（检测技术与自动化装置专业论文）光纤bragg光栅的制作及其在电流检测上的应用.pdf

沈阳 业大学硕士学位论文 摘要 现代电力工业中，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测 量手段将面临严峻的考验。光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力，较 高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，而受到人们的广泛 重视。而以光纤光栅为核心的传感系统更是其中的代表。 光纤光栅具有许多非常优异的独特性能，作为基础性的光纤器件被广泛地应用于光 纤通讯和光纤传感等领域，随着光纤光栅技术的发展，人们更趋向于认为：未来的光纤 系统中没有光纤光栅，就像传统的玻璃光学中没有全反射镜一样是难以想象的。作为光 纤光栅的一种，光纤b r a g g ( 布拉格) 光栅是近年来发展最为迅速的光纤器件之一。布拉 格光栅直接制作在光纤纤芯上，体积小且具有确定的中心波长，广泛用于光纤传感领 域。 本文在光纤布拉格光栅制作和电流传感方面进行了探索和研究，主要内容如下： 1 、介绍光纤光栅的机理，主要特性，深入研究了各种光纤布拉格光栅写入技术、 电流传感方面的应用。 2 、对比各种典型写入方法，结合实际确定了全息相干写入方法，并建立了刻制光 栅的实验系统。 3 、刻制光纤光栅，对实验结果进行分析。 4 、以光纤光栅为传感器件，提出了一种基于电磁铁的电流传感方案。完成了方案 中相关机械、电路方面的制作，并对传感范围进行了优化设计和数据测量。 关键词：光纤布拉格光栅电流传感，全息相干法，电磁铁 鲨堕三：些奎堂堡主堂焦堡茎 r e s e a r c ho i lf i b e r b r a g gg r a t i n g f a b r i c a t i o na n di t s a p p l i c a t i o n f o rc u r r e n t d e t e c t i n g a b s t r a c t i nm o d e me l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y ，h i g h e rd e m a n d sf o rw a n s p o r t a t i o na n dd e t e c t i o no f e l e c t r i cn e t w o r ka r ep u tf o r w a r d t r a d i t i o n a lm e t h o du s i n gc u r r e n ts e n s o r sc a i l tm e e tt h e d e m a n df o rh j g h v o l t a g ea n db i g c u n - e n td e t e c t i n g n l i st e c h n i q u ef i e l dc o n f r o n t sw i t hs e r i o u s c h a l l e n g e f i b e rc u r r e n ts e n s o r i sg i v e ne x t e n s i v er e c o g n i t i o nd u et oi t ss e r i o u s o f a d v a n t a g e sa s g o o de l e c t r i ci n s u l a t i o n , a n t i - j a m m i n g ，h i g hp r e c i s i o n ，t i g h u ys t r u c t u r ea n ds a f e ms e n s o r s b a s e d o n t h e f i b e r g r a t i n gr e p r e s e n t t h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n o f t h e s e s o r t o f f i b e rs e n s o r s a sab a s i cf i b e ro p t i c a ld e v i c e ，f i b e rg r a t i n gh a sm a n ye x c e l l e n ta n ds p e c i a lc a p a b i l i t i e s ， a n di th a sb e e nw i d e l yu s e di nf i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n df i b e ro p t i c a ls e n s i n g s y s t e m s w i t hi t sd e v e l o p m e n t , n l a a n d m o r ee x p e r t st e n dt oc o n s i d e rt h a ti tc a i l ti m a g i n ei f t h e r eh a s n tt h ee x i s t e n c eo f f i b e rg r a t i n gi nt h ef u t u r ef i b e ro