（电路与系统专业论文）光纤bragg光栅压力传感器的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 光纤b r a g g 光栅因具有体积小、重量轻、耐腐蚀性好、抗电磁干扰能力强等优点， 已成为目前最有发展前途的光纤无源器件之一。但是，裸光纤光栅的压力灵敏度较低， 光纤光栅对温度和应变同时敏感，在实际应用中必须采取有效的方法解决上述问题。因 此，本文针对光纤b r a g g 光栅传感探头的结构设计，温度应变交叉敏感解决措施，以 及压力灵敏度的提高和封装技术等问题进行研究。 采用相位掩模法制备光纤b r a g g 光栅，在对裸光纤光栅的温度、应变特性进行充分 分析的基础上，设计了结构相同的四种不同材料( 高弹性不锈钢1 c r l s n i 9 、低碳钢q 2 3 5 s 、 铜、铝) 的敏感探头，并利用有限元分析方法，对上述材料在均匀分布压力下的受力和 形变进行了仿真分析。通过压力传感器结构设计实现温度补偿，解决了温度应变交叉敏 感问题，并通过实验标定出测量光栅的压力、温度灵敏度和参考光栅的温度灵敏度，实 现了温度和应变的区分测量。为提高压力灵敏度，分别对敏感探头的材料选择、封装结 构的壁厚、光纤光栅的粘贴位置、胶粘剂的选取、退火特性等进行了研究。研究结果表 明：光纤b r a g g 光栅压力传感器具有良好的灵敏度、线性度和重复性，压力灵敏度实验 测量数据与理论值基本吻合。在封装技术上，尝试采用了金属化封装光纤光栅压力传感 器，对金属化封装光栅的压力、温度特性进行了测试，并与胶粘剂封装的光栅压力传感 器进行对比分析。结果表明，金属化封装光纤光栅压力传感器具有精度高、机械强度好、 稳定性和可靠性高、适于高温下的压力测量。 本文设计的光纤b r a g g 光栅压力传感器，较好的实现了压力和温度的区分测量，压 力灵敏度有一定的提高，并具有结构简单、线性度和重复性好等特点。 关键词：光纤b r a g g 光栅；交叉敏感；压力灵敏度；封装技术；金属化封装光栅 大连理工大学硕士学位论文 s t u d yo nf i b e rb r a g gg r a t i n gp r e s s u r es e n s o r a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n gh a sm a n yu n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，s t r o n g c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a n ds t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i s mc a p a b i l i t ye t c ，s oi th a s b e c o m eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n gp a s s i v eo p t i c a lc o m p o n e n t s h o w e v e r , t h eb a r ef b gh a s l o wp r e s s u r es e n s i t i v i t ya n di ss i m u l t a n e o u ss e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e s t r a i n ；i tn e e d st ot a k e e f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h e s eq u e s t i o n si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rh a s s t u d i e do nt h es t r u c t u r ed e s i g no ff b gs e n s o rp r o b e ，t h ep r o b l e mo ft e m p e r a t u r e s t r a i n g r o s s s e n s i t i v i t y , 勰w e l la si n c r e a s i n gp r e s s u r es e n s i t i v i t ya n dp a c k a g i n gt e c h n i q u ei s s u e se t c f b gi sf a b f i c a t e du s i n gt h em e t h o do fp h a s em a s k ，b a s e do nt h ef u l la n a l y s i so ft h e t e m p e r a t u r e s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c sf o rb a r ef i b e rg r a t i n g , d i f f e r e n tm a t e r i a l so ft h es a m ef o u r s e n s i t i v ep r o b e s ( h i g h l yf l e x i b l es t a i n