（电子科学与技术专业论文）改进的水凝胶作敏感元件的光纤光栅化学传感器.pdf

浙江大学硕士学位论文刘小梅摘要 a b s t r a c t f i b e rb r a g g g r a t i n g ( f b g ) i so n e o f t h ef i b e rp o s i t i v ec o m p o n e n t s ，w h i c h g r o w su p f a s t l ya n di sw i d e l yu s e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n do p t i c a ls e n s i n ga p p l i c a t i o n s f b gi sas i m p l e ，i n t r i n s i c s e n s i n ge l e m e n ta n dh a sa l l t h ea d v a n t a g e sn o r m a l l y a t t r i b u t e dt of i b e rs e n s o r s t h e s e n s i t i v i t y o ff b gt o t e m p e r a t u r ea n ds t r a i n i s e x p l o i t e dt om e a s u r e ad e s i r e de n v i r o n m e n te f f e c t b e c a u s ef b gc a nb e o p e r a t e di na w a v e l e n g t h - c o d i n gm o j l n e r ，i th a sb e c o m e a ni m p o r t a n t c o m p o n e n t f o ro p t i c a ls e n s i n g d e v i c e si nm e a s u r i n g t e m p e r a t u r ea n d s t r a i n s h y d r o g e l sa r ec r o s s l i n k e dp o l y m e r sw h i c hs w e l lt oa na p p r e c i a b l ee x t e n ti nw a t e r , a n da r ec o n s i d e r e da sb i o c o m p a t i b l em a t e r i a l s t h ew a t e rc o n t e n td e p e n d so nt h e p o l y m e rs t r u c t u r e ，a n d c a r lb em a d er e s p o n s i v et oe n v i r o n m e n t a lf a c t o r ss u c ha s i n o r g a n i cs a l tc o n c e n t r a t i o na n dp hv a l u e m a n yr e s e a r c he f f o r t sh a v eb e e nd o n et o s t u d yv o l u m ec h a n g e si nr e s p o n s et od i f f e r e n te n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，a n dd e v e l o p s e n s o r sb a s e do n h y d r o g e l s f o r p h ，s o i l w a t e r p o t e n t i a l s a n do t h e rc h e m i c a l p a r a m e t e r s i nt h i st h e s i s ，an o v e lf b gs e n s o rf o rm e a s u r i n gs a l i n i t yu s i n gaw a t e rs w e l l a b l e h y d r o g e la st h ea c t i v es e n s i n gc o m p o n e n ti sp r o p o s e da n dd e v e l o p e d t h es e n s i n g m e c h a n i s mi sb a s e do nt h es t r e s st h a ti si n d u c e di nt h eh y d r o g e lc o a t i n gd u et oi t s v o l u m e c h a n g i n g w i t ht h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t t h es t r e s ss h i f t st h e b r a g g w a v e l e n g t ho f t h ef b g b ym o d i f y i n g t h eh y d r o g e lc h e m i s t r y , p a r a m e t e r