（光学工程专业论文）光纤光栅传感技术及其在储罐漏油检测中的应用.pdf

摘要 摘要 随着光纤光栅传感技术的快速发展，以及其本身所具有的抗干扰能力强、 物化特性稳定、负载信息量大、检测精度高等优点，光纤类传感器已逐渐应用 到了民用工程结构、航空航天、电力、石油化工、医学等领域，拥有广阔的应 用前景。 本文主要以光纤光栅和光纤作为传感元件，对其在无线传感系统和储罐漏 油检测系统中的应用进行了深入的研究。主要内容包括： 一、完成基于g s m 的光纤光栅无线传感网络系统的研制。 开发基于无线g s m 网的光纤光栅传感系统，实现了多点测量数据无线传输， 并将其成功的用于标准等强度梁的应变分布的传感测量中。该系统在大型重要 建筑物的智能应变检测和远程安全监测方面具有广阔的应用前景。 二、设计并研制了受抑全内反射光纤液体泄漏检测系统。 1 、基于长周期光纤光栅折射率敏感特性实现液体泄漏检测。 2 、基于长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅混和级联的方法实现液体泄漏检 测。此方案较单一使用长周期光纤光栅而言，折射率检测灵敏度提高显 著，为低折变液体泄漏检测提供可行方案。 3 、基于受抑全内反射原理的光纤探头液体泄漏检测。 ( 1 ) 将单个光纤端面作为传感探头，外界折射率变化改变光纤内部传输光在 光纤端面处的全反射条件，进而调制反射光强，通过检测反射光强变化 实现液体泄漏进行检测。实验表明，相对于上述1 、2 方案，受抑全内 反射光纤探头传感方法在降低测量成本、保证高折射率响应灵敏度的同 时，系统对测量环境温度变化不敏感，可以实现温变环境下稳定的系统 输出，具有较好的实际应用推广价值。 ( 2 ) 设计并研制了单路多点光纤液体泄漏检测系统。通过多阈值设置，系统 可实现泄漏液体折射率变化的量化报警。 ( 3 ) 设计并研制了智能光纤传感漏油检测系统。结合课题组在研石化储罐漏 油检测项目要求，采用3 2 路多点并联检测方案，将3 2 路光纤探头反射 的到的光强信号进行光电检测和放大，由数据采集卡采集到工控机进行 摘要 数据处理和显示，并实现自动报警功能。与此同时，制作了便携式漏油 检测仪，以适用于现场在线检测。 关键词：光纤布拉格光栅，传感器，g s m 无线传输，液体泄漏，长周期光纤光 栅，混合级联，光纤光强型，多点并联，数据采集卡，工控机。 a 6 s 妇c f a b s t r a c t w i n lt h cd e v e l o p m e n to f f i b e rg r a t i n gs e 璐i i l gt e 6 h n o l o g ya n di t sa d t a g e s ：s u c h 觞 i l n m u l l i t yt oi n t e h e n c e ，h 屯hs ta _ b i l i t y l l i 曲c a p a c 时a n dh 追ha c c 啪c y ，f b ga l l d 6 b e rs e n s o r sa r ep r o n l i s i n gi nm a i l yf i e l d ss u c ha sn a t i o n a ld e f e n d i l l gc o i l s t m c t i o n s ， 砌i o n e l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o 玛c _ h e m i c a li n d u s t r ya r 通n = l e d i c 虹，e t c i nt h i sd i s s e n a t i o n w i r e l e s ss e n s i i l gs y s t e ma n do i ls t o r a g et a n kl i q l i i dl e a kd e t e c t i o n s y s t e mb a s c do nf b g 觚d 五b e rs e l l s o ra r ct h e o r c t i c a l i ya n de 印e r i m e m a u y i i l v e s t 远a t c d 1 1 1 ei i l a i nc o m c n t sa r e s t e d 嬲枷o w s ： 1 w bh a v ea c c o 哪，l i s h e d 舳e rb r a g g 胂t i n g i l s i n gs y s t e mb a s e do ng s mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i 0 1 1 st e 蛳q u e w 毫c a r r yo u tt h eg s m b l s e df i b e rg 珀t i i 唱s e n s i n gs y s t e m ，w i l i c hc a n 仃如s m i tt h e s 逗n a lo fm o r et l l a nt w os e 璐i l l gp o i n t s w bu t i l i z et h es y s t e mt om e a s u r et 1 1 es t r a i l l d 蜥b u t i o no ft h e 啦m d a r de q