（电磁场与微波技术专业论文）基于荧光强度比的光纤布拉格光栅温度应变传感器.pdf

中文摘要 摘要：相比于普通电传感器，光纤温度传感器具有精度高、传感范围宽、不受电 磁干扰等许多优点。基于荧光强度的稀土掺杂光纤温度传感器容易受到外界因素 的干扰，比如泵浦源的波动，系统的光路损耗等，测量精度存在不确定性。利用 稀土离子两个热偶能级荧光强度的比值随温度的变化特性，则可消除这种干扰， 可以高精度的测量温度。光纤布拉格光栅在光纤传感领域有很广泛的应用，但是 布拉格波长同时具有温度敏感性和应力敏感性，所以在利用布拉格光栅进行传感 时，必须考虑将两者的相互影响区分。本文利用荧光强度比对应力的不敏感性， 用它作为布拉格光栅传感时的温度补偿，实现了光纤布拉格光栅温度和应力的同 时测量。 主要工作成果有： 1 、理论研究了稀土掺杂光纤中稀土离子的能级结构及其吸收和荧光谱特性，主要 分析了掺铒光纤中铒离子的能级结构以及s t a r k 能级分裂对荧光谱的影响，说 明了采用4 1 1 3 陀的s t 址能级间的荧光强度比进行温度监测的原理，以及相比采 用铒离子的2 h l 忱和4 s 3 忽两个热偶能级的荧光强度比进行温度监测的优势。 2 、总结了近些年来国内外采用稀土掺杂光纤中稀土离子的热偶能级间的荧光强 度比进行温度测量的研究进展，对比分析了采用不同稀土离子的荧光强度比的 温度特性实现温度监测的优缺点。 3 、创新性地提出了采用铒离子激发态4 1 1 3 2 的s t a d 【能级问的荧光强度比的温度特 性进行温度测量，泵浦源可以采用9 8 0 i l m 半导体激光器，而且产生的荧光位于 1 5 5 0 n m 光纤通信低损耗窗口，可以使用便宜的光电二极管探测器接收传感信 号。在3 0 到1 5 0 范围内，对4 1 1 3 ，2 的s t a l k 能级间的荧光强度比进行实验研 究，得出了荧光强度比值随温度的线性变化规律。 4 、在光敏掺铒光纤中刻写光纤布拉格光栅，使其同时受温度和应力的作用，光纤 承受的基准温度由温控箱提供，应力由滑轮和砝码系统提供。每分钟改变一次 光纤承受的温度和应力，并测量荧光强度比的变化r 和布拉格波长的移动量 k ，总共测量1 0 次。根据荧光强度比的变化欲得到光纤温度的变化r ， 通过丁可以求得温度引起的布拉格波长移动量从叶。光纤光栅反射波长随应 力的变化九= 九b 一九盯，根据从可以求得光纤承受的应力变化，通过1 0 组数据分析传感系统温度和应力的测量精度以及工作的稳定性。 关键词。光纤传感；荧光强度比；温度；应变；光纤光栅 分类号：1 n 2 4 7 r a bs t r a c t a b s t r a c t ：o p t i c a l 舳e rf o rt 锄p 盯a h s 饥s i n gh 勰m 舭ya d v 觚t a g c s0 v e re l e c t r i c a l s 咄。瑙，i n c l u d 证gl l i 曲s m s i t i v i 劬丽d es e i l s i n g 砌g e ，i 删锣t 0e l e c 呐m a g n e t i c i l l t e i f e r 锄c e ，e t c f 1 u o r e s c e 】ei n t s i t y b 勰e dr a r ee a m l d o p e d 助e rt 锄p 铡l c u 鹏s 饥s o r a s s i t i v et oe x t 黜a lp e r t i 曲a t i o n s ，m yc h 锄g c si i lm ee x c i t a t i o ni n t 肌s 时0 ri l l 觚l 锄i s s i o nl o s s 铭i i lg u i d i n g6 b 懿i l lm c has y s t 锄，h o w e v w o u l db ei n t e m r e t c d i i l c o n c c y 嬲c _ h 觚g e si i lt 锄p 盯a t u t h er a t i oo fm ef l u o r 锱c e l l c ei n t e 璐i t ) r ( f i r ) 丘0 m t w 0t l l 印n a l l yc o 叩l e d 锄盱舒l e v e l so fr a 心伽曲i o i l si sr e l a t i v d yi i i 】伽m et 0b 饥d l o s s 髓锄df l u ( ；t u a t i o ni i li l l ep m r l pp o w 嚣f i b e rb r a g g 莎a t i i l gi s 、) i r i d e l y 髑e di l lf i b e r s e 瑚0 rf l i e d ，b m 廿l et 黜叩盯a t u 觚ds c r o s s - s 饥s i t i v i t ) ri nb r a g g 伊a t i i l gs 锄0 ri sa m 旬o ri s 跚e h o w e v t l l ef 瓜i si i 塔e 邶i t i v et o 蚰面n ，i tc 趾p r o v i d et 锄p a t l 鹏 c o m p 豇搜血o nf