（物理电子学专业论文）布拉格光纤光栅传感器关键技术及应用研究.pdf

摘要 随着党纤光捱制造技零的誉冁窝繁，毙缂老瓣若经溅潍茸蓠最巽赘麓髓途秘挖褒彀静先纤无滚 器件之一。由于具有很多独特鲍优点，溅年来光纾光栅程褥感领域的殿用得到了密切燕注藕研究， 巽骞广翡瓣藏强蘩景，掺会犬羧横癍瘸子芏堑控澍、建筑物、褥粱、攀事等镁域毽燕，褒毒静光 舞巍撵转黪教零鸯襄歪鹃产整豫嶷掰还骞毅歪毒，辩帮诲多罪理霸王疆上懿壤点嚣簧竞蠢，奉支 主要对光祥光栅传痞器的部分关键技术和实际应用中的一糖难点进行了理论和蜜虢研究。 本文酋先对准分布式光纤光栅传赌麓用系统中关键的波长解调技术进行了壤论和炎验研究。我 靛的实验系统采用可调磷毙纾激巍嚣柞魏鬼涎，结台辩动储号技术帮反馕环电路以撼超解蔼分辨率， 透过l8 酗静酊开发7 集嵇号发生、数褥采集，接号瑟璞毙髂瓣盎援绶嚣，囊鬻了鑫臻纯窭霾圣整溅。 通过渡分夔艨技术实现了王作波长1 5 3 0 1 5 6 0 r i m ，扫籀频率0 2 0 0 h z 、势辨睾l 阚咿蝴l 、复用数目 为盼准分布式光纤光楗传感美爝系统。 撵垃l 势辩瑗了费态岛静态僖警翔时徐灏的解疆技术遴进改交胃调谮先纤f - p 滤渡攀的锯齿浚 扫描驱动毂驻的工作流糕，将实用予多掇光栅的扫描王俸模式和用于罄搬光栅的闭蓍f 镁定工作模式 缕台在一起，然螽嚣量热在兜绣f o p 澹渡器上羲藏譬毫器秘爱馈电匿羚霹努捌熬调舞番蒋感光蠢孛 杏浚长薄客秘动态夔穰穆。在辫辩壤巍攘凑棼态嚣黠狳澜熊试验牵，努嬲获褥彳静态lp s t r w ；n 帮魂 态5 0 0 h z 时3 4 船，z 酝的解调分辨率，验证了该方法可朋于动态与静卷信号的同时橡滔 研究崭耀折射布拉格光纤光栅用予辫轴应变传痘的原耀和实现方法对横向威力场作用下高双 辑菇和低磁折射宠耱嚣巍谗黪饿避行了爨论帮实验研究。建立了光谱蟾斑分赞模整，艨瓣蒋赣矩阵 法黯各耱l # 均匀攮建痤秀璃下囊竣赞鸯| 籍低囊辑瓣怒瓣瓣巍落迸行了数篷搂羧，餐窭了稳痤瓣竞瀵 响应曲线。实验通过对低鞭折射光栅臆翱存在梯废的应力，实验结果表明，由于横向成力产生的双 折砉| 效成熬窍在，光摄黔搬谱发嫩了屣懿并直至分裂域秘个反射峰，l 霹黠成为梯纛静棼崔使褥其中 一个反瓣棒襻次发生分袭。这些鬟骧结荣每理论颈涮一致 最殿。罄次箍出利爝光纤光撩传感嚣测量简支矩黪薄板攫横向载椅下挠度帮威变分布的方法。 运蓬在薄缀4 令蚕嚣整薰务壤浚l 壤受野毙舞，裂磊鏊予霉调谐激舞瓣蓬戆毙绔毙舞鳇瘩舞调系统 捡嚣毽寝燮傣惠，蒡缝套麓支簌形裁缝缭肄薅赫藏4 璜谤冀斑决定巍囊鞠盛燮熬赫蘩参羧，最终健 入矩形税释位置的坐标德h 口可获褥矩形檄各点的挠度和艘变值。实验来用集中威为的方式对矩形板 进行了载椅燕验实验结果与理论模拟相符，证实了谈方j 嗷的可行性 关键羁；凳终姆瞻薅感嚣，准势攫痰残芟搀感，波长群调，蘸静态霹簿蘸誊，嚣辖鸯援舞癌鸯，熬 谱响应，楚交矩形援，挠发 a b s t r a c t w h ht h ef i b e rb r a g gg r a 鼬g ( f b o ) 擞融瞳毖耙f 自gt e c h n o l o g yb e c o m e sc o n t i n u o u s l ym a t u r e , f b g l m o m e so r eo ft h em o s tp r o m i s i n ga n dr c p r e s e n t a t i o n u lo p t i c a lp a s s i v ed e v i c e sa tp r e s e n t a sf b gh a s m a n yu n i q u ea d v a n t a g e s 。t h ea p p l i c a t i o no f f b gs e l b o rh a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n 柚dh a sb e e n i n t e n s i v e l ys t u d i e di nr e c e n ty e a t s f b g h a s1 v i 如a p p h c 越i o np r o s p e c t si ni i l l 如螂c o n t r o l 、t h e b u u d i n g 、铂eb r i d g ea n dm i l i t a r yf i e l da n ds oo n t h ef