（通信与信息系统专业论文）光纤光栅温度和应变测量技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文综述了光纤布拉格光栅( f b g ) 传感技术的研究现状；研究了f b g 中心波长与温度、轴向应变和横向压力的依赖关系；设计了基于法布里一珀罗滤 波器的f b g 传感系统；设计了f b g 传感器阵列，并通过理论计算和波长编码实 现了f b g 阵列的寻址；在设计光缆余长卷轴和光缆固定环的基础上，提出了 光缆入海工程结构。搭建实验系统，分别测量了f b g 的温度和应变传感特性。 实验结果表明，f b g 中心波长与温度和应变之间具有良好的线性关系和重复 性：在6 枷范围内，黄铜封装后的f b g 温度灵敏度为4 0 2 8 6p m ，较封 装前提高约3 倍；在0 7 0 0 p 范围内，封装后的应变灵敏度为0 7 8 9 p 册f ， 较封装前略有降低；f b g 传感阵列反射谱无串扰，性能良好。 关键词：光纤布拉格光栅，温度，应变，法布里一珀罗滤波器，海洋监测 a b s t r a c t t h er e s e a r c hc o n d i t i o no 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 yi s r e v i e w e di nt h i st h e s i s t h e d e p e n d e n c e s 0 ff b gc e n t e rw a v e l e n g t ho n t e m p e r a t u r e ， s t r a i na n dp r e s s u r ea r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y af i b e rb r a g g g r a t i n gs e n s i n gs y s t e mb a s e d0 nt u n a b l ef a b r y - p e r o tf i l t e ri sp r o p o s e d t h ef b g s e n s i n ga f r a yi sd e s i g n e da n dt h ea d d r e s s i n g o ff b ga r r a yi sa c h i e v e db y c a l c u l a t i n g 觚dw a v e l e n g t he n c o d i n g t h ee n 酉n e e r i n gs t 九l c t u r ef o r l a y i n gd o w n t h eo p t i c a lc a b l ei no c e a ni sp r e s e n t e db a s e do nt h ed e s i g no fe x c e s so p t i c a lc a b l e r e e la n do p t i c a lc a b l ef i x i n gc o l l a lt h ec x p e f i m e n ts y s t e mi sc o n s t l l l c t e dt o m e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i c s0 ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i no fas i n g l ef b ga n dt h ef b g a r r a y t h ee x p e r i m e n tf e s u l t ss h o wt h a tt h ef b gc e n t e rw a v e l e n g t hh a s9 0 0 d l i n e a r i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t yw i t ht e m p e r a t u r ea n ds t r a i n ，r e s p e c t i v e l y i nt h er a n g e o f 6t o4 0 ，t h et e m p e r a t u r e - s e n s i t i v i t yo fp a c k a g e df b gb yb r a s si s4 0 2 8 6 p m t h a ti sa b o u t3t i m e sl a r g e rt h a nt h a to fu n p a c k a g e do n e i nt h er a n g eo fo t o 7 0 0 ，t h es t r a i n s e n s i t i v i t yo fp a c k a g e df b g i s0 7 8 9j p ，卯j c l ，al i t t l es m a n e rt h a n t h a t0 fu n p a c k a g e do n e t h ef b gs e n s i n ga 