p t i c a ls y s t e m s a so n ek i n do f t h e f i b e rg r a t i n g s ，f i b e rb r a g g g r a t i n g ( f b g ) i s o n eo f t h em o s t r a p i d l yd e v e l o p e dp a s s i v ed e v i c e s i n r e s e n ty e a r s f b gi sf a b r i c a t e dd i r e c t l yi nt h ec o i - eo ft h ef i b e r 司bg r a t i n gi ss m a l li nl e n g t h a n di th a sad e t e r m i n e dc e n t e rw a v e l e n g t h y b gi sw i d e l yu s e di nf i b e ro p f i c a ls e n s i n gs y s t e m s f a b r i c a t i o no ff i b e rb m g gg r a t i n ga n dc u r r e n ts e n s i n gi se x p l o r e da n ds t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 1 n 虹o d u c e dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ff b ga n di t sf u n d a m e n t a lp r o p e r t i e s f b g f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya sh o wt ov a - i t e - i na n di t sa p p l i c a t i o nf o rc u r r e n ts e n s i n ga r er e s e a r c h e d d e e p l y 2 c o m p a r e d f i b e r g r a t i n g f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e ss c h e m e ，h o l o g r a p h i ct e c h n i q u e t o f a b r i c a t e g r a t i n gi n t of i b e ri sc h o o s e e x p e r i m e n ts y s t e mu s e dt of a b r i c a t ef i b e rg r a t i n gi s e s t a b l i s h e d 3 b yu s i n gt h ee x p e r i m e n ts y s t e m , f a b r i c a t e df i b e rb r a g gg r a t i n g ，a n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t sh a v eb e e n a n a l y z e d 4 p r o p o s eac u r r e n ts e n s i n gm e t h o db a s e do nf b g a n de l e c t r o m a g n e ta n dd e s i g n e d r e l e v a n tm e c h a n i s ma n dc k c u i t s m e a s u r e d r a n g e h a sb e e n o p t i m i z e d a n dt h em e a s u r ed a t ah a v e b e e n g i v e n k e yw o r d s ：f i b e r b r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，c u r r e n ts e n s o r , h o l o g r a p h i ct e c h n i q u e ， e l e c t r o m a g n e t 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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的地方 外，论文中不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。 签名：盘盔蹩日期：丝：i ! 堡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 超导师签名：堡i 塑曰期：丝：2 笪 沈阳_ ：= 业大学硕士学位论文 1 1 本课题的意义 现代工业的高速发展，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的 测量手段将面临严峻的考验。