（光学专业论文）工程化光纤光栅传感器及其网络解调系统研究.pdf

摘 要 摘要 光纤光栅作为。种新型的传感器件，从它问世之日起就受到人们的广泛关 注，在- q 。多年中实现了突飞猛进的发展。随着光纤光栅技术的不断完善发展， 其在传感器领域的应用研究越来越引起人们的重视。 光纤光栅传感器除了具有重量轻、耐腐蚀、抗电磁1 二扰、灵敏度高、结构 紧凑等优点外，还有其独特的优越性，如探头尺寸小，其直径与光纤等同：易 于与光纤耦合，耦合损耗小；波长调制型，抗干扰能力强；集传感与传输于一 体且具有极强的复用能力，易于构成传感网络；测量对象“泛，易于实现多参 数传感测量等等。这是基于上述其他传统传感器无可比拟的优点，使得光纤光 栅传感器近年来在复合材料及混凝土结构状态检测、电力工业、医学以及能源 化工等实际应用领域都取得了长足的进展。 本论文是在国家科技部8 6 3 计划项目、天津市科技重大攻关项目、天津市 科委重点基金项同等的支持下完成的，主要研究内容有： 1 对传感技术进行了概要叙述，重点介绍了光纤传感技术和光纤光栅传感技术 的现状和发展。对光纤光栅的发展、光纤光栅的分类和当前的一些光纤光栅 的写入技术以及光纤光栅在光通信领域和传感领域的应用，作了简单介绍。 2 介绍了光纤光栅的理论特性分析，并分别利用耦合模理论、传输矩阵法和傅 立叶变换法对各类型光纤光栅f 布拉格光栅、长周期光栅、啁啾光栅) 的光谱 特性进行了分析。并详细介绍了光纤光栅传感中的解调技术以及复用技术。 3 在研究光纤光栅传感技术的基础上，针对工程化实际应月j 要求，初步设计制 作了适合工程化应用的光纤光栅温度、应变传感器。对温度、应变传感器的 传感原理和封装结构及t 艺研究分别做了详细介绍。对大量实验数据的分析 结果表明，我们所研制的温度、应变传感器基本达到了工程化实用的要求。 4 利用光纤光栅作为基本传感元件，设计研制丁一种基丁轮辐式压力盒装置的 光纤光栅压力传感器。我们将两根不同波长的光栅利i 贴在传感器同一轮辐的 正反面上，提高了测量精度，减少了波长随温度漂移带来的影响。在o 3 0 k n 的范围内，其测量线性度达到9 9 9 8 ，灵敏度达到1 3 8 9 n ，且响应速度快。 与其它类型的光纤光栅压力传感器桐比，轮辐式光纤光栅压力传感器具有更 大的测量范围、更高的稳定性，更好的抗十扰能力。并上上由丁光纤光栅本身 摘要 的波分复用特性，刈以很方便地构成压力传感网络进行多点、多种物理量的 测量。 5 详细介绍了基于光纤光栅传感原理构建的工程化光纤光栅 感网络系统： g c w 系列光纤光栅传感网络解调系统。详细说明了其设计原理、系统结构 以及测试结果。实验结果表明，该系统具有很高的测量精度、稳定性及可靠 性，适用于工程化应用。 关键词：布拉格光纤光栅，传感技术，解调技术，复用技术，轮辐式，温度传 感，应变传感，工程应用，封裴技术 攻读硕士学位期间参加和完成的科研项目 国家8 6 3 高新技术重点资助项 | ( 2 0 0 1 a a 3 1 3 1 1 0 ) ：光纤光栅传感系统中的关键 技术及实用化研究 天津重点科技攻关项n ( 0 0 3 1 0 4 0 1 1 ) ：纤栅式、多参数、多功能、分布式传感技 术与网络系统 天津市科委重点基金项f 1 ( 0 3 3 8 0 0 2 11 ) ：智能型光纤放大器光源研究 t i a b s t r a c t a b s t r a c t a san e w - t y p es e n s i n ge l e m e n t ，f i b e rg r a t i n gh a sg a i n e da b r o a da t t e n t i o nf r o m i t sa p p e a r a n c ea n da c h i e v e dh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n ti nt h el a s t2 0y e a r s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ff i b e rg r a t i n gt e c h n o l o g y ，s t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no ff b g s e n s o r h a sg o tm o r er e c o g n i t i o n a san e wc o m p o n e n to fs e n s o r a d v a n t a g e s ，s u c h a sl i g h ti nw e i g h t ， f i b e rg r a t i n gh a v em a n yi n s t i n c t i v e a n t i c a u t e r i z a t i o n +a n t i i n t e r f e r e n c ei n e l e c t r o m a g n e t i s m ，h i g h s e n s i t i v i t ya n dc o m p a c t i o ni nc o n s t r u c t i o n i ti sv e r ye a s y t ob ec o u p l e dw i t hf i b e r sa n dt h ec o u p l i n g - l o s si ss l i g h t u s i n gf i b e rg