1 1 r a yw o r l 【sw e uw i t h o u tc r o s s 砌1 ko f r c f l e c t i n gs p e c t r a g u ow e i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f l i 弋r o n g q i a n k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，t e m p e r a t u r e ，s t r a i n ，f a b r y - p e r o t f i l t e r o c e a nm o n i t o r i n g 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文综述了光纤布拉格光栅( f b g ) 传感技术的研究现状；研究了f b g 中心波长与温度、轴向应变和横向压力的依赖关系；设计了基于法布里一珀罗滤 波器的f b g 传感系统；设计了f b g 传感器阵列，并通过理论计算和波长编码实 现了f b g 阵列的寻址；在设计光缆余长卷轴和光缆固定环的基础上，提出了 光缆入海工程结构。搭建实验系统，分别测量了f b g 的温度和应变传感特性。 实验结果表明，f b g 中心波长与温度和应变之间具有良好的线性关系和重复 性：在6 枷范围内，黄铜封装后的f b g 温度灵敏度为4 0 2 8 6p m ，较封 装前提高约3 倍；在0 7 0 0 p 范围内，封装后的应变灵敏度为0 7 8 9 p 册f ， 较封装前略有降低；f b g 传感阵列反射谱无串扰，性能良好。 关键词：光纤布拉格光栅，温度，应变，法布里一珀罗滤波器，海洋监测 a b s t r a c t t h er e s e a r c hc o n d i t i o no 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 yi s r e v i e w e di nt h i st h e s i s t h e d e p e n d e n c e s 0 ff b gc e n t e rw a v e l e n g t ho n t e m p e r a t u r e ， s t r a i na n dp r e s s u r ea r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y af i b e rb r a g g g r a t i n gs e n s i n gs y s t e mb a s e d0 nt u n a b l ef a b r y - p e r o tf i l t e ri sp r o p o s e d t h ef b g s e n s i n ga f r a yi sd e s i g n e da n dt h ea d d r e s s i n go ff b ga r r a yi s a c h i e v e db y c a l c u l a t i n g 觚dw a v e l e n g t he n c o d i n g t h ee n 酉n e e r i n gs t 九l c t u r ef o r l a y i n gd o w n t h eo p t i c a lc a b l ei no c e a ni sp r e s e n t e db a s e do nt h ed e s i g no fe x c e s so p t i c a lc a b l e r e e la n do p t i c a lc a b l ef i x i n gc o l l a lt h ec x p e f i m e n ts y s t e mi sc o n s t l l l c t e dt o m e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i c s0 ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i no fas i n g l ef b ga n dt h ef b g a r r a y t h ee x p e r i m e n tf e s u l t ss h o wt h a tt h ef b gc e n t e rw a v e l e n g t hh a s9 0 0 d l i n e a r i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t yw i t ht e m p e r a t u r ea n ds t r a i n ，r e s p e c t i v e l y i nt h er a n g e o f 6t o4 0 ，t h et e m p e r a t u r e - s e n s i t i v i t yo fp a c k a g e df b gb yb r a s si s4 