u i v a l e n t - s c r e i 】g t hb e a ma n dt h ee 印e r i i n e m a lf e s i l l t s a 訇陀ew e u w i t ht h et h e o 瓜i c a lo u t c o n l c 2 f f b e r n s i n gs y s t e m 向ro i ls t o r a g et a n ku q u i dl e a l ( d e t e c t i o nh a sh e nd e s 远n c d m l da c c o m p l i s h e d ( 1 ) al o n gp 曲d 掣眦i n gs e n s i n g 邓p a r a t i sd e s 迢n e df o rl i q u i d1 6 a kd e t e c t i o n n l i sa p p a m l = l l si s a p p l i c a b l e 岛rh i g h 代懿c _ “v em d e xl i q l l i d 拈【e c t 妇1 w | a v e l e n g c hd e m o d u h t i o ni sa v o i d a b l e ( 2 ) w bd e m o n s h 锄ean o v c l n s o r ，、】i 恤c hu s e st h ed i 侬l r e n c eb e t w 。瞰l i q u i d r e 触c t i v ei n d e x 心s p o n so fa 五b e rb r a g gg r a 佃玛a 1 1 dal o i 培p e r i o d6 b e r 掣a t i n gt ol i q u i dl e a k a g e t l l i ss m l c t i l r cc a l li l n p r o v et h el i q u i dr e 丘a c t i v e 砌e x 渤s i t i 诚y ，b yw l l i c hl o wr e 纳c t i v e 砌e xl i q u i dc o u l da l s ob ed e t e c t 缸 m a b s n l c i ( 3 ) b a s e do nt h em e d r ) ro ft o t a li l 】t e m a 】r e n e c t i o n i 1 1s 如g 】e m o d e 舶e r ，w e d e s i g naf i b e rs e n s i n gs y s t e mt 0d e t e c tl i q u i dl e a k a g e a w eu s et h es e c t i o no fo n ef i b e ra st h es e n s i n gp r o b e a c c o r d i n gt ot h e t o t a li n t e r n a lr e n e c t i o nc o n d i t i o n ，t h er e n e c t i o ni n t e n s i t yc h a n g e s w i t ht h ev a r i a t i o no ft h er e 丘a c t i v ei n d e xs u r r o u n d i n gt h ep r o b e t h e e x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a tt h el o w - c o s t s y s t e mh a sv e r y h i g h s e n s i t i v i t y t ot h er e f r a c t i v ei n d e xb u tl o ws e n s i t i v i t yt ot h e t e m p e r a t u r e ，w h i c he n s u r et h eh i g hs t a b i l i t ya n di sv e r ys u i t a b l ef o r t h ep r a c t j c a la p p 】i c a t i o n b as i n g l cc h a n n e lu n i tw i t hm u l t i p o i n tp r o b e si sp u t 南“删t oc 0 i l s t i n n ea f i b e r 璐i i l gs y s t e mf o ru q u i di k a g ed e t e c t i o n w bc a ns e tm u h i l e v e l t l l r e s h o 王d st or 朗l i z el e a k a g eq 岫n t i t yd e t e c t i o na n dd e c r c a s et h ed e t e d i o n e n d r s c w bd e s i g na n da c c o i n p l i s ha ni n t e l l i g e n t i z e ds y s t e mt od e t e c tl i q u i d l e a k a