o rf b g i l las i i i m l t a l l 瑚s 慨na i l dt 锄 1 p e f a t u 代i n o i i i 州n gs y s t e m 1 n h em a i l l 删l t so f l i sp a p e r 骶： 1 1 1 1 e 饥e r g yl e v e l so f r a 他r t l li o 璐i i lm 他e a m l d o p e d6 b 粥舭dt l l ea b s o 印t i o n 锄d e m i s s i o np r o p e r t ya 托m a l y z e dt l l 础c a l l y ；t l l ep 印盯m a i l l l y 锄d u c e st l l e 锄e f g y l e v c l so fe 而i 啪i o i 坞i ne 南i 姗d o p e d 舶e 璐，a n dt h ci i l n u l m c eo fs t a 出e f f e c t j f l u o 瑚c 铋s p e c 嘶t h ep a p e ra l i n 仃o d u c 鹪t l l e 吐l d ro f 瑚妯gt l l er a t i oo f n u o r 鹤c e n i n t e i 曝i t ) ，s t a 出l e v e l so f4 1 1 3 2 ，锄dt h ea d v a n t a g 脚；o v 盯璐i i l gm e 豫廿oo f n u o r e s c t m c ci i l t 饥s i t y 丘0 mz h i l 尼锄d _ s 3 廖 2 t h ed e v e l o p m e n to f 吐l ef m - b 鹤e dt a 珥暇a n 鹏s 饥r 砒h 伽a n da ：b m a di s 羽瑚m a r i z e d 锄dm ep e r f o m 锄c eo ft h ee r ：b i u n l - d o p e 也n d y i i l i u m - d o p e d 觚d y t t e r b i u m - d o p c ds i l i c a 舶盯t 锄p e r a t u s 锄9 0 r 瑚i n gf 瓜慨l u l i q u ei si n 呐d u c e d 3 t h es c h e m eo f 啪i i l gt h ep r o p 鲥：yo ft 锄p 盯a h 鹏d 印饥d o ft l l ef 瓜舶mn 圮 t 、0s u b l e v e l so fs p l i t4 1 1 3 2 m 吣yl 吼，e lo f 响i 啪i o 璐f 0 rt 伽叩盯姗s e 璐i n gi sp u t f 0 刑a r d ，廿l el o wc o s tl 姻盯d i o d 髓0 rl i g h t - e m i t t i n gd i o d 懿c 觚b em e d i i lm es c h 锄e o w i i l g t ot 1 1 ef l u o s c e n c el o c a 旬瞄t l l el5 5 0 呦1 0 w - l o s sw i i l d o wo fo p t i c a l c 0 倒【n u i l i c a t i o n ，m ec o m m o i l l ya v a i l a b l ed e t e 咖娼s u c h 鹪s i l i p h o t o d i o d 鹤c mb e u s e d ， l ec o s to fs m rs y s t 锄i sv e 巧l o w t h et 锄p 盯a t u 他s 锄i n g 懿p 舐m 饥t a ls y s t e mb e d f mt e c h i q u e i se s 讪l i s h e d ，b yc h 锄g et l l e t 锄p 盯a t u 他o fe i b i 啪一d o p e df i b 盯w l l i c h i sm o i l i t o r e db yo v 锄，廿l er a t i oo f n u o 瑚c 饥c ei n t 饥s i t yf b m “0s u b l e v e l so fs p l i t4 i1 3 2 e n 豇g yl e v e li sm e 鹤u r c d t h e l i n e a r 他l a t i o n s h i pb 咖e f i r 舭dt e m p e r 咖r c h 鹊b e 饥o b t a i n e d 4 af b gi sw n t t e ni i lap h o t o s e n s i t i v ef i b e r a n dm ef i b e ri sg u b j e c tt 0b o ms 仃a i n 锄d t 锄p e r a t i 盯e t h ee 腧c t so fm ea p p l i e ds 仃a i na n dt 唧e f a t u r eo nt 1 1 eb r a g g w a v e l 饥g 1 觚df