高精度光纤光栅传感解调系统的研究

1、燕山大学硕士学位论文高精度光纤光栅传感解调系统的研究姓名：李林申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：毕卫红20061201摘要摘要随着光纤光栅制造和传感技术的不断发展，开发质量优良、持久耐用、稳定性强、高精度、低成本的光纤光栅式传感系列器件，最终实现模块化、产业化、规模化生产是光纤光栅式传感器研发的方向。本文对光纤光栅传感器的基本理论和技术进行了系统的研究，主要内容包括：光纤光栅的耦合模理论分析；光纤光栅的分类和制作方法；光纤光栅的传感机理；光纤光栅的各种波长调制及解调技术；滤波解调原理及构成；长周期光纤光栅滤波解调系统的设计；并对系统误差进行了分析讨论。首先对光纤光栅传感器的研究现状和

2、发展趋势进行了回顾和展望。按照理想波导模式展开法推导了模式耦合方程，并用耦合模理论详细研究了光纤布拉格光栅的反射特性与各参数之间的关系。讨论了如何提高传感光纤布拉格光栅的复用数目，理论推导了光纤布拉格光栅的极窄带宽，研究了光纤布拉格光栅和长周期光栅对温度、应变的传感机理，分别建立了其实现应变和温度传感的数学模型。光纤光栅的解调技术是光纤光栅传感器的关键技术，本文讨论了光纤光栅传感器的调谐技术，分析了几种典型光纤光栅波长漂移解调方法，对各种方案的优缺点进行了分析比较。在光纤光栅传感技术理论分析与研究的基础上，提出长周期光纤光栅边缘滤波解调方案，设计了其传感实验系统，详细论述了系统光路的具体组成，

3、介绍了光路器件的原理和特性，针对微弱光信号的检测，设计了相应的数据处理系统，最后进行了初步的实验，用实验证明，采用长周期光纤光栅实现温度的高精度传感测量的可行性。关键词光纤光栅；长周期光纤光栅；温度传感；微弱信号；边缘滤波器；解调系统燕山大学工学硕士学位论文，￥，：；，！，圮远，唧馓；迳；燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高精度光纤光栅传感解调系统的研究在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将

4、完全由本人承担。作者签字务尔日期：刀口年）月箩日燕山大学硕士学位论文使用授权书高精度光纤光栅传感解调系统的研究系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密口，在本学位论文属于不保密曰。（请在以上相应方框内打“”）年解罾后适用本授权书。作者签名：冬积导师签名：日期：劢停膨月乡日辉

5、卫，日期：加戽明珀第章绪论第章绪论引言传感器技术、通信技术和计算机技术是信息技术的三大支柱。当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特征的信息时代，光纤光栅是一种新型的无源光子器件，可制成各种传感器，光纤光栅传感器技术代表了新一代传感器的发展方向，在传感领域得到广泛的应用。年，加拿大的等人，制成了世界上第一只被称为“光栅”的光纤光栅【】，开创了光纤光栅研究与应用的先河。此后，由于受写入效率低等因素的影响，在相当长一段时间内，其进展缓慢。直至年，美国的等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术【】，利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入光栅。此后，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

6、栅的制作及光纤光敏化技术不断取得新的进展，不断提高和完善，光纤光栅的某些技术已达到商用化的程度。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【】、光纤光栅色散补偿器等）层出不穷，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等领域。传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位，各种类型的传感器已广泛应用于各个学科领域。光纤光栅传感器是以光纤光栅为传感基元的新型传感器，代表着新一代光传感器的发展方向。但目前的光纤光栅传感器，大多是探测波长的漂移，解调系统成本高，严重影响了光纤是传感器的发展及实际应用。开发价格低廉，质量优良、持久耐用、功能

7、集成的光纤光栅传感解调系统，是最终实现光纤光栅传感器模块化、产业化、规模化的目标。光纤光栅简介光纤光栅是一种新型的无源光子器件。它是利用光纤材料的光敏性（外燕山大学工学硕士学位论文界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起纤芯折射率的永久性变化）在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质可制成光纤激光器【】；用光纤光栅作为激光二极管的外腔发射器，构成外腔可调谐激光二