g e w bp r e ma3 2 删l t i - c h 强n e lp r o b e sc o 璐t n l c t i o nt oe i l l a 玛et h e d e l e c t i o na r e a ，a n dd e t e dl j g b ti n t 髓s j t y 谢t had a t aa c q u i s i t i o nc h i pw 1 1 i c hi s c o 皿e c t e dt o 也e 砌u s 时p c t h i ss y s t e mc a nr e a l i z er e a lt i m el e a k d e t e c t i o na n dw 盯n i n go fo i ls t o r a g et a n k s a tt h es a m et i m e ，w e m a k eaf a c i l i t a t e dd e t e c t i o ne q u i p m e n tw l l i c hc a nc a r r yo u ts p o t d e t e c t i o n k e yw b r d 3 ：f i b c rb m g gg r a t i n g ，s e n s o r ，g s m ，l i q u i dl e a k a g e ，l p gm 龇dj o i n t ， l 逗h ti n t e n s i t yd e i d u h t i o n m u n i p m b c sp a r a l l e lc o 衄e c t i o n d a t aa 明u i s i t i o n c h i p ，i n d u s 时p c 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：i 渤 加，6 年f 月弓一日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内稚i 痒；镶接i 辞i 鬟舒 秘杏安赫举交长1 d 颦露 粤擎；瞳攀哆警2 0 囊 ，：蔓童二曩i 曩：誊冀鬻 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：焉池铌 口6 年r 月弓口日 第一章绪论 第一章绪论 光纤光栅是一种新型的光学器件，它是利用光纤材料的光敏性在光纤内建 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行 为与方式。光纤光栅目前已经在诸多方面得到了不同的应用，其中光纤光栅传 感器是众多应用中的一个重要研究方向。 第一节光纤光栅的发展历史 1 9 7 8 年，加拿大的k o h m 等人在实验中将波长为4 8 8 衄的氩离子激光入 射到掺锗的光纤中，首先发现了光纤中的光致光栅效应【l 。1 】，开创了光纤光栅研 究与应用的先河。但由于这种光栅的入射效率低，响应波长受激光写入波长限 制等因素的影响，在相当长的时间里，这一具有开发潜力的光子器件与其制作 技术，没有得到人们的足够重视。 1 9 8 9 年，美国的g m e h z 等人利用两束相干紫外光形成的干涉条纹从光纤 侧面写入光栅，发明了紫外侧写入技术f 1 埘。该技术不仅提高了光栅的写入效率， 而且通过改变两束相干光的夹角，还可以改变光栅的周期，从而达到控制光纤 光栅布拉格波长的目的。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发展。 1 9 9 3 年，k o h m 等人利用紫外激光通过相位模板后的1 级衍射光相干形 成的周期性明暗条纹对光纤曝光，制作光纤光栅，提出了相位掩模成栅技术【1 3 】。 这项技术放宽了对写入光源时间相干性的限制，使得光纤光栅的制作更加容易， 并使光纤光栅的批量生产成为可能。同年，p j l c m h 等人提出了一种简单而有 效的光纤敏化技术低温高压载氢技术。这项技术可以使光纤光敏性提高2 个数量级，人们可以不必使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤，而仅在普通通信光 纤上就能容易地制作出高反射率光纤光栅【l 4 1 。相位掩模成栅技术与光纤高压载 氢技术相结合，降低了光纤光栅的制作成本，使光纤光栅器件逐步走向实用化， 也在世界各地掀起了光纤光栅技术及其应用的研究热潮。 此外，作为信息摄取的光纤光栅传感器及其应用即“3 s ”系统( s i 硇n 第一章绪论 m a t e r i a l ，s m a ns t m c t u r e ，s m a ns k 蛐已经引起科学界极大关注并成为研究热点。 这是一种将光纤光栅技术、光纤神经网络、光纤致动仪器有机的结合为一体， 把光纤光栅埋入或贴附在飞机、船舶、坦克等运载体表面或建筑体( 楼房、桥 梁、大坝等) 承力件外蒙皮的复合材料中，可制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏 皮肤的智能传感系统。“3 s ”系统的出现标志着对光纤光栅技术的研究又进入了 一个崭新的时代。 随着光纤光栅技术的日臻成熟，各种具有不同传输性能的光纤光栅相继被 研制出来。基于光纤光栅的无源、有源器件不断涌现，使得光纤光栅被广泛应 用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等许多领域。 