（通信与信息系统专业论文）智能服装中分布式光纤光栅人体温度检测关键技术研究.pdf

l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ot h ea c a d e m i cd e g r e ec o m m i t t e eo f t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y r e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g i e so fb o d yt e m p e r a t u r ed e t e c t i n g b a s e do nd i s t r i b u t e df i b e rb r a g gg r a t i n gi ns m a r t a p p a r e l i nc a n d i d a c yf o r t h em a s t e r sd e g r e ei n 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 b y x u f a n j i e s u p e r v i s o r p r o f m i a oc h a n g y u n s c h o o lo fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ， t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y j a n u a r y , 2 0 1 0 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得丞洼王些太堂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己 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：铄钳姨签字r 期：列。年6 月le t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些盔堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：裥婕 签字门期：盈l o 年3 月l 同 翩虢毛墨 签字n 期：伊p 年7 月f f 1 学位论文的主要创新点 一、提出了适用于智能服装的光纤光栅高聚物封装方法，通过配比 高聚物，改进封装工艺，解决了封装后的光纤光栅啁啾化问题，提 高了光纤光栅传感器的温度灵敏度。 二、提出了光纤光栅传感器织入服装的方法，通过大小管相结合的 织造方式，避免了光纤光栅传感器的损伤，保证了光纤光栅传感器 与织物经纬纱运动的协调一致性、光纤光栅传感器测温的线性性以 及人体穿着的舒适度。 三、建立了人体温度参数测量的数学模型，利用a n s y s 有限元分 析方法对该模型进行了仿真分析，建立了智能服装人体温度检测的 加权模型，提高了人体温度测量精度。 摘要 智能服装是电子信息学科、材料学科、纺织学科以及其它相关学科结合与 交叉的产物。它能够监测人体外部环境或内部状态的变化，实现对人体生理指 标的检测，对生理信息进行储存、传递、处理及反馈。体温是人体重要的生理 参数之一。温度智能服装能够实时监测人体温度，是目前国内外的研究热点课 题。 本文针对温度智能服装中分布式光纤光栅人体温度检测的关键问题进行了 研究。分析了光纤光栅的折射率分布特性、耦合模理论及传感原理，提出了一 种温度智能服装中分布式光纤光栅人体温度检测的方法；针对裸光纤光栅温度 灵敏度系数低的问题，分析研究了不同的温度增敏方法，提出了一种新型的高 聚物封装方法，通过配比高聚物，改进封装工艺，解决了封装后的光纤光栅啁 啾化问题，提高了光纤光栅传感器的温度灵敏度。实验结果表明：在3 3 4 2 。c 温 度范围内其温度灵敏度系数为0 0 9 1 6 n m ，约为裸光纤光栅的1 2 5 8 倍，接近 于理论值0 1 0 2 n m 。c ，而且光纤光栅传感器的波长变化与温度变化成良好的线 性关系；提出了光纤光栅传感器织入服装的方法，通过大小管相结合的织造方 式，避免了光纤光栅传感器的损伤，保证了光纤光栅传感器与织物经纬纱运动 的协调一致性、光纤光栅传感器测温的线性性以及人体穿着的舒适度。建立了 人体温度参数测量的数学模型，利用a n s y s 有限元分析方法对该模型进行仿 真分析，建立了智能服装人体温度检测的加权模型，提高了人体温度测量精度。 本文所研究的温度智能服装具有检测精度高、携带方便、成本低、实时监 测等特点，能够早日发现感染性和非感染性疾病，及时救治，避免死亡，在保 证人体健康尤其是老年人和儿章的健康等方面具有重要意义。在医疗、军事、 体育、航空航天等领域具有广泛应用前景。 