（测试计量技术及仪器专业论文）锥形光纤bragg光栅制备及其传感特性研究.pdf

人连理上人学硕士学位论文 摘要 随着光纤光栅的理论研究和制作技术的日益深入和成熟 光纤传感技术的应用得到 了极大的发展 但是 光纤光栅对温度和应变的检测存在交叉敏感问题 即温度和应变 会同时引起光纤光栅的峰值波长变化 通过检测单个光纤光栅无法对温度和应变加以区 分 这已成为制约光纤光栅传感器实用化的主要问题之一 国内外的研究表明 特殊光 纤光栅的研制为解决此问题提供了有效的途径 因此本文开展锥形光纤b r a g g 光栅的制 备及其传感技术研究 光纤b r a g g 光栅的耦合模理论分析表明 当光纤包层的直径锥形化后 光纤b r a g g 光栅的有效带宽呈现随应变增加而拓宽 对温度变化不敏感的啁啾特性 因此 本文采 用化学腐蚀的方法 利用组分 浓度不同的腐蚀液对光纤b r a g g 光栅进行腐蚀 制作出 不同锥度的锥形光纤b r a g g 光栅 并对这利 光栅的传感特性进行了深入的分析 本文以单片机为核心 设计并实现了锥形光纤b r a g g 光栅的腐蚀控制系统 通过调 节精密位移台的移动速度 控制光纤在腐蚀液中的腐蚀速度 实现对光纤腐蚀过程的精 密控制 制作出了不同锥度的锥形光纤b r a g g 光栅 利用v c 开发了控制整个腐蚀过程 的控制软件 c a u s t i c c o n t r 0 1 实现了腐蚀过程控制命令的自动编辑 手动编辑 下载以 及腐蚀系统运行状态的实时监控 搭建温度 应变测试系统 使用光谱仪对所制作的锥 形光纤光栅的传感特性进行了分析及标定 并对结果进行了验证 不同锥度光纤b r a g g 光栅的温度及应变特性的检测结果表明 锥形光纤光栅在应力 作用下 其中心波长向长波方向移动的同时 带宽随着应变的增加而拓宽 且锥度越大 其带宽 应变灵敏度系数也越大 并具有良好的线性关系 锥形光纤光栅的带宽与温度 变化无关 关键词 光纤b r a g g 光栅 f b g 锥形光纤 温度应变分离测量 传感特性 人连理工人学硕 学位论文 f a b r i c a t i o na n ds e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t a p e r e df i b e rb r a g gg r a t i n g a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ff b g st h e o r e t i c a la n dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y f i b e rs e n s o r t e c h n o l o g yh a sb e e ng r e a t l yd e v e l o p e d h o w e v e r t h ec r o s s s e n s i t i v i t yb e c o m e st h ek e y p r o b l o mo nt h em e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r e a n ds t r a i nw i t ht h ef i b e rb r a g gg r a t i n g t e m p e r a t u r ea n ds t r a i nw i l lb o t hc a u s et h ec h a n g e so ff b g sw a v e l e n g t hp e a k d e t e c t i o n w i t has i n g l ef i b e rg r a t i n gc a nn o td i s t i n g u i s ht h ec h a n g ec a u s eb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n d s t r a i n w h i c hh a sr e s t r i c t e dt h ef b gs e n s o r s d e v e l o p m e n t d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h s h o w st h a tu s i n gs p e c i a lf i b e rg r a t i n gc a ns o l v et h i sp r o b l e m t h e r e f o r e ar e s e a r c ho nt h e c o n e s h a p e df i b e rb r a g gg r a t i n gf a b r i c a t i o na n dd e m o d u l a t i o nw a sp r e s e n ti nt h i sp a p e r f i b e rb r a g gg r a t i n gc o u p l e dm o d e la n a l y s i ss h o w e dt h a tw h e no p t i c a lf i b e rc l a d d i n gi s t a p e r e d t h ef i b e rb