so t h e rt h a n s a l i n i t yc a nb ed e t e c t e du s i n gt h es a m eb a s i ca p p r o a c h w ee t c ht h ef b g t oi m p r o v e t h es e n s i t i v i t yo ff b gs e n s o r b e c a u s et h ed i a m e t e ro ff i b e ri sm i n i f i e d ，t h et e n s i o n t u n i n gf o r c ec a n b el o w e r e d g r e a t l y , t h es a l t l es t r e s si n d u c e d i nh y d r o g e l sc a ns h i f tt h e w a v e l e n g t ho ff b gl a r g e rt h a nt h a tf o rt h es t a n d a r d1 2 5um d i a m e t e rf i b e rw i t h o u t e t c h e d t h e r e f o r e ，t h ee t c h e df i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rb a s e do nt h eh y d r o g e l s b e c o m e sm o r es e n s i t i v ea n di t st u n i n gs c a l ei sa l s oe n l a r g e d k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ；h y d r o g e l ；s e n s i t i v i t y i i 浙江大学硕士学位论文刘小梅 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤光栅传感器的发展和应用 光纤可用做传递信息的光信道，也可用作传感器。光纤传感技术是2 0 世纪 7 0 年代随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的、以光波为载体、光纤为媒 质、感知相传输外部测量信号的新型传感器。光纤之所以能用做传感器在于它的 光束参数。诸如幅度、相位、波长、频率、偏振状态对温度、压力、电磁场、振 动初位移等环境因素的敏感性作为被测信号载体的光波和作为光波传播媒质的 光纤，具有系列独特的，其它媒质难以比拟的优点。光波不产生电磁干扰，也 不怕电磁干扰，易为各种光电检测器接收。可方便地进行光电或电光转换，易与 高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。光纤传感器的优点是不导电、重量轻、 体积小、耐高温和电磁辐射、柔性好、耐腐蚀，这些优点使它适合于易燃、易爆、 空间受限及强电磁干扰的恶劣环境下使用。因此，光纤传感器一问世便受到极大 地重视，几乎在各个领域得到研究和应用，成为现代传感器的先导，推动着传感 技术的蓬勃发展。 光纤传感器按照调制区与光纤的关系可分为功能型( f f ) ( 本征型) 和非功能型 ( n f f ) ( 非本征型) 两类。根据外界信号调制光波参数的情况，光纤传感器又分为 强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。 光纤光栅传感器是波长调制型传感器。它对波长敏感而对光强不敏感。因此， 其对光波的波动、光波的极化相传输损耗不敏感。另外光纤光栅传感器具有线性 响应、易于集成和插入损耗小的优点。使得它能用作多路传输，能埋于被测材料 中，便于测出材料的内部应力和温度场，光纤光栅传感器的发明在光传感领域和 光纤通信中是一件大事。 光纤光栅传感器可以应用的领域包括应力、温度、压力和液体浓度的测试。 而其最有价值的应用领域应是多点多参数的应力和温度测试，可被应用于智能材 料韧复合材料内部损伤检测中 1 3 】。 1 1 1 在民用工程结构的检测中的应用 光纤光栅传感器的应用前景是十分广阔的，早在1 9 8 8 年，就成功地在航空、 航天领域中用于有效的无损检测技术，同时，光纤光栅传感器也可应用于化学、 工业、电力、水电、船舶、煤矿等领域。最近，应用的焦点集中到了民用工程领 域，目的在于开发可在混凝土组件和结构中，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应变状态的可能技术，从而 建立灵巧结构。 浙江大学硕士学位论文刘小梅第一章绪论 大型土木工程结构和基础设施，如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型 水坝和核电站等，它们的使用期都长达几十年，甚至上百年。在其服役过程中， 由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构不 可避免地产生损伤累积、抗力衰减，甚至导致突发事故 4 】。如不能了解这些结 构的健康状况，并做出正确的维修与报废决策，一旦事故发生，就会带来巨大的 损失，如菇江虹桥事件、宁波大桥事件和高屏大桥事故等。 重要结构的健康监测已经成为世界性的研究热点。