（光学工程专业论文）光纤布拉格光栅电流传感器的研究.pdf

摘要 摘要 光纤光栅是目前很有发展前途和代表性的光纤无源器件之一，在光纤通信、光纤传感 等领域得到了广泛的应用，其中光纤布拉格光栅传感器是光纤传感器领域的典范，对光纤 布拉格光栅电流传感器的研究具有十分重要的现实意义。 本论文从光纤光栅电流传感器的实用化角度出发，在调研现有的光纤光栅电流传感器 的基础上，提出了一种基于特殊悬臂梁结构的具有温度补偿效应的电流传感器，并对它的 传感特性进行了分析，主要工作包括：首先，在学习光纤光栅电流传感器的工作原理和结 构特性等的基础上，设计出了一种基于特殊悬臂梁结构的具有温度补偿效应的光纤光栅电 流传感器，并理论分析了它测量电流的可行性和温度补偿特性。其次，搭建实验平台，采 用多匝小电流模拟单匝大电流进行测量，使用光谱仪解调透射光谱，对传感器的性能进行 了测试，实验证明光纤布拉格波长的偏移量与被测电流具有良好的线性调谐关系，线性度 达到了o 9 9 5 3 。实验还证明此光纤光栅电流传感器具有温度补偿作用，有效地解决了测量 过程中电流和温度的交叉敏感问题。最后，通过实验分析了传感器的一些参数对电流传感 性能的影响，对此传感器进行了优化，并且对实验中的误差进行了探讨，指出了今后需要 改进和进一步开展的工作。 关键字：光纤布拉格光栅；光纤传感器；电流传感器；悬臂梁；温度补偿 a b s t r a c t f i b e rg r a t i n gi so n eo ft h ep o t e n t i a la n dt y p i c a l o p t i c a l p a s s i v ec o m p o n e n t s ，w h i c hi s e m p l o y e dw i d e l yi nt h ef i e l d so ff i b e rc o m m u n i c a t i o n ，f i b e rs e n s o r , a n ds oo n f i b e rb r a g g g r a t i n g ( f b g ) s e n s o ri sa ne x a m p l eo ff i b e rs e n s o r s t h es t u d yo nt h ef b ge l e c t r i cc u r r e n t s e n s o ri sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o nt h eb a s i so fe x i s t i n gf b gc u r r e n ts e n s o r sa n df r o mt h ep o i n to fp r a c t i c e ， an o v e le l e c t r i cc u r r e n ts e n s o rb a s e do nac a n t i l e v e rb e a mw i t hs p e c i a lc o n f i g u r a t i o ni sp r o p o s e d t h i sc u r r e n ts e n s o rh a st h ef u n c t i o no ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，a n di t ss e n s i n gc h a r a c t e ri s a n a l y z e di nd e t a i l t h em a j o rw o r ki n c l u d e s ：f i r s t , o nt h eb a s i so ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef b gc u r r e n ts e n s o r , an o v e ls t r u c t u r eb a s e do nac a n t i l e v e rb e a mw i t h s p e c i a lc o n f i g u r a t i o ni sd e s i g n e d ，a l s ot h ef e a s i b i l i t yo fc u r r e n tm e a s u r e m e n ta n dt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o ni sp r o v e dt h e o r e t i c a l l y ；t h e nt h ea c c o r d i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，a n d m a n yc i r c l e so fl i t t l e c u r r e n ti su s e dt os i m u l a t et h eo n ec i r c l eo fb i ge l e c t r i cc u r r e n t m e a s u r e m e n t , a n dao p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r ( o s a ) i su s e da st h ed e m o d