（检测技术与自动化装置专业论文）光纤光栅横向受力和扭转特性的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，利用光纤光栅轴向应变特性设计的传感器，在实际工程测量 中已经得到了广泛的应用。但对于光纤光栅横向载荷和扭转作用下反射谱 特性的研究还少有报道。本文主要研究了光纤光栅横向受力特性和高双折 射光纤光栅的扭转特性。具体内容包括： 首先，本文系统介绍了光纤光栅的基本理论，包括光纤光栅的模耦合 理论和传输矩阵法及两种方法的适用范围。对光纤光栅的反射谱特性进行 了分析，介绍了光纤光栅应力和温度传感的基本模型。 其次，对光纤光栅在横向负载作用下的反射谱特性进行了分析。详细 分析了横向负载作用下反射谱发生分裂的原因、受力关系和反射谱特性。 在此基础上对光纤光栅横向局部受力和横向不均匀受力情况下的特性进行 了研究。基于传输矩阵法对光纤光栅横向局部受力特性进行了理论分析， 研究发现随着局部受力的增加，反射谱发生分裂，且分裂点呈线性、周期 性的移动，分裂点的反射率与受力位置的关系为近似的双曲正切关系。对 平面应变情况下，光纤光栅横向不均匀受力时的反射谱特性进行分析，得 到其各参数与反射谱带宽、反射谱对称波长漂移量的关系。 然后，对光纤光栅扭转作用下的反射谱特性进行了分析。基于高双折 射光纤的扭转特性和光纤光栅的耦合特性，提出了高双折射光纤光栅的耦 合方程表达式，分析了其反射谱特性与扭转角度关系，并应用传输矩阵法 进行了验证。应用模耦合理论，并结合高双折射光纤光栅特征根的形式， 对反射谱特性进行了详细的理论推导，并给出了具体的数学模型。 最后，对光纤光栅横向受力特性，以及高双折射光纤光栅的扭转特性 进行了实验研究。研究结果验证了理论分析和仿真研究的正确性。同时对 实验系统和误差进行了分析，为光纤光栅在横向及扭转传感器领域中的应 用提供了一定的理论依据。 关键词光纤光栅；耦合模理论；传输矩阵法；横向负载；扭转 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h ea x i a ls t r a i nr e s p o n s eo ff i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) h a s b e e nf u l l yi n v e s t i g a t e da n du s e di i lm e a s u r e m e n tf o rs t r a i n , p r e s s u r e a n d t h e r m a le x p a n s i o nc o e t i i c i e m h o w e v e r , i np r e v i o u sr e l a t e dw o r k s ，t h ee f f e c t s o ft r a n s v e r s ef o r c eo nt h ef b ga n dt w i s t e dc h a r a c t e r i s t i co nt h eh i g h b i r e f r i n g e n c e ( h i b i ) f i b e rg r a t i n ga r en o td i s c u s s e dj nd e t a i li nt h i sp a p e r , t h e c h a r a c t e r i s t i c so ff b gu n d e rt r a n s v e r s ef o r c ea n dt w i s t e dh i b if i b e rg r a t i n g w e r es t u d i e d t h ep r i m a r yc o n t e n ti n c l u d e s ： f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sb a s i cc o n c e p t so nf b g t h ec h a r a c t e r i s t i co f r e f l e c t e ds p e c t r aw a sd e d u c e di nd e t a i lb a s e do nc o u p l e dm o l dt h e o r ya n d t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d t h e nt h ee l e m e n t a r ym o d e lo fs e n s i n go f f b gi ns t r e s s a n dt e m p e r a t u r ew a sd e d u c e d s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h es p e c t r ar e s p o n s eo f f b g u n d e rt r a n s v e r s e f o r c e t h er e a s o nt h a tt h er e f l e c t e ds p e c t