（机械电子工程专业论文）光纤布拉格光栅金属化保护及温度传感特性.pdf

ab s t r a c t abs tract e m b e d d i n g s e n s o r s i n t o m a t e r i a l s a n d s t r u c t u r e s h a s b e e n a t o p i c i n t h e l a s t t w o d e c a d e s . f i b e r b r a g g g r a t i n g ( f b g ) s e n s o r s b e c o m e t h e fi r s t c h o i c e o f t h e s e s e n s o r s f o r i t s a d v a n t a g e s s u c h a s e m i i m m u n i t y , h i g h s e n s i t i v i t y , r e l a t i v e l y s m a l l s i z e e t c . h o w e v e r , e m b e d d i n g t h e o p t i c a l f i b e r i s c h a l l e n g i n g b e c a u s e t h e fi b e r s n e e d t o b e e m b e d d e d i n a m e t al s t r u c t u r e t h a t h a s a h i g h m e l t i n g t e m p e r a t u re . c l e a r l y , t h e o p t i c a l f i b e r n e e d s p r o t e c t i o n d u r in g t h e h i g h - t e m p e r a t u r e d e p o s i t i o n s t e p . i n p a r t ic u l a r , a p r o t e c t i v e l a y e r m a y b e n e e d e d t o o v e r c o m e t h e t e m p e r a t u r e a n d s t r e s s i n d u c e d b y t h e e m b e d d i n g p r o c e s s . t o g e t a m e t a l l i c c o a t i n g o n f i b e r , w e d e v e l o p e d a s e q u e n c e t h a t i n v o l v e s p r e t r e a t i n g fi b e r , e l e c t r o l e s s n i - p l a t in g f i l m a s a c o n d u c t i v e l a y e r o n t h e fi b e r , e l e c t r o p l a t i n g t h e fi b e r s w i t h a n i l a y e r a s a p r o t e c t i v e i a y e r . t h e t e m p e r a t u r e s e n s i n g p r o p e r ty w a s d i s c u s s e d a ft e r m e t a l i z i n g . t h e e x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e t h a t f i b e r b r a g g g r a t i n g w a s p r o t e c t e d e f f e c t i v e l y . t h e r e s u l t s c a n p r o v i d g u i d a n c e f o r f u r t h e r s t u d y o f f i 玩r s ma r t me t a l s t r u c t u r e . k e y wo r d s : fi b e r b r a g g g r a t i n g ( f b g ) ; f i b e r s m a t s t r u c t u r e ;t e m p e r a t u r e s e n s i n g p r o p e r ty ; e le c t r o l e s s n i - p l a t i n g ; e l e c t r o p l a t i n g 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的 学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的 研究成果。