u l a t i o ne q u i p m e n t a f e wb a t c h e so fc u r r e n t ss e n s i n ga 佗m a d ea n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r ev e r y g o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i p sb e t 、j i r e e nt h ec e n t e rw a v e l e n g t hs h i f td i f f e r e n c e sa n dt h e e l e c t r i c c u r r e n t s ，w h i c hi sa b o u t0 9 9 5 3 a l s ot h er e s u l t sa r ei n d e p e n d e n to ft h et e m p e r a t u r e ，t h ec r o s s s e n s i t i v ep r o b l e mb e t w e e nt h ec u n 咖a n dt e m p e r a t u r ei ss o l v e d f i n a l l y , t h es e n s i n gc a p a b i l i t i e s o fs o m ed i f f e r e n ts e n s o rs t r u c t u r e sa 陀a n a l y z e d b yc h o o s i n gt h ea p p r o p r i a t es t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，a no p t i m i z e dc u r r e n t 鞭蝴i sr e a l i z e d a l s ot h em e a s u r e m e n te r r o r sa r ea n a l y z e d , a n ds o m ei m p r o v e m e n t so f t h i sc u r r e n ts e n s o ra r eg i v e n k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；f i b e ro p t i cs e n s o r ；c u r r e n ts e n s o r ；c a n t i l e v e rb e a m ；t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 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 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：团盔盔日期：趔：丝0 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：罚盔盔 导师签名：e t 期：型：鱼幺0 7 第一章绪论 1 1 光纤光栅的发展 第一章绪论 光纤光栅1 1 3 l 是利用光纤材料的光敏性( 如外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起 折射率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实际上是在纤芯内形成一个窄 带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。光纤光 栅除了具有光纤本身的低耗传输、抗电磁干扰、质轻、径细、化学稳定、电绝缘等优点之 外，还具有反射带宽范围大、附加损耗小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体等 系列优异性能，故从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的各个领域都将由于光 纤光栅的实用化而发生革命性的变化。 1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心的h i l l 等人 4 1 发现了光纤的光敏性，并且首次利用 驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一个永久性的可实现反向模式间耦合的光纤光栅一光 纤布拉格光栅。驻波法也称为内部写入法，写入的光纤光栅反射率可达9 0 以上，反射带 宽小于2 0 0 m h z 。但是由于这种内部写入法需要特制的掺锗含量高并且芯径小的光纤，写 入效率很低，并且布拉格波长受到激光写入波长的限制等原因，实用性不高，所以光纤光 栅的研究进展相当缓慢。 1 9 8 9 年美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z t 5 l 等人以准分子倍频激光器输出的 2 4 4 n m 的紫外光为光源，利用双光束干涉形成的条纹侧面曝光光敏光纤写入了光纤布拉格光 栅，这种技术称为横向全息刻写技术，又称为外侧写入法。