光纤光栅温度传感器的研制----毕业设计

1、温度，它是表征工程结构安全的重要指标。随着科技的发展，对温度测量的精 度要求越来越高。近年来，光纤传感技术得到飞速发展，光纤光栅传感器相比传统 的机械电子式传感器在工业领域的越来越显示岀其优势地位。因此设计高精度的光 纤光栅温度传感器对温度进行长期、长期、实时、动态的监测，具有十分重要的意 义。介绍了光纤光栅的结构、传感原理、传感模型、传感系统和传感网络的基本组 成，通过对四种光纤光栅温度传感器结构的分析，说明封装方法对光纤布拉格光栅 fiber bragg grating(fbg)o fbg温度传感器特性的影响；进一步分析光纤bragg光 栅传感技术，针对“开关柜火灾报警系统”项目，分析光纤

2、光栅温度传感器的具体 设计要求和性能指标。通过硏究目前光纤光栅温度传感器封装方法的现状，分析每 一种封装方法的特点，设计出一种新的光纤光栅温度传感器封装方法；对所研制的 fbg温度传感器进行性能测试试验，并结合特定的工业场合分析fbg温度传感器 的性能，另外还介绍了其在现场的安装方式和一些注意事项。“开关柜火灾报警系统”的成功实施，证明光纤光栅温度传感器其性能指标完 全符合工业应用的现场。关键i司：光纤光栅，传感技术，温度传感器，电力系统abstracttemperature is an important index for project structure safety.with the

3、 development of technology,the accuracy requirements of measuring temperature are increasing obviously.recently with the rapid development of fiber sensing technology fbg sensors are showing their more and more prominent advantages in industry engineering than traditional mechanical and electrical s

4、ensors.so it is meaningful to design novel fbg-based temperature sensors to take long-time, real-time and dynamic monitor for the temperature.the structure,sensing principle,sensing model of fiber grating.and basic structure of fiber grating sensing system and sensing network are introduced in the p

5、aperthe effects of characteristics of fiber grating temperature sensor of four encapsulating methods are analyzed in my pape匚 through deeply study on the fbg sensing technology,the design requirements of fbg temperature sensor are illustrated,according to the practical needs in engineering of switch

6、gear fire alarm systemjeaming from the research on the current status of fbg temperature sensor encapsulation,and the characteristics of existed encapsulation structures new encapsulating method has been designed.the performance test of the made fbg temperature sensor has been made, which is not onl

7、y in lab, but also in some specific industries occasions.the way of installation of the fbg temperature sensor in the field and some notes in that progress are also described in the paper.the performance indicators of fbg temperature sensor consistent with the field of industrial applications comple

8、tely are verified with the successful implementation of the engineering of switchgear fire alarm system.keyw ords:fiber grating,sensingtechnology,temperaturesensor,electric power system摘要abstracti第一章绪论01温度测量现状01.1.1温度测量技术介绍01.1.2温度传感器21.2光纤光栅传感技术的应用现状31.3主要研究内容5第二章光纤光栅传感的基本理论72光纤光栅结构及传感原理72.2光纤光栅传感模

9、型82.2.1应变传感器模型92.2.2温度传感器模型92.3光纤光栅传感系统和传感网络基本构成102.3.1传感检测系统102.3.2传感网络102.4光纤光栅温度传感器特性112.4.1光纤光栅温度特性112.4.2实际光栅温度传感器的温度特性122.4.3光纤光栅温度传感器的传感原理122.5小结13第三章光纤光栅传感器的研制143光纤光栅温度传感器封装结构的研究现状143.2光纤光栅温度传感器的设计要求153.3实验装置及方法163.3.1实验装置163.3.2实验方法173.4实验数据处理方法183.4.1传感器的特性分析与技术指标183.4.2实验数据处理方法203.5光纤光栅温度

10、传感器结构的设计203.5.1封装结构的提出203.5.2对封装方法的进一步改进233.6封装结构对灵敏度影响的分析253.6.1光纤光栅温度特性实验253.6.2实验数据分析273.7封装工艺对传感器性能影响的分析283.7.1传感器性能对比实验283.7.2实验数据分析283.8其他性能指标的测试结果说明29第四章 光纤光栅传感器在电力系统测温中的应用324光纤光栅电力测温系统的组成324.1.1光纤光栅测温系统组成324.1.2 fbg测温系统在开关柜上的具体组成部分334.2光纤光栅电力测温系统的特点344.3光纤光栅电力测温系统的技术指标344.4电力测温屮光纤光栅传感器与传统传感器