从获取结构的性态信息来 看，结构健康监测包括整体监测与局部监测。整体监测主要获取结构的加速度与 位移，这类传感器已经非常成熟。局部监测主要获取结构局部的应力、应变、缺 陷、裂纹和温度等，由于土木工程结构具有体积大、服役周期长、粗放式施工等 特点，获取这类信息的传统传感元件在稳定性与耐久性上远远不能满足实际工程 的需要。目前，对于钢筋混凝土结构的应变监测普遍采用电阻应变片与振弦传感 器，它们存在成活率低、布设工艺复杂、稳定性与耐久性差、抗电磁干扰性差等 缺点。此外，如果结构中埋入大量的电阻应变片会导致过多的导线存在，甚至会 改变结构的力学性能。大量的实践证明，这类传统的传感器：不适于长期的实时在 线监测。 布喇格光栅在建筑结构检测中传感应用是：水泥构件中钢筋预应力检测：构 件中典型梁应变的检测；水泥和钢筋结构性能检测；钢筋腐蚀的监测等等。在民 用建筑领域，嵌入式传感器的应用可分为三个方面： ( 1 ) 用于结构监测和损坏检测。光纤光栅传感器被嵌入混凝土结构组件，诸 如梁架、圆柱、弧形平板和其它形状组件中，对混凝土中的应力、应变、弯曲、 固化、裂缝和滑坍等进行实时监测，同时还可测量结构体的位移、倾斜和弯曲。 ( 2 ) 进行实验应力分析。由于光纤可制成灵敏的、多用途的传感器，用于在 实验研究中测量结构成员的力学性能，利用这些信息，可确定更精确的设计因素， 使结构设计更安全，建设费用更经济。这对形状复杂，难于获得分析解的结构和 组件特别有用。比如利用光纤传感器网嵌入机场跑道，检测飞机起飞和着陆期间 跑道道面的应力。用这种形式获得的二维应力分布图，对道面的重新设计和维护 都是有用的。 ( 3 ) 是对系统和服务设施的管理和控制。这主要考虑建筑物服务设施，如供 暖、空调、电分布和消耗、保安、火警等，利用光纤传感器监测适当参量的工作 状态，可使它们工作在更安全、更有效和更经济的状态下，以便于构成“灵巧建 筑”。 自19 9 2 年r u t g e r 大学的p r o h a s k a e 5 等人首次将光纤光栅埋入到混凝土结 构中测量应变以来，瑞典的n e l l e n e 6 7 1 ( 1 9 9 7 年和1 9 9 9 年) 等人分别在l u c e r n e 桥预应力索线与w i n t e r h u r s t o r c k 桥的两根碳纤维索上布置了光纤光栅传感器，前 2 浙江大学硕j ：学位论文) r i d , 梅第一章绪论 者可以测量碳纤维高达8 0 0 0 p e 的应变值，后者和标淮电阻应变计实测数据吻台 很好；美国的f u h r 8 ( 1 9 9 8 年) 在w ：n o o s k ：河上的w a t e r b u r y 大桥的面板上埋 入了8 个光栅传感器，并探测到了5 0 p e 的应变值：美国的u d d 9 1 ( 1 9 9 9 年1 等人 在h o r s e t a i l f a l l s 桥的复合材料加固过程中布设了2 8 个传感器，以备长达两年的 健康监测。这在以前被认为是不可能的。 在地下工程和采矿业中，岩石形变的静态测量受到特别的关注，因为地下挖 掘和爆破一般会造成周围地层的应力体系变化。这可能引起周围环境不稳定从而 威胁工人的安全并造成破坏。德国的g f zp o t s d a m 开发了一种地下岩石挖掘过 程中测量应变的光纤光栅传感器f b x 地脚螺栓。这种新型的传感器是在一根玻 璃纤维增强聚合物岩石地脚螺栓中埋入光纤光栅，用于探测岩石构成和岩石工程 结构中的静态和动态应变，这些结构包括隧道、洞穴、坑道、或者深层地基。这 种传感器很有希望用于监视复杂的地质数据场，如恶劣环境下的位移、应变、压 力和湿度。另外他们还开发了一种光纤光栅地震成像系统，并在瑞士一个地下煤 矿坑道中进行了现场实验。 1 1 2 智能材料和结构 在材料和结构的制造过程中，将传感元件和驱动元件埋入其中，比如将光纤 光栅传感器嵌入到环氧树脂光纤复合材料中，这里的传感器首先用作复合材料制 造期间的固化监测，此后形成材料的光纤神经作为应变传感器，对结构的状态参 数，如应变、温度、损伤程度等进行实时测量，从而监测结构的健康状况，或者 利用反馈操作机构( 驱动元件) 控制应力、振动状态或结构形状，由此可保证结构 的安全运行并始终工作在最佳状态。这种结构具有一定的“智能”，故称为智能 结构( 灵巧结构) 。这方面的研究工作已进行了数年，是国际上的一个研究热点。 目前在航天飞机的叶轮片、翼梁、船体、复合结构管道样品的实验室测试中证明 是成功的，并已成功地用于m c d o n n e l l d o u g l a s s d c - - x 轨道卫星。 1 1 3 航天航空业中的应用 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，几乎没有 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。用先 进的复合材料来制造航空航天结构( 如机翼部件) 是一个必然的趋势。与金属材 料相比，先进的复合材料更能抗疲劳、重量更轻、强度一重量比更好、能够制作 浙江大学硕士学位论文刘小梅第一章绪论 复杂的形状、而且抗腐蚀，尤其是很容易在复合材料结构的制造过程中埋入光纤 光栅传感器，实现飞行器运行过程中机载传感系统的实时健康和性能监视，这可 以减少飞行器重量、缩短检查时间、降低维护成本，从而改善其性能。