m e l t z 等人就用此方法研制出第 一只谐振波长位于通信波段的光纤光栅，使制作的光纤光栅具有了潜在的使用价值。从此， 利用紫外光从光纤侧面直接在光纤纤芯区写入布拉格光栅的技术一直受到人们的关注。 1 9 9 0 年，k o h i l l 等人发明了逐点写入法【6 】。1 9 9 3 年k o h i l l 研究组和美国的a t & tb e l l 实验室的d z a n d e r s o n 等人几乎同时提出相位掩模法【7 一，此方法是利用紫外光经过掩模板 后的衍射光形成干涉条纹对光敏光纤进行曝光写入光栅的，它简化了光纤光栅的写入过程， 使得大批量生产光纤光栅成为可能。同年英国南安普顿大学的l d o n g 等人提出了在线成栅 法1 9 1 ，在光纤的拉制过程中对光纤逐点写入形成光栅，这免去了光纤光栅制作时剥去光纤涂 覆层的工序，有利于光纤光栅的大规模生产。 1 9 9 3 年1 月，d l w i l l i a m s 等人在研究中发现，掺g e b 能够提高光纤对紫外光的敏感程 度【1 0 】。6 f j a t & t 贝尔实验室的p j l e m a i r e 等人提出了通过氢载增敏的方法i 】，这种方法适 用于掺锗、掺磷光纤。 氢载增敏和相位掩模技术为在普通光纤上制作出高反射率的光纤光栅提供了技术上的 保证，使得制作光纤光栅的成本大幅度降低，从此，光纤光栅开始进入商品化生产阶段，极 大地推动了光纤光栅的研究和发展。 随着研究的深入和应用的需要，人们又研制出了长周期光纤光栅，此后又在光纤布拉 l 东南大学硕士学位论文 格光栅和长周期光纤光栅的基础上先后研制出一系列特殊结构的光纤光栅，比如啁啾光纤 光栅、高斯变迹光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅等等，功能各 异的光纤光栅必将在通信、传感及其相关领域获得进一步发展和更加广泛的应用。 1 2 光纤光栅传感技术的特点 光纤传感技术1 1 2 1 是在2 0 世纪7 0 年代随着光导纤维实用化和光纤通信技术的发展而迅 速发展起来的1 1 孔。当光纤受到温度、压力等环境因素的影响时，在其中传播的光的光强、 相位、频率、波长等参量将会发生变化，所以光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒质， 感知和传输外界被测信号的新型传感技术。 由于光纤传感器与普通的电传感器在传输介质、传输信号、敏感材料、调制参量方面存 在着明显的不同i i 引，如表1 1 所示： 光纤传感器传统电类传感器 传输介质光纤、光缆电线、电缆 传输信号光电 敏感材料光敏电敏 调制参量光强、相位、波长等电压、电流、频率等 表1 1 光纤传感器与传统电类传感器的比较 所以光纤传感器有着其它传感器无法比拟的优点【剐7 1 ： 1 光纤传感器频带宽，灵敏度、可靠性和线性度好； 2 光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到小于等于0 2 d b k m 的水平，有利于进行远距离传感： 3 光纤传感器体积很小，重量轻、可绕曲，便于携带； 4 由于光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等特性，能在恶劣的环境下工 作，同时适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构【l 列； 5 原材料硅资源丰富； 6 便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控。 普通的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型”的光强型传感器测量的是 光强的大小，所以光源强度的起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素都会影 响测量精度。而干涉型传感器观察的是干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹要十分清晰， 而干涉条纹清晰就要要求两路干涉光的光强相等，这样光纤光路的灵活和连接的方便等优 点将大打折扣，而且干涉型传感器是一种过程传感器，而不是状态传感器，必须要有一个 固定参考点，这样就给光纤传感器的应用带来了难度。 由于光纤光栅传感器【i ”1 1 是一种波长编码的光纤传感器，因此它与生俱来地具备了光 纤传感器的各种特点，同时还具有自己独特的优点： 2 第一章绪论 1 光纤光栅对被感测的物理量使用波长编码，波长是一种绝对参量，它不受光源功率波动 以及光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响，因而光纤光栅传感器具有更好的可靠性和稳 定性； 2 具有自参考性，可以进行绝对测量，不必像干涉型光纤传感器那样需要初始参考； 3 易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式测量，可同时传 感多个同种量或不同量，构成光纤传感网络； 3 可复用性强： 4 光纤光栅的写入工艺比较成熟，便于形成规模生产。 总之，这些优点使得近年来光纤布拉格光栅在光传感方面越来越受重视，应用成果日 益增多，目前光纤光栅已成为最具有实用价值的无源光器件之一瞄l 。 