光纤布拉格光栅温度传感技术研究解读

1、武汉理工大学 硕士学位论文 光纤布拉格光栅温度传感技术研究 姓名:柴伟 申请学位级别：硕士 专业:机械电子工程 指导教师:姜德生 20040501 摘要 光纤 Bragg 光栅传感器是利用 Bragg 波长对温度、应力的敏感特性而制成的一 种新型的光纤传感器，除具有传统电类传感器的功能外，它还具有分布传感、抗电磁 干扰、精度高、长期稳定性好等优点，在大型复合材料和混凝土的结构监测、智能 材料的性能监测、电力工业、医药和化工等领域有着广阔的应用前景。对温度的测 量是光纤 Bragg 光栅传感器的重要应用之一。对光纤光栅进行温度传感研究不仅满 足了对温度检测的需求，而且还为光纤光栅应变传感器的温度

2、补偿提供了必要的基 础。 研究表明，光纤 Bragg 光栅传感特性稳定,是理想的温度传感元件。但是必须对 Bragg光栅进行有效的封装，才能使其成为能满足工程实际要求的传感器。因此对光 纤 Bragg 光栅传感器封装方法的研究对于其走向实际应用具有重要的意义。本文对 光纤 Bragg 光栅的温度传感进行了研究，主要工作如下： 对光纤 Bragg 光栅传感技术做了深入的研究和分析。针对工程实际应用，提出 了光纤光栅温度传感器的设计要求。通过研究目前光纤光栅温度传感器封装的现状 并分析已有封装方法的特点，提出了一种新的光纤光栅温度传感器封装方法。然后 通过实验研究了封装结构及工艺对光纤光栅温度特性

3、的影响，并对实验结果进行了 理论分析。可以得到以下结论： 1 在封装过程中对光纤光栅旌加一定的预张力可以使光纤光栅温度传感器有很 好的重复性。 2 封装结构可以提高光纤光栅作为温度传感器的温度灵敏度系数。 3 封装后的光纤光栅依然保持着波长与温度良好的线性关系。 因此，采用此种封装结构的光纤光栅温度传感器具备良好的重复性、线性度和 灵敏度，可以满足实际应用的要求，具有广阔的应用前景。 此外,本文还介绍了光纤光栅波长解调系统的基本原理，分析比较了几种常用的 光纤Bragg 光栅波长解调方法。探讨了基于调谐光纤 F.P 滤波法的光纤光栅解调器 的研制，并组建了比较完整的光纤光栅温度传感检测系统。关

4、键词：光纤光栅温度传 感封装方法波长解调 Abstract Fiber Bragg grati ng(FBGse nsor,which USeS the property that the Bragg wavele ngth is sen skive to temperature and stra in ,is a new kind of fiber optic sen soL In additi on to hav ing the same fun cti ons as the traditi onal electric sen sors, the FBG sen sor also has

5、some special characteristics such as distributed sensing, immune to electromagnetic interference,h 曲 precision and Iong-term stability.So it has widely applicable perspective in many fields such as the structure monitoring of large compo und material and con crete,the performa nee mon itori ng of th

6、e in tellige nt materials,electrical power in dustry,medici ne in dustry,chemical engin eeri ng etc.Study on FBG temperature sensing not only meets the need of temperature measur 既 nent,but also provides the basis of temperature compe nsati on in stra in measureme nt. Accord ing to the existed resea

7、rches,FBG has stable sensing properties,a nd thus is an ideal kind of temperature sensing material.But only a/ er the FBG is en capsulated with proper method,it call become a sen sor that is applicable in engin eeri ng.ln this thesis,study is focused On FBG temperature sensing tech no logy,a nd the

8、main tasks are as follow: After study on the FBG sensing tech no logy,the desig n requireme nts of FBG temperature sen sor is put forward,accord ing the practical n eeds in engin eeri ng. On the basis of research on the curre nt status of FBG temperature sen sor en capsulati on,and the characteristi

9、cs of existed en capsulati on structures,a new forward.Then we study the encapsulating method using thin steel tube is put effects of this en capsulat ing method on the FBG temperature properties by experime nts.We also perform some theoretical an alyses on the experime ntal results.We have draw n t

10、he followi ng con clusi ons: 1The en capsulated FBG temperature sen sor will have good repeatability if ten sile force is put on the FBG duri ng the process of en capsulatio n. II 武汉理工大学硕士学位论文 2The en capsulated FBG temperature sen sor has higher temperature sen sitivity tha n that ofthe bared FBG.