据我所知， 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 南昌大学 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谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 ( 手 写 ) : rx 哈发 签 字 日 期 : o too 7 年 月 ， ， 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解渔鱼左. 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文的 规 定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 鱼鱼a 兰可以 将 学 位 论 文的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行检索， 可以 采 用影印、 缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 日 夕jj口 口口 月 呀科 学 位 论 文 作 者 签 “ 手 “ ，: 字 路 发 签 字 日 期 : . z 7 年月1 1 日 导师签名 ( 手写) : 签 字 日 期 : . 4 4 夕 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话 邮编 第一章引言 第一章引言 . 1概述 现代航空、 航天及其他工业的迅速发展， 对材料和结构提出 了越来越高的 要求。除了传统的 对材料强度的基本要求外，同时还希望 材料具有自 我“ 检测” 的功能，以 获得材料及结构的整体性、环境条件等信息， 确定系统的运行情况 可靠性乃至剩余寿 命。 有的 还提出构 件应具 有“ 自 我控制” ( 如结构 震动及噪声的 抑制)以提高系统的安全性，降低某些构件对环境的噪声污染。随着各领域对 材料和结构所提出的各种高性能的要求，智能材料与结构的概念也相应地产生 t. 在材料和结构的制造过程中，将传感元件和驱动元件埋入其中，传感元件 可对结构的状态参数，如温度、应力、应变、损伤程度等进行实时测量，驱动 元件根据需要对结 构的状态作必要的 调整，由此可以保证结构安全并始终工作 在最佳状态。 这种结构具有一定的“ 智能” ， 称为智能结构 ( s ma rt s t r u c t u r e s ) 。目 前智能结构的传感元 件主要集中 于应用传感技术对结构的 一些状态参数进行测 量。由于结构尺寸大小不一 ( 几米到几公里) ，材料构成 ( 如金属、纤维加强复 合材料、 钢筋混泥土 等)及应用场合 ( 如航空航天、土木建筑、 潜艇、汽车等 工业)也不同，因 此需要的传感器种 类性能也各异。对传感器的要求除了 高精 度、低成本等常规要求外， 智能结构对传感器提出了 许多 特殊要求，主要是: 微型化，以 保证传感器的埋入不会影响材料的 性能 ( 或者影响很 小) ; 高 可 靠， 以确保智能 材料在整个“ 服役期 ” 能正常有效 地运行; 网 络化， 以实现多 路 复用或空间分 布式测量，使传感系统可获取较大空间范围内的 传感信息。 光纤传感器具有体积小、 损耗低、灵敏度高、 抗电磁 干扰、电绝缘性好等 优点，可同时作为传感元件和传输媒介， 并实现多 点或分布式传感，因 而是 最 适用于智能结 构的 传感器 1 第一章引言 1 .2国内外研究动态 1 . 2 . 1智能结构 智能结构 最初受到关注是 在7 0 年代末期， 美国 将光导纤维埋置在复 合材料 内部，使结构功能产生了显著改善，自此，智能结构技术得到广泛承认，发达 国家纷纷进行研究开发。近年来， 它更是 受到高度重视。 特别是美国 ，军方和 一些政府机构直接参与了开发工作。1 9 9 5年，白宫科技政策办公室和国家关键 技术 评审 组将智能材料与结构技术列 入“ 国 家关 键技 术报告” 中。1 9 9 7年， 智能 结构被列为“ 基础研究计划” 的六项战略研究任务之一。 美国各军种、 弹道导弹防 御 局 ( b m d o )和 美国 航 空 航 天 局 (n a s a ) 以 及 波 音 、 麦道 、 t r w和联 合 机 身 等 大 公司 都分别制定了研究与发 展计划， 如 弹道导弹防御局的 “ 自 适 应结 构计划” ， 陆 军研究局的 “ 智能材料与结构计划” ，空、海军共同实施的 “ 智能金属结构计划， 空 军航天实验室的 “ 智能结构蒙皮计 划” 3 .4 1 表1 . 1 目 前欧 美一些著名 研究 机构和公司 存智能材料结构 方而的 研穷情1 57 . 5 ,6 1 研究机构 研究计划和项日 美国空军航空电子实验室智能蒙皮技术研究，系统定义、嵌入、飞机蒙皮内嵌入光纤传感 器、光纤相控阵天线 美国空军宇航实验室动态传感和太空结构控制的理置传感器、传动装置和微处理机 美国空军推进实验室发动机部件和材料中使用的埋置光纤、温度和应变传感器 美国海军 航空 发展中 心 智能结 构纤维光学 传感器 ( x 一 y轴纤 维光学传感器、 锥形纤维 光学传感器) 美国n a s a研究中心 纤维光学数据总线、纤维光学分布传感器等 美波音公司 光纤吉 其传感器的 埋置技术和光 纤互连技术 美原麦道飞机公司飞机损伤光纤传感器，疲劳光纤传感器，热塑料符合材料 美康宁玻璃公司高温光纤、光纤理置、传感光纤包层/ 涂层 美弗吉尼亚技术学院复合材料内的光纤埋置和光纤传感器 美斯坦福大学传感网络复用技术 法国电子物理应用研究所在玻璃和环氧复合材料中埋置光纤传感器 加拿大多 伦多 大学复合材料和光纤传感器，飞机机翼损伤评估系统 英国沃明斯特海军航空研 究中心 复 合材料损伤检测的光纤应变传感器，并 进行碰撞和裂缝检测 欧洲智能结 构的 研究以 德、 英、法、意为主。