l e s ss t e e l1 c r l s n i 9 ，l o wc a r b o ns t e e lq 2 b ，c o p p e ra n d a l u m i n u m ) a r ed e s i g n e d t h er e s e a r c ha d o p t st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dt om a k et h e s i m u l a t i o na n a l y s i sf o rt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nu n d e ru n i f o r mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n t o s o l v et h ep r o b l e mo ft e m p e r a t u r e s t r a i nc r o s s s e n s i t i v i t y , d e s i g nt h es t r u c t u r eo fp r e s s u r e s e n s o rt or e a l i z et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , g r a t i n gp r e s s u r e t e m p e r a t u r ea n dr e f e r r i n g g r a t i n gt e m p e r a t u r ea r ec a l i b r a t e dr e s p e c t i v e l yt h r o u g he x p e r i m e n t , a c h i e v e dt h ed i s t i n c t i o n b e t w e e nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nm e a s u r 釉e n t s t oi n c r e a s ep r e s s u r es e n s i t i v i t y , s e n s i t i v e p r o b em a t e r i a ls e l e c t i o n , m a t e r i a lt h i c k n e s s ，f b gp a s t el o c a t i o n ，a d h e s i v e ss e l e c t i o na n d a n n e a l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tf b gp r e s s u r es e n s o r h a sg o o ds e n s i t i v i t y ，l i n e a r i t ya n dr e p e a t a b i l i t y , i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ep r e s s u r es e n s i t i v i t y o fe x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sv a l u ec o n s i s t e n tw e l lw i t ht h e o r e t i c a lv a l u e i np a c k a g i n g t e c h n o l o g y ，t h i sp a p e ra t t e m p t st ou s et h em e t a lp a c k a g i n gt e c h n o l o g yo fp r e s s u r es e n s o r ， t e s t e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e t a lp a c k a g i n gg r a t i n gp r e s s u r e t e m p e r a t u r e ，a n dc o m p a r e s w i t l la d h e s i v ep a c k a g i n gf b gp r e s s u r es e n s o r t h er e s u l t sp r o v et h a tt h em e t a lp a c k a g i n g f b g p r e s s u r es e n s o rh a st h ea d v a n t a g eo fh i g hp r e c i s i o n , g p o dm e c h a n i c a ls t r e n g t h , s t r o n g s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，i t ss u i t a b l ef o rh i g ht e m p e r a t u r eu n d e rp r e s s u r em e a s u r e m e n t f b gp r e s s u r es