关键词：智能服装；光纤光栅；增敏封装；a n s y s 建模；温度加权模型 f 。、 鼻 _ ，。 ， a b s t r a c t i n t e l l i g e n t c l o t h e sa r ei n t e r d i s c i p l i n a r y a n d c r o s s p r o d u c t o fe l e c t r o n i c i n f o r m a t i o ns c i e n c e ，m a t e r i a l ss c i e n c e ，t e x t i l e ，a n do t h e rr e l a t e dd i s c i p l i n e s i tc a n m o n i t o rc h a n g e so ft h ee x t e r n a le n v i r o n m e n to ri n t e r n a l s t a t eo ft h eh u m a nb o d y , r e a l i z et h ed e t e c t i o no fp h y s i o l o g i c a li n d i c a t o r sa n ds t o r a g e ，t r a n s m i s s i o n ，p r o c e s s i n g a n df e e d b a c ko fp h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n h u m a nb o d yt e m p e r a t u r e i so n eo f i m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s t e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n tc l o t h i n gc a n b er e a l _ t i m e m o n i t o r i n gh u m a nb o d yt e m p e r a t u r e ，i ti s t h eh o tt o p i co fn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a l r e s e a r c h i nt h i st h e s i s ，t h ek e yi s s u e so ft h ed i s t r i b u t e d f i b e rb r a g gg r a t i n gi n t e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n tc l o t h i n g i nb o d yt e m p e r a t u r ed e t e c t i o nw a ss t u d i e d t h e r e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rb r a g gg r a t i n g ，c o u p l e d - m o d e t h e o r ya n dt h es e n s i n gp r i n c i p l ew a sa n a l y z e d ，ad i s t r i b u t e df i b e rb r a g gg r a t i n g d e t e c t i o nm e t h o do fb o d yt e m p e r a t u r ei nt h et e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n tc l o t h i n gw a s p r o p o s e d ；f o rt h ep r o b l e mo fl o ws e n s i t i v i t yo ft h eb a r ef i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t ，t h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ss e n s i t i z i n gm e t h o dw a sa n a l y z e d ，an e wt y p e o fp o l y m e re n c a p s u l a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e d ，t h r o u g ht h er a t i oo fp o l y m e ra n d t h ei