s m a nf i b r e s u d 为飞机和航天器提供埋有光纤光栅传感器的复合材料灵巧结构，以利于健康 和使用的监测、结构的损伤探测、设计信息的搜集、制造辅助控制、智能控制以 及结构尺寸监n 1 0 1 。 1 1 4 船舶航运中的应用 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。 g c r m t c 是一个长期为美国海运业提供真实技术评价的机构，它旨在通过主持 资助研究项目，增强美国造船工业的国际竞争力。1 9 9 8 年它与美国海军研究办 公室签订了一个五年的合作协议，目的在于协调、实施和督促美国海军和海运公 司的科技项目，这些科技项目分布在大学、政府实验室、非营利和营利机构中。 最近在g c r m t c 的一份报告中对光纤传感系统在船舶制造和船上监测中的应 用作了全面的评价，其中提到：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。对于传感器的大量需求使得造船工程师对光 纤传感器产生了很大兴趣。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。报告中提出的四个任务之一就是光纤光栅传感器的应用开发。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 1 】1 3 。 1 1 5 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使用于难以到达的地方，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。 利用法拉第效应的光纤传感器已被用于配电工业中高电压下的大电流测量， 但是由于线性双折射、温度和振动所引起的问题，限制了这一技术的应用。一种 4 浙江人学硕士学位论文刘小梅第一章绪论 替代的方法是用常规电流转换器、压电元件和光纤光栅组成的综合系统对大电流 进行间接测量。电流转换器将电流转变成电压，电压变化使压电元件形变，形变 大小由光纤光栅传感器测量。另外还有一种改进的方法进一步改善了分辨率。此 方法中光纤光栅传感器由基于光纤光栅的法一泊腔代替。高压传输电缆的积雪超 过其承载能力会导致严重的事故，特别是高压传输电线处于难于检查的地方更是 一个突出的问题，因此需要在线监视电缆的荷载变化。 1 1 6 石油化学中的应用 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。 永久连续的井下传感有利于油田的管理、优化和发展，目前只有少数的油井 使用了永久连续的井下油田监控系统，而且主要是电类传感器，高温操作和长期 稳定性的要求限制了电类传感器的使用。光纤光栅传感器因其抗电磁干扰、耐高 温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感。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。利用这一事实通过对光纤光栅进行特 殊处理，可以制成探测各种化学物质的光纤光栅化学传感器。1 9 9 6 年，m e l t z 等 人就报道了这种光纤光栅化学传感器，后来e e k e 等人作了改进，他们采取抛光 光纤侧面的方法制成光纤光栅化学传感器能够对诸如石油工业中的碳氢化合物 等化学物质进行快速在线测量。 石油碳氢化合物是一种有害物质，输油管和储油罐的泄漏是非常危险的，如 果不能及时地探测、定位和修复，可能造成严重的环境污染甚至是灾难性后果， 因此开发探测和定位碳氢化合物泄漏的快速反应系统是非常重要的。 长周期光栅是一种光栅周期相对普通光纤光栅较长的特殊光纤光栅，与普通 光纤光栅相比，它对光纤包层外材料的折射率变化更敏感，因为长周期光栅将正 向导模耦合到几个正向包层模，围绕包层的材料折射率的任何变化都会改变透射 光谱的性质，用长周期光纤光栅制作的化学传感器配以适当的解调技术其灵敏度 可达到1 0 。z h a n g 等人研制的温度补偿长周期光栅传感器可以测量许多化学成 分的浓度 1 4 1 6 】。 1 1 7 医学中的应用 光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测 量，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织 的损害非常之小，足以避免对正常医疗过程的干扰。 浙江大学硕士学位论文刘小梅 第一章绪论 在许多医学应用中，传统的热电偶和热敏电阻温度计是不适用的。使用高频 电流、微波和激光进行热疗法代替外科手术越来越受到医学界的关注，增大诊断 超声系统的超声波输出并且拓宽高密度超声波的医疗应用也是一种趋势。光纤光 栅传感器还被研究用来进行心脏效率的测量，这种测量基于一种定向热稀释导流 管方法。在这种方法中，医生将定向热稀释导流管插入病人的右心房，并注射一 种冷冻液，通过测量肺动脉血液的温度，结合脉动率就可确定心脏泵血量，这对 于心脏监测是很重要的。目前用于测温的传感器是常规的热敏电阻和热电偶 1 7 1 8 】。 1 1 8 应用中应解决的一些关键技术 光纤传感系统与智能结构的兼容：尽量减小光纤传感器的埋入对原有结构的 影响；埋入后的传感系统的传感性能应尽量保持不变：传感器输出的测量结果应 尽可能和构件的实际情况一致： 光纤传感网络的对外接口； 埋入的工艺； 光纤保护材料的研究； 传感网络的可靠性和稳定性： 高空间分辨率、高测量精度、低成本、高可靠分布式光纤传感器的研究。 