11、的比较354.5光纤光栅测温在电力系统屮的应用范围354.6 fbg温度传感器的现场安装方式374.6.1光纤光栅温度传感器的安装方式374.6.2传输光缆的安装方法384.7小结39第五章 总结和展望405.1总结405.2展望40参考文献42第一章绪论1.1温度测量现状温度作为七大基本物理量之一，它是表示物质冷热程度的物理量，与我们的生 活息息相关，小至与我们生活环境相关的环境温度，大至在工程上比如发电厂、城 市供配电网中，温度的监测越来越重要，然而由于电缆用量越来越多，要是温度监 测不够精确，电缆接头温度过高往往都可能成为电缆火灾的元凶，电缆接头过热引 起的电缆断路、短路、爆炸甚至引发重

12、大火灾事故的案例屡见不鲜。温度，在科技飞速发展的阶段，仍然是一个安全监控、灾害诊断的重要的物理 量。在工业上，温度直接影响各种机械的精度和使用寿命，限制生产能力和生产效 率，制约新型产品的研发与生产；在农业上，温度的监控能力直接影响对各种自然 灾害的预报诊断能力；在仪器以及高新技术方而，温度影响仪器的测量精度，决定 高新技术的研发和实施的安全性。因此，对温度的测量控制，已成为各领域的关键 技术。传统温度测量系统中，一般选用模拟式温度传感器。常用的模拟式温度传感器, 其中一个共同特点是输岀为模拟量，因此在测量电路中必须经过a/d转换才能成为 计算机所能处理的数字量。随着计算机技术、单片机技术、数

13、字电子技术等的发展, 电子产品、计算机技术以及钠电阻等在温度测量系统中的应用越来越广泛，下面就 以上技术测量原理及其特点加以介绍。1.1.1温度测量技术介绍基于计算机技术、数字电子技术及单片机技术等的测量方法，与传统的测量方 法相比，实现了在测量点将温度值数字化，有效解决了传统温度传感器外围电路复 杂，抗干扰能力差的弊病，提高了测量精度、测量范围及响应速度，降低了对系统 的要求。1. 虚拟温度测量系统技术冃前的温度测量控制系统常采用单片机控制，该技术应用十分广泛，但其编程 复杂，控制不稳定，系统的精度不高。而利用虚拟仪器技术开发和设计的温度测量 系统，采用普通pc机为主机，利用图形化可视测试软

14、件lab view为软件开发 平台，来监测温度变化情况，采集数据并进行处理、存储、显示等。设备本低，使 用方便灵活，适用于工农业生产和教学。虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪，使其具有更强大的功 能。系统框架如图11所示，仪器系统通过前端感温装置的传感元件，将被测对象 的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放人、滤波等处理 后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。在数据采集卡内将模拟信号转换 为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在pc机内利用已经安装 的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。图1.1虚拟仪器测温系统框图2. 基于餡电阻的温

15、度高精度测量技术钳电阻有高精度、高稳定性等优点,被作为温度检测元件广泛应用于各行业。但在以钳电阻为检测元件的测温系统中，若要进一步提高其测量精度，则会存在一 些实际困难。一是在硬件电路方面，除了能够对信号的微弱变化检测并放大外，还 必须能对调零、偏置等电路以及电路元器件工作时因为温度漂移所产生的误差精确 补偿，对于钳电阻后级的信号调理电路有很高的要求；另一方面，在测温系统的设 计中，一般都是以某种规格的测温元件为对象的，但是由于在钳电阻测温元件的批 量化牛产中，同规格的产品误差都控制在某个范围之内（如a级钳电阻pt 100在0°c 时的阻值允许偏差为土0.06q）,而忽略了同一规格各

16、检测元件的个体差异，这就使 得测温系统在检测元件标称的允许偏差范围内的检测结果变得不确定，从而也限制 了测温精度的提高。基于此，以钳热电阻pt 100a的测温为研究对象，首先，给出一种能够满足高精 度测量需要的信号检测硬件电路，然后，针对某一具体的钳电阻，利用曲线拟合分 析方法，得到了适用于各温度段的d"测温多项式（为a/d采样值为温度）。这种 以d、/为参数的拟合方法，补偿了信号从钳电阻到a/d转换的过程中各个中间环 节所产生的偏差，使得测温更加精确。测温电路主要由pt 100a的恒流源发生电路、 信号放大、有源滤波及、a/d转换电路组成，如图1.2所示。图1.2 餡电阻温度检测电