m p r o v e dp a c k a g i n gp r o c e s s ，t h ec h i r po fp a c k a g e df i b e r - o p t i ce dg r a t i n gw a s s o l v e d ，t h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r sw a s i n c r e a s e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f3 3 4 2 t h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y c o e 伍c i e n ti s0 0 9 1 6 n m 。c ，a b o u t1 2 5 8t i m e st h eb a r ef i b e rg r a t i n g ，i nl i n ew i t ht h e t h e o r e t i c a lv a l u eo fo 10 2 n r n 。c ，a n dt h ef i b e rg r a t i n gw a v e l e n g t hs h i f ta l w a y sh a sa g o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pc h a n g e si nt e m p e r a t u r e ；t h em e t h o do f f i b e rb r a g gg r a t i n g s e n s o r sw h i c hw a sw o v e ni n t oc l o t h i n gw a sp r o p o s e d ，t h r o u g h am e t h o do f c o m b i n a t i o no ft h es i z eo fp i p e sw e a v i n g ，t h ed a m a g eo ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s w a sa v o i d e d ，s ot h a tt h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rw a si nt h ec o h e r e n c eo fw a r pa n d w e f tm o v e m e n to ft h ef a b r i cf i b e r , t h el i n e a ro fg r a t i n gt e m p e r a t u r es e n s o ra sw e l la s c o m f o r to ft h eh u m a nb o d yw e a r i n gw a se n s u r e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f ab o d y t e m p e r a t u r ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n tw a se s t a b l i s h e d ，t h em o d e lw a sa n a l y z e da n d e m u l a t e d u s i n g a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，i n t e l l i g e n tc l o t h i n gb o d y t e m p e r a t u r ew e i g h t e d d e t e c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，b o d yt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yw a si n c r e a s e d t h i st h e s i ss t u d i e dt h et e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n tc l o t h i n gw i t hah i g hp r e c i s i o n d e t e c t i o n ，p o r t a b l e ，l o wc o s t ，r e a l - t i m em o n i t o r i n gf e a t u r e s f o rh u m a nh e a l t h ， i n f e c t i o