光纤布拉格光栅温度传感器响应

1、 TOC o 1-5 h z 1绪论 1研究目的及意义 1光纤光栅发展历史 2光纤光栅传感的优点 3光纤光栅传感的发展和应用情况 4存在的问题 6论文的主要内容及工作 7光纤光栅的简介 8光纤光栅的分类 8光纤光栅高温传感器的圭寸装工艺研究 10现有封装工艺分析 10光纤光栅高温传感器的封装工艺 12光纤光栅制作技术 13干涉写入法 13逐点写入法 14组合写入法 14光纤布拉格光栅传感原理 16光纤光栅传感原理 16光纤布拉格光栅耦合模理论 17光纤布拉格光栅特性 17耦合模理论26 19光纤布拉格光栅温度传感原理28 24FBG温度传感器的响应时间 26光纤布拉格光栅解调技术 29非平衡M

2、-Z光纤干涉仪法 29可调谐光纤F-P滤波法 30匹配光栅法 31系统的设计 33第I页共n页 TOC o 1-5 h z 光纤光栅温度传感系统 33高温测试的分析 33FBG温度传感器响应时间的测试 34实验仿真 355结论 42参考文献 43致谢 45第II页共n页1绪论1.1研究目的及意义光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号（被测M）的新型传感技术。光纤布拉格光 栅是用光纤布拉格光栅（FBG） 作敏感元件的功能型光纤传感器，以其抗电磁干扰、灵 敏度高、体积小等优点，越来越广泛应用于 传感器领域。将其埋入材料或者结构，

3、以通过光纤布拉格光栅传感器的传感特性监测内部的物理变化如应变、温度、压力，进行全 面有效的在线实时监测，增加对材料制造过程中以及工作期间的状 态透明度。与传统的 传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：1?传感头结构简单、体积小、重M轻、外形可变，可测M结构内部的应力、应变及 结构损伤等， 稳定性、重复性好；2?易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高 ；3很有非传导性，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；4?至巧柔软，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；5沈纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤

4、连接及祸合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力；6?高灵敏度、高分辨力。正是由于这些独特的优点，使得光纤布拉格光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。温度传感是光纤布拉格光栅传感器最重要的应用之一。光纤布拉格光栅反射波长的漂移M是其在温度传感理论中的重要参数。作为温度传感元件，人们希望光纤布拉格光栅具有大的温度灵敏度，以期获得高的温度分辨率。 然而，由于光纤光栅材料的热光系 数和热膨胀系数都较小， 光纤光栅的温度灵敏度非常低，并且裸光栅本身易损坏，这些问题严重影响着光纤光栅在传感领域的应用。并且，光纤布拉格传感器在进行高温测试时

5、能测M的温度有所局限，不能满足目前莫些特定领域的测因此，为了解决这些问题，本课题着重对用光纤布拉格传感器应用到高温测试以及光纤布拉格温度传感器响应 时间测试进行研究。光纤光栅发展历史1978年，加拿大渥太华通信研究中心的K. O. Hill等人首次观察到掺错光纤中因光诱导产生光栅的效应。他们使用488nm鼠离子激光照射掺错的光纤，在光纤中产生驻波干涉条纹，制成纤芯折射率沿轴向周期性分布的光纤光栅。在掺错的单模光纤中，行波场通过光纤端面的反射在光纤中形成一个驻波场，光纤中形成了持久的周期性折射率改变，与写入光驻波场空间分布相同的，这种折射率的周期性变化形成了一个光纤布拉格光栅(FiberBrag

6、g grating , FBG)。用这种方法制作的反射滤波器的反射率可以达到接近100%勺饱和值，对温度和应力都很敏感，开辟了光纤光栅传感器研究与应用的新领域。此后，由于写入效率低等原因，其进展缓慢。1981年，加拿大McMaster大学D. K . W. Lam等人研究了掺错石英光纤折射率变化与照射激光功率之间的关系。研究结果显示掺错石英光纤的光敏现象可能是双光子过程，折射率变化与激光器功率平方成正比，用244nrn的光源代替488nm的光源，光纤的敏感性可能成倍提高。1989年，美国联合技术研究中心的G ? Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术，首次利用244nmKrF准分子激