r a g gg r a t i n ge f f e c t i v eb a n d w i d t hb r o a d e n sw h e nu n d e rs t r e s sb u tt ob e i n s e n t i e n tt ot h et e m p e r a t u r e w h i c hi ss i m i l a ra st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h i r p e df b g t h e d i f f e r e n tc o n e s h a p e df i b e rb r a g gg r a t i n g si sf a b r i c a t e db yc h e m i c a lm e t h o d sw i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o no fc o r r o s i o ns o l u t i o n ad e e pa n a l y s i sa b o u tt h es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s e g r a t i n g sw a sp r e s e n t b a s e do ns i n g l e c h i p ac o r r o s i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h ec o n e s h a p e df i b e rb r a g gg r a t i n g w a sd e s i g n e d b yr e g u l a t i n gt h es p e e do fe l e c t r i cm o v i n gs t a g e s t h ee t c h i n gs p e e do ff i b e rw a s c o n t r o l l e da n dt h ec o n e s h a p e df i b e r sw e r ep r o d u c e d t h es o f t w a r e c a u s t i c c o n t r 0 1 o f c o n t r o l l i n gt h ee t c h i n gp r o c e s sw a sd e v e l o p e d t h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i nt e s t i n gs y s t e m s w e r ec o n s t r u c t e d a n d b a s e do nt h e s et h es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r em e a s u r e da n dc a l i b r a t e d b yt h es p e c t r o g r a p h t h er e s u l tw a sv e r i f i e d t h er e s u l t so fs t r a i na n dt e m p e r a t u r eo fd i f f e r e n tt a p e rf b gs h o w st h a t t h ec e n t e r w a v e l e n g t ho ft h et a p e r e df i b e rg r a t i n gm o v e st o w a r d st h el o n g w a v ed i r e c t i o na n dt h e b a n d w i d t hb r o a d e n sw h e ns t r e s si n c r e a s e s t h em o r et h ec o n ea n g l ei n c r e a s e s t h em o r e s e n s i t i v et h eb a n d w i d t hb r o a d e n su n d e rs t r e s s t h e ya r ei nag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i p t h e c h a n g e so ft e m p e r a t u r eh a v en oe f f e c to nt h eb a n d w i d t ho fc o n e f i b e rg r a t i n g k e yw o r d s f i b e rb r a g gg r a t i n g f b g t a p e r e df b g s e p a r a b l em e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r ea n ds t r a i n s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 簦垂毯盘叠骅蛊嫦厦蛊壁盛盘衄壑 一 作者签名 