪除了在实验室使用外，很少用于实地测量。 定向 摧合器传感f b g 图 2t光谱仪法波长检测原理图 2 ) 被动解调法 采用该法的解调系统原理图如图 2 . 2 所示。它是利用了线性滤波器的输出 光强与光波长成线性关系将光纤光栅的反射光波长的变化转化为光强变化，通 过检测光强变化达到波长检测的 目的。同时又将信号通道与参考通道进行比例 运算以消除光源输出功率及祸合器分光比波动的影响。但线性滤波器的特性曲 线的线性范围与斜率互相限制 ，因此 该解调方法的动态范围与分辨率不高，只 适合要求不高的场合 。 拥 图 2 . 2 被动法解调原理图 2 . 2 . 2宽带光源/ 可调窄带接收 lo 1 , ( 2 1 1 1 ) 可调 f - p 滤波法 可调谐 f - p 滤波法的解调系统原理图如图 2 . 3 所示。 该法的基本工作原理 是:当 f - p滤波器的窄通带与传感光纤光栅的反射中心波长匹配时， 滤波器输 出最大， 其它情况下滤波器输出很小。 通过检测滤波器输出最强时对应的调谐 电压，即可解调出光纤光栅的反射中心波长。 为了使 f - p滤波器与传感光纤光 栅的反射中心波长准确匹配以提高系统的分辨率， 可在调谐电压上叠加一小信 号交流抖动信号，使波长准确匹配。该解调方法的分辨率、动态范围决定于 f - p滤波器 的性能。 第 1 2页 国防科学技术大学研究生院学位论文 宽带光源卜州隔离器 辐合器 i mg 传感 阳g 言 号发生9b a 法器 卜 一 ， 可调f 一 p 探测器 ftfe 输出 日 -州混频器 阳 一一州低通滤波 图 2 . 3基于可调谐 f - p滤波法波长检测原理图 2 ) 门 一 调匹配光栅滤波法 该法采用两个参数完全相同的光纤光栅:传感光栅和参考光栅。其中参考 光纤光栅与 p z t压电陶瓷片紧贴在一起，如图 2 . 4 所示。 当被测物理量 ( 如应力、温度等)变化时，引起传感光纤光栅与参考光纤 光栅的反射波长失配， 通过伺服系统输出控制电压驱动 p z t ， 使传感光纤光栅与 参考光纤光栅始终保持匹配。这样就可从伺服系统输出的电压值解调出波长信 息，从而得到被测温度、应力等物理量的变化。可调匹配光栅法结构简单，信 噪比高。 同时采用该方法检测可得到较高的分辨率， 对单光栅测量时可达到3 .0 ,u e - 但该法对光栅匹配要求高，测量范围不大，响应低不适合高频测量，且测量精 度受 p z t的非线性的影响。 定向祸合器传感 f b g 图2 . 4光栅匹配法波长检测原理图 2 . 2 . 3宽带光源/ 非平衡干涉检测法 8 . 2 2 1 相位检测方法能得到很高的灵敏度。非平衡干涉法就是利用非平衡干涉仪 将传感光栅的波长变化转化为相位变化，通过对干涉仪输出的相位信号检测即 可得到波长变化信息，从而提高了检测灵敏度。图 2 . 5为采用非平衡 m a c h - z e h n d e r 干涉法进行波长检测的原理图。 第 1 3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 j 3祸 合 a子 a- 9 f b g 图2 . 5 非平衡 m a c h -z e h n d e r 干涉