r ao f f b g s p l i tu n d e rt r a n s v e r s ef o r c e ， t h es t r e s sr e l a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fr e f l e c t e ds p e c t r aw e r ea n a l y z e di n d e t a i l b a s e do nt h i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f f b gu n d e rl o c a lt r a n s v e r s ef o r c ea n d i n h o m o g e n e o u st r a n s v e r s ef o r c ew e r es t u d i e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fr e f l e c t e d s p e c t r ao ff b g w a sa n a l y z e db a s e do nt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，w h e nt h ef b g i ss u b j e c t e dt ot r a n s v e r s ef o r c e w ec a nf i n dt h a tt h es p e c t r u ms p l i tw i t ht h e i n c r e a s eo fl o c a lt r a n s v e r s ef o r c ea n dt h es p l i t p o i m s h i f t l i n e a r l y a n d p e r i o d i c a l l y t h ec h a n g eo fs t r e s sp o s i t i o nh a sn oi m p a c to n t h ew a v e l e n g t ho f s p l i tp o i n l ，b u tt h er e f l e c t i v i t yo fs p l i tp o i mw h e nt h ef o r c ei si d e m i c a l t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e f l e c t i v i t ya n dt h ep o s i t i o no fs t r e s s i sh y p e r b o l i c t a n g e n t i nt h ec a s eo f p l a n es t a i n , t h er e f l e c t e ds p e c t r ar e s p o n s eo f f b g u n d e r i n h o m o g e n e o u st r a n s v e r s ef o r c ei sa n a l y z e d t h er e l a t i o nb e t w e e np a r a m e t e r s o ft r a n s v e r s e f o r c ea n db a n d w i d t h , s y m m e t r i c a lw a v e l e n g t ho fs p e c t r aa r e d e d u c e d a b s t r a c t t h e r e a f t e r , t h ep a p e ra n a l y z e st h es p e c t r ar e s p o n s eo ft w i s t e dh i b if i b e r g r a t i n g b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f t w i s t e dh i b i 抽e ra n dc o u p l e dm o l d t h e o r yo ff b gt h ec o u p l e de q u a t i o no fh i b if i b e rg r a t i n gi sp r o p o s e da n d p r o v e db yt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d mr e l a t i o n b e t w e e nr e f l e c t e ds p e c t r a r e s p o n s ea n dt w i s ta n g l ei sa n a l y z e d t h r o u g he m p l o y i n gl a t e n tr o o t sf o r mo f h i b if i b e r g r a t i n g t h es p e c t r ar e s p o n s e i s a n