1 1 9 光纤光栅传感器的发展方向 光纤光栅传感器可以用于应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高 的灵敏度和测量范围。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时 测定若干部位相应物理量及其变化，实现准分布式光纤传感，其应用前景非常广 阔。目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面：一是对传感器本身及能 进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感 器研究；二是对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低 成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术；三是光纤光栅传感器的实际应用研究， 包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。 1 2 智能型高分子水凝胶的研究状况 水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合 物。亲水的小分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶具有良好的生物相容性，自2 0 世纪4 0 年代以来，有关水凝胶的合成、理化性质以及在生物化学、医学等领域 中的应用研究十分活跃。 浙江大学硕十学位论文刘小梅第一章绪论 水凝胶有各种分类方法，根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化 学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的，这 种凝胶是非永久性的，通过加热凝胶可转变为溶液，所以也被称为假凝胶或热可 逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态，如盯一型角叉莱胶、琼脂等； 在合成聚合物中，聚乙烯醇( p v a ) 是一典型的例子，经过冰冻一融化处理，可 得到在6 0 以下稳定的水凝胶。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合 物，是永久性的，又称为真凝胶。 根据水凝胶大小形状的不同，有宏观凝胶与微观凝胶( 微球) 之分，根据形状 的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等，目前制各 的微球有微米级及纳米级之分。 根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝 胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或p h 等的变化不敏感，而环境敏 感的水凝胶是指自身能感知外界环境( 如温度、p h 、光、电、压力等) 微小的变化 或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶 1 9 。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化， 利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等 2 0 2 13 ，这是1 9 8 5 年以 来研究者最感兴趣的课题之一。 根据合成材料的不同，水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝 胶。天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、 低廉的价格，因而正在引起越来越多学者的重视。但是天然高分子材料稳定性较 差，易降解，近几年不少学者开始了天然高分子与合成高分子共混合成水凝胶的 研究工作，这将是今后的一大重要课题。 所谓智能型水凝胶是指对外来刺激具有可逆响应性、在水中可以溶胀的凝 胶。由于这类材料对外来刺激的可逆响应性使其在分子器件，调光材料，生物活 性物质的温和、高效分离，菌和细胞的智能固定化以及药物可控释放等高新技术 领域有广泛应用。智能型水凝胶的合成和应用研究涉及学科众多，具有显著的多 学科交叉特点，是当今最具挑战的高新技术研究前沿领域之一 2 2 2 4 。 1 3 本文研究的主要内容 本文综述了近年来智能水凝胶这一新材料的机理及其最新进展，以及光纤光 栅传感器的发展和应用。基于水凝胶的奇异特性，将其与光纤光栅结合，我们研 究了以水凝胶作敏感元件的光纤光栅化学传感器，分析了其设计原理，并进行了 制作和实验测试。并在此基础上对该光纤光栅化学传感器的设计进行了改进，使 用氢氟酸对光栅进行了腐蚀，从而提高了这种传感器的灵敏度和调谐范围。 实验结果表明它可以被应用于江、河、湖、海等水域离子浓度的检测。将凝 浙江大学硕士学位论文刘小梅第一章绪论 胶这一新材料应用于光纤光栅传感领域且使用氢氟酸对光栅进行腐蚀是本文的 一个创新所在。围绕这一研究，本文所做的工作重点是： 1 跟踪国内外光纤光栅传感器以及水凝胶的最新进展，讨论了光纤光栅凝胶传 感器的可行性及应用领域。 