8、极管【】；利用闪耀型光纤光栅制作光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅制作光纤色散补偿器等。此外，利用光纤光栅还可以制成各种传感器和各种光纤传感网【”】，用于检测温度、应力、位移、压强、扭角、扭矩、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，近年来，光纤光栅传感器在大型结构（如水坝、桥梁、重要建筑和飞行器、舰艇等）【扣】、特殊场合（如矿井、油田、油罐等）以及能源化工等领域的安全监测方面具有极为广泛的应用前景。光纤光栅传感器的特点基于光纤光栅传感器是光纤光栅作敏感器件的功能型光栅传感器，与传统的传感器相比，光纤光栅传感器除了具有普通传感器的特点外，具有许多独特的优点。（）传感头结构简单

9、、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好。（）与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高。（）具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作。（）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。（）高灵敏度、高分辨率。（）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。第章绪论光纤光栅作为光纤传感器，虽然具有许多传统传感器不具备的优点，但它也为实际的传感系统带来了两个值得

10、研究的问题：其一，光纤光栅是以光栅的波长作为传感媒介，通过波长漂移来感知外界物理参量的变化，欲加宽测量范围就必须采用宽带光源，而欲提高分辨率就必须压窄反射带宽（这就降低了宽光源的功率利用率），这样就要求在光纤光栅传感应用系统中，必须采用宽带大功率光源，才能提高系统的信噪比，实现可靠的信号检测；其二，对外界物理参量变化的直接表现形式是波长漂移，所以欲提高检测灵敏度和分辨率就必须采用高性能的单色仪或光谱仪，这样势必增加整个系统的造价，降低其实用性。这两个问题在今后光纤光栅传感应用方面将成为重点。光纤光栅的分类光纤光栅是光纤导波介质中物理结构成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

11、光栅和折射率调制的相位光栅两类。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性分布。无论是研发还是实际工程应用，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的位相光栅。（）均匀周期光纤布拉格光栅（特性如图所示。：）光谱霎蓍“波长图反射谱指光栅周期一般为姗量级，折射率调制深度一般为。巧，光栅燕山大学工学硕士学位论文波矢方向与光纤轴线方向一致【川。这种光纤光栅具有较窄的反射带宽和较高的反射率，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。这是最早发展起来的一类光纤光栅，在光纤通信及光纤传感领域应用极其广泛。（）长周期光纤光栅（：）栅格周期远大

12、于布拉格光栅的栅格周期，一般为几十到几百微米瞄，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，透射光谱如图所示。它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中损耗掉，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。与光纤布拉格光栅相比，它对环境的变化反应更加灵敏。目前，主要用于掺铒光纤放大器的增益平坦和光纤传感领域。丹菸捌曼艘长图透射谱培￥（）闪耀光纤光栅在光栅制作过程中，紫外侧写光束与光纤轴向不严格垂直，而是有一个小角度时，形成所谓闪耀光纤光栅。与光纤布拉格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光纤轴线方向有一定的交角。这种光纤光栅不但能引起反

13、向导模的耦合，而且还能将基模耦合到包层模中辐射掉。这种宽带损耗特性可用于掺铒光纤放大器的增益平坦【】。（）啁瞅光纤光栅栅格间距不等的光栅通常称为啁啾光栅，线性啁啾光栅纤芯的折射率在整个区域内单调、连续、准周期线性变化，折射率调制深度为常数口。分段啁啾光栅的栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内单调、连续、准周期线性变化，而折射率调制深度为常数。这两种啁啾光纤光栅第章绪论具有的共同特点是：反射带宽远大于均匀周期光栅的带宽，可达几十纳米，主要用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。（）相移光纤光栅（）这种光纤光栅可视为光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅或啁啾光纤光栅的栅格周期被占函数调制的结果，而折射率调制深度不

14、变，实际上是在某些特定的位置引入间断点使光纤光栅的折射率空间产生不连续分布，亦即若干个周期性光栅的不连续连接结果，其中的每个间断点都会产生一个确定的相移。其主要特点是：可在周期性光栅的光谱阻带内打开若干个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。利用相移型光纤布拉格光栅可以构造多通道滤波器件，通过选择合适的相移位置与相移量制作的相移型长周期光纤光栅，可用于的增益平坦，在光通信及光谱分析等领域具有很高的应用价值。（）超结构光纤光栅（）这种光纤光栅可视为布拉格或啁啾光纤光栅的栅格周期被方波函数调制的结果，而折射率调制深度不变。其反射谱具有一组分立的反射峰引。由光纤布拉格光栅调制而成的超