a l y z e di nd e t a i l , a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d a tl a s t t h ep a p e rc a r r i e so u te x p e r i m e n t so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff b g u n d e rt r a n s v e r s ef o r c ea n dt w i s t e dh i b if i b e rg r a t i n g t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ep r o v e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s m e a n w h i l e ， t h ep a p e ra n a l y z e se x p e r i m e n t a ls y s t e ma n de r r o r , w h i c hm a k e st h e o r e t i c a l b a s i sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni ns e n s i n gf i e l d so ff b gu n d e rt r a n s v e r s ef o r c e a n dt o r 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 o u p l e dm o l dt h e o r y ；t r a n s f e rm a t r i x m e t h o d ：t r a n s v e r s el o a d ；t o r s i o n i n 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光纤光栅横向受力和扭 转特性的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签字扔纽韬u 日期：加彤年，月珀 燕山大学硕士学位论文使用授权书 光纤光栅横向受力和扭转特性的研究系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 ：柘纠影 锨 日期：柳；年f 月埠日 日期：如形年，月，钼 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 光纤光栅传感技术是继光强型和干涉型光纤传感器以后，9 0 年代发展 起来的新一代传感技术。作为近几年发展最为迅速的光无源器件，光纤光 栅在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用【l 】。以光纤 光栅为传感基元研制的新型传感器，其感测过程可通过外界参量对光纤光 栅中心波长或带宽的调制来实现。检测信息为波长编码的绝对测量且具有 良好的重复性。并且具有质轻径细、柔韧、化学稳定、耐高温、抗电磁干 扰( e m i ) 等物性优势。与基于强度的探测系统截然不同，光纤光栅传感器的 探测能力与光源的强度涨落、连接器的损耗等无关，它代表着新一代光传 感器的发展方向1 2 j 。 当前，光纤光栅传感器的研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 光纤光栅 传感模型及其理论研究：基于耦合模理论是分析光纤光栅传感特性的较为 严格的理论，但其解决问题的方法较为繁难，而且能够得到的解析解有限。 ( 2 ) 光纤光栅的敏化与封装技术研究：由于光纤光栅本身的机械强度所限， 力敏和温敏灵敏度系数很低以及交叉敏感效应的存在，难于将其直接应用 于实际工程待测体的感测之中。( 3 ) 光纤光栅传感器设计及技术研究：针对 工程测量的参量类型、性质、分布等不同要求，需要对光纤光栅传感器的 结构进行特殊设计，以保证感测结果的精确性和可重复性。( 4 ) 信号解调及 其传感网络系统研究：高精度、低成本的波长检测技术是信号解调的应用 基础，而分布式、多参量、多功能感测的传感网络系统是实现大型结构体 实时监测的希望所在。 以光纤光栅为传感基元，探索新型光纤光栅传感器的设计方法和实现 技术，开发质量优良、持久耐用、稳定性强、功能集成的光纤光栅系列传 感器及信号解调系统，是最终实现光纤光栅传感器模块化、产业化、规模 化的目标j 。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 光纤光栅技术的发展 光纤光栅是一种光无源器件，它是在光栅中形成折射率周期性变化的 相位光栅。1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的ko h i l l 等人 3 1 首次观察到掺 锗光纤的光敏性，并采用驻波干涉法制成了世界上第一个光纤光栅，但这 种方法写入效率低，并且光栅周期取决于入射光的波长。