第二节光纤光栅的分类 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据 物理机制的不同，可分为蚀刻型光栅和折射率调制型位相光栅两类。前者在光 纤结构中形成明显的物理刻痕，后者主要在纤芯中形成折射率周期分布。在学 术研究和实际应用等各方面后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅指 的是折射率调制型位相光栅。 一、光纤光栅根据成栅机制的不同分类 根据成栅机制，光栅可以分为三种类型，分别称之为i 型、型和型( a 型) 光纤光栅。 1 i 型光纤光栅：连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传 统意义上的光折变光栅被称之为i 型光栅。它有较理想的透射谱，折射率变化 一般在l 旷1 0 。，反射率可达到百分之几十，满足布拉格条件时短波一侧没有 明显的耦合损耗。但由于在较低的温度下光栅会开始变弱或消失，因此热稳定 性差。 2 i i 型光纤光栅：用单脉冲成栅时，不断提高脉冲能量，发现存在一个取决 于光纤中锗浓度的阈值( l j c m 2 ) ，低于该阈值时形成的光栅均为i 型光栅，而 高于该阈值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近1 0 0 ，称此时的光栅 为i i 型光栅【l 用。i i 型光栅的主要特点体现为：对蓝、绿光不敏感；带宽较大( 1 5 n m ) ；具有很强的将光能耦合到包层或辐射模中的能力，但也因此造成较大的 2 第一章绪论 插入损耗；同时在满足布拉格条件时反射谱短波一侧有很强的传输损耗。但相 对i 型光纤光栅，这种类型的光栅在应用领域具有一个显著的优点很好的 热稳定性，在8 0 0 环境中放置2 4 小时后其反射率无明显变化，在1 0 0 0 环境 中放置4 小时后大部分光栅才消失，这个特点使i i 型光栅可以工作在极其苛刻 的温度环境中。 3 型( a 型) 光纤光栅：在对i 型光栅进行过量曝光时发现了这种类型 的光栅i l 6 】。其反射率可达1 0 0 。区别于i 型、i i 型光栅的是：型光纤光栅 随着曝光量的增加其折射率呈负增长趋势。在热稳定性方面型光栅介于型 光栅与i 型光栅之间，同样适用于高温工作环境。 二、光纤光栅根据空间周期和折射率分布的不同分类 按照折射率变化导致的结构差异，即光纤光栅空间周期分布及折射率调制 深度分布是否均匀，可分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大基本类型，简 单介绍如下： ( 一) 均匀光纤光栅： 光纤光栅的栅格周期为均匀沿轴向分布，其折射率调制深度为常数的一类 光栅。从光栅周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，典型代表有布拉格光 纤光栅、长周期光纤光栅和闪耀光纤光栅等。 1 布拉格光纤光栅( f b g ) 【1 7 】 i n d e xm a d u l a d 图1 1 均匀周期光纤布拉格光栅的结构、折射率分布及光谱特性 布拉格光纤光栅( f b g ) 是一种单模掺锗光纤经紫外光照射形成光纤型布拉 第一章绪论 格光栅。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生布拉格光栅效应 【1 8 1 。其结构、折射率分布与光谱特性如图1 1 所示。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器。f b g 折射率调制深度一般为1o - 3 1 0 - 5 ，它具有较窄的反射带宽和较高的反射率。而且，它的反射带宽和反射率可 以通过改变写入条件而加以灵活地调节，也是目前应用最广的一种光栅。 2 长周期光纤光栅阻p g ) 【1 9 ，1 1 0 】 所谓长周期光纤光栅( l p g ) ，是指它的栅格周期远远大于一般的光纤光栅， 可达到几十到几百微米。与布拉格光栅不同，它是一种透射型的光纤光栅，所 起的作用不是将光反射回去，而是将其耦合到包层中损耗掉。长周期光纤光栅 除具有插入损耗小、易于集成等优点外，还是一种性能优异的波长选择性损耗 元件，对环境的变化反应较其他的光栅也更加灵敏，因此主要用于e d f a 的增 益平坦和较高精度的传感测量。 3 闪耀光纤光栅i l 1 l 】 当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不严格垂直时，造成其折射率的空 间分布与光纤轴有一个小角度，就形成了闪耀光栅。闪耀光栅不仅引起反向导 波模耦合，而且还将基阶模耦合至包层模中损耗掉，主要可以用于e d f a 的增 益平坦滤波器、光传播模式转换器等。 ( 二) 非均匀光纤光栅： 光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数，即光 栅的光学周期沿光栅轴向变化的一类光栅，如啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、 莫尔光纤光栅等。 1 啁啾光纤光栅 啁啾光栅是一种非均匀光纤光栅，栅格间距不等，光栅周期具有非均匀特 性。