（物理电子学专业论文）光纤布拉格光栅波长解调技术的研究.pdf

中文摘要 光纤布拉格光栅传感器是一种能感测多种物理参量的光无源器件，作为光电 子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器的检测技术近年来受到广 泛的关注。与传统的电传感器相比，光纤布拉格光栅传感器有很多固有的优势， 不导电，体积小，重量轻，响应速度快，耐腐蚀。该传感方式是基于波长编码的 绝对测量，不依赖于光强，对电磁干扰有很好的免疫性，灵敏度高，性能稳定， 可以多通道多个传感器复用。光纤光栅传感器这些优点使它在传感领域占有了一 席之地，现在已成功的应用于桥梁建设、电力监测、铁路安全等诸多领域。 本文对光纤光栅传感器的基本理论和技术进行了系统的研究，主要内容包括： 光纤光栅的耦合模理论分析；光纤光栅的传感机理；光纤光栅的各种波长调制及 解调技术；基于f p 可调谐滤波器的波长解调系统；使用该系统对温度和应力进 行了实际测量。论文的主要工作如下： 1 。研究了光纤布拉格光栅的反射特性与各参数之间的关系，推导出光纤光栅 的传感公式。 2 分析比较了现有的光纤光栅波长解调技术，在此基础上设计了基于f p 可 调谐滤波的f b g 波长解调系统。提出采用标准具滤波器和参考光纤光栅的方法， 提高了解调系统的精度。详细论述了系统光路的具体组成，介绍了光路器件的原 理和特性，搭建完成f b g 波长解调系统。 3 利用搭建的f b g 波长解调系统和，分别使用不同封装类型的f b g 传感器 对不同钢结构的应力进行了测量，并与传统的电传感器测量结果进行了比较分析， 验证了f b g 传感系统的可行性，测试f b g 波长解调系统的稳定性与精度。 关键词：f b g ；光纤布拉格光栅：波长解调；法布里珀罗f p 可调谐滤波器；标 准具滤波器；钢结构应力 分类号：t p 2 1 2 1 4 a b s t r a c t f i b e rg r a t i n gs e n s o r sa r cn e wt y p eo fp a s s i v eo p t i c a lc o m p o n e n t s ，w h i c hc a nb e u s e dt om 馏u r el o t so fp h y s i c a lp a r a m e t e r s a san e w t y p eo fs e n s i n gt e c h n o l o g y , t h e f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nc a u s e de x t e n s i v e l yf o c u s f b gs e n s o r sh a v e m a n y i n h e r e n t a d v a n t a g e s o v e rc o n v e n t i o n a le l e c t r i c a ls e n s o r ss u c ha s n o n - c o n d u c t i v i t y ， s m a l ls i z e , l i g h tw e i g h t ，f a s tr e s p o n s ea n dr e s i s t a n c et oc o r r o s i o n t h e yp r o v i d ea b s o l u t ew a v e l e n g t he n c o d i n gt h a ti si n d e p e n d e n to ft h eo v e r a l ls y s t e m l i g h tl e v e l sb u ti sd e p e n d e n to nt h es t r a i na n dt e m p e r a t u r ee f f e c t sa c t i n go nt h es e n s i n g e l e m e n t s t h e s et y p e so fs e n s o rh a ss t r o n gc a p a c i t ya g a i n s te l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， l l i g hs e n s i t i v i t ya n ds t a b i l i t y , c a nb em u l t i p l e x e d t h e s ea d v a n t a g e so ff b gs e n s o r s m a k ei t d e v e l o pq u i c k l y , a n dn o wh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nb r i d g ec o n s t r u c t i o n , e l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n g , r a i l w a ys a f e t ya n dm a n yo t h e rf i e l d s t h e o r ya n dt e c h n o l o g yo ff i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o ra r cs y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hi n c l u d e