0 2 8 6 p m t h a ti sa b o u t3t i m e sl a r g e rt h a nt h a to fu n p a c k a g e do n e i nt h er a n g eo fot o 7 0 0 ，t h es t r a i n s e n s i t i v i t yo fp a c k a g e df b g i s0 7 8 9j p ，卯j c l ，al i t t l es m a n e rt h a n t h a t0 fu n p a c k a g e do n e t h ef b gs e n s i n ga 1 1 r a yw o r l 【sw e uw i t h o u tc r o s s 砌1 ko f r c f l e c t i n gs p e c t r a g u ow e i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f l i 弋r o n g q i a n k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，t e m p e r a t u r e ，s t r a i n ，f a b r y - p e r o t f i l t e r o c e a nm o n i t o r i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文i ：光纤光栅温度和应变测量技术 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他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了谢意。 学位论文作者签名： 日期：鲨乞：圭：16 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：泣 华北电力人学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着工业制造、民用工程、航空航天等领域的现代化和智能化，在生产生活中 涉及到的各种参数( 温度、应变、电磁场、速度等) 分布状态的实时测量显得越来 越重要。这些参数的测量极大地依赖传感技术的发展。同时，在测量精度、可靠性、 测量范围、经济实用性等方面，也对传感器提出了更高的要求。因此，世界各国的 研究人员一直热衷于研究新型传感技术，并不断提高它的性能。 以光纤传感技术为代表的传感技术在2 0 世纪7 0 年代至今的几十年里飞速发 展，极大地推动了人类社会的进步。与传统的电子或机械传感器相比，光纤传感器 具有灵敏度高、不受电磁干扰、质量轻、体积小、耐腐蚀、耐高压、可远距离遥测、 能埋入智能结构等一系列优点【l 】。 光纤光栅传感器除了具有上述特点外，最显著的特点是用波长调制来传感被测 量，其优点在于：信号不受光源功率起伏、光纤弯曲损耗和探测器老化等因素的影 响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不确定性和对固有参考点的需要；能够 方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅，适用于分布式测量【2 j 。 虽然光纤光栅传感技术发展时间不长，但自从加拿大通信研究中心的h i l lko 等人【3 】于1 9 7 8 年研制出世界上第一个光纤光栅一光纤布拉格光栅( f b g ) 以来，对 光纤光栅的研究和应用得到了很大的发展，可以用来测量温度和应变等物理量。目 前，光纤光栅传感仍然存在许多技术难点，这使得光纤光栅传感系统成本比较高， 难以普及。如果能在寻求兼顾带宽、解调速度、解调精度、性价比的解调方法方面 取得理论和技术上的突破，将使光纤光栅传感器竞争力大大提高，促进光纤光栅传 感系统的普及和实用化。这对于很多对国民经济有重大意义的大型工程f 4 】，如电力 网、地震预报、桥梁、水坝、石油管道、飞行器【5 1 、核工业【6 】等的在线监测将产生 深远影响。 1 2 光纤布拉格光栅传感系统研究进展 由于光纤布拉格光栅传感器具有以上许多不可替代的优点以及广阔的应用前 景，近年来光纤布拉格光栅传感器得到了学术界和产业界的广泛关注，并得到了飞 速发展。针对光纤布拉格光栅智能传感器的实用化研究和应用已经取得了巨大进 展，主要集中在光纤光栅的解调技术和封装埋设技术上。 华北电力大学硕十学位论文 1 2 1 光纤布拉格光栅解调技术 近年来，如何实现f b g 传感系统的高分辨率检测成为研究的一个热点。根据波 长变化量检测器件的工作原理，已报道的f b g 波长变化量的检测方法大致可以分为 如下几类：边缘滤波器法、可调谐f a b r ) r p e r o t ( f p ) 滤波器法、非平衡m a c h z e l l i l d e r ( m z ) 干涉仪扫描法等。 1 2 1 1 边缘滤波器法 1 9 9 4 年，m e l l esm 和d a v i sma 等人提出了边缘滤波器法f 7 】，原理框图如图 卜l 所示。 