（电气工程专业论文）变电站光纤光栅综合温度监测系统的研究.pdf

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6 3 4 5 抄收管理“4 8 3 5w e b 部分4 9 3 5 1 登录5 0 2 山东大学工程硕士专业学位论文 3 5 2 历史数据查询5 0 3 5 3 实时数据查询5 l 3 5 4 历史曲线查询5 l 3 5 5 日曲线查询5 l 3 5 6 报警查询5 2 3 6 系统特点5 2 3 6 i 系统可靠性高5 2 3 6 2 系统集成度高，安装维护方便5 3 3 6 3 系统实时性好，故障预警更全面。5 3 3 6 4 强大的现场问题定位能力5 3 3 6 5 系统测量及定位精度高5 3 4 在应用中出现的一些问题及改进5 4 4 1 光信号衰减影响测量精度5 4 4 2 开关触点与传感器之间的光纤绝缘能力降低。5 5 4 3 传感器固定。5 5 结论5 7 参考文献5 8 致谢6 l 3 山东大学工程硕士专业学位论文 摘要 电力工业中的设备大都处在强电磁场、高电压环境中，如高压开关柜触头及 电缆接头的温度等参数的实时测量。这些参数的测量要求传感器具有很好的绝缘 和强抗电磁干扰性能。光纤光栅传感器采用光波的形式进行测量和传输，具有体 积小、重量轻、传输损耗小、不受电磁场干扰、对高电压和地电位具有很高的隔 离能力等特点。因此，光纤光栅传感器是电力设备中进行测量的最佳选择。 光纤光栅温度监测系统采用全数字化网络结构，通过光纤分析仪将m i s 系统 与分布于电缆沟内和开关柜内的传感器连接起来。每个通道可挂接3 0 个智能温 度传感器，易于安装维护与系统拓展。光纤材质传输与光纤传感器监测，现场完 全无电，保证系统能在恶劣环境下可靠运行。系统具有良好的计算机界面、可显 示电缆沟道及高压开关柜群模拟图、显示传感器所监测的实际位置及所有电缆型 号、中间头位置及开关轨刀闸等参数。可通过计算机的电缆沟道及开关柜群模拟 图上直接查看，并能迅速准确地判断出发生故障的实际位置，很大程度地提高了 电缆和开关柜运行的可靠性及技术管理水平。 本文对在应用过程中出现的一些问题如( 光信号衰减，开关触点与传感器间 绝缘强度降低) 进行了原理分析，并相应的提出了改正的方案，对改正后的效果 进行了科学的论证，使得该系统在电力设备监测中发挥更大的作用。 关键词：光纤光栅光纤光栅传感器电力设备监测故障改进 5 山东大学工程硕士专业学位论文 a b s t r a c t t h ef i b e rg r a t i n gi so n eo ft h ef a s t e rn of o u n t a i no ff i b e ra p p a r a t u s a n dt h e t e c h n i q u eo ff i b e rg r a t i n gh a ssl o to fo w n m e r i t s s i n c e19 7 8 ，t h ef i r s tf i b e rg r a t i n g w a sf i r s t l vm a d eb yk o h i l le t ci nt h ew a yo fs t a n d i n gw a v ei nt h ef i b e rt h a tw a s m i x e di n t og e r m a n i u m ，t h et e c h n i q u eo ff i b e rw a sw i d e n e df o rt h ee m e r g e n c eo ff i b e r g r a t i n g ，t h ea p p l i c a t i o no fa c h i e v e m e n tw a si n c r e a s e d m o r e a n dm o r e t h ef i b e r g r a t i n gs e n s o r , w h i c hu s ef i b e rt os e n s ea n d t r a n s m i ts i g n a l s ，h a st h ea d v a n t a g e so f r e s i s t a n c et oh i g hv o l t a g e ，t oe 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 ，a n dt h a to fs l i g h t n e s s ， l i g h t w e i g h t ，l o wl o s s ，e t e ，s ot h et e c h n o l o g i e so f f i b e rg r a t i n gi sw i d e l yu s e di nt h e e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y