b gs e n s o rt a c h i n i q u e , h o w e v e r , d i dl 罐i n d e e d r e a l i z ei n d u s t r i a l i z a t i o na tp r e s e n ts t a g e t h e r em s t i l lm a n ya c a d e m i c d 觏| g m 血培p r o b l e m sn e e dt ob e i n v e s t i g a t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ek e yt 挑h n o l o g i e so ff b gs e b s o ra n ds o m ed i f f i c u l t i e se n c o u n t e r e di n a p p l i c a t i o n s w e r e t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e r l 纽l l ys t u d i e d f i t s t l y , t h ek e yt e c 融褂l o 群( w a v e l e n g t h - o n e n d e d3 i g l l a ld e m o d u l a t i o n ) o f & q t m s i - d i s t d b u t e ds u - a i n s a f l s o rs y s t e m sw a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h es y s t e mu s a saw a v e l e n g t ht r e m b l ef i b e r l a s e ra st h ei i g i i t i t h e 帮难ma l s oc o m b i n e sd i t h e rt e c h n i q u ea n daf e e d b a c kl o o pa r r a n g e m e n tt o i m p r o v e t h er e s o i n f i o n w e 妇h 蠹哟w 7 t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r e t o d e v e l o p a v i r t l 瑾i n s t n l m e n t ( 弼 w h i c hc o u l dr e a l i z em a n yk i n d so fr u n o n ss u c ha sc o n f i g o r m ga c q u i r i n g , a n dg e n e r a t i n gd a t a t h e s y s t e mc o u l dp e r f o r ma u t o m a t i c a la n dr e u l - t i m em 讲血o r i n 粤u s i n gt h ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p i e 】【i 1 唱 t e c h n i q u e , aq u i - d i s t r i b u t e df b g 蜘姒野蛐mw i t hw 伽妇【i gw a v e l e n g t hr a n g eo f1 5 3 0 1 5 6 0 n m 、 f r e q u e n c y s o m 1r a n g e o f 0 , - 2 0 0 i - - i z , s t r a i nr e s o l u t i o n o f l z s t r a n ，m u l d p l 麟a d 2 0 陷脚翻孵i o 阻 an o v e lf i b e rb r a g gg r a t i n g0 t o o ) 1 l l c n s o rd e m o d u l a t i o ns y s t e mf o rs i m u l t a n e o u s l yg t a t i ca n d d y n a m i cm e a s u r e m e n t sw a sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d t h es y s t e mc o m b i n e st w or u n n i n gm o d e s ，a f e e d b a c kl 0 0 9a r r a n g e m e n ta n d4e l o s o d - l o o pt r a c k i n gm o d ef o ra s i n g l es e n s o re e n l e r 哇a n dt h e s c a n n i n gw o r k i n gm o d ef o rm u l t i p l e 螂塔。稻b yv a r y i n gt h ep r o c e s so ft h ef - pd r i v e ns a w t o o t h v o l t a g e t h e nt h es h o i ca n dd y n a m i cc h a n g e s i nb r a g gw a v e l e n g t hc o u l db em e a s u r e db ym o n i t o r i n g t h et o t a lb i a sv o l t a g ee n dt h ef e e d b a c kv o l t a g er e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h es t r a i n r e s o l u t i o n so f - l 芦a n d3 4 w 1 0 磊a t5 0 0 i - i zf r o s 酾ea n dd y l l a l 蕾i cm 髓鞠睇翱晦r e s p e c t i v e l y , w h i c hv e r i f i e dt h em e t h o di sa p p l i c a b l e t h et h e o r i t i c a lm o d e la n dr e a l i z e dm e t h o do f m u l t i - a x i ss t r a i ns e n s i n gb yu o f h i g hb i 地矗岫黜 f b gw a ss t u d i e d t h e 糟印o fl ：b gw r i t t e ni nh i g h 秘糟场珥卿f i b e ra n dl o wb i r e f r i n g e n c 2f i b e r s u b j e c t e dt o 吣e r s es t r e s sf i e l d s 黼ss t u d i e dt h e o r e t i c a 越ya n de x l 始 d m e n t a l l y t h em o d e lo f 雌。曲瞰m r e s p o n s ew a se s t a b l i s h e d t h er e f l e c t i v es p e c m u n so ff b gw r i t t e ni nh i g hb i r e 箭i l g e n c ef i b e ra n dl o w b i r e f r i n g e n c ef i b e ru n d e rs o m en o n - h o m o g e n e o u sw u h v e r s es t r a i nf i e l d s m a t h e m a t i c a ls i m u l a t e da n d s h o w nb yp i e c e w i s e - u n i f o r ma p p r o a c h e x p e r i m e n t 醐c a r r i e do u t 幽嘲t h ea p p l i c a t i o no fl o a d s w i t h 剜聪s 8g r a d i e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wb r o a d e n i n ga n ds p l i to ft h ep e a ka tt h eb r a g g r e f l e c t i o nw a v e l e n g t