1 9 8 9 - 1 9 9 1 年，英、 法、 意 第一章引言 三国 的今 家公司在欧 共体的 支持下完成了 欧洲在此领域的第一 个合作 研究计划 “ 复合材料光学传感计划” ， 对植入光纤在复合材料中测量应变、 温度与固化监控 进行了实验验证。 9 0 年代初英国成立了欧洲这一领域的首家专门研究机构“ 斯特 拉斯立德大学智能材料与结构研究所” 。德国宇航研究院是欧洲从事这一研究的 主要 机构，目 前德国正在研究将植入光纤的自 诊断智能结构用于可重复使用运 载器的损伤探测和评估，以及用于“ 未来欧洲航天运输系统计划” 。 意大利则对飞 机发 动机进行主动振动控制和降 低噪声制定了专门研究计划。目 前欧洲对飞 机 的健康监测、直升机主动减振、空间结构的自适应形状控制和阻尼减振、汽车 的自 适应消声和减振 等方面都 开展了 研究 7 , 8 1 日 本自1 9 8 4 年即 着手空间 应用的智能结构研究，日 本航空宇宙研究 所、东 京工业大学以及一些大公司都参与了这项工作。主要研究内容包括采用智能结 构实 现主动振动控制、自 适应静态形状的精确控制、自 适应可变形析架等9 1 我国 在智能结构 及其系统的 研究方面尚处 于起步 阶段1 0 ,1 1 。 国家自 然科学基 金委员会与航空部已设立了多个智能结构的科研项目，一些高等院校与研究所 己开展 了这方面的研究工作，例如对机舱内噪声控制的研究、机器人柔性臂的 振动控制、铁路长轨伸缩量的控制等。在组成智能结构的一些重要材料和器件 方面的研究工作已有一定的基础，在智能传感器和某些领域的智能系统设计方 面也已 有良 好的 工作基础，并 有可能取得较大的突 破。 从目 前研究的结果来看， 其研究大部分集中在各种不同的智能材料特性的探索上，并研制出了多种具有 不同特点的智能材料，但对智能材料与结构的应用的研究还相对较少. 另外一方面看，我国在智能结构研究方面多集中于智能复合材料的研究。 而美国则已 经在进行 “ 智能 金属结构计划” 的 研究， 美国 斯坦福大学已 在激光粉末 熔化快速成形过程中 埋入光纤传感器制成金属智能结构材 料【 1 2 。很显然， 智能 金属结构的应用面和性能都是非常广泛的。一旦金属智能 材料技术成熟，必将 极大改变现有的制造方式。 1 . 2 . 2光纤传感器主要应用领域 自1 9 7 8 年， 加拿大 通信研究中心的k . 0 . h i l l 等人首 先报道了 掺锗光纤具有 的 紫外光敏性 ( 光纤纤芯的折射率 在紫外线的照射光强会随照射光强发生永久性 改 变 的 特性 ) ， 并 采 用 驻 波 干 涉 法 制 成了 世界 上 第一 个 光 纤 光 栅 13 。 但由 于 这 种 方 法写入效率 低， 折射率调制深 度小，并且光 栅的栅 距由 刻写激光的波长决定， 第一章引言 栅距不能改 变， 不能制作出 任意周期的光纤 光栅，因此 使光纤光 栅在相当一 段 时间内 得不到重 视， 相关技术发展缓慢. 直到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 等人用2 4 4 n m紫 外光双光束全息 曝光法成功地制造出 光 纤 光 栅 p 4 ， 克 服 了 驻 波干 涉 法的 缺 点， 可 以 制作 出 任 意 光 栅周 期 的 光 纤 光 栅， 从 而 在 世 界 范 围 内 掀 起 了 光纤 光 栅研 究 的 高 潮 。目 前 ， 光 纤b r a g g 光 栅 ( f b g ) 被认为是最具发展前途、最具代表性的光纤无源器件之一 随着通信领域里光纤光栅技术的 研究发展， 光纤布拉格光栅的 传感应用也 越来越为人们所关注。 卜在航 空 航 天 业的 应 用 5,6 ) 航空航天业是一个使用传感器密集的地方， 一架飞行器为了 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，所需要使用的传 感器超过 1 0 0个， 因此传感器的尺寸和重量变得非常重 要。 光纤光栅传感器只 有1 根光纤， 敏感元 件( 光栅) 制作在纤芯中， 从尺寸小和重量 轻的 优点 来讲， 几 乎 没有其 他传感器可以与 之相比。使 用先 进的复合材料来制 造航空 航天结 构( 如 机 翼部件) 是一 个必然的 趋势。与金属 材料相比 ， 先进的 复合材料更能抗疲劳、 重量更轻、 强度一重量比更好、能够制作复杂的形状、而且抗腐蚀， 尤其是很容 易在复合材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，实现飞行器运行过程中 机载传感系统的实时健康和性能监视，这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。 美国国 家航空和宇航 局在航天飞机 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 机进行实时健康监测。 2 、在民 用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。基础结构的状态， 力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧 道、高 层建筑和运动场馆的 维护是 至关重 要的， 通过测量 建筑物的分 布应变， 可以 预知局部 荷载的 状态。 