（检测技术与自动化装置专业论文）基于c型弹簧管的光纤布拉格光栅压力传感技术研究.pdf

j 中图分类号 t j 7 6 5 4 学科分类号 5 1 0 8 0 4 0 论文编号1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 8 8密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名张磊 学号 2 0 0 4 0 0 0 4 8 8 获学位专业名称 检测技术与自动化装置 获学位专业代码 课题来源自选研究方向光纤光栅传感技术 论文题目基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅压力传感技术研究 光纤布拉格光栅，c 型弹簧管，温度传感，应变传感，粘贴方式 关键词 论文答辩日期2 0 0 7 年1 月2 2 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师莫德举教授 北京化工大学 流量传感技术 评阅人l林伟国副教授北京化工大学嵌入式系统开发 评阅人2 评阅人3 评阅人4 评阅人5 教授级高 椭员会搛任鸿威北京化工研究院仪表智能化 工 答辩委员1林伟国副教授北京化工大学嵌入式系统开发 答辩委员2 程杰 高工北京i t ：r - 大学仪表智能化 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 二9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅压力传感技术研究 摘要 光纤光栅是近年来发展最为迅速的光纤无源器件之一。由于它具 有许多独特优点，因而在光纤通信、光纤传感等领域有着广阔的应用 前景。 光纤布拉格光栅( f b g ) 是一种光纤折射率受到周期调制的光纤 型器件，该调制使光纤内传输的光信号的不同模式进行耦合，其作用 相当于一个高反射窄带光反射镜。利用光纤布拉格光栅作为敏感元件 的传感器，可对应力、温度、压力、加速度等多个外界量进行精确的 检测。作为课题的关键器件，它的特性直接影响实验结果。 本文系统阐述了光纤布拉格光栅的基本理论，包括：光纤光栅的 分类、写入方法以及应用；利用耦合模理论分析了光纤布拉格光栅的 光谱特性；分析了光纤布拉格光栅温度和应变的传感原理。通过温度 传感实验，得出了与理论值较吻合的光纤布拉格光栅温度灵敏度系 数。 设计了一种基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅传感结构，以光纤 布拉格光栅对应变敏感的特性以及c 型压力弹簧管表面应力分析为 理论基础，将光纤布拉格光栅粘贴于c 型压力弹簧管上的特定位置， 将引入c 型弹簧管的压力转化为光纤布拉格光栅中心波长的漂移量。 通过压力传感实验，得到压力与光纤布拉格光栅中心波长漂移量的线 性关系式。同时，基于温度传感实验和压力传感实验，设计了光纤布 拉格光栅温度补偿实验，验证了参考f b g 温度补偿的方法。 论文的创新点是设计了一套新颖的基于c 型弹簧管的光纤光栅 压力传感实验系统；提出了一种新颖的基于c 型弹簧管的光纤布拉格 光栅粘贴方式，通过理论数据的推导，并与其他粘贴方式进行比较， 本文提出的方案使得压力传感灵敏度显著提高；温度补偿实验验证了 参考f b g 温度补偿法的可行性。 关键词：光纤布拉格光栅，c 型弹簧管，温度传感，应变传感，粘贴 方式 n 摘要 t h er e s e a r c ho nt e c h n i q u eo f f b gp r e s s u r es e n s i n g b a s e do nc s h a p e de l a s t i ct u b e a b s r a c t o p t i c a l f i b r eg r a t i n gi so n eo ft h eo p t i c a lf i b r ep a s s i v ed e v i c e s w h i c hh a v eg r e a td e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo fi t su n i q u e a d v a n t a g e s ，i th a sb r i l l i a n tp r o s p e c ti nf i e l do ff i b r ec o m m u n i c a t i o n a n d s e n s i n g f i b r eb r a g gg r a t i n g ( f b g ) i sa no p t i c a ld e v i c eo fi t s r e f r a c t i o n m o d u l a t e dp e r i o d ，w h i c hm a k e sd i f f e r e n tm o d u l e so fo p t i c a ls i g n a l c o u p l e di nf i b r e i t su s ee q u a l sar e f l e c t o ro fh i g hr e f e c t i o n w h e ni t i s u s e d t oas e n s o r s y s t e m ， i tc a nc h e c k s t r a i n ，t e m p e r a t u r e ， p r e s s u r e ，a c c e l e r a t i o n ，e t c a st h ek e yd e v i c e o ft h ee x p e r i m e n t ，i t s c h a r a c t e rd i r e c t l yi n f l u e n c e st h er e s u