r a t i n g s c h a r a c t e ro fs e n s i t i v i t yf o rs t r e s s ；p e o p l eh a v ed o n es o m ee n v e l o p ee x p e r i m e n t so n s t r u c t u r a ls y s t e m s ( s u c ha ss t o r i e db u i l d i n g s ，b r i d g e ，r a i l w a ya n dd a m ) r e a l - t i m e d e t e c t i o na n dm o n i t o r i n gt os t r e s s ( o rs t r a i n ) o fs t r u c t u r a ls y s t e m sh a v e b e e np u ti n t o e f f e c t m a r t i a lr e s e a r c h e si nf i b e rg r a t i n gh y d r o p h o n eh a v ea l s ob e e nd e v e l o p e d w i t ht h es u b j e c t ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n dc o m m i t t e e ， t i a n j i ns c i e n c ec o m m i t t e e ，t h em a i n c o n t e n t so f t h i sp a p e ra l ea sf o l l o w i n g ： 1 d e p i c tg e n e r a l l yo nt h es e n s o rt e c h n i q u e ，a n dp u te m p h a s e so nt h ep r e s e n t s i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to ff i b e ra n df i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rt e c h n i q u e i n t r o d u c e db r i e f l yt h ed e v e l o p m e n t s ，c l a s s i f i c a t i o na n dt h er e c e n tf a b r i c a t i o n t e c h n o l o g yo ff i b e rg r a t i n g s t h ea p p l i c a t i o no ff i b e rg r a t i n g si nt h ef i e l d s o f o p t i c mc o m m u n i c a t i o na n dt h es e n s i n g a r ep r e s e n t e ds i m p l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n 2s e v e r a lt h e o r ya n a l y s i sm e t h o d sf o rp r o p e r t i e so ff i b e rg r a t i n g sa l ep r e s e n t e d i n c l u d i n gt h ec o u p l e d m o d et h e o r y ，t r a n s f e rm a t r i xa p p r o a c h ， m u l t i - f i l m m e t h o da n df o u r i e rt r a n s f e rm e t h o d t h e s em e t h o d sh a v et h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c sa n ds c o p eo fa p p l i c a t i o n t h em e t h o d so fd e m o d u l a t i o na n d m u l t i p l e xt e c h n i q u e u s e di nf i b e r g r a t i n g s e f l s o ra r ei n t r o d u c e di n t h i s d i s s e r t a t i o n 3 u s i n g t h ef b ga st h eb a s i cs e n s o ru n i t ，d e s i g n e da n df a b r i c a t e df i b e rg r a t i n g t e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns e n s o r sw h i c hc a nb eu s e df o re e i g a n e e r i n ga p p l i c a t i o n a b s l r a c l s e n s i n gt h e o r ya n dp a c k a g et c c h