光纤加速度传感器系统研究毕业论文.doc

光纤加速度传感器系统研究毕业论文第一章 绪论1.1研究背景和意义近20年来，随着光纤通信技术的不断发展和成熟，光纤传感器的应用前景也越来越广阔，它与传统的传感技术相比，光纤具有质量轻，纤芯细，抗电磁干扰能力强，抗腐蚀，耐高温高压，信号衰减小，集信息传感和传输与一体等优点，使其用途广泛。例如可以将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料，可对大型构件的应力，振动，温度和载荷等参数进行实时安全监测；也可用于对有毒，有害气体的环境监测；还包括应用于政府机构或军事重地等敏感区域和设施的安防预警技术与系统；应用于飞船，飞机等航空航天器以及潜艇，舰船的结构健康监测等。当前，全球地质活动频繁，使得地震灾害时常发生，造成了惨重的人员伤亡和财产损失。例如2011年3月11日，日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发海啸，使得日本福岛第一核电站1-4号机组发生核泄漏事故，造成13498人死亡、14734人失踪，经济损失高达2350亿美金；2010年，2月27号，智利发生里氏8.8级地震，致使279人遇难，经济损失300亿美元；其中让我们记忆深刻的是，2008年5月12号，我国四川汶川发生里氏8.0级地震，导致69227人遇难，374643人受伤，失踪17923人，大量房屋倒塌，道路被毁，数以万计的民众无家可归，亲人分离，直接经济损失8452亿人民币。如果我们能够在地震来临前，提前几秒预警，就能够挽救成千上万的生命和数以千亿的财产，例如2008年6月14日，日本岩手发生里氏7.0级地震，日本政府通过建立的自动地震预警台网，提前10秒向全国发出警报，向新干线上高速行驶的列车，核电站，城市供电和煤气输送系统发出制动指令，有效的防止了地震次生灾害的发生。因此，研究出一套可靠的地震监测系统具有十分重大社会和经济意义。地震的监测有一部分可以理解为振动的测量，它包括振动的位移，速度和加速度等。目前，地震监测普遍采用的是基于机电转换原理的检波器，即通过磁体与线圈的相对运动，将机械振动转换为电信号来实现，这种结构的检波器灵敏度不高，无法满足人们对地震监测的要求。而光纤光栅对振动的灵敏度很高，微小的位移测量最小可达纳米级，具响应速度快，动态范围大，可以采用分布式测量，即多个检波器同时进行地震波的采集，非常适合于地震波的监测。加速度作为振动的一种动态参数，它可以和位移，速度相互转换，能够从加速度信号中提取位移或者速度信号等作为振动物体的状态参数。在地震监测中，用光纤光栅测量加速度信号是一种十分有效的手段。光纤加速度传感器主要用于测量振动的加速度，在现代工业各种领域都会涉及到振动加速度的测量，因此，灵敏度高，频率范围大，信号传输距离远，抗电磁干扰能力强，实现智能化是对未来光纤加速度传感器的基本要求。因此，对光纤加速度传感器的结构，原理，测量方法的深入研究，对于我国地震监测，光纤传感器的应用前景都具有深远的意义。1.2光纤加速度传感器的国内外研究进展随着光纤传感技术的不断提高，给光纤加速度传感器的发展带来了前所未有的机遇，与传统的机械磁电式，压电悬浮式，电磁悬浮式等加速度传感器相比，灵敏度得到了很大的提升，光纤加速度传感器的种类也越来越多，主要有强度调制型，波长调制型，相位调制型，模式调制型和偏振态调制型等。光强调制型有反射式，投射式，光模式强度调制，折射率强度调制等，相位调制型加速度传感器常用的相位解调方法有马赫-曾德干涉仪法，法布里-珀罗干涉仪法和迈克尔逊干涉仪法等等，其中相位调制型，强度调制型和波长调制型光纤加速度的精度比较高，研究的也比较多。