7、光器，采用双光束侧面全息干涉法研制成功Bragg光纤光栅滤波器。这不仅有效地提高了光纤光栅的写入效率，而且还可以通过改变两束相干光的夹角对光纤光栅波长进行调控，光纤光栅的实用化向前迈了一大步。1993年，K. O. Hill等人提出了位相掩模写入技术和逐点写入法，极大地放宽了对写入光源相干性的要求，重复性好，使光纤光栅的制作更加灵活，光栅的批M生产也成为可能。同年，董亮等人还提出了在线成栅法，在光纤拉制过程中对光纤逐点写入形成光栅。这免去了光纤光栅制作时剥去光纤涂覆层的工序，适于大规模制作高反射率、窄线宽的光纤光栅。1993年1月，K. L . Williams等人在研究光纤对紫外光的敏感性时

8、发现，掺Ge/B光纤对紫外光具有更好的光敏性。同年6月，AT&T贝尔实验室的P.J. Lemaire等人提出了载氢的方法来提高光纤的光敏 性。这种方法适用于掺港 掺磷光纤，现已成 为制作光纤光栅的重要步骤。1994年6月，R ? Kashyap 等人利用线性阶跃喝啾相位模 板研制成功线性喝啾光纤光栅，它由N段均匀光栅组成。这种方法的关键是利用电子束 曝光设备制作阶跃喝啾相位模板，然后利用离子倍频激光器和相位模板在光敏光 纤上制 作喝啾光纤光栅。1994年12月，Eggleton等人利用振幅模板在光纤上刻出取样光栅。这种光栅利用空间上的取样在频谱中造成多个反射峰，可制作多信道器件。1996年，董

9、亮等人研制出包层掺杂稀士元素具有光敏性的光纤，较好地解决了常规光栅的短波损耗问题，为光栅的宽带化开辟了道路。此后，世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展起来。光纤光栅的制作及光纤光敏化技术不断取得新的进展，具制作技术也不断提高和完善。随着研究的不断深入，光纤光栅的优良特性也逐步展现出来，如成本低，稳定性好， 体积小，抗电磁干扰性好，感应信息被波长编码等，尤其传感器本身就是由光纤制作而 成，便于与光纤结合， 使得全光纤化的一维光子集成测控系统成为可能。光纤光栅的研制成功，成为继掺杂光纤放大器技术之后，光纤领域的又一重大突破0光纤光栅传感的优点与传统的传感器相比，光纤光栅传感具有很多独特的优点：

10、1淅电磁干扰，电绝缘，本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这些特性使其在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能方便有效的传感。2侧腐蚀。由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，忍耐环境中酸碱等化学成 分的能力强，适合于智能结构的长期健康监测。37WM精度高。光纤传感器采用光测M的技术手段，一般为微米M级，采用4波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的纳米M级，利用光纤和光波干涉技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中，有的已有理论证明，有的已经通过实验验证，如测M水声、加速

11、度、辐射、温度、磁场等物理M的光纤传感器。4湍构简单，体积小，重M轻，耗能少。光纤传感器都基于光在传感器中的传播机 理进行工作， 因而与其他传感器相比耗能相对较少。5?外形可变。光纤遵循 Hook定律，在弹性范围内，光纤受到外力发生弯曲时纤芯轴内部分受到压缩作用，芯轴外部分受到拉伸作用。外力消失后，由于弹性作用，光纤能自动恢复原状。光纤可挠的优点使其可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。6?WM对象广泛。可以采用很相近的技术基础构成测M不同物理M的传感器，这些 物理M包括压力、温度、加速度、位移、液位、流M、电流、辐射等。7?专输频带较宽。通常系统的调

12、制带宽为载波频率的百分之几，光波的频率较传统 的位于射频 段或者微波段的频率高出几个数M级，因而其带宽有巨大的提高，便于实现 时分或者频分多路复用，可进行大容M信息的实时测M,使大型结构的健康监测成为可能。参数分布,8?便于复用，便于成网。能够用一根光纤测M结构上空间多点或者无限多自由度的技术的新发展。光纤传是传统的机械类、电子类、微电子类等分立型器件无法实现的功能，是传感感器可很方便的与计算机和光纤传输系统相连，有利于与现有光 通信网络组成遥测网和光纤传感网。光纤光栅传感的发展和应用情况温度、压力、应变等参数是光纤传感器能够宜接传感测M的基本物理同时也是其它各物理M传感的基础，即其它各种物理