l to fe x p e r i m e n t t h eb a s i ct h e o r yf o rf b gh a sd i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sa r t i c l e w e i n t r o d u c e dt h ec l a s s i f i c a t i o no ff i b r eg r a t i n g 、t h em e t h o df o rc r e a t i n g f i b r eg r a t i n ga n di t sa p p l i c a t i o n w eu s e dt h em o d e l c o u p l e dt h e o r yt o a n a l y z et h es p e c t r u mc h a r a c t e ro ff bg ，b a s e d o nw h i c h ，w ea n a l y s e dt h e t e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns e n s i n gp r i n c i p l eo ff b g b yt e m p e r a t u r es e n s i n g e x p e r i m e n t ，w eg o taf b gt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t w h i c h i i i c o r r e s p o n d e dt ot h ep r i n c i p l ev a l u e i nt h i sa r t i c l e ，t h es t r u c t u r e d e s i g no faf i b r eb r a g gg r a t i n gs e n s o r b a s e do nt h ec - s h a p e de l a s t i ct u b e h a sb e e np u tf o r w a r d b a s e do nt h e f b gs t r a i n s e n s i n gc h a r a c t e ra n dt h ea n a l y s i so fs u r f a c es t r a i no f c - s h a p e de l a s t i ct u b e ，b yb e n d i n gt h ef b go na s p e c i a lp o s i t i o no f c - s h a p e de l a s t i ct u b e ，w ec o n v e r t e dt h ep r e s s u r et r a n s f e r e di n t o t h e c - s h a p e de l a s t i ct u b et ot h ec e n t r a lw a v e l e n g t hd r i f to ff b g b ys t r a i n s e n s i n ge x p e r i m e n t ，w og o tal i n e a rr e l a t i o n e x p r e s s i o nb e t w e e nt h e p r e s s u r ea n dt h ec e n t r a lw a v e l e n g t hd r i f to ff b g m e a n w h i l e ，b a s e do n t e m p e r a t u r es e n s i n ge x p e r i m e n ta n ds t r a i n s e n s i n ge x p e r i m e n t ，w e d e s i g n e daf b gt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n t ，b yw h i c h ，t h e m e t h o do fr e f e r e n c ef b g t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nh a db e e nc e r t i f i e d t h eo r i g i n a l i t yi n n o v a t i o no ft h i sa r t i c l ei st h a tw e d e s i g n e dan o v e l e x p e r i m e n ts y s t e mf o rf b gp r e s s u r es e n s i n go nc - s h a p e de l a s t i ct u b e ；a n o v e lb e n d i n gm e t h o do ff b g h a db e e np u tf o r w a r d b yd e d u c i n gt h e t h e o r e t i c a ld a t aa n dc o m p a r i n gw i t ht h eo t h e rb e n d i n gm e t h o d ，p r e s s u r e s e n s i n gs e n s i t i v i t yh a db e e ni m p r o v e dr e m a r k a b l e l y f b gt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n tc e a i f i dt h e f e a s i b i