15、结构光纤光栅，其反射谱的波长间隔相等，在梳状滤波器、多波长光纤激光器及光纤传感领域具有应用价值；由啁啾光纤光栅调制而成的超结构光纤光栅，在波分复用通信系统中的色散补偿方面具有潜在的应用价值，用一根这种超结构光纤光栅可实现多信道的同时色散补偿。此外还有取样光纤光栅口、光纤光栅们、匕纤光栅等。光纤光栅的写入技术光纤光栅的折射率分布反映了光纤光栅的周期和折射率调制度等结构参数，这些参数决定了光纤光栅的布拉格波长、带宽和反射特性，从而使不同的折射率调制及不同结构的光纤光栅具有了不同的功能，形成不同的光纤光栅器件。光纤光栅的形成基于光纤的光敏性、不同类型的曝光条件，不同类型的光纤产生多种不同折射率分布的

16、光纤光栅。（）纵向驻波干涉法这是加拿大通信研究中心的等人首次发现光纤光敏性的方法。它利用注入光纤的入射光和从光纤另一端面返回的燕山大学工学硕士学位论文反射光在光纤内形成驻波，经过一定曝光时间后使光纤纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅口翔。驻波干涉法制作光纤光栅的优点是装置较简单，缺点是布拉格反射波长仅由写入光波长决定，而且写入效率低，光栅较长。（）光束全息干涉横向写入法这是年美国东哈特福德联合技术研究中心的等人首先实现的。将，段掺锗光敏裸光纤在两束相干紫外光束交叠区域所形成的干涉场中曝光，引起纤芯折射率的周期性扰动，从而形成光栅。与纵向驻波干涉法相比，该写入法写入效率有了较大提高，并且可

17、以通过改变两干涉光束之间的夹角来调整光栅的周期，易于获得所希望的布拉格反射波长。但这种方法也有其缺点：一是对光源的相干性要求较高，二是对系统的稳定性要求较高。（点光源写入法这种方法是利用一点光源，沿光纤长度方向等间距地曝光，使光纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅（卯。这种方法的优点是灵活性高，周期容易控制，可以制作变迹光栅；对光源的相干性没有要求。缺点是由于需要亚微米间隔的精确控制，难度较大，而且受光点几何尺寸限制，光栅周期不能太小，适于写入长周期光栅。（）相位掩模法相位掩模法利用石英相位掩模板实现衍射光相干而形成光栅。其基本原理是利用阶和一阶衍射光束之间的干涉，在掩模板后面形成周期的光

18、强分布，从而在纤芯引起折射率调制，其周期为掩模光栅周期的一半【蚓。优点是稳定可靠，重复性好，简单实用。目前已成为制作光纤光栅最常用的方法。但是传统的相位掩模法有两大缺点：一是由于光源相干性较低，成栅时要求光栅尽量靠近掩模，因而易致掩模的损坏；二是一种掩模只能制作一种特定波长的光栅，灵活性较差。国内外研究现状及发展前景自年首次报道将光纤光栅用作传感器以来，受到了世界范围内的广泛重视，并且已经在许多领域取得了持续和快速的发展。主要应用领域涉及：民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等。第章绪论国外研究概况光纤光栅传感器在国外已经得到了广泛的应用。年，在美国俄亥俄州

19、的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁【，埋入了光纤光栅应变传感器，通过互联网有规律地监视桥梁的荷载响应和跟踪连接绳索的长期性能。年，在美国新墨西哥号州际高速公路的钢结构桥梁上，安装了多达个光纤光栅传感器【】，是当时在桥梁上使用光纤光栅传感器最多的记录。美国的其它民用工程结构中对光纤光栅传感器也有着类似的应用，同时光纤光栅传感器也被用于航空航天业、船舶航运业、石油化工业和电力工业。在欧洲，光纤光栅传感器也得到了广泛应用。年，瑞士的研究人员将光纤光栅传感器埋入混凝土，对混凝土断裂延伸带的宽度进行了测量。法国、德国、瑞典和英国的光学研究院都在运用光纤光栅传感器对航空航天设备进行监测。医学中，光纤光栅

