（通信与信息系统专业论文）啁啾光栅压力传感器的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 光纤光栅传感器是利用光栅波长对温度，应变敏感的特性而制成的一种光 纤传感器，除具有传统电类传感器的功能外，它还具有抗电磁场干扰，测量范 围广，动态范围大，稳定性好等优点，被广泛应用于大型复合材料和混凝土的 结构监测和电力、石油和化工领域过程的监控。 针对目前广泛使用的光纤b r a g g 光栅( f b g ) 传感解调成本高、速度慢的缺 点，本文将主要用于光纤通信色散补偿的光纤啁啾光栅( c h i r p e df i b e rg r a t i n g 缩写为c f g ) 应用于压力传感技术，并采用反射波长的强度信号表征所测量的压 力信号，大大降低了成本。使采样频率由f b g 的l o o h z 提高到了5 k h z ，研究取 得了一些有实用价值的结果。 本文首先介绍了c f g 的结构、原理、制作方法、实际应用和国内外的研究 现状和发展趋势。分析了c f g 作为传感器对应变、压力和温度的传感特性。对0 - - 2 0 吨压力传感弹性体进行的受力分析得出c f g 正确的粘贴位置和方向，并确 定了最佳的粘贴和固定方法。 本文对c f g 光强型压力传感器研究过程中遇到的问题进行了深入的探讨。 其中包括：在0 2 0 吨载荷变化时，尽管c f g 反射波带宽比f b g 大1 0 倍，但压 力载荷产生的波形位移量仍大于c f g 的带宽，使得c f g 反射波长与载荷关系超 出线性区域，通过补偿的方法解决了此问题；由于采用强度解调，环境变化不 可避免地对压力测量准确度产生影响，本文对影响因素进行了深入的试验和分 析。最后对c f g 压力传感器进行了静态和动态试验，结果显示，在较短时间内， 例如3 0 分钟，没有严重的外界干扰条件下，c f g 光强型压力传感器的漂移仅 0 1 ，静态测量精度可达0 5 ：在1 5 k m h 速度之内的动态汽车称重精度可达 2 之内。 本文所做的主要工作包括： 1 、参与c f g 光强型压力传感器的设计，样机的标定试验和汽车动态称 重试验工作； 2 、研究c f g 在弹性体上的不同粘贴状况对测量结果的影响，分析得出 最佳的固化方式。 3 、设计c f g 在压力传感弹性体的剪压力感应孑l 中的粘贴模具，解决了 武汉理1 ：大学硕士学位论文 c f g 的粘贴平整问题。 4 、解决了c f g 的光强与压力信号线性范围不够的问题。 研究结果表明：基于c f g 的压力传感器的构想可行，特别是需要在动态和 瞬间进行压力检测的地方，如车辆动态称重检测，具有很好的应用前景。 关键词：光纤啁啾光栅( c f g ) ，压力测量，悬臂梁弹性体 武汉理l 大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i b e ro p t i c a lg r a t i n gs e n s o ri so n ew h i c hi sm a d eb a s e do ng r a t i n gw a v e l e n g t h s s e n s i t i v et ot e m p e r a t u r ea n ds t r a i n i na d d i t i o nt ot r a d i t i o n a le l e c t r i cs e n s o r sf u n c t i o n ， i ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so fa n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，w i d em e a s u r e m e n t r a n g e ，l a r g e l yd y n a m i cr a n g e ，a n dg o o ds t a b i l i t y t h e ya r ew i d e l yu s e di nc o m p o s i t e m a t e r i a la n dc o n c r e t et om o n i t o rt h e i rs t r u c t u r e s ，a n da l s ou s e di nt h ee l e c t r i cp o w e r i n d u s t r y , p e t r o l e u mc o n t r o l l i n g ，a n dc h e m i c a li n d u s t r y c o u n t e r i n gt h ed i s a d v a n t a g e so ff b gd e m o d u l a t i o n sh i g hc o s t i n ga n ds l o w s p e e d ，i nt h i sp a p e r ，c f gm a i n l yu s e di nf i b e ro p t i c a ld i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ni nt h e p a s t ，i su s e da ss t r a i ns e n