1 9 8 9 年，美国联 合技术研究中心的gm e l t z 等人【6 】以准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激 光器输出的2 4 4n m 紫外光为光源，用全息相干法在掺锗石英光纤上研制 出世界上第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅，克服了驻波干 涉法的缺点。此后不久又出现了更加有效的相位掩模复制法【7 】和准分子激 光单脉冲在线写入法【引。在上述技术的支持下，光纤光栅在制作长度、封 装、啁啾度方面都有了飞速的发展，各种基于光纤光栅的有源和无源器件 也不断涌现，光纤光栅在光纤通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领 域均有广阔的应用前景【9 “。围绕光纤光栅技术的研究主要分为两个方向： 光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究；光纤光栅应用技术的研究。本 文主要是针对光纤光栅应用于测量应变系统的研究。 1 2 1光纤光栅的制作技术 光纤光栅的制作最初是采用比较复杂的光刻工艺 1 7 】。由于该方法制作 周期长、产品质量和成品率均得不到保障因此一直未受到重视。目前，受 到广泛关注的方法是利用光纤的光折变效应在光纤芯部直接写入光栅。这 种方法简单，所制成的光栅具有高折射率特性而且与光纤通信、光纤传感 系统使用的光纤相兼容，因而具有极为光明的发展前景。利用光折变效应 制作光栅的方法有许多种，下面介绍几种常用的写入方法。 ( 1 ) 侧面全息相干法侧面全息相干法是最早发现的一种方法。这种方 法是用准分子激光器产生的紫外光( u v ) ，经分柬后相干，从光纤侧面照射， 相应地紫外光干涉条纹在光纤中产生周期折射率变化，光栅周期常数可以 通过改变两紫外光的夹角而得到控制。这种写入方法适于制作不同周期的 均匀和不均匀光纤光栅，要求写入光源稳定性高。该技术的优点是所建立 2 第1 章绪论 的光栅稳定，所用能量低，并且可以灵活地改变光栅的中心波长。 ( 2 ) 掩模( m a s k ) 法掩模法分相位掩模和振幅掩模，是将预先制备好的 吸收或相位光栅，放置在紫外光射入到光纤之前，通过掩模的衍射效应在 蚀刻套层的光纤纤芯上形成周期结构的干涉图样，周期地改变了光纤纤芯 的折射率分布。相位掩模法是目前使用最普遍的方法，它具有操作简便、 造价低廉，对光源的时间相干性要求不高，适于大批量生产等一系列优点。 振幅掩模法适合于长周期光纤光栅的制作。 ( 3 ) 逐点刻栅法是用精密电机控制光纤运动位移，每隔一个光栅周期 曝光一次，通过控制电机速度可以写入任意周期的光栅。此方法优点是灵 活性，适合于制作长周期光纤光栅。缺点是得到的光纤光栅周期大，机械 位移的精度控制难度大。 对于其他特殊折射率的光栅，采取相应的非周期性的制作方法。目前 国内外对光纤光栅的制作技术的研究非常活跃，光纤光栅制作技术的研究 目标是要做到写入时间短、效率高，对光源的相干性要求低，便于工业化 生产。 1 2 2 光纤光栅敏化与封装技术 随着光纤通信的发展，光纤光栅已应用到航空航天、土木工程、电力 系统、石油化工和海洋平台等领域，但目前还存在着一定的问题，主要是 裸光纤光栅特别细且脆弱，温度和应变的灵敏度均很低，且抗剪切能力很 差，故一般不能将其直接用于传感测量之中。因此，对裸光纤光栅进行封 装或敏化处理，对研制满足实际应用要求的光纤光栅传感器具有重要的意 义。 在光纤光栅传感器的设计与应用中，光纤光栅的敏化和封装是相辅相 成的，往往一并考虑处理。采用特殊的结构设计并选用适宜的衬底材料粘 贴或埋入，是光纤光栅敏化与封装的有效方式。衬底材料可选用弹性梁、 大热膨胀系数材料、负温度材、磁致伸缩材料以及液晶材料等。 选用弹性梁作为衬底材料，以简支梁、悬臂梁和扭梁为基础进行变型 或组合( 如双侧悬臂梁、菱面型梁、空洞型梁等) ，可将弯矩和扭矩转化为 3 燕山大学工学硕士学位论文 应力、位移、曲率、扭角等传感参量，实现多种参量的高精度感测，设计 出多种类型的应变增敏模型及其传感器【l ”。在无应变条件下，选用大热膨 胀系数材料( 如有机材料、金属或合金) 作为衬底材料，可设计出不同类型 的温度增敏传感器。以适当的结构与负温度系数材料对光纤光栅进行封装， 会使光栅产生一定的应变，该应变引入的波长漂移应可以抵消由温度变化 引起的波长漂移，这称为绝热封装或温度补偿式封装。俞钢掣1 9 】采用剪刀 形封装装置，在3 0 8 0 。c 温区，其温度补偿效果达到o 0 1n m 。c 。黄勇林 等【2 0 】采用负温度系数材料，在2 0 _ 46 c 温区，获得了波长变化o 0 8l i r a 的 温度补偿；汤数成等疑出一种改进型的管状小型化光纤光栅温度补偿封 装技术，其温度系数小于1p m 。c 。 嵌入式( 或粘敷式) 敏化与封装是将光纤光栅嵌入( 或粘敷) 于某种具有 对应变、温度增敏与减敏的有机物( 如聚合物) 、金属、合金及特殊弹性体 之中的技术。敏化材料一般有单一材料与混合材料之分；结构亦有管式、 片式、针式、完全嵌入( 或粘敷) 与部分嵌入( 或粘敷) 等之别。 1 2 3 光纤光栅信号解调技术 信号解调是光纤光栅传感系统实用化所面临的最大难题。其核心问题 在于设计高分辨率、低成本的波长检测方案。