o u t w a r dd e p a r t m e n th o tb r e a k d o w n ( m a i nt h en u d i t yd e a lw i t hc o n t a c tb e c a u s e o fp r e s st oc o n n e c tb a de t c r e a s o n ，d e a lw i t hc o n t a c tt e m p e r a t u r et og ou pu n d e rt h e b i ge l e c t r i cc u r r e n tf u n c t i o n ，g e ti nt o u c hw i t he l e c t r i cr e s i s t a n c ea g g r a n d i z e m e n t ) ，t h e i n n e rp a r th o tt ob r e a kd o w n ( m a i nt h eb r e a k d o w no r d e rt os e a lc o m p l e t e l yi ni n s u l a t e t i l em a t e r i a lo rt h em e t a l so u t e rs h e l l ，h a v i n gf e v e rt i m el o n ga n dm o r es t a b l e ，o r d e r s u r r o u n d i n g sc o n d u c t o rw i t hb r e a k d o w no ri n s u l a t et h em a t e r i a lo c c u r r e n c ec a l o r i e s t od e l i v e r ，m a k et h ep a r t i a lt e m p e r a t u r eg ou p ) ，t h ee l e c t r i cc a b l el e a d st h ep a r to ft h e h o tb r e a k d o w nc h e c ke t c t h ep r o b l e mc o n t a i no b v i o u sf u n c t i o n t h i sa r t i c l et os o m eq u e s t i o n sw h i c ha p p e a r si nt h ea p p l i c a t i o np r o c e s sl i k e ( 1 i g h t s i g n a lw e a k e n s ，b e t w e e ns w i t c he l e c t r o n i c c o n t a c ta n ds e n s o ri n s u l a t i o ns t r e n g t h r e d u c e d lh a sc a r r i e do nt h ep r i n c i p l ea n a l y s i s ，a n dc o r r e s p o n d i n gp r o p o s e dt h e c o r r e c t i o np l a n ，t oc o r r e c t e da f t e rt h ee f f e c tt oc a r r yo nt h es c i e n c ep r o o f k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g f i b e rg r a t i n gs e n s o r s b r e a k d o w n i m p r o v e 6 山东大学工程硕士专业学位论文 i 绪论 光纤传感技术是20 世纪70 年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而 另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技术。在光纤通信系统中，光纤用作远 距离传输光波信号的媒质。人们很快发现，通信质量易受干扰的一个原因是光纤 对外界环境因素十分敏感，如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化将引起 光波参量，如强度、相位、频率、偏振态等的变化。这一现象启发人们提出了光 纤传感的概念。如果能测出光波参量的变化，就可以知道导致这些光波参量变化 的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小。另一方面，光纤本身有许多固有优 点：如工作频带宽、动态范围大、适合予遥测遥控、长距离低损耗、易弯曲、体 积小、重量轻、成本低、防水、防火、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰、抗辐射性能 好、对被测环境影响小等等。