s o r , a n di t sr e f l e c t i o nl i g h ti n t e n s i t ys h o w ss t r a i nv a l u e s o d e c r e a s ec o s t i n gg r e a t l y c f g ss a m p l i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e sf r o mf b g s1 0 0 h zt o 5 k h z o b t a i ns o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc f g s s t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，m a k i n gm e t h o d s ，i t s a p p l i c a t i o na n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o ni nt h ew o r l d t h e na n a l y s i sc f gs e n s o r s c h a r a c t e r sa b o u ts t r a i na n dt e m p e r a t u r e t h r o u g ha n a l y s i s i n gc a n t i l e v e rb e a m ss t r a i n , w eo b t a i na c c u r a t el o c a t i o na n dd i r e c t i o nw h e r ec f gi sp a s t e d a n dd e t e r m i n et h e b e s tp a s t i n ga n df i x a t i o nm e a u s t h ep a p e rd i dt h et h o r o u g hd i s c u s s i o no nq u e s t i o n sa p p e a r i n gi nt h ec f g i n t e n s i t ys e n s o rr e s e a r c h i n c l u d e ：i n0 2 0 ts c a l e ，t h o u g hc f g sr e f l e c t i o nl i g h t w a v e b a n d w i d t hi sf b g s1 0t i m e s ，t h er e f l e c t i o nl i g h t w a v ed i s p l a c e m e n t ，w h i c ht h es t r a i n c a u s e s ，s t i l li sb i g g e rt h a nc f g sb a n d w i d t h i te a u s e st h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c f g sr e f l e c t i o nl i g h t i n t e n s i t y a n ds t r a i n s u r p a s s e st h ef i n e a r i t yr a n g e b y c o m p e n s a t i n g ，w ec a ns o l v et h ep r o b l e m b e c a u s eo ft h ei n t e n s i t yd e m o d u l a t i o n ，t h e e n v i r o n m e n t a lc h a n g ei n e v i t a b l yi n f l u e n c e st h es t r a i nm e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h e p a p e rc a r r i e so nt h es y s t e m i ce x p e r i m e n ta n da n a l y z e st h ei n f l u e n c ef a c t o r i nt h ee n d , c a r r yo nt h es t a t i ca n dd y n a m i ce x p e r i m e n tf o rt h ec f g s t r a i ns e n s o r t h er e s u l t d e m o n s t r a t e s ：i nas h o r tt i m e ，f o re x a m p l e3 0m i n u t e s ，e x c l u d i n gt h es e r i o u se x t e r n a l i n t e r f e r e n c e ，t h ec f gs e n s o r sd r i f t i n gi so n l y0 1 ，a n dt h es t a t i cm e a s u r e m e n t p r e c i s i o nc a