17、路1.1.2温度传感器对于以上介绍的儿种温度测量技术，都离不开前端与被测物接触的温度传感器 或是类温度传感器。根据温度传感器的使用方式，通常分为接触法与非接触法两类。(1) 接触法：由热平衡原理可知，两个物体接触后，经过足够长的时间达到热 平衡，它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实 现温度测量，这种测温方式称为接触法。其特点是，温度计要与被测物体有良好的 热接触，使两者达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触法测温时，感温元件 要与被测物体接触，往往要破坏被测物体的热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用。 因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻。(2) 非接触法：利用物

18、体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测 温方式称为非接触法。它的特点是：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度 分布，热惯性小。从原理上看，用这种方法测温上限很高。通常用来测定iooo°c以 上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的表面温度。其中接触法与非接触法测温特 性的对比如表1.1所示。根据温度传感器发展分，温度传感器经历了以下儿个阶段：1. 传统的分立式温度传感器即热电偶传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接 接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从501600°c进行 连续测量，特殊的热电偶如金铁银珞合

19、金，温度最低可测到-269°c,餌铢合金热电偶 测温最高可达2800°c o2. 模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温 度传感器。模拟集成温度传感器是在20批纪80年代问世的，它将温度传感器集成 在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主 要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、 体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。3. 光纤传感器光纤式测温原理光纤测温技术可分为两类：一是利用辐射式测量原理,光纤作 为传输光通量的导体，配合光

20、敏元件构成结构型传感器；二是光纤本身就是感温部件 同时乂是传输光通量的功能型传感器。光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低，无论 是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小，可以单根、成束、y型或阵列方式使 用，结构布置简单且体积小。因此，作为温度计，适用的检测对象儿乎无所不包,可用于其他温度计难以应用的特殊场合，如密封、高电压、强磁场、核辐射、严格防爆、防 水、防腐、特小空间或特小工件等等。目前，光纤测温技术主要有全辐射测温法、单 辐射测温法、双波长测温法及多波长测温等。综上所述，光纤技术的发展，为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的 条件。光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解

21、决的问题。而在高 温领域，光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。有着与传感器温度传感器无法逾 越的优点。表1.1两种温度测量方法比较测量方法接触法非接触法不改变被测介质温场，诃测量移动物件 的温度，通常测量表面温度。由被测对象发出的辐射能充分照射到检 测元件；被测对象的有效发射率要准确 知道，或者具有重现的可能性。测量1000°c以上的温度较准确，测量 1000°c以下的温度误差大。通常为20°c左右，条件好的可达510°co通常较快，约23秒，即使迟缓的也在 10秒内。测量热容量小的物体有因难；测量移特点动物体有困难；可测量任何部位的温度；便于多点集中

22、测量和自动控制。测温元件要与被测对象很好接触接 测量条件触测温元件不要使被测对象的温度发生变化。容易测量1000°c以下的温度，测量 测量范围1200°c以上的温度有困难。通常为0.5%1%,依据测量条件可 准确度达 0.01%o响应速度 通常较慢，约13分钟。1.2光纤光栅传感技术的应用现状1978年，加拿大的k.o.hill中观察到氛离子激光在光纤中相向传输形成驻波时, 在光纤中形成折射率周期分布的光栅。这种周期分布的光栅也称作“hill光栅”，在 光纤中作为布拉格反射器使用。它可将满足布拉格条件的前向传输光变作反向传输 光，反射波长与光栅栅格常数和折射率有关。光照除去

23、后，光栅还存在，其反射率 在长时间光照达到饱和时可达到100%,带宽却很窄®。1989年，美国的melts等人发明了紫外侧写入技术，他们利用两束干涉的紫外 光从光纤的侧面写入了光栅。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研究迅速开展起来，光纤光栅的制作及光纤光敏化 技术不断发展。1993年，k.o.hill等人提出了位相掩模写入技术，利用紫外激光经过位相掩模 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

24、，使得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。同年pj.lemaire等人提出了一种提高光纤敏感性的简单 有效方法一低温高压载氢技术。他们将光纤浸入20750个大气压、20-75°c的氢 气中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，这样 可以使光纤敏感性提高近两个数量级。载氢技术极人地降低了光纤光栅的制作成 本，人们可以不必使用价格昂贵的高浓度掺错光纤，在普通通信光纤上就可以很容 易地写制出高反射率的光纤布拉格光栅。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有 关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和

