（通信与信息系统专业论文）海洋温度剖面测量系统中光纤光栅压力传感特性研究.pdf

il!ettiitf4女 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文海洋温度剖面测量系统中光纤光栅压 力传感特性研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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：挞蚰益 e t 期： 沙，p b j 三 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) e l 期：鲨竺：亟：! 主 导师签名： 日期：型! ! ：堑：堡 l 一一、，j1 华北电力大学硕士 摘 本文综述了光纤布拉格光栅传感器的研究现状和应用前景，对光纤光栅压 力传感特性进行了深入的理论研究。利用有限元分析软件a n s y s ，对几种典型 的压力传感器封装结构进行了仿真研究。结合海洋温度剖面测量系统的应用背 景，设计了聚合物封装和屏蔽径向压力封装的压力传感器，仿真分析了其变形 情况和位移变化云图。搭建了实验系统，对论文设计的两种结构压力传感器进 行了实验性能测试。实验结果和理论分析表明：在0 1 0 0 0 k p a ，聚合物封装传 感器的灵敏度较裸光栅有5 0 多倍的提高，屏蔽径向压力封装传感器的灵敏度有 1 0 多倍的提高，说明本文所设计的传感结构具有可行性。 关键词：光纤光栅，压力，a n s y s ，灵敏度 a b s t r a c t t h i sa r t i c l es u m m a r i z e dt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n da p p l i c a t i o np r o s p e c to ff i b e r b r a g gg r a t i n gs e n s o r , s t u d i e dt h ep r e s s u r es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i ct h o r o u g h l y s e v e r a lt y p i c a l p r e s s u r es e n s o r sp a c k a g es t r u c t u r e sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s y s t h ep o l y m e rp a c k a g ea n dt h es h i e l d e dr a d i a l t h r u s tp a c k a g ep r e s s u r e s e n s o r sa r ed e s i g n e d t h d rs h a p e so fd i s t o r t i o n + n o td i s t o r t i o na n dm a po fd i s p l a c e m e n t v e c t o rs u ma r es i m u l a t e da n da n a l y z e du n i t e dt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fo c e a n t e m p e r a t u r e sp r o f i l e sm e a s u r e m e n ts y s t e m e x p e r i m e n ts y s t e mi sb u i l ta n de x p e r i m e n t a l p e r f o r m a n c et e s t so nt h et w ok i n d so fp r e s s u r es e n s o rs t r u c t u r e sd e s i g n e di nt h i sa r t i c l ea r e c a r r i e do n e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w e dt h a ti no lo o o k p 钆t h e p o l y m e rp a c k a g es e n s o rh a s5 0m u l t i p l e ss e n s i t i v i t ye n h a n c e m e n tc o m p a r e dw i t ht h eb a r e ， t h es h i e l d e dr a d i a l t h r u s tp a c k a g es e n s