l u o r e s c 铋i m 吼s i t yr a t i ow e 托m e 嬲u r e db yo v 饥a n dap u l l e y s y s t 啪，t l l et 唧e 胁e 趴ds 删ni sc h 肌g e de v e r ym i i l u t e ，l 锄m e a s 谢n g l e c h 觚g eo fn u o r e s c c ei n t e i l s i t ) ，m t i o r 锄d l es h i no fb r a g gw a v e l g t t l h a c c o r d i n gt 0 尺孤d 九b ，l ec h 锄g eo ft 伽 1 p e r a t l l 代z 狮ds 缸伍n c 锄b e c a l c u l a t e dr 豁p e c t i v e l y n ee x p 鲥m 饥ti sc 硎e do u tlo t i m e s ，廿l 铋觚a l y z i n g 廿l e a o c u r a c yo ft l l es y s t e i r if o rt 既l p e r a t u 锄ds 仃a i ns 吼s i n g 舡y w o 肋s ：f i b 盯s 邮o f ；f l u 0 瑚c i n t 嘲时r a t i o ；t 锄p c r a 嘶；s 俩n ；f i b 盯 g ； c l a s s n o ：t n 2 4 7 v 致谢 本论文的工作是在我的导师傅永军副教授的悉心指导下完成的，傅永军老师 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。在此衷心感谢三年 来傅永军老师对我的关心和指导。 傅永军老师悉心指导我成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向傅永军老师表示衷心的谢意。 傅永军老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张丽萍、池剑锋等同学对我论文中的光纤光 栅传感研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 ， l引言 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起 来的新型传感技术，2 0 世纪9 0 年代后期，光纤通信带动下的光子产业取得 了巨大的成功，光纤传感器呈产业化发展【i 】，成为替代传统电子类传感器的 产品。相比普通的电传感器，光纤传感器具有精度高、传感范围宽、不受电磁干 扰、灵敏度高、耐腐蚀、成本低、体积小、能埋入工程结构、传感范围宽、 操作简便等优点，在传感领域越来越备受关注并得到广泛的应用，光纤传感 器使得智能传感结构成为可能，尤其是光纤布拉格光栅的出现极大地推动了 智能传感结构的发展。 光纤光栅传感器由于以其反射波长为信息载体，解决了传统强度型光纤 传感器的不稳定、易受干扰等问题，而且在具有传统光纤传感器优点的同时， 可以进行分布式测量，引起了人们的极大兴趣。满足b r a g g 反射条件的光纤 光栅反射波长，在外界物理场的作用下，因光栅周期或纤芯折射率的改变使 其波长发生漂移。光纤光栅作为传感器有许多优点：波长移动响应快，线性 输出动态范围宽；波长自参考特点，可以实现绝对测量；能进行波长编码， 易于实现复用；结构小巧，是智能传感结构的最佳选择【2 】。目前，光纤光栅 传感器已经应用于许多领域，用于温度、应力、应变、加速度、震动等的监 测，其应用范围遍及军事、民用、商业、医学、工业控制等领域【3 l 。能够引 起光纤光栅反射波长变化的最根本最直接的物理量是温度和应变，它们作用 将使光纤光栅的周期和折射率发生变化，从而引起布拉格反射波长的变化。 但是，在实际应用中，当同时有温度和应变的变化量存在的情况下，很难区 分开温度和应力的各自变化情况，即光纤光栅传感的交叉敏感问题。所以， 利用光纤光栅进行传感时，如何有效地解决温度和应力的交叉敏感是具有很 大的实际意义的，这也是目前光纤光栅传感在实际应用中的主要困难【4 】。在 此背景下本文提出了一种方案，这种方法操作简单、成本低，与光纤布拉格 光栅的兼容性好，而且测量精度高、范围广，有效地解决了光纤光栅传感反 射波长同时对温度和应力敏感的问题。 稀土掺杂光纤出现以来，不仅推动了全光网络的长足发展，也丰富了光 纤传感的内容。由于稀土掺杂光纤中稀土离子的发射谱和吸收谱都是温度敏 感的，可以被用来研究新的温度传感器。稀土离子的粒子数是随温度按波尔 兹曼分布的，而不同能级的粒子数分布确定了不同波段的荧光强度的特性， 荧光强度会随着温度变化而改变【5 7 1 。经研究，稀土掺杂光纤中稀土离子的荧 | 光强度对应力变化不敏感【8 9 】，所以，可以通过测量荧光强度的变化来确定光 纤承受温度的变化。虽然荧光强度会随着温度的变化而改变，但是仅仅通过 测某个荧光带功率的变化，容易受到外部环境的干扰，比如泵浦光源的波动、 系统光路的损耗等，使测量结果存在不确定性，所以温度测量精度比较低。 此外，稀土离子的荧光寿命也具有温度依赖特性，所以也可以被用来作为温 度传感器。