nb eo 5 i n1 5 k m h d y n a m i cm e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni si n2 u i 武汉理工大学硕士学位论文 w h a tid i di nt h ep a p e ri sa sf o l l o w i n g ： 1 p a r t i c i p a t ei nt h ec f g s t r a i ns e n s o r ，sd e s i g na n dc a l i b r a t i o ne x p e h m e n t 2 s t u d yd i f f e r e n tc f gp a s t i n gm e a n s i n f l u e n c eo n t h ec a n t i l e v e rb e a m ，a n do b t a i n t h eb e s ts o l i d i f i c a t i o nm e a n s 3 d e s i g ns p e c i a la p p a r a t u s ，a n ds o l v ec f g s m o o t hp a s t i n gi nc a n t i l e v e rb e a m sh o l e 4 s o l v et h el i n e a r i t ys c o p ed e f i c i e n tq u e s t i o no fc f g sl i g h ti n t e n s i t ya n ds t r a i n t h er e s u l ti n d i c a t e s ：t h ec o n c e p t i o n ，b a s e do nt h ec f gs t r a i ns e n s o r ，i sf e a s i b l e ， s p e c i a l l yd y n a m i ca n di n s t a n t a n e o u ss t r a i nm e a s u r e m e n t ，f o re x a m p l e ，v e h i d e s d y n a m i cw e i g h tm e a s u r e m e n t i to w i i st h eg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：c h i r p e df i b e rg r a t i n g ( c f g ) ，s t r a i nm e a s u r e m e n t ，c a n t i l e v e rb e a m i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：乏耋剑盘日期：! ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 辩胁仁 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 光纤传感器技术是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一门崭新的传感器技术， 是随着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的。1 9 7 0 年，美国康宁公司 研制成功世界上第一根实用化的传输损耗为2 0 d b k m 的石英光纤。在随后短短 的十几年里，以光纤作为传输介质的光纤通讯，就从实验研制阶段，迅猛地发 展成为通讯领域的一大产业。在光纤通讯系统中，人们发现光纤易受到诸如温 度，压力等环境因素的影响，导致光强，相位，频率等光波参量发生变化，从 而影响信号的传输；然而这些发现却构成了一种全新的直接交换信息的基础， 从而演绎出了光纤传感器这门新技术【。 光纤传感器本质上是一种器件，在外界物理量、化学量、生物量、或其它 因素的影响下，光纤中光波导的特性会发生变化。具体地讲，就是光波作为载 波经入射光纤传输到传感头，光波的某些特征参量在传感头内被外界物理参量 所调制，含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分，经解调后就 能得到被测量的大小和状态。现在光纤传感器的种类繁多，光信号中能被调制 的参数也相当多，包括光的强度、相位、多普勒频移、偏振态、波长等。由于 光波的频率很高( 1 0 ”一1 0 “h z ) ，且是一种二维信号载体，所以它能传感和传输 的信息量极大。 一般的光纤传感系统由光源、信号传输线( 光缆) 、传感器件、光电转换及 信号处理四部分组成，如图1 - 1 所示。 图卜1 光纤传感器工作原理示意图 武汉理 = 大学硕士学位论文 光纤传感器与普通机械、电子类传感器相比具有以下优点【3 ，5 6 1 ： 1 ) 抗电磁干扰：当光在光纤中传输时，不会与电磁场产生作用，所以在光 纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。 2 ) 电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由非电介质构成的，因而无需电 源驱动，因此适用于易燃易爆的油、气、化工生产中。 