25、纤芯折射率，从 而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化。这就是光纤光栅传感器的基本工作原 理。因此温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，它们构 成了其它各种物理量传感的基础，其它各种物理量的传感都是以光纤光栅的应变、 温度传感为基础间接衍生出来的。与强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，光纤光栅传感器是波长调制型 的，因而具有许多独特的优点：(1) 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的 影响；(2) 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；(3) 能方便的使用波分复用技术在一根光纤屮串接多个光纤bragg光栅进行分 布式测量

26、；(4) 传感信号可长距离传输且不受电磁信号的干扰；(5) 传感探头结构简单、尺寸小(其外径和光纤本身等同)适合各种场合，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、损伤程度等状态进行连续实吋监测；(6) 测量结果具有良好的重复性；(7) 光栅的写入工艺已较成熟便于形成规模生产(商品化)；光纤光栅技术拓宽了光纤技术的应用范围。在光通信方面，根据特定的光栅结 构可以制成满足各种光纤通信要求的有源和无源器件;在传感技术方面应用于先进 的智能传感系统。布拉格光纤光栅具有优良的选频和色散特性，可用来构成wdm系统/网络屮大 量关键元器件，而且通过优

27、化设计光纤光栅结构参数，可获不同应用要求的基于光 纤光栅的功能部件，如光纤放大器、光纤反射器、波分复用器等，而且光纤型结构 可大大的降低这类部件的插入损耗。有文献报道光纤光栅在光交叉互连(oxc) +的光纤光栅温度传感器的研究和应用 第一章绪论 应用;光交叉互连是波分复用全光网的关键部件，通常由滤波器和空间光开关阵列构 成，新型的光交叉互连采用光纤光栅作为上下路滤波器来实现通道的信息交换。在未来光通信及光纤传感领域中，光纤光栅波长调谐方法的探索及技术的开发 将是热点课题之一。目前光纤光栅的调谐方法有电磁调谐、热调谐、应力调谐、光 控调谐等，压强、声波、化学等调谐方法都不成熟，且调谐范围很小。在

28、光纤光栅 调谐特性的研究中探索新的调谐方法、获得宽的调谐范围及消除环境温度的影响一 直是人们致力解决的重点问题。近年来利用压电陶瓷进行波长调谐技术取得了很人 的进展，能达到45nm的波长调谐范围，但该实验设备复杂，成本昂贵;利用具有较 大热膨胀系数的高分子材料作为衬底，可获得15nm的波长调谐范围，由于热调谐 易受环境温度干扰，故其应用范围大受限制。光纤光栅可用于位移、应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高的灵 敏度和测量范围，适应于高温、高压和危险性环境等，可靠性高。在光纤若干个部 位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化，即实 现分布式光纤传感。采用光栅阵列

29、利用各种复用技术实现对各种传感量的准分布式 测量在智能和灵活结构屮有着重要的应用。武汉理工大学光纤中心、南开大学现代 光学研究所等在光纤光栅传感方面做了大量的工作，还有黑龙江光纤技术研究所也 开展了光纤光栅传感网络方面的研究。光纤光栅传感系统的一个应引起注意的问题是要区分应力和温度参量的交叉 影响，即交叉敏感现象。在进行应力传感时，很多情况下往往是忽略了温度的影响， 但是在精确的测量过程中，需采用有效手段解决这个问题。比如借鉴电子学中的抑 制温漂的方法，选用光学特性与传感光栅完全一致的光纤光栅作为参考光栅接入光 路中，把传感光栅和参考光栅输出信号z作为传感量，则不包含温度变化引起的因 素，能实

30、现温漂的消除，抑制交叉敏感。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飞跃。光纤光栅的出现 将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想，可以说光纤光栅技术是继掺餌光纤 放大器(edaf)技术z后光纤技术发展的又一个新的里程碑。光纤光栅技术使得全光 纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了希 望。1.3主要研究内容该课题是聚光科技有限公司“基于光纤光栅(fbg)开关柜火灾报警仪”项目的 有关传感器的那一部分。有关这一部分的研究目的是在熟悉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