2 介绍了水凝胶在离子环境中的收缩特性和光纤光栅在传感器领域的应用。 3 对水凝胶作敏感元件的光纤光栅化学传感器进行了改进，以提高这种传感器 的灵敏度和调谐范围，并通过实验证明其可行性。 4 对实验结果进行了分析，提出了实验中的成功之处和有待进一步改进的地方。 全文共分四章，各章的主要内容如下： 第一章综述了近年来光纤光栅在传感器方面的应用和智能水凝胶的发展和应用。 第二章讨论了以水凝胶作敏感元件的光纤光栅化学传感器的基本原理及其解调 方法。 第三章讨论了改进的光纤光栅凝胶传感器的设计，并在光栅未腐蚀和腐蚀的两种 情况下对光纤光栅水凝胶传感器的特性进行了测试，对两种实验结果进行了对比 和讨论。 第四章是对全文的总结，并对光纤光栅凝胶传感器今后的工作做了展望。 浙江人学硕士学位论文刘小梅第一章绪论 参考文献： 1 m o r e y w we t a l f i b e r o p t i c b r a g g g r a t i n gs e n s o r s a p r o c s p i e c 1 9 8 9 ，1 1 6 9 ，9 8 - 1 0 7 2 r a o y j ，i n f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s j m e a ss c i t e c h n o l o g y 1 9 9 7 ，8 ，3 5 5 3 k e r s e y a d ，e l a l f i b e r g r a t i n gs e n s o r s j i e e e jo f l i g h t w a v e t e c h ，1 9 9 7 ，1 5 ，1 4 4 2 1 4 6 3 4 欧进萍，重人工程结构的累积损伤与安全度评定 r 】，走向2 1 世纪的中国力学中国 科协第9 次“青年科学家论坛”报告文集，北京：清华大学出版社，1 9 9 6 1 7 9 1 8 9 。 5 p r o h a s k sjd j 】s p i e ，1 9 9 2 ，1 7 9 8 ：2 8 6 - - 2 9 4 6n e l l e np m ，b r o n n i m a n nr ，f a n k a j s p i e ，1 9 9 9 ，3 8 6 0 ：4 4 - 5 4 7 n e l l e n p m ，a n d e r e g g e ，b r o n n i m a n n r b ，e t a l j 】s p i e ，1 9 9 7 ，3 0 4 3 ：7 7 - 8 6 8 f u h rpl ，s p a m m e rs j s p i e ，1 9 9 8 ，3 4 8 9 ：1 2 4 - 1 2 9 9 s e i nj ，u d d e ，s c h u l z w j 】s p i e ，1 9 9 9 ，3 6 7 1 ：1 2 8 - 1 3 4 1 0 f o o t ep d ，e la 1 f i b e rb r a g gg r a t i n gs t r a i ns e n s o r sf o ra e r o s p a c es m a r ts t r u c t u r e 【a p r o c 即腰 c 1 9 9 4 ，2 3 6 1 ：1 6 2 - 1 6 6 11 z h a n g l ，e ta 1 s p a t i a l a n d w a v e l e n g t hm u l t i p l e x i n g a r c h i t e c t u r e sf o re x t r e m es t r a i n m o n i t o r i n gs y s t e mu s i n gi d e n t i c a l - c h i r p e d - g r a t i n g i n t e r r o g a t i n gt e c h n i q u e 【a p r o f o f t h e o p t i c a l f i b e r s e n s o r sc o 研( o s f 1 2 ) 【c 】1 9 9 7 ，4 2 5 - 4 5 5 1 2 h j e l m ed ，r ，e ta 1 a p p l i c a t i o no fb r a g gg r a t i n gs e n s o r si nt h ec h a r a c t e r i z a t i o no fs c a l e d m a r i n ev e h i c l em o d e l s j a p p l i e do p t i c s ，1 9 9 7 ，3 6 ：3 2 8 - 3 3 6 13 v o h r as t ，e ta 1 s i x t e e nc h a n n e lw d mf i b e rb r a g gg r a t i n gd y n a m i cs t r a i ns e n s i n gs y s t e m f o rc o m p o s i t ep a n e ls l a m m i n g t e s t s 【a p r o co f t h eo p t i c a l f i b e rs e n s o r sc o n f ( o s f 一1 2 ) 【c u s a ，1 9 9 7 ，6 6 2 - 6 6 5 1 