图1 1 边缘滤波器法原理框图 宽带光源发出的光经耦合器l 进入传感光栅，其反射光再经耦合器l 进入分光 比l ：1 的耦合器2 ，其中一路经与波长有关的滤波器滤波和探测器放大，另一路直 接经探测器放大作为参考光。两放大器的输出信号i f 和i g 经除法器相除，得到与光 栅中心波长有关的输出值。该方法采用了较好的补偿措施，能够有效地消除光源波 动和各处附加损耗对信号的影晌，使后续的电子处理电路极为简单；能有效地抑制 噪声，成本较低，使用方便，适用于静态、动态检测。但是，系统的分辨率相对其 它解调系统低，动态应变测量响应速度慢。 1 2 1 2 可调谐f p 滤波器法 1 9 9 3 年，k e r s e yad 等人提出可调谐f p 滤波器法【8 1 ，原理如图1 2 所示。宽 带光源发出的光经隔离器和耦合器进入传感光栅阵列，反射光信号到达可调谐f p 滤波器。滤波器工作在扫描状态，使其窄线宽通带在一定范围内扫描，当滤波器的 扫描波长与传感光栅的布拉格波长相匹配时，透射光能量最大，允许传感光栅反射 的信号通过。因此，可由此时的f p 滤波器驱动电压与透射波长的关系确定f b g 反 射峰位置。f p 滤波器由施加周期性电压的压电陶瓷( p z t ) 驱动，用以改变腔长， 实现对确定区域的波长进行周期性地滤波扫描。该方法通过动态调谐f p 滤波器的 透射波长动念地“跟踪”传感光栅的布拉格波长，从而实现布拉格波长的解调。利 华北电力火学硕士学位论文 用这个检测系统，在4 0n m 的工作范围内可以得到约lp m 的测量分辨率。在2 0 2 0 0 范围内，温度最小分辨率可达o 1 ，长期测量精度可达o 2 【9 1 。 混频器 图1 2 可调谐f p 滤波器法原理框图 1 2 1 3 非平衡m z 干涉仪扫描法 1 9 9 2 年，k e r s e y ad 等人提出了非平衡m z 干涉仪扫描法【10 1 ，其原理框图如 图卜3 所示。 液 图1 3 非平衡m z 干涉仪扫描法原理框图 宽带光源发出的光经耦合器1 入射到传感光栅，其反射光经耦合器2 进入光程 差为o p d 的m z 干涉仪，通过非平衡m z 干涉仪把b r a g g 波长变化转化为相位变 化，进而转化为光强变化后，经探测器得到f b g 反射波长的变化量，从而探知被测 信号大小。通过该装置可测得的温度灵敏度为o 2 】。利用此方法可以构成时分 复用分布式传感系统，具有高带宽、高分辨率的解调能力，但不适于绝对应变的测 量，且干涉仪相位变化范围决定其测量范围非常有限。 1 2 2 光纤布拉格光栅的封装埋设技术 光纤传感器的主要应用方向是“智能材料和结构”，即通过实时采集材料结构 自身所受应力和温度等参数，实现对材料整体性能的智能监测【1 2 】。光纤光栅传感器 3 华北电力入学硕十学位论文 作为准分布式传感，对“智能材料和结构”的研制有很好的潜力。因为光纤光栅是 波长编码的，在材料和结构中不同的监测点埋设不同波长的光栅作为传感元件，通 过波分复用和时分复用技术就可以实现大量监测点的准分布式传感。作为“智能材 料和结构 的神经元，研究者对光纤布拉格光栅传感器的封装与埋设做了大量的研 究【1 3 舶】，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 传感光栅的保护 光纤光栅在剪切力的作用下很容易折断。因此，在埋设的过程中必须对它采取 相应的保护措施，进行适当的封装。 ( 2 ) 封装材料的选择 合适的封装材料不仅能在特殊环境下对传感光栅起到保护作用，而且对提高传 感光栅的传感能力有积极作用。 ( 3 ) 传感光栅与材料之间的温度、应力传递建模 传感光栅被封装在特定的封装材料中，温度和应力都不是直接作用于传感光栅 上，这就意味着在材料和光栅之间存在一个温度和应力的传递问题。解决好这个问 题，对提高传感准确度有重要作用。 光纤光栅的封装和埋设技术是非常复杂的，如果想要准确传感，需要考虑的因 素非常多，除上述三个方面外，还需考虑应力引起的双折射效应以及非均匀应力引 起的光谱展宽等等【17 1 。 光纤光栅传感器的研究和应用是一个方兴未艾的领域。发展至今，其检测方法 还有很多，如啁啾光栅检测法、可调光源寻址法、倾斜光纤光栅法【1 8 】等。但光纤光 栅传感系统信号解调技术在微弱信号检测、多指标同时测量、高精度检测温度链系 统方面仍然存在很多难点。在实际应用中，需要充分利用光纤光栅的优良特性，研 发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新型传感系统，以用于工程结 构的现场监测。 1 3 本文的主要研究内容 本文的研究内容来源于国家8 6 3 计划课题“光纤温度链及测量技术”，光纤温 度链系统的主要技术指标是：空间分辨率1 0m ，传感距离3 0 0m ，测温范围2 3 5 ， 测温精度o 2 ，测量时间l2 0s 。在基于光纤布拉格光栅的温度链系统的研制中， 如何高效地进行波长解调，提取温度和应变信息，如何实现多传感器的复用和识别， 达到要求的测量指标，是本课题需要解决的核心理论和技术问题。