对此有两个主要的解决途径： 一是提高传感光栅对待测量的波长响应灵敏度，这需从特殊光栅传感头的 制作入手；二是改进波长编码信号的解调方法，综合考虑分辨率与成本。 目前，信号解调方法主要有边缘滤波法，调谐滤波法和干涉扫描法，它们 的基本原理如图1 1 所示。 图1 1典型的光纤光栅信号解调原理示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t y p i c a lf b gs i g n a ld e m o d u l a t i o n 4 第1 章绪论 边缘滤波法是利用滤波器的输出光强变化与波长偏移的单值性质进行 信号解调的方法，这种单值性表现为线性、准线性或某种函数关系，其测 量范围与分辨率成反比。边缘滤波器结构【2 2 1 、基于w d m 耦合器结构口3 l 是实现信号线性解调的有效方式，采用长周期光纤光栅【2 4 】、或高双折射光 纤s a g n a c 环镜亦可实现准线性或单值性的信号解调【2 5 1 。 调谐滤波法是利用输出光强为可调谐滤波器光谱与f b g 光谱的卷积 性质进行信号解调的方法，当滤波器的反射波长与f b g 相匹配时，卷积最 大，由此可测得f b g 的波长。这种方法的分辨率较高，工作范围大。调谐 滤波可采用弹性应变梁口6 1 、压电元件p z t 、光纤法一珀腔【2 7 l 等方式实现。 干涉扫描法是利用外场对光纤光栅的作用导致干涉仪中的光程被调制 的机理进行信号解调的方法。这种方法主要用于高分辨率的动态与准静态 的应变、温度等参量的高精度测量，其分辨率是目前信号解调方法中最高 的，但该方法只能解调一个光纤光栅传感器，而且因光纤光栅有一定谱宽 而使系统分辨率不高。 1 3光纤光栅传感器的设计及应用 1 3 1 光纤光栅传感器的设计 光纤光栅传感器设计及技术研究是针对工程测量的参量类型、性质、 分布等不同要求，需要对光纤光栅传感器的结构进行特殊设计，以保证感 测结果的精确性和可重复性。几类典型的代表有： ( 1 ) 传统光纤光栅轴向传感器目前，多数光纤光栅传感器是以轴向应 变为传感机制而研究开发出来的，通过巧妙设计传感机构，在工程实际应 用中实现了位移、温度、应力、电流、振动等诸多物理参量的感测。 x yd o n g 等1 2 8 j 把光纤光栅粘贴在固定端a 与悬臂梁b 的交界处( a 、 b 材料性质不同) 。当悬臂梁自由端受到外界作用时，光纤光栅f b g l 与 f b g 2 的应变和温度响应系数均不同，可解出温度和应变( 应力、位移) 的值。 张伟刚等p 懈一根光纤上写入的两个不同波长的布喇格光栅，沿矩形悬臂 梁的中性面与表面的交线粘贴于靠近固定端两个相邻侧面。利用光纤布喇 燕山大学工学硕士学位论文 格光栅波长绝对编码的特性，设计并实现了应力( 或应变) 与位移的光纤光 栅二维传感器。a q u i n t e l a 等【3 0 】把两个中心波长不同的光纤布喇格光栅封 装在水泥块中，其中一个光纤光栅利用氰基丙烯酸盐粘合剂固定在水泥块 中，其对应变和温度都敏感；另一个光纤光栅螺旋地封装在水泥中，因其 松散只对温度敏感。他们把6 个这样的传感器分别埋植于桥梁的各处，利 用信号解调系统可准分布地、多点地监控路面交通情况。y j r a o 等设计 并实现了一种光纤布喇格光栅和f a b r y - p e r o t 干涉腔( e f p i ) 复合结构传感 器。该传感器可同时测量静态应变、温度和振动三个参量。 ( 2 ) 新型光纤光栅横向受力传感器传统的f b g 多用于测量轴向应变， 然而，在工程结构的应变测量中，不仅需要检测一维应变，还需要检测平 面应变及其形变，以便综合评估结构体的健康状况。因此利用f b g 横向应 变特性对结构体进行平面应变及其形变监测，在大型土木工程结构的健康 监测中具有重要的应用价值。但目前对f b g 横向负载特性的研究和应用却 很少p 扪。g a f s i 和e 1 - s h e r i f 讨论了f b g 基于有效折射率变化的横向负载 敏感特性，提出f b g 受到横向负载作用时反射峰会分裂成两部分1 3 明；c j s d em a t o s 等报道了常规f b g 和线性啁啾光栅局部受压的特性和实验结 果h o 1 。c j s d em a t o s 等1 4 1 1 利用4c m 长的线性啁啾光纤布喇格的横向 定点压力特性，获得了高空间分辨率的分布式传感，随光栅的受压位置的 不同，分裂点所对应的波长也随之变化，且实验中获得的空间分辨率小于 o 3n l r n 。h c h i 等【4 2 】报道了一种利用超结构光纤光栅进行轴向应变、温度 和横向载荷三参数同时测量的方法。该传感机构仅限于实验室研究，工程 化应用还有待时日。 本文采用模耦合理论和传输矩阵法对光纤光栅横向均匀受力、横向局 部受力、横向不均匀受力时反射谱的特性进行了详细而系统的研究。分析 了横向应力作用下f b g 径向两个偏振方向折射率和b r a g g 波长的变化，对 带宽、反射率、谐振峰的产生、分裂点等进行了仿真分析，并给出了相应 的数学模型。 ( 3 ) 新型光纤光栅扭转传感器近年来，由于工程测试的需求不断增 长，有关扭转( 扭角、扭矩) 传感器的研究得到了迅速发展。目前，光纤光 6 第1 章绪论 栅传感器已用于重大工程结构的应力、应变、裂缝和温度监测，然而对其 扭转特性的研究却很少1 4 3 4 7 】。