o rh a s10m u l t i p l e ss e n s i t i v i t ye n h a n c e m e n t 1 1 1 e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e n s i n gs t r u c t u r e sd e s i g n e db yt h i sa r t i c l ea r ef e a s i b l e l i nb i n g h u a ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f s h a n gq i u f e n g k e yw o r d s ：f i b e rg r a t i n g ，p r e s s u r e ，a n s y s ，s e n s i t i v i t y h l 了i i 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题的研究背景2 1 3 国内外研究状况3 1 3 1 光纤光栅传感系统的国内外研究现状4 1 3 2 光纤光栅压力传感器的国内外研究现状。6 1 4 光纤光栅压力传感器的应用前景8 1 5 本文的主要研究内容8 第二章光纤光栅传感理论基础10 2 1 光纤布拉格光栅特点1 0 2 2 光纤布拉格光栅耦合模理论1 1 2 3 光纤布拉格光栅基本光学特性1 4 2 4 光纤布拉格光栅传感原理1 5 2 4 1 温度传感原理1 6 2 4 2 均匀轴向应力传感原理1 7 2 4 3 径向压力传感原理1 8 2 4 4 温度一应变交叉敏感特性1 9 2 5 光纤光栅复用技术2 0 2 5 1 波分复用2 0 2 5 2 时分复用2 l 2 5 3 空分复用2 l 2 6 光纤布拉格光栅解调方法2 2 2 6 1 匹配光栅滤波法2 2 2 6 2 非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉仪法2 3 2 6 3 可调谐窄带光源法2 3 2 6 4 可调光纤f - p 滤波器法2 4 2 7 本章小结2 5 第三章光纤光栅传感器的仿真分析2 6 3 1 传感器的设计原则2 6 3 2a n s y s 简介2 6 3 3 光纤光栅压力传感器的设计方案2 7 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 几种典型封装结构的仿真分析2 8 3 4 1 聚合物封装2 8 3 4 2 金属管封装3 0 3 4 3 边孔封装3 2 3 4 4 几种典型封装仿真的比较分析3 3 3 5 实验传感器的仿真3 3 3 5 1a n s y s 建模步骤3 4 3 5 2 聚合物封装传感器的仿真分析3 4 3 5 3 屏蔽径向压力封装传感器的仿真分析3 5 3 6 温度补偿理论3 7 3 6 1 双波长重叠法3 7 3 6 2 长周期光栅和布拉格光栅法3 7 3 6 3 双直径f b g 法3 8 3 6 4 给f b g 预置应变法3 8 3 6 5 参考布拉格光栅法3 8 3 7 本章小结3 8 第四章光纤光栅传感器的传感实验4 0 4 1 实验系统的构成4 0 4 2 实验过程及结果4 l 4 2 1 实验步骤：4 l 4 2 2 实验数据记录4 2 4 3 实验数据处理4 3 4 3 1 聚合物封装传感器的升压实验数据处理4 3 4 3 2 聚合物封装传感器的降压实验数据处理4 5 4 3 3 屏蔽径向压力封装传感器的升压实验数据处理4 6 4 3 4 屏蔽径向压力封装传感器的降压实验数据处理4 7 4 4 实验结果分析4 8 4 5 本章小结4 9 第五章总结5 0 参考文献5 1 致谢5 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况一5 7 、飞， 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一旱殖下匕 海洋面积广大，又瞬息万变，它是影响全球气候最重要的因素。海洋温度是反 映海水热状况的一个物理量，它是海洋环境监测中的重要参数之一，海洋温度的测 量对研究海洋学、海洋环境监测、季节气候预报以及海洋渔业等有十分重要的实用 意义【1 1 。 目前用于海洋温度测量的传感器大部分都是用铂电阻【2 1 、热敏电阻【3 习等。广泛 应用的铂电阻是中低温领域的测量传感器，稳定性好、可靠、精度高，但是非线性 较大；热敏电阻最大的特点是温度系数大，适合微小温度测量场合使用，价格便宜， 特别适合在常温范围中使用，但是其电压输出与温度并非成线性比，在高温上的电 压变化率较小，不易分辨。 与其他种类的传感器相比，光纤传感器具有很多优点【6 】： ( 1 ) 光纤体积小，重量轻，传输损耗低，可以利用很长的光纤束来增大敏感 范围，提高灵敏度。 ( 2 ) 电绝缘性能高，抗电磁干扰、雷电和噪声，耐高温，防燃防爆，抗腐蚀 性能好。 ( 3 ) 光纤本身既是探测元件又是传输元件，可以在光纤干线上连接许多光纤 传感敏感单元，组成大范围遥感系统，进行分布式测量。 因此光纤传感技术一出现，立即引起了世界发达国家的重视。美国、英国、法 国、德国、日本等国的政府部门、研究团体、大学、公司等都投入了相当的人力和 物力来研究、开发这一技术。8 0 年代以后，光纤传感技术在海洋环境测量中的应用 研究发展较为迅速，并且取得了很大进展，其中光纤温度传感器在海洋环境测量中 的应用研究成绩尤为突出，在浅海环境中的应用实验已经取得了突破性进展，并已 向深海环境发展。 光纤温度传感器分为点式光纤温度传感器和分布式光纤温度传感器。分布式测 量技术在浅海能够实时在线测量、显示和处理大量的数据，测量距离可达几公里至 几十公里，还可以通过布设多条光纤信道来构成一个平面或立体的大空间检测系 统。另外，分布式测量技术也可以用于深海，实现离线、长周期监测海底水温的分 布情况。与普通的温度传感器相比较，分布式光纤温度传感器更容易测量海水的温 度分布，而海水的温度分布对海洋学现象的分析研究是非常重要的。因此，分布式 光纤温度传感器的研究是重要的，它在许多方面可与点式传感器竞争，是一种具有 1 华北电力大学硕士学位论文 发展前景的高新技术。 1 2 课题的研究背景 本文的研究内容来源于国家8 6 3 计划课题“光纤温度链及测量技术。根据设 计，在海水的不同深度分布传感器，中间用光缆连接。光缆结构采用在碳涂覆光纤 外侧加装松套层绞式不锈钢舌簧管铠装的方式，以增强光缆的机械强度。 光缆入海方式为静止船载下放，如图1 1 所示。由于测量的海水深度为3 0 0 米， 必须为入海光缆进行配重才能使其达到设计深度。考虑到光缆的承重能力，采用挂 锚承重钢缆为入海光缆做牵引。卷扬机w i 收放入海光缆，卷扬机w 2 收放挂锚承 重钢缆。在w 1 和w 2 分别释放光缆和钢缆进入海水前，将连有光缆的余长卷轴固 定在承重钢缆上，并在下放两种缆的同时，间隔安装光缆固定环。温度测量系统用 来接收和处理传感光缆测得的信号，得到不同深度海水的温度信息【7 1 。 图1 1海洋温度剖面测量系统结构示意图 文献【7 】【8 】【9 】【1 0 】已深入分析海洋温度测量特性，忽略了洋流分布的影响，测量 深度按光缆长度计算。但随着测量深度的增加，特别是深层测量，洋流分布的影响 使光纤光栅不在相应的水深，如图1 2 所示，将导致测量出现误差。如果增大铅鱼 的重量，必须考虑光缆的承重能力。 2 j 华北电力大学硕士学位论文 图l - 2 受洋流影响的测量光纤光栅状态 因此，有必要对光纤光栅的压力传感特性进行测试研究，以完善海洋温度剖面 测量系统。 1 3 国内外研究状况 f b g 是一种基础性光纤器件，在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广 泛的应用前景【1 。f b g 是一种波长选择反射器，其反射信号波长( 即b r a g g 波长) ， 随温度和所施加应变的变化而变化，这种反射波长的变化称之为波长位移，如图1 3 所示。 图1 - 3f b g 传感器的应用 利用f b g 对温度和应变的敏感效应，即用f b g 作敏感元件，可以传感许多其 3 华北电力大学硕士学位论文 物理量【1 2 1 。可见，f b g 在传感技术中具有十分广阔的应用前景，尤其是利用f b g 向应变特性可以测量很多物理量。 3 1 光纤光栅传感系统的国内外研究现状 光纤光栅的研究最早主要集中在光纤布拉格光栅。1 9 7 8 年，加拿大通信研究中 的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h 朝。他们利用4 8 8 n m 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。制成了世界上第一个永久性可实现反向模式间耦合的光 光栅，被称为“h i l l 光栅一n 钔，开辟了光纤光栅传感器研究与应用的新领域。驻 法写入的光纤光栅的反射率可达9 0 以上，反射带宽可小于2 0 0 m h z ，但是由于 要特制的掺锗量高，芯径小，因此其实用性受到限制。 1 9 8 8 年，美国的m e l t s 等人提出了用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面 曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅横向全息成像技术n 耵，这项技术不仅有效地提高 了光纤光栅的写入效率，而且还可以通过选择激光波长或改变两束相干光间的夹角 可在任何可用的波段写入光纤布拉格光栅，为光纤光栅的实用化铺平了道路。