na n dt h eo t h e rd i s e a s e s ，t h et e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n tc l o t h i n gh a st h ea b i l i t yt o d e t e c td i s e a s e ，t r e a ta n dp r e v e n td e a t hi nt i m e f o re n s u r i n gh u m a n h e a l t h ，p a r t i c u l a r l y t h ee l d e r l ya n dc h i l d r e n ，i th a s0 1 1i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h em e d i c a l ，m i l i t a r y , s p o r t s ，a e r o s p a c ea n do t h e rf i e l d si th a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc l o t h i n g ；f i b e rb r a g gg r a t i n g ；s e n s i t i z i n gp a c k a g e ；a n s y s m o d e l i n g ；t e m p e r a t u r ew e i g h t e dm o d e l 目录 第一章绪论1 1 1 智能服装国内外研究现状o 一：1 1 2 课题研究目的及意义3 1 3 课题主要研究内容4 第二章光纤光栅理论模型及传感原理5 2 1 光纤光栅传感的特点及分类5 2 1 1 光纤光栅传感的特点5 2 1 2 光纤光栅的分类5 2 2 光纤光栅的理论模型7 2 2 1 光纤光栅折射率分布特性方程7 2 2 2 光纤光栅耦合模方程1 0 2 3 光纤光栅的传感原理15 2 3 1 光纤光栅温度传感原理1 5 2 3 2 光纤光栅温度一应变交叉敏感问题16 2 4 小结17 第三章智能服装人体温度检测总体设计方案1 9 第四章光纤光栅的高聚物增敏封装2 1 4 1 温度增敏封装原理2 1 4 2 智能服装光纤光栅温度增敏封装方法研究2 2 4 2 1 光纤光栅温度增敏国内外主要方法2 2 4 2 2 光纤光栅毛细钢管封装方法2 4 4 2 3 光纤光栅改进a 1 盒封装方法2 5 4 2 4 光纤光栅铝槽封装方法2 5 4 2 5 光纤光栅高聚物封装方法2 6 4 3 高聚物封装实验及结果分析2 9 4 3 1 实验测试数据3 0 4 3 2 实验结果分析3 4 4 4 小结3 9 第五章人体智能服装温度场的建模4 1 5 1 智能服装温度场的理论模型4 1 5 1 1 热传递原理4 1 5 1 2 服装热传递理论模型4 3 5 2 智能服装温度场建模及分析4 6 5 2 1a n s y s 有限元分析软件4 6 5 2 2 智能服装温度场模型分析流程4 6 5 3a n s y s 仿真模拟实验及结果5 l 5 4 小结5 4 第六章光纤光栅传感器织入服装方法5 5 6 1 光纤光栅传感器织入服装方法5 5 6 1 1 织物结构分析5 5 6 1 2 管状结构设计5 5 6 1 3 织造工艺参数5 6 6 2 光纤光栅传感器织入服装方法实现5 6 6 2 1 大管套小管组织方式5 7 6 2 2 大管组织与平纹组织相结合方式5 7 6 2 3 平纹组织方式5 8 6 3 光纤光栅传感器织入织物效果5 8 6 4 小结5 8 第七章智能服装人体温度检测加权模型6 1 7 1 人体皮肤温度分布6 1 7 2 人体平均皮肤温度的计算方法6 1 7 3 智能服装中人体温度加权建模一6 2 7 4 加权系数确定及结果分析6 3 7 4 1 实验装置及流程6 3 7 4 2 实验结果6 4 7 4 3 结果分析6 7 7 5 小结6 8 第八章结论与改进方向6 9 8 1 结论一6 9 8 2 改进方向6 9 参考文献7 1 发表论文和参加科研情况7 5 致 射7 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能服装国内外研究现状 智能服装是一个新型研究领域，它是电子信息学科、材料学科、纺织学科 以及其它相关学科结合与交叉的产物。智能服装不仅能感j m j l - 部环境或内部状 态的变化，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化做出反应。感知、反馈和 反应是智能服装的三大要素，另外它还具有穿着轻便、实时监测等特点，可以 广泛应用于医疗与卫生、军事与航天、娱乐与通讯、安全与保卫等领域，具有 非常广阔的应用前景。 