e n s o rd i s t i n g u i s h e sw e l l p r e s s u r e t e m p e r a t u r e ，i m p r o v e sp r e s s u r e s e n s i t i v i t y , h a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e ，g o o dl i n e a r i t ya n dr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：f b g ； c r o s s - s e n s i t i v i t y ；p r e s s u r es e n s i t i v i t y ；p a c k a g i n gt e c h n o l o g y ； m f b g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 x - - 大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 一 工 7 作者签名：型丝 日期：! z ：垡丝 大连理t 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者繇矽辂 导师签名 丑年血月垄日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题提出的意义 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤及通信技术迅速发展起来的新型传感技 术，它集光纤技术、激光技术和光电探测等技术于一体，具有很大的发展前景。2 0 世纪 9 0 年代，随着电信、半导体和消费电子行业的发展，光电技术和光纤技术取得了巨大成 就。同时，由于相关光电子制造技术的成熟，它们的成本也大幅度降低，大力推动了光 纤传感技术的发展。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，以其具有体积小、重量轻、传感速度快、传输距离远、可低成本大批量生产等独 特优麒”，在传感领域发挥了巨大的作用。 光纤光栅传感器作为一种新型的光纤无源器件，在光传感领域具有广阔的应用前 景。它除了具有普通光纤传感器的优点外，还能实现多点复用、分布式测量等优点，因 此，已经广泛应用在大型的民用结构、土木工程、航空航天、电力工业、石油化工、医 学、核工业等多个领域【2 3 1 。光纤光栅传感器已经成为当前研究的热点之一，在未来产 业市场中将更有举足轻重的地位，被称为继掺饵光纤放大器以来，最有发展前途和代表 性的光纤无源器件之一。 目前，随着原油价格的不断上涨，以及探测新石油储量同益困难，各石油公司都在 考虑如何从现有的油田中开采出更多的石油。传统的井下压力和温度的监测都是采用热 电阻、热电偶、气动压力仪表以及石英晶体等电子类产品实现，但是在高温、高压、腐 蚀性强及地磁地电干扰的恶劣环境中，靠电信号测量的传感器的长期稳定性和可靠性极 其有限，并且这些电子系统在传感点上都需要用电，所需器件价格十分昂贵，既不安全 又不经济，因此迫切需要寻找一种新型的传感器来代替电子产品。光纤光栅传感器因其 具有精高度、价钱便宜且能承受井下极端恶劣条件等优点，集传感与传输于一体，能够 实现井下温度、压力、液位和流速等多参数的测量，生产安全系数和采油量都得到提高， 并且传感器的长期稳定性和可靠性很好，在油田开发中具有非常广阔的应用前景 4 4 】。 目前，在光纤光栅传感领域，研究工作大多集中在温度及应变传感方面，而对光纤光栅 压力传感器的温度与应变的区分测量技术的研究还处于探索阶段。 因此，本文开展b r a g g 光栅制备、传感器探头结构设计、封装技术、温度应变交 叉敏感解决措施等问题的研究，以设计适于高压情况检测的光纤b r a g g 光栅压力传感器。 本课题是大连理工大学交叉学科建设基金项目“光纤光栅的压力和温度传感器在石 油井下的应用”中的部分研究内容( 基金号：0 2 0 4 8 7 2 x 5 7 ) 。 光纤b r a g g 光栅压力传感器的研究 1 2 光纤光栅概述 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 等人【8 】在实验室首次利用4 8 8 n m 氩离子激光器在掺锗 光纤产生驻波干涉条纹，导致光纤的折射率沿轴向产生周期性变化，这就是世界上第一 只内写入的光纤b r a g g 光栅，即h i l l 光栅，它开创了光纤光栅研究与应用的先河。1 9 8 9 年，美国东哈特福德联合技术研究中心的g m e l t z 等人【9 】实现了光纤b r a g g 光栅的u v 激光侧面写入技术，克服了驻波干涉法的缺点，利用全息干涉条纹对光纤侧面曝光，成 功制出了第一只外写入的光纤b r a g g 光栅，大大提高了光栅写入效率。紫外侧写入技术 问世后，世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展起来，光纤光栅的制作以及光纤 敏化技术不断得到发展。1 9 9 3 年，k o h i l l 等人利用紫外激光通过相位掩模板后的l 级 衍射光相干形成的周期性明暗条纹对光纤曝光，制成光纤光栅，提出了相位掩模成栅技 术，该技术放宽了对写入光源时问相干性的限制，使得光纤光栅的制作更加容易【l “。