l i t y o ft h em e t h o do f r e f e r e n c ef b g t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：f i b r e b r a g g g r a t i n g ( f b g ) ，c - s h a p e d e l a s t i ct u b e t e m p e r a t u r es e n s i n g ，s t r a i n s e n s i n g ，b e n d i n gm e t h o d i v 目录 目录 第一章绪论l 1 1 光纤传感技术的特点和现状1 1 2 新型光无源器件一光纤光栅2 1 2 1 引言2 1 2 2 光纤光栅的分类4 1 2 3 光纤光栅的写入方法6 1 2 4 光纤光栅的应用9 1 3 论文主要工作一1 2 1 3 1 光纤光栅和光纤光栅发展现状的研究1 2 1 3 2 光纤光栅传感技术研究1 3 1 3 3 基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅压力传感原理1 3 1 3 4 光纤布拉格光栅温度传感实验研究1 3 1 3 5 基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅应变传感实验研究1 3 1 3 6 论文创新点1 4 第二章光纤布拉格光栅传感原理1 5 2 1 光纤光栅原理1 5 2 1 1 光纤光栅耦合模理论- 15 2 1 2 光纤布拉格光栅1 7 2 2 光纤布拉格光栅传感特性分析2 3 2 2 1 温度对光纤布拉格光栅中心波长的影响2 3 2 2 2 应变对光纤布拉格光栅中心波长的影响2 5 2 2 3 光纤光栅应变传感测量中的温度补偿问题2 9 2 3 小结。一3 2 第三章基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅压力传感原理3 3 3 1 引言。3 3 3 2c 型弹簧管的基本知识3 4 3 3c 型弹簧管应变分析3 5 3 4 基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅压力传感原理3 8 3 5 小结：4 0 第四章光纤布拉格光栅温度传感实验。4 l 4 1 引言4 1 v 北京化工大学硕士学位论文 4 2 光学器件的选取。4 l 4 2 1 光纤布拉格光栅的选用4 1 4 2 2 宽带光源的选用4 2 4 2 3 光功率计4 3 4 2 4 耦合器的选用4 3 4 2 5 光谱分析仪4 3 4 3 中心波长在15 5 0 h m 附近的光纤布拉格光栅温度传感实验4 4 4 3 1 实验方案4 4 4 3 2 实验步骤及数据分析4 5 4 4 中心波长在1 3 1 0 n t o 附近的光纤布拉格光栅温度传感实验4 6 4 4 1 实验方案4 6 4 4 2 实验步骤及数据分析4 7 4 5 实验结论与应用实践4 8 4 6 ，j 、结一4 9 第五章基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅压力传感实验5 0 5 1 引言5 0 5 2 基于c 型弹簧管的光纤布拉格光栅压力传感实验5 0 5 2 1 实验设备5 0 5 2 2 实验方案与实验步骤5 l 5 2 3 实验结果与实验分析5 3 5 3 光纤布拉格光栅温度补偿实验。5 7 5 3 1 实验设备5 8 5 3 2 实验方案与实验步骤5 8 5 3 3 实验结果与实验分析5 9 5 4 小结6 0 结论与展望6 2 参考文献。6 5 致谢6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录7 0 作者和导师简介7 l v i 目录 c o n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n ：l 1 1c h a r a c t e r i s t i ca n dp r e s e n ts t a t eo ff i b r eo p t i cs e n s i n gt e c h n o l o g y 1 1 2n e w o p t i c a lf i b r ep a s s i v ed e v i c e - o p t i c a lf i b e rg r a t i n g 2 1 2 1i n t r o d u c t i o n 2 1 2 2c l a s s i f i c a t i o no f o p t i c a lf i b e rg r a t i n g 4 1 2 3w r i t i n gm e t h o do f o p t i c a lf i b e rg r a t i n g 6 1 2 4a p p l i c a t i o no f o p t i c a lf i b e rg r a t i n g ”9 1 3m a i nc o n t e n to f t h et h e s i s 1 2 1 3 1r e s e a r c ho f o p t i c a lf i b e rg r a t i n ga n di t ss t a t e o f - a r t 1 2 1 3 2r e s e a r c ho f s e n s i n gt e c h n o l o g yo f o p t i c a lf i b e rg r a t i n g ：1 3 1 3 3p r i n c i p l eo ff b gp r e s s u r es e n s i n gb a s e do fc s h a p e de l a s t i ct u b e 13 1 3 