s ：t h ec o u p l e dm o d et h e o r yo ff i b e rg r a t i n g ； t h es e n s i n gm e c h a n i s mo ff b g ；v a r i o u sm e t h o d so fw a v e l e n g t ha n a l y s i s ；t h ed e s i g no f f b gi n t e r r o g a t es y s t e mb a s e do nt u n a b l ef - pf i l t e r ；a n dt h et e s to ft e m p e r a t u r ea n d s t r a i nu s i n gf b g i n t e r r o g a t es y s t e m t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： i t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h er e f l e c t i v es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rb r a g g g r a t i n g sa n dt h e i rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r es t u d i e d f b gs e n s o rf o r m u l aw a sd e r i v e d 2 g i v i n gc o m p a r i s o no ft h ee x i s t i n gf b gw a v e l e n g t ha n a l y s i st e c h n o l o g i e s ， s e l e c t e dm e t h o do ff pt u n a b l ef i l t e r a c c o r d i n gt ot h es h o r t c o m i n g so fe x i s t i n g m e t h o d s ，e t a l o nf i l t e ra n dr e f e r e n c ef b ga r eu s e di no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f w a v e l e n g t ha n a l y s i ss y s t e m e l a b o r a t eo nt h ec o m p o s i t i o no ft h es y s t e m ，e x p l a i n s p r i n c i p l e sa n dp e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o n e n t si nl i g h tr o a d ，s e tu pf b gw a v e l e n g t h a n a l y s i ss y s t e m 3 e x p e r i m e n t sw i t ht h es e n s i n gs y s t e ma r ed e s c r i b e d u s i n gf b g s e n s o r sw i t h d i f f e r e n tp a c k a g e ，s t r a i nd a t ao fd i f f e r e n ts t e e l w o r k sa r eg a t h e r e da n dc o m p a r e dw i t h t h e o r e t i c a lv a l u e sa n dt r a d i t i o n a le l e c t r i c a ls e n s o r s ，t h er e s u l t sv e n f yt h ef e a s i b i l i t yo f f b gs e n s i n gs y s t e m a r eu s e di nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t r e s u l t sa r eu s e di nt h e t e s t i n go fs t a b i l i t ya n da c c u r a c yo ff b gw a v e l e n g t ha n a l y s i ss y s t e mw e s e tu p k e y w o r d s ：f b g ；f i b e rb r a g gg r a t i n g ；w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i n g ；f pt u n a b l e f i l t e r ；e t a l o nf i l t e r , s t r a i no fs t e e l w o r k c l a s s n 0 ：t p 2 1 2 1 4 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：签字日期：年月日 4 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 二旃 导师签名：渤聊 签字日期：知嵋年月当日 致谢 本论文的工作是在我的导师何大伟教授的悉心指导下完成的，何大伟教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在学习上和生活上何 老师给了我无微不至的关怀和热情的帮助，使我为人处事和科研能力等方面都得 到了锻炼和提高。