31、与工艺进行研究，研制出适用于工程应用的光纤光栅温度传感器的封装方法，并探讨了光纤光栅温度传感器在电力系统测温中的 应用。对于fbg温度传感器的研制，采取的是与实际工程项目应用试验相结合的研 究方法。在聚光科技有限公司光学实验室的实验平台上，进行测试试验，以此来实 现完成设计的目的。本文的主要研究工作如下：(1) 介绍光纤光栅的结构、传感原理、传感模型、传感系统和传感网络的基本组 成；(2) 通过对多种光纤光栅温度传感器结构的分析，说明封装方法对温度传感器 特性的影响；(3) 进一步的分析光纤bragg光栅传感技术，针对开关柜的应用场合，分析光纤 光栅温度传感器的具体设计要求和性能指标。通过研究

32、目前光纤光栅温度传感器封 装方法的现状，分析每一种封装方法的特点，设计出一种新的光纤光栅温度传感器 封装方法。(4) 对所研制的fbg温度传感器进行性能测试，并结合特定的工业场合分析 fbg温度传感器的性能；最后介绍了其在现场的安装方式和一些注意事项。(5) 最后对所做的工作进行总结和分析。第二章 光纤光栅传感的基本理论光纤布拉格光栅具有独特的优越性能，在传感领域得到了充分的肯定与重视， 并已经作为工业上温度监测的一种重要技术手段得到了越来越广泛的应用。然而， 由于对光纤布拉格光栅的基本传感特性缺乏完整而清晰的认识，导致一些基于光纤 布拉格光栅的传感器设计与布设工艺具有盲目性，如光纤光栅温度传

33、感器的封装材 料选择问题、光纤布拉格光栅封装没有考虑交叉敏感问题等。基于这些，同时考虑光纤光栅的传输理论与光纤光栅的基本智能传感特性是研 究与开发光纤光栅传感器的理论基础，本章我将对光纤光栅的传输理论和基本智能 传感特性，如应变和温度传感、灵敏度误差等进行严格的理论推证。这些基础工作 是发展光纤光栅传感技术的基本理论与支撑。2.1光纤光栅结构及传感原理光纤是光导纤维的简称，是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆形，已 经广泛应用于通信领域的数据传输。由于光纤具有数据容量大、传快、耐久性好、 价格低廉等优点，已经成为通信领域的支柱产业。光纤的基本结构如图2所示， 由纤芯、包层、涂敷层（亦称保护

34、层）、增强纤维和保套组成。其中纤芯和包层是光 纤的主体，约为125 pm左右，对光波的传输决定性作用。涂敷层、增强纤维和保 护套主要起隔离杂光、提高光纤强度和护作用。光纤可以按多种方式来分类：按传 输模式分为单模和多模光纤；按芯折射率分布分为阶跃型和梯度型光纤；按偏振态 分为保偏光纤和非保偏纤；按制造材料分为石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤、液芯 光纤、晶体光纤特种光纤等。图2.1光纤光栅基本结构图2.1为光纤光栅的结构图，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期 性调制而形成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏 的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂(

35、通常是掺错)， 使芯层折射率®比包层折射率伽大，从而形成波导。光就可以在芯层中传播。当芯 层折射率受到周期性调制后，即成为布拉格光栅。布拉格光栅会对入射的宽带光进 行选择性反射，反射一个屮心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光(带宽通常 约为0.10.5mn)。这样，光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。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给出的，因而这种光纤光栅被称 为光纤布拉格光栅(fbg),反射条件就称为布拉格条件。只有满足布拉格条件的光 波才能被光纤光栅反射。所谓相位相匹配是指布拉格波长决定于折射率调制的空间 周期a和调制的幅度大小，用数学公式表示如下叫

36、= 2neff a(2.1)其屮：心为光栅的布拉格波长，亿护为光栅的有效折射率(折射率调制幅度大小的平 均效应)，人为光栅条纹周期(折射率调制的空间周期)。以上为折射率调制周期为均匀的情况，如果芯层折射率调制周期不均匀，特别 是调制周期沿光纤轴线线性变化，则反射光为宽带光，这种光纤光栅称z为惆啾光 纤光栅。对公式(2.1)进行微分可得到：人=2%aa + 2% a(2.2)从式中可以看出，当罠#或a改变时，中心反射波长会相应的发生改变。光纤 光栅传感的基本原理是:当光栅周圉的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化 时，将导致光栅周期人或纤芯折射率化历的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生 位移