这促使人们在各个领域对光纤传感器进行深入研究， 使光纤传感技术获得了飞速发展，在航天、航海、石油化工、电力工业、核工业、 医疗器械、科学研究等技术领域都取得了可喜的研究成果。 概括地说，光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行 调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。 按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器一般可分为两大类：功能型一利用 光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件，既感知信息又传输信息( 有时又称为 传感型光纤传感器或叫做全光纤传感器) ；非功能型一利用其他敏感元件感知待 测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号 ( 有时也称为传光型传感器或叫做混合型传感器) 。对功能型光纤传感器来说， 核心问题是光纤本身起敏感元件的作用。种情况是：光纤与被测量对象相互作 用时，光纤自身的结构参量( 尺寸和形状) 发生变化，光纤的传光特性发生相关 变化，光纤中的光波参量受到相应控制，即在光纤中传输的光波受到了被测对象 的调制，空载波变为调制波，携带了被测对象的信息；另一种情况是：光纤与被 测对象作用时，光纤自身的结构参量并不发生变化，而光纤中传输的光波自身发 生了某种变化，携带了待测信息。对非功能型光纤传感器来说，关键部件是光转 换敏感元件。一种情况是：光转换元件与待测对象相互作用时，光转换元件自 7 山东大学工程硕士专业学位论文 身的性能发生了变化，由光纤送来的光波通过它时，光波参量发生了相关变化， 空载波变成了调制波，携带了待测量信息；另一种情况是：不采用任何光转换元 件，仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能，结构十分简单。从上述讨论可知， 无论是功能型光纤传感器，还是非功能型光纤传感器，最终都是利用光波参量的 调制来实现待测信息提取的，即光波调制技术。从光波调制的形式来分类，有强 度调制、相位调制、频率调制、偏振调制及颜色调制等。 1 1 本论文研究背景 随着国家对电力行业投入的进步加大，电力行业飞速发展，各种适用于电 力系统的电力设备相继出现，并且其容量也越来越大。但由于各种电力设备的设 计缺陷和制造水平以及运行单位的调度水平等原因，在使用过程中发生故障继而 引起大面积停电和火灾事故在所难免。这其中，由于设备过热、电火花、设备变 形、建筑物坍塌所导致的停产、停电、产品报废、火灾、爆炸事故和人身伤亡事 故不在少数。高压电力电缆由于铺设于地下，长时间运行后检修常常不到位，再 加上环境温度等因素的影响，部分有缺陷的位置往往会发热，且电流越大，温度 升高越快，发热点电阻增大，从而产生更多的热量，电阻进一步增大，温度继续 升高，形成恶性循环。如果不及时发现和处理，最终将导致起火或爆炸，造成线 路损坏，严重的可引发火灾和大面积的停电事故。这一现象在负荷增长较快的地 区显得尤为普遍。因此，怎样在线监测电力设备的运行情况，以便在事故发生之 前发现并排除设备故障成为目前研究的一个重要课题。 目前，对电力电缆的重要部位如接头等的温度监测主要仍靠人工去测量( 如 定期派人到现场用红外线或激光测温仪远距离测量等) ，主要存在以下问题： 监测周期长，许多地方发热现象得不到及时发现和处理；监测范围受限制，只 能检测电缆接头，无法对封闭在管道里的电力电缆部分进行检测；检测和分析 判断由人工进行，检测和分析结果受人为因素影响较大；红外线或激光测温仪 价格往往比较昂贵，受资金影响，普及和推广难度较大( 每个单位一般只配置一 到两台) 。 e 近年来，a b b 、西门子及国内一些生产厂家也陆续开发出了一些高压电力电 8 山东大学工程硕士专业学位论文 缆温度监测系统，但从应用情况来看，效果不是很理想。主要表现在以下几个方 面： ( 1 ) 高电压的隔离是高压电力电缆温度监测系统的技术难点也是技术关键。目 前的温度监测方法主要采用热电耦、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件 实现，这些温度传感器一般都不是直接测量带电物体的温度，并且需要通过金属 导线传输信号，传感器本身以及其信号传输通道受电磁干扰和环境的影响较大， 无法保证绝缘性能，因而无法保证监测结果的准确性； ( 2 ) 传统的温度监测普遍存在传感器体积偏大、安装困难、易受环境和周围电 磁场的干扰、需人工操作、实现在线监测的成本高昂等问题，尤其无法在整条电 力电缆上安装，只能实现一小部分电力电缆的部分接头的温度监测，无法实现全 部电力电缆的系统、全面、准确监测； ( 3 ) 目前运行的电力电缆温度监测系统或装置，绝大部分是电力一次设备生产 厂家开发出的针对自己产品的监测设备，功能单一，通用性差，执行标准混乱， 并且与变电综合自动化等监控系统接口困难，很难进行普及和推广。 