玄遂 日期 迎星年尘月卫日 人连理工人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定 在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学 允许论文被查阅和借阅 学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 可以将 本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和汇编本学位论文 学位论文题目 盥遂龄豳宇光翊壁盛趟鱼蕉蓝 逛蓟盏 作者签名 熬遂日期 兰塑年旦月二竺日 导师签名 人连理工人学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题的提出 传感器技术是当今信息化产业三大支柱之一 并已得到越来越广泛的关注 特别是 在光通信迅猛发展的带动下 光导纤维作为一利 特殊的信息传播材料 被广泛应用于通 信及制作各类传感器件 光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员 以其在抗电磁干扰 耐腐蚀 轻巧 灵敏度高以及可以远距离遥测 能埋入工程结构等方面独一无二的优势 脱颖而出 得到飞速的发展 自从加拿大通信研究中心的h i l l 等人首次利用驻波干涉法 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 光纤布拉格光栅f l 以来 无 论是光纤光栅的写入方法 2 5 还是理论研究都获得了迅速的发展 极大地推动了光纤光栅 技术的应用 使得光纤光栅已成为目前最有发展前途 最具有代表件的光纤无源器件之 一 光纤光栅不但继承了光纤在通信和传感领域的许多优点 而且给相关领域带来了又 一次里程碑式的革命 使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型光有源 无源器件 和智能传感器 j 早在1 9 8 8 年 光纤光栅就成功地应用于航牢 航天领域巾的无损检测 7 1 并逐渐应用于化学 工业 电力 水电 船舶 煤矿等诸多领域 最近 新的应用焦点 集中到了民用工程领域 目的在于开发可埋于混凝土组件和结构中进行多点检测应力 应变和温度的传感器 例如建筑物 桥梁 水坝 巨型容器 高速公路 机场跑道等 测定其结构的完整性和内部应变状态 此外 光纤光栅还可应用于水听器 机器人手臂 传感 安全识别等很多检测系统之中 光纤光栅传感技术最基本的方法是采用波长编码 即以光纤光栅峰值波长为传感参 量 但是 由于光纤光栅巾心波长对温度和应变同时敏感 即温度和应变会同时引起光 纤光栅的峰值波长变化 通过检测单个光纤光栅峰值波长的变化无法对温度和应变加以 分离 这就是交叉敏感问题 随着光纤光栅制作技术的日益成熟 交叉敏感成为制约光 纤光栅传感器实用化的重要问题之一 人们提出了一些方案来解决此问题 例如 利用特殊结构封装的光纤光栅实现应变 独立传感 j1 1 绝大部分方法是利用多个光纤光栅来实现温度和应变的分离传感 如双光 栅法 1 2 t1 3 1 和混合光栅法 1 4 1 引 但在实际应用中 每种方案都显现出各自的缺点和局限 性 p m c a v a l e i r o 1 6 j 等采用两段掺杂不一样的掺锗光纤实现对应变和温度的同时测量 其测量精度现可达到5 5 8 s 和3 c 但其对光纤掺杂的精度要求较高 制作难度较大 m g x u i 刁等提出利用递减光纤上的啁啾光纤光栅带宽只与应变有关而与温度无关的特 性来制作应变传感器 但该方法需要对光栅需要进行特殊的递减处理 使光纤光栅的制 锥形光纤b r a g g 光栅制备及其传感特性研究 作变得很复杂 s k i m f i8 等提出利用一半固定在石英套管上的啁啾光纤光栅来制作应变传 感器 这利 方法的缺点是固定在石英套管上的啁啾光纤光栅体积变大 在工程应用r f l 受 到很大限制 s w j a m e s l l9 j 等提出将两段不同种类 不同直径的光纤进行熔接 然后在 熔接处写入光栅 利用这两段不同光纤上的光纤光栅具有不同的应变温度响应系数来同 时测量温度和应变 这种方法的问题是熔接质量的好坏将直接影响传感器的寿命和可测 量的应变值 且因两段不同种类光纤芯径的不同而引入耦合损耗1 2 0 2 1 随着光纤光栅制作技术的日益成熟 特殊光纤光栅的制作以及利用光纤光栅特性解 决温度应变分离测量问题的研究 成为有关研究人员关注的热点 研究开发精度更高 结构更简单 成木更低廉的实用的解决方案有着很广泛的现实意义 因此 本文开展锥 形光纤b r a g g 光栅制备及其传感特性的研究 试图找到一种行之有效的方法 1 2 光纤光栅简介 1 光纤光栅的发展 1 9 7 8 年 加拿大的h i l l 等人首次观察到掺锗光纤巾因光诱导而产生光栅的效成 l 他们把4 8 8 n m 氩离了激光入射到掺锗光纤巾 入射光与从光纤另一端面反射回来的反射 光在光纤中发生干涉 并形成一定周期的驻波干涉条纹 激光强度的周期性分布造成光 纤纤芯沿轴向的周期性折射率调制 制成了世界上第一只被称为 h i l l 光栅 的光纤光 栅 该项技术引发了光纤光学领域的一场革命 但由于h i l l 光栅的写入效率低 并且其 反射波长受激光写入波长等因素的限制 致使光纤光栅这项极富潜力的技术在此后相当 长一段时期内发展缓慢 