光纤光栅 传感器 既可以 贴在现存 结构的 表面， 也可以 在浇筑时埋入结构中对结 构进 行实时 测量， 监视结构缺陷的形 成和生长。另外， 多个光纤光栅传感器可以串 接成一 个网 络 对结构进 行分布式检测， 传感信号可以 传输很长 距离 送到中心 监控室 进行遥测. 因 此在民 用工程中， 光纤光栅传感器成为 结构 监测的 最重要手段。 目 前 ， 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 2年， 在 澳 大 利亚 的n ce st s c h 桥中 首 次 应 用了 以 光 纤 为 基 础的 监 控 系 统 151 。 国 内 的 冷 饭 盒 大桥在施工时成 功布置了1 0 0 多个光纤b r a g g 光栅应变传感 器和2 0 多 个温度 第一章引言 传感器，布设的传感器用于监测了施工过程的钢筋应变，为桥梁结构的健康诊 断提供可 靠的依据 1 6 1 . 香港的 青马大桥上放置了4 0 个布拉格光纤光栅传感 器对 其进 行 监 测 1; 1 3 、石油化学工业中的应用 石化工业属于易 燃易 爆的 领域， 电 类传感仪器用于诸如油气罐p a l 、 油气 井、 油气管等地方的测 量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因 其本 质安全 性非常 适合在石油化工领域里应用。 永久连续的井下传感有利于油田的管理、优化和发展，目前只有少数的油 井使用了 永久连续 井下油田监控系统，而且主要是电 类传感器，高 温操 作和长 期稳定性的要求限制了电类传感器的使用.光纤光栅传感器因其抗电磁干扰、 耐高 温、 长期稳定并 且抗高 辐射非常适合用于井 下传感。 挪威n o r s k h y d r o a s a 公司于2 0 0 2年 s 月第一次在单井中安装了工业用多光纤压力温度计， 与此同时 还安装了一条分布式 温度传感( d t s ) 光纤和一个地面操纵的智能完井流量控制 仪。 该系统安装于 北海挪威海域o s e b e r g o s t ( 东) 油田e - 1 1 c 井。 作业公司表明必 须全面掌握油 层的 压力状态。 为实现油田 注水方案的最优化管理， 必须在准确掌 握油藏长期压力状态的基础上进行油井作业。该智能井系统由多个光纤温度和 压力计 及一条分布式 温度传 感光纤构成。 所 有的 光纤传感器都由w e a t h e r f o r d公 司制造， 这些传感器与we l l d y n a m i c s 公司制造的地面操纵的智能完 井流量控制 仪配套使用。 该系统安装后， 井下传感器组已 经为日 常生 产管理提供了大量数 据， 而且 使油田 寿命期内的战略油 藏管理成为可能。 e - 1 1 c井中的 温度和压力计 连续不断地提供两个产层的温度和压力数据， 分布式温度 传感光纤则测量整个 井筒的温度， 用一条光缆把数 据传送到 地面p 9 1 4 、电力 工业中的应用12 0 1 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，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， 如高压开关的在线监测，高压变 压器绕组、 发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时 测量， 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。 有一些电力设 备经常位于难以 到达的地方， 如荒山 野岭、 沙漠荒原中的传输电 缆和中继变电 站， 使用分布式光纤光栅传感系统的遥测能 力可以 极大地减少设备维护费 用。因 此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前 景很好。 第一章引言 5 、高速铁路运行追踪 未来列车的时速越来越高，高速铁路的安全运行也显得愈加重要。 光纤传 感系统由于结构简单，不受电 磁干扰 等特性，非常适合于高速列车实时监控， 如列车位置、列车长度、车速以及列车运行加速度等参数检测，以保证列车运 行 的 安 全 和 运 输 效 率 2 q 6 、 医 学中 的 应 用 2 21 3 1 传感 器的小 尺寸在医学 应用中 是非常有意义的，光纤光栅传感器是现今能 够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组 织功能进 行内部 测量， 提供有关温度、 压力 和声波场的精确局部信息。光纤光 栅 传感器对人体组 织的 损害非常之小， 足以 避免对正 常医疗过 程的 干扰。 在许多医学 应用中 ， 传统的热电藕和 热敏电 阻温度计是不 适用的。 使用高频 电流、微波和激光进行热疗法代替外科手术越来越受到医学界的关注，增大诊 断超声系统的超声波输出并且拓宽高密度超声波的医疗应用也是一种趋势。在 这些医 疗实践中， 强的电 磁场或超声 波压力 场会在人体组织局部产生每厘米十 几 度的 温度梯度， 精确的测出 温 度分布 是非常必要的 。 7 、 核 1 业中 的 应 用 124 1 核工业是个高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁，贝尔格利核 电站泄漏的影响至今还没有消除，因此对于核电站的安全检测是非常重要的。 