电力工业中的设备大都处在强电磁场、高电压环境中，如高压开关柜触头温 度、高压变压器绕组温度、发电机的主轴振动等参数的实时测量。这些参数的测 量要求传感器具有很好的绝缘和强抗电磁干扰性能，并且体积小。一般电子类传 感器测量起来比较困难。因为电类传感器以电流、电压或电阻的形式进行测量和 传输，信号容易受强电磁场和高压的影响，其测量精度往往很低、甚至根本就无 法实现。而光纤光栅传感器采用光波的形式进行测量和传输，具有体积小、重量 轻、传输损耗小、不受电磁场干扰、耐压高一对高电压和地电位具有很高的隔 离能力等特点。因此，光纤光栅传感器正是电力设备中进行测量的最佳选择。 1 2 光纤光栅技术 现代通信技术起源于2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 6 年高锟博士在其论文中提到， 带有包层材料的石英玻璃光学纤维的传输损耗可以低于2 0 d b k m ，可以作为通信 ： 媒质。1 9 7 0 年康宁公司成功研制出损耗为2 0 d b k m 的光纤，从而奠定了现代光 9 山东大学工程硕士专业学位论文 通信的基础。 光栅是一种衍射光学元件，传统的光栅问世已近百年，它是在光学玻璃或金 属表面刻上距离相等宽度相同的密集纹线而成，如今的光纤光栅同样是一种衍射 光学元件，只是以光纤为载体，成栅在光纤芯中。光纤光栅是一种新型的光无源 器件，它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射 率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播方式。它除了具有普通光纤的 优点之外还具有一些独特的性质。由于它的出现，许多复杂的全光纤通信网络和 传感网络成为可能，并极大的拓宽了光纤技术的应用范围，因此，光纤光栅得到 广泛的应用。 光纤光栅虽然可以通过传统光栅那样机械方法刻制出来，但标准光栅的玻璃 体外直径为1 2 5 微米，而通信光栅的芯直径最大不超过1 0 微米，因此其制作过 程非常繁杂，可靠性很难保证。1 9 7 8 年，加拿大的h i l l 等人在掺锗光纤中用4 8 8 n m 的氢离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次成功的写入光纤光栅，制成了世 界上第一只被称为“h i l l 光栅 的光纤光栅，从此开创了光纤光栅研究与应用 的先河。1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术， 这种技术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，这位光纤光栅的实用化开辟了一条可行的道 路。1 9 3 3 ，h i l l 等人又提出了位相掩模写入技术，极大的放宽了对写入光源对 相干性的要求，使光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能。此后 世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速发展起来，其制作技术及其光纤光敏化 技术不断取得新进展。随着研究的不断深入，光纤光栅的优良特性如成本低稳定 性好体积小抗电磁干扰性好感应信息波长编码等逐渐显现出来。 随着密集波分复用d w d m 技术、掺铒光纤放大器e d f a 技术和光时分复用o t d r 技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展， 并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器 家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势， 已迅速成长为年成交额超过1 0 亿美金，并预计将于2 0 1 0 年拥有超过5 0 亿美金 市场的产业。每年由美国光学工程师学会( o s a ) 主办的光纤传感国际会议( o f s ) 1 0 山东大学工程硕士专业学位论文 及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研 讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。 