3 ) 耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳 定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。 4 ) 体积小、重量轻，几何形状可塑。 5 ) 传输损耗小：可实现远距离遥控监测。 6 ) 传输容量大：可实现多点分布式测量。 7 ) 测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电 压、液位、液体浓度、成分等。 正是由于光纤传感器有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决 的问题，故自问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、 民用建筑以及航空航天等各个领域。随着信息高速公路热潮的到来，光纤传感 技术将与光纤通信技术一起走进千家万户，深入到民用和军事的各个方面。 1 2 选题背景及意义 公路车辆超载控制和钢铁企业、水泥企业、港口车站的大宗货物如矿石、 煤炭、粮食或集装箱的称重广泛使用的压力传感器，要求精确、稳定、可靠、 动态性能好。 目前广泛使用的传统电阻应变片压力传感器尽管具有精度较高，价格适中 的优点，但是存在着零漂现象严重、易受电磁干扰，耐久性、耐潮湿、耐污染 性能差，使用寿命短，不稳定，动态性能差等诸多缺点。 因为光纤光栅传感技术具有上节所述的突出优点，被广泛应用在桥梁、隧 道、水坝等大型建筑的应力监测和温度监测、报警等，但目前的光纤光栅传感 技术还没有应用于系统称重，因为国内外光纤光栅波长解调采用的精密解调技 术均被美国独家垄断导致价格昂贵，而且解调速度低，难以适用于动态称重的 数据处理；光纤光栅的另一种解调技术是采用光纤b r a g g 光栅( f b 6 ) 的传感光栅 和参考光栅的双光栅边缘滤波解调技术，虽然速度高，但由于解调脉冲宽度窄， 2 武汉理_ 大学硕十学位论文 造成测量范围很小。 本课题针对上述问题研究了“利用c f g ( c h i r p e df i b e rg r a t i n g 缩写为 c f g ) 光强解调的悬臂梁压力传感技术”。其成本低；解调速度快，达5 k h z ；参 与解调的波长宽。 本课题结合了压力传感器的工业应用，解决了传统应变传感器存在的问题， 填补了这一空白，并有助于光纤传感技术水平的提高。所以有着重大意义。 相关技术可以广泛应用于国民经济的各领域，能为使用部门创造很大的经 济效益，产品的销售额也很可观。 1 3 国内外压力传感器研究现状和进展 从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。 1 3 1 电容式真空压力传感器 e + h 公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0 8 2 8 m m 的氧化铝 ( a 1 2 0 3 ) 构成，其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用，不需 要温度补偿，可以保持长期测量的可靠性和持久的精度。测量方法采用电容原 理，基片上一电容c p 位于位移最大的膜片的中央，而另一参考电容c r 位于膜 片的边缘，由于边缘很难产生位移，电容值不发生变化，c p 的变化则与施加的 压力变化有关，膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时，膜片贴在 基片上不会被破坏，无负载时会立刻返回原位无任何滞后，过载量可以达到1 0 0 ， 即使是破坏也不会泄漏任何污染介质。l 7 j 1 3 2 耐高温压力传感器 新型半导体材料碳化硅( s i c ) 的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可 能。r o b e r s o k o j i e 报导了一种运行试验达5 0 0 的of 6 h ) s i c 压力传感器。实验 结果表明，在输入电压为5 v ，被测压力为6 9 m p a 的条件下，2 3 5 0 0 时的满量 程输出为4 4 6 6 - 2 0 0 3 m v ，满量程线度为- 0 1 7 ，迟滞为0 1 7 在5 0 0 条件下 运行1 0 h ，性能基本不变，在1 0 0 和5 0 0 两点的应变温度系数( t c g f ) ，分别 为0 1 9 c 和0 1 1 。这种传感器的主要优点是p n 结泄漏电流很小，没有 3 武汉理工大学硕士学位论文 热匹配问题以及升温不产生塑性变型，可以批量加工。z i e r m a n n ，r e n e 报导了使 用单晶体n 型1 3 s i c 材料制成的压力传感器，这种压力传感器工作温度可达 5 7 3 k 耐辐射。在室温下，此压力传感器的灵敏度为2 0 2 m u v v k p a 。 1 3 3 有自测试功能的压力传感器 为了降低调试与运行成本，d i r kd eb r u y k e r 等人报导了一种具有自测试功 能的压阻、电容双元件传感器，它的自测试功能是根据热驱动原理进行的，该 传感器尺寸为1 2 m m x 3 m m x 0 5 r a m ，适用于生物医学领域l ”。 