20、传感器的小尺寸被研究用来对人体组织功能进行内部测量。巴西用光纤光栅应变传感器来测量呼吸过程的频谱，新加坡用一种光纤光栅压力传感器来进行外科较正。核工业中，日本将光纤光栅用于核电厂设备和管道的传感，比利时核研究中心将光纤光栅用于机器人的执行终端或机器手的传感。光纤光栅传感器在其他方面也有许多应用，。例如埃姆斯研究中心用光纤光栅制作身份和物品的识别系统。总之，国外对光纤光栅传感和分布式光纤光栅传感技术的研究在快速发展。国内研究概况国内在光纤光栅传感器方面的研究工作做的较少，主要集中在理论分析和误差计算方面，也有少量关于系统和技术研究方面的报道，近两年来，光纤光栅传感器在学术和基础研究方面已有了很大

21、进展，但与先进国家相比还相差甚远。清华大学廖延彪教授对光纤光栅技术及应用进行了较多研究【】；武汉大学在传感方面做了许多研究，一些技术已在工程中应用】：重庆大学光电仪器系提出了一种基于成像光谱技术的解调方案】，该方案是将来自反射光栅的光射入工业摄像机的面阵上，经图像卡数字燕山大学工学硕士学位论文化处理后，可得光纤光栅成像位置和光纤应变的关系。这些说明光纤光栅及其应用技术在我国还处于起步状态，而光纤光栅分布式传感技术的研究也处于萌芽之中。一些实用技术还不成熟，影响了光纤光栅传感器从实验室走向实际应用。另外，偏高的市场价格也影响了其在国内的发展，有待从原理、原材料和制作工艺等方面入手，降低生产成本，

22、研制出适合中国传感器市场的优质低价光纤光栅传感器。本文主要研究内容与结构本课题为自选课题，研究工作主要分为两部分，其一是光纤光栅的传感原理和传感器的解调技术；其二是光纤光栅传感滤波检测技术，以及长周期光纤光栅滤波的温度传感解调系统的设计。论文结构安排如下：第章介绍了光纤光栅的发展历史、分类、制作、光纤光栅传感的优势和国内外发展动向和应用。第章介绍了光纤光栅的相关理论，根据耦合模理论分析了光纤布拉格光栅的参数与反射光谱的关系，建立了温度和应变的传感模型。并且分析了长周期光纤光栅传感解调原理。第章讨论了光纤光栅传感器的解调原理、解调方法，着重分析和归纳了几类较为典型的滤波调制方法及其构成形式，并对

23、长周期光纤光栅滤波解调进行了理论性分析。第章详细说明本课题长周期光纤光栅传感解调系统器的设计，对各个部分作了较详尽的说明，其中包括光源、光纤耦合器、长周期光纤光栅滤波器、光电转换器、信号放大滤波、信号处理及显示等。第章对本课题高精度光纤光栅温度传感解调系统进行了实验调试及数据分析，进行了误差分析，提出了优化方案。第章光纤光栅传感理论第章光纤光栅传感理论光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件。利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质即可制成光纤激光器；

24、用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成外腔可调谐激光二极管；利用光纤光栅可构成：干涉仪型、干涉仪型和干涉仪型的光纤滤波器；利用闪耀型光纤光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅可以制成光纤色散补偿器等。此外，利用光纤光栅还可制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种光纤传感网。本章将对光纤光栅的传感原理及其调制解调模型的建立作出详尽的说明。光纤布拉格光栅的理论分析目前的光纤光栅制作技术，如全息相干法、分波面相干法及相位掩模法等。生产的光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。纤芯中的折射率分布如图所示。图均匀周期正弦型光纤光栅纤芯折射率假设光纤为理想的纤芯掺锗阶跃型光纤，