13、M的传感都是以光纤传感器对应变、压力、及温度的感知为基础而衍生出来的。自光纤传感器产生以来，即获得了广泛的应用，按照光纤传感器应用的领域划分，光纤传感器可应用于：地球动力学、航天器及船舶、民用工程结构、电力工业、医学、化学测M、军用监控及告警技术、智能结构及机器人等领域中5-15。.在民用工程结构中的应用民用工程的结构监测是光纤传感器应用最活跃的领域。力学参M的测M对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和正常工作与否的监测是非常重要的。通过测M上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及正常与否。光纤传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动

14、阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，也可以用计算机对传感信号进行远程控制。1993年Raymond M . Measures等人首先开始了光纤光栅传感器在桥梁的实际监测应用。加拿大卡尔加里市建造的Beddington Trail大桥采用了三种预应力筋：传统钢筋，碳纤复合拉索(Carbon Fiber Composite Cabel)碳纤拉杆(Carbon Fiber Leadline Rod)。为 了完成三种预应力筋 的性能对比分析，Raymond M . Measures等人在这些预应力筋上布 置了光纤光栅传感器，实现结 构应

15、力状态的长期监测。1996年，Davis. M . A .在美国新墨西哥拉斯克鲁塞斯市的I-10桥安装了 60个FBG光纤传感器，成功地实现了对桥梁的动态响应的测从而可以监视动态载荷引起的结构退化和损伤，了解桥梁的交通状况的长期变化。1998年佛蒙特大学的研究小组在Waterbury的一座67米的钢构架大桥上安装了结构健康监测系统，测M数据传输到中心计算机分析并可从互联网获取分析结果。2002年Kunzler Marley等人为美国波特兰市I-84高速公路研制了光纤光栅交通监测系统，2003年又推出了第二代交通检测系统。在欧洲，1997年Nellen P. M .等人在瑞士温特图尔的 Stor

16、ck大桥的碳纤拉索上同 时粘贴了 光纤传感器和电阻应变计，该系统连续运作了几年。2001年GebremichaelYM .等在挪威的长度为346m的钢架公路桥通过空分复用和波分复用FBG传感器，构建了一个实时静态和动态监测系统。同年 Magne Sylvain等在法国工业部的支持下，在波尔多地区 的Saint-Jean大桥贴装了 14个波分复用的光纤光栅张力计和光纤光栅温度 计，监测系统经受住了 寒暑季节的变化的考验。 2002年Hofmarm. D, Habel, W 等人对柏 林Lehrter Bahnhof预应力铁 路桥的应变和倾度进行了测M。2?&航空航天领域的应用航空航天业是一个使用

17、传感器密集的地方，为了监测一架飞行器的压力、温度、振 动、燃料液 位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需传感器非常多，而且对传感器的尺寸和重M要求非常严格。使用先进的抗疲劳、重M轻、强度高的复合材料是制造航空航天结构的一个必然趋势。如在复合材料的制造过程中埋入尺寸小、重M轻、灵敏度高的光纤光栅传感器，就可实现对飞行器在运行过程中的实时健康监测和性能监视，这可以减少飞行器重M、缩短检查时间、降低维护成本，从而改善其性能。因此，航空航天业对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的专 禾限东京大学的Kbaashima等人将40pe细径光纤光栅埋入卫星表面的复合材料中，来

18、 监测卫星 表面的破损情况，他们在应用前对复合材料进行了拉伸试验，试验证明细径光纤光栅不会影响复合材料的坚固性。3?&石油工业的应用石油化工属于易燃易爆的领域，在油气管道、储油罐和油气井等地方应用电类传感器存在很大的不安全因素。高温操作和长期稳定性的要求也限制了电类传感器在石油化工中的应用。永久连续的油田井下监测有利于油田的管理、优化和发展，光纤光栅传感器因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感。Nellne等人通过力学传递机制将液体压力转变成光纤光栅的应变，制成光纤光栅液体压力传感器和光纤光栅温度传感器来监测油井内部的油压和温度变化。4.在地球动力学中的应用在地震检测