美国Micron Optics公司设计了一种基于光纤布拉格光栅的Os7100光纤加速度传感器，它采用标准螺纹结构连接与结构表面，并且可以组合成双轴或三轴结构，同时基于光纤布拉格光栅技术的自身优势，可在一根光缆上串联许多个传感器。 图1-1 单轴和三轴的光纤加速度传感器它的测量范围可从DC到数百赫兹，灵敏度为16pm/g，最大频率响应为700Hz，工作温度从负40摄氏度到正80摄氏度，光纤布拉格光栅的中心波长为1512nm至1588nm，可应用于大型结构的加速度监测，也适用于桥梁，大坝，建筑，隧道，轮船，飞机，火车和一些复合结构的长期健康检测。丹麦的传感研究所提出了一种基于顺变柱体的光纤加速度计，顺变材料对振动信号比较敏感，可作为光纤加速度传感器传感探头的感应元件，将加速度所致应变施加到传感光纤上，引起光纤中的光波产生相位变化，此相位变化即代表被测加速度值，传感头结构主要包括一个质量块，两个顺变柱体和传感光纤，两根传感光纤作为迈克耳逊干涉仪的两臂分别缠绕在两个柱体上形成推挽式结构。在振动信号的作用下，传感头把外界的加速度信号转化成两顺变柱体的拉伸和压缩，进而使得缠绕在其上的单模光纤产生纵向的拉伸和压缩，根据光纤的应力应变效应知道，这种光纤的长度变化实际是用外界的信号来调制干涉臂中光波的相位，而光纤干涉仪把这种相位变化转化成光强的变化输出。这种推挽式的结构对改善传感系统有比较好的效果，可以对有用的信号实现放大，而对其它噪声信号，温度变化等达到抑制的作用。图1-2 顺变柱体型光纤加速度传感头结构顺变柱体采用的是室温硫化硅橡胶材料，它在0-100摄氏度的范围内，杨氏模量随频率的变化很小，而且与温度的变化几乎是一条直线，传感光纤采用的是单模阶跃型SiO2光纤，工作波长为1310nm，工作频率范围为695Hz-15614Hz，加速度灵敏度为1.99*103rad/g。 中国科学院半导体研究所采用了一种等强度悬臂梁结构的光纤加速度传感器，悬臂梁是由碳质纤维材料制成的等强度悬臂梁，从俯视图看，悬臂梁是等腰三角形，它一端与惯性质量块联结在一起，另一端固定在机座上，光纤布拉格光栅粘在等强度悬臂梁的中轴线上，由等强度悬臂梁，光纤布拉格光栅，惯性质量块以及外壳构成一个单自由度系统。当传感系统感受到外界的振动时，惯性质量块会随之振动，在惯性力的作用下，会压缩和拉伸等强度悬臂梁，从而使得悬臂梁上面的光纤布拉格光栅也受到应力作用，引起光纤布拉格光栅的中心波长漂移，通过检测中心波长变化，就可得到相应的加速度值。 图1-3 悬臂梁式光纤加速度传感探头结构 图1-4 悬臂梁式光纤加速度传感探头结构俯视图这种结构的灵敏度可以达到4.5pm/g，悬臂梁的固有频率为1651.4Hz，光纤光栅的中心波长为1550.76nm。上文重点介绍了几种光纤加速度传感器的1.3本文的主要研究内容第二章 光纤加速度传感器的理论基础2.1 引言光纤Bragg光栅作为光纤加速度传感器的核心传感单元，具有损耗低，光谱特性好，容易与光纤连接，高性能等特点，而且作为传感元件，还有一些明显优于其它传感器的地方，如它的传感信号为波长调制，使得测量信号不会受到光纤连接或弯曲损耗，光源起伏等因素的影响；能够避免相位测量中的不清晰和需要固定参考点，适合作为分布式传感元件埋入结构内部，实现对内部压力，温度，应变等的测量。本章首先分析了光纤Bragg光栅的传感基理，然后再介绍了光纤Bragg光栅的制作工艺。