25、并且折射率沿轴向均匀分布，燕山大学工学硕士学位论文包层为纯石英，此种光纤在紫外光的照射下，纤芯的折射率会发生永久性变化，包层的折射率不受影响。若忽略光纤光栅横截面上折射率分布的不均匀性，光栅区的折射率分布可表示为：（）以（），（），（）（）式中（）纤芯的折射率，血一为光致折射率微扰的最大值，（）为纤芯原折射率，彳为折射率变化的周期（即栅距），为光栅区的长度。下面主要研究光纤布拉格光栅的传感理论。光纤布拉格光栅耦合模理论光纤布拉格光栅是在单模光纤中写入的，其折射率沿纵向分布，属于非正规光波导中的迅变光波导，其涂敷材料的折射率大于包层的折射率，因此在光纤的包层中一般不能形成传导模，其耦合主要发生在

26、基模的正向传输导模与反向传输导模之间。根据耦合模理论，光纤布拉格光栅中的耦合模方程可表示为：氅盟：翻（：）（力（）墼盟：敞（）（：）（）式中模间耦合系数七孚疗盯，描述折射率变化所引起的微扰，失调量卢一三卢一吴尢气一去），删（）和（）求解得：阻）：一（）（弦）至（声）一卜一，主（弘）划）矗止声生吣艿一匕门“¨式中叫），引入光纤光栅区域的波导边界条件阳：认为在光栅垩：至堂堑垄塑生墅堡丝的起始区，前向波尚未发生与后向波的耦合，即（）；在光栅的结束区，由于折射率微扰不复存在，不可能产生新的后向波，即（），解为：删业憋拱（，）善粤墼（）到扣，（）于是反射率月和透射率的表达式可表示为：拈矧；蔬高

27、扎咿彳（）而而而（瓦五）而如（）协，协）卜矧瓦而杀丽丽当满足相位匹配条件，即时：的耦合作用最强，此时得到光纤布拉格光栅的峰值反射率：（）此式即是正弦分布光栅的布拉格方程，满足相位匹配条件时，正反向之间且。三）光纤布拉格光栅的参数分析（）由光纤布拉格光栅的峰值反射率表达式可知，光纤光栅的峰值反射率和光纤光栅的栅长工、模间耦合系数之间有着直接的关系。利用纯熔石英的参数，取光栅周期¨，对光栅的峰值反射率与光纤布拉格光栅的栅长三之间的关系进行仿真，得到图形。观察图形可以得到：随着栅长三逐渐增加，峰值反射率逐渐变大，边沿变得更加陡一峭，反射光谱宽度逐渐变窄。模间耦合系数后：，是与光纤布拉格”光

28、栅反射率息息相关的一个参数，折射率微扰最大值，。是影响光栅的峰值反射率月的又一主要因素。取光纤布拉格光栅的长度为，得到光栅的峰值反射率与血。的关系曲线如图所示，观察图得：随着折射燕山大学工学硕士学位论文率微扰最大值幽。逐渐变大，反射率随之变大，且带宽变大。图反射率与栅长之间的关系，波，图反射率与。之间的关系“另外，光纤布拉格光栅具有反射特定波长光独特的反射特性，图中的四个反射波峰，从左向右分别为光纤布拉格光栅纤芯有效折射率和光栅的周期取不同值的光栅反射特性，行，“；疗，肛；，；，。说明当光纤布拉格光栅因为受到外界因素的作用而使得，产生变化时，相应的反射中心波长九会发生相应的移动，可见哆，和对光

29、纤布拉格光栅同样具有相当大的影响，增大光纤布拉格光栅的纤芯有效折射率或增大光纤布拉格光栅的周期，都会使光栅的波长向长波方向漂移，这种特性也就是光第章光纤光栅传感理论纤布拉格光栅波长的解调原理。要丹麓】波长埘图反射率与栅长之间的关系在分布式传感系统中的应用分布式光纤光栅传感是一根光纤多点探测、定位系统，通过监测各个探测点的反射波长漂移量来判断待测量的情况。由于近年来光纤通信和光纤传感技术的发展，多点分布测量的分布式传感技术成为研究的一个热点，然而对于分布式光纤光栅传感器，很重要的一点是要避免各信号间的相互串扰，由于光源的带宽有限，分布式光纤光栅传感系统中传感光栅的数目受到了极大的限制，目前报道的