在电力工业中，从发电站发出的电能要经过高压输电线向 外输送出去，目前输电线路的电压由几十万伏发展到上百万伏，输电线路和输电设备的 可靠安全运行，是电力工业头等重要的事情。在电噩，电流，功率等参数的测试过程 中，时常伴随着高压大电流及强电磁场的干扰。此外，还可能由于高压情况下绝缘不良 而存在危险。由于这些因素造成了用电学敏感元件来钡0 量高电压、大电流的困难，使其 测试系统结构复杂，造价昂贵。 对高压电流的测量和监测，传统上使用的充油式磁感应电流互感器，由于设备充 油，并用铜导线作传输介质，潜在着灾难性的爆炸危险，其体积笨重，功耗大，绝缘性 能和电磁干扰的影响十分突出，在目前电力系统的大容量高电压传输中，己不能很好地 满足工业技术的要求。为此，国内外都致力于开发价格低，结构简单，安全可靠的新型 高压电流测试系统。 随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝 缘性和抗干扰能力，较高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越 性，而受到人们的广泛重视。目前除了采用光纤传感器测量外，还没有其他的更好的方 法。因为光导纤维的电绝缘性很好，所以光导纤维传感器用于高电压下的测量比光导纤 维在其它测量上的应用，发展尤为迅速这种传感器已经开始在电力工业等部门得到实 际应用，例如用光纤做成的电流传感器可以监视输电铁塔等的雷击，检测高电压设备的 事故，测量输电线的电流，控制高频感应炉的电流等。 光纤传感器技术是二十世纪七十年代末发展起来的一门崭新的传感器技术，是随着 光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的。光纤传感技术是利用光纤作为载光的媒 介和调制光的调制器，对光的某一性质根据被测物理量的变化而被调制，并被检测出来 的技术。1 9 7 0 年，美国康宁公司研制成功世界上第一根实用化的传输损耗为2 0 d b k m 的 石英光纤。在随后短短的十几年里，以光纤作为传输介质的光纤通讯，就从实验室研制 沈日j 工业大学硕士学位论文 阶段，迅猛地发展成为通讯领域的一大产业。在光纤通讯系统中，光纤易受到诸如温 度、压力等环境因素的影响，从而导致光强、相位、频率等光波参量发生变化，这对通 信应用是有害的，而它却构成了一种全新的直接交换信息的基础，从而演绎出了光纤传 感器这一新技术。 光纤传感器除了在大多数场合下可替代传统的电传感器外，还可为许多传统电传感 器难以涉足的极端恶劣场合提供多种参量的新颖而可靠的检测手段。比如本课题所研究 的光纤电流传感器就将逐步成为传统电流传感器的最具优势的替代品。 光纤电流传感器以光作传输媒体，具有如下的优点： ( 1 ) 电气绝缘性能好，表面耐压高，且不受周围磁场干扰； ( 2 ) 几何形状适应性强。由于光纤有柔性，使用及放置均很方便； ( 3 ) 传输频带宽； ( 4 ) 无可动部分，无电源，可视为无源系统，因此使用安全，特别在易燃、易爆 场合更为适用： 所以目前光纤电流传感器在发电、输电、变电等电力系统中，特别是在超高压系统 中的测量和监控中，光纤电流传感器有明显的优越性，是传统充油式磁感应电流互感器 最好的替代产品，有着广泛的发展和应用前景。 1 2 光纤光栅及电流传感研究现状 1 2 1 光纤光栅的应用 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性；即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折 射率的永久性变化，用紫外激光真接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅， 其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。这种现象是1 9 7 8 年加拿大通信研 究中心的k o h i l l 及其同事首次从锗掺杂光纤中观察到的【l 】。 光纤光栅的主要特征是，它的性能与波长有关，沿其长度方向感生周期性折射率变 化，即在光纤中建立一个布拉格光栅。光栅周期和长度以及折射率调制深度决定着光栅 在宽或窄波长范围内的反射率高低，亦即它能否作为通信波分复用器、激光或传感器应 用中窄带高反射率反射镜或除去光纤放大器中有害激光频率的波长选择滤光器使用【2 】。 沈刚工业大学硕士学位论文 随着光纤光栅制作技术的日趋成熟，从民用工程结构f w 】、航空航天业 州”、船舶航 运业【、电力i , j k l l 3 - 1 4 、石油化学工业【1 5 、医学1 7 q g 、核工业 1 9 1 、光纤通信 2 0 - 2 1 、 光纤传感2 2 埘瞎领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，其中最重要的两 个方向是在光纤通信中的应用和作为传感元件的应用。 由于光纤光栅特殊的频谱特性，它的应用已经渗透到光纤通信的每个环节，可用于 光纤激光器的频率选择，传输光纤的色散补偿，e d f a ( 掺铒光纤放大器) 的增益均衡 以及构成o a d m 、波长变换器等，光纤光栅在传感器方面的应用也越来越受重视。 ( 1 ) 光纤通信领域的应用用于光纤激光器、偏振模色散( p m d ) 补偿、用于e d f a 放大器。 1 ) 光纤激光器一般采用光纤光栅进行光反馈和波长选择，基本上有三种：分布反 馈( d f b ) 光纤光栅激光器、分布布拉格反射器r ) 光纤光栅激光器和光纤光栅外腔激光 器。