37、人人，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。2.2光纤光栅传感模型为了深入的研究光纤光栅的传感机理和传感特性，需要从它的结构出发，建立 传感模型，由于光纤光栅温度传感器是以光的波长位移量为最小计量单位的，目前 检测的fbg波长移动的分辨率已经高达pm量级，因此，光纤光栅传感器具有很高 的测量精度，光纤光栅传感器在结构检测中只需要检测光纤光栅波长分布图中波峰 的准确位置，于光强无关，故对光强的波动不敏感。与普通的光纤传感器相比，光 纤光栅传感器具有更高的抗干扰能力和更加优异的变形匹配特性。由于光纤光栅对温度和应变都比较敏感，所以传感模型主要分为应变传感模型 和温度传感模型，他

38、们的原理都是由于光纤对温度和应变敏感，导致了光纤光栅的有效折射率和光栅周期的变化。2.2.1应变传感器模型在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无 论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期a的变化，并且光纤本身所具 有弹光效应使得有效折射率刃”也随外界应力状态的变化而变化，这为采用光纤布 拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。应力引起光栅布拉格波长 漂移可以由公式(2.2)给予描述。其中aa表示光纤木身在应力作用下的弹性变形，4切表示光纤的弹光效应， 外界不同的应力状态将导致aa和血张的不同变化。一般情况下，对于光纤光栅来 讲，由于它木身属于各向同

39、性柱体结构，所以施加于其上的应力总可以在柱坐标系 下分解为厂、&和z三个方向，其中厂、&为横向应力，z为轴向应力，在这里我就 不再进行更多的描述.2.2.2温度传感器模型外界温度对bragg波长的影响是由热膨胀效应和热光效应引起的。由公式(2.1) 可知，bragg波长是随偽和a的变化而变化的。当光栅所处的外界环境发生变化时, 可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。由于光纤材料的热光效应，光栅的折射率 会发生变化;由于热胀冷缩效应，光栅的周期也会发生变化，从而引起的僞/和a变 化，最终导致光栅bragg波长心的漂移。公式(2.1)对温度求导，得： 鈴=2(饬鈴+ a警)由热膨胀效

40、应引起的光栅周期变化为：da a=& adt由热光效应引起的有效折射率变化为：于是温度灵敏度为：k丄= q + £dt人(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)(2.7)da 1 a -x dt a(2.8)式中：k丁为温度灵敏度，&为光纤材料的热膨胀系数，£为热光系数表示折射率随 温度的变化率,对于石英光纤q约为0"10讥,£约为6.7x103/c,由此估算出 常温下光纤bragg光栅的温度灵敏度为7.2x10-3/°c,由于掺杂成分和掺杂浓度的不 同，各种光纤的膨胀系数&和热光系数£有较大差别，因此温度灵敏

41、度的差别也很 大。2.3光纤光栅传感系统和传感网络基本构成2.3.1传感检测系统光纤光栅传感检测系统由两大部分组成:传感光栅和解调仪，光纤光栅传感器检 测系统示意图如图2.2所示。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、性能更优越的光纤光栅传感检测系统都是在此基础上，对各图2.2光纤光栅传感检测系统示意图2.3.2传感网络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

42、制，就是指外界信号场（被测场）以一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 界信号场的大小及空间分布。光纤布拉格光栅传感器一个主要的优点就是：能方便的使用波分复用技术在一 根光纤屮串接多个布拉格光栅进行分布式测量。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y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y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

43、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吋域技术的连续分布系统 高得多，吋域连续分布系统的空间分辨率只能达到米量级。2.4光纤光栅温度传感器特性光纤光栅传感器是一种利用光纤bragg对温度和应力敏感的特性研制而成的， 可以广泛应用于应力、温度、压力等参量的测量。当被测量变化时，光纤光栅的反 射波长将会移动，理论上，反射波长的移动量与被测量的变化量呈线性关系。光纤 光栅传感器的关键问题就是耍如何高精度地测量光纤光栅的反射波长的移动量。我 们公司用的是美国moi公司所研制的si425系列的