30、复用的最大数目是三十几个，可见光纤布拉格光栅的复用数目成为制约这一领域发展的一个关键问题。有理由认为，一方面人们在研究开发宽光谱光源；另一方面也要在提高光探测器的分辨率的同时：把重点放在研制具有更窄带宽的光纤布拉格光栅上，本文理论研究的光纤布拉格光栅能很好地解决该问题，并提高分布测量的复用率。这里引入数学中的极限方法，用来分析布拉格光纤光栅在现有参数下的极限带宽。不失一般性，在，。，的范围中。由于纯熔石英的参数为定值，即疗。，把其它三种参数向有利于布拉格光栅带宽变窄的数据端取极限值，对中心波长在的光纤布拉格光栅进行仿真分析，得到仿真图形示。从图形得，在反射率为时，光谱的最窄带宽为，比当今分布式

31、传感系统中使用的燕山大学工学硕士学位论文光纤布拉格光栅的带宽小了一个数量级，可把分布式传感系统中光纤布拉格光栅的复用数目提高至个，不但能很好地解决当今光源带宽较小与提高传感光栅复用数目的矛盾，而且克服了传感光栅之间的串扰问题。，波长瑚图反射率与各参数取极限时的关系图光纤布拉格光栅的传感模型光纤光栅传感器是通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。应变传感模型由光纤光栅的布拉格方程可知，光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期和反向耦合模的有效折射率疗。，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。轴向应力引起光纤布拉格光栅波长漂移可以由下式给予

32、描述：越盯玎应。外界不同的应力状态将导致和彻。的不同变化。为了使问题既简单又能最接近实际情况，提出了以下几点假设。（）式中表示光纤本身在应力作用下的弹性变形；订。表示光纤的弹光效（）光纤光栅作为传感元，其自身结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所有外包层的影响。这一假设是有其实际意义的。从光纤光栅的制作工艺可知，要进行紫外曝光，必须去除光纤外包层，以消除它对紫外光的吸收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；对裸纤结构的分析更能直接地反映公式本身的传感特性，而不至于被其他因素所干扰。（）由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循胡克定理，且内部不存在切应变。该假设与实际

33、情况也非常接近，只要不接近光纤本身的断裂极限，都可认为该假设是成立的。（）紫外光引起的光敏折射率变化在光纤横截面上均匀分布，且这种光致折变不影响光纤自身各向同性的特性，即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。（）所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间变化的情况。基于以上几点假设，可建立均匀轴相应变作用下应力应变传感模型。均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩，此时各向应力可表示：人佗）利用材料张量色与应变系数，的关系，色，得：血咿一蛾甩把式（）和（）代入（）中，得到：）地忙吼呐；由材料的光弹性质有如下关系：她峨皑！吃晶矗兄（）匕气历励融“船如式中，丑。、：、民为光纤的光弹系数，且匕（

34、丑。一只：），由于切应变为零，即。；气，则应变张量矩阵，可用轴向应变：表示为：燕山大学工学硕士学位论文尸【肛：】（）式中，为纤芯材料的泊松比。引入光纤的有效弹光系数巴，且：二只只一（丑）】最后得到轴向应变引起的布拉格波长的相对变化为：，儿。（一）占：（）（）利用纯熔石英的参数，只，丑，疗玎，代入式（），可得：；：（）可见恒温条件下布拉格波长漂移与轴向应变呈理想线性关系。光纤光栅所允许的应变可达，即“，当超过时，光纤即发生断裂。温度传感模型与外加应力相似，外界温度的改变同样也会引起光纤布拉格光栅波长的漂移。从物理本质看，引起波长漂移的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应以及光纤内部热

35、应力引起的弹光效应。为了能得到光纤光栅温度传感器更详细的数学模型，在此对所研究的光纤光栅作以下假设：（）仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及被测物体由于热效应而引发的其他物理过程。很显然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层（如弹性塑料包层、金属包层等）、不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生极为不同的影响，所以在此分离出光纤光栅自身进行研究，而将涉及到涂敷材料及被测物体的问题留到以后进行讨论。（）仅考虑光纤的线性膨胀区，并忽略温度对热膨胀系数的影响。由于石英材料的软化点在左右，所以在常温范围完全可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。（）认为热光