11、3The en capsulated FBG temperature sen sor has good lin earity.So,we car/say that the FBG temperature sen sor en capsulated in this new structure has good temperature properties,a nd thus has applicable values. In this thesis,we also introduced the basic principles of fiber grating wavelength demodu

12、lati on system.Some com mon used demodulati on methods are discussed,with emphasis on the tun able fiber FabrPerot(F Pfilter demodulatio n method.As last,a completed FBG temperature sensing is con structed. Key words:fiber Bragg grati ng;temperature sensin g;e ncapsulat ing method; wavele ngth demod

13、ulati on m 武汉理工大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1.1 研究课题的提出与意义 传感技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、 光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术 和密集型前沿技术。现阶段，从宇宙探索、海洋开发，到国防建设、工农业生产：从环 境保护、灾情预报，到包括生命科学在内的每一项现代科学研究；从生产过程的检测 与控制，到人民群众的日常生活等等，几乎都离不开传感器和传感技术。事实证明，传 感器和传感技术已经渗入了新技术革命的所有领域 ，涉及了国民经济的每个部门，进 入了大众生活的各个方面【； 现代信息技术是由信息的采

14、集、传输和处理技术组成 ，因此传感器技术、通信 技术和计算机技术成为信息技术的三大支柱。光纤传感技术自 20 世纪 70 年代伴随 光纤通信技术的发展而迅速发展起来，它是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输 外界被测量信号的新型传感技术21。当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特 性的信息时代，光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势 13J。 新一代光纤技术一-二一光纤光栅将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起 一场新的技术革命 H。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，专家们预言从光纤 通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性的飞跃 L。. 我国对光纤传感器的需求量

15、很大，光纤传感器的市场前景十分诱人 f61。但我国 在光纤传感器的研究与开发方面，尤其是在商品化、产业化方面还远远满足不了市 场需求。与发达国家相比，光纤传感器的市场销售额占我国传感器销售额的比例很 小，特别是在光纤传感器的共性基础、中间试验和生产装备技术方面尤为突出 ，影响 了光纤传感器产品的产业化进程。 武汉理工大学光纤传感技术研究开发中心作为光纤传感技术国家重点工业性试 验基地，在光纤光栅传感器的研究方面投入了巨大人力和物力，在一 武汉理工大学硕士学位论文 些关键的技术领域取得了重大的技术突破。现在正在进行各种光纤布拉格光栅 传感器的应用研究开发。本文研究目标是对光纤光栅传感器的实用化进

16、行技术攻关 针对现有光纤光栅传感器的不完善之处，找到可行的技术途径，研制出适合工程应用 的光纤光栅传感检测系统。 1.2 光纤光栅传感检测技术的特点及发展现状 与传统的强度调制和相位调制的光纤传感器相比，波长调制型的光纤光栅传感 器具有许多独特的优点4 : 1 抗干扰能力强：因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性（忽略光纤的非线 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、耦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。2 光纤光栅是自参考的，可以进行绝对测量 f 在对光

17、纤光栅进行标定后，不必如基 于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。 3 传感探头结构简单、尺寸小（其外径与光纤本身等同，适用于各种场合，尤其是 智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安 全性、载荷疲劳、损伤程度进行连续实时监测。 4 便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用（WDM 技术构成分 布式光纤光栅传感阵列，进行大面积的多点测量。 51 测量结果具有良好的重复性。 6 光栅的写入工艺较成熟，便于形成规模生产 f 商品化。 基于光纤光栅的上述诸多优点，其被广泛应用于大型民用工程建筑（大桥、大 坝、高层建筑中以监测压力、温度、应力、应变对建筑物

18、的影响【 。于 1993 年 建成并投入使用的 Beddington Trail 大桥口】，位于加拿大的 Calgary,是世界上首座 用碳纤维预应力筋构筑其大型预制混凝土板梁的大桥。在 26 根梁中，有 5 根埋设了 光纤布拉格光栅传感器。传感器被粘附于钢筋表面，并使用混凝土梁侧面的凹槽对 置入的光纤进行保护。随后，光栅被熔接到有防护套的长光纤上，接入控制室的中央 接线盒。在那里，它们被连接到各种 仪器上以监视结构内应力变化，记录载重卡车的动态及静态负荷。这是光纤布 拉格光栅成功用于准分布传感系统的首次报道。 1994 年法国的 CORA2000 研究计 划把光纤光栅准分布传感系统用于核电站

19、的结构监控。 1995 年瑞士联邦实验室报 道了光纤布拉格光栅在民用工程中的应用。同年法国、瑞士、比利时和葡萄牙联合 研制用于矿井安全监测的光纤布拉格光栅准分布传感系统。挪威的 D.R.Hjelme 等 人则使用 FBG 传感器检测使用新型复合材料制作的 1:20 的舰艇模型的抗风浪能力 【9。美国国家宇航局（NASA 也计划采用 FBG 传感器监测用石墨/环氧树脂复合材 料制作的航天器液体燃料箱的结构完整性，并已进行了初步试验【l。美国在波音777 跟踪复合材料的温度、应力、应变等物理量变化的实验中应用光纤布拉格光栅 技术取得了显著成果，这项技术大大提高了设计的可靠性、合理性和科学性。 国内

20、光纤光栅传感器的研究开发相对落后一些。上世纪九十年代初期 ，清华大 学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展了传感光纤光栅的研究。通过十多 年的研究和开发，光纤光栅传感技术已得到快速的发展，特别是在光纤光栅传感机 理、光纤光栅制各技术、解调技术、信号检测与处理技术方面具备了相当水平的理 论基础和一定的技术水准。但是现阶段大部分光纤光栅传感器的研究还只局限在实 验室范围。目前国内有一些学校和研究所正在进行光纤布拉格光栅传感实用系统应 用技术研究，但是有一些关键的技术问题还有待突破，所达到的技术指标和国外相比 还有一些差距。 为了加快我国在这个高新技术领域的发展，国家计委通过 光纤传感技术国家重