由 于核装置的老 化， 需要更多的 维护和修理， 最终必须被拆除， 所有这些都不能 在设计时 预见， 因此需要更多的传感器以 便遥控设 备，处理不确定情况。同时 核废料的 管理也变得越来越重要， 需要有监测网络 来监视核废料 站的状况，对 监视网络长期稳定的要求也是前所未有的。 1 . 2 . 3光纤光枷传感器增敏保护 光纤温度传感器在现代工业生产中有重要的 应用价值， 但光纤光栅 对温度 的 敏 感 度 较 低， 波 长1 5 5 0 m n 裸 光 纤 光 栅的 温 度 敏 感 性 约 为1 0 .8 p m / 0c 。 因 此 需 要设法改善光 纤光栅的 温敏性， 提高 温度传感器的灵敏度， 满足实际需要。 国外， 主要采用衬底法将光纤光栅粘接在基底材料上， 利用 基底的带动作 用 来 提 高 温 敏 性. 1 9 9 5 年in o u e a 等 首 先 将 光 纤 光 栅 粘 接 在 铝 片 上 2 5 1 光 纤 光 栅 的 温度敏感性 约为裸光纤光栅的3 倍， 1 9 %年g u p t a 选用了p m m a作为基 底材 料进行温 敏实 验 2 6 1 ， 但增敏效 果不显著。2 0 0 1 年，日 本学者t o r u m1 7 n n a m i 等 第一章引言 人选用t e fl o n 材料作 为基底， 从。 至3 0 0 k的温度范围内对 光纤光栅进行温敏实 验， 取得了 较好的 效果， 在7 7 k时， 温度敏感性为相应温 度铝基片的2 倍， p m m a 的1 .5 倍， 增 敏 效 果 较 好 2 1 国内最早出现光纤光栅温敏式封装概念是在 1 9 9 7 年，中国科学院西安光学 精密机械研究所陈少武等提出的，但仅仅是对光纤光栅热敏力敏效应进行了 理 论的研究和谈讨，提出在用于温度传感时，可将光纤光栅和其他材料胶粘或包 封在一起， 这些材料热膨 胀系数较大， 于是光纤光栅的 温度灵敏度可得到 提高， 并没有从事相关的实 验研究 2 8 1 。 这以 后，国内一些 研究机 构对此进行了 相关的 实验研究，并为了适应不同的应用场合，提出了一些光纤光栅封装方法，例如 1 9 9 9年，南开大学 现代光学研究所进行了 相关的实 验报道， 将光纤光栅封装在 有机 材料中 ，使传感光 纤光栅形成一个悬臂梁调谐结构， 将传感头置于 恒温室， 测量 其温度特性，实验表明 在2 0 至6 0 温度范围内， 光纤光栅的 温度灵 敏度 大 约 提 高 为 裸 光 纤 光 栅的7 .4 倍 29 1. 到2 0 0 1 年 该 所 又 进 行了 相 关的 报导 3 01 ， 将 光纤光栅预埋入混合有机聚合物中进行封装处理，温敏实验结果表明，当温度 变化 在 2 0 至 8 0 常温区， 光纤光栅封装元件温度灵敏度为 1 1 . 3 p m / 0c ， 并且 具有较好的线性温度敏感性，实验装置如图 1 . 1 e 双合物 图】1 聚合物光纤光栅封装元件结构示意图 2 0 0 2年哈尔滨工 业大学复合材料研究所采用一 种不 锈钢管的 封装形 式， 在 光纤上施加一定的 预应力，以使光纤光栅在钢管内 保持平直并位于钢管的中 心 线上。 在钢管内腔中充满环 氧树 脂，以 保证应变能 够有效传递到光纤光栅上， 封装 形 式 如 图1.2 ， 封 装 实 验 研 究 结 果 表 明 ， 光 纤 光 栅 温 度 灵 敏 度 为2 9 .2 p m / 0c . 约为裸光纤光栅的3 倍3 1 1 第一章引言 环级树脂 a不锈钢管 图 1 .2 不锈钢光纤光栅封装元件结构示意图 2 0 0 4年中国 科学院上 海光学精密机械研究 所的 詹亚歌等人将光纤光栅用 环 氧树脂封装在一个刻有细槽的铝板内，封装时， 要保证光纤光栅平直并位于 铝 槽的底面中 轴线上，再 注入环氧树脂固化。 在 1 0 至6 0 范围内 ，温度灵敏 度 系 数比裸光纤 光栅提高了3 . 5 倍3 2 ) 2 0 0 5 年昆明 理工 大学的 李川等研制了 铜 制和铝制恺装f b g温度传感器， 在 2 0 至8 0 范围内 ， 灵敏 度系 数分别为3 4 . 3 p m / 和4 2 . 7 p m / 0c ， 分别是裸光 纤 光 栅的3 倍 和4 倍 3 3 2 0 0 5年东南大 学的 挥斌峰等通过氢氟酸 腐蚀提高光纤 布拉 格光栅的 应变灵 敏度，再把腐蚀后的光纤光栅用环氧树脂将光纤包层的未腐蚀部分和套管粘结， 环氧树脂固化后封装在铝套管中，结合这两种增敏效应，得到了具有更大更灵 活 的 温 度 灵 敏 度 的 光 纤 光 栅 ， 在2 0 至9 0 范围 内 ， 灵 敏 度为5 6 .4 p m / 0c ， 约 为 裸 光 纤 光 栅 的5 .3 倍 【34 1 .3本文研究的目 的和意义 自 从 1 9 8 9 年美国联合 技术中 心g . m e l t z 等人 利用全息干涉法制作光纤光栅 获得成功以来，国内外在光纤制作技术、解调技术等方面开展了大量的工作。 近几年来， 光纤光栅在光纤通信及传感技术领域也有了 持续和快速的发展. 尽 管具有广阔的应用前景，但同时也应注意到，光纤光栅对于温度和应力都是敏 感的，它的中 心波长会随环境 温度和所受压力的变化而漂移。当 光纤光 栅用作 光 通信器件， 对光纤光栅的波长稳定性要求很高，要求波长受温度影响 越小 越 好。