36、效应在我们所采用的波长范围（）、在所研究的温度范围内保持一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。这一点已经有文献给予实验证实。第章光纤光栅传感理论（）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。因为一般光纤光栅的尺寸仅左右，所以认为它处于一均匀温场并不会引起较显著的误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力影响。基于以上几点假设，我们将得出光纤光栅的温度传感数学模型。仍从布拉格方程够出发，当外界温度改变时，可得到布拉格方程的变分形式为：舣日缸够谚从鲁小吲，鲁缸盯等丁写为如下形式：式中锄够代表光纤光栅折射率温度系数，用眚表示；（血谚），代表热膨胀引起的弹光效应；

37、锄。代表由于热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应；代表光纤的线性热膨胀系数，用表示。这样可将上式改告外警堕竺扎以咿（，）、利用上一节应力传感模型分析中得到的弹光效应及波导效应引起的波长漂移灵敏度系数表达式，并考虑到温度引起的应变状态为：巨翻可得光纤光栅温度灵敏度系数的完整表达式为：（）告卦（）卜，式中七。表示波导效应引起的布拉格波长漂移系数，其对温度灵敏度系数的影响极其微弱，因为线形热膨胀系数较折射率温度系数要小两个数量级，再加上波导效应本身对波长漂移的影响又较弹光效应小很多，故在分析光纤布拉格光栅温度灵敏度系数时可以忽略波导效应产生的影响。当材料确燕山大学工学硕士学位论文定后，光纤光栅对温

38、度的灵敏度系数基本上为一与材料系数相关的常数。对于纯熔石英光纤，只。，置，”咿，其折射率温度系数毒玎，线性热膨胀系数口。，经计算可得到光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数为×。长周期光纤光栅的理论分析自从年盯（等人在光纤中成功的写入长周期光纤光栅以来，有关长周期光栅的研究工作引起了广泛的关注，长周期光纤光栅在带阻滤波器、宽带掺铒光纤放大器的增益平坦、高灵敏度传感器等方面有着重要的应用背景，特别是在光纤传感方面。长周期光纤光栅的传感模型长周期光栅是一类新型的光纤光栅，光栅周期一般大于岬，其基本的传光原理是将前向传输的基模耦合至前向传输的阶包层膜中，在传输一段距离后被衰减掉。长周期光纤光栅具有

39、远高于光纤布拉格光栅的温度、应力、应变、折射率和弯曲灵敏度刀等方面的传感特性。由长周期光纤光栅的相位匹配条件：卢。一卢三÷（）式中卢。、卢宁分别为基模和和第阶包层模的传输常数，为光栅周期，只有满足式（），光才能从长周期光栅透射。将关系式卢刀锄代入上式可得：九。（一玎：）（）式中、毋分别为纤芯和包层的折射率，旯，为第阶包层模的透射波长。长周期光纤光栅温度传感特性由（）式可知，长周期光纤光栅透射波长将随着光栅周期及纤芯和包层折射率的变化而变化，当光纤包层模与外界环境相互作用时，被测因素的变化将对光线的传输特性进行调制，从而使长周期光纤光栅的透射谱特第章光纤光栅传感理论性发生变化，探测其透

40、射谱的变化，既可推知被测量的变化，这就是长周期光纤光栅传感的基本原理。长周期光栅对温度和应力都具有较高的灵敏度，类似于光纤布拉格光栅，由应变和温度变化引起的长周期光纤光栅透射波长的变化可以表示为：从丘占式（）对温度微分，可得：（）式中。、，分别为长周期光纤光栅透射波长的应力和温度灵敏系数。将生蚴（一形）坐（、），方程（）右边两项表示温度对材料和波导传播的影响。可见温度对光纤材料的影响主要有两方面，一方面是热膨胀导致材料尺度的变化，另一方面是热致折射率改变。由于制作光纤的材料是石英，其膨胀系数很小，所以上式中可以认为是零，式（）简化为：！生：生缝二盟人（）理由上式可以看出，长周期光纤光栅的损耗中