1 3 光纤光栅的分类 1 3 1 按照光纤光栅的成栅机制分类 根据折射率变化起因的不同，即光纤光栅的成栅机制与光敏机理的差异，从激光的能 量密度、曝光时间、热稳定性、传输损耗、材料构成、掺杂浓度等因素考虑，可分为i 型、 i i a 型和型光纤光栅。这三种光栅在传感应用中的主要区别主要是其写入的原因和温度 特性。 ( 1 ) i 型光纤光栅 l 型光纤光栅是一种最常见的光纤光栅，其成栅机制与局部电子态的缺陷有关。i 型 光栅是一种正折射率调制光栅( n o ) ，在光栅写入过程中，折射率调制深度与平均折射 率均呈单调增长此类光栅的主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收 或包层耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度( 2 0 0 c 左右) 下光栅会变弱或 消失。 ( 2 ) i i a 型光纤光栅 i i a 型光栅与光纤基质材料的稠密度效应有判2 3 1 ，成栅于高掺锗( 1 5 m 0 1 ) 的光敏 光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。照射的初始阶段，形成i 型光栅；随着曝光 时间的进一步增加，第一只光栅被部分或全部擦除；最后，伴随着负折射率调制深度的产 生，新的光谱和反射波长就出现了，即形成了i ia 型光栅。其温度稳定性优于i 型光栅， 直到5 0 0 1 2 附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下使用。 ( 3 ) i i 型光栅 3 东南大学硕上学位论文 型光栅与玻璃基体的熔化有判2 4 1 ，由单个高能量光脉冲( 大于1 0 0 0 m j c m 2 ) 曝光熔 化石英基质导致光纤纤芯的物理损伤，形成i i 型光栅。i i 型光栅的透射谱只能使波长大于 其布拉格波长的光透射，波长小于其布拉格波长的部分被耦合到包层中损耗掉。i i 型光栅 具有极高的温度稳定性，在8 0 0 c 下放置2 4 小时无明显变化，在1 0 0 0 c 环境中放置4 小时 后大部分光栅才消失。 1 3 2 按光纤光栅的周期和波导结构分类 根据光纤光栅空间周期分布及折射率调制深度分布是否均匀，可以将光纤光栅分为均 匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大类型。 ( 1 ) 均匀光纤光栅 是指栅格周期沿光纤纤芯轴向均匀并且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。根据 光栅周期的长短及波矢方向的差异因素，此类光纤光栅还可以分为：光纤布拉格光栅、长 周期光纤光栅和闪耀光纤光栅等。 ( 2 ) 非均匀光纤光栅 指栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数。从栅格周期与折射率调制 深度等因素考虑 2 5 1 ，此类光纤光栅包括：啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、莫尔光纤光栅、 切趾光纤光栅和超结构光纤光栅等。 上面介绍的光纤光栅中并非所有的结构都适合用来传感，到目前为止在传感领域用得 比较多的只有布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅和啁啾光纤光栅等，下面逐一介绍这几种 光纤光栅传感器： ( 1 ) 光纤布拉格光栅( f b g ) 目前研究最多以及应用最为广泛的光纤光栅就是f b g ，它属于短周期光纤光栅，是通 过改变掺杂石英光纤纤芯的折射率，使其产生很小的周期性调制而形成，其光栅周期在亚 微米量级，并且是均匀的，典型周期0 5 微米。f b g 也被称为反射型光纤光栅，它的作 用相当于一种波长可选( 通过控制其周期) 和宽带可调( 控制光栅强度) 的窄带反射元件。 其结构示意图如图1 1 所示。 4 第一章绪论 式中 入射光 反 = i l 】ii ii ii ii l 一_ l 光 透射光 亡= 令 图1 1 光纤b r a g g 光栅的结构示意图 f b g 的折射率的纵向剖面可表示为【2 6 】： 心) = + 龇s ( 安z ) ， n o 一光纤纤芯的平均折射率； a n 一导致折射率扰动的数量( 典型值为1 0 1 0 3 ) ； z 一为沿光纤的纵向距离。 ( 2 ) 长周期光纤光栅( l p g ) 长周期光纤光栅的栅格周期大于1 0 0 t i m ，远大于一般的光纤光栅，典型值- - 3 0 0 微米。 其折射率分布图如图1 2 所示。 图1 2 长周期光纤光栅的折射率分布图 从上图中可以看出，它与均匀b r a g g 光栅的折射率分布是一样的，但是其周期较大。 长周期光纤光栅是一种透射型光栅，其功能是将光纤中传播的特定波长的光波耦合到包层 中损耗掉 长周期光纤光栅的相位匹配条件可表示为： 属l 一= 2 z r a ( 1 2 ) 式中 人一光栅周期； 风l 一导波基模传输常数； 一耦合产生的模的传输常数。 长周期光纤光栅是一种性能优异的波长选择性损耗元件，可以通过选择适当的光栅周 期，使得光栅将一定波长的光耦合进包层而迅速损耗掉，不反射，因此长周期光栅是光放大 s 东南大学硕士学位论文 器增益平坦的理想元件。另外，它有比f b g 高得多的温度和应力灵敏度，可以作为应力或温 度传感器，而且也可以将级联的长周期光栅作为传感器阵列进行多参数分布测量。 ( 3 ) 啁啾光纤光栅 啁啾光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的，其折射率分布图如图1 3 。 图1 3 啁啾光纤光栅的折射率分布图 由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，因此啁啾光栅能够形成很宽的反射带。啁 啾光栅的反射波长可以表示为： 屯( z ) = 2 n 谚( z ) a ( z ) ( 1 3 ) 式中，人( z ) 是沿长度变化的光栅周期。 1 4f b g 在传感领域的应用 自从1 9 7 8 年k 。o h i l l 等人首次用氩离子激光器制作出第一个光纤布拉格光栅( f b g ) 以来，f b g 的研究和应用引起了各国学者的广泛关注，可应用范围越来越广f b g 可用在 光纤通信系统中的关键无源器件中，比如波分复用器、光纤激光器、光放大器中的泵浦反 射镜、增益均衡器和色散补偿器件等。同时f b g 在传感领域的应用也越来越多，部分基于 光纤布拉格光栅的传感方案已经市场化，下面介绍它的几个主要应用方面1 2 7 1 。 1 4 1 土木工程领域 土木工程中的结构监测是应用光纤传感器网络最活跃的领域，将光纤光栅传感网络系 统埋入结构中可以形成智能结构1 2 s 。由于f b g 传感器绝缘耐腐蚀，并且精度非常高，具 有良好的动态响应和重复性，所以适用于长期监测应力、应变、温度、局部荷载、振动等 多种参量。f b g 传感器由于其结构的独特优势使得它们能够粘贴于结构表面也能够埋入结 构内部，从而实现对结构状态的实时分布式测量。f b g 传感器在工程施工期间，可以进行 实时检测，通过测量建筑物的应变分布，可以预知建筑物的状态；在工程建成之后，可以 长期监测结构的健康状况以及载荷分布情况。在土木工程中，f b g 传感器已经商品化，成 为结构监测中的重要手段。 1 4 2 航天器和舰船 在舰船和飞行器【2 9 1 领域中，为了能够比较准确地测量弯曲、剪切和冲击力这些参量引 6 第一章绪论 起的船体或机体的变化，同时还要监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼 和方向舵的位置等参数以进行日常维护，所以需要使用的传感器数量十分巨大，这就使得 我们必须采用尺寸很小、重量很轻的传感器。光纤光栅传感器敏感元件( 光栅) 制作在纤 芯中，具有质量轻、径细、可弯曲、抗电磁干扰等特点，并且只需要一根传输光纤就可以 构成传感网络，降低了成本。因此，光纤光栅传感器在舰船和航天器中的应用潜力十分巨 大，几乎没有其他传感器可以与之相比p o j 。 1 4 3 石油工业 石油工业的测量环境十分恶劣，因为它是高损耗、强腐蚀、易燃易爆的领域，因而对 传感器的要求十分严格。目前石油工业中使用的传感器主要是电类传感器，但是测量中的 高温操作和长期稳定性的要求限制了电类传感器的使用。f b g 传感器因其本质的安全性和 诸如抗电磁干扰、体积小、重量轻、耐高温、耐腐蚀、防水、防火、长期稳定等优点，非 常适合在石油工业中应用。f b g 在石油领域中的应用，主要包括以下几个方面：( 1 ) 温度 和压力的测量；( 2 ) 流量及多相流测量；( 3 ) 测井技术；( 4 ) 地震波检测；( 5 ) 长距离石 油管线监测p 。 1 4 4 电力工业 电力工业中的设备大都处在强电磁场、高压环境中，在这些地方测量的传感器需要具 有很好的绝缘性能，体积要小并且是无源器件，f b g 是最佳选择。另外，很多电力设备常 常位于荒山野岭、沙漠荒原等难以到达的地方，而f b g 写在1 5 5 0 波段的通信光纤上，这 个波段是光纤的低传输损耗窗口，因此f b g 适合于远距离工作，信号可以传输很远。f b g 在电力工业上的应用主要有以下几方面： 1 电力传输线的负载 通常高压传输电缆会由于雪、灰尘的沉积等原因而有一定的机械负载，使得电缆受力 过重，严重的还会发生事故，因此在线测量电力线的负载是十分必要的，尤其对于安装在 人烟稀少的山区等地或难于检查的地方的传输线，f b g 传感器可以使用一根光纤链路，通 过波分或时分复用实现在线测量i 3 2 1 。 2 高低压开关柜温度监测 发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电器设备。开关柜中的触点和母线排连接处等 部位会因长期使用而老化或接触电阻过大使得发热过高，通过监测开关柜内触点温度的运 行情况，可有效防止开关柜发生火灾，但由于柜内具有裸露高压，且空间狭小，所以无法 人工测温，通常的温度测量方法亦不能使用。f b g 温度在线监测系统采用布置在各个触点 的f b g 传感器将温度信号通过光纤传至网络分析仪，它利用了f b g 固有的绝缘性和抗电 磁场干扰性能，具有极高的可靠性和安全性，因此从根本上解决了高压开关柜内温度不易 监测的难题p 引。 7 东南大学硕士学位论文 3 电流电压的测量 现在已经商业化的光纤电流传感器的工作原理是基于法拉第效应的，光纤电压传感器 则是利用了克尔效应或者普克尔效应，但是在实际应用中光纤中的线性双折射效应、温度 和振动等不利因素限制了传感器的应用。由于光纤光栅传感器具有一般光纤传感器没有的 波长编码特性和自参考性，近些年来被研究者们广泛研究和使用，并且取得了一定的成果 1 3 4 - 3 9 ) 。与传统的测量电流的方法相比，利用f b g 的方法成本更低，不需要复杂的绝缘设备。 