44、解调仪实现波长信号解调，系统 具有稳定性好、重复性好、响应时间快及精确度高等优点，为光纤光栅传感器的应 用提供了一个比较依据。将光纤光栅温度传感器与之相连，用moi公司专用软件 处理这些光谱就可以实现温度、应变等参量的测量。2.4.1光纤光栅温度特性当温度变化&时，由于热胀效应使光纤光栅伸长而改变其光栅周期，即：aa人= at(2.9)a式中a为光栅周期(紫外光照射光纤时对光纤芯折层折射率进行调制的周期，所谓 调制，就是使沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化，当芯层折射率受 到均匀周期性调制后，即成为光纤光栅)，aa即为光纤光栅周期变化量；&为材料 的膨胀系数，对于掺错

45、石英光纤，。为5.5xlo-3/°c, &为温度变化值；另一方面，由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，b|j：(2.10)式中£为热光系数，对于硅纤而言，£约为6.67x10-3/°c,所以，温度对光纤光栅 波长漂移总的影响为：=(& + £)(2.11)式中心为光栅的中心波长，a人为光栅中心波长的变化量。由上式可以看出:光纤光 栅波长变化量与温度变化量成线性关系。2.4.2实际光栅温度传感器的温度特性由以上叙述知道，理论上，光纤光栅的温度变化与波长变化成线性关系，然而 裸光纤光栅特别细，也特别脆，尤其抗剪切能力很差，只耍将

46、其弯成了锐角，就可 能会折，所以在实际应用中，直接将其作为传感器是不现实的，对于传感器进行二 次开发，即进行保护性封装。光纤光栅温度传感器封装的基本含义是利用高性能的 材料和灵巧的结构形式，制作出既能满足实际测试需要，同时其制作工艺又比较智 能的传感器，同时，将光栅封装成温度传感器后，其温度特性与未封装前有所不同。 一般情况下，裸光栅的温度系数为0.00820.012nm/°c ,温度灵敏度 k = 6.72xl(t7°c,在不同的应用场合有时需要对光栅进行增敏封装，采用特定的 封装材料及工艺尽可能地提高光栅的温度灵敏度，所以，封装完成之后，温度系数 最大可达到裸光纤光栅温

47、度系数的12倍之多，对于测温来说，希望最大可能地提 高传感器的温敏特性，但由于目前封装大多采用手工封装，即使是在相同材料与工 艺的情况下，仍然会造成封装后的传感器线性度发生变化，主耍原因是：(1) 光纤光栅具有应变特性，即光纤光栅的中心波长随应力变化的特性。这种 变化的机理一方面是由于光栅介质受应力作用从而引起折射率的变化；另一方面， 介质受应力作用其微观质点将发生位移，亦即改变了光栅的周期，总的作用结果使 光栅的中心波长漂移；(2) 封装元件、材料具有温敏特性，由于封装元件及材料与光栅粘接时的应力 分布不均匀，致使封装后传感器的温度特性受到影响，而且，有些因素完全是由封 装人员造成的，所以，

48、每个封装完后的传感器的温度曲线没有规律性。2.4.3光纤光栅温度传感器的传感原理光纤光栅温度传感器粘贴或是埋入被测物中，若被测物的某一个物理性质(如温 度，应变等)发生变化时，光纤光栅的中心波长也会随z发生漂移，通过信号探测仪, 可以定量检测光纤光栅波长的漂移量，进而解调出相应物理量的变化。其原理如图 2.3所示，从图中可以看出，其基本原理是激光器打出-道光通过fbg温度传感器, 由解调仪检测光纤光栅反射回来的波长差，而被测物一般与传感器表面相接触，± 传感器的标定温度可以算出被测物表面的温度值，这样就实现了通过检测光源通过 光纤光栅传感器反射冋来的波长差，从而实现间接测量的方式检测

49、出被测物的温度 值。传统的温度传感器都是通过将温度信号转换成电路或是电压信号灯电信号，而 光纤光栅温度传感器则是将温度信号转换成了波长差，从而避免了由于电磁干扰的 影响。图2.3光纤光栅温度传感器原理2.5小结第二章主要介绍的是光纤光栅的传感理论，从光纤光栅的基本结构及其传感原 理，根据光纤光栅对于温度和应变的皱感性，推导出光纤光栅中心波长的偏移量和 温度的对应关系，进而分析了温度和应变传感器两种传感模型及其传感检测系统的 主要组成部分。第三章 光纤光栅传感器的研制光纤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。是一种波长调制型光纤传感器，因此