进步可将其分为线性啁啾光栅【2 4 。1 q 和分段啁啾光栅1 1 两大类别。 线性啁啾光纤光栅纤芯的折射率在整个区域内沿轴向单调、连续、准周期 线性变化，折射率调制深度为常数，如图1 2 所示。该类型的啁啾光纤光栅能产 生大而稳定的色散，在光通信中被用作色散补偿器来补偿光传输中的色散；此 外，它还可作为测量温度和应变的传感器。 4 第一章绪论 图1 2 线性啁啾光纤光栅栅格分布及光谱特性示意图 k 瑚d h 分段啁啾光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内单调、连续、准周 期线性变化，而折射率调制深度为常数。 无论是线性还是分段啁啾光栅都具有一个普遍的特点：反射带宽远远大于 均匀周期光栅的带宽，有的甚至可宽达几十纳米，因此啁啾光栅在色散补偿、 光纤放大器的增益平坦和光纤激光器的性能优化等多方面得到了广泛的应用。 2 相移光纤光栅i l ”】 相移光栅是在均匀周期光栅的某些特定点上，光栅折射率空间分布的不连 续而得到的，可以看作是两个光栅的不连续连接。相移光栅的主要特点是可以 在周期性光栅光谱阻带中打开透射窗口，允许某一波长的光注入到均匀光栅的 阻带，使其可对某一波长或多个波长进行选择。相移光栅的这个显著特点被充 分应用于构造多通道滤波器件和e d f a 的增益平坦。 3 莫尔光纤光栅 莫尔光纤光栅是对一段光纤进行两次不同周期的曝光，使光纤芯中的折射 率分布形成一种具有慢变包络的快变结构。折射率调制会在缓变函数的零点处 发生一次丌相移，通过控制拉伸量改变缓变函数的周期，可以在光纤轴向引入 一个或若干个兀相移点，从而形成相移光纤光栅，在光纤光栅的反射阻带中可以 获得一个或若干透射窗口【1 。7 1 ”】。莫尔光纤光栅可以用来作为多通道滤波器。 此外，还有t a p 盯c d 光纤光栅【1 1 9 】、超结构光栅【l 捌、取样光栅【“2 ”、重叠写入 光栅【l 捌等，这些不同种类的光栅都具有自己独特的性能特点，在光纤通信、光 纤传感等诸多领域中均具有不同的用途。 第三节光纤光栅传惑的特点 第一章绪论 近年来，在工程测试系统中应变测量仪器的设计和开发一直成为研究的热 点问题f j 。乃j 。采用电阻应变片的方法对工程进行测量是传统的一种工程测量 手段。然而电阻应变片测量方法存在着很多的缺点，比如容易受到环境( 比如 电磁场，湿度，化学腐蚀等) 的限制、使用寿命不长、不易测量被测物体全局 性应力应变分布等等。 近些年来，光纤光栅的出现为光通信和光传感领域注入了新的活力。光纤 光栅是种在沿光纤轴向方向折射率的周期性分布，即在光纤中建立一个相位 光栅的光纤无源器件。光纤光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应 变、应力或其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率的变 化，从而产生光栅布拉格信号波长的漂移，通过监测布拉格波长的位移情况， 可获得待测物理量的变化情况。它只对某一特定波长的光具有反射的作用，因 此光纤光栅传感器的传感信息是以波长编码的，这使其克服了强度调制传感器 必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏的弱点。光纤光栅是 性能优良的敏感元件，通过设计敏感结构进行其他物理量的转换，还可以实现 诸如压力、温度、振动、声音、磁场、电压、电流传感等多种物理量的测量。 相对传统应变片，每个传感点都需要二根导线，光纤光栅传感器可设计为仅用 一根光纤实现多点( 可达几十个) 分布式应变测量，系统成本大大降低。 光纤光栅与电阻应变片传感器相比，具有以下的优点： 1 应用范围广：适用于易燃易爆等危险物品或在高电压、强磁场干扰的环 境的检测。 2 化学特性稳定：适用于环保、医药、食品等工业的检测。 3 传感方式灵活：在一根光纤中可以用于单点和多点分布式的传感测量， 也可以单线多路复用，并能构成传感网络和阵列，适于波分时分复用传感。 4 光纤光栅采用波长编码因此不受电磁场干扰，也不受光源功率以及光路 中连接损耗的影响。 5 精度高：由于光纤传感器件采用光波作为信号的载体，因此它具有灵敏 度高、频带宽、动态范围大等特点。 6 便于操作：传感探头的结构简单、尺寸很小、重量轻、能耐受高温，具 有优良的可操作性和埋入性。 6 第一章绪论 第四节光纤光栅传感的应用及发展方向 光纤光栅传感器是通过光的波长参数变化来测量各种物理量，与其他传感 器相比，它具有抗干扰性强，光纤的复用率高，测量精确度好等优点，并且更 适合应用于多点分布式阵列式传感器。因此，自f b g 问世以来，这小小的光纤 光栅就立刻引起了世界各国科学家的广泛关注，已经并且在未来相当长的一段 时间内还将是光学领域研究的热点课题。 一、光纤光栅传感的应用领域 1 光纤光栅在民用工程结构中的应用 在民用工程领域，例如建筑物、桥梁、水坝、容器、高速公路、机场跑道 等，光纤光栅得到了广泛的应用，用以测定其结构的完整性和内部应变状态的 可能技术，从而建立灵巧结构。 在民用建筑领域，嵌入式传感器的应用可分为三个方面：( 1 ) 结构监测和损坏 检测；( 2 ) 实验应力分析；( 3 ) 系统和服务设施的管理和控制。其中，应用光纤光 栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。