n o l o g yo ft h et w ot y p eo fs e n s o rw e r ep r e s c n t e d r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，e x p e r i m e n td a t aw e r ea n a l y z e d ，w h i c hv a l i d a t e dt h a t o u rf b gs e n s o ra r ec a p a b l eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 4an o v e lf b gs e n s o rb a s e do ns p o k e s t r u c t u r ep r e s s u r eb o xb yu t i l i z i n gf b ga s t h ee l e m e n ts e n s i n gc o m p o n e n ti sp r e s e n t e d an o v e lm e t h o ds t i c k i n gt w o g r a t i n g sw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t h so nt h ef r o n ta n db a c ks u r f a c e so ft h es a m e s p o k ei sp r o p o s e d ， w h i c hi m p r o v e dm e a s u r i n gp r e c i s i o na n dr e d u c e dt h e i n f l u e n c ef r o mt h es h i f to fw a v e l e n g t hw i t ht e m p e r a t u r e w i t h i nt h er a n g eo fo 3 0 k n ， i t st i n e a r i t ya n ds e n s i t i v i t yr e a c h9 9 9 8 a n d1 3 8 9 n ， r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，i th a se x c e l l e n tr e p e a t a b i l i t ya n dh i g hr e s p o n s es p e e d c o m p a r e d w i t ho t h e rf b gs e n s o r s ，t h es p o k ef b gs e n s o rh a sw i d e rm e a s u r e m e n tr a n g e a n dh i g h e ri n t e r f e r e n c er e s i s t a n c e i na d d i t i o n ，o w i n gt oi t sa p p l i c a b i l i t yf o r w d m s y s t e m s ，s e n s i n gn e t w o r k sc a nb ec o n s t r u c t e db yf b g s e n s o rt om e a s u r e m u l t i - p o i n ta n dm a n i cp h y s i c a lp a r a m e t e r s ， 5i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，as o r to fe n g i n e e r i n gf i b e rg r a t i n gs e n s i n gn e t w o r k ， g c ws e r i e sf i b e rg r a t i n gs e n s i n gn e t w o r kw h i c hi sb a s e do nf i b e rg r a t i n g s e n s i n gt h e o r yi sp r e s e n t e di n d e t a i l m o r e o v e r ，t h ed e s i g np r i n c i p l e ，t h e s y s t e m s t r u c t u r ea sw e l la st h et e s tr e s u l t sa r e p a r t i c u l a rp r e s e n t e d i n c o n c l u s i o n ，e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a to u rg c ws e r i e sf i b e rg r a t i n g s e n s i n gn e t w o r kh a sh i g hp r e c i s i o n s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，a n db ec a p a b l eo f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ，s e n s i n gt e c h n o