41、心波长随温度变化的原因是：导模和包层模的热光系数不一致造成的。当长周期光纤光栅的纤芯和包层的热光系数确定后，。近似为一常数，即耦合中心波长的漂移与温度变化成近似线性关系。本章小结本章基于光纤光栅的耦合模理论，分别对光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的传感理论进行了分析，建立了理论模型，主要分析了它们的温度和应变传感特性。本章的内容是进行光纤光栅传感研究的理论基础，对光纤光栅传感及其解调装置的研究有重要的意义。燕山大学工学硕士学位论文第章光纤光栅滤波解调技术研究光纤光栅传感是将外界环境（如温度、应变）变化量转化成波长漂移量，于是只利用高成本的光谱仪进行检测，阻碍了光纤光栅传感技术向实用化的发展。为了

42、降低生产成本，解调技术应用于光纤光栅传感系统，将波长漂移量转换成光强变化量，用光电接收系统这种廉价的设备实现工程上的应用，因此解调技术是光纤光栅传感系统的关键，直接决定了传感系统的性能。光纤光栅波长调谐技术作为波长选择器件，光纤光栅被广泛应用于光纤通信、光纤激光器以及光纤传感等领域，而光纤光栅的波长调谐技术是其应用研究的基础。目前，研究和应用的光纤光栅波长调谐技术主要有下面几种。轴向拉伸应变调谐等人对光纤光栅作机械拉伸娜，发现在附近，布拉格波长随应力的变化基本呈线性关系，其变化量约为，他们将这一技术应用于光纤激光器的波长调谐，在光纤所允许的应力变化范围内，利用张应力产生的最大波长变化有衄左右。

43、轴向压缩应变调谐由于玻璃光纤的受压能力比张力强倍，轴向压缩调谐可以大大展宽光栅的波长调谐范围。实验证明，在光纤可承受的压力范围之内，光波长随压力的变化是严格线性的，从调谐到可得到的调谐范围【。则将光纤布拉格光栅粘贴于特殊设计的带有光纤夹头的套子中，通过挤压该装置达到对光纤布拉格光栅的波长调节，调谐量为十几个纳米。轴向压缩应变调谐具有波长调谐范围大、调谐过程线性、连续的第章光纤光栅滤波解调技术研究优点，缺点是调谐过程中，光纤光栅容易发生皱折。垂直压力调谐垂直压力调谐技术可在一定程度上减少对光纤光栅的损伤。等人将光纤布拉格光栅埋植于带有金属棒起保护作用的塑料夹具中，两端固定后侧向施压，通过改变光栅

44、部位侧向位移，实现对光纤布拉格光栅中心波长的调谐【。实验中从两个相反的方向对光纤光栅分别施力时，波长分别向长波或短波方向移动，调谐波长分别为和。这种方法可以灵活的对光纤布拉格光栅的中心波长进行连续调节，调谐波长漂移量与侧向位移呈二次曲线关系。悬臂梁（简支梁）调谐刘治国教授从材料力学的角度出发，综合考虑了光纤光栅的线性调谐范围，实际操作方便程度和光栅保护等因素，提出用悬臂梁（或简支梁）对光纤光栅进行连续线性的调谐【”，这种方法的波长线性调谐范围接近具有很好的线性度和重复性。，磁调谐利用法拉第效应，沿光纤布拉格光栅轴向施加磁场，引起光纤布拉格光栅中心波长的漂移。而则将光纤布拉格光栅固定在磁致伸缩棒

45、上，然后将磁致伸缩棒植于磁场中，实现光栅波长的磁调谐。这两种磁调谐的波长调谐范围比较小，因而实用价值不大。热调谐等人分别将光纤光栅封装于不同的金属材料上，封装后光纤光栅的温度灵敏度提高了倍。等人选用具有较大热涨系数的聚合物材料（和）作为基底，通过加热嵌在聚合物中并与聚合物凝聚于一体的光栅，当温度降低时，光纤光栅由于聚合物材料的应力作用，光栅的中心波长向短波方向移动，封装后光纤光栅的温度灵敏度提高倍，燕山大学工学硕士学位论文的温度调谐范围对应的调谐量。光纤光栅传感解调方法光纤光栅解调方法的实现是光纤光栅传领域的关键技术。国内外已经提出了多种检测方案，下面把比较典型的传感系统的结构、原理进行分析，