在此衷心感谢两年来何大伟老师对我的关心和指导 王永生教授、富鸣老师对于我的科研工作和都提出了许多的宝贵意见，在此 表示衷心的感谢在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向王永生 教授和富鸣老师表示衷心的谢意。感谢北京交通大学光电子技术研究所的各位老 师给予的诸多关心和帮助 在现场实际测量的过程中，机电学院的邹骅老师给予了很大帮助，在此向他 表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，鞠长滨师兄、邓立儿师姐、王子谦、杨帆、 姜立伟等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外我要特别感谢我父母和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业，鼓励我走好人生的每一步，在此对他们表示崇高的敬意。 1 1 光纤光栅简介 1 1 1光纤光栅发展历史 1 绪论 1 9 7 8 年，加拿大渥太华通信研究中心的k o h i l l 等人首次观察到掺锗光纤中 因光诱导产生光栅的效应【l l 。他们使用4 8 8 n m 氩离子激光照射掺锗的光纤，在光 纤中产生驻波干涉条纹，制成纤芯折射率沿轴向周期性分布的光纤光栅。在掺锗 的单模光纤中，行波场通过光纤端面的反射在光纤中形成一个驻波场，光纤中形 成了持久的周期性折射率改变，与写入光驻波场空间分布相同的，这种折射率的 周期性变化形成了一个光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 。用这种方法 制作的反射滤波器的反射率可以达到接近1 0 0 的饱和值，对温度和应力都很敏 感，开辟了光纤光栅传感器研究与应用的新领域。此后，由于写入效率低等原因， 其进展缓慢。 19 81 年，加拿大m c m a s t e r 大学d k w l a m 等人研究了掺锗石英光纤折射率 变化与照射激光功率之间的关系。研究结果显示掺锗石英光纤的光敏现象可能是 双光子过程，折射率变化与激光器功率平方成正比，用2 4 4n r n 的光源代替4 8 8n l n 的光源，光纤的敏感性可能成倍提高【2 1 。 1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g m e l t z 等人发明了紫外光侧面写入光敏 光栅的技术【3 】，首次利用2 4 4n m k r f 准分子激光器，采用双光束侧面全息干涉法研 制成功b r a g g 光纤光栅滤波器。这不仅有效地提高了光纤光栅的写入效率，而且 还可以通过改变两束相干光的夹角对光纤光栅波长进行调控，光纤光栅的实用化 向前迈了一大步。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等人提出了位相掩模写入技术和逐点写入法，极大地放宽 了对写入光源相干性的要求，重复性好，使光纤光栅的制作更加灵活，光栅的批 量生产也成为可能【4 j 。 同年，董亮等人还提出了在线成栅法，在光纤拉制过程中对光纤逐点写入形 成光栅。这免去了光纤光栅制作时剥去光纤涂覆层的工序，适于大规模制作高反 射率、窄线宽的光纤光栅。1 9 9 3 年1 月，k l w i l l i a m s 等人在研究光纤对紫外光 的敏感性时发现，掺g e b 光纤对紫外光具有更好的光敏性。同年6 月，a t & t 贝 尔实验室的p j l e m a i r e 等人提出了载氢的方法来提高光纤的光敏性【5 】。这种方法 适用于掺锗、掺磷光纤，现已成为制作光纤光栅的重要步骤。1 9 9 4 年6 月，r k a s h y a p 等人利用线性阶跃啁啾相位模板研制成功线性啁啾光纤光栅，它由n 段均匀光栅 组成。这种方法的关键是利用电子束曝光设备制作阶跃啁啾相位模板，然后利用 离子倍频激光器和相位模板在光敏光纤上制作啁啾光纤光栅。1 9 9 4 年1 2 月，e g g l e t o n 等人利用振幅模板在光纤上刻出取样光栅。这种光栅利用空间上的取 样在频谱中造成多个反射峰，可制作多信道器件。1 9 9 6 年，董亮等人研制出包层 掺杂稀土元素具有光敏性的光纤，较好地解决了常规光栅的短波损耗问题，为光 栅的宽带化开辟了道路。此后，世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展起 来。光纤光栅的制作及光纤光敏化技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提 高和完善。 随着研究的不断深入，光纤光栅的优良特性也逐步展现出来，如成本低，稳 定性好，体积小，抗电磁干扰性好，感应信息被波长编码等，尤其传感器本身就 是由光纤制作而成，便于与光纤结合，使得全光纤化的一维光子集成测控系统成 为可能。光纤光栅的研制成功，成为继掺杂光纤放大器技术之后，光纤领域的又 一重大突破。睁1 1 j 1 1 2光纤光栅的分类 根据折射率的变化导致的结构性区别，即光纤光栅空间周期分布及折射率调 制深度分布是否均匀，将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大类型。