l o g y ，d e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y ，m u l t i p l e xt e c h n o l o g y ， s p o k e 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 e s s u r es e n s i n g ，e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n ，p a c k a g et e c h n o l o g y 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完伞了解南开大学关丁收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电予版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电了版；在不以赢利为日的的前 提一卜，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：呵建奄 伽o y 年垌习日 经指导教师i j 意，木学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及拈写格式规定如下 内部5 年( 冠长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最f 1 0 年，可少于1 0 午) 机密2 0 年( 最k2 0 年，可少于2 0 年j 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导f ，进行研究工作 所取得的成粜。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作晶的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：呵建奄 渺年 月强日 第幸绪论 第一章绪论 1 1 传感器技术概论 传感器技术是当今世界令人瞩目的高新技术之一，也是当代科学技术发展 的一个重要标志。可以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是 现代科技的开路先锋它与通信技术、计算机技术共同构成了信息产业的三大 支柱n 传感器( t r a n s d u c e r s e n s o r ) 是与人的感觉器官相对应的元件。存围家标准 g b7 6 6 5 8 7 中列传感器勇f if 的定义是；“麓够感受靛定的被测量并按照一定的 规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。敏 感元件( s e n s i n ge l e m e n t ) ，是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换 元件( t r a n s d u c t i o ne l e m e n t ) ，是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测 量转换成适于传输和测量的电信号的部分1 2 j 。图1 1 为传感器的组成示意图。 键渤量 测量宅踌 宅量输出 图】，1 传感器组成示意图 敏感元件及传感器作为信息技术和信息系统的关键基础元器件其技术水 平直接影响检测控制系统及信息系统的技术水平，起到促进传统产业和行j i k 的 技术跳跃式进步，同时拓展和涉足新的非传统领域应用的作用。因此，传感器 技术在现代信息社会的作用将更加重要。从2 0 世纪9 0 年代起，日本就将传感 器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西力国家也将此技术列为国家科 技和国防技术发展的重点内容。我国从2 0 世纪9 0 年代以来也已将传感器技术 列为国家高新技术发展的重点。 微型化、集成化、多功能化、智能化、系统化、低功耗、无线、便携式将 成为新型传感器的特点【”。传感器的支持工芝是微加工技术，包括微电子和微 第章绪论 机械加 技术，传感器技术竞争将从芯片制造工艺转化到封装技术竞争。同时， 由多个微传感器、微执行器及信号的数据处理器总装集成的网络系统也越来越 引起人们的关注，加速了新代传感器的开发和j “业化。 1 2 光纤传感技术 光纤传感器是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一门新技术，是传感器技术的 新成就。光纤传感器技术是随着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的。 随着密集波分复用d w d m 技术、掺铒光纤放大器e d f a 技术和光时分复 用o t d r 技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的 方阳发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感 器作为传感器家族中年轻的一员，在抗电磁干扰、轻巧、高灵敏度等方面有着 独一无二的优势。 