1 9 8 9 年 美国的m e l t z 2 等人发明了紫外光侧面写入光敏光纤光栅技术 他们利用 两束干涉的紫外光从光纤侧面写入了光栅 这项技术不仅大大提高了光栅的写入效率 而且可以通过改变两束相干光的灾角来控制反射波长 这项技术问世后 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得以不断发 展 19 9 3 年 h i l l l 2 2 l 等人提出了相位掩模写入技术 利用紫外激光经过相位掩模板后的 1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤侧面曝光写入光栅 该技术的提出极大放宽了对写 入光源相干性的要求 使光纤光栅的制作更加容易 并使得光纤光栅的批量生产成为可 能 这在很大程度上加速了其实用化进程 同年 l e m a i e r 2 3 等人提出了一种提高光纤 光敏性的简单有效方法 低温载氢技术 他们将光纤浸入2 0 7 5 0 个大气压 2 0 7 5 的氢气巾 使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部 然后再用紫外光写入光纤光栅 可以使光纤的光敏性提高近两个量级 载氢技术的提出极大地降低了光栅制作成本 入 人连理上人学硕士学位论文 们可以不必使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤 在不同通信光纤上可以很容易地制作出高 反射率的光纤布拉格光栅 近十几年来 光纤光栅的研究在很多国家得到飞速发展 光纤光栅的写制技术不断 改善和提高 光纤的光敏性不断增强 各类特利 光栅相继问世 光纤光栅的制作技术已 经达到商用的需要 随着光纤光栅技术的日臻成熟 基于光纤光栅的各种光学器件 如 光纤激光器 光纤滤波器 光纤波分复用和解复用器等 层出不穷 和其他器件相比 光纤光栅具有造价低 稳定性好 体积小 传感信息波长绝对编码 抗电磁干扰等优良 性能 已被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域 由于光纤光栅本身写制在光纤 中 易于与光纤系统连接 损耗小 易于集成 这使得伞光纤一维光予集成成为可能 光纤光栅的研制成功 成为继掺铒光纤放大器 e d a f 技术之后在光纤领域又一重大的技 术突破 2 4 2 6 1 并将成为光纤通信发展史上又一个里程碑 光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面 也可以在浇筑的时候埋入结构巾对结 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准分布式检测 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之一 在桥梁 建 筑 海洋石油平台 油田及航空 大坝等大型工程建筑中 都可以进行实时安全的温度 及应变监测 2 7 2 1 以便及时了解基础结构的状态 另外 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 2 光纤光栅的分类 在光纤光栅出现至今的短短2 0 多年里 由于研究的深入和应用的需要 各利 用途 的光纤光栅层出不穷 利 类繁多 特性各异 人们从不同的出发点提出了很多分类方法 但归结起来主要可从光纤光栅的周期 相位和写入方法等几个方面对光纤光栅进行分 类 按光纤光栅的周期分类 根据光纤光栅周期的长短 通常把周期小于1 9 m 的光纤光栅称为短周期光栅 又 称为光纤布拉格光栅或反射光栅 而把周期为几 1 至几百微米的光纤光栅称之为长周期 光栅 或称为透射光栅 短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发生耦合 属于反射型带通滤波器 长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层之间的耦 合 无后向反射 属于透射型带阻滤波器 按光纤光栅的波导结构分类 锥形光纤b r a g g 光栅制备及其传感特性研究 根据光纤光栅的波导结构即光栅轴向折射率分布 光纤光栅可分为均匀光纤光栅 啁啾光纤光栅 高斯变迹光纤光栅 升余弦变迹光纤光栅 相移光纤光栅 超结构光纤 光栅 倾斜光纤光栅等 特殊折射率调制的光纤光栅 其特点是折射率调制不能简单的 归结为以上某一类 而是两种或多利 光栅的结合或者折射率按某一特征函数变化 这利 光纤光栅往往在光纤传感和通信领域有着特殊的应用 按光纤光栅的形成机理分类 利用光纤的光敏性制作的光纤光栅 u p s u 用激光对掺杂光纤曝光 诱导其光敏性的 变化而导致折射率变化 从而形成光栅 一般是利用紫外光通过相位掩模或振幅掩模曝 光载氢掺锗光纤 通过掺锗光纤的光敏性引起纤芯折射率周期件调制 从而形成光纤光 栅 利用弹光效应形成的光纤光栅 其特点是利用周期性的残余应力释放 或光纤的物 理结构变化 从而轴向周期性地改变光纤的应力分布 通过弹光效应导致光纤折射率发 生轴向周期性变化 由于目前对各种光纤光栅的形成机理的解释还不完全统一 以致以上按形成机理的 分类可能不是很全面 但相信随着研究的深入 按形成机理的分类必将更加完善 按光纤光栅的材料分类 按写入光栅的光纤材料类型 光纤光栅可分为硅玻璃光纤光栅和塑料光纤光栅 目 前 