随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点 和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关 键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术 的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前 己相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统 为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优 势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功 能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，f b g 和其它的光栅类传感器就是一个 最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅( f b g 和l p g ) 型传感器和 分布式光纤传感系统两大板块。 f b g 型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争 鸣阶段。目前成熟的f b g 制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转 向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方 面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上 的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光( 纤) 层析成像技术 ( o c t ，o p t ) 、智能材料( s m a r tm a t e r i a l s ) 、光纤陀螺与惯导系统( i f o g ，i m i u ) 和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特 殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完 成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中 心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北 京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为0 2 。h r ； 中 国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某 ? 公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了 山东大学工程硕士专业学位论文 许多光纤无源器件生产厂家。由于光纤传感器未能跨越产品化的门槛，并未象光 纤通信产业那样成指数型增长，许多与我们日常生活密切相关的传感器产品( 如 交通管理、警报装置等) 和大量的测试仪器依然依赖于进口，亟待发展的空间非 常广阔。 1 3 光纤光栅传感器 传感器的基本功能是将一种形式的被测参量转化为同种或另一种形式的参 量。随着科学技术的迅猛发展，人类社会已经步入信息时代，人们的社会生活时 刻都要接触到信息的采集、传送和处理。传感器作为研究对象和测控系统得接口 位置，其地位已经变得越来越重要。 光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件，实 质上是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤光器或反射镜。光纤光栅主要 有布拉格光栅、啁啾光栅、长周期光栅等。由于它是直接制作在光纤纤芯上的， 因此可以方便的嵌入到光纤通信系统、激光器和传感器中，构成许多具有独特性 质的光纤光栅器件。例如用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔，利用 掺铒光纤等作为增益介质即可制成光纤激光器；用光纤光栅作为半导体激光器的 外腔反射器可以构成外腔可调谐半导体激光器；利用光纤光栅可以构成 m i c h e l s o n 干涉仪型、m a c h z e h n d e r 干涉仪型和f a b r y p e r o t 干涉仪三种类型的 光纤滤波器；利用啁啾光栅可以制成光纤色散补偿器。此外，利用光纤光栅还可 以制成用于应力、温度、应变等多参量检测的光纤光栅传感器和各种简单或复杂 的光纤传感网络。 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，外界温度以及其他参量的变化会改变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，这就是光纤光栅传感器的 基本工作原。 光纤光栅作为传感单元其主要优点是检测信息为波长编码的具有对线性相 应得绝对测量和良好的重复性。