首先，该类传感器与电磁场没有任何作用，这在电力工业中几乎是不可替 代的；第二，肘弱信号可以民距离传输并进行处理；第三，光波导介质的连续 性决定了该类传感器便于进行分布式传感，这是其它类传感器所不具备的；第 四，该类传感器的信息载体是光，无论以波长还是位稆为监测对象都具有几乎 是极限的传感精度，即便监测其振幅f 强度) ，具有极高分辨能力的光电仪器使 得其对某物理量的监测也具有非常高的精度；第五，它可以用在特殊场台对某 些物理量进行安全地监测，如煤气旁、矿井下，油田以及油罐周围：最后，由 于光纤相埘来说比较柔软，因此传感回路易j 二植入、或附着在结构表面，能够 实时提供应变，温度以及结构完整性方面的信息，且布设比较灵活。大量该类 传感器。起对某物理量传感时n 】咀协同工作，使得“蒙皮”( s m a r ts t r u c t u r e s ) ( 又 称“智能皮肤”、技术能够变为现实。因此光纤传感技术已成为倍受人们关注的 研究热点。 光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两 个重要部件。如图1 2 所示。图中( a ) 功能型传感器( f u n c t i o nf i b e r ，f n 是利用 光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器：( b 1 传光掣传感器( n o nf u n c t i o n f i b e r ，n f f ) 是光纤仪仪起传输光的作用，要在光纤端而或中间加装其它敏感 厄件构成的传感器。 2 第一章绪论 被测对象 信息被测列象信息 ( a ) 功能型 图1 2 光纤传感器的组成与分类 ( b 1 十 光型 n f f 型的用途多于f f 的用途，而且n f f 制作和应用也比较容易。所以， 目前n f f 型传感器品种较多。但f f 型的构思和原理往往比较巧妙，可解决一 些特别棘手的问题。就最终的信号检测而言无论那一种，最终都足利用光探 测器将光纤的输山变为电信号 4 l 。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制型光纤传感器、相 位调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器和波长 ( 颜色) 调制型光纤传感器等。 在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述： e = e 。c o s ( w t + 庐) ( 1 1 ) 式中，岛为光波的振幅；w 为频率：毋为初相角。式中包含五个参数，即 强度d 2 、频率w 、波长 o = _ 2 r e c w 、相位( 州+ 毋) 和偏振态，被测量在传感 头内与光发生相互作用，相应参数发生改变，则我们称为相应参数调制的光纤 传感器。 光纤传感器可以测量的物璋量很多，目前已经实用的光纤传感器可测量物 理量达7 0 多种。依据被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传 感器、光纤浓度传感器、光纤流速传感器等。因此，光纤传感器具有广阔的应 用发展前景。 1 3 1 光纤光栅概述 1 3 光纤光栅传惑技术 光纤光栅是一种新型光纤无源器件。它在光纤巾建立起一种空间周期性的 3 第章绪论 折射率分布，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。光纤光栅作为光子研 究领域的- f l 新兴技术，具有极其广阔的应用前景。 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 等人首次在实验巾观察到了掺锗光纤中的光致 光栅效应【5 】。他们把4 8 8 n m 氩离子激光入射到掺锗光纤巾，发现入射光与从光 纤另一端面返回的反射光在光纤中干涉形成的驻波干涉条纹能够造成纤芯折射 率沿轴向的周期分布，即形成所谓的“h i l l 光栅”，开创了光纤光栅研究与应用 的先河。 1 9 8 9 年，美国的gm e l t z 等人发明了紫外侧写入技术1 6 l ，他们利用两束干 涉的紫外光从光纤的侧而写入了光栅。这项技术不仪大大提高了光栅写入效率， 而且可以通过改变两束相十光的夹角，从而达到控制布拉格波长的目的。紫外 侧写入技术问世后，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不断发展。 1 9 9 3 年i c o h i l l 等人提出了位相掩模写入技术【7 j ，利用紫外激光经过位 相捻模衍射后的1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光纤光栅。此技 术的提出极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加容 易，f ：使光纤光栅的批量牛产成为可能。同年，p j l e m a i r e 等人提m 了一种提 高光纤光敏性的简单有效方法一低温高压载氧技术h ，他们将光纤放入2 0 7 5 0 个大气压，2 0 7 5 。c 的氧气中使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部，然后再 使用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤光敏性提高近两个量级。载氢技术 极大地降低了光纤光栅的制作成本，人们丌j 以不必使用价格昂贵的高浓度掺锗 光纤，在普通通信光纤l ：就可以很容易的写制出高反射率的光纤布 蘸格光栅。 