对于采用稀土掺杂的石英基光纤，特别是掺铒光纤，主要研究激 发态4 1 1 3 2 能级的荧光寿命，由于荧光寿命长，影响了传感器的空间分辨率，其效 果不如采用基于拉曼和布里渊散射的远程传感器。 研究表明稀土离子的两个热偶能级荧光强度的比值也具有温度依赖特性，采 用荧光强度比技术进行温度测量可以很好地消除外部环境的干扰【5 8 】，同时选择合 适的稀土元素和光纤基质，优化稀土掺杂浓度，就完全可以实现精度高的、范围 宽的、廉价的温度传感。目前，由于掺铒光纤在光纤通信和光纤传感的广泛应用， 相关稀土掺杂光纤荧光强度比的研究，大部分是研究铒离子的2 h l l 尼和4 s 3 2 两个 热偶能级荧光强度比值的温度特性【l o 1 2 1 ，由于这两个能级辐射的荧光的中心波长 在可见光波段，所以在实际应用中会增加传感成本，另外这两个能级辐射荧光的 强度比较低，会导致系统信噪比低，从而影响传感器的测量精度。文章创新性的 提出了采用4 1 1 3 ，2 能级的s t a r k 子能级之间的荧光强度比进行温度传感，这种荧光 强度比可以使用早已实用化的9 8 0 i 蚰激光器泵浦源，而且亚稳态能级4 1 1 3 ，2 辐射的 荧光，中心波长位于1 5 5 0 n m 低损耗窗口，检测方法简单，所以传感器的价格会非 常低廉。另外，4 1 1 3 ，2 辐射的荧光强度比较强，传感系统的信噪比会比较高，所以 传感器的精度高。 如果在光敏的掺铒光纤上刻写布拉格光栅，光纤经泵浦后，产生的荧光 不仅可以用来测量光纤温度的变化，同时也可以作为光纤光栅的光源。这样 光纤所处环境的温度可以通过荧光强度比技术高精度的测得，温度已知的情 况下，布拉格波长随温度变化的移动量就可以得知，那么，布拉格波长随应 力变化的移动量也可以知道，这样就解决了光纤布拉格光栅传感温度和应力 的交叉干扰问题，从而可以实时的同时对嵌入结构的温度和应力进行安全稳 定的监测。 1 1研究光纤光栅传感的意义 光纤光栅的出现给传感器技术和通信领域带来了前所未有的变化，在过 去的几十年里，光纤光栅在光纤通信和传感领域有非常广泛的应用，可以说 光纤光栅的出现是光纤通信一个新的里程碑。由于光纤光栅的高反射率，以 2 及与光纤的兼容性，它的发明不仅导致一大批新型光纤有源和无源器件的出 现，而且极大地促进了光纤技术的进步，它所涉及的领域包括光纤通信、光 纤传感、智能结构以及激光光源等【1 t 2 】。由于光纤光栅的传感信号为波长，可 以在一只光纤中刻写数十只光纤光栅，通过波长复用形成分布式传感器。由 于光纤传感器的结构简单、安装方便，可以嵌入到材料中进行温度和应力等 的监测，光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构的理想器件。特别是光 纤布拉格光栅的出现，极大地推动了嵌入式传感结构的发展，同时提高了光 纤传感的安全性能，降低了传感价格，使得光纤光栅传感在航空、海事、民 用工程结构监测、海底探测、桥梁、隧道等领域都有广泛的应用【l3 1 。 与普通电传感器相比，光纤传感器的优势在于抗电磁干扰、抗腐蚀、体 积小、重量轻、操作方便等，但是传统的光纤传感器都是光强型或干涉型， 传感精度容易受到环境条件的约束，比如光强型传感器，任何形式的光源波 动、光纤弯曲损耗、连接器损耗、探测器老化都会影响测量结果的精度；而 干涉型传感器则对传感系统的要求比较高，要求两路干涉光的强度相等，才 能得到清晰的干涉条纹，保证较高的测量精度【1 3 ，i4 1 。光纤光栅的传感信息来 自于其反射波长的变化，这不仅避免了光强型传感器易受外部因素的影响， 导致测量精度的不确定性，同时具备光纤传感器的所有优点，还可以嵌入被 测结构进行分布测量。 特别是随着光纤布拉格光栅制作、封装工艺的不断提高，制造出高性能、 低成本的光纤布拉格光栅已经成为可能。另外，波长解调技术、多路复用技 术研究地不断成熟，扩大了光纤布拉格光栅传感的应用范围，为智能传感提 供了一个全新的平台，在未来的材料科学和结构工程科学中，结合了光纤传 感技术和人工智能技术，并且可以自我监测、自我维护、自我维修的新型智 能传感结构必将在传感领域有很重要的应用【1 4 1 。下面就f b g 传感器在不同领 域的应用简单总结。 1 1 1f b g 在大型复合材料和混凝土结构的健康监测应用 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g s h m ) 是项新兴技术【”。15 1 ， 由于s h m 在大型基础工程中的广阔应用前景，各国都已经在积极开展该技术 的研究。在各国政府部门的大力支持下，结构健康监测逐渐变为一个成熟的 产业，在航空航天、舰船、桥梁、建筑物等领域取得了阶段性的成果，一些 成果已经付诸实践。与传统的电子应变传感器相比，采用f b g 应变传感器来 监测大型复合材料和混凝土结构的健康状况有很多显著的优点【1 6 】： 3 ( 1 ) 可以更好地抵抗电磁干扰，可用于如核电站、化学工业等恶劣环境领域 中； ( 2 ) 嵌入被测物的传感部分体积更小； ( 3 ) 用于大型结构如桥梁大坝、舰船时有良好的抗腐蚀性： ( 4 ) 具有很强的复用能力，大量的应变传感器可以刻写在一根光纤上； ( 5 ) 具有更广的温度测量范围( 从液氮低温到1 2 0 0 k 以上的高温) ： ( 6 ) 经过适当曝光和退火后的f b g ，在超过2 5 年的时间内都可以保证工作 的可靠性。 