21、 点工业试验基地”项目的投入，引进了光纤光栅制备系统和多通道光纤光栅解调等相 关设备，使我国在传感用光纤光栅的研究方面具备了世界先进水平的物质技术基础 加快了我国在此领域赶超国际技术的步伐。经过几年的努力，在光纤光栅的制备技 术、传感技术和解调技术方面，取得了多项成果。特别是在光纤光栅制备技术的研 究方面，已取得重要进展。其主要技术指标达到国际先进水平。在光纤光栅设备方 面，已成功研制出多点光纤光栅解调的实验装置。武汉理工大学光纤中心在光纤光 栅的研制和光栅信号解调等关键技术上取得了重大突破。为了尽早将这项技术应用 到工程中去， 己广泛开展了光纤光栅传感工程应用技术研究，本文的研究工作隶属于上

22、述研 究范畴。 1.3 课题的产生与主要研究内容 本课题是国家科技部 863 项目光纤光栅传感技术产业化研究”编号 2002AA3131401 的一部分。课题的研究目标是在探究光纤布拉格光栅的各种特性 的基础上，对传感探头封装材料与工艺进行研究，研制出适于工程应用的光纤布拉格 光栅温度传感器的生产技术，并形成适合工程应用的光纤光栅温度传感检测系统。 本课题研究采取与实际工程应用试验相结合的研究方法。依托武汉 N2 大学 光纤传感技术国家重点工业性试验基地”的有关工业试验条件，开展工业化生产试 验，以解决规模化生产的一系列技术与装备问题。本文的主要研究工作如下 ： 1 结合工程测量的要求，通过大

23、量的试验研究，分析了多种封装结构和工艺对光 纤光栅温度传感器特性的影响，研制出了适合工业应用的光纤光栅湿度传感器的封 装制作方法和工艺。 2 分析比较了几种国内外提出和进行过研究的 FBG 波长解调方法，探讨了基于 调谐光纤 F-P 滤波法的光纤光栅解调器的研制，并组建了比较完整的光纤光栅温度 传感检测系统。 3 对本课题的研究工作进行了总结并对以后的研究工作提出一些建议。 V3S 畫闿氏 1.1 Li.l UMM inn sHu能心島11 Him驸 rrii诃 霁 暫坤 H 盲宅刖叫 -IM- 庄曬斗fl 托 t*l. W ft!尺吟汽凳卉丘 MW点 |1 twilit. iRT- V WE

24、T - 轉宅 21 t ML止艮弓 0 gi MM* F W*11- 总申 it. T希A ipp. Mff UMMVMB皿升 1 r*Jbii4*Wfc*|WWJ h-n AfiH硏口 盘 4 廉4 m.ouaifMilB, . K.OM1 W.P 章豪廈帆貝护q斥匸*暑 E ri：耳输应別百it*引 T 昌百球：hj童皆匸 斗.4A 04 点切已甘，*L诅町 .耻用*40* *占 3： nr w* Hlr*W*1BtfH*7 WtldtiFCFrf Mir-f li 戟見*1 逹皙書粥也V fll舟10 咄如 r=0 解此方程组，可得应变和温度的绝对误差为 璺厶!b79 队 10羽（2-2

25、8 I 跃厶 2=0.77AgAT 在 0 伊一 loo 翻钢 01%应变的测量范围内，应变的相对误差为 7.9X10 一，温度 的相对误差为 0.77%。通过以上分析，我们可以得出以下结论： 1 忽略光纤光栅的应变一温度交叉灵敏度对、钡 I 量结果的影响不是很大。 2 测量范围越小，忽略交叉灵敏度所引起的应变和温度误差越小。 3 相对于温度误差，忽略交叉灵敏度所引起的应变误差是很小的。 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述,如果忽略交叉灵敏度的影响，温度、应变共同作用引起的 Bragg 波长的变化可以表示为： 如=（巧+K。如 （229 因此,应变和温度对光纤光栅的作用可以看作是相互独 立的,

26、线性叠加的。 2.3 光纤光栅解调技术 用光纤光栅构成的传感系统中，传感量主要是以波长的微小移动为载体，所以传 感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。对光纤 Bragg 光栅的理论分析和实 验研究表明，FBG 的温度和应变灵敏度很小，对中心波长移位 4八。的检测精度直接决 定了整个系统的检测精度。因此解调技术，即精确测量波长漂移的技术是光纤 Bragg 光栅传感的关键技术之一。 对 Bragg 波长解调的传统手段是使用光谱仪、单色仪等仪器。但是这类 仪器不仅价格昂贵而且体积庞大，构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢固度，在一 个面向实际应用的传感系统中采用这类仪器检测光纤光栅的波长移位是极不现实