4 w e i sw e ta 1 m w dt e l e m e t r ys y s t e mf o rc o i l - t u b i n gd r i l l i n gu s i n go p t i c a lf i b e rg r a t i n g m o d u l a t o r sd o w n - h o l e a p r o c o f t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r sc o n y ( o s f 一1 2 ) c u s a ， 1 9 9 7 ，4 1 6 - 4 1 9 1 5 s p i r i nv _ v ，e t a 1 f i b e rb r a g g g r a t i n gs e n s o r sf o rp e t r o l e u mh y d r o c a r b o nl e a kd e t e c t i o n 【j o p t i c sa n d l a s e r i ne n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，3 2 ：4 9 7 - 5 0 3 1 6b e r t h o l dj w m e a s u r e m e n to f a x i a la n db e n d i n gs t r a i ni np i p e l i n e su s i n gb r a g gg r a t i n g s e n s o r s 【a 】s p i e e n v i r o n m e n t a l a n d i n d u s t r i a l s e n s i n gc o n f e r e n c e ，b o s t o n ，2 0 0 0 1 7 r a nyj e ta 1 i n - s i t ut e m p e r a t u r em o n i t o r i n gi nn m r m a c h i n e sw i t hap r o t o t y p ei n - f i b e r b r a g gg r a t i n gs e n s o rs y s t e m a 】p r o co f t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r sc o n f ( o s f 1 2 ) c 】 u s a ，1 9 9 7 ，6 4 6 6 4 9 18 r a nyj e ta t i n - f i b e rb r a g gg r a t i n gf l o w - d i r e c t e dt h e m o d i l u t i o nc a t h e t e rf o rc a r d i a c m o n i t o r i n g c 】p r o co f t h eo p t i c a l f i b e r s e n s o r sc o n f ( o s f 一1 2 ) c u s a ，1 9 9 7 ，3 5 4 - 3 5 7 1 9 姚康德等。智能材料，北京：化学工业出版社，2 0 0 1 ，2 1 2 2 。 2 0 张建合，信阳师范学院学报，1 9 9 8 ，l l ( 2 ) ：1 9 1 1 9 5 。 9 浙江大学硕士学位论文刘小梅 第一章绪论 2 1 姚康德等，高分子通报，1 9 9 4 ，( 2 ) ：1 0 3 1 1 1 。 2 2 姚康德、彭涛，高伟，高分子通报，1 9 9 4 ，( 2 ) 1 0 3 。 2 3 王昌华，百维效、化学通报，1 9 9 6 ，( 1 ) ：3 3 。 2 4 h o f f m a n a s ，s t a y t o n es ，s h i m o b o j i t ，e t a l m a c r o m 0 1 s y m p ，1 9 9 7 ，1 1 8 ，5 5 3 1 0 浙江大学硕士学位论文刘小梅第二章光纤光栅传感器及其解调方法 第二章光纤光栅传感器及其解调方法 2 1 引言 光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过 掺锗光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。光纤光栅 紫外写入技术的发展和成熟重新激起了人们对全光纤化器件研究的信心，尤其是 近几年来，光纤光栅理论基础的发展以及利用光纤光栅制作的各类器件的优良特 性已经引起了世界范围内的普遍关注。目前，光纤光栅的制作主要有双光束干涉、 逐点曝光及相位掩膜法等。其中，利用零级抑制的衍射光学掩膜是一种较为实用 有效的方法，它降低了对光源相干性及周围环境稳定性的要求。用紫外激光写入 的光纤光栅，可在外力作用下引起光栅微小形变，使光栅的b r a g g 中心反射波长 移动，产生应变传感效应，它比传统的通过光纤本身形变引起的传感精度大大提 高。 而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带 的f 透射或反射) 滤波器或反射镜。光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是 b r a g g 光栅( 也称为反射或短周期光栅) ；二是透射光栅( 也称为长周期光栅) 。