2 0 0 2 年，wgz h a n g 等【4 8 1 将光纤布喇格光 栅粘贴在弹性扭梁的表面，设计并实现了光纤光栅的线性、双向扭转( 扭角、 扭矩等) 感测。2 0 0 1 年，c yl i n 等【4 9 j 通过对光纤施加周期性机械作用， 发现了应力长周期光纤光栅效应，并由此实现了应力长周期光纤光栅应变、 扭曲及弯曲的传感测量。张伟刚等【5 0 】将光纤光栅斜向粘贴在固定端与扭梁 的交界处( 两种材料的性质不同) ，成功地实现了扭转( 扭转角或扭矩) 与温度 的双参量同时测量。朱涛等1 4 7 i 提出了一种利用光纤布喇格光栅反射光作信 号源、长周期光纤光栅和超周期光纤光栅作传感器实现温度、应变和扭曲 三参量同时测量的全光栅型低成本强度解调传感方案。 本文提出了一种新型的可埋入工程材料的基于高双折射光纤光栅的扭 转传感器。建立了扭转高双折射光纤光栅传输矩阵的数学模型，并对其进 行了理论仿真和实验，分析了扭转高双折射光纤光栅的反射谱中产生的新 谐振峰反射率与扭转角度的关系，理论推导两者近似成正切关系。 1 3 2 光纤光栅传感器的应用 继光纤光栅在光纤通信领域中的应用之后，光纤光栅传感技术成为光 纤光栅应用研究的又一重大突破。1 9 8 9 年，m o r e y 等人第一次用光纤光栅 制作传感器【5 1 1 ，从此光纤光栅在传感技术领域的应用研究受到了人们的极 大关注，并且取得了持续快速的发展。我国是从2 0 世纪9 0 年代中后期开 展光纤光栅的研究工作，由于正处于基础建设高潮期，因此，从起步阶段， 光纤光栅的研究就与传感测量联系在一起。目前国内外的应用研究主要集 中在航空和民用工程两个领域。 在航空航天业【5 扣5 4 】中，光纤光栅传感器有着重要应用。在用先进复合 材料来制造的航空航天器中很容易埋入光纤光栅传感器，实现飞行器运行 过程中的性能监视。美国国家航空和宇宙航行局在航天飞机x 3 8 上安装 了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，他们还研究在常温和低温条件下 复合材料高压容器的光纤光栅和干涉传感器。多伦多大学和波音公司合作 完成世界首架包含损伤评估系统的飞机d a s h 8 智能结构蒙皮实验研究 7 燕山大学工学硕士学位论文 等。加拿大的一个光子研究小组提出用光纤光栅传感器测量飞机喷气涡轮 发动机系统的压力和温度。在法国、德国、英国和瑞典等欧洲国家也在积 极进行光纤光栅传感技术的研究1 5 5 5 7 1 。 光纤光栅传感器除了用于军事、航空方面，在民用建筑结构f 招俐臻全 监测方面也得到了广泛的应用。 1 9 8 9 年，美国布朗大学的m e n d e z 等人首先提出了把光纤传感器用于 混凝土结构的健康监测。在此之后，加拿大、日本、英国、德国等国家的 研究人员也对光纤光栅系统在土木工程中的应用做了大量的研究工作。传 感器可外加于结构表面或嵌入混凝土结构中，从而实现对结构的实时测量， 健康诊断，系统和服务设施的管理与控制。1 9 9 3 年，加拿大c a l g a r y 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， 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筋上的1 6 个 光纤光栅传感器，对桥梁结构进行长期监测。1 9 9 9 年，在美国新墨西哥 l a sc r u e e s t 0 号州际高速公路的钢结构桥梁上，安装了多达1 2 0 个光纤光 栅传感器，是当时在桥梁上使用光纤光栅传感器最多的记录。我国是世界 上公路隧道最多的国家，为确保云南嵩待公路白泥井3 号隧道的运营安全， 于2 0 0 4 年2 月建成了云南省第一座光纤传感器检测隧道，所用的光纤传感 技术包括：1 1 0 颗光纤b r a g g 光栅构成的十个监测断面：沿三条纵线和一 条绕拱组成的基于b r i l l o u i no ) r 的光纤分布式传感网络。 在医学领域【6 2 1 ，绝大多数传感器都是电气有源传感器，由于传感头的 局部发热和存在着金属导体以及导体中电流与电压的电磁干扰，因此不适 合超声波及与高温手术有关的激光辐射环境。但使用光纤传感器则可以克 服这些问题。近几年来，基于强度调制的小型医用光纤传感器己部分实现 商业化。 在能源化工领域，由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀等优 点，因此可以替代传统的电传感器广泛应用在海洋石油平台上及油田、煤 田中探测储量和地层情况【6 3 l 。内置于细钢管中的光纤光栅传感器可用作海 上钻探平台的管道或管子温度及延展测量的光缆。采用光纤光栅传感系统 可以对长距离油气管道实行分布式实时的在线监测。 第1 章绪论 1 4 本论文的研究目的和主要内容 1 4 1 本文的研究目的 目前，在结构健康状态检测中，用光纤光栅进行应变检测，绝大部分 是利用了其轴向的应变敏感性，对f b g 横向负载下的特性研究却很少。然 而在复杂的应力状态下，光纤光栅所受的并不都是轴向应力，还需要考虑 光纤光栅的横向应力，而光纤光栅所受到的横向应力也不一定都是均匀横 向应力，因此研究横向局部受力和不均匀受力的特性也是十分必要的。