1 1 2 - 2 0 ( 一) 均匀光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一 类光纤光栅。依据光栅周期的长短及波矢方向的差异因素，此类光纤光栅的典型 形式为：光纤布拉格光栅( f b g ) 、长周期光纤光栅和闪耀光纤光栅等。 1 光纤布拉格光栅：栅格周期一般为1 0 2 r i m 量级，折射率调制深度一般为 1 0 3 l o 一，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。这种光纤光栅具有较窄的反射带 宽( 1 0 。1 n m ) 和较高的反射率( 1 0 0 ) ，其反射带宽和反射率可以通过改变写入条 件而进行调节。这是最早发展起来的一类光纤光栅，目前在光纤通信及光纤传感 领域应用非常广泛。 2 长周期光纤光栅：栅格周期远大于布拉格光栅的栅格周期，一般为几十到 几百微米，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。长周期光纤光栅是一种透射型光 纤光栅，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中损耗掉。这种光纤光栅 除具有插入损耗小、易于集成等优点外，还是一种性能优异的波长选择性损耗元件， 目前主要用于掺铒光纤放大器的增益平坦和光纤传感。 2 i n d e xm o d u l a t i o n w a v e 1 e n g t h 图1 1 光纤布拉格光栅的结构、折射率分布和光谱特性 3 闪耀光纤光栅：与光纤布拉格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光纤轴线 方向有一定的交角。这种光纤光栅不但能引起反向导模的耦合，而且还能将基模 耦合到包层模中辐射掉。这种宽带损耗特性可用于掺铒光纤放大器的增益平坦。 对交角很小的闪耀，可做成模式转换器，将一种导模耦合到另一种导模之中。 ( 二) 非均匀光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常 数。从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性 啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。 l 、线性啁啾光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向在整个区域内单调、连续、准周 期线性变化，折射率调制深度为常数。这种啁啾光纤光栅可视为仅对光栅周期进 行线性调制的情况。 2 、分段啁啾光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内单调、连续、准周 期线性变化，而折射率调制深度为常数。以上两种啁啾光纤光栅具有的共同点是： 反射带宽远大于均匀周期光栅的带宽，可达几十n l n ，主要用于色散补偿和光纤放 大器的增益平坦。 3 、非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤光栅( 布拉格或啁啾光 纤光栅) 的栅格周期或折射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的啁啾光 纤光栅。 4 、相移光纤光栅：特点是光栅在某些位置发生相位跳变，从而改变光谱的分 布，由于在布拉格反射带上打开透射窗口使光栅具有更高的波长选择性。相移光 纤光栅常用来制作窄带通滤波器，也可用于分布反馈式光纤激光器。 5 、莫尔光纤光栅：采用两组具有微小周期差异的紫外条纹对光纤同一位置进 3 行二次曝光所得到的光栅。 6 、t p a e r d e 光栅：是采用特定的函数形式对光纤布拉格光栅的折射率调制深度 进行调制而形成的光栅。 7 、超结构光纤光栅：是利用方波函数对光纤布拉格光栅或啁啾光栅的折射率 进行调制而形成的光栅。其特点是光栅由许多小段光栅构成，折变区域不连续。 折射率变纯魇i 槽 均匀秃嚣 撇删叭一 一一一一 入 囊受光 一州 l 一 烧性调麓 。瑚 一兮缓j 光橱 敏动竞舞 j 蝴帆i 、卯一| ， 图1 2 不同类型光纤光栅对应的反射谱 1 2 光纤光栅传感的优点 与传统的传感器相比，光纤光栅传感具有很多独特的优点： 2 1 - 2 8 】 ( 1 ) 抗电磁干扰，电绝缘，本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息， 而光纤又是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场， 并且安全可靠。这些特性使其在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干 扰、易燃、易爆的环境中能方便有效的传感。 ( 2 ) 耐腐蚀。由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，忍耐环境中酸碱等 化学成分的能力强，适合于智能结构的长期健康监测。 ( 3 ) i 贝t j 量精度高。光纤传感器采用光测量的技术手段，一般为微米量级，采用 4 波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的纳米量级，利用光纤和光波干涉技术使 光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中，有的已有理论证明，有的已经通 过实验验证，如测量水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器。 ( 4 ) 结构简单，体积小，重量轻，耗能少。光纤传感器都基于光在传感器中的 传播机理进行工作，因而与其他传感器相比耗能相对较少 ( 5 ) 外形可变。光纤遵循h o o k 定律，在弹性范围内，光纤受到外力发生弯曲时 纤芯轴内部分受到压缩作用，芯轴外部分受到拉伸作用。外力消失后，由于弹性 作用，光纤能自动恢复原状。光纤可挠的优点使其可制成外形各异、尺寸不同的 各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。 ( 6 ) 测量对象广泛。可以采用很相近的技术基础构成测量不同物理量的传感器， 这些物理量包括压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。 ( 7 ) 传输频带较宽。通常系统的调制带宽为载波频率的百分之几，光波的频率 较传统的位于射频段或者微波段的频率高出几个数量级，因而其带宽有巨大的提 高，便于实现时分或者频分多路复用，可进行大容量信息的实时测量，使大型结 构的健康监测成为可能。 ( 8 ) 便于复用，便于成网。能够用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自 由度的参数分布，是传统的机械类、电子类、微电子类等分立型器件无法实现的 功能，是传感技术的新发展。光纤传感器可很方便的与计算机和光纤传输系统相 连，有利于与现有光通信网络组成遥测网和光纤传感网。 1 3 光纤光栅传感的发展和应用情况 温度、压力、应变等参数是光纤传感器能够直接传感测量的基本物理量，同 时也是其它各物理量传感的基础，即其它各种物理量的传感都是以光纤传感器对 应变、压力、及温度的感知为基础而衍生出来的。自光纤传感器产生以来，即获 得了广泛的应用，按照光纤传感器应用的领域划分，光纤传感器可应用于：地球 动力学、航天器及船舶、民用工程结构、电力工业、医学、化学测量、军用监控 及告警技术、智能结构及机器人等领域中。 2 9 - 3 9 ( 一) 在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤传感器应用最活跃的领域。力学参量的测量对于 桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和正常工作与否的监测是非常重要的。 通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及正常与否。光纤传感 器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、 形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤传感器可 5 以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，也可以用计算机对传感信号 进行远程控制。 1 9 9 3 年r a y m o n dm m e a s u r e s 等人首先开始了光纤光栅传感器在桥梁的实际 监测应用。加拿大卡尔加里市建造的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥采用了三种预应力筋： 传统钢筋，碳纤复合拉索( c a r b o nf i b e rc o m p o s i t ec a b e l ) ，碳纤拉杆( c a r b o nf i b e r l e a d l i n er o d ) 。为了完成三种预应力筋的性能对比分析，r a y m o n dm m e a s u r e s 等 人在这些预应力筋上布置了光纤光栅传感器，实现结构应力状态的长期监测。1 9 9 6 年，d a v i s m a 在美国新墨西哥拉斯克鲁塞斯市的i 1 0 桥安装了6 0 个f b g 光纤传 感器，成功地实现了对桥梁的动态响应的测量，从而可以监视动态载荷引起的结 构退化和损伤，了解桥梁的交通状况的长期变化。1 9 9 8 年佛蒙特大学的研究小组 在w a t e r b u r y 的一座6 7 米的钢构架大桥上安装了结构健康监测系统，测量数据传 输到中心计算机分析并可从互联网获取分析结果。2 0 0 2 年k u n z l e rm a r l e y 等人为 美国波特兰市1 - 8 4 高速公路研制了光纤光栅交通监测系统，2 0 0 3 年又推出了第二 代交通检测系统。 在欧洲，1 9 9 7 年n e l l e np m 等人在瑞士温特图尔的s t o r c k 大桥的碳纤拉索上 同时粘贴了光纤传感器和电阻应变计，该系统连续运作了几年。2 0 0 1 年 g e b r e m i c h a e ly m 等在挪威的长度为3 4 6 m 的钢架公路桥通过空分复用和波分复用 f b g 传感器，构建了一个实时静态和动态监测系统。同年m a g n es y l v a i n 等在法国 工业部的支持下，在波尔多地区的s a i n t - j e a n 大桥贴装了1 4 个波分复用的光纤光 栅张力计和光纤光栅温度计，监测系统经受住了寒暑季节的变化的考验。2 0 0 2 年 h o f m a r m ，d ，h a b e l ，w 等人对柏林l e h r t e rb a h n h o f 预应力铁路桥的应变和倾度进行 了测量。 ( 二) 在航空航天领域的应用 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，为了监测一架飞行器的压力、温 度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需传感器非常多， 而且对传感器的尺寸和重量要求非常严格。