hi n d u c e db yb i r e f i 】i n g e n c ee f f e c to ff b gu n d e r 臼铷眦锻f o r c e , w h i c ha g r e e d w e l lw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n am e a s u r e m e n tm e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e dt od e t e r m i n et h ef u l lf i e l dd e f o m m t i o no fgs i m p l y s u p p o r t e dp l a n ep l a t eu n d e ru a l l b - v e l l o a d t h em e t h o du t i l i z e ss t r a i ni n f o r m a t i o np r o v i d e db ya s e t o ff o u rf i b e rb r a g gg m i n g ( f b g ) s o i l s o r sm o u n t e do nt h ep l a t ei naw a yt h a ta l ls e n s o r sm e a s u r e s t r a i n sa l o n gac e r t a i nd i r e c t i o n t h es e n s o r sw e r ei n t e r r o g a t e du s i n g # w a v e l e n g t hs w e p tf i b e rl a s e r u t i l i z i n gt h es t r a i n i n f o r m a t i o na n dt h ef i r s t4t e r m so fn a v i e rs o l u t i o no fs h n p t ys u p p o r t e d 糟啪触p l a t e , t h en e c e s s a r yp a r a m e t e r sf o rd e t e n n 蛐gt h ed e f l e c t i o nc o u l db ec o m p u t e d 。b y s u b s t i t u t i n gt h ev a l u e so fxa n dy c o o r d i n a t e so fe a c hp o s i t i o n 滩t h e 僻啪蕊g p l a t e , t h ef u l l - f i e l d d e f l e c t i o na n ds t r a i ni n f o r m a t i o n 潮b eo b t a i n e d 。s i n g l e - p o i n tl o a d i n gt e s t sw o r o 黼警钟抽蛾 p e r f o r m e 曛g o o da g r e e m e n t sb e t w e e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t 棚t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nv e r i f i e dt h e f e a s i b i f i t yo f t h e m e t h o d ， k e y w o r d m - f i b e rb r a g g 群酬i n gs e n s o r , q u a s i - d i s t r l b u t e ds t r a i ns e n s o r ；, w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n , s i m u l t a n e o u s l ys t a t i ca n dd y n a m i cm e a s u r e m e n t s , r i c e - u n i f o r mt r a n s v e r s es t r e s s , 雌瞄黼黻砖犟虢 s i m p l y $ b p p 0 1 l dp l a t e , r e f l e c t i o n ； 拦 东南大学攀璧论文独创性声鞭 率人声明所量交的学位论文怒我个人在导师指鲁下进行的研究工作及取褥的研究成 粜尽我搿知，赊了文中特制加以标淀和致谢的地方辨，论文中举包含其德入溅经发表或 鬟篱遴舞臻窕残暴，氆不琶窘为获褥系露大学藏冀宅蒙簿撬褥静学位或迁喾嚣穗臻过瓣耪 科。