并且插入损耗低，对窄带的波长反射提供了有利 1 2 于在一根单模光纤上的复用，可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环型连接。 再加上光纤的本质特征如质轻、径细、柔韧、化学性稳定、耐高压、抗电磁干扰 的优点，光纤光栅已被视为一种理想的传感材料。 随着光纤光栅器件的不断发展，光纤光栅传感器的种类也日益丰富。目前主 要的光纤光栅传感器主要有光纤b r a g g 光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器、长周 期光纤光栅传感器和光纤b r a g g 光栅激光传感器。光纤b r a g g 光栅传感器是通过 外界参量对其b r a g g 中心波长的调制来获取传感信息的一种波长调制型光纤光 栅传感器。光纤b r a g g 适合于检测静态和动态参量，其检测信息为波长编码的绝 对测量，可使传感器能自校准。所以在研究早期，光纤b r a g g 光栅就被认为是理 想的传感单元。 与传统的光纤传感器相比，波长调制型的光纤光栅传感器与有许多独特的优 点： ( 1 )采用波长编码，抗干扰能力强。一方面是由于光波在光纤中传输时 不会影响波长特性；此外，光纤光栅传感系统从本质上排出了各种光强起伏引起 的干扰，例如光源强度的变化、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。因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性 和稳定性。 ( 2 )传感器的探头结构简单、尺寸小，能适应各种场合的应用。尤其是 智能材料和结构。而且便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对机构的完整 性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时检测。 ( 3 )其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。例如对多点的测量可以采用波 分复用、时分复用、空分复用或联合使用。 ( 5 )由于采用波长绝对编码，可用于对外界参量的绝对测量。 ( 6 )光栅的写入工艺已经比较成熟，便于进行大规模生产。 因此，光纤光栅传感器具有巨大的市场前景。现在光纤光栅传感器已经 1 3 学位论文 1 4 本文主要工作内容 土木工程、石化工业、电力工 ( 1 ) 深入研究光纤光栅及光纤光栅传感器的原理，通过理论分析和模拟计 算，研究电力电缆中间接头处及变电站开关设备温升与通过电流接触电阻 和绝缘情况之间的关系，根据温度、光栅传感的结果对绝缘、接触电阻的 情况做出评估。 ( 2 ) 开发变电站光纤光栅温度监测硬件及软件系统，系统的软硬件在满足 原理要求的前提下，尽量采用典型设计和当今成熟、流行的技术，人机接 口界面应该尽量简化，人工操作应尽量少，通讯接口应采用规范化的接口， 应能以多种规约与上位机通讯，支持w e b 浏览。 ( 3 ) 完成变电站光纤光栅温度监测系统的安装及调试工作a ( 4 ) 对在应用过程中出现的一些问题如光信号衰减，开关触点与传感器间 绝缘强度降低进行了原理分析，并相应的提出了改正的方案，对改正后的 效果进行了科学的论证，同时对在电力行业测温方面的作用进行了分析研 究。 1 4 ? 山东大学工程硕士专业学位论文 2 光纤光栅理论 光纤光栅是近十几年发展最为迅速、最有发展前途、最具有代表性的光纤无 源器件之一。通常光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光栅结构直接做在 光纤上形成的光纤波导器件。根据特定的光栅结构，光纤光栅可以做成滤波器、 反射器、色散补偿器等，利用光纤光栅可以制成满足各种光纤通信要求的有源和 无源器件。由于光纤光栅器件易于与光纤连接，对偏振不敏感( 适应光纤中光偏 振态的随机变化) ，在光纤通信中与其他光波导器件相比有着明显的优势。 2 1 光纤光栅的基本概念 衍射光栅( 简称为光栅) 已经成为标准的光学器件，广泛应用于光学仪器中， 最典型的就是光谱仪。衍射光栅就是能对入射光振幅或相位产生周期性变化的任 意光学元件。当光波通过折射率周期性变化的光学介质时，光波的相位会产生周 期性的变化，因此这种折射率周期性变化的光学介质就是光栅，称为折射率型光 栅( i n d e xg r a t i n g ) 光纤光栅就是典型的折射率型光栅。光纤光栅通常分为短周 期光纤光栅和长周期光纤光栅。而凋啾光纤光栅是可以理解为周期变化的光栅， 在局部小范围内，光栅的周期可以认为是均匀的。光纤光栅是在光纤纤芯中形成 的光栅，折射率沿光纤的轴向呈现周期性的分布，从而产生了谐振效应，当光学 波长等于谐振波长时，该光波被强烈反射( b r a g g 光栅) 或损耗( 长周期光栅) 。 