2.2光纤布拉格光栅的传感基础2.2.1光纤光栅的理论模型 在1978年，加拿大渥太华研究中心的hill等人首次观察到掺锗石英光纤中的光敏效应，并采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，1989年美国联合技术研究中心的G.Meltz等人又发展了紫外激光侧面将任意工作波长的位相光栅写入纤芯，形成光纤光栅。使得光纤光栅的制作技术取得了突破性的进展。光纤光栅是近几年来发展最快的光纤无源器件之一，具有全光纤结构，高反射损耗，低插入损耗等优点，使得它在光纤通信和光纤传感等领域有广阔的应用前景。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，就其本质讲是由于光纤芯区折射率周期性的变化，使得光纤波导的条件发生改变，进而会使一定波长相对应的模式产生耦合，导致反射光谱和投射光谱对该波长出现奇异性。光纤光栅分为均匀周期光纤光栅和非均匀光纤光栅，均匀周期光纤光栅的光学周期沿轴向保持不变，主要有光纤Bragg光纤光栅，长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅这三类，非均匀光纤光栅的栅格周期折射率调制深度不为常数或沿光纤轴向不均匀，它主要有相位光纤光栅，啁啾光纤光栅，取样光纤光栅和变迹光纤光栅等。光纤Bragg光纤光栅是目前应用比较广泛的一种光纤光栅，光栅的栅格周期一般为100nm量级，光纤的轴向与光栅的波矢方向一致，这种光栅具有较高的反射率和较窄的反射谱，它的反射率和反射带宽可以通过改变写入条件来加以调节和控制。该光栅具有良好的应变灵敏度和温度特性，结构也简单，在光纤传感，光信息处理，光纤通信，光计算等领域均有广泛的应用。光纤Bragg光纤光栅的结构如图2-1所示。 图2-1 光纤Bragg光纤光栅结构示意图要解释光纤Bragg光栅的光学特性，首先从模式耦合理论出发，它可以定量分析光纤Bragg光栅的衍射效率和光谱特性。光纤Bragg光栅的折射率分布如下：在光栅长度为L的光纤小段内制成周期为的光栅，而在未写入光纤前，纤芯的折射率为n1，半径是a1，而包层的折射率为n2；光纤光栅写入后，在周期性结构中所引起的折射率在纤芯内的微扰可改写成： （2-1）紫外光引起折射率的变化，在大多数光纤中可近似为纤芯的变化，在纤芯外的可以忽略不计。则均匀光纤光栅的折射率分布为： （2-2） 根据耦合模理论，通过对场得微扰获得了光纤光栅中的传输方程。在理想光纤波导中，光场的横向模场可写为：（2-3）式中，和分别为沿+Z和-Z方向传播的第m个模的慢变振幅，传播常数为，横向振幅可以是纤芯包层模，束缚模或辐射LP模。在理想导波情况下，这些模式相互正交，所以模式之间不会进行能量交换，但是有介电微扰时，会使得第m个模的和会在z轴方向上产生能量耦合，耦合服从以下公式： (2-4) (2-5)式中， 为是第m个模和第q个模之间的横向耦合系数： (2-6)其中，是介电常数的微扰量，当,近似为，对于光纤中的模式来说，通常纵向耦合系数，所以可以忽略。考虑紫外光致折射率变化可近似认为在光纤纤芯横截面内是均匀的，在纤芯以外没有光致折射率变化，可以定义两个新的耦合系数如下： (2-7) (2-8)式中是自耦合系数，是互耦合系数，所以横向耦合系数可写为： (2-9)对于光纤布拉格光栅，耦合主要发生在布拉格波长附近波长相同的两个正，反方向传输模式之间，设它们的振幅分别为A（z）和B（z），此时式（2-4）和式（2-5）可以简化为仅保留耦合所涉及的特定振幅项，然后经过近似处理，忽略沿Z方向快速振荡项，简化后的方程为： （2-10） （2-11）式中，是自耦合系数， （2-12）其中，是与z无关的相对于布拉格波长的失谐量，定义为 （2-13） （2-14）是理想光栅，即时的中心反射波长。