4e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft e m p e r a t u r es e n s i n go ff b g 13 1 3 5e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ff b gp r e s s u r es e n s i n gb a s e do nc - s h a p e de l a s t i ct u b e l3 1 3 6o r i g i n a l i t yo f t h et h e s i s 1 4 c h a p t e r 2s e n s i n gp r i n c i p l eo f f b g 1 5 2 1p r i n c i p l eo f o p t i c a lf i b e rg r a t i n g 1 5 2 1 1m o d e l c o u p l e dt h e o r yo f o p t i c a lf i b e rg r a t i n g 1 5 2 1 2f i b r eb r a g gg r a t i n g 1 7 2 2a n a l y s i so f f b gs e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c 2 3 2 2 1t h ee f f e c to f c e n t r a lw a v e l e n g t ho f f b gb yt e m p e r a t u r e 2 3 2 2 2t h ee f f e c to f c e n t r a lw a v e l e n g t ho f f b gb ys t r a i n 2 5 2 2 3t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no ff b gs t r a i ns e n s i n gm e a s u r e m e n t 2 9 2 3 s u m m a r y 3 2 c h a p t e r 3f b gp r e s s u r es e n s i n gp r i n c i p l eb a s e d o nc s h a p e de l a s t i ct u b e 3 3 3 1i n t r o d u c t i o n 3 3 3 2b a s i ck n o w l e d g eo f c - s h a p e de l a s t i ct u b e 3 4 3 3s t r a i na n a l y s i so f c s h a p e de l a s t i ct u b e 3 5 v i i 北京化工大学硕士学位论文 3 4f b g p r e s s u r es e n s i n gp r i n c i p l eb a s e do nc s h 印e de l a s t i ct u b e 3 8 3 5s u m m a r y 。1 ( ) c h a p t e r 4f b gt e m p e r a t u r es e n s i n ge x p e r i m e n t 4 1 4 1i n t r o d u c t i o n l l 4 2s e l e c t i o no f o p t i c a ld e v i c e 4 1 4 2 1s e l e c t i o no f f b g 4 1 4 2 2s e l e c t i o no f b r o a db a n ds o u r c e 4 2 4 2 3o p t i c a lp o w e rm e t e r 4 3 4 2 4s e l e c t i o no f c o u p l e r 4 3 4 2 5o p t i c a ls p e c t r u ma n m y z e r 一4 3 4 3t e m p e r a t u r es e n s i n ge x p e r i m e n to ff b gw i t hc e n t e rw a v e l e n g t hi n15 5 0 n m 4 4 4 3 1p r o g r a m m eo f e x p e r i m e n t 4 4 4 3 2p r o c e d u r eo f e x p e r i m e n ta n dd a t aa n a l y s i s 4 5 4 4t e m p e r a t u r es e n s i n ge x p e r i m e n to ff b gw i mc e n t e rw a v e l e n g t hi n1310 n m 4 6 4 4 1p r o g r a m m eo f e x p e r i m e n t 4 6 4 4 2p r o c e d u r eo f e x p e r i m e n ta n dd a t aa n a l y s i s 4 7 4 5c o n c l u s i o na n da p p l i c a t i o n 4 8 4 6s u m m a r y z 1 9 c h a p t e r 5e x p e r i m e n to ff b gp r e s s u r es e n s i n gb a s e d o nc s h a p e de l a s t i c t u b e 5 0 5 1i n t r o d u c t i o n 5 【) 5 2e x p e r i m e n to ff b gp r e s s u r es e n s i n