1 9 9 3 年建造的加拿大卡尔加里附近 的b c d d i l l 毋o nt r a i l 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一1 。”，对 桥梁结构进行长期检测。德累斯顿大学的m e i s e r 等人在德国德累斯顿附近的 一座跨度7 2 米的预应力混凝土桥上，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，并作了对比试验，证实了光纤光栅传感器的应用可 行性【l 2 ”。为了获得受损桥梁应变分布的更详细信息，美国海军研究实验室在一 座l 4 比例桥梁模型中埋入了6 0 个光纤光栅的传感系统，对模型进行了破坏测 试q 。d e 叼m t e r m a n y 等人【1 捌制作了一种变形仪进行混凝土应变和裂缝的探 测测量。 在地下工程和采矿业中，岩石形变的静态测量受到特别的关注。德国的g f z p o ts d j a m 【1 删开发了一种地下岩石挖掘过程中测量应变的光纤光栅传感器既i x 地 脚螺栓。瑞土的m o m 乳晡隧道用滚动干涉滤波器进行解调的光纤光栅传感网 络用来监视【】。 目前用于民用工程结构监测的光纤光栅传感器在国外己经商品化，商家生 产的埋有横向光纤光栅传感器的承重元件可用干桥梁、隧道、公路的结构应变 7 第一章绪论 监测，同时可测量车速，控制交通。 2 光纤光栅在航空航天业中的应用 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，不同的物理性质都有待检测， 比如压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，因 此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器特有的尺寸小和重量轻 等优点在这里体现得非常明显，几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空 航天业对光纤光栅传感技术非常重视。 美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航 天飞机x 一3 3 上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络【1 3 2 】，对航天飞机进 行实时的健康监测。b l u er o a dr e s e a r c h 联合美国海军空战中心和波音幻影工作 组，使用b l u er o a dr e s e a r c h 生产的光纤光栅传感器对飞机的粘和接头完好性进 行了评估邺”。 使用先进的复合材料来制造航空航天结构是一个必然的趋势。复合材料的 使用可以减少飞行器重量、缩短检查时间、降低维护成本，从而改善其性能。 随着复合材料的研制和光纤光栅嵌入封装技术的发展，光纤光栅传感器的优势 在航天航空工业会有进一步的体现。 3 光纤光栅在电力工业中的应用 由于强电磁场的影响，电力工业中一般电类传感器无法使用。很多情况下 需要测量的地方处在高压中，这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、 体积要小、而且是无源器件，光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。因 此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。 h a m m o n 等人演示了用光纤光栅传感器测量高压变压器的绕组温度，长期监 测的精度己达到3 叫”。o g a w a 等人为了在线监视电缆的荷载变化，在3 0 k m 长的电缆上布置了1 0 个光纤光栅1 1 “。日本北海道也在用光纤光栅传感器测量高 压传输电缆的积雪荷载【1 嗣。 此外，在船舶航运业f l 3 9 1 、石油化学工业【1 4 1 4 2 】、医学1 。3 ，1 删以及其他 领域，光纤光栅传感技术也都有着很重要的应用。 二、光纤光栅传感的发展方向 由于光纤光栅在光纤通信领域、传感领域中的重要价值和他在其他领域的 广阔前景，近年来光纤光栅的研究发展十分迅速，并成为全球性的技术热点。 第一章绪论 尤其是光纤光栅传感器己成为当前光纤传感器的研究热点。随着光纤光栅制造 技术的进步和性能的改善以及应用开发研究成果的不断涌现，光纤光栅传感器 在传感器领域中会处于越来越重要的地位。 我国的有关光纤光栅传感的研究尚处于初始阶段，为进一步发展光纤光栅 传感器仍需做许多研究工作。主要有：( 1 ) 继续深入研究光纤光栅的基本性能， 包括：传感机理、灵敏度、动态范围、去敏和增敏方法、多参量同时测量途径 等；( 2 ) 加强波长位移检测技术研究，促进光纤光栅传感及其网络技术的发展： ( 3 ) 完善现有的光栅写入方法及其封装技术，研究新的写入方法，尤其是非均 匀光栅的写入方法，降低成本和提高寿命。( 4 ) 将光纤光栅技术与其他技术相 结合，合理利用光纤光栅技术的优势。 随着传感技术的不断成熟，光纤光栅传感技术最终要向网络化、智能化、 实时化方向发展。传感解调技术也会向高速度、高精度、大范围方向发展。在 不久的将来这种传感技术将会在人们的生产、生活中发挥重要的作用。 9 第二章光纤光栅传感的理论分析方法 第二章光纤光栅传感的理论分析方法 光纤光栅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，其 折射率变化通常仅在1 0 “1 0 。