使用先进的抗疲劳、重量轻、强度高 的复合材料是制造航空航天结构的一个必然趋势。如在复合材料的制造过程中埋 入尺寸小、重量轻、灵敏度高的光纤光栅传感器，就可实现对飞行器在运行过程 中的实时健康监测和性能监视，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。因此，航空航天业对光纤光栅传感技术非常重视，仅 波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的专利。 东京大学的k b a a s h i m a 等人将4 0 p e 细径光纤光栅埋入卫星表面的复合材料 中，来监测卫星表面的破损情况，他们在应用前对复合材料进行了拉伸试验，试 验证明细径光纤光栅不会影响复合材料的坚固性。 6 ( 三) 在石油工业的应用 石油化工属于易燃易爆的领域，在油气管道、储油罐和油气井等地方应用电 类传感器存在很大的不安全因素。高温操作和长期稳定性的要求也限制了电类传 感器在石油化工中的应用。永久连续的油田井下监测有利于油田的管理、优化和 发展，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。n e l l n e 等人通过力学传递机制将液体压力转变成光纤光栅的应 变，制成光纤光栅液体压力传感器和光纤光栅温度传感器来监测油井内部的油压 和温度变化。 ( 四) 在地球动力学中的应用 在地震检测等地球动力学领域中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估定 和预测是非常复杂的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动 性及其关键活动范围演变的最有效手段。光纤传感器在这一领域中的应用主要是 在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪等方面。活动区 的应变通常包含静态和动态两种，静态应变( 包括由火山产生的静态变形等) 一般都 定位于与地质变形源很近的距离；而以震源的震波为代表的动态应变则能够在与震 源较远的地球周边环境中检测到。为了得到相当准确的震源或火山源的位置，更 好地描述源区的几何形状和演变情况，需要使用密集排列的应力应变测量仪。光 纤传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器，符合地 震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。 ( 五) 在电力工业中的应用 光纤传感器因不受电磁场干扰、可实现长距离、低损耗传输，已成为电力工 业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤 传感器进行测量。在自然环境中，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发 危险，因此需要在线检测电线的压力情况，特别是对于那些不易检测到的山区电 线。光纤传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的 金属板所受应力的变化，这一应力变化被粘于金属板上的光纤传感器探测到。这 就是利用光纤传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例。在这种情况下，相邻光 纤传感器的间距较大，故不需快速调制和解调。此外，最近还报道了由两个5 5 0 1 1 1 n 波段的光纤和解调用的光谱仪所组成的传感器，成功地测量了高压变压器的绕线 温度，在较大温度范围内的测量精度为1 。 1 4 存在的问题 光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着广阔的发展f j f 景。迄今 7 为止，已有的光纤光栅传感技术还存在着以下的不足： ( 1 ) 现有的光纤光栅传感器都是针对特定结构特殊加工制造的，用于传感的光 纤光栅往往对多种信号敏感，其中最重要的是温度与其他测量分量的交叉敏感， 这就需要设置相应的温度补偿装置或采用单一敏感的调制解调技术。 ( 2 ) 信号解调：实验中一般采用光谱分析仪，但它价格昂贵、体积大，尤其是 不能输出与被测物理量成正比的电信号，因此在实用中必须开发出高效低成本的 信号解调系统。 ( 3 ) 封装后的光纤光栅传感器的传感机理还需要进一步研究，尽最大可能的提 高封装的光纤光栅传感器传感的灵敏度系数。 ( 4 ) 光纤光栅传感器常在动态系统中应用，对其动态响应特性的研究是很重要 的一方面，但目前尚无人进行研究。 ( 5 ) 光源：光纤光栅传感器需用大功率宽带光源或可调谐光源：目前一般采用 的侧面发光二极管( e l e d ) 功率较低，而激光二极管( l d ) 的带宽则较窄。 ( 6 ) 波分复用、时分复用的多路传感器阵列研究：实现多参数、多变量同时测 量的智能化遥测是发展的重点。 ( 7 ) 进一步完善现有的光栅写入方法和封装技术，发展新的写入方法，尤其是 啁啾光栅的写入方法，降低光纤光栅的成本，提高其使用寿命。 1 5 本文主要工作 1 研究了光纤布拉格光栅的反射特性与各参数之间的关系，推导出光纤光栅 的传感公式。 2 分析比较了现有的光纤光栅波长解调技术，在此基础上设计了基于f p 可 调谐滤波的f b g 波长解调系统。提出采用标准具滤波器和参考光纤光栅的方法， 提高了解调系统的精度。