激光器的研究重点在于输出频率的稳定，特别在d w d m 系统中这一点显得尤为重 要。光纤激光器输出稳定性问题的解决，关键在于光纤光栅选频的温度稳定性。 2 ) 用于偏振模色散( p m d ) h 偿随着光纤通信系统速率的提高和传输距离的增 加，特别当单路速率达4 0 g b s 以上时，p m d 对系统性能的影响越来越不容忽视。虽然用 保偏光纤的分布式补偿能达到理想的效果，但由于其设备复杂且价格昂贵，很难在实际 中应用。近几年来，采用在高双折射光纤中写入的非线性碉啾( c h i r p ) 光纤光栅进行 p m d 补偿得到了普遍的关注。 3 ) 用于e d f a 放大器e d f a 的增益曲线存在着增益不平坦性，在1 5 3 0 r i m 左右 存在着增益最高峰，这将引起各信道信号的严重失真。由于l p f g 的中心波长随温度漂 移。谐振幅度随弯曲度变化，所以可以通过温度和弯曲度来控制光栅的透剩谱，使其与 e d f a 的增益曲线相匹配，以达到动态增益均衡的效果。 ( 2 ) 用于光纤传感 光纤光栅传感器由于其传感信号直接调制光波波长的特点而优于普通的光纤传感 器，它避免了强度型传感器由于光源波动、连接损耗以及光纤弯曲损耗等因素造成的测 量精度f 降：避免了干涉型传感器中干涉条纹相位测量的不清晰和对固定参考点的选 沈川工业大学硕士学位论文 择；光纤光栅型传感器能方便地利用w d m 技术在一根光纤中串联多个光纤光栅进行分 布式测量，是其它传感器无可比拟的。 与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，波长调制型的光纤光栅传感器 具有许多独特的优点： 1 ) 抗干扰能力强。 2 ) 光纤光栅传感器是自参考的，可以绝对测量( 在对光纤光栅进行定标后) ，不 必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。 3 ) 传感探头结构简单、尺寸小，适于各种场合，尤其是智能材料和结构。便于埋 入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等 状态进行连续实时监测。 4 ) 便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用( w d m ) 技术构成分 布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的多点测量。 5 ) 测量结果具有良好的重复性 ( 3 ) 智能结构 除了在通信和传感方面的应用，光纤光栅传感器的独特的优点还适合智能结构的需 要，从而成为智能结构中最有前途的光纤传感器。已经有不少人在此方面进行了一些研 究，如复合材料的生产口6 1 ，复合材料的固化】，埋入复合材料悬梁瞰l ，埋入混凝土结构 口9 1 等。这些应用，无论是应用于军用项目还是民用项目都具有非常重要的意义。 1 2 2 光纤光栅分类 根据光纤光栅折射率分布的不同，分为均匀布拉格光栅、线性啁啾光搬、莫尔光 栅、t a p e r 型光栅、闪耀光栅、长周期光纤光栅等。 各种光纤光栅的折射率调制函数及反射光谱如图1 1 所示。 但就目前研究应用的最多以及从其应用特点来看，光纤光栅可分为两大类：一类是 光纤布拉格光栅，也称为反射光栅，属于短周期光栅，周期为几百纳米的数量级，对于 1 5 5 0 n m 的光通信窗口而言，约为5 5 0 r i m 。反射光栅的作用，相当于一种波长可以选择 ( 通过控制光栅折射率变化周期) 和带宽可以调节( 控制折射率变化周期及幅度) 窄带 反射元件。 沈阳工业大学硕士学位论文 栅雠“ 避，味 奠尔光栅 1 b p e r e dj 匕栅 n 妇) 一! 孑+ 兰 22 反射谱 反射谱 一善墨嚣墨+ ； 嗍姗逖落沮 蚴；+ 蛐+ c 。喏”晰剐 反射谱 i 、“ 图l i l 各剥嘲缯f 黼的新射率调制函数及反射光谱 沈阳工业大学硕士学位论文 另一类为光纤传输光栅，也称光纤长周期光栅。长周期光纤光栅的折射率调制方程 与布喇格光纡光栅相似，不同的是调制周期。长周期光纤光栅的周期约为几百微米口o j ， 它的工作原理不同于布拉格光纤光栅，是一种透射型光纤光栅，其作用是将导波中某波 段的光波耦合到包层中损耗掉，而不产生反射。相当于一个传输特性( 透射率、带宽、 形状) 可以调节的滤波元件，长周期光纤光栅是一种理想的e d f a 平坦元件【3 i j 。 光纤布拉格光栅和光纤传输( t r a n s m i s s i o n ) 光栅在光纤通信和光纤传感技术中有着 广泛的应用，布拉格光栅和传输光栅的周期相差几个数量级，它们相应的光学特性有着 不同的特点，通过选择合适的光栅参数和组合形式，可使它们在光纤技术中得到相应的 应用。 近几年国内对光纤光栅的研究也非常活跃，中科院半导体所、大连理工大学、北京 工业大学等多家单位均己成功地制作了光纤光栅。光纤光栅的应用研究也发展很快，但 大部分应用研究仍处于实验室阶段，距实际应用还有一定的差距。 在光纤光栅制作方面，加拿大、美国处于领先水平，各种光栅的制作技术已经比较 成熟。国内也有一些厂家和院校可以制作出质量较高的光纤光栅。 1 2 3 光纤电流传感器结构类型 目前，在高电压、大电流、强功率的电力系统中，测量电流的常规技术是采用以电 磁感应原理作为基础的电流互感器( 简称为c t ) 。