1 9 9 3 年，h i l l 等人提出了紫外光垂直照射位相掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光 纤光栅的位相掩模法n 们，极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使光纤光栅真正 走向实用化和产业化。 世界各国对光纤光栅的写入方法、理论研究和其应用都获得了飞速的发展。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，光纤光栅传感器 被视为具有推动光纤传感器进入前沿发展的潜力。在国内光纤光栅传感器也发展迅 猛，国家自然科学基金、8 6 3 项目等国家基金以及其他专项基金给予了大力的支持 和资助。早在“八五刀计划期间基金委就布置了若干与之相关的重大基金和重点基 金项目，并且投资力度逐渐加大。到现在为止，数量上已形成了一定规模，质量上 已经上了新的层次。在传感理论研究方面，以清华大学、吉林大学、中科院半导体 所、上海光机所等为代表的机构对光纤的光敏性、成栅机理、光波传输规律等问题 进行了深入研究n l 埔1 。清华大学从1 9 9 6 年开始对光纤布拉格光栅及其传感特性进 行研究，提出了利用光纤光栅实现应变和温度同时测量的构想，近几年则在光纤光 栅匹配调谐技术和压力、温度区分测量方面进行了实验研究；南开大学提出了宽带 光源，光纤光栅封装技术，以及适用于光纤光栅应用的光纤放大器等研究方向，其 现代光学研究所对光纤光栅在通信和传感方面的应用已有深入的研究，且在实现光 纤光栅的温度、应变、扭矩等参量的区分测量方面，取得了一定的成就；武汉理工 大学的国家光纤研究中心目前己经自行研制了光纤光栅温度传感器、应变传感器， 光纤光栅解调仪，光纤液位计等；哈尔滨工业大学研究出的纤维增强塑料光纤 4 i l 一 华北电力大学硕士学位论文 光栅复合传感筋、光纤光栅毛细管式封装应变计、光纤光栅片式应变计等都已经申 请专利。西安石油大学在传感器的封装和埋覆方面，取得了显著的成绩。 许多高新技术企业也陆续生产出了自己的产品。上海紫栅光电技术有限公司不 但拥有解调器，温度、应力传感器，色散补偿器，滤波器等产品的自主知识产权， 而且生产出波长范围为4 0 n m ，分辨率l p m 的第二代解调设备。北京品傲光电科技有 限公司生产各种光纤光栅传感器( 温度传感器、位移传感器、应变传感器、压力传 感器等) ；解调设备有p i 系列传感网络分析仪，其技术指标优异，可靠性设计高， 可应用于桥梁、大坝、隧道、远距离输油管道等大型结构的长期健康监测。北京路 科锐威科技有限公司是专业从事光电子器件与系统的设计、开发、生产与销售的高 科技企业，该公司生产的光纤传感器及配套的光纤光栅解调仪己应用在桥梁，大坝， 石油平台监测等。 虽然我国在光纤光栅传感方面取得了很多成绩，但还有许多关键技术和工艺问 题有待进一步深入研究和完善。在制作方面，生产的光栅多以通信为主，传感性能 不一定最佳；在波长解调方面，满足工程需要的具有自主知识产权、经济型、小型 化韵解调设备始终没有重大突破，成为制约我国光纤光栅传感系统工程应用的瓶 颈；在光源方面，可调谐激光光源( t l s ) 、自激发辐射放大( a s e ) 宽带光源的稳定性 和可靠性等方面有待进一步提高；在传感器的封装和保护方面，多为手工操作，产 品一致性差，适合批量生产的自动化封装工艺需要进一步研究。 国际上，美、英、加拿大等西方发达国家以及亚洲的日本、韩国在光纤光栅传 感领域中发展得比较迅速。处于光纤光栅传感领域的领先地位。主要研究机构有： 美国的海军实验室( n r l ) 、国家航空航天管理局( n a s a ) 、b l u er o a dr e s e a r c h 公司、 m i c r o no p t i c s 公司等；英国的k e n t 大学、c i t y 大学、s m a r tf i b e r s 公司等；加 拿大的p h o t o n i c sr e s e a r c h 公司以及韩国的国家光子研究中心等。光纤布拉格光 栅传感器己经在大型结构工程( 如桥梁、大坝、隧道、高层建筑、矿井巷道、运动 场馆、岩土工程等) 、电力、航空航天、船舶、生物医学、核工业、石化、水利、 石油勘探以及军事武器装备等领域获得了应用。1 9 9 3 年加拿大卡尔加里附近的 b e d d i n g t o nt r a i l 大桥首先使用了光纤光栅进行应力测量并用此方法长期监测桥梁 结构。1 9 7 9 年，美国国家宇航局首次将光纤传感器埋入聚合物复合材料中，用以监 控复合材料应变与温度。后来，他们在航天飞机x - 3 3 上安装了测量应变和温度的 光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时的健康监测。在德国，自1 9 9 6 年开始， 研究基于光纤光栅的自适应机翼，在结构变化监视中埋入了静态分布式光纤光栅应 变和温度传感器。