同 年，p j l e m a i r e 等人【川采用低温高压氢扩散工艺以提高光纤的光敏特性，这一技术使大 批量、高质量光纤光栅的制作成为现实，其光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中 锗含量的依赖，使得可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅，而且大大提高了光致 折射率变化( 由1 0 j 最大提高到了1 0 。2 ) 。相位掩模成栅技术和光纤高压载氢技术相结 合，降低了光栅的制作成本，在世界各地掀起了光栅技术与应用的研究热潮。1 9 9 7 年后， 光栅进入大规模发展阶段，光栅在制作长度、封装、啁啾度等方面都有了飞速发展。 随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，各种基于光纤光栅的有源、无源器件也不断涌 现。从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域，都将由于光纤光栅的实 用化而发生革命性的变化 1 2 - 1 4 】。当前，对光纤光栅研究的主要内容有三个：( 1 ) 光栅的 写入技术，尤其是非周期光栅的写入技术，主要集中在新型写入技术、新的写入波长、 一些掺杂光纤的光敏性及它的应用和测试手段等方面的研究；( 2 ) 多参量、多用途传感 器的开发，新型传感材料和传感技术的开发；( 3 ) 光纤光栅传感器的实际应用研究，主 要集中在光通信和光纤传感器的领域，包括传感网络技术、封装技术、温度补偿技术等。 与传统的电学量传感器相比，光纤光栅具有明显的优点： ( 1 ) 电绝缘和耐久性良好，能避免电磁场的干扰，具有抵抗包括高温在内的恶劣环 境及化学侵蚀的能力。 ( 2 ) 传感探头结构简单、体积小、重量轻、易于布置，适合埋于大型结构中进行长 期健康状态监测和结构损伤诊断，重复性和稳定性良好。 ( 3 ) 与光纤之间存在天然的兼容性，易于与光纤通信系统连接，插入损耗小、光谱 特性好，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，极大地拓展了光纤技术的应用范 围。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 一根光纤上可以刻制多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用相结合， 可实现单点和分布式测量。 ( 5 ) 测量信息是波长编码的，所以不受光源波动、光纤连接损耗、光波偏振态的变 化等因素的影响，可实现绝对量的测量。 正是基于光纤光栅的诸多优点，光纤光栅传感器正逐渐应用于大型土木工程、航空 航天、化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域： ( 1 ) 土木工程：如桥梁、大坝、建筑物、大型钢结构等的健康安全监测。 ( 2 ) 航空航天：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、飞行结构的 健康评估及环境对结构的腐蚀状况。 ( 3 ) 船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警。 ( 4 ) 电力工业：电力工业属于强电磁场，光纤光栅传感器非常适合于高压开关的在 线监测，以及发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时检测。 ( 5 ) 石油化工：石油化工属于易燃易爆领域，可用来监控石油的泄漏、油田中的温 度、液位等。 ( 6 ) 医学：对人体组织功能进行内部测量等。 随着光纤光栅应用范围的越来越广泛，世界各国都投入了大量的人力和物力用于光 纤光栅的研究，如美国、英国、加拿大等西方国家及亚洲的r 本、韩国等，在光纤的通 信领域和光纤光栅的传感领域处于领先地位。研究的热点从军用转向民用，开始了大规 模传感网络的工程化、实用化研究。国内对光纤光栅传感技术的研究刚刚兴起，许多大 学、研究所和公司都投入了大量的人力和物力，取得了显著的研究成果，但是对光纤光 栅从实验室到工程的实际应用上，还存在着很大的问题。国内从事光纤传感技术研究和 开发的单位很多，如清华大学、武汉理工大学、南开大学、西安石油大学、哈尔滨工业 大学、大连理工大学和中科院上海光学精密机械研究所等。国内销售光纤光栅传感器的 公司主要有上海紫珊光电技术有限公司、北京品傲光电科技有限公司和武汉理工光科股 份有限公司等，其中多数公司只是代理商，没有拥有自主知识产权的产品。 目前，光纤光栅的制作技术已经比较成熟，许多科研机构和公司更加注重光纤光栅 在传感领域的应用上。但是，光纤光栅传感器在应用上还存在着许多障碍，如：光纤光 栅传感信号的解调技术，目前研究的解调方法虽然很多，但能够实际应用的产品并不是 很多，并且价格都比较昂贵。另外，偏高的市场价格也影响了其在国内的应用，这有待 于从原理、原材料和制作工艺等方面入手，降低生产成本，研制出适合各种应用场合的 传感器。面对光纤光栅在世界范围内的快速发展，传感技术和系统的检测研究将具有重 大的战略意义和经济效益，光纤光栅传感技术将具有更加广阔的发展空间。 光纤b f a g g 光栅压力传感器的研究 由于光纤光栅用途的不同，其种类也同趋丰富。