研究和应用最多的是在硅玻璃光纤巾写入光纤光栅 在塑料光纤巾写入的光纤光栅 已引起了人们越来越多的关注 因其具有很大的谐振波长可调谐范围 7 0 啪 及很高的应 变灵敏度 该利 光纤光栅在通信和传感领域有着许多潜在的应用 1 3 光纤b r a g g 光栅的研究现状 光纤b r a g g 光栅作为一种光纤传感器 与传统的电传感器相比有着许多不可替代的 优点 如 不受电磁干扰 重量轻 体积小 不受腐蚀等 但它通常是波长编码的 当应 变和温度同时发生变化时 光纤b r a g g 光栅无法区分由二者分别引起的波长变化 因此 当测量其中某一个量的变化时 如何避免受到另一个量的影响 或实现应力 温度同时 测量1 3 弘3 5 j 这个问题已成为光栅传感器的关键问题 从1 9 9 3 年以来 人们就已经开始研究光纤光栅的交叉敏感问题 到目前为止已提 出了多种解决方案 它们各有自己的特点 分别适用于不同的实际情况 根据它们的物 理思想主要分为三大类 多光栅多参量分离法 单光栅多参量分离法 应变 温度 补偿 法 其具体内容如图1 1 所示 人连理工人学硕士学位论文 图1 1 交叉敏感解决办案 f i g 1 1 t h es o l u t i o n so f t h ec r o s ss e n s i t i v i t y 1 多光纤光栅多参量分离法 多光纤光栅多参量分离法是通过测量两个b r a g g 波长的偏移 实现对应变和温度的 同时测量 若这两个波长分别是 il a2 则由式 1 1 可知有下面矩阵方程 也套 t e a c mt 式巾 系数矩阵k 可通过实验测得 恕 如为光栅l 和光栅2 的应变响应系数 如 b 2 为光栅1 和光栅2 的温度响应系数 由 1 1 式可以看出 此方法可以实现应变 温度的同时测量 但要求怍 砖 i o 这就需要采用性能差别很大的光纤光栅 因而 i k 2 k r2 i 对光纤光栅的要求较高 不利于产品的实用化 m g x u 等人f 1 3 采用双光纤光栅 卜 2 各为1 2 9 8 n m 和8 4 8 n m 对应变和温度进行 了测量 它的不足在于 j 2 相差必须足够大 需要两个e l e d 两个o s a 光谱分析 仪 且粤一粤 l5 相差较小 影响测量精度 但是 双f b g 制作难度大 难 庀 2彤r2 以实用化 针对上述方法进行改进之一的是双光栅悬臂梁法1 1 2 1 如图1 2 所示 f b gl 一ii iii 一 悬管梁f b g 2 渤 量点 图1 2 悬臂梁型传感器法示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec a n t i l e v e r b a s e df b gs e n s o r 锥形光纤b m g g 光栅制备及其传感特性研究 图r f l 传感器的结构是一根一端固定的悬臂梁 在梁的上 下对应位置对称的各粘贴 了一根具有相同巾心波长的光纤光栅 当应力发生时 梁上 下面的应变数值相等 符 号相反 选用的两根光纤光栅具有相近的温度系数 温度造成的r f l 心波长漂移相等 通 过解析布喇格条件关系式就可以分离出应变变化量 结果可以表示如下 丝 鱼k 2 k g 九b 1 2 其中 4 l 口 4 彪分别为两根光纤光栅的中心波长漂移量 口为两根光纤光栅 相同的中心波长 k 为光纤光栅传感器应变灵敏度 因为可以得到两倍的应变量 所以 悬臂梁法的精度较高 在相同的测试条件下 较其它方法更容易得到精确的测量结果 而且结构简单 易于实现 但是 悬臂梁法的问题在于 1 悬臂梁的固有频率限制使得 传感器的可测量频率不高 2 结构的限制使得悬臂梁法不适合用于埋入测量 3 此法没 有给出温度变化量 需要借助其它方法求出温度漂移量 v i k r a mb h a t i a 等人1 1 4 j 在同样思想的基础上 利用长周期光栅 l p g 的特点 在一个 l p g 上选两个波长 只要同时测量这两个透射峰的波长变化 就可以利用一个长周期光 栅实现温度和应力的同时测量 h j p a t r i c k 等人l l5 j 以两个f b g 和一个l p g 为传感单元 对应变和温度进行测量 其实验原理如图1 3 所示 r 图1 3l p g 与f b g 混合型传感器结构示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fg r a t i n gp a i ro ff b g l p gs e n s o r e l e d 输入一宽带光谱 通过l p g 和两个f b g 反射入光谱仪 观测波长 口 脚 的反射光强变化和 l 口 的偏移 可知应变和温度的变化量 其计算公式为 f 野 k b r 2 l 陶a t 1 3 舯 r i r 2 糕确心为b r a g g 波长h 舨射强度 以为 修正量 系数矩阵k 和万向量可由实验数据获得 该实验在2 9 0 1 2 7 0 f i e 2 5 5 0 c 人连理上人学硕士学位论文 的范围内 精度可达9 1 5 c 该方法显然降低了成本 但l p g 光谱扫描时间长 难以实现实时测量 而且l p g 透射谱易受周围材料折射率变化的影响 导致测量误差 1 9 9 6 年 s w j a m e s 等人1 1 9 1 采用两个不同包层直径的f b g 耦合作为传感单元 通 过解方程组可以确定传感光栅上温度和应变的变化量 外径减小后的光栅受应变作用 时 