本 文不仅对均匀横向受力的光纤光栅在平面应变及形变下的特性进行了详细 的讨论，还针对横向局部受力下的光纤光栅进行了详细的理论推导、仿真 研究和实验验证，证明其反射谱也会发生分裂，表现出规律的反射谱特性； 并且研究了横向线性不均匀作用力下的光谱特性，通过仿真分析了f b g 反 射谱与应力的关系，该方法能够更好地通过反射光谱形状的变化推测f b g 所受的应力分布情况。利用光纤光栅横向应变特性对结构体进行平面应变 及其形变监测，在大型土木工程结构的健康监测中具有重要的应用价值。 利用x 和y 方向偏振传输谱的差异可以制成偏振控制器；并且横向局部受 力可以分析x 和y 方向的应变，与轴向应变测量结合，可以作为三维应变 测量传感器；分裂的反射谱还可以用于窄带滤波。可以预见，这一特性将 会使光纤光栅的应用领域更加广泛。 传统的扭转传感器一般是运用圆光栅或磁栅通过测量被扭曲的圆柱面 上不同位置的两点的相对位移来实现对扭曲率的间接测量，因此通常体积 较大，以致不能埋入工程结构。也有将光纤光栅贴在扭梁表面进行测量， 但其测量范围小、且易受外界环境干扰。针对这点，本文提出了把高双折 射光纤光栅埋入被测物体扭转轴的轴线上，以实现纯扭转，主要研究目的 是通过对高双折射光纤光栅扭转特性的理论研究，分析其扭转作用下反射 谱所具有的特征与扭转角度关系，并对产生这些特性的原理进行理论及仿 真分析和实验研究。目前对于高双折射光纤光栅的扭转特性的研究还处于 初始阶段，但它表现出的独特光谱特性却不容忽视。 9 燕山大学工学硕士学位论文 1 4 2 本文的主要内容 本文从光纤光栅传感的基本理论出发，基于模耦合理论和传输矩阵法 推导了光纤光栅的反射谱特性和传感模型。对于光纤光栅的横向和扭转受 力特性进行了详细的分析，建立反射谱特性与各种受力特性之间的数学模 型。本文对光纤光栅的应变特性进行了详细的理论分析和数学仿真，并做 了实验验证。论文包括以下几部分内容： 第l 章介绍光纤光栅的发展动态以及在传感方面的应用状况，分析当 前光纤光栅传感器实用化所需要解决的问题，并阐述光纤光栅传感特性的 研究意义以及论文的主要研究目的和研究内容。 第2 章介绍了光纤光栅的基本理论。基于模耦合理论和传输矩阵法两 种分析方法，分别对光纤光栅的理论及其基本特性进行了分析，并通过应 用祸合模理论，建立了光纤光栅的反射谱方程，并分析了光纤光栅的应力 和温度特性，建立了应力和温度的传感模型。 第3 章详细分析了光纤光栅横向均匀受力、横向局部受力、横向不均 匀受力时反射谱的特性。重点对横向作用力与光纤光栅反射谱谱型的变化， 包括：带宽、反射率、谐振峰的产生、分裂点等进行了仿真分析，并给出 了相应的数学模型。 第4 章详细分析了高双折射光纤光栅的扭转特性。首先，基于高双折 射光纤的扭转特性和光纤光栅的耦合特性，提出了高双折射光纤光栅的耦 合方程表达式，分析了其反射谱特性与扭转角度关系，并应用传输矩阵的 方法进行了验证。其次，对耦合方程的特征根进行了分析，提出了假设的 数学模型，通过仿真比较，证明了假设式的正确性。然后，分析了扭转高 双折射光纤光栅的反射谱中产生的新谐振峰反射率与扭转角度的关系，理 论推导两者近似成正切关系。 第5 章介绍了光纤光栅横向，扭转受力研究的实验系统结构、实验装 置和实验方法。对实验结果与理论分析进行了比较研究，并且分析了实验 产生误差的原因。 1 0 第2 章光纤光栅的基本理论 第2 章光纤光栅的基本理论 近年来，光纤光栅在传感领域的应用越来越引起人们的重视。现在已 有多种描述光纤光栅的模型，应用最广泛的是从导波光学中引入的模耦合 理论，但对于复杂光栅结构求解模耦合方程较为困难。由此提出了传输矩 阵法，它适用于周期和非周期结构。此外，还有很多技术也用于分析光纤 光栅结构。本章通过模耦合理论和传输矩阵法，对光纤光栅的基本理论进 行了分析，并基于弹光效应分析了光纤光栅应力和温度的传感模型。 2 1 光纤光栅的模耦合理论 光纤光栅中两个传输模式之间的耦合属于空间模式耦合。已知任何均 匀无损耗传输系统或导波系统中某一模式的行波解的形式为p 一肚，其中口 为相位系数，它可以为正，也可以为负。令口( z ) 表示沿导波系统z 方向按 p 一肌。的空间变化方式传播的某个模式的某个场分量的复数振幅。其正态模 式方程如下 睾= 诵口 ( 2 1 ) 由此可假设两个互不耦合的模式口、b 分别满足下式 i 妾：调。 j 出( 2 - 2 ) l = d b ：- j # o ：b 【如 设这两个模式口( z ) 和b ( z ) 发生有效的耦合，可得模式耦合方程为 式中，k l ：和k ：。称为耦合系数，其值远小于卢。和卢。：。 o g k + + 诋 讽 = = 出一出曲一出 垄坐盔堂三兰堡主兰篁笙苎 根据能量守恒定律，两模式的总功率流沿传输方向z 不变，可得 丢”+ | 6 | 2 ) = o ( 2 - 4 ) 通过能量守恒定律可得 k 1 2 = 千k 2 1 ( 2 - 5 ) 式中，功率流相同时取上面的负号，功率流相反时取下面的正号。 将运算符( 旱+ 诋：) 作用于式( 2 3 ) 的l 式，然后用式( 2 5 ) 代入，再将 运算符( 导+ 卢。) 作用于式( 2 3 ) 的2 式，然后用式( 2 5 ) 代入，得到耦合波 动方程为 r h ( 2 6 1 式解得耦合波动方程的特征方程为 卢2 一( 卢。