27、 的。为了开发结构简单而且实用的高分辨率光纤光栅传感器信号解调系统 ，近年来 国内外开展了许多研究工作，并取得了令人注目的进展。 光纤光栅解调常用的方法有：非平衡 M.z 干涉检测、可调光纤 F-P 滤波器和匹 配光纤Bragg 光栅滤波解调。 2.3.1 非平衡 Mach-ZehndertM.z 千涉检测 这种方法是在 1992 年，由 A.D.Kersey 等人提出口 51。当一定中心波长的光波 通过非平衡光纤干涉仪时，将产生与波长成反比的相位差，借此可测量相应的光波 长。图 24 所示为非平衡 M-Z 光纤干涉仪示意图。FBG 的布拉格反射光经 3dB 耦合 器 C2 注入非平衡 M-Z

28、光纤干涉仪，该非平衡 M-Z 光纤干涉仪两臂之相位差为 妒（A=2fi nAI/ 名（230 式中 11 为两臂光纤纤芯折射率；，为两臂光纤长度差；厶为 FBG 的特征波长。 16 根据 M-Z 干涉仪的两路电压信号经差分放大器合成后的关系 ，可得 M-Z 干涉仪 两路信号经差分放大器的信号为 K=2,ZVo cos（兄】=2cr%cos（2ernAI/厶（2? 31 当 FBG 受外界信号（被测量 调制时，其特征波长九变为矗，产生波长偏移五=磊一九。对上式取微分得 巧=4 口 nnAlVo sin（2rmAI 符（曲（2-32 由上式可见，非平衡 M-Z 干涉仪法仅 适合于相对测量，而不能用

29、于绝对测量。由于非平衡 M-Z 干涉仪受环境干扰大，如果 不采取特殊措施，只能用于频率高于 100Hz 的动态测量。为了抵消噪声造成的低频 相位偏移，可在干涉仪的一臀中加入 PZT 调制器。这种解调方式的局限性是 Mach- Zehn der 光纤干涉仪在测量中受到周围环境干扰因素的影响 ，而随机干扰因素会引起 干涉仪的信号臂和参考臂相位产生随机波动，这种相位漂移将会引起检测信号的消 隐或是畸变，直接影响到干涉仪的测量精度。 图 2.4 非平衡 M.Z 干涉检测 L 一光源:D 一光探测器:A. 差放 2.3.2 可调谐光纤 Fabry-Perot(F-P 滤波法 f26J 图 2.5 为可调

30、光纤 F.P 滤波器解调系统。可见光源经隔离器进入传感器阵列，反 射光信号经耦合器到可调谐 F-P 滤波器。当锯齿波驱动 F-P 滤波器使其透射波峰与 光纤 Bragg 光栅反射峰重合时，即可由此时的 F_P 滤波器驱 17 动电压.透射波长关系测得光纤 Bragg 光栅反射峰位置。但由于透射谱是反射 谱与 F.P滤波器透射谱的卷积，会使带宽增加，减小分辨率。为此，在扫描电压上加一 小的抖动电压，输出经混频和低通滤波器，测量抖动频率，在信号为零时,所测即为光栅 的反射峰值波长，此时可抖动提高系统的分辨率。 抖动信号混合嚣 图 2-5 可调谐光纤 F-P 滤波器 该方法的优点：很高信噪比和分辨率

31、。缺点：它的稳定性和可调谐的范围尚不够 理想 j在一定程度上限制了光栅的个数和使用范围，并且解调频率不够高，目前美国 Micro Optics公司研制的最高工作频率在 100Hz 左右。 2.3.3 匹配光纤 Bragg 光栅滤波解调271 匹配光纤 Bragg 光栅滤波法解调的工作原理如图 2-6 所示。除了作为传蘑元件 的光纤Bragg 光栅外，还要使用一光纤 Bragg 光栅作为参考光栅用于解调。参考光 栅在压电陶瓷PzT 的作用下，其反射波长将在一定范围内来回移动，光谱移动范围涵 盖了传感光栅的反射谱，传感光栅和解调光栅的 Bragg 光栅波峰重合时，光信号强烈 反射。由区丌的电压.波

32、长调谐关系即可测得作用于传感光栅的物理量。91 该系统结构简单，造价低廉。不足之处为：由于信号光经过许多耦合器到达解调 光栅，最终导致系统信噪比下降，而且响应频率也不够高。 匹配童 珏 J 吲挂 图 2-6 匹配光栅解调示意图 2.4 光纤 Bragg 光栅传感系统和传感网络基本构成 2.4.1 传感检测系统 图 2-7 光纤光栅传感检测系统示意图 光纤光栅传感检测系统由两大部分组成【16】：传感光栅和解调仪（图 27。宽 带光源出射的光在传感光栅中传输，待测量加在传感光栅上。当待测量发生变化 时,Bragg 反射光波的中心波长产生漂移。经耦合器导入解调仪 ，从而确定待测量。 各种功能更复杂、

33、性能更优越的光纤光栅传感检测系统都是在此基础上 ，对各 单元进行改进而实现的。 19 242 传感网络口 81291 有些被测量往往不是一个点，而是呈一定空间分布的场，如温度场，应力场等。为 了获得这一类被测对象比较完整的信息，需要采用分布调制的光纤传感系统。所谓 分布调制，就是指外界信号场（被测场以定的空间分布方式对光纤中的光波进行调 制，在一定的测量域中形成调制信号谱带，通过检测（解调调制信号谱带即可测量出外 晃信号场的大小及空间分布。 SI SZ S3 团圈 si . 82;二:sn 图 2 8 光纤布拉格光栅分布式传感系统原理示意图 光纤布拉格光栅传感器一个主要的优点就是：能方便的使用