根据折射率沿光栅轴向分布形式的 不同，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅，其中均匀光纤光 栅是指纤芯折射率变化的幅度和周期沿光纤轴向保持不变，如均匀光纤b r a g g 光栅( 折 射率变化的周期一般1 0 - 1 p m 量级) 、闪耀光纤b r a g g 光栅和均匀长周期光纤光栅( 折 射率变化的周期一般为1 0 2 1 t i n 量级) ；而非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化的幅度或 周期沿光纤轴向是变化的，如啁啾光纤光栅、切趾光纤光栅、莫尔光纤光栅、超结构光 纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅掣”j 。 从1 9 7 8 年驻波写入法到1 9 8 9 年横向写入法出现至今，人们对光纤光栅制作的研究 已取得飞跃发展【幡m ，光纤掺杂元素已从单纯的g e 元素发展发展到掺p 、b 等元素。 驻波法和光刻腐蚀法是用得较早的方法，其成栅条件苛刻，成品率低，目前普遍使用激 光光束在光纤上形成干涉条纹产生光栅。紫外写入分内写入和外写入两大类，内写入法 与驻波法很类似，仅是光源改用紫外光源，外写入法又分为双光束干涉法、相位掩膜法、 直接写入法、逐点写入法等。紫外光写入法的优点是工艺简单，重复性好，缺点是难以 同时制作高反射率和窄线宽的滤波器。 ( 1 ) 全息干涉法 全息法也称非相似波前法，由m e t l z 等人首先发现【9 1 ，它是一种方便灵活的制备方 法，如图1 1 所示。其原理是：位于同一平面不同点的两个点光源，在菲涅尔近似下相 干形成干涉条纹，其强度的空间频率与坐标z 成线性关系，这些干涉条纹映到光敏光纤 上形成光纤b r a g g 光栅。在实验中，只要适当调整两个点光源的相对位置和相干波前的 曲率半径，就可获得所需周期分布、带宽、中心反射波长的光纤光栅。这种方法的不足 之处是对光源的时间相干性要求较高，而且对周围环境要求严格。 图1 1 全息法制作光纤b r a g g 光栅 f i g 1 1 f a b r i c a t i o no f f i b e rb r a g gg r a t i n gi nh o l o g r a p h ym e t h o d 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 相位掩模法 相位掩模法亦称相位光栅衍射相干法，由h i l l 等人首先发现【i 引。成栅机理是入射的 紫外光经相位掩模板空问调制，在掩模板后形成不同周期的衍射条纹，使纤芯的折射率 形成周期性分布。结构如图1 2 所示，整块掩模板的周期都相同。紫外激光垂直照射掩 模板而产生衍射，0 级衍射光受到抑制，士1 级衍射光相干涉，形成明暗相间的干涉条纹， 干涉条纹的周期相同，为掩模板周期的一半。这样的干涉条纹照射到光敏光纤上，就制 作出了周期与干涉条纹周期相同的光纤b r a g g 光栅。相位掩模法的优点在于对光源相干 性要求低，而且光栅的周期与光源的波长无关，对光路稳定性要求低，易于批量生产。 其缺点是成本相对较高，并且同一块相位掩模板制作的光纤光栅周期基本相同。 ： 7 ，n 一：、一一 0 级衍射 图1 2 相位掩模板示意图 f i g 1 2 s k e t c hm a po f p h a s em a s k ( 3 ) 直接写入法 直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥除光纤的涂覆层而直接在纤芯上写入光 纤光栅的方法。该方法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。目前报道的 光纤涂覆层有采用丙烯酸酯或g e n e r a le l e c t r i cr t v 6 1 5 硅胶，通过加大紫外光强度、减 小涂覆层厚度以及对光纤载氢等方法，可以有效提高光纤光栅的写入时间。这种方法解 决了以往传统方法中必须采用裸光纤的弊端，减少了对光纤光栅制作完后要立即进行涂 覆的工艺复杂性，具有很好的应用前景。 ( 4 ) 逐点写入技术 这是一种非相干写入技术，它是利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而形成光栅【l9 】，每 写一个条纹，如图1 3 所示：光栅移动一定距离，需用纳米级的精密机构控制光纤运动 位移，通过控制移动光纤的步进电机速度、曝光狭缝宽度和写入激光强度可制成周期、 布拉格波长和反射率不同的o f b g 或同一光纤中的周期性和非周期性的o f b g 阵列， 该方法灵活方便，但机械传动装置复杂，精度要求极高。 图1 3 逐点写入法制作光栅 f i g 1 3 f a b r i c a t i o no f f i b e rb r a g gg r a t i n gi np o i n tb yp o i n tm e t h o d 1 3 光纤b r a g g 光栅压力传感器的国内外研究现状 近年来，光纤光栅在压力传感领域的应用研究正在迅速展开，美国c i d r a 公司在光 纤压力监测研究方面处于前沿，已经开发的传感器能够工作到1 7 5 c ，2 0 0 c 和稍高温 度的产品正在开发，2 5 0 c 是研发的下一个目标。