19、等地球动力学领域中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动范围演变的最有效手段。光纤传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂宜震 波的检测以及作为地形检波器和光 学地震仪等方面。活动区的应变通常包含静态和动态两种，静态应变 （包括由火山产生的静态变形等）一般都定位于与地质变形源很近的距离；而以震源的震波为代表的动态应变则能够在与震源较远的地球周边环境中检测到。为了得到相当准确的震源或火山源的位置，更好地描述源区的几何形状和演变情况，需要使用密集排列的应力应变测M仪。光纤传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的

20、宽带、高网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。5?在电力工业中的应用光纤传感器因不受电磁场干扰、 可实现长距离、低损耗传输，已成为电力工业应用 的理想选择。 电线的载重M、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤传感器进行测io在自然环境中，由大雪等对电线施加的过M的压力可能会引发危险，因此需要在线检测电线的压力情况，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤传感器可测电线的载重其原理为把载重M的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化被粘于金属板上的光纤传感器探测到。这就是利用光纤传感器实现远距离恶劣环境 下测M的实例。在这种情况下，相

21、邻光纤传感器的间距较大，故不需快 速调制和解调。止匕外，最近还报道了由两个550111n波段的光纤和解调用的光谱仪所组成的传感器， 成 功地测M了高压变压器的绕线温度，在较大温度范围内的测M精度为士C。1.5存在的问题光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着广阔的发展。迄今为止，已有的光纤光栅传感技术还存在着以下的不足：1现有的光纤光栅传感器都是针对特定结构特殊加工制造的，用于传感的光纤光栅往往对多种信号敏感，其中最重要的是温度与其他测M分M的交叉敏感，这就需要设置相应的温度补偿装置或采用单一敏感的调制解调技术。2媪号解调：实验中一般采用光谱分析仪，但它价格昂贵、体积大，尤其是不能输出与

22、被测物理M成正比的电信号，因此在实用中必须开发出高效低成本的信号解调系统。3.封装后的光纤光栅传感器的传感机理还需要进一步研究，尽最大可能的提高封装的光纤光栅传感器传感的灵敏度系数。4沈纤光栅传感器常在动态系统中应用，对其动态响应特性的研究是很重要的一方面，但目前尚无人进行研究。5沈源：光纤光栅传感器需用大功率宽带光源或可调谐光源：目前一般采用的侧面发光二极管(ELED)功率较低，而激光二极管(LD)的带宽则较窄。6.波分复用、时分复用的多路传感器阵列研究：实现多参数、多变M同时测M的智能化遥测是发展的重点。栅的写入方7砒一步完善现有的光栅写入方法和封装技术，发展新的写入方法，尤其是喝啾光法，

23、降低光纤光栅的成本，提高其使用专命。1.6论文的主要内容及工作本论文对光纤布拉格光栅温度传感器响应时间测试系统设计进行研究。1?查阅资料了解光纤传感技术的发展现状；2.掌握光纤布拉格传感器的原理和测试方法；3砒择合理的设计方案，实现利用光纤布拉格传感器进行高温测试的设计；4.合理的设计温度传感系统结构，温度测试范围1000E? 2000C；5?合理设计光纤光栅温度传感器的响应时间测试系统结构；6.做实验测试裸光纤和铠装光纤的响应时间，并分析圭寸装结构对响应时间的影响。2.光纤光栅的简介光纤光栅的分类从光纤光栅的出现至今已有 30几年了，出于实际应用的需要，人们研制出了各种用途、特性各异的光纤光

24、栅。归结起来可以分为两大类：均匀光纤光栅和非均匀光纤光 栅。1?匀匀光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。这类光纤光栅的典型代表有光纤布拉格光栅、长周期光栅和闪耀光纤光栅等。1）光纤布拉格光栅 （FBG）化:又称短周期光栅或反射光栅，光栅的波矢方向与光纤轴向方向一致，其栅格周期小于1um, 一般为0.5nm M级，折射率调制深度典型值为10八？ 10。其折射率分布为门二口 * nmax cos （2二z ,.）。能M耦合发生在两个反向传输 的模场 中，这种光纤光栅具有较窄的反射带宽 （？ 10nm）和较高的反射率 （？ 100%。其 反射带宽和 反射率可以根据