在国外，智能服装的研究始于二十世纪八十年代初，由于当时电子信息技 术比较落后，智能服装的发展十分缓慢，其体积庞大且功能单一，因此智能服装 的应用受到限制，主要应用在航空航天、军事军工等特殊领域。近些年来，随着 电子信息科学的发展，智能服装已成为国内外的重要研究课题。 1 9 9 9 年，美国佐治亚科技研究公司研究了一种织物【l 】。该织物中可埋入光纤 传感器，用于监视穿衣人的生理信息，如脉搏、呼吸速率、体温等。 2 0 0 1 年，芬兰大学、坦佩雷大学、拉普兰大学等单位成功研制出一种服装【2 j 。 这种衣服装备有特殊的微型计算机和全球定位系统及通信装置，可以不断监视穿 戴者的体温和心脏跳动情况，当人体出现异常情况时可提醒使用者，如果发现使 用者无反应则会提醒急救中心。 2 0 0 2 年，皇家飞利浦电子股份有限公司研究了一种可穿着的服装【3 j 。这种服 装具有弹性材料制成的条带，该条带通过至少一个传感器装置珂绕穿着者身体的 相应部位，用于监视穿衣人的生理信息。 2 0 0 2 年，美国n , t q l 生命衬衫公司研制出一种装有6 个传感器的高科技衬拶4 | 。 它能将使用者的身体状况通过随身携带的微型电脑经互联网随时传送给医生。这 种“生命衬衫”共有6 个织入领口、腋下、胸骨至腹部的传感器，与佩带在腰带上 的微型电脑连接，可测量使用者的心跳、呼吸、心电图及胸、腹腔容积变化等， 如图1 1 所示。 2 0 0 3 年，美国佐治亚理工学院s u n d a r e s a nj a y a r a m a n 教授将光纤光栅传感器植 入衬衣来探测心率的变化，并根掘光纤断裂后光输出信号的变化，来判断士兵受 伤的部位和程度【4 | ，如图1 2 所示。 天津- 【：业大学硕：卜学位论文 图1 1生命衬衫图1 2 可判断受伤部位和科度的智能服装 2 0 0 4 年，俄航天世界报道，根据芬兰坦佩雷理工大学与欧洲航天局签订 的合同，该大学科学家正在进行一项为宇航员研制智能服装的s t a r t i g e r 2 计划【5 】。 现在这种宇航服中安装有心脏工作监控器、呼吸频率和体温传感器。另外，还将 为宇航服增加两种记录心电图和监控心血管系统的仪器，以及确定使用者坐标的 全球定位系统。 2 0 0 6 年，香港理工大学陶肖明提出了一种交互式的织物和智能纺织品【6 】，其 中提到以聚合物光子纤维为基础的传输和传感网络能够感知力、温度、变形等智 能纺织品的应用。 2 0 0 6 年，天津工业大学柴晓飞、郭文成、窦明池设计了一种可用于智能纺织 品中的生理信号采集系统【7 】。它通过聚偏二氟乙烯压电薄膜传感器采集生理信 号，信号经a d u c 8 2 4 芯片数据采集处理后，可将数据传输到计算机罩进行后期分 析处理。 2 0 0 6 年，华中科技大学申请了一种基于微机电系统的智能服装及其制作方法 的专利【8 】。该智能服装的功能是通过将柔性传感器阵列薄膜与纺织品整合的方式 来实现的，在晶圆上采用m e m s 技术分别制作出声电换能器及其电气互联结构。 2 0 0 7 年，天津工业大学窦明池、姜亚明设计了一种心脏脉冲信号采集用智能 织物，应用此织物进行人体穿着测试并绘制心脏跳动数据曲纠9 1 。设计的智能织 物主要包含心脏跳动数据采集系统和纬编针织物结合体两部分。数据采集系统中 采用了新型的p v d f 压电薄膜传感器采集心脏跳动数据。 在上述调研基础上，可以看到目自订国外在智能服装的核心技术方面已取得 一定成果，? 而作为纺织大国的我国对智能服装的研究和开发还处在起步阶段。目 前国内已有智能服装的研究侧重于聚合物光纤结构、分立传感元件或处理电路搭 建的智能织物或智能服装【l m l 8 】，未见将分命式光纤光栅传感器织入服装并进行人 体温度生理参数检测的理论和方法的研究，与国外发达国家相比，还存在着较大 的差距。 第一章绪论 1 2 课题研究目的及意义 我国是纺织大国，2 0 0 8 年我国纺织品服装出 】额高达1 7 5 6 1 6 亿美元，但不 是纺织强国，出口产品的档次及附加值低，目前仍然以量来获得效益。为此，纺 织工业总会在“十一五”科技发展纲要中把智能服装的研究与丌发放在了非常重 要的位置，提出组织跨学科的科研团队联合攻关，从基础研究做起，加大智能服 装的研究力度，加速我国由纺织大国向纺织强国的迈进；指出了智能服装的基本 概念与急需研究的基础科学问题。纲要中指出：“智能纺织品与服装是指对环境 可感知、可响应并具有功能发现能力的新纺织材料与产品，具有舒适、健康、防 护的特异功能，可检查、储存、控制人体信息，并将测试的身体数据或功能传递 到控制中心。主要研究内容包括电子传感元件、柔性丌关、导电纱线、集成电路、 信息处理等关键技术”。 发热是许多疾病的早期症状，此类疾病一般可以分为两大类：类是非感染 性发热，如免疫性疾病、肿瘤和代谢性疾病等，其中肿瘤疾病是人类的第一号杀 手：二类是感染性发热，如最近几年引起全球恐慌的h 5 n 1 高致病性禽流感、s a r s ( 严重的急性呼吸症候群s e v e r ea c u t er e s p i r a t o r ys y n d r o m e ) 以及现在正威胁全 球的甲型h 1 n 1 流感。