1 4 5 医学领域 医学中的商用传感器多为电子传感器，并且很大一部分是有源的，但是在高电压和高 电流的电磁干扰形成的磁场的作用下，电子传感器上的金属导体温度会升高，从而导致测 量的结果出现误差，所以有源传感器在高频、超声波和有激光辐射等场合是很不适用的。 f b g 传感器却能够不受这些因素的干扰，而且它的小尺寸能够在测量人体组织内部的温度 l 柚l 、压力和声波场的精确局部信息时造成最小限度的侵害。现在f b g 已经成功的应用到 了温度和超声波传感系统中，而且还可以用来测量心率，代替了传统的电热调节器和热电 耦【3 l 】。 1 4 6 化学领域 f b g 的中心波长会随外界折射率的变化而改变，如当f b g 周围化学物质浓度发生变 化时，f b g 和周围化学物质间暂时形成的场也会随之改变，从而导致它的中心波长改变， 利用这一原理通过对f b g 进行特殊处理，就可以制成探测各种化学物质的f b g 化学传感 器。长周期光纤光栅4 1 l 比f b g 对周围物质的折射率变化更为敏感，更适合于制作化学传 感器。 1 4 7 其他应用 除了上面介绍的一些应用之外，f b g 还可以应用于其他的很多领域，如交通领域中的 车流量检测、加速计1 4 2 1 、地球动力学嗍、核工业、水声传剧4 4 1 、液面位置探测及光纤陀螺 等，这说明光纤布拉格光栅具有十分广泛的应用。对于f b g 的潜在应用，目前许多学者仍 然在孜孜不倦地努力研究中，相信f b g 会深a n 各个环境结构参数的测量之中。 1 5 光纤光栅电流传感器的研究意义及本论文的主要内容 随着工业的发展、社会对电力需求量和输电距离的增大，发电行业和高压工程行业越 来越注重采用大幅度的提高输变电线路电压等级和电流强度的方式来提高输电效率，对电 流和电压传感器的性能要求也更加严格。目前应用的很多电流传感器都是传统的电流互感 器，它们制造复杂，绝缘比较困难，维护费用高，而且还有引入高电压进入安全区域的危 8 第一章绪论 险【4 5 , 4 6 】。随着用电需求的增加，电流传感器的绝缘问题将越来越难，造价也越来越高。为 此，国内外都致力于开发价格低，结构简单，安全可靠的新型大电流传感系统。光纤光栅 由于其具有高绝缘性和不受电磁干扰性等优势，在电力工业测量中具有很好的发展前景 1 47 1 ，所以我们要加快对光纤光栅电流传感器的研制和开发使用。 本论文以研究新型光纤光栅电流传感技术为线索，在学习光纤光栅的传感理论、电磁 原理和材料力学的基础上，设计了一种光纤布拉格光栅电流传感器。实验结果表明，由此 建立的电流传感器结构简单、线性度好、具有温度补偿功能，适合于实际应用，为大电流 的测量提供了一种切实有效的方法。本文的主要内容包括： 1 在第一章中基于对光纤传感器和普通电传感器的比较以及光纤光栅传感器和普通 光纤传感器的比较，对光纤光栅传感器的特有优点进行了总结概括，并且介绍了光纤光栅 的分类和它在传感领域中的一些应用，引出了本课题的研究意义。 2 第二章简要论述光纤光栅基本原理及其传感原理，列举了目前几种比较典型的应变 和温度区分测量的f b g 传感器，并且简要介绍了f b g 传感器的敏化与封装方法。 3 第三章在对现有光纤光栅电流传感器进行调研和比较并且学习材料力学和电磁原 理相关理论的基础上，提出一种基于悬臂梁和电磁效应的光纤布拉格光栅电流传感方案， 此传感器具有温度补偿作用，详细介绍和分析了此传感器的各个部分，并且在理论上验证 了此传感器方案的可行性和温度补偿作用。 4 第四章通过实验对所设计的传感器的传感特性进行了测试和验证，并且分析了传感 器的一些参数对电流传感性能的影响，对此传感器进行了优化。由于实验室条件限制，我 们只对o m a 4 0 0 m a 范围的电流进行了电流传感实验。实验表明被测电流与光纤光栅透 射谷的中心波长差呈很好的线性关系，线性度达到了0 9 9 5 3 ，灵敏度约为2 2 6 2 n m a ； 并且证明此电流传感器具有温度不敏感特性，解决了光纤光栅电流传感器对电流和温度的 交叉敏感问题。理论和实验结果一致结果表明，该传感器结构是可行的。研究中还寻找了 误差的根源和优化的方向，为日后进一步的研究工作打下了重要的基础。 最后，对课题工作进行了总结，提出了之后的研究和改进方向，并对光纤光栅传感器 的发展和应用进行了展望。 9 东南大学硕士学位论文 第二章光纤布拉格光栅的传感原理和关键技术 2 1f b g 的基本原理 f b g 是最早发展出来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅，在通信和传感领域都 有十分广泛的应用。 光纤光栅从本质上说是一种光学衍射光栅，如图2 1 所示。 力 船 朋一一1 肼一d 图2 1 衍射光栅示意图 根据光栅方程，入射光线和衍射光线之间满f f 2 1 4 8 1 ： 刀s i n 岛= 刀s i i l b + 肼妻 ( 2 1 ) 式中 0 1 ( 0 2 ) 一入射光线( 衍射光线) 与法线的夹角； 刀一介质的折射率； 五一光波长； 人一光栅周期； m 一衍射级次。 在f b g 中，弹射角为p l 的前向导波模经过f b g 时会被耦合到反向相同模式4 纠，且弹 射角0 2 = - o , 其衍射光线图如图2 2 所示 。、 ( ) ) q弋一一一- ) j 用= 一1用= 口 一 l ， 1 = 一、 图2 2f b g 模式耦合的光线示意图 f b g 的折射率成固定的周期性调制分布，即调制深度与光栅周期均为常数，如图2 3 所示。 