由于电力系统电压水平的目益提 高，电磁式的缺点显得越来越突出：绝缘困难；制造成本高；体积大；重量重；潜在着 突然失效的危险；输出端不能开路：易受电磁干扰；存在测量误差等。由于光纤的诸多 优点：电绝缘性能，抗电磁干扰，化学性质稳定，柔软可弯曲等，因而基于法拉第 ( f a r a d a y ) 磁光效应的光学电流传感器( 简称o c t ) 于七十年代问世。随着现代电力 系统电压水平的不断提高，光纤电流传感器优良的电绝缘性己经引起了人们的重视。深 入研究还可以发现它的其他方面的优良性能：响应速度快，响应频域宽，探头形状可以 依据使用场合的要求而设计等。 光学电流传感器( o c t ) 分为两类，即电光一磁光型传感器( 亦称p a s s i v eo c t ， 简称p o c t ) ，辐射内调制型o c t ( 亦称a e f i v e o c t 简稼a o c t ) 。 ( 1 ) 辐射内调制型o c t ( a o c i ) 沈同j 工业大学硕士学位论文 a o c t 是将常规的电磁式互感器感应信号通过光电转换方式传输感应信号至测量和 控制端进行二次信号处理，它因采用发光二极管而获得的长期稳定性和低成本等优点受 到了人们的重视，但因其未从根本上克服传统电磁式电流互感器( c t ) 的缺点，而只是 在高压绝缘性能方面有所改善，故总体上仍未能摆脱旧式c t 的束缚。 ( 2 ) 电光一磁光型o c t ( p o c t ) 1 ) 基于热度效应的温度型光纤电流传感器 这是一种利用马赫一曾德尔干涉仪测量的光纤电流传感器。结构如图1 2 所示：一+ 根被覆铝金属的单模光纤：待测电流互直接通过铝被覆层，产生热量为l j ，r 为铝层电 阻，测量臂的光纤在电流的热效应作用下，温度升高，长度发生变化，从而使干涉仪的 两臂内两束光的相位不等，用这种相移即可测电流。该方法受光纤本身长期性能稳定可 靠性及外界干扰等因素的制约比较严重，这使研究应用未能得以深入，近年来已难以见 到有关这方面的报道【3 2 】。 觚织爨 2 ) 利用法拉第磁光效应的电流传感器 法拉第磁光效应即磁场与光相互作用所产生的一种效应：当线偏振光通过处于外磁 场中的透明媒质，且光的传播方向与外磁场方向一致时，线偏振光的偏振面将会发生旋 转，其物理推导结论是，线偏振光的旋转角正比于外磁场沿传播路径的线积分：即 ? 一 一 口= v oi b d ， ( 1 1 ) 式中：v 。为透明介质的磁光旋转率，即费尔德( v e r d e t ) 偏振面旋转的角度；1 为通 过的路径；b 为被测电流在d l 处产生的磁场。 沈阳工业大学硕士学位论文 如果将介质置于长直螺线内；则上式变为 口= v o n f n 。1 ( 1 2 ) j v 和，分别是光纤通过螺线管的次数和螺线管线圈的匝数；i 是待测的电流强 度。当介质中的光路形成绕载流导线的闭合或近似闭合的环路时，方程变为闭合环路积 分 口= d v o b 讲 ( 1 _ 3 ) 可知在闭合光路的条件下，通过介质并环绕载流导线的线偏振光的偏振角的变化， 与光束所围电流成正比。这就是法拉第磁光效应的电流传感器的理论基础【3 3 1 。但只有当 电流穿过传感元件内部的光学环路，在传感元件中传播的线偏振光的偏振方向保持不变 时上式才能成立。如果这一条件不被满足，则传感元件内光学环路的不同部分就会具有 不同的测量灵敏度，致使传感器总的结果受导线在传感元件内部的位置以及由其它电流 产生的杂散场的影响，上式不再严格成立。而由于存在光纤内在的以及弯曲所致的线形 双折射；使上式1 3 所要的条件不能满足。所以对该类型的电流传感器而言：其最重要 的问题是如何消除线形双折射及其影响。 3 ) 利用磁致伸缩效应的光纤电流传感器 当将一块具有磁致伸缩特性的材料置于磁场中，该材料的形状及尺寸将随磁场的变 化而变化。磁致伸缩效应光纤电流传感器一般把光纤固定在磁致伸缩材料上，磁致伸缩 材料伸缩将引起光纤内的应变，利用光纤干涉仪即可检测出光纤内应变的变化，从而间 接地测出被铡的电流值。 通常它有下列3 种结构形式：( 1 ) 磁致材料圆柱体的圆周上绕以光纤。( 2 ) 在磁致 材料带或管上粘贴光纤。( 3 ) 在光纤表面上涂或镀一层均匀的磁致伸缩材料金属膜。 第1 种情况缠绕的光纤要比后两种长，所以它的灵敏度较高，但体积偏大。后两种情况 由于光纤与磁致材料的粘合处存在“负载效应”，它降低了传感材料的磁致伸缩效应 3 4 。 4 ) 光纤光栅电流传感器 沈阳工业大学硕士学位论文 光纤布拉格光栅的布拉格波长 。由下式给出 凡b - - 2 ”“a ( 1 4 ) 其中a 为光纤布拉格栅格周期，胛。为光栅区的纤芯有效折射率。有效折射率和栅 格周期均与温度和应变有关，所以布拉格波长也与温度和应变有关。当温度不变时，沿 轴向的应变s 。和波长的关系由下式给出口5 】： 孥：( 1 一p 。) ( 1 5 ) 日 其中儿：! 兰 n ：一v ( a ，+ p ，：) 为光纤的有效弹光系数，p u 和仍，为弹光系数，v 为纤芯材料的泊松比。对s i o z 光纤，h 。= 1 4 6 ，p ，= 0 1 2 ，p 1 2 = 0 2 7 ，v 2 0 1 6 ，所以 p 。o 2 2 。根据( 2 ) 式，光栅在轴向应变作用下，将引起布拉格波长漂移。若漂移量与引 起漂移的被测物理量间存在某种联系，利用光谱仪观测波长漂移值丑。后就可以判断光 栅部位该物理量的变化程度了。 有人尝试用光纤光栅调制技术制作光纤电流传感器、州，取得了一定的成果，但也 存在一些问题。