gb a s e do nc s h a p e de l a s t i ct u b e 5 0 5 2 1e x p e r i m e n td e v i c e 5 ( ) 5 2 2p r o g r a m m ea n dp r o c e d u r eo f e x p e r i m e n t 5 1 5 2 3r e s u l ta n da n a l y s i so f e x p e r i m e n t 5 3 5 3f b gt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n t 5 7 5 3 1d e v i c eo f e x p e r i m e n t ! ；8 5 3 2p r o g r a m m ea n dp r o c e d u r eo f e x p e r i m e n t 5 8 5 3 3r e s u l ta n da n a l y s i so f e x p e r i m e n t 5 9 5 4s u m m a r y 6 ( ) c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 2 r e f e r e n c e 6 1 ； v i u 目录 t h a n k s 6 9 a c a d e m i cp a p e rc o n t e n t sd u r i n gg r a d u a t e 7 0 a b s t r a c to fa u t h o ra n dh i e r o p h a n t 7 1 符号说明 九b n 谚 人 以 万 s l 以万 ( ，l ) 节 锄o a 孝 口 k t 只 k e r 占 r 7 a b h 仃 p e 弘 七 符号说明 光纤布拉格光栅中心波长，n m 光纤布拉格光栅有效折射率 光纤布拉格光栅栅格周期，b n 光纤布拉格光栅中心波长漂移量，l 肌 自耦合系数 失谐量 与折射率调制有关的条纹可见度 光栅长度，c r f l 光栅周期的平均折射率变化 热膨胀引起的弹光效应 热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应 光纤布拉格光栅热光系数 热膨胀系数 温度灵敏度系数，册。c 有效弹光系数 应变灵敏度系数，p m l a e 光纤布拉格光栅感受的温度，。c 光纤布拉格光栅感受的应变 弹簧管截面中心线的曲率半径，l 眦 弹簧管工作部分的圆心角 弹簧管横截面的长半轴，t o n i 弹簧管横截面的短半轴，m i l l 弹簧管弹簧管壁厚，n k l t l 弹簧管表面应力 通入c 型弹簧管内腔的压力，m p a c 型弹簧管的杨氏模量 c 型弹簧管的泊松比 弹簧管的主参数 x 1 1 光纤传感技术的特点和现状1 1 1 1 2 l 近2 0 年来，世界范围内面向基于光纤通讯和光纤传感器的应用正在大幅度增长。 与传统传感器相比，光纤传感器有一系列独特的优点。它可以在强电磁干扰、高温高 压，原子辐射，易爆，化学腐蚀等恶劣条件下使用，高灵敏度及低损耗的优点使其用 途广泛，例如能够组成空间分布列阵及网络，应用于人体医学，城建监控，环境监测 等方面。科学家已提出了四十多种测量对象的几百种光纤传感器。 近1 0 年来，已有一百多万只光纤传感器用于人体血液及血压的测量。其他如胆 红素，p h 值，尿素，辐射等医学测量光纤传感器，正在临床试验阶段，部分已经商 品化。光纤传感器可应用于小型侵入诊断，如光纤内诊镜和小型外科手术。 除了强度调制型的位移光纤传感器，工业自动化近程传感器，干涉陀螺仪也是目 前光纤传感器市场中重要的一类，它应用于航天航海，机器人工业、自控汽车、深钻 ，发动机及军事方面。 另一个例子就是光纤测温技术。在晶体材料中，不同的温度会引起荧光延迟时间 的不同。基于这一原理制作的分点探测传感器广泛应用于工业与医药。把蓝宝石传感 器作为黑体，它能探测到飞机引擎、气体涡轮机中2 0 0 0 摄氏度的高温，同时具有高 精度、动态范围宽的优点。基于拉曼散射、光学背向散射技术的光纤传感器系统，解 决了在一根光纤中从1 m 到1 0 k m 范围内温度分布测量的问题。这种分布式传感器正 应用于输油管、隧道，油箱、钻孔、地下气体储藏等大型结构的温度监测。 由于一些被测对象往往不是一个点，而是呈一定空间分布的场，如温度场，应力 场等，为了获得这一类被测对象比较完整的信息，需要采用分布调制的光纤传感系统。 所谓分布调制，就是指外界信号场( 被测场) 以一定的空间分布方式对光纤中的光波 进行调制，在一定的测量域中形成调制信号谱带，通过检测( 解调) 信号谱带即可测 量出外界信号场的大小及空间分布。分布调制分为本征型和非本征型两类，非本征型 分布又称准分布式。 准分布式光纤传感器是一种非本征型光纤传感系统，是将呈一定空间分布的相同 调制类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过询址，解调，检测出被测 量目标的大小及空间分布。准分布式光纤传感系统实质上是多个分立式光纤传感器的 复用系统。根据询址方式的不同，可以分为时分复用、波分复用、频分复用，偏分复 北京化工大学硕士学位论文 用，空分复用等几类。 分布式光纤传感系统是一种本征型的光纤传感系统，所有敏感点均分布在一根传 感光纤上。目前发展比较快的分布方式有两类：一类是以光纤的后向散射光或前向散 射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一类是以光波长检测为基础的波域 分布式。 2 0 世纪9 0 年代，更多的光纤传感器( o f s ) 在不断地商业化，比如压力应力传感 器，液体流量传感器、电流电压传感器、化学传感器、湿度传感器等。目前，世界上 已有五百多家企业生产各类光纤传感器。 