在1 9 9 0 年，第一次将f b g 传感器埋入环氧树脂复合材料，1 9 9 2 年埋入单 个混凝土横梁监测其健康状况，f b g 传感器已经广泛的应用在了桥梁、矿山、 水坝、舰船、飞机等结构的健康检测中。 图1 1 光纤光栅埋于复合材料中 f i g l l r e1 1f i b e rg r a t i n g sa 托e m b e d d e di nc o m p o s i t em a t e r i a l s 最早利用f b g 进行应力应变传感的是桥梁领域。加拿大科学家在b e d d i n g t o nt r a i l 大桥上埋入l8 个f b g 传感器，对桥梁健康状况进行长期监测【1 3 】， 每个大梁都安装了一个不受应变影响的f b g 温度参考传感器来修正温度变化 引起的布拉格波长变化。东京大学的n t a k e d a 等人将f b g 传感器埋入复合 材料之中，如图1 1 所示，观察光栅反射峰在材料出现裂纹时的变化规律【l4 1 。 此外，光纤光栅传感器在航空、轮船等领域也有很广泛的应用。目前飞 机的机翼部分都是用复合材料制作的，与普通的金属材料相比，复合材料具 有更好的抗疲劳性、抗腐蚀性而且质量也比金属材料更轻等，并且可以设计 成各种形状等优点【1 3 ，1 6 】。德国联邦材料研究与测试研究院的k 枞w h a b e l 等人采用f b g 传感器阵列监测风力发电机动叶片的机械性能，将f b g 传感 器阵列嵌入到动叶片复合材料中，长期的监测动叶片样本的温度和张力( 测试疲 劳) ，研究f b g 传感器工作的稳定性和可靠性【1 7 】。 4 图1 2f b g 传感器阵列监测风力发电机动叶片的温度和应力 f i g l l r e l 2t s i l et e s tm h i i l e 谢l hc 伽1 p o s i t es 咖c t i i 坞锄dg 锄e m t e ds 雠i ns i 鲈a lm e a s u r j e db y 血e s t r a i i i lg a u g e 1 1 2f b g 传感器在电力工业中的应用 电力工业中的许多传感设备都工作在强磁场中，一般的电子类传感器由 于受到巨大的电磁干扰而无法使用。与其他的传感器不同，光纤传感器不受 电磁场的影响，所以它非常适合于用作电力工业中的传感设备。安装在电力 传输线上的f b g 通常用来测量传输线的负载、变压器的温度等。 电力传输线的负载不能过重，比如传输线上积累太多的积雪，会导致很 严重的后果，因此，对电力传输线负载重量变化的实时监测非常重要。o g a w a 等人设计了一个f b g 传感系统，在3 0 千米长传输线上设置了l o 个f b g 传 感器【1 3 1 6 】，来实时监测传输线的载重变化。 此外，利用f b g 传感器还可以测量传输线中的电流大小。结合法拉第效 应的光纤光栅传感器测量高压下的大电流已有2 0 多年历史，但是由于线性双 折射、温度和振动所引起的问题限制了它的进一步应用【l6 1 。另外一种方法就 是用变流器( c t ) 、压电陶瓷( p z ) 和光纤光栅组成的系统间接测量电流。 1 1 3f b g 传感器在医学领域中的应用 在许多的医学应用中，传统的电子类传感器是不适用的，特别是在高频、 超声波和有激光辐射的场合，由于金属导线与电子传感器的连接带来了系 列的问题。例如，癌症在感应电磁场中的超热治疗过程中，对组织温度进行 诊断的传导性器件在电磁场中会相互感应作用，引起导线的温度变化，最终 导致测量结果的不准确【1 8 】。r a oyj 等人设计了一种光纤光栅阵列温度传感器， 内部实时的监测研究病变组织的超声和热性质，在温度范围为3 0 6 0 时，其 精度为0 1 【1 3 ，l6 1 。 f b g 传感器还被用来测量心率，医生将注入冷冻液的导流管插入病人的右心 房，通过心脏血液输入可以测得心率的变化【1 3 】。利用光波的多普勒效应所研制成 的光纤血流计，可以高精度的测量血液流速，了解血液流动的情况，判断血流量 的大小【l 引。此外，其他典型的医用光纤传感器还有光纤p h 传感器、光纤体压计、 光纤体温计、光纤氧饱和度传感器掣1 9 】。 1 1 4f b g 传感器在其他领域的应用 光纤光栅传感器在石油工业领域有着非常广泛的应用，石油碳氢化合物是有 害物质，输油管道和储油罐发生石油泄露是非常危险的，如果不能及时的检测， 并且快速确定漏油位置，可能会造成非常严重的环境污染问题【1 3 1 6 】。在这种环境 中，传统的电类传感器是绝对不可以使用的，而f b g 传感器可以用于化学传感， 尤其是对如储油罐、油田、输油气管道等易燃易爆物的测量，相比普通的电类传 感器有绝对的优势。深海区的石油传输到海面上的处理区，可能要经过数英里的 传输管道，为了保证工作安全以及对环境的保护，对系统传输管道的实时监控非 常重要，比如石油传输的速度、流量，以及管道的载重量等。巴西石油公司研发 部设计了一套f b g 传感系统，用来测量石油传输管道的应力变化，最终来确定管 内的石油载重量【2 0 】。 除了以上的一些应用，光纤布拉格光栅还在许多领域有应用。