5 之间。当入射光通过时，将产生相位的周期性变 化，因此称之为折射率型光栅1 2 “。光栅受到多种外部物理场作用时，反射光波 长入将发生变化，根据 值的变化可以计算出待测的物理场的变化。光纤光栅 传感器是将入射光输入到光纤光栅中，当入射光满足相位匹配条件时，其反射 ( 或者透射) 光谱在匹配位置( 如b r a g g 波长) 将出现峰值。 光在光栅中的传播符合耦合模理论阱“】，因此可以利用这一理论分析不同 类型光纤光栅的传输特性。尤其是对于一些形式较为简单的光纤光栅，例如均 匀周期的布拉格光栅，可以通过耦合模理论得到解析表达式和精确的结果。但 对于一些特殊的光纤光栅，例如啁啾光栅、相移光栅等，耦合模理论的分析过 程比较繁琐，因此人们针对不同的应用场合提出了另外的不同理论分析方法， 如传输矩阵分析法、多层薄膜叠加法和傅立叶变换法三种普遍应用的分析方法。 第一节耦合模理论 由耦合模理论可知，当波导中存在折射率周期性扰动时，将导致传播模式 之间的耦合。 我们由麦克斯韦方程出发： v 口= ，+ 五+ d ( 2 1 ) v e = 一兰( 脚 ( 2 2 ) 因光波导中不存在自由电荷，故在( 2 1 ) 式中，= o ，并将( 2 1 ) 、( 2 2 ) 两式联 立，可以得到绝缘介质的波动方程： v 2 地f 产胪絮掣+ 簧聃) ( 2 - 3 ) 由于波导介质具有非均匀性，且耦合波具有慢变性，所以，以微扰的形式 处理介质的变化，其极化强度可以表示为： l o 第二章光纤光栅传感的理论分析方法 v 2 e 一蒯警= 堡乌掣 ， e ( r ，r ) = 要芝- 。g ) e 扣( x 弘k a ：) + c 。 ( 2 6 ) 雀善赢聋+ 妄f 2 帆警+ 争卜叶阢= 氇掣 ( 鲁一几2 ) e ( r ) 十2 胪( ，) e r ) = 。 ( 2 8 ) 俐“玩i 剖。将慢变假设条件代入( 2 7 风可得： 警e 枷忡l 警沙协) _ “一丢争一鼢炒出( 2 9 ) d za z细讲二 第二章光纤光栅传感的理论分析方法 因加2 ( r ) 是标量，可知该周期性结构仅能使t e 模向t e 模耦合或使t m 模 向t m 模耦合。对于t e 模的传播，综合( 2 6 ) 、( 2 9 ) 和( 2 1 1 ) 式可得： 兰生p j ( “啡) 一皇箜e j ( “一鼬) 一c c 二鼍痹聃帕虬a 。 ( 2 切 上式的右边可以看作是引起前向波4 与后向波巧的波源。为了使波源与波 的相互作用不被抵消，要求波源于波的频率相互匹配：同时，为使相互作用在 传播距离上不被平均为零，上述两者又必需满足相位匹配条件，只有这样才能 保证光波的正常传播。因此，为了将第m 个模耦合到第s 个模中，必须使上式 中的乘积曲2 ( x ，z ) e x p ( + 帆z ) 包含有正比于e 冲( _ 假z ) 或e x p “t 以z ) 的项。这两 种情况分别表示了微扰驱动了前向模或微扰驱动了后向模。因此，模式耦合的 选择是由血2 g ，z ) 与z 的关系决定的。设微扰血2 g ，z ) 的周期为人，且使 切人* 屈，其中，是整数。于是血2 g ，z ) 可以展开为： 矾力“嚷d ，球竿) 刁 亿 现在( 2 1 2 ) 式的右边含有正比于4e x p 【f ( 2 切a 一尼z ) 】的一项( ，= ，册= j ) ， 而兰篓一声，。卢，因此该项能够同步驱动( 2 1 2 ) 式左边的振幅笱e x p z ) ，将 ( 2 1 3 ) 式代入( 2 1 2 ) 式可得： 警= 竽鬈q 唧【f 万人一孱z 避曲2 g 她g 讦出 ( 2 m ) 于是由h 2 ( x ，刁的第九个谐波引起的前向波爿，+ 与后向波以一之间的耦合， 可以描述为： 堡掣二：k 4 ( + ) 严 ( 2 1 5 )2 k 4 p ( 2 1 5 ) 类似可以得到： 堡掣：k 4 ( - ) e 嘣耐=( 2 1 6 )2 k4 “e ( 2 1 6 ) 1 2 箜三童堂塑塑堡壁堕堡垒坌堑查鲨 ( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 即为周期性波导中传播的前向模和后向模的耦合模方程，其中 p j 锅是厶p = ps p o = p s l 万j 扎， 午南： k = 半血2 g 她研出 ( 2 1 7 ) 其中砟称为耦合系数。耦合系数的大小反映了前向波与后向波之间能量交 换的快慢程度。 这里应特别指出，两个模式所携带的总功率是守恒的，这一结果可以由下 式看出： 艺炒州删2 】= o ( 2 1 8 ) 由上述分析可知，波导中的模问耦合问题可以简化为对耦合模方程( 2 1 5 ) 和 ( 2 1 6 ) 式的推导求解。 对于布拉格光纤光栅，我们可以对其求出具体结果。 z = l 图2 1 布拉格光纤光栅示意图 图2 1 是一个简单的光纤光栅示意图，其周期为a 。对光栅其折射率调制可 表示为： 其中压为平均折射率变化，又称为折射率调制深度，通常为1 0 。1 0 。之 间，v 定义为折射率调制清晰度，其中的妒( z ) 表示引入的任意空间相位。a 为栅 争 她 叫警 新 、j，iij、_i z r ( 一目 矿 一切 们 瓦 第二章光纤光栅传感的理论分析方法 格间距。对均匀周期的布拉格光栅，( z ) 可以取为o 。 