据第1 5 届国际光纤传感器会议统计，在o f s 市场份额中，“应力”占2 3 ，“温度” 占1 7 2 ，“气压声学”占1 5 2 ，“电流电压”占1 2 2 ，“化学气体”占1 1 3 。就传 感器类型来说，“光纤光栅”占4 4 2 ，“分光计”占1 1 1 ，“散射反射”占1 0 ，“f r a d a y 旋光效应”占6 9 ，“荧光黑体”占6 6 ，“f o g ，占4 4 。 1 2 新型光无源器件一光纤光栅 随着低损耗光波导在2 0 世纪6 0 年代的实现，光纤已经发展成为现代通信和光传 感网络的代名词。对当时基于光纤的网络而言，其中的一个主要缺陷就是必须依靠体 积光学来调整和控制导波光束【3 ，4 】。 早在1 9 6 6 年，英国标准电信研究所的华裔科学家高馄博士发表了一篇重要论文， 提出了利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信的传输媒质。他指出：光导纤维 的高损耗不是其本身固有的，而是由材料中所含的杂质引起的。如果降低材料中的杂 质含量，便可以极大的降低光纤损耗。他还预言，通过降低材料的杂质含量和改进制 造工艺，可以使光纤的衰减下降到2 0 d b k m ，甚至更小。这一推断引发了世界上几个 主要实验室在这一领域的研究工作。1 9 7 0 年，美国康宁玻璃有限公司制成了衰减为 2 0 d b k m 的低损耗石英光纤。这是光通信发展史上的一个划时代事件【5 1 。它使人们确 认了光导纤维完全能胜任作为光通信的传输媒质，从而确立了光通信向光纤通信发展 的明确目标，同时也为光纤光栅的研制提供了必要的条件。 1 9 7 8 年，k o h i l l 等人1 6 j 发现了光纤的光敏性，他们把4 8 8 n m 氩离子激光入射到 掺锗光纤中，入射光与从光纤另一端面反射回来的反射光在光纤中发生干涉，并形成 一定周期的驻波干涉条纹，激光强度的周期性分布造成光纤纤芯沿轴向的周期性折射 第一章绪论 率调制，并对入射光产生反射，导致透射光强减小，反射光强增大。这种后来被称为 “h i l l 光栅”的器件具有极好的波长选择性，长时间写入后可对极窄带宽( 2 0 0 m h z ) p 勺 的光波( 光纤光栅的中心波长与写入光相同) 形成很强的反射( 反射率可达9 0 ) ，而其 它波长的光则可以全部透过。从而导致了一种所谓光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g , f b g ) 的新型光纤内纤型无源器件的出现，其中，在光纤b r a g g 光栅中衍射的光满足 b r a g g 衍射条件。并且，随着光纤光栅写入技术的不断完善，应用成果的日益增多， 光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一【7 8 9 1 。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起 折射率的永久性交化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一 个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜f 1 0 , l l l 。光纤光栅是波长编码传感器，与传统 “光强型”和“干涉型”相比，具有自己独特优点 1 2 , i s 】。光纤光栅传感器测量的是f b g 反 射波长的漂移量，与光源强度，光源起伏、光纤弯曲损耗，光纤连接损耗、光波偏振 态无关，所以它具有很强的抗干扰能力，并且易于采用波分复用，时分复用和空间复 用技术构成光纤光栅智能传感网络，实现分布式多点实时在线传感，广泛应用于温度 ，应变、应力等物理量的测量【1 4 1 。 光纤光栅具有以下显著的优点【1 5 】： ( 1 ) 抗干扰能力强。一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性；另一方 面光纤光栅传感系统从本质上就排除了各种光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的 起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特 性，因而光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。 ( 2 ) 传感探头结构简单、尺寸小( 其外径和光纤本身等同) ，适合于各种应用场合。 ( 3 ) 测量结果具有良好的重复性。 ( 4 ) 便于构成各种形式的光纤传感网络。 ( 5 ) 可用于对外界参量的绝对测量( 在对光纤光栅进行标定后) 。 ( 6 ) 光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产。 因此，光纤光栅具有良好的实用性，它的优越性是其它许多器件无法替代的。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。 在现有技术条件下，将光纤光栅应用于传感领域，一般需要考虑以下八个主要问 题【1 6 1 7 l ： ( 1 ) 光纤光栅的可靠性：机械( 或力学) 可靠性、光学可靠性； ( 2 ) 光纤光栅的封装：( 衬底材料：有机物、金属等；粘贴材料：特种胶、环氧树 脂等) 。机械与光学性能的保持与稳定； ( 3 ) 光纤光栅的寿命：成栅质量、封装老化、退火稳定性技术等； ( 4 ) 交叉敏感的消除：温度效应的消除( 主动补偿与被动补偿方案的设计) ； 3 北京化工大学硕士学位论文 ( 5 ) 增敏与去敏：特种材料的研制，提高期望参数的传感灵敏度，弱化无关参数的 传感灵敏度。无关参数的剥离与平滑； ( 6 ) 光源：高功率、高平坦度、宽带谱光源的获得； ( 7 ) 检测仪器：光谱仪( 光检测器) 波长分辨率的提高； ( 8 ) 微弱信号的探测：微位移、微