美国斯伦贝谢油田服务公司d o l l 研究 中心的t s u t o m u y a m a t e 等人，用光纤b r a g g 光栅传感器对井下监测进行了长期的研究， 他们研制成一种对温度不敏感的侧孔b r a g g 光纤光栅传感器，最高工作温度为3 0 0 c ， 最高测量压力8 2 m p a ，在最高测量压力下，对温度的灵敏度系数影响极小，可以适用于 井下的压力监测，但是制作工艺复杂、成本高。国内对光纤b r a g g 光栅压力传感器的研 究则主要集中在高校实验室和科研单位。目前，压力传感器的增敏措施主要有以下几种： 聚合物封装光纤光栅法，采用波纹管、悬臂梁、弹簧管、膜片、金属或合金应变筒等几 种方法。 1 9 9 3 年，m g x u 等人 2 0 l 首先对裸光栅的压力传感特性进行了研究，将裸光栅放在 高压容器中，在7 0 m p a 压力下，光纤b r a g g 光栅中心波长仅移动0 2 2 r i m ，光栅的压力灵 敏度仅为一3 0 4 p m m p a ，这一特性决定了裸光纤b r a g g 光栅无法用于实际的压力测试， 因此必须提高光纤b r a g g 光栅的压力灵敏度。 大连理：1 = 大学硕士学位论文 1 9 9 6 年，m g x u 等人【2 1 1 把光纤b r a g g 光栅固定于中空的玻璃球结构中，利用玻 璃球的放大作用，使光纤b r a g g 光栅对压力的敏感系数提高了一个数量级，在0 1 4 m p a 范围内，压力灵敏度提高到2 7 n m m p a 。该方法的缺点是玻璃球不能承受太大的压力， 光纤光栅在压缩过程中容易损坏，测量范围具有一定的局限性。 1 9 9 8 年，南开大学的刘云启等人1 2 2 】利用弹簧管对压力的放大作用，设计了一种高 灵敏度的光栅压力传感器，如图1 4 所示，将弹簧管制成一段圆弧，一端密封作为自由 端，另一端开口作为固定端，悬臂梁的一端与弹簧管的自由端紧密的粘合在一起，另一 端固定在弹簧管的外壳上，光纤光栅粘贴在梁的固定端附近，当弹簧管自由端产生位移 时，将对悬臂梁自由端施加集中载荷，带动悬臂梁自由端一起移动，该传感器压力敏感 系数可达1 7 9 x 1 0 。4 m p a ，较裸光纤光栅提高了2 个数量级，压力灵敏度可以通过悬臂 梁自身的参数控制，但由于悬臂梁的热膨胀增强光纤光栅的温度传感效应，因此必须采 用温度去敏装置加以补偿，并且该方法结构较复杂，由于弹簧管的自由端对外界扰动敏 感，因此要求工作环境稳定。 光纤 压力 图1 4 弹簧管压力传感器结构示意图 f i g 1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep r e s s u r es e n s o rw i t hs p r i n gt u b e 2 0 0 2 年，张颖等人1 2 列设计了采用增敏罐封装f b g 压力传感器，如图1 5 所示，将 光纤光栅沉埋于有机聚合物基底中，光栅沿圆筒轴向放置，只允许开口方向的压力使聚 合物弹性体发生轴向应变，而径向方向的应变为0 。该传感器压力灵敏度系数可达 4 1 l 1 0 3 m p a l ，较裸光纤光栅提高了3 个数量级，该方法的缺点是聚合物不能耐高温， 温度过高时易发生老化、裂纹脱离等现象，并且聚合物固化过程中，收缩现象会产生光 纤光栅的啁啾化，这种压力传感器只适用于0 o 4 4 m p a 低压情况下测量，如：水声、 微振动和加速度等物理量的测量。 光纤b r a g g 光栅压力传感器的研究 图1 5 有机聚合物封装光纤光栅结构示意图 f i g 1 5 s c h o n a t i cd i a g r a mo f p o l y m e rp a c k a g e df b g 2 0 0 4 年，傅海威等人洲提出了采用梯形梁一波纹管设计的f b g 压力传感器，如图1 6 所示，由波纹管感受压力，通过梯形梁传递给光纤光栅产生应变。将光纤光栅粘贴在梯 形梁上，再安装在密闭容器中，波纹管的移动端与悬臂梁相连。该传感器压力灵敏度可 达到8 7 3 n m m p a ，较裸光栅提高了7 4 5 5 倍。此结构采用波纹管作为压力转换为集中力 的器件，提高了压力灵敏度，在o 0 i m p a 范围内具有良好的线性度，该传感器可以用 于要求具有较高抗电磁干扰的环境中压强和压力的测量，如石油工业中储油罐压强检 测，天然气、煤气管道压强以及泄漏检测等。 图1 6 梯形梁一波纹管光纤光栅压力传感器结构 f i g 1 , 6 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep r t 镕s u r es g l f l $ o rw i t hd o v e t a i lb e a ma n dam e t a lb e l l o w 综上所述，随着光纤光栅传感技术的快速发展和封装技术的日益成熟，光纤光栅压 力传感器的灵敏度将得到更大的提高，测量范围也将逐渐变大。但是，由于各种方案的 局限性，大多数的光纤光栅压力传感器的研究还处于实验室阶段，离实际应用还有一段 距离。目前，光纤光栅压力传感器要解决的问题是传感头结构设计、封装技术、温度 压力交叉敏感和增敏技术等问题。在光栅压力传感器设计中，如何更好的解决以上几个 问题，将是今后研究的热点，也是本文重点研究的内容。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 利用2 4 8 n m 的准分子激光器作为紫外写入光源，采用相位掩模法在高压载氢增 敏处理过的普通单模石英光纤上写入光纤b r a g g 光栅，并利用退火处理技术提高裸光纤 光栅的稳定性。 ( 2 ) 从光纤光栅的基本结构和传输理论出发，对光纤光栅的应变、温度、应力传感 特性进行分析，搭建光纤b r a g g 光栅光路测试系统，通过实验分别对裸光纤光栅的温度 特性、应变特性和弯曲特性进行实验与理论的对比分析。 ( 3 ) 探讨基于增敏性材料对光纤b r a g g 光栅的温度增敏性封装和基于负膨胀材料的 光纤b r a g g 光栅的温度减敏性封装方法的研究。 ( 4 ) 重点是压力传感器的设计、制作及温度应变交叉敏感问题的解决，以石油井 下温度、压力测量为研究对象，给出温度补偿的方案，从传感头封装结构形式、增敏材 料的种类、增敏材料尺寸、胶粘剂的选择、封装工艺等多方面考虑，设计一种光纤光栅 压力传感器，该传感器要求满足压力、温度同时测量的要求，通过实验对压力传感器的 灵敏度、重复性、线性度、误差和稳定性等传感特性进行分析。 ( 5 ) 通过实验标定出参考光栅和测量光栅的压力、温度灵敏度，并同理论计相对比， 分析传感器的压力特性。 ( 6 ) 分别对胶粘剂封装光栅和金属化封装光栅的温度、压力特性进行对比性研究， 分别比较两种封装工艺的优缺点，以便针对不同的应用场合设计不同的压力传感器。 一9 光纤b r a g g 光栅压力传感器的研究 2 光纤b r a g g 光栅传感原理 2 1 b r a g g 光栅结构 均匀周期光纤b r a g g 光栅通常简称光纤b r a g g 光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ， 它是最早发展起来的一种光栅，也是目前应用最广泛的一种光栅，它可将入射光中某一 确定波长的光反射，而且反射带宽窄，因此，它是一种选择性很好的带阻滤波器。目前， 光纤光栅己在光纤激光器选频、调谐和传感等领域获得了广泛应用。其结构如图2 1 所 示： 图2 1 光纤b r a g g 光栅基本结构 f i g 2 1 b a s i cs t r u c t u r eo f f i b e rb r a g gg r a t i n g 光纤b r a g g 光栅是光纤中的一种无源器件，它利用光纤的光敏性制作而成【j 1 。所谓 光纤的光敏性指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生变化【2 6 】， 在纤芯内形成空间相位光栅，光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，产生一个中心波 长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带反射光( 带宽通常约为o 1 0 5 r i m ) ，此中心波 长称之为b r a g g 波长。其实质就是在纤芯内形成一个窄带( 透射或反射) 滤波器或反射镜， 也就是说它只对特定的光具有反射和透射作用。 金嚣龚；主二= ；= = = 五丐曩霉匕= = = = = = 一透射光i t 纤芯剧期a 引起 移 图2 2 光纤b r a g g 光栅的基本传感原理 f i g 2 2 b a s i ct r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o np r o p e r t i e so f b r a g gg r a t i n g 大连理工大学硕士学位论文 由图2 2 可知，光纤b r a g g 光栅传感的基本原理是：当宽带光源照射光纤光栅时， 满足b r a g g 条件的光被反射回来，其它波长的光被透射过去，通过测量反射光波长的位 移量，就可以得到被测物理量的变化，利用这一特性可制造出许多性能独特的f b g 传 感器器件。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 了其它多种物理量传感的基础。根据这个特性，人们已研制出基于布拉格、长周期、啁 啾、超结构等多种结构的光纤光栅传感器，通过检测光纤光栅波长的漂移量或带宽变化 量，可以推测出待测物理场的状态。目前，光纤光栅传感器已应用于温度、应变、应力、 位移、压强、扭角、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度等多种物理量的检测l l5 1 。 由耦合模理论可知，光纤b r a g g 光栅的中心波长为： 厶= 2 人 ( 2 1 ) 由上式可知：f b g 波长取决于有效折射率”盯和光栅周期a 任何使这两个参量发 生改变的物理过程都将引起f b g 的漂移，所以反射波长发生变化量以可f l ：l b r a g g 条f 获得： 厶= 2 a n a r a + 2 n a a a ( 2 2 ) 当光栅受到轴向应力和外界温度的影响时，都将引起，l ，和a 发生变化，产生a a 和 血，的变化，从而引起光栅中心反射波长的变化，通过检测光纤光栅中心反射波长的变 化，就可以得到相应的温度、应变的信息。其中，应变通过弹光效应和光栅周期的伸缩 影响，l 。和a ，而温度通过热光效应和热膨胀效应影响和人，这就是光纤光栅测量温 度、应变的基本原理。 2 2 光纤b r a g g 光栅的传感原理 2 2 1 b r a g g 光栅温度传感原理 光纤b r a g g 光栅波长漂移受温度变化的影响，温度通过热光效应和热膨胀效应分别 影响有效折射率和光栅周期，进而使光栅中心波长产生漂移。