例如，利用磁场通过磁致伸缩材料调制光纤光栅，存在两方面的问题， 第一：输出响应是非线性的；第二：材料的磁滞特性对调制特性的影响。已有人采用了 如图1 3 所示的传感头结构啪1 ，光纤光栅的伸张长度f 和磁致伸缩棒在磁场作用下的 伸张长度l 是一样的，因此有 s 。= ；s 。 ( 1 6 ) 式中：l 是磁致伸缩棒的长度，是光纤光栅的长度，s 。和f 。分别是光纤光栅和磁 致伸缩材料的应变。如果磁致伸缩棒比光纤光栅长；则检测灵敏度可提高三z 倍。 他们的研究证明了在一定的测量范围内，由磁致伸缩材料和光纤光栅的合理结合可 测量的线电流达到2 0 0 0 a 。磁滞效应的影响可以忽略。由于光纤光栅的温度特性，该种 光纤电流传感器的结构还要进一步改善，以便克服温度的影响，研究还在进行中。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 磁数绅雅材料掺 图1 3 横骂 伸缩光纤光棚传癌 头 余有龙等借助三角形悬臂粱，用光纤光栅对电流进行了传感探测1 。如图l - 4 b 所 示，将光栅沿轴向刚性粘附于一悬臂梁上表面，则粘贴层将所在部位梁的应变无保留地 传递给光纤光栅。当图1 4 a 所示的带铁芯螺线圈通电时，磁极间产生的磁场基本上为 匀强磁场。长度为z 的刚性细导线，沿梁的轴向被刚性地粘贴于梁的下表面，通电后导 线在稳恒磁场中受安培力f 作用。利用相关公式，推导出 “：k ( 1 7 ) 飞 对于确定的装置，k 为常数，可见波长漂移量与待测电流成线性关系。当i 0 时，f 使得光栅受拉应力作用入射波长向长波长方向漂移；反之，光纤光栅受压应力作 用入射波长向短波长方向漂移：电流强度越大，漂移量越多，因此该装置可用来感知电 流的大小，上式还反映了该装置布拉格波长的漂移量与光纤光栅在梁轴向的位置以及考 察点在光纤光栅上的位置无关，既无论电流的强弱，光栅均被均匀展宽，不会出现啁啾 ( c l i l p ) 现象。测得传感灵敏度为4 0 0 1 0 _ 2 n m a d 锱黟警睁 沈目j 工业大学硕扣学位论文 1 2 4 光纤电流传感器国内国外发展现状 由于工业发展的需要，随着光纤与光通讯技术的发展，国外在6 0 年代就己开始对 光纤电流传感器进行研究。有美国国家标准与技术研究所，a t t 公司的贝尔实验室， 日本的中央研究所，n e c 公司及东芝，松下等公司，瑞典皇家技术学院等等。到8 0 年 代初期，光纤电流传感器开始进入工业实用阶段。 最初所用法拉第元件的材料为火石玻璃。在一2 5 8 0 的温度范围内，其测量精 度可以达到o 5 。此后研究人员又进一步对法拉第磁光材料，传感器结构，信号传输 和检测电路作了大量的研究，以提高传感系统的测量精度和稳定性。找到了一些可用子 法拉第元件的晶体、非晶体材料，并相继出现了几种不同的传感器系统。目前比较常用 的材料有铅玻璃，f r - 5 玻璃，以及稀土掺杂y 3 f e 5 0 1 2 ( g ) 。主要的传感器结构有块 状晶体光纤电流传感器，波导型光纤电流传感器，全光纤电流传感器，光纤电流互感器 等。 在8 0 年代，光纤电流传感器的研究与应用主要集中于高压大电流的测量与监控等 领域。1 9 8 3 年，日本中央研究所和松下产品机器研究所，推出了在工业中应用的光纤电 流传感器。 我们国内，从7 0 年代以来也曾有一些单位对光纤电流传感器作了研究。例如华中 理工大学，上海硅酸盐所，上海冶金所，华北电力局，北京化工学院等一些科研机构对 此进行了研究探索，并取得了一定的成果。 上海冶金所研究的电流传感器，其线形误差范围为h 1 0 0 0 m t ，线性度1 5 ，误差 1 5 。1 9 9 1 年，清华大学用g e 玻璃作为法拉第传感材料的光纤电流传感器的测量范 围为2 0 a 2 0 0 0 a ，测量精度0 3 ，灵敏度为1 a ，工作范围为- - 1 0 6 0 ，测量误差 o 3 。另外华中理工大学对全光纤型电流传感器进行了研究，提出了全光纤型电流 传感器的模型。 随着光纤电流传感器研究的进一步深入，以及晶体材料生长工艺的不断改进和磁光 材料的深入研究，使得光纤电流传感器的应用领域越来越广泛，从高压大电流的测量到 微弱电流( 磁场) 的测量，从低频电流到高频电流的测量都可以使用光纤电流传感器。 目前光纤电流传感器的研究趋势是在大电流的测量方面，进一步提高材料的饱和磁场， 沈阳工业大学硕士学位论文 线性范围，研究改进传感系统可靠性。而在微弱电流( 磁场) 的测量方面，则是努力提 高材料的法拉第旋转角和传感系统的灵敏度和频率响应，使之能够测量极小电流，并可 能成为磁场测量的一种新的标准。 l - 3 本i 髓的主要内容 ( 1 ) 了解光纤光栅写入原理、方法，根据现有实验条件确定可行的光纤光栅制作 方法。 ( 2 ) 完成光栅写入光路的设计、确定光路中各元件参数和基本机械装置，进行光 纤光栅刻制实验。 ( 3 ) 了解光纤电流传感器的基本原理、分类，设计用光纤光栅测量电流的方案。 ( 4 ) 设计传感系统，确定机械架构，设计前端电流变换电路。 ( 5 ) 设计和制作基于电磁铁的光栅电流传感结构相关电路，确定传感器测量范 围。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 9 7 8 年加拿大的奥它瓦通信中心的k e nh i l l 及其他科研人员首次发现掺锗石英光纤 紫外光敏特性光诱导产生布拉格光栅效益。十余年后，在1 9 8 9 年g e r ym e l t z 又发展 了紫外光侧面写入光敏光栅技术【柏 。