l o 第二章光纤布拉格光栅的传感原理和关键技术 图2 3f b g 示意图 从上图中可以知道，布拉格光纤光栅属于反射型工作器件，当宽带光源入射到f b g 时， 会因f b g 折射率的改变而发生折射、透射或反射，满足布拉格相位匹配条件的光会发生很 强的反射，不满足相位匹配条件的光只有很弱的部分被反射回来，其余宽带光则直接透射 过去。所谓布拉格相位匹配条件是指光的反射波长要满足下列公式： 如= 2 劭人 ( 2 2 ) 式中 如一布拉格波长； 一光纤纤芯的有效折射率； a 一光栅周期。 2 2f b g 的主要特征参数 2 2 1 中心波长厶 当光在光纤光栅中传播时，基模光中能够满足b r a g g 条件的波长即为厶，五会随着 应变和温度的改变而改变。根据光纤光学的原理，即使是基模，与它相应的射线方向也和 光纤的光轴有一很小的夹角( 见图2 4 ) 满足b r a g g 条件的波长五，可以证明应满足： 五= 2 觚c o s ( 2 3 ) 式中：啊c o s 矽通常称为有效折射率劭，它的大小介于啊和吃之间，e p n _ 1 ) r ) n 2 ， 这样可写成名= 2 人剐 1 1 东南大学硕士学位论文 基模的波矢量k 急l j l 州 岁瑚 i 层( n 1 ) t r 包层( n 2 ) 。l 、4 2 2 2 峰值反射率灭 布拉格光栅 图2 4f b g 分析图 光纤光栅的反射率越高，到达测量系统的光功率越大，相应的可探测距离就越大。如 果反射率很小，噪声对探测结果的影响就会比较大，这样对测量系统的要求就会变高，影 响测量精度，所以光纤光栅的反射率应该大于9 0 。研究表明，最大的反射率r 可表示为： r = t a n h 2 ( k l ) ( 2 4 ) 其中，为光栅长度；k 为耦合系数，与折射率调制程度有关。 2 2 3 反射光谱的带宽五 f b g 的反射波有一个带宽，如果反射波的中心波长为厶，那么反射光谱的带宽可以 通过下式计算出： 厶= 名 7 2 + ( 肛) 2 r 乒他工 c 2 理论上f b g 的带宽越小测量精度越高，但是从实际的制作工艺和可行的精度来看， 最合理的范围应该为0 2 m 一 0 3 n m 之间，计算时通常取0 2 5 r i m 由此可见，f b g 的基本特性是以共振波长为中心的窄带反射光学滤波器，该共振波长 即为布拉格波长光栅的反射谱由两个重要的参数决定：反射光谱的带宽从和峰值反射 率灭，这两个参数是光栅长度、折射率调制深度和布拉格波长的函数。f b g 中心波长屯、 峰值反射率火和反射光谱的带宽名这几个重要参数对光栅的应用有很重要的意义，应用 时要综合考虑 2 3f b g 的传感原理 f b g 可以广泛用于应变、温度、压力及动态电磁场等的测量。测量的基本原理是f b g 的 中心波长随着外界环境参数的变化而变化。已知f b g 的反射光满足布拉格条件： 如= 2 人，7 锄和人都会受外界环境影响而产生变化，变化量a 八和幽会导致符合布拉 1 2 第二章光纤布拉格光栅的传感原理和关键技术 格条件的反射波长发生位移厶，可得： 如= 2 恸人+ 2 n 留, a a ( 2 6 ) 由上式可知：当作用于光纤光栅的某一物理量( 如：温度或应力) 发生变化时，会引起 光栅周期a 或有效折射率，锄发生变化，从而使得b r a g g 反射波长如发生偏移。如果偏移量 如与此物理量的变化值之间存在某种关系，则通过检测以，就可以得出该物理量的变 化值，这就是用光纤光栅进行测量的基本原理。 应变引起的弹光效应和拉伸效应分别改变和人，而温度引起的热光效应和热膨胀效 应也分别影响7 谤和人，进而使如发生偏移。由应变波动s 和温度波动a t 引起的b r a g g 波长偏移可以表示为： 如= 厶( 1 一见) 占+ 如( 口+ 善) 丁 ( 2 7 ) 式中 见一有效弹光系数； 口一热膨胀系数； 孝一热光系数。 2 3 1f b g 的轴向应力特性 轴向应力影响b r a g g 波长是由光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设光纤光栅仅受 轴向应力的作用，温度场和均匀压力场均保持恒副5 1 l 。在轴向应力的作用下，光纤光栅产 生应变，栅距和折射率均发生变化，引起反射光波长发生移动，有： 厶k a b = 厶入 入+ 幽晡 n 唾 t 2 墨) 式中 7 锄一折射率的变化； a 一栅距的变化。 光纤产生应变时的折射率变化为： = 一兰2 ( 1 ) 片：一朋。卜一印 ( 2 9 ) 式中 s 一光纤光栅的轴向应变； 一纤芯材料的泊松比； 东南大学硕士学位论文 墨1 和丑2 一光纤的光弹性张量的p o c k e l 系数； 一有效的光弹性系数，并且有： = 圭2 ( 1 一) 分解 ( 2 1 0 ) 对于典型的石英光纤有互l = 0 1 2 1 ，丑2 = 0 2 7 0 ，= o 1 7 ，锄= 1 4 5 6 ，可得 0 2 2 ，则： 厶九b | 九b = 入| 入+ 幽孵| n 孵= s 一0 2 2 e = 0 7 8 6 = 0 7 8 a l l ( 2 1 1 、 由此可见由应力产生的b r a g g 波长变化与应力成线性关系。其调谐范围的大小正比于 光纤光栅长度的变化量址而反比于光纤光栅的长度三。纵向拉伸f b g 使其b r a g g 反射波 长向长波方向变化，如果采用轴向压缩则可以使b r a g g 波长向短波长方向移动。