34、波分复用技术在一 根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量。 光纤布拉格光栅分布式传感系统的 基本原理如图 2-8所示。一根光纤上串接的多个布拉格光栅具有不同的光栅常数。 宽带光源所发射的宽带光经丫型分路器通过所有的布拉格光栅，每个布拉格光栅反 射不同中心波长的光。反射光经 丫型分路器的另一端口耦合进解调仪，通过解调仪 探测反射光的波长及变化，就可以知道各个布拉格光栅处被测量的情况。 严格地讲，一般光纤布拉格光栅分布式传感系统应称为准分布式系统，因为光纤 布拉格光栅分布式传感系统难以做到连续分布，而是点式分布。但布拉格光栅的长 度可以做到毫米量级，实际应用的空间分辨率要比基于时域技术的连续分布

35、系统离 得多，时域连续分布系统的空闻分辨率只能达到米量级。 第 3 章光纤光栅温度传感检测系统研究 对 Bragg 波长信号进行解调是 Bragg 光栅传感器应用的关键技术之一。本章将 研究光纤光栅的解调技术，并在此基础上构建一套完整的光纤光栅温度传感检测系 统。 3.1 光纤光栅温度传感系统的组成 由光纤光栅的传感原理我们知道，当光栅周围的温度、应力或其它待测物理量 发生变化时，光纤光栅的中心波长会产生改变。通过检测光栅波长的改变情况，即可 获得待测物理量的变化情况。因此一个光纤光栅温度测量系统至少要有光纤 Bragg 光栅传感器、光纤光栅解调仪组成。Bragg 光栅传感器感知外界温度量的变

36、化，并以 波长变化的形式输出。光纤光栅解调仪检测波长的变化，将波长的变化转换为其它 易于处理的量 Sn 厂 11-7-,-t ;唇习。2 卜一卅垦 8 口 IL 数据处理、显示光纤光栅解调仪 I =卜 - 一- Bragg 光栅温度 传感器 图 3-1 系统组成结构图 图 3.1 所示为一个基本的光纤光栅温度传感检测系统。 Bragg 光栅温度传感器 感知外界温度的变化，并将外界温度的变化调制成波长信号。光纤光栅解调仪将波 长信号转变为相应的电信号，并传送给计算机。 计算机对接收到的电信号进行处理 计算出对应的 Bragg波长值，然后根据波长温度标定 数据计算出相应的温度值。测量结果在计算机屏

37、幕上显示。在实际应用中 ，常 常将多个光纤光栅传感器串联起来，构成分布式传感检测系统。 3.2 光栅解调系统的设计 3.2.1 解调原里 130I 通过前面章节的讨论可以知道光纤光栅是良好的敏感元件 ，但是将其应用于传 感领域还必须解决如何对光栅反射光波长进行快速而可靠检测的问题。 解调系统所面临的问题是一束反射光中不同波长光的分辨与波长测量的问题 , 这是一个属于光的频域闯题。但是我们知道，目前的光电转换器件只能完成对光强 的光电转换，还没有对波长的光电转换器件。因此，我们就必须将对光波长的测量问 题转换成在空间中不同位置光强测量的阅题，其中光分布位置的不同对应不同波长 的分布;或者转换成时

38、域 中不同时刻光强的测量问题，即光在不同肘刻的分布对应不 同波长的分布。 对前一种思路，可称为光谱分析法，其基本原理是将传感探头的输出光经光纤送 至分光计分光，再由 CCD 探测器检测不同波长的光强分布。一旦光波长偏移 ，光强 分布即发生变动，计算机通过计算分析即可计算出相应的波长偏移量或它所对应的 被测量。这种解调方案的结构比较复杂。 对后一种思路，根据使用光源的不同，又分为两种方法，一种是波长扫描法，其基本 原理是用可调谐激光光源取代宽带光源。可调谐激光光源的波长与光栅光谱接近、 且谱宽小于Bragg 反射光谱的谱宽。通过调谐激光器的输出波长进行光谱扫描。由 于 FBG 仅对其特征波长这一

39、单一波长光进行反射，因此只有当可调谐激光器的输出 波长与 FBG 的特征波长相等时，后向 Bragg 反射光才在探测器上产生强输出，通过可 调谐滤波器将窄带光源的中心波长锁定在该状态 ，即可测知 FBG 的特征波长。当 Bragg 特征波长受外界信号调制偏移至另一波长时，可调谐激光的输出波长也随之调 谐至这一波长。这是一种极具前途的光波长调制解调方法，但是可调谐激光光源费 用很高。 另一种解调方法是光学滤波法，其基本原理是在光纤光栅的输出光路中安置可 调谐滤光器，并使其在光纤光栅特征波长附近扫描，可调谐滤光器过零点时的输出波 长即为光纤光栅的特征波长。采用这一方案可以实现体积小、轻巧灵便、适合