1 3 4 光纤压力传感器 光纤光弹性效应压力传感器是一种非功能强度调制光纤传感器。其基本原 理如图1 2 所示。 压力 p jj ll lll | l ll 图1 2 光弹性效应强度调制原理 光源发出的光，经光纤1 自聚焦透镜g 1 准直为平行光束，再经过起偏器p ， 成为偏振方向与压力p 方向成4 5 0 角的线偏振光，当压力作用在光弹材料p e m 上时，光弹材料产生光折射，改变通过光弹材料的光的偏振状态，从而使经过 后的光强发生改变。 实际中考虑到传感器的稳定性问题，采用双光源、双探头同时探测的光桥 补偿光路。这样使测量的稳定性和精度得到较大的提高。在0 8 m p a ，精度可 达- + 0 0 1m p a 。 至于将c f g 用于压力传感器的研究，通过查找，国内外还没有发现相关报道。 4 武汉理 大学硕士学位论文 1 4 国内外光纤光栅研究现状和进展 光纤的紫外光敏性是于1 9 7 8 年在加拿大渥太华的通信研究中心，由k 0 h i l l 等人在研究一种特制石英光纤的非线性效应时意外发现的i o 】。在此之后， 光纤光栅的设计、制作及应用在全世界范围内得到了很大的发展。相关的分析 设计算法 1 1 4 2 】有耦合模方程法、传输矩阵法、分立层剥法等。制作方法从起初的 内写入法到双光束干涉法【1 3 1 、相位模板扫描法【体堋、逐点写入法【1 6 。1 7 1 等。光纤 光栅在其应用上能作为模式转化器、色散补偿器、波长滤波器、上下话路器、 光纤传感器等。目前，c f g 多被应用在光通信领域中。 下面给出目前国际国内有关光纤光栅尤其是c f g 领域较新的研究状况和热 点： ( 1 ) 光纤光栅作为多信道滤波器的研究 法国a l c a t c l 公司在o f c 2 0 0 2 会议上报道了覆盖5 0 n m ，信道间隔为 2 0 0 g h z 的多信道光栅滤波器【1 8 】。该公司利用相位模板和振幅模板配合的方法， 制作出取样率较低的取样光栅。这种光栅所需折射率调制强度较大，反射谱的顶 端仍然受s i n c 包络的限制，并且各信道谱形的顶部尖锐，不平坦。 由于幅度取样的光纤光栅在信道数较多时，其所需折射率调制强度大小随信 道数目呈线性变化。所以为了降低光栅对折射率调制强度的要求，可以采用在光 栅空白未曝光处增加取样数目并在各取样初始处引入相移的方法。这种方法使得 在形成多信道的同时，所需折射率调制强度大小仅随信道数目的平方根变化。另 外在相同折射率调制强度下，相位取样法得到的光栅插入损耗也要比幅度取样法 小得多。 p h a e t h o nc o m m u n i c a t i o n s 公司在o f c 2 0 0 3 会议上报道了采用相移取样技 术制作多信道光纤光栅【”l 的方法。采用这种方法实现了4 5 个信道，信道间隔 为i o o g h z 的多信道滤波。但是由于采用相位取样的相位分布非常复杂，光栅不 易制作。 ( 2 ) 光纤光栅作为多信道色散及色散斜率补偿器的研究 加拿大的t e r a x i o n 公司在0 f c 2 0 0 2 上报到了1 2 信道的色散补偿器【刎。 其光栅长度为1 0 c m ，补偿1 2 信道，信道问隔为1 6 r i m ，每信道带宽大于0 4 r i m 。 该补偿方案为叠加写入所需信道数的c f g ，相邻c f g 的中心波长差等于信道间隔， 5 武汉理i ：大学硕士学位论文 每个c f g 的反射谱对应一个信道，各反射谱之间互不影响。制作这种光栅，一般 需要多个啁啾模板，并且需要引入复杂的折射率轮廓。 南加州大学的p h a e t h o n 公司在0 f c 2 0 0 2 2 0 0 3 会议上均报道了9 信道的色散 补偿器【2 l l 。其光栅长度为l o c m ，补偿9 个信道，信道间隔为0 4 n m 。该补偿方案 为制作单纯相位取样c f g ，在每个取样的边界引入相移形成多信道潜质，在取样 内引入多个相移实现频移，当这两种相移满足匹配条件时，光栅就可以实现多 信道反射。采用这种技术对光栅折射率调制强度要求较小，可以结合相位取样 模板和啁啾模板一同使用，也可以只用一块啁啾模板，而在制作过程中引入多 个相移，但相应的制作工艺较复杂。 在0 f c 2 0 0 4 会议上，m i c h e lm o r i n 等人【2 2 】采用相位取样结合取样周期中带有 啁啾的方法设计制作出了全c 波段的色散及色散斜率补偿的光纤光栅器件。这种 新方法使得光纤光栅在信道数目增加时在色散补偿和色散斜率补偿上的作用仍 发挥到最佳。 ( 3 ) 光纤光栅结构分析的研究 目前光纤光栅的研究热点除了其设计和制作外，在0 f c 2 0 0 3 会议上出现了 很多针对已经成型的光纤光栅器件来分析其制作时的折射率调制强度分布以及 光栅周期误差波动的方法。比较有特点的文章有： i p e t e r m a n n 等人利用紫外光源的空间侧向散射来探究光栅特性团1 。 l b a s k i n 等人【2 4 】研制了能同时测量光栅的折射率调制强度( 精度2 1 0 “) ，光栅 周期误差( 精度5 p m ) 的装置，并发表了相关的文章，进行了c f g 时延抖动分析。 在0 f c 2 0 0 4 会议中d m i t r i iy u 等人i 硐在0 f c 2 0 0 4 会议中d m i t r i iy u 等人更是利用远离光栅带宽外的一个波长处的反射大小作为探究光栅折射率强 度大小的一个标准，从而在制作光栅的同时监测和控制曝光强度达到所需实现 的折射率强度大小。 ( 4 ) 光纤光栅的调谐特性研究 光纤光栅的调谐特性的研究从来都是光纤光栅走向应用的热点。在2 0 0 3 年取得的比较有进展的工作是c 。g o h 等人f 2 6 】提出的大于9 0 h m 的中心波长连 续可调的光纤光栅调谐以及x i n y o n gd o n g 等人【2 7 】提出的在中心波长变化很小 的条件下( 0 0 6 n m 以内) ，3 d 8 带宽调谐范围达到2 n m 的光栅调谐，从而实现 c f g 的可调色散补偿。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 课题研究中本人所做的工作 针对目前广泛使用的光纤b r a g g 光栅( f b g ) 传感解调成本高、速度慢的缺 点，本文将主要用于光纤通信色散补偿的c f g 应用于压力传感技术，并采用反 射波长的强度信号表征所测量的压力信号，大大降低了成本。试验结果令人满 意，对工业现实应用有一定的指导意义。本人的主要工作是： l 、利用c f g 作为压力传感器，进行了相关实验的设计、计算和分析工作， 并进行了动、静态试验。 2 、进行了不同封装条件对测量结果造成不同影响的验证试验，分析得出应 该选用直接粘贴无预拉的封装方式。 3 、设计了c f g 粘贴在压力传感弹性体( 压头) 的剪应力感应孔中的特殊模 具，解决了c f g 的平整粘贴和施加预应力问题。 4 、针对c f g 的光强与压力信号线性范围不够的问题，提出了两种不同的解 决方案，进行了一系列实验，并系统地分析了各种测量方案的灵敏度、 线性度和测量范围大小。 7 武汉理_ 大学硕士学位论文 第2 章o f g 的介绍 2 1 光纤光栅的分类 光纤光栅可以根据其模式问耦合、光栅周期的分布、折射率的分布等依据 分成很多类型，下面介绍几种典型的光纤光栅： ( 1 ) 光纤b r a g g 光栅( f b g ) 光纤b r a g g 光栅是最早发展出来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。 光纤b r a g g 光栅的折射率呈固定的周期性分布，即沿光栅长度方向光栅的周期a 和等效折射率n 甜都是常数，光栅波矢方向与光栅轴线方向一致。这种光栅的周 期较短，约为0 5 2 3pm 左右。当光经过光纤b r a g g 光栅时，对满足b r a g g 相位 匹配条件的光产生很强的反射；能够反射厶= 孙盯a 波长，对不满足b r a g g 条 件的光由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回来。该类光纤光栅在通信 和传感领域均有广泛的应用。作为商品的光纤b r a g g 光栅，其典型的技术数据如 下： 中心波长：9 8 0 h m ，1 0 2 0 r i m ，1 5 5 0 r i m ； 波长准确度：0 2 衄； 反射率：0 9 9 ； 带宽：0 1 0 2 1 0 n m ； 插入损耗： 0 1 d b 。 ( 2 ) 长周期光纤光栅( l p g ) 2 8 1 长周期光纤光栅是一种透射型光栅，具有不同波长处提供不同损耗大小的 能力，但由于导模与包层模间耦合容易受到诸如纤芯与包层界面间的微缺陷、 应力弯曲等因素的影响，其谱线形状设计比较难于控制。长周期光纤光栅的周 期通常为几百微米。 ( 3 ) 光纤啁啾光栅( c f g ) 1 2 9 , 3 0 l c f g 是指光栅的光学周期沿光纤轴向变化的一种光纤光栅。其中，线性c f g 的光学周期则是沿光栅长度方向发生线性变化，因此，可以把c f g 看作是数个 反射波长递增或递减的f b g 的叠加，相当于形成了一个多布喇格波长反射光栅 阵列，不同波长的光波被对应的不同的小段光栅反射，使导波光程随波长而单 8 武汉理工大学硕士学位论文 调递增或递减，从而形成一段连续的反射波长范围，表现为反射谱带宽的展宽。 相位上表现为相移色散，所以是进行色散补偿的理想器件。 ( 4 ) 切趾光纤光栅( a f b g ) d i - 3 3 i 理论与实验研究表明，采用折射率调制强度an 的渐变可以有效地抑制反射 及色散谱的振荡，从而制作形成的光栅称之为切趾光纤光栅。 ( 5 ) 相移光纤光栅( p s f b g ) 【3 4 筇1 当光栅周期中存在相位跳变或者光栅写入过程中有与光栅周期可比拟的错 位位移时，就会形成相移光纤光栅。其表现形式是在光栅透射诺上的阻带中会 出现带宽很窄的通带。 ( 6 ) 摩尔光纤( m o i r e ) 光栅i 甄3 7 1 摩尔光栅是一种由周期不同的一系列光栅在空间上折射率调制强度叠加而 形成的，其光谱范围内仍可获得多个透( 反) 射峰，且间距及反射率可调。 ( 7 ) 取样光纤光栅( s a m p l e d f b g ) 【3 8 挪柏】 取样光纤光栅是通过取样函数来控制光栅写入部分的有无来形成新的周期 性折射率调制强度分布，从而在光谱上形成多峰结构。在干线波分复用( w d m ) 传 输的色散补偿领域，使用等周期取样的线性c f g 可以补偿色散，且每信道内的 色散特性是相同的。 2 2c f g 的特点 在前面提到的很多类型的光纤光栅中，f b g 由于是波长调制型、结构简单、 重复性好、写入技术成熟和便于商品化而得到了广泛应用。