光纤光栅的 中心波长 变化， 会严重影响其在激光稳频与波分复用等 方面的 应用， 必须采取去 敏措施进行 温度补偿。 而当光 纤光栅用于温 度传感器领域 3 5 光 纤光栅本身的温敏性 不能 满足温度传感的要求， 又要设法增强光纤光 栅温敏 第一章引言 性， 二者构成一个矛盾的统一体，需要对光纤光栅进行改 性处理。同时，另一 方面，由于光纤光栅是紫外光在去掉涂覆层的单模石英光纤上写入，质地脆， 容易折断， 石英光纤的 化学性质虽然比较稳定， 但其抗酸能力和 抗碱能力都较 差， 在实际应用中， 为了 便于安装和抵抗恶劣的环境，因 此也必须寻找有效的 封装方式，对光纤光栅进行保护。 当前国内对于光纤光栅温敏传感特性的研究，温度范围一般都在 1 0 0 以 下， 而对于 1 0 0 以上的高温光纤光栅传感器的研制很少。 而在光纤光栅上镀金 属保护光纤光栅，国外有李晓 春博士 做过这方面的研究1 1 2 1 ，国内电 子科技大学 的卫云鸽也做过石英光纤表面的 化学镀镍研究 3 6 1 ， 还有武汉理工大学的 李小甫 等人做过 石英光纤表面的 化学镀镍 3 7 ,3 8 1 ， 福州 大学的旷 戈也 做过石 英光 纤的化学 镀镍，再电 镀金的研究 3 9 1 ，而国内 还没有出 现在光 纤光栅表面化学镀金属的 相 关报到。 本课题的任务主要是利用化学镀技术在光纤光栅表面镀上一层具有导电能 力的化学镀镍层，再电镀加厚这层镀镍层，同时研究镀镍后光纤光栅的温度传 感特性，研究光纤光栅埋入水泥砂浆后的传感性能，为把光纤光栅埋入金属结 构做准备，对制造光纤智能金属结构进行前期理论和技术研究。 本课题源于国家重大基础研究 ( 9 7 3 ) 前期研究专项项 目 “ 光纤智能金属结构 熔焊快速制 造技术的 基础 研究 ”( 编号 2 0 0 5 c c a 0 4 3 0 0 ) ，具有重要的 研究和实 用意义 。 1 .4本课题的主要研究内 容 本课题主要 研究内容包括: 一、 分析光纤光栅及各种金属材料特性， 研究 选择何种金属材料对光纤光 栅进行预报护; 二、 研究光纤光栅的金属化工艺， 找到一套比 较完善的工艺， 使金属化保 护层与光纤结合紧密，不会影响传感性能: 三、 研究金属化保护后的光纤光栅进行温度传感性能， 检验 金属化后的光 纤光栅温度传感 特性; 四、 研究金属化光纤光栅埋 入水泥砂浆的 温度传感特性。 第二章 光纤传感及 光纤光栅 2 . 1 . 2光纤传感技术 光纤最早在光学 行业中 用于传光和传像， 在2 0 世纪7 0 年代初生产出 低损 耗光纤后，光纤在 通信技术中用于长距离传递 信息。由 于光纤不仅可以 作为光 波的传输媒质，而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量 ( 振幅、相位、 偏振态、波长等)因外界因素 ( 如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用 而间接或直接地发生变化， 从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量 ( 物 理量、化学量和生物量)，这就是光纤传感器的基本原理。 光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光 的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器， 它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传光型光纤传感器 是指利用其它敏感元件测得的 特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分 利用现有的传感器，便于推广应用。这两类光纤传感器都可再分成光强调制、 相位调制、偏振态调制和波长调制等几种形式。 2 . 2光纤光栅传感原理 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性 ( 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，其作用实质上是 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。 基 于 光 纤 光 栅 传 感 器的 传 感 过 程 是 通 过 外 界 参 量 对b r a g g ( 布 拉 格) 中 心 波 长的调制来获取传感 信息，这是一种波长调制型 光纤传感器。它具有以 下明 显 的优点:抗干扰能力强，一方面是因为 普通的 传输光纤 不会影响传输光波的 频率 特性 ( 忽略光纤中的非线性效应)另一 方面光 纤光栅传感系统从本质上排 除了各种光强起伏引起的干扰。 例如: 光源强 度的 起伏、 光纤微弯效应引 起的 随机 起伏和藕合损耗等都不可能影响 传感信号的波 长特性。因而基于光纤光栅 的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。 传感探头结构简单， 尺寸小 ( 其外 径和光纤本身等同) ，适于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。 测量结 果具有良 好的重复性。便于构成各种形式的光纤传感网络。可用于 对外界 参量的绝对测量 ( 在对光纤光栅进行定标后) 。 