对于单模布拉格光纤光栅，有如下两个简化的关系式： （2-15） (2-16)对于沿着Z方向的均匀周期光纤布拉格光栅，为常数，因此，和也是常数。则式（2-10）和式（2-11）就可简化为耦合的一阶常系数微分方程，通过合适的边界条件，就可以得到方程的解。对于长度为L的均匀光纤布拉格光栅，设前向传播的光从处入射，在之后则没有反射光，可以得到归一化振幅为： （2-17） （2-18）反射率r可表示为 （2-19）图2.2为一个光纤布拉格光栅反射谱示意图。光纤光栅的长度L为2.12mm，中心波长为1550.52nm，图2.2 均匀光纤布拉格光栅反射谱图2.3是它的透射谱示意图，参数与前面相同。图2.3 均匀光纤布拉格光栅透射谱2.2.2光纤光栅应变传感模型分析从模式耦合理论分析中，可以得到光纤布拉格光栅的中心波长，即光纤布拉格光栅的反射谱型由光栅的有效折射率和光栅的周期决定，这两个参量某一个发生改变，都会引起光纤布拉格光栅的谱型发生改变，而在使得光纤Bragg光栅谱型变化的外界因素中，应力和应变参量是最直接的。当有外力拉伸或者压缩光纤光栅时，都会导致由光纤的弹光效应引起的折射率变化和光栅的周期改变。对公式（2-14）取微分，就能得到应力引起的光纤Bragg波长的移位表达式： （ 2-20）式中：是光纤在应力作用下的弹性形变，是光纤的弹光效应。不同的外界应力都会导致两者的不同变化。对于属于各向同性柱体结构的光纤Bragg光栅，可以将施加在上面的应力分解为轴向应力和横向应力和，三者同时存在则为体应力作用。在对光纤光栅应变传感模型进行分析前，先做如下假设：只有光纤光栅的纤芯和包层作为传感元件，所有外包层的影响则忽略；在所研究的应力范围内，光纤光栅可以看作是一个理想弹性体，遵循胡克定理，而且内部也没有切应变；由紫外光引起的光栅的折射率变化，均匀分布在光纤的截面上，且这种光使折射率变化不会对光纤自身的各向同性的特性产生影响；所有应力问题不考虑应力随时间变化的情况，都当作静态应力看待。首先对轴向均匀应变作用下光纤光栅特性进行分析，如图2-4所示，在受到均匀作用的时候，光纤光栅会产生轴向均匀应变，此时轴向应力=P，P为外界施加的压强，而横向应力和则为0，而且没有切向应力。 图2-4 光纤光栅轴向均匀受力结构图由力学原理可得各方向应变为： (2-21)式中：E为光纤的弹性模量；为石英光纤的泊松比。从和光弹效应可以得到：（2-22）其中：为光纤布拉格光栅中心波长的变化量，P11和P12是光纤的弹光系数。令（2-23）可以得出（2-24）对于石英光纤，P11=0.121，P12=0.270，=0.17，=1.456.可以算出光纤Bragg光栅相对波长应变灵敏度系数=0.784。从而得到（2-25） 然后对光纤光栅横向均匀应变特性进行分析，如图2-5所示，当沿着光纤光栅的径向进行压缩或拉伸时，光纤光栅会产生横向应变，它会使得石英光纤的横截面由圆形变为椭圆形，从而导致光纤光栅产生偏振特性，波导的折射率和结构也会变化，光纤光栅将不会保持原来的特性，它的传感特性和反射谱都会改变。图2-5 光纤光栅横向均匀受力结构图在受到均匀横向应力作用的时候，光纤光栅沿各个径向受到压力P，此时横向应力和=-P,轴向应力则为0，而且不存在剪切应变。由广义胡克定律，得出光纤应变张量为： （2-26）将（2-20）式展开，可得到压力改变使光纤光栅的中心波长相对移位为：（2-27）在弹光效应下，可以得到：（2-28）在单模光纤的情况下，由压力导致的光纤直径的变化时可以忽略不计的，因此在均匀拉伸下，均匀光纤满足条件： （2-29）进而推出归一化的压力率系数和压力程度系数为： （2-30） （2-31）因此，波长压力敏感