德国雷斯顿大学的m e i s s n e r 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土 棱柱中，测量荷载下的基本线性响应，并且用常规的应变仪作了对比实验，证实了 光纤光栅传感器应用的可行性。在石油化工等易燃易爆领域，光纤光栅传感器因其 本质安全性以及耐腐蚀性而非常适用。2 0 0 0 年，s p i r i n 等人用一种聚合物封装光 5 将光纤光栅振动传 ，用于监测井下声 时不需要去掉光纤 通光纤光栅增加了 成为油气井下光纤 学组织的卓越奖。 术和特殊的不锈钢 装于油井下，可以 k m ，压力读取精确 国c i d r a 公司在光 7 5 。c 、2 0 0 。c 和稍 贝谢油田服务公司 对井下监测进行了 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，可以适应于井下的压力监测，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【2 0 1 。 1 9 9 3 年，m g x u 等人【2 i 】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 n m ， 光栅的压力灵敏度仅为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。 1 9 9 6 年，m g x u 等人【2 2 】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，使光纤布拉格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【2 3 】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地粘合 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几种载荷，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 1 0 4 m p a ，较裸光纤光栅提高了2 个数量级， 6 华北电力大学硕士学位论文 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。 黝 图l - 4弹簧管压力传感器结构示意图 + 2 0 0 2 年，张颖等人【2 4 】设计了采用增敏罐封装f b g 压力传感器，如图1 5 所示， 将光纤光栅深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 方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 1 1 0 一m p a ，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，并且在聚合物固化过程中， 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 0 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。 图1 - 5有机聚合物封装光纤光栅结构示意图 2 0 0 4 年，傅海威等人【2 5 1 提出了采用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 7 华北电力大学硕士学位论文 感器压力灵敏度可达到8 7 3 n m m p a ，相比裸光纤光栅提高了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0 0 1 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露检测等。 图1 - 6 梯形梁波纹管光纤光栅压力传感器结构 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主要问题是传感头的结构 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。 1 4 光纤光栅压力传感器的应用前景 光纤光栅压力传感特性研究除了满足8 6 3 课题的需求，还可以应用于水声探测 技术。f b g 水听器技术是近年来得到迅速发展的水声探测技术，它具有无需阻抗匹 配、本质上抗电磁干扰、适合远距离大范围检测等诸多的优点；由于f b g 的传感信 息直接由波长编码，而波长是绝对的参数，不会受到总的光强变化、光纤连接和耦 合的损失以及光源功率变化的影响，因此基于f b g 的水听器信号比较不易受到干 扰；此外正因为f b g 传感具有波长编码的特性，因此它能方便地利用波分复用技术 ( w d m ) 在同一根光纤中串接多个f b g 水听器进行分布式测量，从而实现全光纤 探测和传输，使得水听器成阵时可大大减少水听器阵列的重量和尺寸，并降低成本， 因而在应用上具有很大优势 2 6 1 。 