首届光纤“智能结构蒙皮”的国际学术会议的召开，开始了对“3 s ”系统 的国际性研究。“3 s ”指s m a r tm a t e r i a l 、s m a r ts t r u c t u r e 、s m a r ts k i n ，即把高超的 光纤光栅技术、光神经网络、光纤致动仪器有机地融为一体，利用掩埋或贴附 技术把它们复合到制造现代运载体( 如b 机、舰船、坦克等) 或各种建筑体( 如 桥墩、大坝、楼房等) 的框架、承力件外蒙皮的复合材料中，制成灵敏材料、 灵敏结构和灵敏表皮形成智能传感系统。“3 s ”系统概念的提h 与研发，是自光 纤光栅出现以来在理论、方法、技术与应用等诸方面重大的综合集成，标志着 光纤光栅技术及应用已经进入了新的历史发展阶段。 随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，世界各地掀起了光纤光栅技术的研究 热潮，备种基于光纤光栅的有源、无源器件也不断涌现，光纤光栅被广泛应用 4 第一幸绪论 予光纤通信、) 匕纤传感和光信息处理等各个领域。 1 3 2 光纤光栅分类 光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据 物理机制的不同，可分为蚀刻型光栅和折射率调制型位相光栅两类。前者在光 纤结构中形成明显的物理刻痕，后者主要在纤芯中形成折射率周期分布。无论 用于研究还是实际工程应用，后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅 指的是折射率调制型位相光栅。 1 3 2 1 光纤光栅根据成栅机制的差别分类 光栅可以分为三种，分别称之为i 型、i i 型和i i i 刑光纤光栅。也有学者称 l i i 型光栅为i i a 型光栅。 1 i 型光纤光栅：连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的 传统意义上的光折变光栅被称之为i 型光栅。它有较理想的透射谱，满足布拉 格条件时短波一侧没有明屁的耦合损耗，热稳定性差。其折射率变化一般在 1 0 。5 1 0 ，反射率可以达到百分之几十。 2 i i 型光纤光栅：用单脉冲成栅时，不断提高脉冲能量，发现存在一个取 决于光纤中锗浓度的闽值( 一1 j c m 2 ) ，低于该闽值时形成的光栅均为1 型光栅， 而高于该闵值时写入光栅的调制度变得非常大，反射牢接近1 0 0 ，称此时的光 栅为i i 型光栅。它与i 型光栅的主要差异是：折射率变化量达1 0 。3 数量级；具 有很强的将光能耦合到包层或辐射模中的能力以至插入损耗大：很高的热稳定 性：对蓝、绿光不敏感；布拉格反射波长短波长一侧有很强的传输损耗；带宽 3 v o 5 n m ) 。 3 i 型光纤光栅：对i 型光栅进行过量曝光发现了i i i 型光纤光栅吼曝光 伊始，山现i 型光栅，随着曝光的继续进行，光栅变得越来越弱，以至消失或 只剩下一部分。继续曝光而出现第二个光栅，其反射率可达1 0 0 。区别于i 型 光栅的是：随着曝光量的增加折射率旱负增长趋势，显然也不属于l i 型光栅， 因此称之为l i i 型光栅。1 1 i 型光栅的温度稳定性虽赶小上i i 犁光栅f h 优于i 型光 栅。 1 3 2 2 光纤光栅按其空间周期和折射率分布分类 5 第一章绪论 可大致分为两大类：均匀光 f 光栅和非均匀光纤光栅。 1 、均匀光纤光栅：指光栅的光学周期( 光栅仃效折射率与折射率调制深度 的乘积) 沿轴向保持不变的一类光栅。如布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅和 闪耀光纤光栅等。 均匀周期布拉格光纤光栅f l0 】：这是最早发展起来的一种光栅，栅格周期 一般为1 0 2n m 量级，折射率调制深度一般为1 0 。1 0 一，光栅波矢方向与光纤 轴线方向一致。这种光纤光栅具有较窄的反射带宽( 1 0 。1 n m ) 和较高的反射 率( 1 0 0 ) ，其反射带宽和反射率可以根据需要，通过改变写入条件而加以 灵活地调节，电是目前应用最广的一种光栅。 长周期光纤光棚【1 1 j ：其栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不 同，它不足将某个波氏的光反射，而是将其耦合到包层巾去。这种光纤光栅除 具有插入损耗小、易于集成等优点外，还是一种性能优异的波长选择性损耗元 件，目前其主要用于e d f a 的增益平坦和光纤传感。 闪耀光纤光栅 “ ：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造 成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，就形成了闪耀光栅。闪耀光栅 不仅引起反向导波模耦合，而且还将摹阶模耦合至包层模中损耗掉。闪耀光栅 主要用于e d f a 的增益平坦和空间模式耦合器。 2 、非均匀光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常 数，即光栅的光学周期沿光栅轴向变化的一类光栅，如啁啾光纤光栅、相移光 纤光栅等。 啁啾光纤光栅1 1 3 1 ：通常对栅格问距不等的光纤光栅称为啁啾光纤光栅。 不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此啁啾光栅能够形成很宽的反射带宽。 不同类型的啁啾光栅具有不同的特性。