50、具有抗干扰能力强、稳 定性好便于组网等优点。目前，bragg光栅传感器正从实验室走向实际工程应用。 文献9综述了 bragg光栅传感器在民用工程结构、航空航天、船舶航运、电力和石 油化工等行业中的应用。国内外学者的研究表明，光纤bragg光栅传感特性稳定，是比较理想的传感温 度元件。但是由于光纤bragg光栅本身比较纤细，比较脆，而在工业上一般传感器 的工作环境往往比较恶劣，所以必须对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i®。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。第二章主要通过对光纤光栅传感特性的研究，木章结

51、合在工程实际应用中对测 量各个性能指标的要求，对光纤光栅温度传感器的封装工艺方法进行了系统研究， 提出了新的光纤光栅温度传感器封装结构，并在一步一步的实验中得出结论，以此 来验证传感器的性能指标。3.1光纤光栅温度传感器封装结构的研究现状图3混合聚合物光纤光栅封装结构目前国内外研究学者就封装形式和结构对光纤bragg光栅温度传感特性的影响 进行了大量的研究。例如南开大学现代光学研究所的张伟刚进行了混合聚合物光纤 光栅封装元件的温敏实验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，其封装结构图如图3.1所示，并进行了温敏实验，实验表 明在20°c80°

52、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o.olnmtc提高到0.133nm/°co2002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，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3.2。封装实验研究结果表明，光纤光栅温度灵敏度为0.0292lnm/°c,约为裸光 纤光栅的3倍。fbg /不锈 /钢管 翩ihlilllhiihiiilili图3.2钢管内腔中充满环氧树脂封装结构燕山大学的王玉出等提出了如图3.3所示的封

53、装结构口讥 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 钏接。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。图3.3光纤光栅金属套管封装结构图3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3.3所示的封装结构比较复杂，其结构的稳定性 难保证，而且不适合于批量生产。3.2光纤光栅温度传感器的设计要求鉴于本次毕业设计的要求，对fbg温度

54、传感器各个性能指标的要求，同时为 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优良的传感特性，但将它封装成传感器后，其传感特性与光 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吋, 我们首先要考虑的是就是优良的传感特性，这个是传感器最垂要的给你，良好的重 复性和线性度是对传感器的基本要求，所以在研究实验中我们将重点考察这两项特 性。2. 工艺性对我们设计的传感器的封装结构应尽量做到简单耐用，易于生产加工，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、保护和调试必须简单、方便，便于实现分布传感

55、，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。3.3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，对于每一种结构是否符合工艺 要求，就需耍我们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。331实验装置本实验选用相位掩模法制作的光纤光栅，波长解调使用的是美国moi公司研制 的4通道光纤bragg光栅解调仪s1425系列。该设备的波长分辨率为0.001 pm,扫 描范围为15101590肋，扫描频率为1hz。传感

56、器的接头采用通用的光纤fc/apc 跳线头，如图3.4所示，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，水浴恒温箱如下图3.5所示：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：±0.05 °c实验过程中使用两只ptlooffl电阻来检查恒温箱内的温度，测量精度大约在1°c 以下；温度传感器pt100是一种稳定性和线性都比较好的钳丝热电阻传感器,可以工 作在-200°c至650°c的范围，在本实验中主要工作在在40°c至120°c范围。整个电路 分为两部

57、分，一是传感器前置放大电路，一是单片机a/d转换和显示，控制，软件非线 性校正等部分。图3.4光纤光栅解调仪图3.5控温箱3.3.2实验方法对于传感器而言，其最基本的性能要求就是重复性、线性度和灵敏度，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、线性度和灵敏度加-要进 行一系列的温度实验。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设定值值，待温度稳定后从解调器读取bragg波长值， 并从ptloo中读出其电阻值算出对应的温度值，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人量的实验，为了快速直观的分析

58、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 用最小二乘法作线性拟合，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i传感器的多次测量数据取其平均值绘制在同一张图表 中，就可以很直观的分析传感器的重复性。3.4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。3.4.1传感器的特性分析与技术指标传感器的静态特性是表示传感器在被测输入量的各个值都处于稳定状态时的输 入输出关系。衡量传感器静态特性的主要技术指标是:线性度、灵敏度、重复性。1. 线性度线性度又称非线性，是表征传感器输出输入校准曲线与所选定的拟合直线z 间吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度，即xloo%(3.1)y fs式中，人吨为输出平均值与拟合直线间的最大偏差；为理论满量程输出。选定 的拟合肓线不同，计算得到的线性度数值也就不同。选择拟合盲线的原则应保证获 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、 端点肓线法