40、于便 携的波长检测仪。特别是选用可调谐光纤 F.P 滤波法可以完成绝对量测量和相对量 测量，也可用于动态和静态测量。本文中将选用这一解调方法。下面阐述系统的工 作原理和实现方案。 宽带光源耦台器 Bragg 光栅 1IH|卜 ql|H|IP _一 S1S2S3Y 4- 厂一。 I 18 魑忙:二二=0; si S2S3 一 Sn 反射光谱 图 3-2FBG 波长解调系统基本原理图 图 3-2 是选用可调谐光纤 F-P 滤波法的 FBG 波长解调系统的基本原理图。分 布式 FBG传感系统在一根光纤中串接多个 FBG 传感器 sl,s2,s3 。宽带光源 照射光纤时，每一个 FBG 反射回一个不同

41、 Bragg 波长的窄带光波。任何对光纤光栅 的激励影响如温度或应变，都将导致这个光纤光栅 Bragg 波长的改变。光纤光栅传 感解调系统通过测量各光纤光栅传感器反射光波长的变化来测量各点的待测参量的 变化。在解调系统中用耦合器导引光纤光栅反射光进入可调谐窄带光纤 F.P 滤波 器。在调谐控制信号的作用下，光纤 F.P 滤波器的导通频带扫描整个光栅反射光光 谱。由于光纤F.P滤波器的导通频带很窄，当光纤F-P滤波器的导通中心波长与某一 光纤光栅的Bragg波长相等时，有且仅有一个光纤光栅的反射光通过光纤 F-P 滤波 器进入到光电探测器， 豎u色空t!哎曼中d lh，丰印常itueb丄F M

42、宅HIT阿覽1軋 Ri 1- FBJ m K: in Rtna M ivt itsS- 扫円 1.輕 RAfifflflL Mt*；, 妁 THU 昨 4睥C * .ID IS Ml 锁和巧刖柯怙塾. j.tj m甘 fe x tfFAlhfll 皿 V T* -virifi imt!% i G IT V A： T*t T tfl H tilll-h rE 1. R $ R *443 和宅噸 If Mu Hli*W -* EBCK 3 覽Ufl 豐晝耳审w.Hnl VHMB. IMbUff MlM1- 屯 计数信号给接口电路，接口电路中的 D/A 转换器将计数信号转换为波长选择器 的扫描驱动控

43、制信号。在每一轮扫描过程中，当波长选择器的通过波长与输入的窄 带反射波中心波长匹配时，窄带反射波会通过波长选择器到达光电探测器。计算机 通过接口电路对光电探测器产生的电信号进行采集 ，然后进行数据处理，从而得到窄 带反射波的中心波长值，并将测量结果显示在计算机屏幕上。 3.3 系统软件设计 331 程序结构 计数信号 图 3.4 解调器系统软件主界面 软件的界面图 3-4 所示。用户单击开始按钮将启动解调器的扫描工作。解调器 工作时会在界面的左边显示测量到的波长值和对应的温度值。同时在界面的中部会 连续的绘制出每个光栅的波长变化趋势线。软件会自动检测所解调的光栅数目 ，并 将测量结果同时显示出

44、来。要结束扫描过程，只需单击结束按钮即可。程序的结构 见图 3.5所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图 3.5 程序状态图 用户可以根据需要设置扫描速度。扫描速度是通过调整计数器信号的步增量实 现的。计数器取较大的步增量可以提高扫描速度 ，但是会降低扫描的精度。软件还 提供了数据保存功能，可以实时的保存所测量到的数据。在测量过程中，软件要完成 以下功能： 1 控制光纤光栅解调仪的工作：控制波长选择器的启动与停止，以及波长选择器 的扫描频率； 2 采集光电探测器输出的电信号； 3 对采集到的电信号进行数据处理,从而得到 Bragg 波长值: 4 根据温度传感器的波长温度标定数据，计算出对应的温度

45、值并输出测量结果。 3.3.2 并口通讯设计【3111321 在本系统的设计中，软件要和解调器之间要进行大量的数据交换。计数器信号 要通过软件产生并发送给解调器的接口电路，同时软件还要从接口电 武汉理工大学硕士学位论文 路采集光电探测器的输出信号。由于串行口的数据传输速率有限 ，在本系统中, 我们采用计算机并口进行数据传递。 系统要通过并口进行双向通讯，所以并口的工作模式要设置为 EPP。增强并口 协议（EPP 与标准并口协议（SVe 相比,增加了产生与控制握手信号的电路，更适合于 需要通信、控制、 数据采集的场合，其传输率与PC内部ISA总线的速率接近，典型 的传输速率为500Kb/s 2M

46、b/s。应用前，要在 PC 机的 BIOS 设置中将并口设置为 EPP 模式。系统工作时，通过计算机并口不断驱动波长选择器进行扫描，并进行数据 采集。 对并口的操作是通过对并口数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器的读写完成 的。在计算机系统中，这三个寄存器的地址分别为：0378H,0379H 和 037AH。控制寄 存器的第 5 位是方向控制位，它控制数据口的读写方向。 在本系统中，通过向数据寄存器写数据以产生波长选择器的扫描激励信号。而 光电探测器的输出信号则通过读状态寄存器来获取。 Visual Basic 不能直接读写并口，所以使用 c 语言编写了对并口的读写函数，并以 动态链接库的形式提