光栅的写入工艺已较 成熟， 第二章光纤传感及光纤光栅 2 .3 .1各向 同 性介质中 虎 克定理的 一 般形 式 虎克定理的一般形式可由下式表示: “ = 吼e j ( i , j = 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ) 式中 a , 为 应 力 张 量 ; c , 为 弹 性 模 量 : o f 为 应 变 张 量。 对 于 各 向 同 性 介 质 ， 由 于 材 料 的 对 称 性， 可 对c v 进 行 简 化， 数兄 和尸 来表示弹性 模量， 得到: ( 2.3) 并引入 l a me 常 又 + 2 产 几 又 0 0 0 兄 兄+ 2 产 兄 0 0 0 又 又 兄 十 2 产 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( 2 . 4) 凡几凡凡凡凡 ree11月.卫es . ，.月.lee.we.welj nnoniiu n.尸0 产00 al几几气叽气 其中la m e 常数a . p 可由 材料弹 性模量e 及泊松比v 表示为 刀 =ve(1 + v)(1- 2v)e z ( i +p1 j ( 2 . 5) 此式即为均匀介质中虎克定理的一般形式。由于光纤为柱型结构，通常采 用 柱坐标下应力 应变的 表示方式， 即将上 式中 的下标改为 ( r . ( o , z ) 的 组合来 表示纵向、横向 及剪切应变。 2 . 3 . 2均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型 均匀轴向 应力 是指对光纤光栅进行纵向 拉伸或压缩， 此时 各向 应力可表示 为 a s = - p ( p 为 外 加 压强 ) ，a= a oo = 。 且 不 存 在 切向 应 力， 根据 式 ( 2 .4 ) 可 求 得各方向应变为 p v - e p v - e 尸 e ( 2 . 6 ) 心扬几 第二 章 光纤传感及光纤光栅 式中 e及u 分别为石英光纤的弹性模量 及泊 松比二 现已 求得在均匀轴向 应力作 用下各方向的应变值，下面以此为基础进一步求解光纤光栅的应力灵敏度系数。 将式( 2 . 2 ) 展开 得 、 。 一 2 a ( 擎、 + 擎动十 2 婴 al ?i,r l d l o a少d l ( 2 . 7 ) 式中a l 代表光纤的纵向伸缩量;aa 表示纵向拉伸引 起的光纤直径变化; a q ,ff / a l 表 示 弹 光 效 应;a 为 / a a 表 示 波 导 效 应 . 下面首先推算由弹光效应引起的布拉格中心波长偏移。己知相对介电抗渗 张 量几与 介电 常 数s ， 有 如 下 关 系: “ 二 _1 = 1sy 2ny ( 2 . s) 式中n , 为 某一方向 上光纤的折 射率。 对于 熔融 石英 光纤，由 于其各向同 性， 可 认为各方向 折射率相同， 在此仅研究光纤 光栅反 射模的 有效折射率n ,ff ， 故可将 上式变形为 a (q ,)一 。 粤 ) = - l 77 eff) 2 q f 17 ( 2 . 9) 由 于 o eff = a n ,ff / a l ， 式 ( 2 .7 ) 中 略 去 波 导 效 应 ， 其余 项 可 变 形为 aa. = 2a!一 n2 a (朴2q s=l l ( 2. 1 0) 式中s = = a l / l 为纵向 伸缩应变。由 于式 ( 2 . 9 )的 存在，我们可以 得到 更为简 单的a a g 的 表达式。 实际上， 在有外界应力 存在的 情况下相对介电 抗渗张量几应 为 应 力“ 的 函 数 ， 对 几进 行 泰 勒 展 开 并 略 去 高 阶 项， 利 用 式 ( 2 .9 ) ， 同 时 引 入 材料的 弹光系数p得到 a( z(nom 一 pu p2 )s + pus= ( 2 . 1 1 ) 式 中 利 用了 光 纤 的 轴 对 称 性= s v ， 将 此 式 代 入 式 ( 2 .1 0 ) 得 到 弹 光 效 应导 致 第二章光纤传感及光纤光栅 的相对波长漂移为 _aa,ag = 一 警 (p 1 + p2，一 p,2二“ 二 ( 2 . 1 2) 式中利用了均匀光纤在均匀拉伸下满足的条件: 得到 0 a l a 8 l = 1 将式 ( 2 .6 )代入上式 aa,as =i 一 2212 ip2一(:。+ p,2 )vicq =(1一 ，6u = “一 ( 2 . 1 3) 式中口 为光纤的泊松比 ， ， 一 2122 ip 2 一 (: :+ p 2)vj ( 2 . 1 4) 为有效弹光系数:而 : = 卜 ， 。 = 卜 粤 lp z 一 (p 1 + p 2)u ( 2 . 1 5 ) 为光纤光栅由弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数。利用纯熔融石英 的 参数 ， p= 0 . 1 2 1 . p ,2 = 0 .2 7 0 ， u = 0 . 1 7 . n , = 1 .4 5 6 , 可 得 光 纤 光 栅 相 对 波长 漂 移 应 变灵 敏 度 系 数s e x.7 8 4 。 如 果 取 波长 为1 .5 5 1zm ， 光 纤 光 栅 弹 光 效 应 单 位 轴 向 应变引 起的波长漂移为1 .2 2 p m / g e 。 