本文作为上述课 题的基础研究，以海水温度剖面在线监测为应用目标，研究基于光纤光栅的高精度、 高空间分辨率温度和应变传感技术，主要研究内容包括： 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 针对海洋中比较恶劣的测量环境和课题高空间分辨率、高测量精度的要 求，通过对比现有光纤光栅反射波长解调方案，设计一套适合研制目标的光纤光栅 温度和应变解调系统。 ( 2 ) 分析研究光纤光栅温度和应变的传感理论，以及多光栅复用时准分布型 温度和应变同时测量的有关理论和技术问题。 ( 3 ) 通过理论计算温度和应变与f b g 中心波长变化的关系，提出合适的信号 处理方法，以期实现温度和应变的高精度同时测量。 ( 4 ) 通过对光纤光栅进行波长编码构成传感器阵列，提出一种有效地解决复 用传感光栅寻址问题的方法。 ( 5 ) 设计光纤光栅传感器阵列及其封装，以及入海传感光缆工程结构。 ( 6 ) 搭建实验系统，测量单光栅反射波长的温度和应变依赖关系，研究多光 栅复用时反射波长的寻址问题，并进行传感光栅的封装性能及温度和应变分布传感 的实验研究。 华北电力大学硕士学位论文 第二章光纤布拉格光栅基本理论与传感机理 光纤布拉格光栅( f b g ) 的有关理论和传感机理是设计f b g 传感系统的理论基 础。本章首先利用耦合模理论分析光波在f b g 中的传播规律，介绍f b g 的刻写技 术、载氢对f b g 制作的影响及f b g 的结构和主要参数。然后，在深入研究温度和 应变等外界场对布拉格波长的影响的基础上，推导出f b g 的温度灵敏度、应变灵敏 度、压力灵敏度和温度一应变交叉灵敏度的表达式。最后，简要介绍f b g 传感常用 的复用技术。 2 1 光纤布拉格光栅耦合模理论 光纤光栅实质上就是放置在不同样式模板下用紫外光曝光的光敏光纤，使光纤 纤芯中形成所需的折射率扰动。通常，光纤光栅有效折射率变化可表示为f 1 9 】 缸矿= ，l 够【l + s c o s ( 等z + 9 ( z ) 】 ( 2 一1 ) 式中，咒毋为一个光栅周期内的平均有效折射率变化；s 为折射率调制的条纹可见 度，是与折射率调制有关的参数，通常视光栅反射率大小在o 5 l 之间取值；人为 光栅周期；妒( z ) 描述光栅的啁啾特性，z 为光纤轴向坐标。不同形式的妒( z ) 和血够描 述不同光纤光栅。 光纤布拉格光栅是一种反射型光栅，耦合主要发生在布拉格波长附近两个波长 相同的正反向传输模式之间，光纤布拉格光栅耦合模方程【2 0 1 为 里笙：f f + 彳+ ( z ) + f 艘+ ( z ) ( 2 2 ) 军叫f + b + ( z ) 嘶彳+ ( z ) ( 2 3 ) 式( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) 中，么+ ( z ) 为模场沿轴向正方向缓慢变化的幅度，可表示为 彳+ ( z ) = 彳( z ) e x p ( f z 一伊2 ) ( 2 4 ) 口+ ( z ) 为模场沿轴向负方向缓慢变化的幅度，可表示为 曰+ ( z ) = b ( z ) e x p ( 一f 力z + 驴2 ) ( 2 5 ) 堕篓和雩二分别为彳+ ( z ) 和曰+ ( z ) 沿纵向的变化；r 和r 为交叉耦合系数；f + 为自 d z 口z 耦合系数，可表示为 6 华北电力火学硕十学位论文 弘力+ f 一言警 其中，以为模式间的失谐量，与z 没有关系，可表示为 以砂吴一c 去一寺 ( 2 6 ) v ( 2 7 ) 式中，以够为光纤有效折射率，在折射率均匀调制的单模光纤光栅中，略小于纤芯 折射率；= ( 2 万五) 订为传输常数；允为光在真空中的波长；丸为理想光栅( 即有 效折射率变化石孑趋于o ) 中心反射波长，可表示为 九= 2 玎玎人 复数因子f 用来描述光栅产生的吸收损耗。对于单模布拉格反射光栅， 简化为【1 】 f + ：孚瓦 交叉耦合系数简化为【1 1 ( 2 8 ) 自耦合系数 ( 2 9 ) r = 盯= 等s 聆 ( 2 一l o ) 对于均匀周期光纤布拉格光栅，l 玎为常数且d 伊出= o ( 也就是没有啁啾) ， 因此，石、f 和f + 全为常数，式( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) 简化为常数因子一阶微分方程。 当边界条件已知时，就可以得到方程的解。假设一束光彳+ ( z ) 从z = 哟处入射到长 度为l 的均匀周期布拉格光栅中，在z 2 时没有反射光。反射光的归一化振幅p 和反射率r 可分别表示为 p = 口+ ( 一l 2 ) 彳+ ( 一2 ) ： ：二型坐! 些丝： ( 2 _ 1 1 ) f + s i n h 厮孑丽+ f r z f ”c o s h 瓜孑丽 酬卯：掣堕三照l ( 2 _ 1 2 ) 一! 了+ c o s h 2 ( 也) 2 一( f + l ) 2 对于一个给定的均匀周期光纤布拉格光栅，自耦合系数 + = o ，可以得到最大 反射率和峰值波长分别为 尺m 。= t a f l l l 2 ( 舡) ( 2 一1 3 ) 五。：( 1 + 丝) 九 ( 2 1 4 ) 7 华北电力大学硕+ 学位论文 光纤布拉格光栅的带宽定义为谐振波长两侧反射率第一次为零的波长间距【2 0 1 ， 由式( 2 1 2 ) 得 堕：兰堑 兄 ( 2 1 5 ) 当折射率变化非常小时，s 血够非常小，即s ，l 砧肛，则有 堕竺堑 ( 2 一1 7 ) 五 以 可见，对于强光栅，光线不能穿过整个光栅区域，反射峰带宽与光栅长度无关，而 只与折射率调制深度成正比，其反射带边缘带宽、第一对零点带宽和半高全宽的值 都是相似的。 