47、供给 Visual Basic 调用。读写并口的函数声明为： Private Declare Fun ction WritePPort Lib In teger,ByVal WriteValue As In tegerAs In tegerpportDll.d11 ” fByVal vbAddress As Private Declare Function ReadPPort Lib ” pportDII.dU ” (ByVai vbAddress As In tegerAs Byte 3.3.3 数据处理方法 由于对波峰的确定是通过对波长选择器的精确定位获得的 ，这就要求波长选择 器的光谱特

48、性非常稳定。然而由于受制造工艺的限制，这种波长选择器对许多参数 都十分敏感，如温度、使用年限和结构。这样波长选择器的光谱特性会有漂移 ，从而 导致了解调器测量的漂移。因此，需要改进数据处理方法来补偿波长选择器光谱特 性的漂移，从而减少解调器测量的漂移。本系统中采用了参考光栅差值处理的方法 来解决测量漂移的问题。 27 武汉理工大学硕士学位论文 劳考光栅 1 测量光栅参考光栅 2 计数器值 图 3-6 参考光栅差值处理 在解调器中内置两个光栅作为参考光栅。参考光栅的波长分别为波长选择器扫 描范围的最小有效值和最大有效值。而所有测量用光栅的波长都位于两个参考光栅 之间。两个参考光栅安放在恒温器中，

49、使其波长不受环境温度变化的影响。处理的 方法如图 3-6 所示, x 表示测量光栅与参考光栅 I 所对应的计数器值之差， 丫表示 参考光栅 2 和参考光栅 1 所对应的计数器值之差。我们取 X/ 丫作为确定测量光 栅波长的依据。当波长选择器的光频特性发生漂移时 ，会导致两个参考光栅和测量 光栅所对应的计数器值一起向右或向左发生偏移，它们偏移的趋势是相同的，而且偏 移量也基本相同，但是它们之间的相对位置保持不变，即厶 x/ 丫不会受波长选择器 光谱特性漂移的影响，实验证明采用这种数据处理方法后，解调器基本解决了漂移现 象。 解调器的解调精度在很大程度上依赖于对峰值位置的确定。为了消除噪声干扰 需

50、要先对采集的数据进行滤波处理。本系统中采用了数据平滑算法进行滤波 0 “对 原有数据进行平滑处理。在软件中采用了以下方式进行数据处理 ：对连续采集的 10 个数据按太小进行排序，取中间 4 个值的平均值作为测量结果。这样可以过滤掉意 外出现的干扰信号，避免干扰信号对测量数据的影响。 3.4 系统性能分析 系统中所采用波长选择器的扫描范围是 lOnm,扫描驱动电压范围是：O 12v。 如果测试精度要达到 lpm,则波长选择器的扫描范围要划分成 10000 武汉理工大学硕士学位论文 份。这就要求计数器范围大于 10000。而在系统中,我们使用了 16 位计数器计 数范围是216=65536 所以系

51、统的分辨率可达到 pm 级。 3.5 小结 本节介绍了光纤光栅温度传感系统的组成。对本文所采用的基于调谐光纤 F-P 滤波法的光纤光栅解调器的工作原理和设计进行了探讨。 Wa屯峠屛間tin直映日4 S.t*hMlC d ： 咼RiT rH.t I乜 HI，AP 戡輕N.电產冲*界r葺电:亡r w IP WFflSIlittl *T r t!*ri fr1i*ji c 栅封装元件的温敏实验日 71。作者采用两种不同聚合材料按一定比例均匀混 合后对光纤光栅进行封装处理（见图 4.1,并进行了温敏实验,实验表明在 20C80。C 常温区，该光纤光栅封装元件具有良好的温度敏感性。温度灵敏度由裸光栅的

52、0.01 nm/。C 提高到了 0.133nm/C。 2002 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 1381 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，封装结构 如图 4-2。封装实验研究结果表明，光纤光栅温度灵敏度为 0.02921 nm/C,约为棵光 纤光栅的 3 倍。 图 4.2 钢管内腔中充满环氧树脂封装结构 燕山大学的王玉田等提出了如图 4.3 所示的封装结构口 9。护套用热膨胀系数 小的金属制成，紧密包紧光纤防止拉压过程中的松动。两个护套用两根铅制的金属 条铆接

53、。最后将整个 探头密封在用铜制作的金属套中。该种封装结构将金属的热膨 胀效应和 Bragg 光栅的弹光效应相结合，提高了布拉格光栅测温的灵敏度。 出 图 43 光纤光栅金属套管封装结构 图 4.1 所示的封装方法主要研究的是通过封装结构来提高光纤光栅的温度灵敏 度，文中并没有就重复性进行研究。这种封装方式缺少足够强度的表面材料作保护 因此并不适用于实际温度测量。图 4-3 所示的封装结构比较复杂，其结构的稳定性 很难保证，而且不适合于批量生产。 4.2 光纤光栅温度传感器的设计要求 为满足工程实际应用的要求，在设计光纤光栅温度传感器的封装方法时要考虑 以下几点： 1 传感特性 光纤光栅本身有着