著名医学专家马悦凌在其专著温度决定生老病死中提 出“温度对我们的生老病死有着至关重要的影响，说它决定生老病死，一点也不 夸张”。因此人体体温测量在疾病早期发现、及时诊断与治疗上具有重要意义。 本课题的目的是以人体温度生理参数智能服装为切入点，对人体温度生理参 数智能服装中的关键问题进行研究，重点研究智能服装中分布式光纤光栅测量人 体温度生理参数的理论和方法，建立人体参数测量的数学模型；研究光纤光栅人 体温度测量方法，提高测量的精度，进行实验研究，搭建实验平台，验汪理论和 方法的证确性。 本课题所研究的智能服装中人体温度检测能够为医护人员提供病人等被测 者的体温连续变化情况，并结合其它生理参数的相关性分析，及时发现感染性和 非感染性疾病，使患者得到及时治疗，对于保证人体健康尤其是语言表达功能不 全的老年人和儿奄的健康等方面具有重要意义和应用价值。 在此课题基础上，可以进一步研究基于生命智能服装的医疗监护急救网络， 如图1 3 所示。它不仅能够记录和输出人体呼吸、血压等更多实时生理信息，用 于心脏病和高血压病人实时监测，还可以通知急救人员及时发现病情，及时治疗， 避免死亡。同时随着人口老龄化的加剧，人们保健意识的增强等社会趋势将使得 单纯的医院诊治模式逐渐转变到医院、社区、家庭1 亏个人相结合的模式，冈此人 体非介入式、无创、连续雌护的穿戴式生物医疗仪器将成为新型医疗模式下的重 要监护诊断设备。另外，智能服装能够监测并记录运动员、上兵、航天! ，j 等的尘 天津t 业人学硕+ 学位论文 理参数，为人体生理及健康状况的研究提供依据。因此，生命智能服装在医疗、 体育、军事、航空航天等领域都具有广泛的应用前景。 1 2 0 急教中心 i jj 隧翻同。爨池 图1 3 基于生命智能服装的医疗监护急救网络结构图 1 3 课题主要研究内容 本文针对智能服装中分布式光纤光栅人体温度检测的关键技术进行了研 究，在理论分析和实验研究的基础上实现了整套智能服装的设计。主要内容如 下： l 、研究光纤光栅的折射率分布特性、耦合模理论及传感原理，提出了一种 温度智能服装中分布式光纤光栅人体温度检测的方法。 2 、研究现有的典型光纤光栅封装方法，分析比对了各自的优缺点，提出了 新型的高聚物封装方法，并进行了理论分析和实验研究，对实验结果进行了分 析和处理。 3 、建立人体温度参数测量的数学模型，利用a n s y s 有限元分析方法对该 模型进行仿真分析，得到了温度测量理论误差值。 4 、提出光纤光栅传感器织入服装的方法，采用大小管相结合的织造方式， 避免了光纤光栅传感器的损伤，保证了光纤光栅传感器与织物经纬纱运动的协 调一致性、光纤光栅传感器测温的线性性以及人体穿着的舒适度。 5 、建立智能服装人体温度检测的加权模型，确定了五个测温点，通过实验 研究确定了各点的加权系数，最终通过误差修正和加权平均提高了人体温度测 量精度。最后进行了课题总结，提出了改进的方向。 第二章光纤光栅理论模型及传感原理 第二章光纤光栅理论模型及传感原理 2 1 光纤光栅传感的特点及分类 2 1 1 光纤光栅传感的特点 光纤光栅是光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件，其 反射或透射峰波长与光栅的折射率调制周期和纤芯折射率有关。外乔温度或应 变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅 的反射或透射峰波长变化。因此，温度和应变是光纤光栅能够直接传感和测量 的两个最基本物理量，也是其它各种物理量测量的基础。 光纤光栅具有如下特点： l 、抗干扰能力强。光波在光纤中传输不会受到其他光波的影响，同时光纤 光栅具有抗电磁干扰、抗腐蚀，能在恶劣的化学环境下工作等抗干扰能力。 2 、传感探头结构简单、尺寸小、重量轻，具有可掩埋性，适于许多应用场 合，尤其是智能结构和智能材料。 3 、测量结果具有良好的线性性和重复性。 4 、复用能力很强，便于构成各种形式的光纤传感网络系统，可进行大面积 的多点测量。 5 、在对光纤光栅参数进行标定后，可用于对外界参量的绝对测量。 6 、可同时测量多个参数。 7 、耐温性好，工作温度上限可达4 0 0 6 0 0 。 8 、传输距离远，传感器到解调端可达几公罩。 9 、光栅的写入工艺比较成熟，易于形成规模生产。 1 0 、潜在的低成本。 2 1 2 光纤光栅的分类 光纤光栅按其空间周期和折射率分布特征可分为以下八类： l 、均匀周期光纤b r a g g 光栅( f b g ) 。其周期和折射率均为常数。其特点是 光波在光纤光栅中发生耦合，符合相应频率的光波会被反射。它在光纤激光器、 光纤传感器、光纤波分复用等领域都有重要的应用价值。 2 、啁啾光纤光栅。