1 5 本文的主要研究内容 国家8 6 3 计划课题“光纤温度链及测量技术中，光纤温度链系统的主要技术 8 华北电力大学硕士学位论文 指标是：空间分辨率至少5 米，传感距离3 0 0 米，测温范围2 - 3 5 c ，测温精度 士0 2 c ，测量时间1 2 0 秒。本论文基于光纤光栅的高精度、高空间分辨率应力传感 技术的要求，利用有限元软件a n s y s 对传感器的受力情况进行仿真分析，为传感 器的设计提供研究基础和参考，并封装压力传感器，进行压力传感实验，主要研究内 容包括： 第一章阐述了课题背景，简介光纤光栅传感器、光纤光栅压力传感器的国内外 研究现状和应用前景。 第二章首先讨论f b g 的各方面性能，其次阐述了光纤光栅的耦合模理论，分析 f b g 的温度、应变、压力传感以及交叉敏感的原理，然后介绍光纤光栅传感系统中 常用的三种复用技术( w d m 、t d m 和s d m ) 的原理，最后通过比较四种现有解调 方案的优缺点，结合研究课题的要求，确定了基于可调f p 滤波器的光纤光栅传感 解调方案。 第三章介绍光纤光栅传感器封装的必要性，封装的设计原则及课题的设计方 案。利用有限元软件a n s y s 仿真分析聚合物封装传感器和屏蔽径向压力封装传感 器，观察其变形前后图和位移变化云图，分析处理仿真数据，便于与实验结果相比 较。最后通过温度补偿理论，提出了常用的几种解决温度、应变交叉敏感问题的方 法。 。 第四章通过搭建实验系统，进行压力传感实验，详细介绍实验过程及结果，对 实验数据进行分段线性拟合，与仿真结果相比较。 第五章对本文的研究工作进行了总结，并展望了课题的发展前景，提出了下一 步要进行的工作以及解决的问题。 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章光纤光栅传感理论基础 本章首先讨论f b g 的性能，介绍光纤光栅的耦合模理论，分析光纤布拉格光栅 温度、轴向应变和横向压力传感原理以及交叉敏感特性；然后介绍f b g 传感系统 用的三种复用技术，包括波分复用、时分复用和空分复用技术；最后介绍f b g 传 系统四种现有解调方案的原理，包括匹配光栅滤波法、非平衡m a c h z e h n d e r 干涉 法、可调谐窄带光源法、可调谐f a b r y = p e r o t ( f p ) 滤波器法，并对各种解调方 的优缺点进行比较。 1 光纤布拉格光栅特点 f b g 是2 0 世纪9 0 年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等光电子 理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。f b g 利用掺杂光纤的光致折射率变 特性，用特殊工艺使得光纤纤芯的这项折射率发生永久性周期变化而形成的，能 波长满足b r a g g 条件的入射光产生反射【2 7 1 。当前，f b g 的制作与应用研究已经成 世界各国光纤技术研究的热点和重点，这主要是因为f b g 具有诸多优点【2 8 】【2 9 】：( 1 ) 受电磁干扰，具有在易燃、易爆以及核爆炸等恶劣条件下的潜在生存能力；( 2 ) 寸小、重量轻，它的典型直径为1 2 5 u r n ，因此，将其嵌入到复合材料中不会对原 结构特性产生较大影响；( 3 ) 当被用在室外时，具有更强的耐腐蚀能力；( 4 ) 具有 更强的波分复用能力，使其可以在一根光纤上复用大量的传感器；( 5 ) 具有较强的 耐高温能力( 大约为3 0 0 ) ；( 6 ) 使用寿命长，在其性能不退化的情况下，其正常 工作寿命可超过2 5 年；( 7 ) 与普通光纤具有天然的兼容性，插入损耗非常低：( 8 ) 具有周期性和准周期性的本征特性，对波长直接绝对编码，不受光路中功率波动( 例 如：光源功率波动、光纤微弯和连接器等造成的光能损耗) 的影响，测量精度高。 这些优点使f b g 成为目前最具有挑战性和最有发展前途的光纤无源器件之一。 随着f b ( 3 制作技术的日益完善和应用研究成果的不断涌现，f b g 在光纤通信 和光纤传感领域具有越来越广阔的应用前景。在光纤通信方面【3 们，f b g 将影响到从 光发送、光放大、光纤色散补偿到光接收的几乎每个方面。由f b g 提供选择性反馈 的光纤激光器和半导体激光器已可以实现线宽只有千赫量级的单纵模激光输出。在 e d f a 中使用f b g 可以在整个放大器带宽内实现平坦的增益并有效地抑制放大器的 自发辐射噪声，同时极大地提高泵浦效率，从而对光信号实现接近理想水平的低噪 声放大。采用f b g 可以制成结构简单、性能优良的光纤波分复用器，用单个器件即 可实现上下话路的功能。因此，f b g 可能成为下一代超高速光纤通信系统中不可缺 少的重要光纤无源器件。