含有光栅 的光纤允许施加张力的典型值为1 应变，也有施加到5 应变的，这时光纤易断。 2 3 2f b g 的温度特性 温度影响b r a g g 波长是由于光栅周期的热致伸缩效应和热光效应引起的【5 2 1 。假设均匀 压力场和轴向应力场均保持恒定，由热致伸缩效应引起的光纤光栅周期的变化为： a a = 口a a t( 2 1 2 ) 式中，口为光纤的热膨胀系数，描述光栅的栅距随温度的变化关系。 由热光效应引起的光纤光栅的有效折射率的变化为： = 孝吻a t ( 2 1 3 ) 其中，f 为光纤的热光系数，表示光纤折射率随温度的变化关系。 因此，温度变化引起光纤光栅波长移动可表示为： a 2 b 砧= ( 口+ 孝) 丁 ( 2 1 4 ) 由上式可以看出，魄与丁之间成线性关系，通过测量光纤光栅反射波长的移动 她，便可确定环境温度r 。 由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤的热膨胀系数口和热光系数孝有较大的差 别，因此温度灵敏度的差别也很大。对于石英光纤，口取5 5 x l o 一7 o c ，当温度变化不大 时，一般认为孝是一个常数，若温度变化范围大，则应考虑温度的非线性影响：在 1 4 第二章光纤布拉格光栅的传感原理和关键技术 2 0 。c - 1 5 0 。c 的范围内，善取( 7 1 - 7 3 ) 1 0 巧o c ；4 0 0 。c 时，善取l 1 0 5 o c 。 2 3 3f b g 的横向应力特性 压力影响也是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设光纤光栅周围的温度和所 受轴向应力保持不变，光纤处于一个均匀的压力场p 中，轴向应变会使光纤光栅的栅距发 生改变，即： a a = 人占= - a e 0 - 2 ，, ) r ( 2 1 5 ) 式中，e 为光纤弹性模量。 横向应力引起的光纤有效折射率的变化为： = 一扣m ，= 丢蜴( 蝴却) ( 2 p 1 2 + e 1 1 ) ( 2 - 6 ) 所以，有： 训如= 字 吻阻小卜 由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。 2 4f b g 传感器应变和温度的区分测量 由于光纤布拉格光栅的中心波长同时受到温度和应变的影响，因此，光纤光栅传感系 统使用中需要克服的一个关键技术就是应变和温度的分辨问题，在很多场合下，温度的存 在会影响应变传感的精度，这种交叉敏感问题是目前光纤光栅应用研究的一个热点。比较 成熟的方法是采用同种温度环境下的光纤光栅温度补偿传感器进行补偿。同样，还有很多 需要温度和应变同时测量的情况，所以传感具体参量的时候必须通过相应的方法把这两个 效应区分开。目前已经提出了许多方案来实现温度和应变的同时检测i s r - 铂l ，下面列举几种 f 较好的方案： 2 4 1 参考光纤光栅法 将一个不受应力作用的光纤光栅放置在与应变传感光栅同样的温度环境中，来实现温 度或应变的参考，从而准确实现对另一个物理量的测量。由于温度变化使得参考光栅的波 长移动量与传感光栅波长移动量大小相等，符号相同；传感光栅受到温度和应力的双重作 用，而参考光栅不受应力的作用，所以将两只光纤光栅返回的布拉格波长改变量作减法处 理，就可以很容易的消除温度变化对应变测量的影响，即可得到纯应力作用引起的波长偏 移。这种方法的优点是结构简单，花费低廉。如果测量的精度要求很高，则需要选择两个 1 5 东南大学硕士学位论文 结构和参数绝对相同的光纤光栅。 图2 5 基于参考光纤光栅法的应力和温度的分离测量 2 4 2 双波长叠栅法 双波长叠栅法是在光纤的相同位置重叠写入两个具有不同中心波长的f b g l 5 7 l ，当外界 环境有扰动时，从这两个重叠的f b g 可以得到两组不同的波长移动值。假设布拉格波长的 移动量与应力和温度的改变量的关系是线性的，且应力和温度对布拉格波长移动量的影响 是相互独立的，那么布拉格波长移动量厶、应变量占和温度变化量a t 由下式给出： a 砧= r a e + 吼丁 ( 2 1 8 ) 式中，k 、孵分别是f b g 的应力和温度灵敏度系数。这样，应力和温度值可同时由下面 的矩阵给出： = 暖骥爿 式中的1 和2 分别代表两种波长的光纤光栅，系数矩阵中的元素可以通过实验得到。 制作双波长叠加的工艺目前已经十分成熟，只是要分别用到两种波长的光源和解调系统， 使得成本有所增加限制了使用。 图2 6 使用双波长叠栅法实现应变与温度的同时测量 2 4 3 光纤布拉格光栅与长周期光栅相结合的方法 长周期光纤光栅( l p g ) 的波长对应变和温度的响应系数相比f b g 有很大的不同，如 果能够精确确定l p g 和f b g 的布拉格波长的改变量分别和温度、应力的关系，就能够实 1 6 第二章光纤布拉格光栅的传感原理和关键技术 现温度和应变的同时测量1 5 甜。其中一种方案如图2 7 所示。传感器中使用了两只f b g 和一 只l p g ，l p g 具有远大于f b g 的温度敏感度和很小于f b g 的应变敏感度，因而比较容易 实现应力和温度的精确测量，该法与双波长叠栅法不同，不需要两个独立的光源和探测系 统。 k j 1 图2 7 基于f b g - - l p g 的应变和温度同时测量系统 2 4 4 不同包层直径光栅对法 j a m e s 在1 9 9 6 年研