其主要特点是光栅的折射率调制幅度不变，而周期沿光 栅轴向变化，应用于w d m 系统的色散补偿、掺饵光纤放人器、光纤激光器的 性能优化以及光纤传感等领域【l 。 天津1 ：业人学硕士学位论文 3 、t a p e r 型光纤光栅。其特点是周期均匀，而折射率随一定的函数关系变化。 t a p e r 型光栅可构成各种滤波器、波长变换器和光插分复用器【2 。高斯分布的 t a p e r 光栅还能抑制光栅反射谱的边瓣，适用于光通信的色散补偿。 4 、摩尔光栅。特点是在原先写入光栅的位置上再写入一个光栅，即在一段 光纤上有两个周期和折射率调制深度都不同的光栅。其光谱特性是在反射带中 开一个很窄的透射窗1 2 1 ，实际上相当于一个相移光栅【2 1 1 。如果在光纤的同一位 置写入多个不同的b r a g g 光栅，则会产生多个反射峰，可以做成梳状滤波器用 于复用解复用系统中，还可用在多波长光纤激光器和多参数测量传感系统中 仁2 1 。这种光栅又被称为重叠型光栅，而摩尔光栅只是重叠型光栅的一种。 5 、超结构光纤光栅。也称取样光栅，其折射率调制不是连续的而是周期性 间断的，相当于在b r a g g 光栅的折射率正弦调制上加一个方波包络函数。是一 种特殊的光栅结构，它既有b r a g g 光栅的反射特性，亦有长周期光栅的包层模 耦合特性1 23 1 。其反射谱具有一组独立的反射峰，不但可用做梳状滤波器，而且 在多波长光纤激光器、可调谐分布式b r a g g 反射( d b r ) 光纤激光器和多通道 色散补偿方面都具有潜在应用。由于方波包络的周期一般为几百个微米，因此， 超结构光纤光栅也可看作是一个长周期光纤光栅【2 4 】，它将引起基层导波模与包 层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。由于包层模耦合引起的共 振峰与b r a g g 反射峰对外界环境参量( 如温度、应变、折射率等) 具有不同的 响应特性，所以超结构光纤光栅是一种理想的多参量传感元件。 6 、相移光纤光栅。通过某种方式破坏光纤光栅折射翠分布的连续性，在特 定的某一点或多点处引入相移，形成所谓的相移光栅。其特点是能够在其b r a g g 反射带中打开透射窗口，使光栅具有更高的波长选择性，在波长解复用器方面 具有潜在应用价值。相移型长周期光纤光栅具有丰富的谱特征，通过选择合适 的相移点位置与相移量，能够使其更加满足掺饵光纤放大器( e d f a ) 增益平坦 的需要【2 5 1 。 7 、闪耀倾斜光纤光栅。其光栅波矢量方向不是与光纤轴线方向相一致的， 而是与其成一固定的角度。闪耀倾斜b r a g g 光栅可以引起反向导波模耦合。闪 耀光栅的包层模耦合形成的宽带损耗特性可用于掺饵光纤放大器的增益平坦， 当光栅法线与光纤轴向倾角较小时，还可作为空间模式耦合器，将一种导波模 耦合至另_ 种导波模中1 2 6 】。 8 、长周期光纤光栅( l p g ) 。其周期远远大于一般的光纤光栅，可以达到 几百微米( f b g 的周期一般小于1 l a m ) ，是基于单模光纤中的前向传输基模与 包层模之问耦合的周期性光纤光栅。在光纤通信领域具有广泛片j 途，可用于 e d f a 增益潜平坦化、光纤模式变换器、偏振模式变换器，也可做为带阻滤波 第：二章光纤光栅理论模型及传感原理 器应用于光分插复用器或光交叉互联单元等波长路由器件中【27 1 。l p g 还有一个 重要应用是作为应力或温度传感器，可以同时进行多轴应力和温度测量，也可 以将级联的l p g 作为传感器阵列进行多参数的分布式测量。 各种类型的光纤光栅都有其各自的特点和主要用途，而在传感领域中用得 最多的是光纤b r a g g 光栅( f b g ) 。下文所讲的光纤光栅就是指光纤b r a g g 光栅。 2 。2 光纤光栅的理论模型 光纤光栅的理论模型包括光纤光栅折射率分布特性和耦合模方程。 2 2 1 光纤光栅折射率分布特性方程 光纤是一种介质光波导，在光纤中传播的光波遵守m a x w e l l 方程组 v x h ：占o e 8 t v 啦一心署 ( 2 - 1 ) v h = 0 v e = 0 式中e 和h 为光波场的电矢量和磁矢量，占为介电常数，1 t 。为真空的磁导 率。 在光纤中传输的光波场是随时间呈简谐变化的稳态交变场，可通过傅罩叶变 换成不同频率时谐场的叠加。在时谐场中，电磁场的场量具有如下形式 e ( 州) = e ( r ) e i a g ( 2 - 2 ) lh ( r ，f ) = h ( r ) e 1 鲥 式中，0 3 为光波的角频率。将式( 2 2 ) 带入各向同性介质中的m a x w e l l 方 程( 2 。