例如将由f b g 组成 的阵列埋入结构材料内部，可用来监钡桥梁、大坝、重要建筑物内部的温度、 应变、压力及材料结构状态的变化；将f b g 阵列与材料复合组足智能材料或智 能蒙皮，可用于飞机、舰船、火箭等特殊物体。除此，在光纤通信与光纤传感 领域中还可用作滤波器、分接头、模式变换器、光放大器等。f b g 是通过其反射 回来的波长的改变来反映光栅上所受应力或者温度的改变，这决定了其解调任 务要解决的基本问题就是检测f b g 反射中心波长的改变。对于波长调制型的f b g ， 一种最直接、简单的检测方法是光谱分析仪法。但是这种仪器体积大、精度低， 结构复杂、价格昂贵，不适用于工程实地测量。为此，人们又发展了多种能够 适用于工程应用的解调技术，主要有：非平衡m - z 干涉检测、f - p 腔干涉滤波解 9 武汉理l 大学硕士学位论文 调和匹配光纤b r a g g 光栅滤波解调。但无论是哪种解调技术，基本都存在成本 高、速度慢的问题，f b g 波长解调技术的关键器件压电晶体驱动法布里一佩罗 腔一般售价达5 0 0 0 美元以上，成本高，采样频率只有1 0 0 h z ，很难满足高速高 频检测的需要。 相对于f b g ，c f g 除了具有一般光纤光栅所具有的特点之外，还有宽带宽、 大而稳定的色散值等独特性能，所以可作为较理想的传感器件。 作为传感器使用的c f g ，调制解调使用的是它的强度特性，在有参考c f g 条 件下，其强度大小会随着外界压应力和温度的改变而发生改变，用其反射光强 度的大小来反映待测物理量的大小，其相关的解调技术一般采用光栅强度解调， 自然也就降低了成本，由于宽带宽，所以可以有效地扩大测量范围，采样频率 一般可为5 kh z ，能满足高速率的要求。 2 3 国内外c f g 的研究和应用 国内外c f g 的研究基本都集中在光纤通信领域，以下是它主要的几个应用。 2 3 1 在光纤色散补偿系统中的应用 光通信系统的信息容量、传输速率、传输距离受到光纤损耗和色散的限制 在掺铒光纤放大器( e d f a ) 成功地解决了高速率、大容量、长距离光纤通信系 统中的损耗之后，光纤色散补偿成了人们亟待解决的问题。在目前提出的几种 色散补偿方案中，利用c f g 作为色散补偿器件的系统与其它方案相比具有全光 纤无源器件、与标准单模光纤完全兼容、体积小、色散补偿量大、制作成本低 等优点。应用c f g 进行光纤色散补偿的基本原理f 4 1 1 ：考虑一个初始半高宽( ，矽删_ ) 为t 。的高斯形光脉冲，在通过长为厶色散系数为b ：的光纤和一个色散值为， 的器件后，忽略光在传输中产生的非线性效应，其半高宽变为 t 2 = t o 、1 + ( 4 1 n 2 ( f l z l ，+ f ) t 0 2 ) 2 可见，当f = 一：厶时，t 。= t 。也就是说，如将色散值为一b ：厶的c f g 接到光 纤链路中，则可将因光纤色散而展宽的光脉冲压缩至初始状态，起到理想的色 散补偿作用。基于c f g 的色散补偿系统如图2 1 和图2 2 所示。 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 图2 - 1 在光纤链路色散补偿中的应用 图2 - 2 在w d m 系统色散补偿中的应用 2 3 2 在掺饵光纤放大器中的应用 在很多掺铒光纤放大器的结构中采用宽带c f g 作反射镜，将一次通过铒光 纤残余泵浦光反射回去，使其再次通过铒光纤起泵浦作用。 一种典型的方式如 图2 3 所示。这样既提高掺铒光纤放大器的泵浦效率，同时又避免了残余泵浦 光向前传输影响信号光【4 2 1 。 图2 3 在掺铒光纤放大器中的应用 武汉理丁大学硕士学位论文 2 3 3 在光纤滤波器中的应用 单通道和多通道的宽带、高反射率的带阻滤波器及窄带、低损耗的带通滤 波器是光纤网中重要的组成器件，而利用光纤光栅制作的在线光纤滤波器具有 成本低、与光纤兼容、易于集成等优点，是光纤通信系统中理想的器件。图2 - 4 给出了用c f 6 5 作光纤滤波器的原理图【4 3 1 。 固毯拦塑!哩嗽世塑2嘎咝丝擐 ：l l l 1 5 4 01 5 5 51 5 弱1 5 7 0 n 0 = 争一3 0 1 5 2 0 瓶 1 5 7 0 光纤凉波器透射谱 啁嗽光棚透射借 图2 - 4 用c f 6 5 1 1 作光纤滤波器的原理 除上述应用外，啁啾光栅在在掺铒光纤放大器i4 4 1 、相阵天线【4 5 肄方面的应 用也均有报导。 1 2 武汉理工人学硕七学位论文 第3 章c f g 的传感原理和制备方法 3 1c f g 的光学原理 如前所述，光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率，产生周期性调制而形成 的，其折射率变化幅度大小通常在1 0 1 0 1 之间。根据光纤光栅折射率和周期 沿轴向的不同分布，可把光纤光栅分为均匀光栅、c f g 、变迹光栅、取样光栅、 m o r i e 光栅等。其中，光学周期沿光栅轴向分布是非均匀的光栅称为c f g 。若光 学周期为光栅轴向线性函数，则称为线性c f g 。线性c f g 是c f g 的一种，是一种比 较重要的非均匀光栅，实际中是最常用的，因此，本课题采用的也是线性c f g ， 下面主要研究线性c f g 的成光原理。 