其分裂出的两个反射峰问距大小与温度无关 仅与受到的应变成正比 根据这两个 反射峰的间距大小 可以直接计算出光栅受到的应变l 珀1 两个f b g 对温度灵敏度基本 相同 而对应变则相差较大 因此 通过测量b r a g g 波长相对偏移量 可知应变的变化 若进而考虑绝对偏移量 可同时测量温度 实验中 在2 5 0 0 s 和1 2 0 范围内 测量 精度为1 7 雕 1 这种方法的缺点是熔接质量的好坏将影响传感器的寿命和可测应变 范围 且因两段不同种类光纤芯径不同会引入耦合损耗1 2 仉2 1 1 2 单光栅多参量分离法 单光纤光栅法实际上是在双光纤光栅法的基础上引申出来的 通常是将一个光纤 b r a g g 光栅人为的分为两段使用 并使每一段具有不同的温度 应变敏感度或测量不同 的参量 2 0 0 0 年 b a i o u g u a n 等人采用一超结构光纤光栅 s f b g 作为传感器 37 1 该光 栅在制作时将一个3 c m 长的振幅掩模板置于1 0 m m 长的相位掩模板的顶端制成特殊光 栅 通过测其透射谱的光强和b r a g g 波长的变化量 实现了对应变和温度的同时测量 该方案只需一个光栅 结构简单 但其不再是波长编码的方式 易受光源波动等其他因 素的影响 涂覆法是利用两利 或两利一以上不同热膨胀系数材料的搭配 以材料的组合热膨胀伸 长来减小光纤光栅的轴向预伸长量 实现光纤光栅传感器温度敏感度的调节 目的是降 低光纤光栅传感器的温度敏感系数 图1 4 就是利用两种具有不同温度特性的聚合物来 涂覆1 8j 传感f b g 从而在一个f b g 中分离出两个不等的中心b r a g g 波长f b g l 和f b g 2 其温度应变的变化量可由公式 1 1 计算出 图1 4 不同温度系数聚合物涂覆法 f i g 1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i f f e r e n tp o l y m e rp a c k a g e df b gs e n s o r 图1 5 是金属涂覆层法示意图 9 10 1 光纤光栅的一侧光纤引出端粘贴在待测材料上 另一端涂覆以金属涂覆层粘贴在待测材料上 光纤光栅在粘贴前作预拉伸 利用金属涂 锥形光纤b r a g g 光栅制备及其传感特性研究 覆层和光纤光栅的综合热膨胀作用 就可以释放f b g 预拉伸长度 获得降低传感器温 度敏感度的结果 调节图1 5 巾无金属涂覆层段和有金属涂覆层段光纤的长度比 即能 获得不同的温度敏感度系数 图1 5 金属涂覆层法 f i g i 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e t a l i z e df b g j a e h o o nj u n g 等人将普通单模光纤和铒 镱双掺杂光纤先放于压力罐中载氢7 天 取出后将两种光纤焊接在一起 采用相位掩模法在两种光纤连接处写制光纤光栅 l 由 于两种光纤具有不同的折射率和温度系数 这种光纤光栅具有两个反射峰 对应变敏感 基本相同 对温度则不同 可实现应变和温度的分别测量 p m c a v a l e i r 0 0 6 1 等人采用一段掺硼 一段不掺硼的两段掺杂不同的掺锗光纤对接 并在其上写入光栅 光纤掺硼之后 不仅使折射率变小 而且热光系数也减小 使得两 段光纤具有不同的温度特性 同时又由于这两段光纤具有相同的包层 因此具有相同的 应变特性 利用这一特性实现了应变和温度的同时测量 测量精度现可达到5 5 8 胆和3 缺点是折射率 热光系数减小 对光纤制作的掺杂准确度要求较高 对工艺水平要 求太高 使得并不复杂的交叉敏感问题变成了更为复杂的搀杂工艺问题 3 应变 温度 补偿法 该方法主要是通过对光纤光栅传感单元的特殊封装结构设计 使其对应变 或温度 不敏感 或者借助其它传感手段实现对其中应变 或温度 的测量 从而达到同时测量的 要求 补偿封装法 啁啾光栅法等 与金属涂覆层法类似 还可以利用两种或多种材料 的组合来实现补偿温度影响的目的 3 引 如图1 6 所示 有 图1 6 多种材料封装法 f i g 1 6 s c h e m a t i cc r o s ss e c t i o no fm u l t i m a t e r i a lp a c k a g e 铝管 人连理 l 人学硕士学位论文 应变 温度 补偿法可以在一定温度范围内实现补偿光纤光栅传感器温度影响的目 的 并且可以选择的材料组合很多 同时不影响复用 缺点在于 光纤光栅没有加封装 容易受外界破坏 工作的温度范围有限 由于预拉伸光纤光栅的缘故 实际压缩了传感 器的工作上限 当确定基底材料后 选用的补偿材料热膨胀系数必须大于基底材料的热 膨胀系数 实验中发现 啁啾光栅的有效带宽具有随应变而变化且对温度不敏感的特性 因此 通过这一特性可以实现对应变的测量 3 9 0 1 实验中 通过测量啁啾光栅的反射光强可知 应变的变化情况 反射光强与应变的关系为 l 尺l k 1 一k 仃 a e 1 4 式巾 k 为分光比 os 为光源的光谱密度 f 为与光纤结构材料有关的常量 如 果同时考虑b r a g g 波长的移动量 也可以实现对温度的测量 但这利t 方法已失去了波长 编码的特征 容易受其它因素 光源波动 弯曲等 影响 需要同时对参考信号进行测量 温度应变分离测量的交叉敏感问题是f b g 传感器发展的 瓶颈 能否有效地解 决这一问题 