假设外界均匀压力场及轴 向应力场均保持恒定，则由热膨胀效应引起的光纤光栅周期变化为： a a = 口a r 式中：口为光纤的热膨胀系数，人为光栅周期。 由热光效应引起的有效折射率的变化为： ( 2 3 ) 光纤b r a g g 光栅压力传感器的研究 = 善n , f f a t ( 2 4 ) 式中：孝为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变换率。所以，温度对光纤b r a g g 光 栅总的波长漂移量为： 尝冬：( 口+ 善) r ( 2 5 ) 因此，光纤b r a g g 光栅的温度灵敏度系数为： 醵t 巧“2 口+ 善 当温度变化不大时，一般认为善为一个常数，其关系式为 a 2 b = k r 九a t ( 2 6 ) ( 2 7 ) 对于掺锗石英光纤，口= o 5 x 1 0 - 6 ，室温下孝= 7 0 x 1 0 - 6 ，光纤光栅的温度灵敏度系 数k ，= 7 5 x 1 0 - 6 * c ，由公式( 2 7 ) 可知，九和丁存在着很好的线性关系。由于掺杂成分 和掺杂浓度的不同，各种光纤的膨胀系数口和热光系数孝有较大差别，因此温度灵敏度 系数差别会很大。当光栅的制作及退火工艺条件不同时，f b g 的温度灵敏度也会稍有差 异，尤其光纤光栅经过封装后，封装材料会极大地改变光纤光栅的温度传感特性，因此 经过封装后的光纤光栅须经过标定才能用于实际温度测量。 2 2 2 b r a g g 光栅应变传感原理 当光纤光栅受到外界应变作用时，光栅周期会发生变化，同时光弹效应会导致光栅 有效折射率变化。假设光纤光栅仅受轴向应变作用，温度保持不变，表达式( 2 2 ) 两边微 分，可得轴向应变引起的光栅布拉格波长变化为： 巩= 2 a d n a r + 2 n , 矿d a ( 2 8 ) 丝：d n , a - + d a ( 2 9 ) a b n 咀 八 线弹性范围内有： 坠：占 ( 2 1 0 ) = 占 l z 1 u ， a 式中：占为轴向应变。 大连理工大学硕士学位论文 不考虑波导效应，即不考虑光纤径向变形对折射率的影响，只考虑轴向变形的弹光 效应，光纤在轴向弹性变形下的折射率变化如下： 皇堑：一兰 【a ：一u ( a 。+ a ：) p ( 2 1 1 ) rl碰l 式中：p i l 、a ：为弹光常数，即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化：d 为泊松 比。 令：p e ：年 p 。：一“a l + p 1 2 ) 】，由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 可得： 孕：( 1 一p ，弦 ( 2 1 2 ) 上式为光纤布拉格光栅轴向应变下的波长变化表达式，当光纤光栅的材料确定后， 光纤光栅对应变的传感特性系数基本上是一个与材料系数相关的常数，f b g 的中心波长 与应变呈现很好的线性关系。 令k 。为光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数，由此可得： b ， x e = 占a2 1 一 ( 2 1 3 ) 上式即为光纤光栅中心波长变化与轴向应变的数学关系，它可以方便地将波长变化 转化为应变的变化量。对于普通单模掺锗石英光纤，锄2 1 4 5 6 ，p l j = o 1 2 1 ，a 2 = 0 2 7 0 ， u = o 1 7 ，只值约为0 2 2 2 7 1 ，可得应变灵敏度系数k = o 7 8 x l o 6 w 。假设中心波长在 1 5 5 0 r i m ，每微应变产生的波长约为1 2 p m ，即= 1 2 p r o z c 左右。光纤光栅所允许的 应变可达到1 ，即1 0 4 z s ，当超过5 时，光纤即发生断裂。 2 2 3b r a g g 光栅应力传感原理 压力引起中心波长的变化，也是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。当径向应 力变化卸时，光纤光栅的反射波长也会发生变化，可表示为： 一等= 呋筹+ 寺等妒 c z ，a ， a b 、八a pn 耐8 p 又因为： 光纤b t a g g 光栅压力传感器的研究 堕一( 1 - 2 v ) ( 2 1 5 ) 国pe 苎：= 等( 卜2 u ) ( 2 毋：+ 日。) ( 2 1 6 ) 卯2 e 、 “7 将式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入( 2 1 4 ) 得： 警：卜( 1 - 2 v ) + 兰( 1 2 u ) ( 2 p i 2 + 异) 】p ( 2 1 7 ) 九 e2 e 、 。 压力灵敏度系数为： 酞。， 耻砑= 竿峙2 ( 譬塥) 1 】 ( 2 1 8 ) 对掺锗石英光纤，月l - - 0 1 2 1 ，最= 0 2 7 0 ，v = 0 1 7 ，e = 7 0 x 1 0 1 0 n m 2 ，竹椰= 1 4 6 ， 所以压力灵敏度系数为：- 2 8 x 1 0 6 m p a ，由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，光栅压力灵 敏度系数会有很大差异。 由以上光纤光栅传感的基本理论出发，分别推导出裸光纤光栅的温度、应变和压力 灵敏度系数。由上述分析可知，由于光纤光栅传感器同时对温度和应变敏感，很难分辨 出应变和温度分别引起的波长变化，因此在实际应用中必须采取措施进行补偿和区分。