25、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， 也是最常见、应用得最广泛的光纤光栅。2）长周期光纤光栅（Long Period Grating LPG ），17:顾名思义，这种光栅的周期比普通的布拉格光栅要长，大于 100umm,一般在数百个微米M级。它是将前向导波模耦合到不同级次的包层模之中去，其作用相当于一种波长可选择的滤波元件。长周期光栅的工作原理是通过选择一定的光栅周期，使得基模与一个前向传播的包层模满足相位匹配条件o2（其中&和分别表示导波的基模和耦合产生的传输常数，上是长周期光栅的周期）的特定波长发生耦合，使光在包层中因吸收和散射而损耗掉。由于耦合发生在前

26、向导波模之间，长周期光栅是一种透射型光栅，它的背向反射极低，约为 -80dB。它在光纤通信 系统中有重要的作用，如可以制成模式转换器、各种滤波器、以及作为光纤放大器 （EDFA）增益平坦滤波元件。3）闪耀光纤光栅（Blazed Fiber Bragg Grating ） ：18：:也称为倾斜光栅 （Tilted Fiber Grating ）。在制作光栅的过程中，让紫外光通过相位掩模后的照射方向与光纤轴不垂宜，结果干涉条纹与纤芯成一定得角度，也就是说光栅波矢方向与光纤轴线方向不一致，从而形成闪耀光栅。这种光栅不但能引起反向导波模耦合，而且还能将基模耦合到包层模中损耗掉。基于闪耀光纤布拉格光栅的

27、包层模耦合形成的宽带损耗特性，可将其用于掺饵光纤放大器（EDFA）的增益平坦。20E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。从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性喝啾光纤光栅、分段喝啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。1)喝啾光纤光栅(Chirp Grating) 19:栅格周期沿光纤轴向方向是变化的，最常用的喝啾光纤光栅是线性喝啾光纤光栅。这种光栅的纤芯折射率沿轴向呈线性单调变化。这种光栅的折射率分布函数可表示为：n(z) 二口 ；二neff(z) 1 V cos z八 z 。其中，I 1 入JJ八effz是有效折射率；V为折射率变化的条纹

28、可见度；？:Z用来表示光栅的喝啾。由 于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，因此线性喝啾光纤光栅能够形成很大的反射带宽和稳定色散，其宽度足以覆盖整个脉冲的谱宽，因此可以构成宽带滤波器， 在波分 复用(WDM)通信系统的用于色散补偿。2)非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤光栅(布喇格或喝啾光纤光栅)的栅格周期或折射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的喝啾光纤光栅。典型的有如下几种：a,相移光纤光栅20:相移光纤光栅就是通过？些方法破坏光纤光栅折射率分布的连续性，在均匀周期光纤光栅的莫些特定点上产生相移。比如破坏布喇格光栅莫些点的周期连续性后，增加光栅的透射性，这就使得对选择波长的能

29、力增强。b.莫尔光纤光栅21：是采用两组具有微小周期差异的紫外条纹对光纤同一位置进行二次暴光所得到的光栅。具光谱特征是在反射带中开?个很窄的透射窗口，它实际相当于一个14相移光栅。c,切趾光栅22：切趾光栅是采用特定的函数形式对光纤布拉格光栅的折射率调制深度进行调制而形成的光栅。光栅的折射率分布有中间向两端逐渐递减至零，使得折射率不会突变，因而不存在旁瓣。其反射谱的形状可以通过改变其调制函数及有关参数而得到控制。利用切趾光栅能改善光谱的特性，可以将其用于光纤通信系统中的色散补偿及多波长激光器的制作。d,超结构光纤光栅23:超结构光纤光栅就是利用波函数对光纤布喇格光栅或喝啾光纤光栅的折射率分布进