是f b g 传感器实用化的关键 随着f b g 应用领域的进一步扩展 根据具 体的应用目的 设计更为有效的解决方案业已成为各国学者竞相研究的热点 本文通过对围内外温度应变分离测量方案进行研究 在s w j a m e s 等人i l9 采用两个 不同包层直径的f b g 耦合作为传感单元的启发下 通过对普通的b r a g g 光纤光栅进行 腐蚀加工 制作直径递减的锥形光线光栅 并将这种光栅作为传感单元对其传感特性进 行深入研究 1 4 本文的主要工作 本文对锥形光纤b r a g g 光栅制备及其传感特性开展了研究 工作主要有以下几个方 面 1 从光纤光栅的基本结构和传输理论出发 分别对光纤光栅的温度特性和应变特 性进行分析 2 制作光纤b r a g g 光栅 对经过低温高压载氢处理的光纤采用相位掩模法进行光 刻 并对制成的光纤光栅进行高温退火处理 3 进行腐蚀溶配比及腐蚀方法 腐蚀条件等的探索实验 以期得到最优的腐蚀半 径及端表面 设计锥形光纤光栅的结构 提出温度应变分离测量的解决方案 锥形光纤b r a g g 光栅制备及其传感特性研究 4 搭建锥形光纤光栅腐蚀控制系统 以单片机为核心 设计锥形光纤光栅腐蚀控 制平台 实现腐蚀控制系统p c 机控制程序 c a u s t i c c o m r 0 1 控制步进电机实现精密位 移台的精确运行 5 对制作的锥形光纤b r a g g 光栅的传感特性进行测量和标定 验证以锥形光纤 b r a g g 光栅作为传感光栅实现温度应变分离测量方案的可行性 人连理1 人学硕士学位论文 2 光纤b r a g g 光栅的传感原理及其制作工艺 2 1光纤光栅的传感原理 2 1 1 光纤b r a g g 光栅的传感原理 在普通光纤中 使一段光纤的纤芯折射率发生剧期性变化 就构成了结构最简单的 光纤布拉格光栅 f b g 其波导结构及折射率分布与反射 透射特性如图2 1 所示 由 于周期的折射率扰动仅会对很小的光谱产生影响 因此 如果宽带光波在光栅r f l 传输 入射光将在相应的波长上被反射回来 其余的透射光谱则不受影响 这样光栅就起到了 光波选择的作用 对于这类调谐波长反射现象的解释 首先是由威廉 布拉格爵士提出 因而这种光栅被称为布拉格光栅 反射条件成为布拉格条件 f b g 的传感原理是 在光纤纤芯传播的的光将在每个光栅面处发生散射 如果不满 足布拉格条件 依次h y t j 的光栅平面反射的光相位将会逐渐变得不同 直致最后相互抵 消 另外 由于系数不匹配 与布拉格谐振波长不符合的光在每个光栅平面的反射也很 微弱 这种反射将沿着光栅长度累加 例如 长l m m 谐振波长为1 5 m a n 为0 0 0 1 的光栅 对谐振波长以外的光反射率约为0 0 5 当满足布拉格条件时 每个光栅平面 反射回来的光逐步累加 最后会在反向形成一个反射峰 中心波长由光栅参数决定 入射光i i 一 反射光i r 图2 1 光纤b r a g g 光栅结构及反射和透射特性 f i g 2 1 s k e t c h o ff b gs t r u c t u r ea n di t sp r o p e r t i e so fl i g h tr e f l e c t i n ga n dt r a n s m i t t i n g 布拉格光栅条件实际上是满足动量与能量守恒的另一种简单的表示形式而已 能量 守 t 酉 h r o j 矗哆 要求入射光与反射光频率相同 动量守恒则要求入射波矢量k 与光栅波 矢量k 之和等于散射波矢量 厂 即 k k 巧 2 1 锥形光纤b r a g g 光栅制备及其传感特性研究 光栅的波矢量k 幅度大小为2 州人 方向与光栅面的法向一致 波矢量的大小相等 方向相反 因此 动量守恒条件变为 2 孚 罢 可以简化为 散射波矢量与入射 2 2 厶 2 人 2 3 式巾 光纤b r a g g 光栅波长厶是光纤b r a g g 光栅反射回来的入射光在自由窄间巾 的中心波长 是光纤纤芯对自由空间中心波长的折射率 人为光栅栅距周期 丹 人受外界环境的影响所产生的变化为血斫和 人 导致巾心b r a g g 波长发生偏移 九 由b r a g g 条件可得 a 2 月 2 a 2 甩 a 2 4 上式表明 反射波长偏移与光纤纤芯的g l e f f 和人的变化有关 当f b g 受到轴向应 力作用或温度变化影响时 和人发生变化 应力作用下弹光效应导致n 变化 形 变使人变化 温度对波长的影响来源于热光效应引起的船 矿的改变及热膨胀效应引起的 人的改变 当应变和温度同时发生变化时 光纤光栅无法区分由二者分别引起的波长变化 因 此 当测量其中一个量时 如何避免受到另一个量的影响 或实现应力 温度同时测量 这个问题已成为光栅传感器的关键问题 1 1 下面分别介绍光栅的几种传感模型 1 光栅的温度传感模型 当b r a g g 光栅处于没有外力引起应变的自然状态时 如果温度发生变化 光纤材料 的热光效应会引起光纤纤芯有效折射率 z 矿的变化 光纤材料的热膨胀效应会引起光栅周 期人的变化 为了得到光纤光栅温度传感器更确切的数学模型 对所研究的光纤光栅作 以下假定 仅研究温度均匀分布情况 忽略光纤光栅不同位置之间的温差效应 由于光纤光 栅的尺寸一般都是在几个m m 最大不超过2 0 m m 可以认为光栅处于一个均匀的温度场 中 忽略光栅不同位置之间的温差而产生的热应力影响 人连理工人学硕士学位论文 假设整个实验过程巾光栅处于光纤材料的线性热膨胀区 