近年来，对光纤光栅紫外光照射生长动力学、光学 特性和成栅技术的研究都取得了重大进展。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，专 家们预言，从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次 变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想，可以说光 纤光栅技术是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。光 纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全光信息 时代带来了无限生机和希望。 2 1 光纤光棚基本机理 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折 射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅， 其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其结构如图2 ，l 所示。 布拉格光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光( 上图中i i ) 通过 传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带 光( 上图中k ) ，并沿原传输光纤返回；其余宽带光( 上图中n ) 则直接透射过去。 沈阳工业大学硕士学位论文 赢嗣鬈 图2 2 布拉格光纤光栅纤芯折射率变纯示意图 光纤光栅主要特征是：它的性能与波长有关，沿其长度方向感生周期性折射率变 化，即在光纤中建立一个布拉格光栅，如图2 2 所示。光栅周期和长度以及折射率调制 深度决定着光栅在宽或窄波长范围内的反射率高低，亦即它能否作为通信波分复用器、 激光或传感器应用中窄带高反射率反射镜或除去光纤放大器中有害激光频率的波长选择 滤光器使用。 2 2 光纤光栅的基本光学特性 对于在传感和通信等方面的应用，光纤光栅的基本光学参数为反射率、透射率、光 栅方程、反射带宽等【4 1 t 4 2 1 。利用耦合模理论对周期性光栅进行分析，可推导光纤光栅 的反射率r 和透射率t 的表达式如下： 贮虿面可k 面2s i n 砑h ( 蕊s l ) 而 口：茎：! 坐! 丝! 筇2 一k 2 c o s2 ( ) t _ 可磊i 丽万s 再2 矿盂丽 当2 ) 够2( 2 1 ) 当必2 ( 够2( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中l 为光栅长度，k 为耦合系数，a 为光栅周期，够= 一p x 7 ，芦= 2 一；t 为模传输常数，”盯为纤芯等效折射率，五为自由空间工作波长，p 为一整数。 沈阳工业大学硕士学位论文 s 一( k 2 一彤2 ) 2 q 一( 筇2 一k 2 ) 2 当波长匹配时，即够= o 时，r 取最大值。对于一阶场，p = 1 ，则 r 。= t a n h 。( 础) 对于单模光纤为 k = 锄2 张，一2e 等， 由波长匹配彩= o 条件可推出布拉格光栅方程： a b = 2 n 蜉凡 再由反射带宽的定义： r ( a ，上) = 三月( 五，上) 可求出两个九值，近一步给出布拉格反射半值全宽口w 玎： f 2 4 ) ( 25 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 如= j 乞( 册盯三) j- 2 + ( 融”够工) 砖i ( 2 1 0 ) 至此，给出了布拉格光纤光栅反射率r ，布拉格波长九和线宽a 如等几个重要的 参数，它们对光栅的制作及应用均有重要意义。显而易见，光栅长度l 、折射率起伏 n 。，以及布拉格波长如都对反射率和线宽有影响，这就为光纤光栅的调制提供了线索。 当外界参量( 应变温度) 发生变化时，将对光纤光栅的折射率n 。和光栅常数a 产生影响。这时光栅布拉格方程九= 2 盯a 的微分形式为 a a b = 2 a n 人+ 2 聆盯a ( 2 1 1 ) 由此式可推导出布拉格光纤光栅作为传感器时的灵敏系数。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 光纤光栅的传感特性 光纤光栅传感器的基本工作原理：光纤光栅的反射或透射峰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峰波长的变化，因此，温度和应 变是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，它们构成了其它各种物理量传 感的基础，其它各种物理量的传感都是以光纤光栅的应变温度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，结合弹性膜片等辅助敏感元件，光纤光栅即 可用来传感压强、流量、位移等；若将光纤光栅紧密粘贴在磁致伸缩材料或反压电材料 上，则可用于测量磁场、电场等电学量。 我们主要利用光栅应力变化来进行电流传感，所以以下主要讨论应力传感特性。 应力影响布拉格波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。