耦合模理论是分析光纤布拉格光栅的最基本的方法。利用耦合模理论可以正确 地分析光在各种不同类型的光纤光栅中的传播规律，特别是对于均匀周期的布拉格 光栅，可以精确地推导出光栅特性的解析表达式，对光栅的反射谱特性进行分析。 2 2 光纤布拉格光栅的制作技术 光纤光栅是利用掺杂的光敏性制作而成的。光纤的光敏性是指激光通过掺杂光 纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性，它是光纤光栅周期 性折射率变化的根本原因。 2 2 1 光纤布拉格光栅的刻写技术 随着光纤光栅刻写技术的不断完善，光纤布拉格光栅的稳定性越来越好，这为 研究高精度的光纤布拉格光栅传感器奠定了基础。下面介绍两种刻写技术： 全息干涉法【2 i 】：全息干涉法用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相互干涉， 利用光纤材料的光敏性形成折射率变化。通过改变入射光波长或两相干光束之1 1 自j 的 央角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重 复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度变化的影响，并 且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。 相位掩膜法【2 2 l ：相位掩膜法是一种非干涉写人技术，是目的普遍认为使用最方 华北电力大学硕士学位论文 便、最有效、发展前景最好的一种方法。相位掩膜是利用微电子加工技术对紫外光 有较高透过率的熔融石英玻璃片进行电子束制版、活性离子蚀刻制成的方波型光栅 结构。理想的相位掩膜能使相位光栅的零级衍射为零，正负一级衍射最大。制作光 栅时，先将光纤成栅部位的预涂覆层去掉，将相位掩膜放在光纤附近，紫外光照射 到相位掩膜上时，其零级衍射光被削弱，正负一级衍射光被增强并在掩膜近场重叠 形成干涉条纹，干涉条纹被光敏光栅记录下来形成布拉格光栅。用这种方法制作的 光栅，其布拉格波长与光源的波长无关，对辐照角度、光纤与掩膜间的校准状况不 敏感，对光源的时间相干性要求不高，但对其空间相干性要求较高。光纤与掩膜不 接触，可用一块掩膜对多根光纤同时曝光，因而适用于批量生产。其缺点是，石英 掩膜的制作比较复杂，价格较高。 2 2 2 载氢对制作光纤布拉格光栅的影响 无论用哪种技术制作光纤光栅，都要求光纤必须对写入波长具有光敏性。 1 9 9 3 年l e m a i r e 等人【2 3 】报道了一种使掺g e 0 2 光纤产生很高光敏性的技术，他 们将光纤浸入5 0 0 l o o op s i 高压氢气中数周时间，使氢分子扩散进纤芯中。提高光 纤的光敏性以写入光纤光栅的方法有【2 4 】：掺杂稀有金属或刷火法f 2 5 1 、高温载氢法【2 6 】 和常温高压载氢法【2 7 1 。常温高压载氢法，简单易行，且成本较低，是目前增敏掺锗 光纤的一种重要的方法。 在载氢过程中，h 2 与s i 0 2 光纤材料发生化学反应，使s i 0 2 光纤材料的结构发 生变化，导致受到紫外曝光部位的折射率增大。因此，h 2 的含量决定了光纤光敏性 ( 即光纤光栅折射率的调制深度) 的大小，h 2 的溶解度k 。【27 】可表示为 k s m = f q 、) p ( 2 一1 8 ) 式中，厂( 丁) 为载氢温度的函数；尸为载氢压力。在确定的温度下，氢气的溶解度与 载氢压力成正比，而载氢压力与光纤光敏性大小成正比【2 4 1 。由式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 3 ) 可得，光纤光栅的最大反射率与折射率调制深度的关系【2 0 】为 r ：t a n h 2 ( 型堕三) ( 2 一1 9 ) r 一= t 甜1 1 1 2 ( 三) ( 2 一1 9 ) b 光栅写入后，光纤光栅长度l 、折射率调制的条纹可见度s 、光纤光栅的布拉格波 长九不变，所以光纤光栅平均有效折射率调制深度以研决定了光纤光栅的反射率。 由此可见，载氢压力越大，光纤的光敏性越大，即f b g 的折射率调制深度越大， 制作大反射率的f b g 也就越容易。不过，载氢压力过大增加了制作光栅的成本，也 增大了载氢处理工艺的危险性。 9 华北电力火学硕十学位论文 2 3 光纤布拉格光栅的结构与参数指标 2 3 1 光纤布拉格光栅的结构 光纤布拉格光栅是一种最简单、最普遍的光纤光栅，其折射率调制深度和光栅 周期一般都是常数。如图2 一l ( a ) 所示，当入射光谱经过f b g 时，被光栅反射回 一单色光( 反射光谱) ，其余光透射。图2 1 ( b ) 、( c ) 分别为由光谱仪测得的 中心波长为1 5 2 7 9 5n m 光栅的反射谱和透射谱。 鬟一当 ( a ) 光纤布拉格光栅结构 ( b ) 反射谱( c ) 透射谱 图2 1 光纤布拉格光栅结构及其反射和透射谱 2 3 2 光纤布拉格光栅的参数指标 2 3 2 1 带宽 。 