+ 卢。：) 卢+ 0 。卢。+ k i ：k ：。) = o 解得( 2 7 ) 式的特征根为 肛2 = ，+ - r ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 式中，= 厩，万= 学，邵= 墅笋。 当两个未扰模式的功率流方向相反时，可得： 屯。= j i + - ：k 1 2 k ：，= l k 。：1 2 = 盯 所以 ￥：瓣( 2 - 9 ) 若i 卢l i k i ，则反，卢：* 卢0 l 卢。，于是两个模式以其固有相位系数传播而无 6 q o o = = 船 占 屯 如 岛 畸 + + 风 岛 风 风 一 一 出一出彩一出 风 风 + + 风 风 ， + + 如一如一 第2 章光纤光栅的基本理论 耦合。 因此发生有效地模式耦合的条件是 卢o l 卢0 2 即两个未扰模式的固有相位系数必须方向相同，且接近相等。 若o ，= 风：，且两未扰模式功率流方向相反时 r = ，h 这就是相位同步条件或称相位匹配条件，此时 ，完全由耦合系数k 决 定，耦合最强烈。 在反向传输模式下，若| _ p i h ，则解耦合波动方程( 2 - 6 ) ，得到耦合 波的一般解： ( 篙) - 时拗 c o s y z 一_ ，堂s i n y z 量s m ，zy z 一，一s m y z2 ，z yy 鱼s i n y zc o s y z + _ ，竺s i i l ，z yy 若i 卢i a ，即： m “：丝： ( 2 1 4 ) 儿 一般情况下，m 取大于5 0 的值就可以得到比较准确的结果。实际应 用中发现，有些情况如计算强光栅反射谱时，可能会得到高于1 的反射率， 与数值计算的精度有关，适当加大m ，可以使反射率降回正常的情况。这 说明在一定的范围内，即满足式( 2 1 4 ) 的情况下，m 值越大计算就越准确。 下面利用模耦合理论和传输矩阵法，分别分析光纤布喇格光栅和啁啾 光栅的光谱特性。对于长度为1 0l l l l n ，中心波长为1 5 5 0n n l ，最大反射率 为o 9 5 ，带宽为2n n l 的光纤布喇格光栅，分别利用模耦合理论和传输矩 阵法进行m a t l a b 仿真，如图2 - 2 ( a ) 和( b ) 所示，两种方法得到了一致的结果。 w a v e l e n g t h ( r a n ) w a v e l e n g t h ( r i m ) ( a ) 模耦合理论( b ) 传输矩阵法 图2 2 光纤布喇格光栅的光谱特性 f i g 2 - 2t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so f f i b e rb r a g gg r a t i n g s 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 图2 3 是线性啁啾光栅和分段啁啾光栅的示意图。从图中可以看出， 啁啾光栅是由一系列周期不同的均匀光纤光栅级联组成的。啁啾光栅的反 射谱如图2 - 4 所示。 l _ 一。一 ，。 a a 玉 ( a ) 线性啁啾光栅( b ) 分段啁啾光栅 图2 - 3 啁啾光栅示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f c h i r p e dg r a t i n g w a v e l e n g t h 图2 - 4 啁啾光栅的反射谱 f i g 2 - 4r e f l e c t e ds p e c t r u mo f c h i r p e dg r a t i n g 2 3 光纤光栅传感模型分析 由模式耦合理论可知，光纤光栅的中心波长取决于光纤光栅周期a 和 有效折射率挖，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光纤光 栅中心波长的漂移。正是基于这一点，一种新型基于波长漂移检测的光纤 传感机理被提出并得到了广泛应用。在所有引起光纤光栅波长漂移的外界 因素，最直接的为应力和温度参量，下面就对这两种类型的传感模型进行 分析。 1 6 第2 章光纤光栅的基本理论 2 3 1 光纤光栅的应力传感模型 应力引起光栅布喇格波长漂移可以由下式给予描述 a 口= 2 n 珂a + 2 以珂a ( 2 - 1 5 ) 式中，a 为光纤本身在应力作用下的轴向变形；”。为表示光纤的有效 折射率变化。 外界不同的应力状态将导致a 和缸。的不同变化。一般情况下，对 于f b g 来讲，由于它本身属于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力 总可以在柱坐标系下分解为盯。、仃，和盯，三个方向，在这里称o r 为轴向应 力作用，d ，、仃，称为横向应力作用，其中x 方向为平行应力作用方向，y 方向为垂直应力作用方向，三者同时存在称为体应力作用。下面我们基于 弹光效应，对f b g 的应力应变及传感模型进行讨论。 任意坐标系下的折射率张量可以表示为 ，h ： h h n 2 3l ( 2 1 6 ) l 惕l 传2 坞3 j 介电不渗透性张量占可表示为 f b , ，置：死 蜀 _ | 垦。如如l l 马。马：马，j 式中 岛2 古( 泸l 2