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何赞献均己在论文中作了明确的说明井袭示了 瓣囊。 研究生签名：垄垫士e t 期：型 东南大学学位论文使用授权声明 寒骞太学、孛渊辩学挂米维塞骥爨掰、蛋家黧书结考叛探塞零太耩送燮攀霞论文瓣复牵 释糍燕子文橙，霹班采耀影蹲、绻辩或箕拖复割孕羧探存沧交。率入窀子文籀瓣拇容耱| 暖 论烹的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被套阅和借阅，可以公布( 包括 列爨) 论文钓全都或帮分内褰。谚文的公毒 一种最简单的啁嗷结构就是光栅周期的变化呈线性 a ( d = + a l z 0 - 4 ) 式中，a 。是起始周期，a 。是沿光撩长度方向的单位变化董，因i l 艺可班将这种竞据结构著作是由一 系列长度较短，周期逐步增加的均匀光纤布拉格光栅构成一个典型的线性啁啾光栅的反射谱和透 射谱知嬲1 9 所示。 曩翦专起写入骥啾残撩熬方法绣纷撼习毫。主要毒骥壤楣鑫捷搂援、= 次囊巍法、全塞干涉法， 弯曲法、镶型光纤纵向威力法、锥型纤芯法，应力梯成法、温度梯度法等等。总的来诞，虽然通过 _ b a 獬_ 峨 图1 9 线性啁啾光栅的反射谱和透射谱 多年的努力，研究出了许多啁瞅光纤光栅的制作方法。但仍然存在许多技术上的问蹶，投入实际应 用豹方法只有嘱嗷相位撼楼板等少数几种方法，露碉嗽相位捷摸扳法燕一种割作成本缀赢且援不灵 活的方法，园瑟需要避一步热强稠嚷毙野兜棰割俸方法豹研究。 啁啾光栅传感器可以弥补f b g 应用时的一些不足，由于f b g 的几何结构是均匀的，对单参数 的定点溯甓很有效，但襁需要测量应变或温度沿光棚长度的分布时力不从心，啁啾光栅传感器的主 要传感癍用裁是这种所谓豹内光栅持感，同时锥形啁嗷龙提传感器剥翅其对温度和威变场独特豹响 应来嗣辩潮量应变帮瀑爱，惩井宽晕鹈壤毙攘还可鞋旋弱于传感嚣黢瓣谓系统等等 6 毫薹_ 1 3 2 挺辩悲纤光褥静成襁枫瑕分类 根掰撩射率变化起因的幂嗣，即光纾光栅豹戎捶帆制每光敏规理的差异，飙激光舱能量密度、 琢光霹阑、热稳定性、镄输裁耗、章| 辩鞠成、掺杂滚发释黼素考虑，霹势为l 型、i i a 激稻珏型先纤 光攮。这要种光栅在传感废用中的燕要医剐主要是其温度特性，下面逐介绍； l | 型毙瓣 l 型光栅翔最常见的光横。胃在经僻类型的光敏光纤上成耱。其烹簧特点燕蒹导波模的反射光 谱与透射谱腻补，几乎没有吸收绒傀层耦台损耗；另特点是容易被“攥除”，即在较低温度( 2 0 0 0 左右) 下光栅尝变弱或消失。 霉珏矗塞悲耱 a 型光栅成橱于商掺错( 1 5 m 0 1 ) 豹光敏光纤域硼锗共掺光敏光缚上，曝光时阕较长。成耩 机理于i 型葶同。其写入进程为：曝光开始不久，纤芯巾彤戒l 型光褥，随卷曝光耐解的增加，此 竞蠢被粼努躐蠹完全擦狳，然簧瓣产生第二令宠撵，帮澎躐珏a 墅毙穰，箕溢凌稳定魏锭子l 蕉毙 疆，直剿5 0 0 c 附近右擞溉察到光栅的擦除效应，更适合乎在高温下使用，如藏漱传戆簿。 黔i i 登巍雏 珏整巍撩毒草牵离能薰毙糠j 唪( 太予0 s j l v m 2 ) 繇毙澎成。箕透射灌凳鼗健波长天乎b r a g g 渡 长的光透射，波长小的部分被耦含到包层中损耗掉。成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤 芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤的结聚。有极高的温度橼定性，在8 0 0 1 3 下放鬣2 4 小时无明显变 抱，在1 0 0 0 环境孛放鬟4 小时露大姆分兜撵才溥失 1 3 。3 穰旅毙纤光穰戆绎芯耢摹尊分类 按骂入沌栅的光纤纾芯材料黛裂，光纾光襁一般鼢游石英光纤巍耱釉凝食物光纡光疆，对于 免子鑫俸惑纾惫捧来谨，瘸子箕必绎戆释慧霹鞋是空气，戮就逛可l ：乏褥宅分茺冀巾一蹙。藏蘸研究 和应用最多的是在石英光纤中写入i l 孽光纤兜栅，前亟章节蒋较详细介绢，这里举鞭赞蟪，这里简单 奔缨一- f 蘩会貉光纾巍撵窝宠予菇侮毙终怒羹。 | 聚毒魏巍野毙器 聚合物光纤( p l o y m e ro v 杜c af i b e r ，p o d 是采用聚台物绒有机材料制成，常以r r , 伽t a ( m 甲基丙 烯酸甲酗) 为野芯材料。落具有直径犬、浆软、弯曲性能好、易于加工、成本低等优点。因此基于p o f 鳇无嚣先臻律的疆究方必皋艾。墩翠簌p o f 中铡律光绎党糠的需求亲鑫予w d m ( 渡分复用) 懿蓑 要，1 9 9 9 年z 。x i o n g 等夫簧次在p o f 孛筹天b r a g g 巍饕，冀毁遥赞羲、毙敏经强、扬捉摸量枣等魏 点弓i 起了入们豹注意。内予此葡籀楚光纤毙褪在先通信领域已经箍广溅胡作波长调谐釉反射元件， 而这些斑用燕簧通过外界物理鬣如j 藏变和温度等改变光栅的周期来实璐。然而。对于前英光纤光播 磊害，蘧避潦霾或虚力等携理萋羧黛豹波长镶移塞圪较奎。一般只有1 0 h m 焘豢，不熊满足w d m 的常宽需搿( 将来可这1 0 0 r i m 以土) 。骧瓣除了石英光纤举睫承受较大藏变以井，矮有巍乎石英具有 较小的热膨胀系数和较太的杨氏攒爨，磁p o f 却缀不一榉，例如p m m a 的杨笼摸爨埘达o 。l x l 0 1 。 n m 2 ，范蠢茭瓣辆氏摸羹7 ，1 3 x 1 0 ”n m 2 ) ，l 、为蘩菇主，嗣对宅熬热毙系数、燕黪辍袭熬蠡滋较 7 衮毒大孝博士举像论文 大，并熙 o f 光栅的光致折射率变化a h 可达1 0 2 。加上它具有较大的可挠性，例如p m m a 光纤可 承受1 3 的可恢复应黛，是普通石英光纤的十倍以上，因此由轴向威力及外界温度变化导致b r a g g 波长漂移爨也将比较大。这里假设聚台物光纡光栅b r a g g 波长为1 5 5 0 h m ，则莜据光纤兜捱的痤变传 巷原瑾( 赫在第二章夯缀) 弑及p o f 静蒸零往震，辩摊豹瘟交藏可爱b r a g g 波长移麓薰迭鬟1 5 5 r i m 如果考虑到对p o f 光栅施加拉力和压力两种应变。则b r a g g 波长的可调谐范围就可达3 0 0 h m 以上 聚合物光纤光栅的制作近年来也获得了重要进展，因纤芯材料不同，p o f g 的制作方法有其独 特性，烹簧有：曝光法。该方法与用鬻光法割卡# 石英光鲜光栅一样，郄在光纡中掺入光敏杂质，用 光辐蘸馁辑射率发生变纯。竞致聚合法。逶过光豹瓣瓣产生叁由萋，导致聚合秘串寒反应魏萃体 聚合。从而提高纤芯的拼射率而形成光栅。交叉连接法。通过诱导自由基使得聚合物链相互连接。 进而提黼聚合物材料的折射率而形成光栅。虽然p o f g 问世不算太久。但人们对其制作技术已获得 了相当大的进步，无论巍纤芯材辩、掺杂光敏物质还是旋写入光源上都蠢新豹进展，x i o n g z 等人制 作豹p o f g ，箕夏搿豢塞隽o s m n ，反瓣攀为s 髀弦主，霹调范嚣大予7 0 h m ，笼石英毙绎竞蠢要丈 得多 目前。聚合物光纤光栅仍有许多问题需要研究，如聚合物材料的光敏机理、可靠性、化学、温 度和枫械特性等等，但怒可以预见，聚会物光纡光撮幽予挠承受较大的应变，可以极大地提高光纤 宠疆黉蒜嚣豹量翟和霹纛缝，莠噩魄舔茭毙绎其骞蔓舞豹灵簸疫等德努，登梅在毙纾俦黪锈壤发挥 作用。 ( 2 ) 光予晶体光纤光揖 1 9 9 6 年英国b a t h 大学的硒出等入鬻次制造兵毒党乎菇俸包层嚣薪赣光纤，它具有掰奇的光学特 性口钉并对光纤光学产生丁深刻的影响。光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p c f ) 的纤稿可以是石英 也可以题空气。按其纤旗成分的不同，p c f 可以分为两种类型：实芯p c f 。其结构类似于传统的光 纾，只楚魍层毒交纯，纾芯识为硅捧，周撼是属期性搏列戆空气孔，羰纡荩豹辑射率仍然犬于包层， 所鞋仍燕传统的反熏| 式搏光方式，教也朝傲改进的全蠢菠射p c f l 戳蕊p c f 。它最文的不同是纤芯 是空气孔，特定频率的光波以各不同的角度进入光纤遇到光子带隙时毙法穿越而被艇射回来。因此 只能沿空气通道前进。 与传缝豹光纾光提攘魄，p c f g 具蠢搬下特性：二缭域多维光子晶髂、设计自由度大( 鲡单芯或 多芯、意气毳可填宠介矮等) 、滚长调谐藏垂宽( 可运1 0 0 h m 吸上) 、两进行多参量、多功能感测等。 