现代社会的发 展日新月异，人类对能源的需求也快速增长，核工业的发展对人类能源的巨大需 求有很重要的作用，但是发展核工业带来的辐射、核泄漏对人类又是一个极大地 威胁，因此，对核工业的实时监测是非常重要的。如对核废料的处理就非常重要， 需要实时对核废料站进行监测避免发生辐射事故，目前德国就在研究用f b g 光栅 监测埋在地下的高辐射核废料的温度和应变【1 3 1 4 】。 总之，由于光纤光栅传感器相比电类传感器有着非常明显的优势，可以应用 在许多特殊环境中，如高辐射、高损耗、强腐蚀、易燃易爆等环境中，所以光纤 光栅传感的应用遍及相当多的领域，在未来国家现代化建设中将有重要意义，因 此，有关光纤光栅传感特性的研究非常有意义。 1 2研究掺铒光纤荧光强度比温度特性的意义 6 通过前一节的论述可以看到，与传统的电类传感器相比，光纤光栅传感器有很 多的优点，如抗电磁干扰、结构小巧、操作简单等，在航空、舰船、桥梁、隧道、 矿井以及化学、核工业等领域有非常广泛的应用，特别是光纤布拉格光栅的应用。 光纤光栅作为传感器最大的优点在于传感信息来自其波长的变化，相比“光强型 和“干涉型”传感器有许多优势，包括不受光源波动、光纤传输损耗、连接损耗 等因素的影响，更重要的是其波长编码特性，使得光纤光栅可以用于分布式传感。 然而光纤光栅用作传感器有一个明显的缺陷，就是其传感信息只来源于波长移动 量变化，所以当传感环境中的两个或以上的参量同时变化时，只通过一个光纤光 栅传感器很难将各个参量的变化分别测量。例如，f b g 用作应力传感器时，很难 保证周围环境温度不变，温度一旦发生变化，也会引起布拉格波长的移动；再如， 用f b g 监测某种化学物质的浓度，浓度变化即外部折射率变化会导致f b g 中心波 长的变化，此时若化学物质的温度也发生变化，就很难将两者的各自影响区分开 来。本章第一部分关于光纤光栅传感器的应用介绍中，大部分的监测嵌入式结构 体应力变化的系统都外加了一个温度参考光纤，用于布拉格波长解调的温度参考。 自从光纤光栅作为传感器以来，许多专家学者也提出了不同的方法来解决这个问 题，本文第二章也总结了一些常见的方法。我们所希望的解决方案应该是既能保 证光纤光栅传感的优点，传感系统又不能太复杂，还可以使用一些廉价的光源、 探测器等，以降低传感成本。而掺杂光纤荧光类温度传感器正好符合上面的条件： 第一，可以直接在掺杂光纤上刻写光栅，不需要额外的传感设备，所以光纤荧光 类传感器与光纤光栅传感器的兼容性好，传感器的成本比较低；第二，掺杂光纤 中稀土离子的荧光强度、荧光寿命等均对光纤的应力变化不敏感，可以作为光纤 光栅传感器的温度传感参考，解决了光纤光栅传感参量交叉敏感问题；第三掺杂 光纤荧光类传感器的设计非常灵活，可以采用不同的温度测量方法，如荧光强度 型、荧光强度比型、荧光寿命型等温度传感器，可以适合各种测量场合。此外， 不同的掺杂稀土离子、不同的掺杂浓度，尽可能的采用普通的激光器、探测器等， 极大地丰富了光纤光栅传感器得应用。 稀土掺杂光纤荧光类温度传感器种类有许多，稀土离子的吸收和发射特性是 温度敏感的，可以被用来作为新的温度传感器。通过研究表明，荧光强度和荧光 寿命都具有温度依赖特性，因此可以通过荧光寿命的变化或荧光强度的变化来测 量温度。对于采用掺稀土的石英基光纤，特别是掺铒光纤，主要研究铒离子的亚 稳态能级4 1 1 3 2 的荧光寿命和荧光强度，然而由于荧光寿命长，影响了传感器的空 间分辨率，其效果不如采用基于r 锄锄和b r i l l o u i i l 散射的远程传感器。另外采用 荧光强度随温度的变化进行传感，容易受到外部环境的干扰，容易造成测量的误 差，传感器精度没有保证。由于在之前的研究工程中，没有合适的大功率激光泵 浦源，所以荧光功率小，系统信噪比低，测量精度不高，没有进行更深入的研究。 研究发现，稀土离子两个热偶能级的荧光强度的比值也具有温度依赖特性，可以 进行温度的测量。由于采用两个热偶能级的荧光强度的比值来衡量温度变化，所 以外部因素对两个能级的影响基本一致，荧光强度的比值不会随着光源波动、传 输损耗等发生变化，传感器的精度有保证。通过选择合适的掺杂宿主，传感器的 温度传感范围可以非常广，最低可以达到超低温( 液氮甚至液氦的温度) ，由于石 英光纤的高熔点，高温区可到1 2 0 0 k 以上【5 1 。高温温度传感可以应用在许多热加 工领域，同时这种稀土掺杂光纤温度传感器可以在强电磁干扰、强酸性等腐蚀性 气体环境下使用。 同时研究表明，稀土掺杂光纤中稀土离子的荧光强度、荧光寿命、荧光强度 比等荧光类传感器对应力作用不敏感，只具有温度依赖特性，其中荧光强度比对 应力作用最不敏感。荧光强度比这种只对温度敏感而对应力变化不敏感的特性， 在光纤传感领域有很多应用，不仅可以用作高精度的温度传感器，还可以用作一 些传感器的温度参考，比如光纤光栅传感器，实现应力与温度的同时测量。在光 敏的掺铒光纤中刻写布拉格光栅，光纤温度的变化可以通过荧光强度比测量，通 过已知的温度特性，就可以得到在各种温度条件下，布拉格波长随应力的变化。 1 3本论文所做的主要工作 本文首先简单论述了光纤光栅的发展情况，列举了常用的一些光纤光栅，分 析了它们的性能特点以及应用，主要介绍了光纤布拉格光栅的传光性能及反射谱 的特点。文章总结了近年来主要的解决光纤光栅传感中温度和应力的交叉敏感问 题的方案，对比了它们的优缺点，介绍了它们的应用情况。