线性啁啾和分段啁啾光栅是比较常用的 两种啁啾光栅。啁啾光栅应用也很广泛，主要用来做色散补偿和光纤放大器的 增益平坦。 相移光纤光栅【1 4 】；是在均匀周期光栅的某些特定点上，光栅折射率空间 分布的不连续而得到的，可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性 光栅的光潜阻带内打开一个透射窗口，使得光栅肘某一波长存更高的选择度。 这庄光通信中存很高的心用价值，司以用这个特j ? i 来构造多通道滤波器件和 e d f a 的增益平坦。 此外，t a p e r e d 光 r 光棚【1 5 】、超结构光栅【1 6 】、莫尔光栅f ”l 、取样光栅【”1 、 6 第一章绪论 t o p h a t 光栅等均为非均匀的特种光栅，存通信与传感领域均具有不同的用途 而亦受广泛的关注。 1 3 3 光纤光栅写入技术 光纤光栅的紫外写入方法有多种，这里仪介绍几种典型的写入方法。 1 驻波法1 2 0 1 ， 驻波法是由h i l l 最早提出的写入光纤b r a g g 光栅的一种方法，他把写入光 从光敏光纤的一端入射，当光传播到光敏光纤的另一端面时发生反射，入射光 与反射光相干叠力在相干区域内形成驻波，由于光敏光纤的光折变效应，所以 引起折射率分布的改变，导致折射率的周期件调制而产生光栅。这种光栅的缺 点是它的谐振波长与写入光波长相同，不易改变。 2 侧肉写入法f 2 1 】 侧向写入法由m a l t z 等人提 ，辛要用来写入b r a g g 光栅。他利用分光镜 把写入光分成两束，通过平面镜反射后两束光以某个角度叠加，产生强度按照 周期分布的干涉条纹，干涉条纹对光敏光纤进行一段时1 1 日j 的曝光，即可产生光 栅。侧向写入实验装置如图1 3 示。光栅的剧期a 与两束光的夹角0 有关，由( 1 2 ) 式给出 ：二l n 一2 1 2 n 。，s i n ( o 2 ) 式中a 为写入光的波长。光栅的周期可以通过两束光的央角来改变。 图1 3 侧向写入法制作光纤光栅原理目 3 位相模扳写入法 2 2 1 7 第一章绪论 位相模板是用光剡蚀技术，在硅质玻璃上刻出的表面凸凹不平的矩形周期 性的条纹。当光照在模板上时，透射光分成+ 1 、0 、一l 级三个方向的衍射光， + 1 、一1 缴衍射光在模板后叠加，形成周期性的十涉条纹，0 级衍射光较弱， 对干涉不产生影响。将光敏光纤放在几乎紧贴模板的后而，经过曝光后就可写 m 光纤光栅( 如图1 4 示) 。这种方法用于写入光纤b r a g g 光栅。 一i 绒 图1 4 相位掩模法制作光纤光棚原理图 蛹 4 扫描写入法【珏2 4 i 图1 5 是比较典型的光纤光栅扫描写入实验装置，适合于制备b r a g g 光栅 或长周期光栅。u v 光经过可以移动的平面镜反射后，经过第一个柱透镜汇聚 成一个线状光斑，由第一个柱透镜聚焦后通过位相模板照在光敏光纤上，第二 个柱透镜用来控制光斑长度，每曝光一次，平面镜移动适当距离，再进行曝光， 每个曝光位置的曝光量可以根据需要分别控制。 剧1 5 扫描写入实验装冒图 8 第一市绪论 5 逐点写入法【2 5 2 8 j 逐点写入法适合于b r a g g 光栅和长蒯期光栅的写入，写入装置类似于图1 5 ， 它通过透镜把光斑聚焦成微米量级( 或史小) 的小光斑，不通过任何模板直接 在光敏光纤上写入光栅。如果使用c 0 2 激光器，则可以在光纤表面产生永久性 损伤，从而形成光栅。 6 振幅模板写入法 这种方法主要用于长周期光栅的写入，写入装置图类似于图1 4 只是需要 把位相模板换成振l 曝模板即可。 7 闪耀光栅的写入沤 闪耀光栅可以用位相模板的方法进行写入，见图1 4 。写入时把模板旋转一 个适当地角度，在光纤中产生闪耀光栅。 1 3 4 光纤光栅的传感机理 光纤光栅的传感机制是：将光输入光纤光栅时，满足布拉格条件的光将发 生反射，反射( 或透劓) 光谱在布拉格波长处出现高峰( 或低峰) 值。当光纤 光栅受到外场( 如应力场、温度场等) 作用时，其栅格周期或有效折射率会发 生变化，从而引起光栅反射( 或透射) 波长的漂移。根据这个特性，人们已研 制h 基于布拉格、长周期、嘣啾、超结构等多种结构的光纤光栅传感器，通过 检测光纤光栅波长的漂移量或带宽变化量，可以推测出待测物理场的状态( 光 纤光栅传感器结构如图1 6 所示) 。目前，光纤光栅传感器已应用于温度、应变、 应力、位移、压强、扭角、扭矩、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度等 多种物理量的检测之中。同时光纤光栅作为传感二件还具有抗电磁干扰、耐高 温、抗腐蚀、适用于恶劣环境、能多个光栅级联复用等优良特点，已成为传感 领域中的一个重要传感手段1 2 。 9 第一章绪沦 匣一 l 光纤光栅传感器 j 信号探测 图1 6 光纤光栅传感器结构 作为传感元件的光纤光栅可以构成点阵、线阵、而阵和体阵等各种拓扑结 构及其网络系统，形成传感阵列，而多个相同或相异的光纤光栅传感器又可以 多种拓扑结构连接起来构成多点、大面积实时监测网络系统。 1 4 光纤光栅传感器研究现状 随着光纤) 匕栅写入技术的不断完善，光纤光栅传感技术亦随之引起人们的 关注，各种光纤光栅传感器件及系统也应运而生，其应用领域不断扩展。目前， 以f b g ( f i b e rb r a g g 粤a l i n g ：布托格光纤光栅) 为传感基元的纤栅式传感器为 研发主流，对l p g ( 1 0 n gp e r i o d 掣a t i n g ：长岗期光纤光栅) 和c f g ( c h i 叩f i b e r 伊a t i n g ：啁啾光纤光栅) 传感器的研究也引起了人们的重视，并且，已有一定 数量的光纤光栅传感器开始从实验室走向实用化和商品化。