p c f g 在传感领域同样具有较好的应用前景，目前已经肖了一些应用，例如作为外界折射率不敏感的 p c f g ，凼于传统光纤光栅的包层谐振波楚在空气硅界面上相干反射形成，如果光栅所处的外界环境 发生变纯，舞| 其姥赣必港芬箍之改变。掇然这种效应霹以用来测量辨郝折射辜、浓度嚣锈理量；但 是在溺冀它参量时，往筑需要剔除舞界环境交诧因素，瓣需要具有对外莽折射率不敏感的性质光绎 光栅器件。p c f g 就具有对外界折射率不敏感的性质。可以用在传感领域剔除外界扰动因素，从而获 得高精度的测量结果。p c f g 还可以用来消除温度，应力受叉敏感效应，原因p c f g 对锨发不敏感，远 小于骜遴单模光纾光摄豹滠漂能力，势艇譬麟在s 0 0 0 c 寒温时就套被攘除，嚣翻髑双毙子吸嫒 法写割的p c f g 在5 0 0 。c 黼温下酶透射光谱与常温下的潦射光谱几乎一样。具有良好静瀛度稳定性， 因此这种x 愠度不敏感的p c f g 在光传感领域有重要作用。 传统光纤光栅的写制方法如相位横扳法、振幅模掇法、c 0 2 激光加热法等较成熟，已实现批量 生产。对子p e ，其售联海空气魏维构，翔舞在其主霉剿光援著毒l 造如基于p c f g 瓣嚣移t 残为近年 来的研究热点。目前圪较成熟的方法霄：紫井曝光法紫 曝光技零沿袭了传统光纾光褫写制技 术，继承性好，技术比较成熟，且具备批量生产条件，可以写入f b g 和l p g ，但是鬻求在纤芯掺杂 3 稀土元素戡增强其光敏饿，这会造成瞰f 的生产过程复杂，增加额外擒零；箍鼠在纤蕊上掺杂其它 元素，一嫩程度上会破坏光在纤勰的传搏特性。热激成栅法。利用c 0 2 激光程纯碡纤芯的p c f 上热 囊 璧刻裳蠛? l p g 豹写翻，热激藏撩法典鸯蜀絮可调、焚涟性毫、对党滚穗子搜攥求繇等撬点，毽 热激成撩法必能写制l p g 。机械惩力法写制。应用簸力装置将p c f 必程两个麟阗。举j 粥弹光效应， 在受匿点获褥徽小鲍折射睾的改变褥霉入党据。机壤嚣力法具有机构簿攀，光栅谱攘波长及藕合强 度霹控餐往纛，滏不是瓣是竞撵效瘦不簿久整，爰复藏嚣会损耀怼f 壤震。敷毙予裁霾法。餐薅 辣；孛溅煮遴避毙瓣、茬蕤辘瑟聚焦翔憋灶，获缛了p c f o 。霹毙子啜投法霹谯誉掺杂熬瓮 主写入 f b g 。鼠簿涮的p f b g 能霄效挪韵磐瓣簸廨，具有嶷辩瓣澈殿翟定性。德赶方法对霹耧环境的要求较 高，写制时问也比较长。 随着p c f g 的成功制钕以及埘p c m 认识的加深，研制蒺于p c f g 的新型光予器件也邂步成为光电 子学领域鳇蘸沿课题之一，各静蒸予p c f g 酌光子嚣翳鳃错裁，蜇各种p c f g 燃，p e 硒藏太器、 p c t g 滤波嚣戳及p c f g 多维舞麟鞯莓，镌将琏之兴鑫静发艇，据骞蠡耱。裔筹”燕学特缝熬翻西， 也必将拾巍纤传蕃技术静耀远发袋带来嚣力 1 。4f 黼的应用领域 在先遴馈迅猛发展的带动下，f b g 糖_ 黪器作为传黪骥家族中年轻盼荧，以荚在抗电磁干扰、 塞动态藏爨、轻巧、灵敏发嚣方瓣猛一嚣二嚣撬势，舞薤逶避各静复蠲技寒，簸文犬簿抵系统匏成 本，逸鼹避零謇应瑗壤城矮帮赣广，在疑掰缍构，簸天靛窆韭翔、邀秀王盈、繇浊托z 建，嚣学、 菝工监等释娩器爱军事镁城串帮褥瓣了滋嚣运建鞠，帮分基于毒控籍免纾党撵弱荣戆解决方案毯 经市场化，下面介绍它的几个主嬲鹰用方面 1 4 1 大型生木工程籁复合毒| 辩 簧绫熬大塑复合耢瓣窝灌凝童结籀酶毽康灏试一靛帮；蓬莱焉在羲瓣黪上安装癍交黪熬方式送嚣 监铡，崖变片的技术已缀相当成熟，很随着应用范围的扩大，也暴露出了很多不足的趣方，例如： 布线繁杂。举易组网，易受电磁平扰镣。近年来随着光纤传感技术的逐潮成熟，褥g 俦感器的优点 氇越来越鞠麓，弯越来越多瓣芏簇溅试嚣贻采羯f b g 耱拣瓣l ”“。f b g 形变蒋薅器舞骰了一孽矮予 公路及耩粱l 卅、建筑、辍坝、舰船和飞机等的健康监测的方法p ”，来糟分布式爝入舔w 以实现所 谓的智熊耪辩9 3 州，它篷撵将敏感嚣搏嵌入被测掏纷巍体翱砉| 辩中印l ，扶瑟在构传藏辩辩常规工箨 妻孽嚣霎雩蜜璃辩箕安全运转、毂辕簿虢实辩簸型嘲。其关键淹题是光绎秘电导线与多耱季| 辩熬喜效 弦含。智鼹糕辩 蟠l 律荛瓣粱、太瑷蒋混凝大墅建襞麴羧涎系统基杰黧殍多楚z 赣串遁涟安装溅试 并付诸应用。此外，智能材料在航空航天领域的应用1 也翻趋广泛，尤箕是采用f b g 釉光纤分布式 应力、温度测量系统进行繇劣环境条件一高温、变形的多参量监测取得了明显的散果。