详细论述了系统光路的具体组成，介绍了光路器件的原 理和特性，搭建完成f b g 波长解调系统，并不断调试至稳定运行。 3 利用搭建的f b g 和f b g 传感器对不同钢结构的应力进行了测量，并与传 统的电传感器测量结果进行了比较分析，验证了f b g 波长解调系统的可行性并测 试其稳定性与精度。 8 2 光纤光栅传感原理与封装 2 1 光纤光栅传感原理 光纤光栅的中心反射波长为砧= 2 n w a 其中刀万为光纤光栅的有效折射率，人为光纤光栅的周期。【引3 1 如图2 1 所示， 圈2 - l 光纡光栅的基本结构 光纤b r a g g 光栅的反射峰值可以近似等于厶，可表示为应变和温度的函数 砧= 2 刀万人= 2 n e ( 6 ，t ) a ( g ，r ) ( 2 - 1 ) 对式( 2 1 ) 全微分可得 2 b = 2 a ( s , 。陪蚺鲁刁锄扣，。 + 而a a 刁 嘲r ，陪鲁蚺古鲁公r 卜r ，麓蚺去等刁 = 九13 n e 出+ 寺鲁卟以降叭去筹刁 ( 2 2 ) 整理可得 警：i 上簟+ ! 坠b i 上笠+ 三坠i 丁 允口 【- 刀万a f人a s j【- 咒谚a s人a 占j 根据应变、热膨胀系数和热光系数的定义可知 13 a ， 一一= l 9 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 天而；坼 ( 2 5 ) 上堕之f 刀谚a t 7 ( 2 6 ) 式中郎为光纤的热膨胀系数，乡为光纤的热光系数。 因为 t 3 n 谚a g = a n 抛 ( 2 7 ) a n 为应变导致的折射率扰动量。根据应光理论可知 觚一手p 驴勺 ( 2 8 ) 式中鳓为应光张量，e j 当j = l ，2 ，3 时为主应变，当j = 4 ，5 ，6 时为切应变。 取光纤轴向为j = 1 的主应变方向，j - 2 ，3 的主应变方向为垂直于光纤轴向。 假定温度恒定，则利用式( 3 3 8 ) 和( 3 3 9 ) 可得 阿一知 泣9 ) 对于各向同性均质的物质，应光张量为 弓= p l l p 1 2 1 2 p np l l , 2 p 1 2p 1 2p n o0 0 oo0 ooo 0o0 000 000 p 4 4 00 0 p “0 0 0 p “ ( 2 1 0 ) 胪学 ( 2 假定光纤并非双折射率光纤，且光探测器对光偏振态不敏感，面光纤b r a g g 光栅在三个主应变q ，占：，毛作用下的 等一替巾1m 。慨蝎) ) 1 0 对于纯轴向应变， s 2 = 9 3 = 一y 毛 ，v为泊松比， 等十缸圯z ，扣 协 令t 小譬瞄圹以p l l 1 e 1 2 ) 小儿( 2 - 1 4 ) k r 盆上譬+ 娑= 孝+ 口， 1 ”妇 人抛 ( 2 1 5 ) 则得到光纤光栅的传感公式 a a s ：k s s + k r r ( 2 1 6 ) 式中占，t 分别为应变和温度的改变。 熔融石英的参数，p n = o 1 2 1 ，p 1 2 = o 2 7 ，v = o 1 7 ，n e l l 4 5 6 ，可得应变灵敏度系数为 k s = 0 7 8 x 1 0 _ 6 胆。对于掺锗光纤， 口，= 0 5 x1 0 _ 6 室温下 孝= 6 8 1 0 _ 6 8 3 1 0 - 6 ，光纤光栅的温度灵敏度系数为 k 7 = 7 3 x 1 0 。6 8 8 x 1 0 q * c 可以看出，温度和应力都能导致f b g 中心波长产生变化。由此产生的问题是 温度和应力的交叉敏感，即测量应力时无法分辨应力导致的波长和温度变化导致 的波长变化。为了在应力传感时剔除掉温度变化的影响，通常需要温度补偿，在 2 2 光纤光栅传感器的封装与分类 2 2 1常用传感器的特点与比较 ( 1 ) 电阻应变丝 电阻应变丝主要是康铜丝、镍铬丝。其传感原理是其埋入复合材料结构，随 着结构的变形，电阻应变丝产生伸长或缩短，电阻值发生相应的变化。 其主要优点有：短期内性能相对稳定，测量速度快，灵敏度高，测量结果可靠； 加工工艺简单，易制成适于结构的丝材，埋入结构中对结构不造成影响；相配合 的仪器成熟，易与计算机及其他设备兼容等。缺点是输出信号小，易受干扰；存 在放热问题，测量值须进行温度补偿和修正；固化时应变丝与基体材料存在内应 力导致零点漂移问题等。 ( 2 ) 疲劳寿命丝 疲劳寿命丝( 箔) 与电阻应变丝相似，但合金成分和热处理工艺不同，一般由 4 3 c u 、5 5 n i 、2 m n 及少量的c 、s 、s i 经过特殊的热处理工艺而成。实验表 明：循环次数为结构寿命的一半时裂纹开始出现，每种结构材料都有出现疲劳裂 纹对应的电阻变化值。这样，只要得到电阻变化值，即可对结构损伤及剩余寿命 进行评估，其性能与电阻应变丝大致相当。 ( 3 ) 热电偶与热敏电阻 目前，比较常用的电类温度传感器主要是热电偶与热敏电阻温度传感器。热 电偶主要用来测量温度差，为了得到正确的温度值必须用一种基准温度对接点进 行修正，输出的信号比较小，因而在常温附近如不注意测量方式，其测量精度低。 热敏电阻温度传感器的响应速度快，电阻随温度变化能力强，但长期稳定性以及 信号传输距离短，无法满足在强电磁辐射等恶劣工作环境中的工作需要。 ( 4 ) 强度型光纤传感器 主要指分布式微弯光纤传感器，它是利用光纤的微弯效应和o t d r 技术可构 成分布式光纤应变传感器。其具有结构简单，信号调制方便，可以定位和分布式 测量的优点。起初，a s a w a 在实验中将微弯紧固件连在巨型结构件中探测弯曲和 振动。b r u i n s m a 等人也设计了这样一个结构，其光纤的走向受一排螺旋排列的大 头钉的限制，以便使轴向应力产生后负载，这样也产生微弯曲。这种方法中，微 弯曲可用于检测沿轴向的应变。