详细的分析了稀土掺 杂光纤中稀土离子的能级特性，介绍了能级跃迁的温度特性，采用荧光强度比进 行温度监测的优点。创新性的提出了采用掺铒光纤中铒粒子能级的s t a r k 子能级进 行温度测量，并且结合布拉格光栅实现温度和应力的同时测量。 本文的主要内容包括： 1 、对研究光纤光栅传感器的意义做了简单的介绍，主要阐述了采用荧光强度比进 行温度监测，相比普通荧光传感器的优势。总结了解决光纤光栅温度和应力同 时传感交叉敏感问题的方案。 2 、以铒离子为例，详细分析了掺铒光纤荧光强度比的温度特性，介绍了以荧光强 度比进行温度监测的方法，热偶能级的选择，泵浦光源的选择，荧光强度比的 测定等，总结了国外有关基于掺铒、掺钕、掺镱等石英光纤的荧光强度比进行 温度测量的发展状况。 3 、创新性的提出了采用铒离子激发态4 1 1 3 忽的s t 破能级间的荧光强度比的温度特 性进行温度测量，详细地分析了掺铒光纤中铒离子的s t a r k 效应，主要是e ， 激发态4 1 1 3 陀和基态4 1 1 5 忍的s t 破子能级上粒子数随温度的变化情况，详细分析 了粒子的跃迁情况。采用9 8 0 n m 的半导体激光器泵浦，而且产生的荧光位于 1 5 5 0 n m 光纤通信低损耗窗口，可以使用便宜的光电二极管探测器接收传感信 号。在3 0 到1 5 0 范围内，对4 1 1 3 彪的s t a r k 能级间的荧光强度比进行实验研 究，得出了荧光强度比值随温度的线性变化规律。 4 、设计了光纤布拉格光栅结合荧光强度比技术实现温度和应力的传感器系统，光 纤光栅承受的标准温度由温控箱提供，应力由滑轮和砝码系统提供。采用 9 8 0 n m 半导体激光器泵浦，正向a s e 用于布拉格波长移动量，反向a s e 用于 荧光强度比的测量。根据测得的荧光强度比变化衄，可以求得温度变化量r ， 然后根据光纤光栅的温度灵敏度可以求得布拉格波长是随温度的移动量；根据 测得布拉格波长的移动量九，最后求得光纤光栅所受应力的大小。 9 2光纤光栅及其传感 2 1光纤光栅的起源 光纤光栅是光纤的轴向折射率发生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅， 实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波或反射镜，使得光在其中的传播发生改变和 控制【l6 1 。利用这一特性可以制作许多的光纤无源器件，如光纤滤波器、色散补偿 器、波分复用系统等，与此同时，由于温度、应力、浓度等外界环境的变化镜引 起光纤有效折射率、光栅周期的变化，从而导致布拉格光栅谐振波长的移动，所 以光纤光栅在传感领域也有很多的应用。传统的光纤传感器大部分是光强型和干 涉型的。前者是根据光强的变化来读取传感信息，所以光源的波动、光纤的传输 损耗、探测器的损耗以及光纤耦合器的耦合比对温度、振动、光纤弯曲、应变的 敏感性等因素，都会对强度调制型光纤传感器的测量精度产生影响。后者是根据 干涉条纹的变化来读取传感信息，这就要求干涉条纹清晰，即要求两路光强要相 等，此外干涉型传感器是一种过程传感器，要求有一个固定的参考点，所以，对 传感的装置要求比较高，实现起来比较困难【1 3 l4 1 。而光纤光栅传感器的传感信号 为波长调制，测量信号对外界环境变化不敏感，而且实现起来也很方便。因此， 自光纤光栅出现以来，就受到了世界范围的关注，下面就光纤光栅的发展简要介 绍。 自从1 9 7 8 年加拿大的k o h i l l 等人发现光纤的光敏特性，用氩离子激光器 的4 8 8 i m l 激光，采用驻波法制成f b g 以来，光纤光栅的研究与应用都得到了长足 的发展。1 9 8 9 年，美国的g m e l t z 等人利用掺锗光纤的紫外光敏特性，用2 4 4 n m 的激光干涉条纹照射掺锗的光纤，并证明了掺锗光纤在2 4 4 衄波长附近约3 5 锄 宽的吸收带上都可以写入光栅【2 1 3 1 。这种横向成栅技术可以通过选择激光波长或者 改变两束相干光之间的夹角来制作不同周期的光栅，所以这一技术也引起了研究 人员的极大兴趣【2 】。但是这种写入方法对光源和制作环境有较高的要求，因此不容 易实用化。1 9 9 3 年，h i u 等人又提出了相位掩模法，这种方法的最大优点是光栅 的周期只与相位光栅周期有关，而与辐射光的波长无关，因此这种方法对光源的 相干性要求大大降低，简化了光纤光栅制作过程，使得光纤光栅真正地走向了实 用化和产品化【2 - 1 3 】。 光纤光栅器件在通信领域有广泛的应用，特别是随着高性能，低成本的 光纤布拉格光栅的出现，以及近几年对波长解调技术的深入研究和不断成熟， 光纤布拉格光栅在传感领域的发展已经产业化、工程化。光纤光栅传感器具有 l o 一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐 蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用 技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。 