由于光纤光栅温度 与应变的交义敏感效应、光纤光栅性能的稳定、增敏与减敏封装技术、信号解 调的光电转换及性价比等一系列问题还未有效地解决，多数研究成果仍处于实 验室研究阶段。 国外对于光纤光栅传感器的应用开发主要有：民用t 程结构f 3 0 。3 8 1 、航空航 大、f k 【3 9 埘l 、船舶航运业、电力1 二业中【4 3 4 4 1 、石油化学t 业f 4 4 1 、医学 5 5 “5 6 1 以 及其他方面的应用1 5 “。 1 0 于 第一章绪论 1 5 本论文主要研究内容 本沦文在围家科技部8 6 3 计划项目“光纤光栅传感系统中的关键技术及实 用化研究”( 2 0 0 2 a 3 1 3 1 1 0 ) 、天津市科技重大攻关项目( 纤栅式、多参数、多功 能、分布式传感技术与网络系统) f 0 4 3 1 8 2 0 1 1 ) 、天津市科委重点基金项目( 智能 型光纤放大器光源研究) ( 0 3 3 8 0 0 2 1 1 ) 等课题的支持下完成的。主要以布拉格光 纤光栅为研究对象，对光 n 七栅传感的传感技术、解调技术以及网络技术进行 了理论和实验的研究。在进行光纤光栅传感器阻及网络解调系统的研究的基础 上，重点研制了实用化、工程化的光纤光栅传感器及高精度高稳定性的解渊系 统。并设计完成了轮辐式光纤光栅压力传感器及光纤光栅温度、应变、加速度 传感器等，取得了较好的实验效果。对光纤光栅应用丁传感领域做了一定的实 际工作和现场检测。 本论文的丰要研究内容包括： 1 、对传感技术进行了概要叙述，重点介绍了光纤传感技术和光纤光栅传感技 术的现状和发展。 2 ) 介绍了光纤光栅的理论特性分析，并分别利用耦合模理论、传输矩阵法和 傅立叶变换法对各类型光纤光栅f 布拉格光栅、长刷期光栅、啁啾光栅) 的光 谱特性进行了分析。并详细介绍了光纤光栅传感中的解调技术以及复用技 术。 3 1 重点介绍了在研究光纤光栅传感技术的基础上针对实际应用初步设计制作 的工程化应用的光纤光栅温度、应变传感器。对温度、应变传感器的传感 原理和封装结构分别做了详细介绍，并对大量数据进行分析，结果表明我 们研制的温度、应变传感器基本达到t 程化实用的要求。 4 ) 重点介绍了以光纤光栅作为传感元件利用轮辐式压力盒结构设计的轮辐式 光纤光栅压力传感器。并详细说明了其设计原理、结构以及测试结果。其 中，双栅型轮辐式压力传感器的灵敏度达到1 3 n 。 5 ) 详细介绍了基于光纤光栅传感原理构建的工程化光纤光栅传感网络系统： g c w 系列光纤光栅传感网络解调系统。该系统以光纤光栅作为传感基本元 什，采用波分复用( w d m ) 、空分复用( s d m ) 技术桐结合，将多个不同 波长的光纤光栅的线阵、面阵及体阵等多种拓扑结构构建而成。实验结果 表明，该系统具有很高的测量精度和工程化应用能j 。 第章绪论 本论文主要创新点有 我们所研制的g c w 系统是以光纤光栅作为传感基本元件，采用波分复用 ( w d m ) 、空分复用( s d m ) 技术相结合，将多个才i j 一波长的光纤光栅的线 阵、面阵及体阵等多种拓扑结构构建的适合工程应用的工程化光纤光栅传 感网络系统，且该传感网络系统使用的寻址系统是利用f p 解调原理和半 导体p i n 管为探测主体，该传感网络中光纤光栅传感器经应变、压力、温 度增敏减敏封装。 我们设计的工程化光纤光橱温度、应变传感器仅采用保护往封装技术，通 过选取合适的封装材料与衬底材料，使其达到工程化应用指标。 将光纤光栅传感技术与轮辐式压力盒式封装技术结合，研制出一种新型的 光纤光栅压力传感器。与传统光纤，匕栅胜力传感器相比，该传感器具有更 大的测量范围，并且对温度不敏感，更加适用于工程应用。该设计具有创 新性和新颖性。 1 2 第二章光纤光栅理论概述 第二章光纤光栅理论概述 光纤光栅是一种新型的光子器件，它足在光纤中建立起的一种空问周期性 的折劓率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。它也足近几年发展最 为迅速的光纤无源器件之一。 由第一章所述，光纤光栅种类繁多，我们常用的一种是光纤b r a g g 光栅。 光纤b r a g g 光栅( f b g ) 是利用紫外光通过位相模板( 或适当光路) 对光敏光纤曝 光，在光纤中产生折射率的周期分布，从而形成光栅。它的周期一般在1 0 _ 1 “m 数量级。光纤光栅结构示意图如图2 1 所示： 涂敷屡 包层 纤芯 图2 1 光纤光栅结构示意图 1 2 5 l a m 当光束进入光纤b r a g g 光栅时，满足b r a g g 条件( 即：波长为砧= 2 n a ) 的光将发牛反射，反射( 或透射) 光谱在布拉格波长处出现高峰( 或低峰) 值。 这是我竹j 用光纤b r a g g 光栅来传感的基础。下面详细介绍光纤光栅的儿种理论 分析方法以及光纤光栅传感原理、光纤光栅解调技术和复用技术。 2 1 光纤光栅的理论分析方法 光纤光栅实质上是紫外光在光敏光纤中形成的一种周期件的折射率分布， 也可以看作是一种对纤芯折射率的微扰。通常我们可以用以下公式来描述光纤 1 3 第二章光纤光栅理沦概述 光栅中的折射率分布6 4 1 ： 吲小矾，卜c o s ( 鲁嘶，h m - ， 其中，n e f f 是光纤的有效折射率，住折射率均匀调制的单模光纤光栅中，略 小于纤芯的折射率，s 为折射率调制清晰度，是与