最初的光纤光栅是在标准的掺锗单模石英光纤中制作的，实际上所有的在光 纤中制作的光栅都可以称为光纤光栅。根据实际应用的需要，人们在不同介质材 料的光纤上制作光栅，不仅在掺锗、掺硼、掺磷等无源光纤中制作光纤光栅，而 且在有源稀土掺杂光纤上制作光栅以适应光纤激光器的需求。在近年来发展起来 的微结构光纤上，也成功制作了多种用途的微结构光纤光栅。在实际的应用中， 人们常常按照不同的用途，制作不同类型的光纤光栅，比如均匀光纤光栅、啁啾 光纤光栅、取样光纤光栅等。在制作方法上，除了利用传统的紫外光光刻等手法， 利用物理变形法( 机械压力、微弯) 等方法也被用于长周期光纤光栅的制作。 1 5 山东大学工程硕士专业学位论文 2 2 光纤光栅的基本结构 光纤b r a g g 光栅是利用单模掺锗光栅经紫外光照射而成栅的一种全新型 b r a g g 光栅。其结构如图： 图2 一l 光纤光栅的基本结构 它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的。所谓调制， 就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石 英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂( 通常是掺锗) ，使芯层折射率n 1 比包 层折射率n 2 大，从而形成波导。光就可以在芯层中传播当芯层折射率受到周期 性调制后，即成为b r a g g 光栅。b r a g g 光栅会对入射的宽带光进行选择性反射， 反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光( 带宽通常约为0 1 至 0 5 n m ) 。这样，光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。对于这类调谐波长 反射现象的解释，首先是由威廉b r a g g 爵士给出的，因而这种光纤光栅被称为光 纤b r a g g 光栅( f b g ) ，反射条件就称为b r a g g 条件。只有满足b r a g g 条件的光波 才能被光纤光栅反射。 这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波。它满足如 下光学等式： 入b = 2 n 人 ( 2 - 1 ) 式中，入。为光栅的b r a g g 波长( 即中心波长，也叫后向反射波长) ；n 为光栅的 f 有效折射率( 折射率调制幅度大小的平均效应) ；人为光栅栅距或光栅周期( 折射 1 6 山东大学工程硕士专业学位论文 率调制的空间周期) 。 由式( 1 ) 可以看出：n 与人的改变均会引起反射光波长的改变。因此，通过 一定的封装设计，使能外界温度、应力和压力的变化导致n 与人发生改变，即可 使f b g 达到对其敏感的目的。 i l l u m i n a t i o n o p t i ca lf i b r e m i s s i o n 九 ，：乎 图2 2 光纤光栅原理示意图 当宽谱光源入射到光纤中，光栅将反射其中以布拉格波长九为中心波长的窄 谱分量。在透射谱中，这一部分分量将消失，厶随应力与温度的漂移为： 地= 2 嘲 l - 为陵2 y 溉l + 墨2 ) l 。j 缸兰。争 ( 2 - 2 ) 箨曩j ( 2 2l 其中，占一外加应力； 只厂光纤的光弹张量系数； y 泊松比； 口一光纤材料( 如石英) 的热膨胀系数； 瑚度变化量。 上式中：【譬卜_ y 纨兜) 】因子典型值为。2 2 。因此，可以推导出在常温和常 应力条件下的f b g 应力和温度响应条件如式下： 1 7 山东大学工程硕士专业学位论文 土监。r 7 8 x 1 0 一 厶如 p 一1( 2 - 3 ) 砉鲁以圹浯4 ， l p m 的波长分辨率大致对应于1 3 9 m 处0 1 或1 p 的温度和应力测量精度。 2 3 光纤光栅的分类 光纤光栅可谓多种多样，按照不同的标准划分，也就有不同的种类。 按照周期划分：一种是b r a g g 光栅，即反射光栅和短周期光栅；一种是透射 光栅即长周期光栅。 按照光栅平面是否有倾角划分：一种是b l a z e d 光栅，一种是非b l a z e d 光栅。 按照反射率调制的强度来划分：一种是弱折射率调制光纤光栅，一种是强折 射率调制光纤光栅。 2 4 光纤材料的光敏性 1 9 7 8 年发现了光纤的光敏性，这对光纤光栅的发展具有重大的历史意义。 光纤材料光敏性的微观机理是一个非常活跃的研究领域，其光敏效应是一个非常 复杂的物理过程。到目前为止，还没有完全定量化的描述。 但从广义上讲，光敏性是指物质的物理或化学在外部光的作用下发生暂时或 永久性改变的属性。对于光纤材料的光敏性而言，则是指折射率、吸收谱、内部 应力、密度和非线性极化率等多方面的特性发生永久性的改变。实验表明光敏性 - 存在于众多种类的光纤中。例如，基于硅基光纤的掺铕光纤、掺铈光纤、掺铒光 纤、掺硼光纤等。