为了简化推导，设 光纤仅受轴向应力作用( 即横向拉伸光纤光栅) ，忽略温度和其它均匀压力场的影响， 则轴向应变引起的栅距改变量为1 4 3 】： a = a z( 2 1 2 ) 有效折射率的变化可以由弹光系数矩阵和应变张量矩阵8 0 表示为m 1 ： 6 ( 17 ) 2 = 弓( f _ 1 ，2 ，3 )( 2 1 3 ) j t l 其中i = 1 ，2 ，3 分别代表x ，y ，z 轴方向。 由于剪切力为零，所以s 。= 毛= s 。= o ，应变张量矩阵可用轴向应变表示为： f ，= - - y 6 ：一v s ：一v g ：0 0 o r( 2 1 4 ) 弹光矩阵为 1 6 婆婴三些查堂堡主塑墼 匕5佗1 5 ) 其中只，p 2 ：，p 4 。为弹光系数；v 是纤芯材料的泊松比，对于各向同性材料有 只t = ( 暑。一只：) 2 。所以只需考n 弹光张n i ，j = 1 ，2 ，3 的矩阵元，此时弹光张量简 lp i lp i2p t 2i p i2 fp 1 2 p 【ip i j j ( 2 。1 6 ) lp 1 2p 1 2p 1 ll 将式( 2 1 4 ) ，式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 3 ) 得到： 沿z 方向传播的光波所感受到的折射率变化为 x 方向 y 3 j 向 ( 2 1 7 ) z 方向 2 一吉咖哧k ，2 一知阮- v ( 蚴k 定义有效弹光系数p 。为： 只：掣 # ：一v ( 鼻。+ 只：) 只= 詈 # ：一v ( 鼻。+ 只：) 将式( 2 1 2 ) ，( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 1 ) 得到应变灵敏度k 为： 弘等厶小只 布拉格光纤光栅的二阶应变灵敏度比为： 弘等么_ ( 1 _ p ) 2 + 2 p ： b 。 8 1 7 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) r 2 ，2 1 ) o o 0 o o 0 o 0 o o o o 0 o o 吃巳o o o 矗0 0 0 乇o 0 0 z z 0 占 11j 、，、， 兜吃 + + 门仃假伫 v v 2 一 一 一 2 2 2啤旧陋 ，icl = 一 行 1 一 e n ，l 沈阳工业大学硕士学位论文 耻譬一么；= ( 1 - 蹦埘。2 ( 2 2 1 ) 因此，由应力引起的布拉格中心反射波长变化表示为： 厶2 ( k ，1 s z + 丘一。s ；) 五日 ( 22 2 ) 对于掺锗石英光纤，e 】= o t 2 1 ，置2 = 0 2 7 ，v = o1 7 ，n = 1 4 6 ，所以p 。z 0 2 2 ， 估算出k 。= o 7 8 。当光纤光栅受到允许张力的1 时，二阶灵敏度略去引起的误差不超 过o5 ，因此实际应用中省略二阶灵敏度，应变量与布拉格波长呈线性关系。 若沿光纤轴向施加拉力f ，则产生的轴向应变为： s ：= 吉百f ( 2 2 3 ) 其中e 为光纤的杨氏模量，s n 光纤的横截面积。 由上式可知，光纤轴向应变与轴向施加应力成正比，而轴向应变与光栅中心波长漂 移成正比。 由光纤光栅的布拉格方程可知，光纤光栅的布拉格反射波长( x = 2 胞以) 决定于 单模光纤的有效折射率r l c f f a n 光栅周期a ，当光纤光栅受到一个纵向( 沿光纤方向) 的 应变作用或周围的温度发生改变，从而引起n e r 芹ua 的变化，即引起光纤光栅的布拉格 波长发生位移，实现对光纤光栅的调谐。通过测定这种布拉格波长的位移，来确定外界 引起布拉格波长漂移的因素( 外部的温度变化或应变量) 的大小h ”。 2 4 光纤光摄制作方法及制作系统分析 光纤光栅作为传感元件具有其他传感器无可比拟的优点。自从1 9 7 8 年h i l l 等人利 用内写入法制造出世界上第一根光纤光栅以来，光纤光栅的的制作技术和方法也在不断 地发展，现在人们普遍采用的主要有：全息写入成栅技术、相位掩模法、在线成栅法、 逐点写入法、振幅掩模法。 2 4 1 光纤光栅写a ；b - 法t 原理 光纤光栅的紫外写入技术可以分为干涉法和非干涉法两大类。下面就影响较大也常 使用的制作方法介绍如下。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 干涉法：全息干涉法最早用于横向写入制作布拉格光纤光栅的一种方法，图 23 是i 亥法的原理示意图。 图2 3 全息相干法 这种方法是1 9 8 9 年美国东哈特福德联合技术研究中心g m e l t z 等人实现的。将- - d , 段掺锗光敏裸光纤在两束相干紫外光束交叠区域所形成韵干涉场中曝光，引起纤芯折射 率的周期性扰动，从而形成光栅。 由一束入射紫外光经分光镜分成两束紫外光相交于光纤上，产生干涉场，形成正 弦分布明暗相间条纹。光纤经过一定时间的照射后，在纤芯内部引起和干涉条纹相同分 布的折射率变化，从而在光纤上写入正弦分布的折射率光栅。干涉条纹间距人由两束光 的夹角决定。关系式如下： a = x 2 s i n0( 2 2 4 ) 0 为两束光夹角的一半， 为紫外光波长。通过调节。角可得到任意的a 。 优点是容易改变两光束夹角或旋转光纤旋转便可改变反射波长。 缺点是对光源的空间相干性和时间相干性、对光路的稳定性要求很高。 干涉法可以有多种形式：双反射镜法、三反射镜法和棱镜法等如图2 4 所示，