54、优良的传感特性，但传感器的特性与光纤光栅的封装、保护 和传感器的结构密切相关。在进行传感器的工艺和结构设计时，要保证优良的传感 特性。良好的重复性和线性度是对传感器的基本要求，所以在研究中我们将重点考 察这两项特性。 2 工艺性 设计的传感器应尽量做到结构简单，易于加工生产，传感器的各项性能指标要易 于控制。 3 使用性能 传感器安装、保护和调试简单、方便，便于实现分布传感和网络集成，满足大型 工程结构的现场施工要求。必须给光纤光栅提供足够的保护 ，所以封装结构要有足 够的强度。封装结构必须具备良好的稳定性，以满足长期使用的要求。 只有满足以上几点基本要求，光纤光栅温度传感器才能应用于工程实际

55、。 4.3 实验装置及方法 在光纤光栅温度传感器封装结构的研制过程中，需要进行大量的实验研究。本 节集中介绍了实验装置及实验方法。 4.3.1 实验装置 本实验选用相位掩模法制作的光纤光栅。所使用的紫外光源为德国 Lambda Physik 公司生产的 Compex.150T 准分子激光器。光栅刻写完成后，采用 Erisson 光纤 涂覆机用丙烯酸环氧树脂进行涂覆保护，然后放入恒温箱进行退火处理 12 小时，工作 温度为 800C。 波长解调使用光纤 Bmgg 光栅解调仪 FBGIS(Fiber Bragg Grating Interrogation System。该设备的波长分辨率为 1p

56、优，扫描范围为 1285nm1315nm 扫描频率为 50Hz。传感器的接头采用通用的光纤 FC/APC 跳线头。 为了有效的控制和调节温度，实验中使用了上海实验仪器厂有限公司生产的 501 型水浴恒温器，该恒温器的技术参数如下： 使用温度范围：最高 95。c 恒温波动度： 0.05C 实验过程中使用两只高精度的水银温度计来读取水浴恒温器的温度值。水银温 度计的精度为 0.1。C,量程分别为 0。C500C 和 500c 一 100。C。 4.3.2 实验方法 m1141】 良好的重复性、线性度和灵敏度是对传感器的基本要求 ，为了检验光纤光栅在 被封装为传感器后波长温度特性的重复性、线性度和灵

57、敏度 ，要进行温度实验。在 实验中，将光纤光栅温度传感器放在水浴恒温器中，调节水浴恒温器使其温度保持在 预定值，待温度稳定后从解调器读取 Bragg 波长值，并从水银温度计读取温度值，从而 得到每个传感器Bragg 波长和温度的关系。 在光纤光栅温度传感器的研制过程中要进行大量的实验 ，为了快速直观的分析 实验数据，我们将每个传感器的温度和波长数据绘制在二维图表中，并对测量数据按 最 d,-乘原理作线性拟合，绘制出线性拟合直线。这样就可以很直观的从图表中看出 传感器的线性度。将同一传感器的多次测量数据绘制在同一张图表中 ，就可以很直 观的分析传感器的重复性。 在实验中，我们使用 Maflab

58、作为数据分析和绘图工具，并编写了数据分析程序 (见附录以方便分析过程。 4.4 实验数据处理方法 本节将介绍对温度实验数据进行处理以及进行误差分析的方法。 4.4.1 传感器的特性分析与技术指标,1211431 传感器的静态特性是表示传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的输入 一输出关系。衡量传感器静态特性的主要技术指标是 ：线性度、灵敏度、迟滞和重 复性。 1 线性度 线性度又称非线性，是表征传感器输出一输入校准曲线与所选定的拟合直线之 间吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度 ，即 气：垒堕 X100%(4.1a 式中,。为输出平均值与拟合直线间的最大偏差；丫。为理论满量程 输出。

59、选定的拟合直线不同，计算得到的线性度数值也就不同。选择拟合直线 的原则应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。常用的拟合方法 有:理论直线法、端点直线法、最佳直线法和最小二乘法直线法。 在本文中将采用最小二乘法直线法。这种方法是按最 /b-乘原理求取拟舍直线 该直线能保证传感器校准数据的残差平方和为最小。最小二乘法的拟合精度很高 ， 但校准曲线相对于拟合直线的最大偏差的绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的 绝对值也不一定相等。 2. 迟滞(滞后 迟滞是反映传感器正反行程过程中输出一输入曲线不重合程度的指标。通常用 正反行程中输出的最大偏差量坩一与满量程输出 y。之比的百分数来表示

60、eH:+z”max 为 00%(4.2 YES 3. 重复性 重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续工作 多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近 ，重复性就越 好。 重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属于随机误差,因此，可根据标准偏差 来计算 e。:竺墼 X100%(4.3 y 船 式中，盯。为各校准点正行程和反行程输出值标准偏差中之最大值 ；口为置信 系数,通常取 2 或 3。a=2 时，置信概率为 95.4%;a=3 时置信概率为 99.73%。 计算标准偏差盯常用的方法有贝塞尔公式法和极差法。贝塞尔公式法计算精度 较高,在本文中将采用该