从实用的方面来看最引人注意的光敏光纤是广泛应用于通信产 业和光传感领域的纤芯掺锗光纤。 在光纤材料中掺入锗以后将产生位于1 8 0 n m 、1 9 5 n m 、2 1 3 n m 、2 4 0 n m 、2 8 1 n m 、 3 2 5 n m 、5 1 7 n m 等多个附加的吸收带。通常对光纤材料的光敏性研究主要集中在 18 山东大学工程硕士专业学位论文 2 4 0 h m 和1 9 3 n m 的紫外光波段上。根据实验研究，在2 4 0 n m 波段的紫外光照射下， 掺锗石英材料的光敏性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 折射率的永久性改变。 ( 2 )2 4 0 n m 吸收带永久性降低或消失，同时造成1 9 3 n m 吸收带永久性增加。 ( 3 ) 样品的密度增加。 ( 4 )掺锗石英材料光纤的光敏性与光纤的制作有关。 ( 5 )光纤材料的光敏性与光纤材料中的掺锗模拟浓度基本上成正比。 ( 6 )光敏性与光纤材料有很大关系。 ( 7 )b g e 双掺光纤材料具有较高的光敏性。 ( 8 )在采用高能量对高掺锗光纤材料进行长时间曝光的过程中，开始时 折射率随曝光量逐渐增加，并达到某一最大值；然后，折射率随曝光量逐渐减小。 ( 9 )采用多种掺杂使光纤材料的芯区和包层具有尽可能大的熔点和热膨 胀系数，可以获得具有高光敏性的光纤材料。 光纤的光敏性来自紫外光照射下的光栅生长动力，这是一个与光纤类型、紫 外辐射波段和激光功率有关的复杂性问题。自从光敏性的发现和第一次证实锗硅 光纤中的光栅以来增加光纤中的光敏性就成为了一个重要的问题。目前主要有载 氢增敏技术、光纤材料的换原性处理、多种掺杂等方法增进光纤材料的光敏性。 2 5 光纤光栅的写入技术 早期光纤光栅的写入采用的是内写入法。该技术写入效率低，写入的b r a g g 波长受激光写入波长限制，当时制作的光纤光栅未能得到充分的发展。直至u 1 9 8 9 年，g m e l t z 等人发明了紫外侧写的分振幅干涉法，光纤光栅技术才得到了迅速 发展。到目前为止，光纤光栅的侧写法还包括全息曝光法、相位掩膜法、逐点写 入法等多种方法。 1 9 山东大学工程硕士专业学位论文 2 5 1 全息曝光法 全息曝光法制作光纤光栅是人们较早采用的一种工艺。首先通过分束器将光 源分成两束等强度光束。经过相同的光程照射在光纤上，形成强度周期性变化的 干涉条纹，光纤的折射率随光强发生周期性变化便形成了光纤光栅。光栅周期 曹， 与入射波长毛。以及两干涉分束夹角矽满足关系式：a = 。s i n o 。 这种方法的优点是光栅制作周期调谐方便灵活，只要改变入射光束的夹角即 可获得所需周期的光纤光栅：但缺点是对光源时间相干性要求较高，且温度变化 以及振动都会对制作产生不良的影响。 冈 围i - j 2 5 2 相位掩膜法 图2 - 3 曝光法光纤光栅写入系统 根据菲涅耳近场分布计算可知：相干光源经过具有一定空间周期分布的相位 光栅后可形成o 级与1 1 级等高阶衍射，利用其中的任意两束都可以在光栅后表面 附近的近场范围内形成干涉条纹。相位掩膜法利用特殊的位相掩膜( 即相位光栅) 结合不同入射角选择，抑制其中较强且又不需要的衍射束，留下两个等强度的较 强衍射束，获得对比度较高的干涉条纹。 ， 这种制作方法的优点主要在于对入射光空间相干性要求较低，且光束制作周 2 0 山东大学工程硕士专业学位论文 期与入射光波长无关：对光路稳定性要求也较低：最重要的是它有利于大批量生 产。而其缺点是光栅制作中周期可调性较差，通常来说一个位相掩膜器只适合于 一种空间周期光纤光栅的制作。 2 5 3 逐点写入法 图2 4 相位掩膜法制备光纤光栅实验装置 逐点写入法是利用高精度步进电机带动光纤，每隔一定距离在极窄的激光束 下曝光一次，从而在光纤上形成周期曝光点以形成光栅。有两种方式写入光栅： 一种是步进电机每步一停，然后激光器发出一个激光脉冲，光纤光栅的制作精度 取决于电机定位的精度：另一种方法是电机连续拖动光纤，而激光器以一定的速 率连续发射激光脉冲，光纤光栅的制作精度取决于电机速度的均匀程度和激光脉 冲间隔的均匀性。这种方法的优点是制作程序灵活可变，缺点是要求可控精度高。 2 1 山东大学工程硕士专业学位论文 躺 2 6 光纤光栅的封装 图2 - 5 逐点写入法制作光纤光栅试验装置 光纤光栅具有很多突出而显著的优点，但也有一个很大的缺点：极其脆弱， 稍不注意，光纤光栅就断裂了。为此，在实际使用中必须进行封装，尤其是在实 验阶段，需要对光纤光栅反复使用，对光纤光栅的封装，并且保证封装之后能有 效地重复使用就变得特别重要。 光纤光栅在温度一2 0 6 0 区域变化时，约有l n m 的中心波长变化。显然，裸 光纤光栅温度灵敏度很低。因此，寻求新型的封装材料、开发实用的封装技术以 改善光纤光栅的温敏性，是光纤光栅器件化、商品化应解决的关键问题之一。经 过分析、比较，采用两种不同聚合材料按一定比例均匀混合后对光纤光栅