由于线性c f g 的光学周期沿光栅轴向是逐渐线性变大( 小) 的一种光纤光 栅，所以可以把线性c f g 看作是数个反射波长递增或递减的f b g 的叠加。现讨论 c f g 光学周期沿轴向上变小的情况。根据布拉格光纤光栅反射特定波长的原理， 对于一束宽带光源，光谱中短波长的部分对应于光栅尾部b r a g g 波长，将在光 栅尾部反射，长波长的部分相应的会在光栅前端反射，不同波长的光波被对应 的不同的小段光栅反射，使波光程随波长而单调递增或递减，因此宽带光经过 c f g 后，将会反射某个范围内的入射光，形成有一定带宽范围的反射谱，这就是 线性c f g 光学原理。其示意图如图3 1 ： 五l z ， 】 图3 1 线性c f g 光学特性示意图 1 3 武汉理 一大学硕十学位论文 w w d e n e t h 6 m ) “) 图32c f g 反射光谱图 c f g 的几何周期与f b g 的几何周期均较小，与光波长处于同一数量级。向 c f g 的反射波形宽度为数纳米，可以是布喇格光栅的反射波形宽度的1 0 倍。图3 2 为线性c f g 反射谱：可看出，c f g 的反射谱有较人的带宽，图中约1 o n m ，实际应 用中可通过调节相应的光栅写入条件及光栅长度的大小来制作出各种带宽的 c p g ，如2 n m 、2 5 n m 、3 n m 带宽等。而下文所说的反射光强即为反射谱的总面积。 3 2c f g 的传感原理 由于可以把c f g 看作是有数个反射波长的布喇格光栅的叠加一些相关理论 证实【峒，c f g 传感器的传感原理与f b g 的基本相同，即当光栅所受的温度、应 变、应力或其它物理量发生变化时，如图3 3 ，都将导致光栅周期或者纤芯折射 率发生变化，从而使光纤光栅波长发生位移。以下以f b g 的传感原理来分析c f g 的传感特性。 1 4 武汉理上大学硕士学位论文 y 图3 - 3 光纤的均匀压力场、温度场和轴向应力场图 应变和压力影响光纤光栅波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起 的，而温度影响光栅波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。光栅的周期a 和光纤纤芯区有效折射率n 。在受到外界环境的影响( 温度、应力、压力) 时将分 别产生a 和血。的变化，光纤光栅反射波长会相应改变，通过相关的变化即可 探知外界环境的变化。与此同时，由于光纤光栅同时对温度、应变和压力敏感， 因此如何区分温度、应变和压力信号是光纤光栅传感器在实际应用中必须解决 的一个问题。 4 7 , 4 8 5 1 3 2 1 温度特性 温度影响f b g 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。假设均匀压力场和 轴向应力场保持恒定，当温度发生变化( r ) 时，一方面由热膨胀效应使光纤 b r a g g 光栅伸长从而改变了光栅周期，其变化关系可表示如下： a a 。口a a t( 3 1 ) 式中口为材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，口取值5 5 1 0 1 c 。 另一方面由于有热光效应的存在，光栅区域的折射率将发生变化，其变化 关系可表示如下： a n 。；宇n ，- a t ( 3 2 ) 善为热光系数，表示折射率随温度的变化率。 因此光纤光栅的温度灵敏度为： 武汉理工大学硕士学位论文 乏。钐亭碍“口+ 亭 ( 3 3 ) 对于掺锗石英光纤， a = 0 5 x 1 0 。，常温下亭一7 o x l o 。，由此估算光纤 b r a g g 光栅的温度灵敏度为7 5 x 1 0 “。c ，由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各 种光纤的膨胀系数a 和热光系数亭有较大差别，因此温度灵敏度的差别也很大。 当温度变化不大时，一般都认为亭是一个常数，因此b r a g g 波长的变化与温 度之间有较好的线性关系。但宇实际上是温度的函数。根据文献“7 3 的报道，5 0 k - - 3 5 0 k 时掺锗石英的亭与温度t 的关系可以写为： 导一一1 1 3 x l o - 6 + 6 7 4 x 1 0 8 t 一1 1 2 x 1 0 1 0 t 2 ( 3 4 ) 对掺锗石英光纤，忽略随温度变化产生的影响，则可以得到掺锗石英光纤 b r a g g 光栅的温度灵敏度公式为： k ，一- 0 6 3 x 1 0 - 6 + 6 7 4 x 1 0 8 t 一1 1 2 x 1 0 一”t 2( 3 5 ) 当t = 3 0 0 k 时，k ，约为9 5 x l o - 6 。c ，而t = 2 0 0 k 时则降为大约8 3 7 x 1 0 - 6 。c 。 因此在实际应用中，若温度变化范围较大，则应考虑温度的非线性影响。 3 2 2 轴向应力特性 应变影响f b g 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。假设光纤光 栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。一方面轴向应变会引起 光栅栅距的改变，可表示为： a a tf ，a ( 3 6 ) 其中为考察点处的轴向应变。另一方面，由于有弹光效应的存