1 ) 中，并略去时间因子，可得时谐状态下的复数m a x w e l l 方程 vx h ( r ) = - i c 0 6 0 n 2 e ( 厂) v ( ，) = f 掣o h ( r ) ( 2 - 3 ) v h ( r ) = 0 v e ( r ) = 0 式( 2 3 ) 又称频域m a x w e l l 方程，式中g o 为真空中的介电常数，n 为媒质 的十h 对折射率，可表示为 瓜 ，z - - ； , c o 在光学场中，式( 2 3 ) 常被用作研究电磁波的传播特性。 ( 2 4 ) 应用式( 2 - 3 ) 天津工业人学硕+ 学位论文 可导出复数形式的电矢量频域波动( 矢量h e l m h o l t z ) 方程 v 2 e + 缈2 o g n 2 e + 岛v ( e v l g n 2 ) = 0 ( 2 - 5 ) 将光纤放置于紫外光形成的空间干涉条纹中曝光，利用光敏光纤的光致折 射率变化在纤芯内形成空间相位光栅，制作出的光纤光栅的导波原理是纤芯光 致折射率的变化造成了光纤波导条件的变化，从而使具有一定波长的光波在该 区域内发生相应的模式耦合，其折射率分布模型【2 8 】见下图2 1 。 为 笔n 1 n 2 一 n 3 一 + 厂一 oa la 2 x 图2 1 光纤光栅的折射率分布模型 如图2 1 所示，在整个光纤曝光区域内，即光纤光栅的折射率分布一般 咒。厂，缈，z ，：丁：1 1 + f 厂，缈，z 妇q i 与i 三乏 。2 6 ) 【胛，限口： f ( r ，缈，z ) =a n ( r ，缈，z ) 刀l 酬m 戤= t n m a x ( o z l ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中a ，为光纤纡芯半径，a ：为光纤包层半径，为纤芯初始折射率，刀：为 包层折射率，勘( ，仍：) 为光信号的折射率变化，a n 。、为折射率的最火变化量。 第：章光纤光栅理论模卫! 及传感原理 制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n ，一般为空气折射率。r 和缈坐标项 是折射率在横截面上的分布。 满足式( 2 6 ) 的光纤光栅具有如下两点假设： 1 、光纤为理想的阶跃型光纤，其折射率沿轴向均匀分布。目前实际用于制 作光纤光栅的光纤，多数是采用改进化学气相沉积法( m c v d ) 制成，并且使 纤芯重掺锗以提高光纤的紫外光敏性，这就使实际的折射率分布很接近于理想 阶跃型，因此采用理想阶跃型光纤模型不会引入与实际情况相差很大的误差； 2 、光纤包层一般为纯石英，虽然它对紫外光波也有一定的吸引作用，但是 不易引起折射率的变化，而且即使折射率有微弱变化，也可由调整甩的相对值 来获得补偿，完全可以忽略包层的影响。 在光纤光栅中，可近似认为v 刀 o 。此时，矢量波方程可简化为标准矢量波 ( 齐次矢量h e l m h o l t z ) 方程 v 2 e + n 2 k o e e = 0 ( 2 1 0 ) 式中，是真空中波矢量或传播矢量的大小，可表示为 k o = 缈毛 ( 2 一1 1 ) 因此，在d e s c a r t e s 坐标系中，实际光纤波导中的光波长应满足标量波动( 齐 次标量h e l m h o l t z ) 方程 v 2 e + k 0 2 ，z 2 e = 0 ( 2 1 2 ) 式中，e 是电矢量在任意x ，y ，z 方向上的振幅。 为了表示出f ( r ，缈，z ) 的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行 详细的分析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿z 向的光场能 量分布大致可分为均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型等。 从目前的实际应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿z 轴的渐变 性和折射率调制在横截面上的非均匀分布，可采用对光栅传播常数k 。来修币与z 相关的渐变函数妒( z ) ，以及采用a n ( r ) 代表折射率调制。为了更全面地描述光致 折射率的变化函数，可直接采用傅早叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变 化进行分解，用于描述光致折射率变化的一般性函数为1 2 9 】 f ( 唧，z ) = 争气( r ，妒，z ) d gc o s k g q + c p ( z ) ： ( 2 1 3 ) f l , ig = 一” 式中，r ( r ，妒，z ) 表示由于纤芯对紫外光的吸收作用造成的光纤横向截由i 曝 光的不均匀性，或其他因素造成的光栅轴向折射率调制的不均匀性，并有 i f o ( 1 。，妒，：) l n a 、= 1 ，这些不均匀性将会影响到传输光波的偏振以及色散特性； 天津i ：业人学硕十学位论文 k g = 2 7 z - a 为光栅的传播常数；人为光栅周期；q 为非j 下弦