光纤光栅的带宽就是每个f b g 反射峰对应的带宽。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来看，最合理的值应该在0 1n m 和o 3n m 之间，通常取o 2 5n m ，如图2 2 所示。 此外，一般的解调设备的峰值探测算法通常是在假设带宽为o 2 5n m 和谱型为 光滑的高斯型的基础上设计出来的，带宽过宽会降低波长测量的准确性。 l o 华北电力入学硕十学位论文 ，、 墨3 哥1 ，弱l ，秘l m o w l v e - 枷i 群h ，_ m 图2 2f b g 带宽示意图 2 3 2 2 反射率 光纤光栅的反射率越高，返回到测量系统的光功率就越大，相应的测量距离就 越长。而且反射率越高，带宽较窄，光栅越稳定，对于波长解调仪的工作要求就越 低，反之亦然。为了获得最好的性能，传感光栅反射率应该大于9 0 ，如图2 3 所 示。但是，强调高反射率的同时，也要考虑抑制边模。也可以说，反射率决定信号 强度，边模抑制决定了系统信噪比。 l 寻弘。簪5 3 50t 5 罩5 ，5 l 罩于夸口 w a v e i 绷g l l l ，n m 图2 3f b g 反射率示意图 2 3 2 3 边模抑制比 边模抑制比是主模强度和边模强度的最大比值，是标志纵模性能的一个重要指 标。对一个两边有许多旁瓣的f b g 传感器，f b g 解调仪可能会错误的把某些旁瓣 当作峰值。所以一个好的传感器反射谱除了要具有一个光滑的峰顶外，光滑的两边 o m 渤 j 摹 哪 岔|芑o芎盛 誊la零基。甜芸 华北电力大学硕士学位论文 也是非常重要的。控制边模是决定f b g 传感性能的一个重要参数，直接决定了系统 信噪比，提高边模抑制比需要f b g 的制造商有较高的工艺水平。但它同时也在f b g 反射率大于9 0 的情况下，边模抑制比应高于2 0d b ，高于3 0d b 是更理想的。选 用高质量的全息相位掩模板，切趾可以平滑传感器的光谱，消除两边的旁瓣，确保 边模不会干扰峰值的探测。通常的切趾在短波长方向仍然会存在许多旁瓣，切趾补 偿技术( 使光栅的平均折射率波长一致) 是一个已经被证明了的可行的方法，可以 消除短波长方向的旁瓣，实现整个光谱上平滑。 目前，光栅写入技术的进步和光学精细度的提高已可以制造出边模抑制比超过 3 0d b 的光纤光栅，完全满足f b g 传感器的要求。图2 4 显示了三个光纤光栅的反 射谱，其中图( a ) 未切趾，图( b ) 未进行切趾补偿，图( c ) 进行了切趾补偿。 拿瑚 茎鼬 蛊碡。 ， ( a ) 未切趾 ( b ) 未进行切趾补偿 1 2 华北电力大学硕士学位论文 ( c ) 切趾补偿 图2 4f b g 反射谱切趾对比图 2 4 光纤布拉格光栅的传感原理 光纤光栅是一段外型与光纤相同，纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据 式( 2 8 ) ，f b g 的布拉格波长九跟光栅周期a 、纤芯有效折射率玎有关，而人和n 咿 又受温度和应力的影响，如图2 5 所示。因此，当外界的被测量引起光纤光栅温度、 应力改变时，都会导致布拉格波长以的变化，也就是说光纤光栅反射波中心波长的 变化反映了外界被测信号的变化情况【2 引，如图2 6 所示。 图2 5 受外界场影响的f b g 周期变化 通过检测这种布拉格波长的偏移就可以实现对外界场的传感。为了测量大型被 测物体整体受外界场的影响，一般在被测物罩埋设很多个f b g ，由于f b g 的长度 远远小于被测物，所以每个f b g 可以看成是一个测量点。通过同时测量所有测量点 的外界场，就可以实现准分布式传感。 华北电力大学硕士学位论文 ! f 一一一 l 一 i 。 l -i f k 。 i 一y f 图2 6 受外界场影响的f b g 光谱偏移 当温度、应力等外界场变化时，布拉格波长的位移可由式( 2 8 ) 求导得出 兄口= 2 人，2 巧+ 2 ，l 谚a 八 式中，l 够为有效折射率的变化量；人为光栅周期的变化量。 比可得 丝：竺生士坠 a b n 蜉 八 2 4 1 光纤布拉格光栅温度灵敏度系数 ( 2 2 0 ) 再与式( 2 8 ) 求 ( 2 2 1 ) 温度对布拉格波长的影响是由热光效应和热膨胀效应引起的。假设轴向应力场 和横向压力场保持恒定，f b g 仅受温度场影响。当温度变化丁时，则由热光效应 引起的有效折射率变化为 力= 孝刀丁 ( 2 2 2 ) 式中，f 为光纤的热光系数，可表示为 f ：上堕( 2 2 3 ) 。 玎 r 由热膨胀效应引起的光栅周期变化为 人= 口人r ( 2 2 4 ) 式中，口为光纤的热膨胀系数，可表示为 口：! 坠 ( 2 2 5 ) 口= 一 【2 2 5 ， 人7 将式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 4 ) 代入式( 2 2 1 ) ，可得光纤光栅温度灵敏度系数 1 4 华北电力火学硕士学位论文 砗：尝年：口+ 孝 ( 2 2 6 ) l 醯入b 二 对于掺锗石英光纤，口= 5 1 0 - 7 ，f = 7 0 1 0 - 6 ，则k r = 7 5 1 0 6 。 