光纤 光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅 和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅( c h i r p 光栅) 。 目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。基于光纤布喇 格光栅的光纤传感器，其传感过程是通过外界参量引起布喇格波长的改变来实现 的。 由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小( 标准裸光纤为1 2 5 i x 1 1 2 ) 、重 量轻、耐温性好( 工作温度上限可达4 0 0 。c 6 0 0 。c ) 、复用能力强、传输距离远( 传 感器到解调端可达几公里) 、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件易形变等优点，光纤 光栅传感器在光纤传感器领域的应用前景十分广阔 1 ，早在1 9 8 8 年就成功地在 航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化 学医药、材料工业水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域( 如建 筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等) 的混凝土组件 和结构中，测定其结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一步 实现智能建筑。本章对光纤光栅传感器的原理及其解调方法做了详细介绍。 2 2 光纤光栅的传感原理 b r a g g 光纤光栅的光单模光纤内，导模的传播常数为l ，光纤包层内模式 l l 浙江大学硕士学位论文刘小梅 第二章光纤光栅传感器及其解调方法 的传播常数为2 。将前向传播模式耦合到后向传播模式，则相位匹配条件为： k 2 l - 2 = 2 7 r a( 2 1 ) 在b r a g g 光纤光栅中，前向传输的导模能量耦合到反向导模中，形成反射峰。 由于两种传播方向的传播常数符号相反。k 值较大，则a 很小，一般为零点几个 微米，这种光栅即b r a g g 光栅f b g ，b r a g g 光纤光栅是由单模掺锗光纤经紫外光 照射成栅技术形成。其折射率呈周期性分布条纹如图2 1 所示：当一束光进入 b r a g g 光栅时，它能对波长满足b r a g g 反射条件的入射光产生反射。这种反射是 一种窄带反射，其反射谱在b r a g g 波长处出现峰值。它的基本特性就是以共振波 长为中心的一个窄带光学滤波器，如图2 2 所示，该共振波长称为b r a g g 波长， 是： 如= 2 人( 2 2 ) 式中，n e f f 为芯模有效折射率，人为光栅周期。 图2 - 1b r a g g 光纤光栅结构 s t r a i n 浙江大学硕士学位论文刘小梅第二章光纤光栅传感器及其解训方法 i ii f b g 反射诺 ( a ) ( b ) ( c ) 幽2 - 2 光纤光栅中光波的传输特性 当外界参量( 如温度、应变等) 发生变化时，引起光栅有效折射率和光栅周期 变化，光栅的b r a g g 波长易产生变化( 即移动) ，这时光栅方程可以写成： a = 2 a n e f t a + 2 n 。h - a a ( 2 - 3 ) 式中，a n 。f a 是疗。疗和a 受到外界参量影响而发生的变化。当光纤光栅受到 轴向的应力作用或温度的变化影响时，其n 。厅和a 都会发生变化，从而使反射光 的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测 物理量的变化情况。温度、应力和应变的变化引起布喇格波长的漂移可表示为： 加= ：”人f ，一( 譬 p 1 2 - y ( p l l + p t 2 ) 】) 占+ ( 2 4 ) 式中，占为外加应变，为横向形变系数( 泊松比) ，易为光弹性张量的普克 尔压电系数，2 为光纤材料的热膨胀系数，丁为温度变化量。在我们的实验中没 有考虑温度的变化，所以上式的最后一项可以被忽略。 光纤光栅传感器的原理图如图2 3 所示： 图2 - 3 光纤光栅传感原理图 牛 塑堡n ，一 浙江大学硕士学位论文刘小梅 第二章光纤光栅传感器及其解调方法 2 3 光纤光栅的制作 2 3 1 成栅原理 布喇格光栅产生的原理是由于光纤具有光敏特性，从而在周期性光强作用下 沿着光纤轴向方向产生周期性折射率变化。周期分布的准分子激光条纹对光敏光 纤曝光，可以在光纤纤芯中诱发周期折射率调制，光纤内的折射率就会随着光强 的空间分布发生相应的周期性变化并保存下来，形成光纤光栅，如图2 - 4 所示。 光纤光栅相当于波长选择反射器和抑制滤波器。在光纤传感和光纤通信等光纤技 术领域中有着广泛的应用前景。 u v 光 u v 光 、，、 ： ，、 k ；， 光敏光纤 图2 - 4 干涉法写入光纤光栅 2 3 2 光纤的光敏特性 光纤的光敏性是在光纤中形成b r a g g 光栅的关键。光纤中折射率依赖于许 多参数，如光纤类型、掺杂浓度、光纤温度及光纤以前的历史，以及照射波长、 曝光功率及曝光时间等等。目前，光纤光敏特性的所有微观