30、行调制而形成的光栅。这种光栅的反射谱具有一组分立的反射峰。2.2光纤光栅高温传感器的圭寸装工艺研究随着光纤光栅制造技术的不断完善与应用成果的日益增多，光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一，易于组网复用，实现准分布式测可以运用在恶劣环境的场合，是传统传感器的理想替代品。由于裸的光纤光栅宜径只有125um,在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装(如埋入衬底材料 中)，才能赋予光纤光栅更稳定的性能， 延长其专命，传感器才能交付使用。同时，通过设计封装结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿、应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研究也正逐步受到重视。因此

31、，近几年，光纤光栅高温传感器的 封装技术一宜是光纤传感领域具有实际应用价值的课题。现有土寸装工艺分析(1)自由式封装工艺FBG除对温度敏感以外，还对外界应力敏感，如何消除应力带来的影响也是光纤光栅传感器实际应用中必须考虑的问题。光栅自由式封装工艺就是使光纤光栅处于自由状态，不受应力的影响或影响很小。具封装示意图如图2.1。光纤Bragg光栅图2.1自由式圭寸装示意图经土寸装后，由于FBG弯曲，盒内FBG两端的光纤处于松弛状态，便轴向应力不会传递到FBG上；外面的土寸装盒起到保护和屏蔽外压的作用，从而使光栅不会受到外界压强和压力的影响，小槽内填充物为导热体，不固化，对外界应力有缓冲和吸收的作用,

32、因此，光纤Bragg光栅的波长漂移M仅受温度的影响，不会受到外界应力的影响。(2)灌土寸式土寸装工艺在进行温度传感器设计时，开始考虑用封装胶封装在细金属管中，将光纤光栅放置处于伸宜到预先设计的金属套管中，施加一定的预应力以保证灌封以及固化过程中光纤光栅始终状态。结构如图2.2，在灌封过程中将金属套管倾斜，然后沿套管缓慢注入聚合物液体，防止气泡的产生，不能完全将金属套管灌满，需留有一定空间裕度，以保证聚合物材料受热后能完全膨胀，避免光纤光栅温度响应的非线性。金属管封装胶(3)两点式封装工艺所谓两点式封装就是将光纤光栅两端固定，使光栅处于拉紧状态，即封装时给光纤光栅施加一定的预应力，结构如图2.3

33、,在封装过程中调节光纤光栅波长，可以使光纤光栅始终保持张紧状态，避免封装过程中由于光纤光栅自由状态的不确定而在温度变化中波长温度特性的不稳定，保证了光纤光栅的线性和重复性。在温度升高的过程中，光纤光栅同时受到金属管的轴向拉应力，因此，其波长的漂移是温度和轴向拉力共同作用的结果，从而提高了光纤Bragg光纤Bragg光栅图2.2灌封式封展示意图Jr光栅的温度灵敏度。光纤BraHW图2.3两点式封装示意图第11页共45页弹性体表基底材料FBG贴附式封装是将光纤光栅粘敷在莫种具有对温度敏感的有机物、金属、合金及特殊面的技术。采用一种耐高温胶将光纤Bragg光栅封装于基底材料上，利用基底材料的热膨胀系

34、数比光纤 Bragg光栅大，利用基底材料的带动作用使光栅反射波长变化，该温度传感器尺寸小、封装方法简单，结构如图2.4o光纤光纤Bragg光栅图2.4贴附式封装示意图2.2.2光纤光栅高温传感器的封装工艺上述四种温度封装方法，在各自的应用领域各有具优缺点。对于自由式封装工艺，虽然这种封装工艺可以屏蔽外界环境应力对光栅测M温度的影响，但操作很困难，且测M温度不高，一般低于100 C ；对于灌土寸式土寸装工艺，由于金属管很细，很难将胶均匀地密封在细钢管中？且由于给光纤光栅施加预应力比较困难，光纤光栅在封装后，处于相对自由状态，可能弯曲，且弯曲方向不固定。所以，细金属管和光纤光栅之间是一种不确定的关