如果将f b g 牢固地粘贴在另一种材料上，则这种材料的热膨胀会引起光栅周期 的改变，利用这种特性可以改变f b g 的温度灵敏度。此时的温度灵敏度系数可表示 为 k 稻= ( 口+ 善) + ( 1 一) ( 口，一口) ( 2 2 7 ) 式中，口，为这种材料的热膨胀系数；e 为有效弹光系数。 当温度变化不大时，一般认为善是一个常数，因此布拉格波长的变化与温度之 间有较好的线性关系。实际上，f 是温度的函数。在5 0 3 5 0k 范围内，掺锗石英 光纤的热光系数与温度的关系为【2 9 l 鼻= 一1 1 3 1 0 - 6 + 6 7 4 1 0 一8 丁一1 1 2 1 0 一1 0 丁2 ( 2 2 8 ) 对于掺锗石英光纤，由于口“f ，可忽略口随温度变化产生的影响，于是得到 掺锗石英f b g 的温度灵敏度系数为 k 7 = _ o 6 3 1 0 6 + 6 7 4 1 0 8 r 一1 1 2 1 0 一1 0 丁2 ( 2 2 9 ) 在实际应用中，如果温度变化范围较大，则应考虑温度的非线性影响。 2 4 2 光纤布拉格光栅轴向应变灵敏度系数 轴向应力对于布拉格波长的影响是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设 温度场和横向压力场保持恒定，f b g 仅受轴向应力场影响。当应变变化占时，则 光栅周期的变化为 人= 人占( 2 3 0 ) 由弹光效应引起的有效折射率变化为 ，l 谚：半 慨- ( 1 一砌1 2 】 ( 2 - 3 1 ) 式中，为纤芯材料的泊松比；p 、p 。：为弹光系数。定义有效弹光系数e 为 e = ! 警二【p ，2 一( p ，。+ p 。2 ) 】 ( 2 3 2 ) 将式( 2 2 9 ) 、式( 2 3 0 ) 和式( 2 3 1 ) 代入式( 2 2 1 ) ，可得光纤光栅轴向应变灵 敏度系数 1 5 华北电力大学硕士学位论文 弘急小e ( 2 3 3 ) 对于掺锗石英光纤，k ，o 7 8 胪。 通常，含有光栅的光纤所允许施加的张力为l 应变，此时忽略光栅的二阶应 变灵敏度所引起的误差不超过0 5 。当施加张力超过5 应变时，忽略光栅的二阶 应变灵敏度将引起2 3 的误差【3 们。因此，用f b g 进行大应变测量时，应考虑二阶 应变灵敏度的影响。 2 4 3 光纤布拉格光栅横向压力灵敏度系数 横向压力对布拉格波长的影响是由于光纤受压使光纤直径发生微量变化，这种 变化又会使光传输延迟发生微量变化引起的。假设温度场和轴向应力场保持恒定， f b g 仅受横向压力场的影响。当横向压力变化为p 时，则与之对应的f b g 布拉格 波长变化k 为 垃：全堕竺：( ! 坐+ 上堕) 凹 ( 2 3 4 ) 允b n 唾入、入廿n c f 心? 光纤受压时，长度变化为 丝一堡二兰丝鲨( 2 3 5 ) 一= 一一 iz 一1j 式中，e 为光纤杨氏模量。有效折射率变化为 竽：窖( 1 2 训2 p 1 2 + 肌) ( 2 _ 3 6 ) 以研 2 e 、 一“ 考虑到叫= 八人，光栅周期一压力关系和有效折射率一压力关系分别可出式 ( 2 3 5 ) 和式( 2 3 6 ) 得出 三坠：一堡二丝!( 2 3 7 ) 一一= 一= 二二 lz j ， 当瓮：妥( 1 2 训2 帽1 ) ( 2 _ 3 8 ) n p2 e 、 。一“ 将式( 2 3 7 ) 和式( 2 3 8 ) 代入式( 2 3 4 ) ，可得光栅的横向压力灵敏度系数为 耻怒一半+ 嘉”2 眦1 2 + p l i ) ( 2 - 3 9 ) 。a 8 p e 2 e 、 一“川7 。 对于掺锗石英光纤，k p = 一1 9 4 l o 一6 m p 口，即在波长l5 5 0n m 处，压力灵敏度为 一3 p 脚胁【3 。 1 6 华北电力人学硕士学位论文 2 4 4 光纤布拉格光栅温度一应变交叉灵敏度系数 在实际应用中，f b g 的反射波长同时受温度和应变影响，假设温度变化范围不 大，即在温度变化范围内材料的弹光系数和泊松比是常数，则可得到温度一应变交 叉灵敏度系数为【3 0 】 船盎= 扣堋等“警， 4 。) 将式( 2 2 6 ) 和( 2 3 2 ) 代入式( 2 4 0 ) ，得 k n = + f ) ( 1 一) 一2 孝= k r k 。一2 孝 ( 2 4 1 ) 综上所述，在高精度传感时，应当考虑温度一应变交叉敏感带来的误差。 2 5 光纤布拉格光栅传感器复用技术 在许多实际应用中，为了能够实现物理量的准分布式测量，常常需要采用复用 技术将多个光纤布拉格光栅传感器进行联结。因此，大容量光栅单元的复用能力是 光栅传感系统设计中需要考虑的关键问题之一，特别是在分布式传感领域。通过共 享光源和电子处理部分，随着系统中复用传感器数目的增加，每个传感器的花费将 大大减少，这将增强光纤传感器对传统机电类传感器的竞争力。纵观近几十年来这 方面的研究成果，复用技术已经大量地应用在光纤传感领域，特别是对光纤布拉格 光栅复用技术的研究受到广泛关注。当然，传感器的复用必然涉及到解复用。按复 用和解复用方案的原理分类大致可分为【3 2 】：波分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i