下面是一些 f b g 实鼯艘用的例子： i 辑巢 桥槊燎鞠前f b g 传藤器成用最多的领域阀，对一座拼粱进行健康梭测是保证桥粱z 程质量酌重 要手段1 4 3 州l ，它往往是藏王孛不w 蛾少匏步骤之一，并盛墩是壹滇辑粱瘸窘疆魔翱维辏瓣重要壤据， 嚣蘸基予带戆格光纤光撵传感器耩絮鹃鼹廉整灏系统主臻镪耩如下死个方蠢静秘耱；l + 轿粱长期在 线监爨 置桥梁实时健潦状况评储；3 耩梁实时远程管壤等 尊 末毒大学鹭圭攀位论文 ( 2 ) 大瑚 大坝的安全性和稳定性直接关系到下游地区的生灞、生产安全。射其结构和使用状态进行监测 是镲薅蓑安全豹重要内褰。毙绎是捷赞臻器俸积套巧、安装方矮、逶念在瑟劣褒 盎垮凌孛使爱著基 对坝体率身结构无影响，因此光纤光栅传感技术可对接个坝体进行实时监测，分析个屡璇受力情况。 定位损伤点，及时报警，防患于未然；阉时为新的大蜘设计方案提供模拟数据库，实现其结构的最 优化设计 ( 3 ) 公路 公路分为底基层、蒋通层和沥青层，一般分6 7 屡进行施工，每一层面的应变情况不同，内部 存在较为复杂豹应交，较大熬应变使公路在使用孛较荔疲劳破擐，公踌的痤变一般不越过6 0 0 个擞 应变，：器党 容易破攒。f b g 应变簧瘩臻霹箍测各层路蘸豹痘变请嚣莠遴过数蕹分析褥剿公路攒舔程 度 ( 4 ) l 道 可剃糟f b g 传感系统对现有的隧谶避行监涓。为设计提供详尽的楼撤数据库，实现结构方案的 最优化。施工阶段使用光纤光栅传感系缆可在隧道施工过程中。实时j i 茳测工程周围地质情况，保障 施工安垒。使用阶段实时监测隧道运行状态，定位其结构损伤及裂缝位置，并对裂缝进行监控，保 鼙疆遂安全运蓉。 ( 5 ) 边域 传统豹选坡稳定性簸渊方法是剩用静静电学量的爨件，这些器件遴鬻都具有易被壤黻干扰 冬，遮藏 警。刍：2 。， 叫) k 物三 、 箕孛，n ：= l a 是光攮楗据戆慧数，掰戳弱走握戆带赛主要决定予茭长发，长度越太，带宽越窄。 然而，戳强光栅中由予a ，。 阜，西此 些。勉堂 毛一酝 2 2 5 ) 在光纤光栅的传礴臌用中，2 1 9 式确定了中心波长屯与光栅周期a 和反向耩食横有效折射率 的篾系，为光纤光栅在外界作用下中心波长的传黪响应提供了理论工具即任何使这两个参量 发生改交的过程都搀s l 怒光捷孛心波长的攘咎，两中心波长的信移裁楚光捷传感应用埘的主要莜摆， 当然莱藏特殊场台鲡饕均匀痖力 骞嚣下，辑究光掇静毙遘展竟和蒂宠龟楚必要懿。 2 2 布拉格光纤光栅传感理论 秘臻妻孽蜂僮爱瓣渡长满霆关系式： 磊= 2 n 。人 ( 2 2 6 ) 由上式可知峰值反射波长随折射率和光栅周期的变化而变化。而外界参量的变化又直接影响 疆g 的辑碧| 事和周期，内2 2 6 式可以褥剽，f b g 在外再搏用下，其变纯为： 盎矗= 2 a f 矗n d - 1 - 1 毋6 a ，a ) g 1 2 乃 其折射率和光栅周期将发生变化，撵致光纤光栅的峰值反射波长麓生移动，这种光纤光栅的峰 值反射波长随外界变化而移动的特性可成用于传感领域。下面主要介绍几种应用最广泛的参量如应 交、压力秘湿度豹抟感数学模型，其它些重要物理参数如超声波，加速度，力荨郡可以转他为以 上霓令参数来测量，因她这些模型爨然适用 2 2 1 成交传感模型 褒薰壤力学孛聂基本熬壤念藏是痰力秘瘟交，嚣l 娥示了一个蒙彀凳l 魏雾在辘翔力p 戆捧瑗 下仲长了a l ，假设力p 是沿着棒的质心作用，那么此时棒受刭的应力藏是： 阿= 帑哥= 割压一暇 第二章捧靛格光纤先糍的俦籀辘理鞠关键技术 尹 拶= 一 一 g 0 8 ) 斌串a 是转的横截瓣骥，这里赣设棒的按羲掰怒蜷匀麴弼群，艨燮定义为蓐瓣 i l 长粒擐来长 霪黪耽毽，1 0 6 辩受t 置曲t r a n ： 越 峨2 t ( 2 上9 ) 黼2 2 轴藏凌力秘藏燮。 寝联鸯荨 起宠援孛心波长俊穆酶步 嚣因素中，糍宠、应变参羹是鞭燕搂憋，无论燕黠光攘避镗 拉静还戆挠珏，都将霉致光栅折射率釉周期的交他，分期对应弹光效疵骧及弹性形变豹影响。但燕 要得到光纤光栅搬变传感数学模型还簧旗予几点假设：作为传癌器件，滟纤光栅的缝构仅包盘纾 芯释键屡辩屡，瓣为在毙野先撵裁 簟对醴缝去除了巍簿多魄瑶；由丽葵耪辩裁成的搬绎竞器农所 研究豹瘴_ 鸯蔻蠢内鸯一壤想弹性俸，盛存部不存在协艘交；光纾巍耩掰瓣率变纯在光纾截垂童簿 匀分稚，鼠这种光致折囊不影响光纤自舟备向同性的特1 生，满足弹性常数多重简并的特点 藻予以上弦设。由材辩力学可知，垫个理桂体受撩匈疲力作用时，辘岛发生成变嚣，同时在 垂壹予辘巍静寿辩逛会茨塞瘫交，置交诧考舞与釉瓣糖菠，=