f b g 在纤维光学中的作用与反射镜在几何光学中所具有的 意义相当。在光纤传感方面【3 1 1 ，f b g 的b r a g g 波长与温度及施加在其上的应力( 应 1 0 华北电力大学硕士学位论文 变) 呈良好的线性关系，这一特性又使它成为一种具有优良性能的光纤传感元件， 并且利用f b g 可以方便地实现物理量的分布式传感。随着f b g 传感检测技术的迅 速发展，在许多应用领域中，包括建筑物和大坝工作状态的实时监测、材料的无损 探伤以及电缆和管道的遥感测试等方面，f b g 传感器倍受青睐。 2 2 光纤布拉格光栅耦合模理论 光纤光栅是利用掺杂光纤材料的光敏性，通过某种工艺使外界入射光子与纤芯 相互作用，使纤芯折射率沿轴向方向产生周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯 内形成空间相位光栅。光纤光栅实质上是一个在纤芯内形成的窄带滤光器或反射 镜。光纤光栅中的折射率分布可以表示为【3 2 1 ： 一 ， ” a n 谚= 缸够【1 + s c o s ( 专 z + 认z ) ) 】 ( 2 - 1 ) 式中，觚矿为一个光栅周期内的平均有效折射率变化，是一个与折射率调制有关的 参数，通常视光栅反射率大小在0 5 l 之间取值；人为光栅周期；烈z ) 描述光栅的 啁啾特性；z 为光纤轴向坐标。当缈( z ) 和觇矿形式不同时，描述的光纤光栅类型也 不同。 光在光栅中的传播符合耦合模理论，通过求解无微扰光纤可得光纤光栅的耦合 模方程，光纤光栅中的横向电场分量可以分解为理想模式之和，即 e r 化y ，z ，f ) = 【以( z ) c x p ( 纯z ) + 吃( z ) e x p ( 力瓯z ) 环( x , y ) e x p ( - i c o t ) ( 2 2 ) 式中，以0 ) 与瓯( z ) 分别表示第m 阶模场沿正方向与负方向缓慢变化的幅度； 尾= ( 2 万力) ，谤表示第m 阶的传输常数；横向模场化y ) 表示纤芯、包层或辐射模。 在理想情况下，各阶次模式之间没有能量交换，然而由于光栅中周期性介电微扰的 引入导致了模间耦合的产生。在这种情况下，4 ( z ) 与吃( z ) 沿纵向的变化为： 争= f 4 ( + 嚷) e x p i ( f l 。一尾) z 】 “ q ( 2 3 ) + f ( q 一) e x p - i ( f l q + 尾) z 】 盟d z “莩4 ( 一c ：m ) e x p f ( 岛+ 尾) 引 ( 2 4 ) 4 乞( + ) e x p - i ( p , 一成) z 】 式中c ：；= l 表示横向耦合系数；表示纵向耦合系数；属表示第g 阶的传输常数。第 m 阶与第g 阶模式的横向耦合系数可以表示为： 华北电力大学硕士学位论文 ( 加i c oj j 如y ，z 片( 毛力f ( 圳撕 ( 2 5 ) 式中a e ( x ，y ，z ) 表示介电微扰。通常情况下，可以认为c = ：i l c ：；= i 。 在许多情况下，紫外光照射后的折射率变化，k “y ，z ) 在纤芯区近似均匀，而 在包层处可以忽略。按此假设，根据式( 2 1 ) ，用纤芯折射率r l 。o 的变化( z ) 代 替a ，o ( z ) 来定义纤芯的折射率变化。在此定义两个新的参数、 厶o ) = 缈每已石云( z ) f f ( 五j ，) e p = ( x , y ) d r , d y ( 2 6 ) ( z ) = 言厶( z ) ( 2 7 ) 式中，厶q ) 为自耦合系数；( z ) 为交叉耦合系数。则横向耦合系数可以表示为： c 二( z ) = 厶( 卅2 ( z ) s 尝z + 北) 】 ( 2 - 8 ) 光纤b r a g g 光栅是一种反射型光栅，耦合主要发生在b r a g g 波长附近两个波长 相同的正反向传输模式之间，对式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 进行化简，可以得到f b g 的耦 合模方程为【3 3 l ： 皇叁= f f + 彳+ ( z ) + i x b + ( 力 ( 2 9 ) 孚= 叫f + 口+ ( z ) 一i r ( z ) ( 2 1 0 ) t z 式中彳+ ( z ) 表示模场沿轴向正方向缓慢变化的幅度，曰+ ( z ) 表示模场沿轴向负方向缓 慢变化的幅度；r 和_ i r 为交叉耦合系数；f + 为直流耦合系数。 a + ( z ) 拳a ( z ) e x p ( i 8 d ，z - 9 1 2 ) b + ( z ) = 曰( z ) a 【p ( _ f 以z + 矿2 ) f + = 力+ f 一五1 老 式中，瓯为模式间的失谐量，与z 无关，可以表示为： 以= 一吴= 2 【石1 一寺 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中，万谚为光纤有效折射率，在折射率均匀调制的单模光纤光栅中，略小于纤芯 折射率；= ( 2 r r 1 ) n 谚为传输常数；a 为光在真空中的波长；以为理想光栅( 有效 1 2 华北电力大学硕士学位论文 折射率变化，l 谚趋于o ) 中心反射波长，可表示为： 如= 2 n 谚a 复数因子f 描述光栅产生的吸收损耗，损耗系数表示为口= 2 i m ( o 。 