2 2光纤光栅的种类 从光纤光栅出现至今，由于其在光纤通信及传感领域的广泛的应用，人们对 光纤光栅的研究也一直进行，各种各样的不同用途的光纤光栅层出不穷。从不同 的出发点，光纤光栅可以分为以下几类。按光纤光栅的周期分类，把周期小于1 岬 的光纤光栅称为短周期光纤光栅，即光纤布拉格光栅；把周期为几十至几百微米 的光纤光栅称为长周期光纤光栅。按光纤光栅轴向折射率分布，光纤光栅可以分 为均匀光纤光栅、啁啾光纤光栅、切趾光纤光栅以及相移光纤光栅等【1 6 培】。还有 其它的分类方法，不再讨论，这里只分析常用的几种光纤光栅的性能。 2 2 1光纤布拉格光栅( f b g ) 光纤布拉格光栅是轴向折射率周期变化，且周期小于1 岬的光纤光栅，在传 感领域应用最广泛的一类光栅。光纤布拉格光栅结构如图2 1 所示，当宽谱光源射 入光纤后，光在纤芯传播的过程中，在每个栅面处都会发生反射，如果不满足布 拉格条件，经每个栅面反射回来的光相位不再相同，因此相互抵消；相反，如果 满足布拉格条件，经各个栅面反射回来的光相互叠加，形成反射峰，中心波长由 光栅参数决定【l 们。 宽谱光源 入 入b 入 图2 1 光纤布拉格光栅结构与其传光原理 f i 到2 11 1 1 es 觚吣t u 他o ff i b 盯b m 鹊舯缸g 柚di t sp 血c i p l eo fo p m t i 傩 此中心波长即布拉格波长，满足下式： 厶= 2 a ( 2 - 1 ) 式中：气为布拉格波长，即反射波的中心波长；为光纤的有效折射率；人 为光栅周期。 一j 。t - j 二：；：翻 8 = 图2 2l = 2 c m 的均匀f b g 反射光谱特性 f i g 嗽2 2r e f l d 伽驰仃啪出哦k 劬血o f a2 锄f b g 由式2 1 可知，布拉格波长屯由光栅周期a 和光纤有效折射率，决定，而温 度和应力的变化会改变光纤的有效折射率以及光栅周期的大小，布拉格波长随即 改变，也就是说，光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情 况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为【2 1 3 】： 竺学立= ( a f + 号) r + ( 1 一只) b ( 2 2 ) 式中：a ，= 去筹为光纤的热膨胀系数，硅大约为o 5 5 1 0 _ 6 ，号= 去穹争为 光纤材料的热光系数，掺锗硅光纤纤芯的热光系数约为8 6 l o - 6 ；= 一二竺笋为 ，k d 光纤材料的弹光系数，掺锗硅光纤纤芯的弹光系数约为0 1 4 1 0 _ 5 。由式2 2 可以 计算得，在1 5 5 0 n m 窗口光栅的应变灵敏度约为1 2 p i i l 雌，温度灵敏度大约为 1 3 7 p i 】吖。图2 2 所示为布拉格波长随温度和应力变化的线性移动特性。 鲁暑ooe2 s 饥i i l i 伽s 脚r 址肥a c ) 图2 3 布拉格波长的应力和温度特性 f i g u 2 3t y p i c a l 删饥g t h - s h j 触g 豫驴撇o f 锄f b g t o8 廿蛐锄dt e i n p 嘲咖 随着光通信网络的迅速发展，用户信息量的高速增长，这就对光纤通信网络 的传输容量提出了更高的要求，要不断地提高信息传输容量来满足用户的要求。 密集波分复用( d w d m ) 技术就是提高通信容量的简便的方法，这也要求设计出 更多的光器件和光设备来满足其发展。而光纤布拉格光栅有许多独特的光学特性， 正好可以制成许多不同的光器件。在光纤通信中，它被广泛的用作光纤激光器、 激光器波长稳定、远程泵浦放大器、拉曼放大器、反相器、波长转换器、波分复 用解复用器、信道分插复用器、色散补偿器以及增益均衡器等【1 3 1 6 1 ；在光纤传感 领域，可以用于许多重要物理参数，如温度、应变、超声波、加速度、磁场等的 分布式测量。相比于其他的光纤传感器，f b g 传感器具有很多优点，最重要的一 点就是它的传感信号是波长漂移量，对光源的波动不敏感，这就对光源的要求大 大的降低，而且测量精度比较高，工作比较稳定。 2 2 2长周期光纤光栅( l p f g ) 长周期光纤光栅的周期要远远大于光纤布拉格光栅的周期，周期通常可达几 十至几百微米。与光纤布拉格光栅不同，长周期光纤光栅的模式耦合属于同向传 输的纤芯基模和包层模之间的耦合。长周期光纤光栅是一种良好的参数型带阻滤 波器，具有附加损耗小、背向反射低等优点，使其在光纤通信及光纤传感领域有 广泛的应用【1 3 1 6 1 。在光纤通信中，长周期光纤光栅在均衡滤波器、波长选择及耦 合器、光分插复用器以及光开关等领域均有很好的应用；在光纤传感中，长周期 光纤光栅可用于温度、应变传感等，可实现多参数测量。 2 2 3 啁啾( c h i 印e d ) 光纤光栅 啁啾光纤光栅是纤芯折射率调制幅度不变、周期沿轴向变化的光栅。这种光 纤光栅在光纤通信领域有特殊的应用，主要用于色散补偿。采用啁啾光纤光栅进 行色散补偿的方法有很多优点，器件紧凑、插入损耗小、色散补偿量大，与现有 光纤系统兼容性好，而且折射率调制可以根据需要来加以控制，设计出符合要求 的啁啾光纤光栅【1 3 ，2 1 1 。图2 4 所示是啁啾光纤光栅的反射谱示意图。 图2 4 啁啾光纤光栅的反射光谱特性 f i g i l 2