另外还有分布式光纤温度传感器，它是利用光纤 中的拉曼散射或布里渊散射光强随温度的变化关系，以及o t d r 技术可构成分布 式光纤温度传感器。强度型光纤传感器也存在缺点，主要是外界的作用所造成的 光强变化较小，测量信号易受光源起伏，光纤弯曲、接损耗和探测器老化等因素 影响，测试精度较低，且探测设备昂贵等。 ( 5 ) 干涉型光纤传感器 其主要应用以下几种干涉原理： 1 ) 光纤干涉仪：包括马赫一曾德干涉仪、迈克尔逊干涉仪、f p 干涉仪； 2 ) 绝对测干涉仪； 3 ) 光纤偏振干涉仪； 4 ) 分布式高双折射光纤传感器； 5 ) 分布式s a g n a c 光纤应变传感器。 1 2 传感嚣类塑强度型 干涉型光纤光疆 精度证高赢 加工工艺简单 复杂较简革 成本低高 较低 技术成熟性 成熟成热成熬 可否分布测量( 成同) 可以否可以 嵌入性( 兼容性) 可以较难很好 灵敏度低蠢离 线性度一般较好缀好 变形能力好麓好 性能稳定 一般较好好 耐久性好较好好 监测爹数多少 多 啕魔频率带宽宽窄宠 需外部设备鬣简单复杂 较复杂 表2 - 1 各类光纤传感器的比较【4 4 1 其原理是通过被测能量场的作用，使光纤内传输的光波相位发生变化，从而 产生干涉，再用干涉测量技术把相位变化转化为强度变化，检测出待测的物理量。 这种传感器最大的优点是灵敏度高，但干涉光强是相位差的周期性多值函数，其 线性灵敏度区域有限、且不易使用波分复用技术，只适于结构的局部测量。 ( 6 ) 光纤光栅传感器 相比“光强型 和“干涉型”光纤传感器，光纤光栅不仅具有光纤传感器的 优点，同时还具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、传感精度和灵敏度极高、 便于进行绝对数字测量和精确定位的优点。特别的是可实现在一根光纤上多个光 栅的空间分布传感和检测，并可进一步将多路光纤光栅传感器的光纤集合成空间 分布的传感网络系统，因而被认为当前具有发展前途的传感方式。 2 2 2光纤光栅传感器的常见封装与分类 1 3 j t 塞窑亟盘堂亟堂焦监奎出红盘扭挂盛厘墨与封莹 温度、压力、应变等参数是光纤传感器能够直接传感测量的基本物理量，同 时也是其它各物理量传感的基础，即其它各种物理量的传感都是以光纤传感器对 应变、压力、及温度的感知为基础而衍生出来的。彤1 ( 一) 光纤光栅应变传感器 此种传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。 应变直接影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求较小 传感嚣的情况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感嚣直接粘贴在待测结构的表面 或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易 破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。 目前常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。 基片式封装有金属基片封装，和树脂基片封装，封装结构主要由金属薄片( 或 树脂薄片) 、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。该封装结构的基本思想是将光 栅封装在刻有小槽的基片卜，通过基片将被测结构的应变传到光栅上。小槽的主 要目的是增大光栅与基片的接触面积，使其形成有机的整体同时起到保护光栅 的目的。下图为一封装好的基片式光纤光栅传感嚣图片。 管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组 成。光纤光栅毛细管封装的核心工作是封装工艺，封装时必须保证光纤光栅准确 平直的在毛细管的j 下中间，若光栅不在毛细管的正中间，就会导致传感器本身与 待测结构之间存在一个夹角，从而不能准确的传递应变。有的传感器设计者考虑 到传感器埋入结构中使用的便利性，还在钢管两端设置限位金属环。有人设计了 一种带金属环的半金属套管用以封装光纤光栅，这里的定位环起固定光纤光栅的 作用。 | 冬| 2 - 2 用于封装光纤光栅的半会属套管 当用丙酮溶解特种胶分离光纤光栅时，会将光纤光栅与半金属套管粘贴处的 特种胶溶解，由于光纤光栅本身有一定的弹性和强度，光纤光栅会弹起并移动位 置，而定位环使半金属套管取下后光纤光栅与半金属套管仍然固定在一起，因而 再次粘贴光纤光栅过程中当需要移动光纤光栅时只需移动与光纤光栅固定在一起 的半金属套管即可。图2 - 2 给出用于封装光纤光栅的半金属套管 夹持式封装技术的主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持 构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅口，该方式封装的传感器可 根据实际需要改变标距长度。用于粘贴光纤光栅传感器和基体材料的胶粘剂，其 工作寿命很难与光纤光栅相比，在一些恶劣的工作环境中，如海洋环境中，海水 的侵蚀很容易使胶粘剂失效。焊接是一种材料连接技术，它通过物理化学过程使 分离的材料产生原子或分子间的作用力而连接在一起，与胶粘接技术相比，焊接 技术具有结合力强、耐久性好等特点。夹持式封装的传感器可直接粘贴或焊接在 待测参照传感结构或系统鳞调方式灵敏度或精度 温度聚合物封装波长解调2 肛1 0 0 0 2 3n m &丸 聚合物增敏罐波长解调 0 _ 4 4m p a - 5 2 7 7i i h l m p a 申空玻璃球5 0m p