光纤b r a g g 光栅，自耦合系数与交叉耦合系数简化为： f + = 了2 7 一锄旷 ( 2 1 5 ) 对于单模 ( 2 1 6 ) 鬈= r = 手j 瓦 ( 2 1 7 ) 鬈= r = 一，l j l z - 对于均匀周期光纤b r a g g 光栅，厶，l 为常数且d 9 , d z = 0 ，无啁啾，因此，r 、 f 和f + 全为常数，式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 简化为常数因子的一阶微分方程。已知边界 条件时，可以得到方程的闭合解。假设一束光a + ( z ) 从z = - - - o o 处入射到长度为l 的 均匀周期b r a g g 光栅中，在z l 2 时没有反射光。反射光的归一化振幅p 与能量反 射系数尺可以分别表示为： p = b + ( - l 2 ) a + ( - l 2 ) 一定 s i n h 4 ( 彭l ) 2 一( f + 三) 2 ( 2 一1 8 ) = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = g - + s i n h 【以) 2 一( f + ) 2 + f 一f + 2c o s h ( 础) 2 一( f + 三) 2 r 爿卯= 竽塑竺巡型l ( 2 - 1 9 ) 一! 下+ c o s h 2 ( 碰) 2 一( f + 三) 2 对于一个周期均匀的f b g ，当自耦合系数f + = 0 时，最大反射率和峰值波长分 别表示为： r 一= t a n h 2 ( 砬) ( 2 - 2 0 ) ：( 1 + 堕) 厶 ( 2 2 1 ) 谐振波长两侧反射率第一次为零的波长间距厶为光纤b r a g g 光栅的带宽 d 4 ，f l 拭( 2 1 6 ) 、( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 可得f b g 的相对带宽为： 丛：坠堑 名 ( 2 2 2 ) 当折射率变化非常小时，s a n 非常小，即s a n 矿 2 n l ，则有： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 堕竺堑( 2 - 2 4 ) 五 万谚 由式( 2 2 3 ) 和( 2 - 2 4 ) 可知，当折射率变化很小时，带宽由光栅长度决定， 光栅越长反射峰带宽越小。当折射率变化很大时，光线不能穿过整个光栅区域，反 射峰带宽与光栅长度无关，而是取决于折射率的变化，也就是说反射带边缘带宽、 第一过零点带宽和半高全宽的值都是相似的。 2 3 光纤布拉格光栅基本光学特性 f b g 是利用掺杂( 如锗、磷等) 光纤的光敏特性，通过某种工艺方法使外界入 射光子和纤内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性 的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅，如图2 1 所示。 输入信号f - - - - - - - - _ - - - _ - _ 一 输出信号 j 图2 - 1f b g 的结构示意图 f b g 必须满足相位匹配不t 。，, 3 5 1 ： 屈一压= 筇= i 2 7 r ( 2 - 2 5 ) 式中a 栅格周期； 届、厦耦合模的传播常数，前向传播( 图中右向) 为正，后向传播( 图 中左向) 为负； 为耦合模之间的传播常数差。 当广谱光波在f b g 中传播时，两个反向传播的芯模( 导模) l p o l 之间产生能量 耦合，形成特定波长的反射光波。对于前向传播的l p o l 模，届= p o 。；对于后向传 播的l p o l 模，屈= 一成，两耦合模之间的传播常数差为= 2 a ，数值较大。根据 相位匹配方差可知，光栅周期人很小，一般小于l u m 。因此，当广谱光波在f b g 中 传输时。只有那些满足b r a g g 条件波长的光被反射回来，其余波长的光可以无损耗 地透过。这样，f b g 就成为具有波长选择性能的全光纤器件。利用耦合模理论对周 期性光栅进行分析，可以推导出f b g 的反射率足的表达式【3 6 1 ： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 r ：面舞攀( k 2 印2 ) ( 2 2 6 ) “印2s i n h 2 ( 肛) + s 2 e o s h 2 (