珂盯( 力= 刀+ 玎( 力 ( 2 2 0 ) 耦合主要发生在布拉格波长附近波长相同的两个正反向传输模式之间，则 耦合模方程可简化为： 华：+ 彳+ ( z ) + f 翘+ ( z ) i 2 1 。a 【2 j + 1 础。【z ) 竽：一+ 矿( z ) 嘶彳+ ( z ) 出 7 一 其中和分别代表前向波和后向波， 爿+ ( z ) = 爿( z ) e x p o 以z 一尹2 ) b + ( 力= 曰( 力e x 烈。疋z + 伊2 ) r 是自耦合系数，可用下式表示： ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 可以表示成为： ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 弘屯+ f 一丢警 ( 2 2 5 ) 复耦合系数f 代表光栅的吸收损耗，矿表示一个光栅的碉啾特性，是光 栅失谐度，表示的是能量交换速率。有如下表达方式： 力= 一吴= 2 册驴 三一击 c z z s ， 其中的乃= 2 玎玎a 我们定义为布拉格波长( 该波长的确定是在相位匹配时 即玩= o 时的波长) 。对于均匀周期布拉格光栅，有咖- 出= o ，因此对个单模 的布拉格光栅有如下关系： 2 _ 以盯( 2 2 7 ) r 2 r = ；s 玎咿 ( 2 2 8 ) 此时砥f 和f 也是常数。这样，上面的耦合模传输方程，就可化为常系数 的微分方程，利用边界条件求解后，我们可以得出反射比p 和反射率r 分别为： p ：瓮：i 三型型譬皇掣l 一( 2 2 9 ) 。 矿仰fs 讪振酽二瓦f + f ：一，c o s h 瓜矿丽 1 4 第二章光纤光栅传感的理论分析方法 r ：掣巡型玉生( 2 3 0 ) 一! 丁+ c o s h 2 ( 垃) 2 一( f + 三) 2 r 。 由反射率公式可以看出，当f + = 0 时，反射率达到最大值。又因咖出= o ， 由公式( 2 2 5 ) 可知屯+ f = o ，再根据公式( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) ，可得到最大反射率和 胄一= t a n h 2 ( 也) ( 2 3 1 ) k ：( 1 + 竺芝) 乃 ( 2 3 2 ) 盯 注意到中心波长九。与乃并不相等。而是受调制深度瓦影响有一个偏差。 带宽为最大反射率两边的零点间距。因此由却出= o 并根据反射率公式 ( 2 3 0 ) ，令( 碰) 2 一+ 上) 2 = 切，再联立公式( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 和( 2 2 9 ) ，可求得带宽 表达式： 等2 等白2 锄vs 7 谤三 、 。 光栅反射率较弱时，既j 西锄 n 盯，带宽可近似为： 等“等 亿，s ， 五 聍# 7 由上式可见，弱光栅的带宽主要取决于光栅长度。强光栅反射带宽主要由 折射率调制深度决定，而与长度几乎没有关系。 第二节传输矩阵分析法 当光纤光栅的折射率为非均匀周期分布时，利用耦合模方程的分析过程变 得十分繁琐，此时可应用传输矩阵法进行分析。传输矩阵法是分析光纤光栅的 第二章光纤光栅传感的理论分析方法 重要方法，是由a 鲋l w a l 等人提出的1 2 牡6 】。其最大的优点在于不必进行烦冗的 数学推演，可借助于数值计算方法，直接从电磁场的麦克斯韦方程出发进行数 值计算，模拟分析光波在不同波导中的传播行为。该方法是模拟复杂的光纤光 栅光谱性质的有利工具，具有灵活、快捷和精确的特点，特别适宜于非均匀光 纤光栅的分析。目前随着计算机硬件水平的提高，各种数值计算软件应运而生， 大大简化了波导结构与边界条件等复杂问题的解决过程。但另一方面，该方法 也有其自身的不足之处。主要体现在对于比较复杂的波导结构( 如矩形波导等) ， 其计算量有时很大，且由于计算过程的自动化，在一定程度上会影响对某些物 理过程的深刻理解，模拟过程的真实性有时受限，在折射率突变区域易失效。 该方法将结构复杂的光栅分成一系列小的均匀周期的光纤光栅，计算出每 一小的均匀周期光纤光栅的传输矩阵，只要将每一小的均匀周期光纤光栅单元的 传输矩阵相乘，即可由光纤光栅的光入射端的光波场推算出光纤光栅的光出射端 的光波场。著名的i f o g 豫恤g 光栅设计分析软件就是以传输矩阵的方法为基础 设计的。 设长度为上的光纤光栅被分为膨个小的均匀周期光栅，经过第阶小光栅的前 向和后向传输光的模场振幅分别表示为彬和噬，则有 ( 豺瓦( 瓮 ( 七= 1 ，2 ，m ) ( 耄 ”母 其中传输矩阵，：用采表不光栅相位和幅厦的燹化，司表不为： 耻( 2 巩 其中各矩阵元分别为： 五。= ( 1 一r 2 ) - 1 i 函她) 一r 2 e x p ( - 舭) 】 砭= 0 一，2 ) _ 1 阱泓) 一，2 e x p 她) 】 五。= ( 1 一r 2 ) - 1 ，【e x p 泓) 一e x p ( - 啦) 】 1 6 ( 2 3 6 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) 第二章光纤光栅传感的理论分析方法 互：= 一( 1 一r 2 ) 1 r 【e x p 纰) 一唧( - 讹) 】 ( 2 4 2 ) 其中光栅的耦合系数g = | 2 一( 妒) 2 ，= ( g 一妒) j i ，印= 2 ，r l 一乃。) ，