忽略温度变化对其热膨 胀系数的影响 认为热膨胀系数在测量温度范围内可以始终保持为常数 由于石英材料 的软化点在2 7 0 0 c 左右 所以在实验温度范围内可以完伞忽略温度对热膨胀系数的影响 假设在光栅波长变化范围内以及整个温度范围内 光纤材料的热光系数始终保持 不变 基于以上3 点假设 式 2 3 对温度取导数 得 d 厶 a 鲁嘞护a a 2 a 打 2 5 d 厶 罟 磊 打 l z b o i 0 1 式 2 5 除以式 2 3 可得 盟 上堕 上坠 d 丁 2 6 九 力 厅a 丁 人a 丁7 令孝 石1 雩笋 为光纤材料的热光系数 口 x 1 而a a 为光纤的线性热膨胀系数 n e 仃 o l o l 上式改写为 警 f a d t 2 7 式 2 7 为光纤b r a g g 光栅温度传感的数学表达式 从该式可以明显看出 当光纤光 栅材料确定后 光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上为一与材料相关的常数 这就在理 论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器可以得到很好的线性输出 令昕 善 口 九 为光纤光栅温度传感的灵敏度系数 由此可得 a a t 2 8 式 2 8 为光纤光栅波长变化与温度变化的关系式 这样就可以通过检测波长变化得 到温度的变化结果 对于掺锗石英光纤 0 取5 5 1 0 7 c 芎取7 1 1 0 6 1 2 有效折射 率 e f t 1 4 5 6 所以 温度对f b g 波长漂移的影响为 厶 口 孝 尬丁 7 6 5 1 0 6 尬丁 2 9 分别取光纤光栅的中心波长为1 5 4 5 n m 1 5 5 0 n m 和1 5 5 5 n m 相应的温度灵敏度系 数为11 8 1 9 p m c 11 8 5 7 p m c 和l1 8 9 6 p m c 由于掺杂成分和掺杂浓度的不同 各 利 光纤的膨胀系数口和热光系数f 有较大差别 因此温度灵敏度系数差别会很大 当光 栅的制作及退火工艺条件不同时 f b g 的温度灵敏度也会稍有差异 尤其光纤光栅经过 锥形光纤b r a g g 光栅制备及其传感特性研究 封装后 封装材料会极大地改变光纤光栅的温度传感特性 因此经过封装后的光纤光栅 须经过标定才能用于实际温度测量 2 光栅的轴向应变传感模型 当温度保持恒定 光纤光栅只发生轴向应变时 其布拉格巾心波长也会发生变化 其主要原因有三个方面 光纤弹性形变 光纤弹光效应和光纤内部应力引起的波导效应 在建立应变传感模型之前 先做以下几点必要的假设 作为传感元 光纤光栅的结构仪包含纤芯和包层两层 忽略所有外包层的影响 假设光纤光栅在所研究的应力范围内是一个理想的弹性体 遵循虎克定律 并 且内部不存在且应变 假设光纤光栅的折射率变化在横截面上均匀分布 并且这利 由于激光诱导引起 的光致折射率变化不会影响光纤各向同性的特点 当所有应力问题均为静应力 不考虑应力随时间变化的情况 光纤为柱型结构 通 常采用柱坐标下应力应变的表式方式 即以下标 r 0 z 组合来表示轴向 径向及剪切应 变 根据h o o k e 定理 各方向的应变为 而d 障v 昙 一爿 2 1 0 式中 e 和v 分别是石英光纤的弹性模量及p o i s s o n 比 根据在均匀轴向应变作用下各方向的应 变值 可以进一步求解光纤光栅的应变灵敏度系数 各方向的应变通过光弹效应和轴向变形分别对 b r a g g 光栅的有效折射率和光栅剧期会产生影响 从而使斫j 拉格波长产生漂移 对光纤b r a g g 光栅中 心波长表达式 2 3 两边微分 得 d 九 2 a d n 2 d a 2 1 1 将式 2 11 展开 得 2 s 2 a 鲁址 鲁a a 2 n a 砚a a l 2 1 2 式中 a l 为光纤的纵向伸缩量 d a 是由于纵向拉伸引起的光纤直径变化 a n a o l 为弹光效应 a 口为波导效应 已知相对介电抗渗张量屈 与介电常数岛有如下关系 岛 l l 巧 2 1 3 式巾 嘞为某一方向上的光线折射率 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 因此 仪研究光纤光栅反射模的有效折射率n e f f 故将式 2 1 3 变形为 人连理上人学硕士学位论文 北 刳一万2 劭 2 1 4 由 j 7 锄 鲁址 把式 2 1 4 f 匕入式 2 1 2 且略去波导效应 其余项i i r 变形为 九 2 人 一 去 2 移形 上瓦d a c 2 1 5 式中 g 丝 n 16 k g 一 为纵向伸缩应变 由于式 2 1 3 的存在 可得 九更为简洁的表达式 实际卜 在有外界应变存 在的情况下 相对介电抗渗张量p 应为应力的函数 利用式 2 1 3 对卢 进行t a y l o r 展开并略去高 阶项 同时引入材料的弹光系数p o 得 如训 一 2 1 7 利用光纤的对称性 将式 2 1 7 代入式 2 1 5 得到弹光效应导致的相对波长移位为 等 一爿i 1 2 肌帽 p 十 2 1 8 p l i a 2 为弹光常数 即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化 式中利用了均匀光纤在 均匀拉伸下满足的条件 一0 a 土 1 2 19x 一一 令光纤的有效弹光系数p 一g o m p z o p l