35、系，在温度升高时，波长漂移的线性度不好，重复性不好。如果选用聚合物胶，由于聚合物在固化过程中，发生收缩，会产生光纤光栅的喝啾化，测M温度低于180C ;对于两点式封装工艺，给光纤光栅施加一定的预应力，避免封装过程中由于光 纤光栅自由状态的不确定而在温度变化中波长温度特性的不稳定，但在高温 情况下，两端粘结点处的涂敷层容易脱落，从而使光纤光栅温度传感出现非线性或传感失效；贴 附 式封装工艺虽然有封装简单、传感器微型化的优点，但由于受到选胶、高温高压固化和粘贴工艺等因素的严格制约，难以作到均匀和刚性粘贴，因此其实用化程度和高精度化 程度受到了限制。光纤光栅的封装是光纤光栅高温传感技术中不可回避和逾

36、越的问题，对于光纤光栅高温传感技术来讲，封装工艺和常温下传感器的封装工艺相比，要求更高，在设计的过程中必须注意以下问题：?封装可操作性强。光纤光栅的封装工艺是光栅传感器走向实用化的关键技术，封装工艺必须简单、固化过程容易实现。2?封装材料能优化温度灵敏度和测M范围之间的关系。在测M范围确定后，须尽M提高温度灵敏度。而一阶响应灵敏度系数越大，其线性度越好，非线性现象越不明显，即基体材料的热膨胀系数越大，在高温段的非线性的影响越小，线性度相对越好。2.3光纤光栅制作技术自1978年人们首先在掺错光纤中成功地写入光纤光栅后，光纤光栅的制作正式开 始。从1989年横向干涉法出现至今，光纤光栅制作技术已

37、趋于成熟。采用适当的光源（紫外光源或CO?激光器等）和光纤曾敏 （参杂光纤或高压载氢）技术，几乎可以在各种 类型的光纤上程度不同地写入 光栅，目前行之有效的方法可以分为三类：干涉写入法、逐点写入法及组合写入法。干涉写入法.驻波干涉法亦称纵向驻波法或者内部写入法。成栅机制：注入光纤的入射光和从光纤另一端面返回的反射光在光纤内形成的驻波， 经过一点时间曝光后使纤芯的折射率形成周期性分 布。优点：装置较 简单，操作要求低。缺点：光栅波长与写入波长一致，成栅单一受限。2?全息相干法亦称横向相干法或者外侧写入法。成栅机制：两束振幅分束的相干光在光纤中曝光，由干涉产生的周期性光强分布使纤芯的折射率形成周期

38、性分布。优点：激光能M低，可灵活选择光栅波长。缺点：对光源的空间相干性、时间相干性及周围环境要求很高。3.模版衍射法1）相位掩膜法相位掩膜法又称相位光栅衍射相干法。成栅机制：入射的紫外光经相位模板空间调制，在模板后形成不同周期的衍射条纹，使纤芯的折射率形成周期性分布。优点：稳定 ,重复性好，对光源的相干性要求较低，适于大规模生产。缺点：每块模板只能制造固定或稍有差异周期的光纤光栅，且需严格控制相位模板的刻蚀深度和占空比，高质M的模板造价高。2）振幅掩膜法振幅掩膜法亦称振幅光栅衍射相干法。成栅机制：紫外光入射到振幅模板后，经过一个光学系统将振幅模板图像精缩并成像于光纤上，使纤芯的折射率形成周期性

39、分布。优点：与射波位于1550nm相位掩膜法相比，模板制作相对简单，成栅周期大。缺点：无法制作出一阶反 附近的FBG,对光学系统要求很高。2.3.2逐点写入法逐点写入法亦称点点写入法。 成栅机制：将聚焦激光束投射到由精密机构控制位移的光纤上，通过轴向移动对光纤曝光，使纤芯的折射率形成周期性分布。优点：灵活性 高，光栅参数(长度、 周期及折射率轮廓)可调控，适用于在线写入。缺点：需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术，光栅制作耗时长，成栅效率低。233组合写入法组合写入法是将前述各种写入方法与写入装置进行有机组合，同时考虑光源性质及光纤的制作及连接等因素，可以制作结构丰富、形式多样、性能优异