下面讨论由于光纤芯径变化引起的波导效应而产生的布拉格波长漂移现 象。 对 于 单 模 光 纤， 其 传 播常 数q . 与 光 纤 芯 径 密 切 相 关 ， 从 而 使 得 有 效 折 射 率17 ,ff 也 随 纤 芯 的 改 变 而 改 变 。 引 入 光 纤 归 一 化 频 率 v 一 a 2 ( n 万 - n 萝 ) 以 及 横 向 传 播 常 数 u 一 a 办 石 1不 一可， 可 将 有 效 折 射 率 。 8 表 示 为 172eff = 、 一z(uv j (n2一 2)nz ( 2 . 1 6) 式中u. v满足如下光纤本征方程 u j . _, (u ) 一 w k 。 一 (w ) 一 卉 ( u )， ， k m ( w ) ， l u + w =叮n , a 2 a= v 在弱导单 模光纤中， 基模模场可近似为g a u s s 分布， 采用g a u s s 场近似对本 征方程进行 化简， 对于 单模光纤的基模h e , 。 模， 可得u, v 满足如下关系: 第二章光纤传感及光纤光栅 ( 1 + 万 ) v u = 1 + ( 4 + v 0 ) 将 此 式 代 入 式( 2 .1 6 ) ， 就可 得到 n eff 与 归 一 化 频 率 v 之间 的 直 接 关 系。 由 于 v仅有光纤参数决定，可以通过对光纤纤芯半径a 直接求导得到: k ,= ( %) ， = a n y 劫 a s ( 1 + f2) v ( 4 + v ) - i0 ( n , 一 。 2 )2 ( 2 . 1 7) 1+(4一 】:一石 1+ f2砰 ,2 (21+(4+v4)ya n1一 ， 所以，由波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移可表示为 r a a , 、_ e o a 27eff _ k n_ _k g _ .i-. ii二 = “ 七 = 一 uv l o . . i l a s 夕 ， 、 a s n ff n eff ( 2 . 1 8) 利用单模光纤的条件，可得出波导效应光纤光栅纵向应变灵敏度系数与光 纤芯径及数值孔径关系，如图2 .3 23 光纤芯径/1a m 图2 .3 光纤光栅波导效应引起的纵向应变灵敏度系数 与光纤芯径及数值孔径的关系 可以看出，波导效应对光纤光栅纵向应变灵敏度影响较小，但其作用与弹 第二章 光 纤传感及光纤 光栅 光效应相反，属于妨 碍光纤 光栅用于光纤传感领域的一个因素.从图中 还可以 看出，随着光纤芯 径及数值孔径的增加 ( 保持在单模状态) ，波导效应逐渐增 大，欲得到高灵敏 度的光 纤光栅传 感器， 最好采用低数 值孔径、小芯径光纤。 换句话说，低的掺锗量 将有利于提高传感器灵敏度， 因此在应用光纤光栅进行 高 精度传感研究时，需 控制制作光纤光栅的掺杂光 纤的 掺锗含量。 基于以上 分析， 光纤光栅的轴向应变灵敏度系数仅取决于材料本身和反向 祸合模的 有效 折射率。 对于 单模光纤，由 于仅有基模存 在，当光纤材料选定 后 ( 具有固定的 掺杂量) 其灵 敏度系数 将为一定值，这就 从根本上保证了 光纤光 栅作为 轴向 应变传感 器时具 有良 好的线性输出 特性，同时，对于少模光纤， 根 据前 述祸合波 理论， 可能同时 存在多个模式满足相位匹配条件，它们具有不同 的 传 播 常 数q , 和 有 效 折 射 率77 ff ， 所以 同 一 光 栅 可 能 同 时 出 现两 个 或多 个具 有 不 同应变灵敏度的布拉格波长。这在传感补偿技术及多参量传感方面有着十分广 阔的用途，是其他传感技术所无法匹敌的。 2 .4光纤光栅温度传感模型分析4 2,43 2 .4 .1光 纤光栅 温度 传感 模型分 析的前 提假 设 与外加应力 相似， 外界温度的改 变同样也会引 起光 纤光栅布拉格波长的 漂 移。 从物理本质看，引 起波长漂移的原因主要有 3个方面:光纤热膨 胀效应、 光纤热光效应以及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能得到光纤光栅温度 传感器更详细的数学 模型，在此有必 要对所研究的 光纤光栅 作以下 假设: ( 1 )仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及被测物体由于热效应而 引发的其他物理过 程。 很显然， 热效 应与 材料本身密切相 关， 不同的 外包层 ( 如 弹性塑 料包层、 金属 包层等)、不同的被测物体经历同 样的温 度变化将对光栅 产生极为 不同的影响， 所以 在此分离出光纤光栅自 身进 行研究，而将涉及到涂 敷材料及被测物体的问题留到以后进行讨论. ( 2 ) 仅考虑光 纤的 线性热膨胀区，并忽略 温度对热膨 胀系 数的 影响。由 于 石英材料的软化点 在 2 7 0 0 左右， 所以 在常温范围 完全 可以 忽略温度对热膨胀 系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。 ( 3 ) 认为热 光效应在我 们所采用的 波长范围 ( 1 .3 - 1 .5 n m ) 在所研究的 温度范 第二章 光纤传感及光纤 光栅 围内 保持一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。这一点已 经有文献给予 实验证实。 ( 4 ) 仅研究温度均匀分布 情况， 忽略光纤光栅不同 位置之间