40、的光纤光栅。主要有以下几种写入方法：(1)两次曝光法基于相位掩膜法。首先，用一不透光挡板沿光纤轴向匀速(或非匀速)移动，同时 用均匀紫外光对光纤曝光，形成一个渐变的折射率梯度；然后，再通过相位模板在第一次曝光区域上写入周期均匀的光栅。该法适用于各种类型喝啾光纤光栅的制作。(2)变迹曝光法基于相位掩膜法，通过曝光光束的输出功率控制及变速扫描相位模板以控制纤芯折射率分布的包络变化。该法适用于非均匀特种光纤光栅的制作，但曝光光束的输出功率及扫描速率须精确调控。(3)外场作用法基于相位掩膜法，但在曝光时同时对芯径均匀光纤施加外场 (如应力拉伸与弯曲、 力矩扭曲、 温度变化等)以控制纤芯的折射率分布。该

41、法适用于多钟结构的非均匀光纤 光栅的制作，但外场的 施加与分布须精确调控。(4)在线写入法是全息相干法与逐点写入法的有机组合。在光纤拉制过程及纤芯未包层之前将光栅 写入光纤。改变脉冲激光功率、干涉光束的交角及光纤拉制速度，可灵活地调控光栅参数。该法对大批M生产光纤光栅及在同一根光纤上制作光纤光栅阵列具有重要的应用价值。(5)刻槽拉伸法首先用精密切割机对光纤进行精密性机械刻槽；然后用氢气火焰对V形槽区域的光纤进行拉伸退火，导致纤芯折射率的周期性变化。该法适用于制作长周期光纤光栅，对机械加工的精度要求较高，目前很少被采用。透镜阵列法设计一种相互无间隙的微透镜阵列，将一平行的宽束准分子激光聚焦成平行

42、等间距的光条纹投影到单模光纤上，使纤芯折射率呈现周期性的变化，光栅周期由微透镜之间的中心距离决定。该法可快速制作布拉格及长周期光纤光栅，但微透镜模板的制作非常困难。(7)CO2激光写入法采用1.6um自由空间CO2激光器对光纤宜接曝光并辅以计算机平台控制，可制作周期不同的长周期光纤光栅。该法无须紫外光，光纤亦不用载氢处理，具有良好的应用前景124二3.光纤布拉格光栅传感原理光纤光栅传感原理光纤Bragg光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理M发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化 ，从而产生光栅Bragg信号的波长位移，通过监测 Bragg波长位移情况，即可获

43、得待测物理M的变化情况。如图 3.1为光纤Bragg光栅的传感原理 图。全息写入光栅输入f反射信号,除入谱应变引起 后时语波长移动图3.1 光纤布拉格光栅传感原理光纤布拉格光栅是通过改变单模光纤芯区的折射率，使其产生小的周期性调制而形成的。将光纤置于周期性空间变化的激光光源下，即可在光纤纤芯中产生这种折射率变化由于周期性折射率的扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，这样光纤光栅实际上就起到了光波选择反射镜的作用，当光栅所受应变和其周围温度发生变化时，会导致其芯区 的有效折射率neff和光栅周期上的变化，从而使布拉格波长发生偏移（如图3.1）。通过检 测B的偏移M ,即可获得相应的应变和周围的温度

44、大小，这就使得FBG可以作为传感器当光纤布拉格光栅受到外力 作用产生应变时，光栅周期将发生变化，同时有效折射率由于 弹光效应也会发生变化，如图 3.2 所示。4耦合模理论是诠释光波在波导中的物理行为即波导中的同类模和不同类模之间功率交换行为的基本方法，亦是分析光纤光栅的最有效方法。3.2,1光纤布拉格光栅特性光纤布拉格光栅是由于紫外光在光纤纤芯内的干涉，使纤芯折射率被调制成周期性布拉格光栅光纤纤芯变化，形成空间相位光栅。具结构如图3,3所示。光纤包层图3,3光纤布拉格光栅结构由于纤芯折射率发生变化导致光波导条件的改变，让特定波长的光波发生相应的模式耦合,使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异

45、性。对于阶跃光纤，在光纤的曝光区域，可以由下列表达式给出折射率分布较为一般的描述25n(r,?,z)=a2式中F r, ,z为光致折射率变化函数，具表达式为：心 也 n (r/P,z) TOC o 1-5 h z F r, ,z -(3.2)ni很显然，当0L,由于折射率的不变，贝F r, ,z =0(3.4)上面式子中，ai为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径；ni为相应的纤芯初始折射率；压为包层折射率；, n r, ,z为光致折射率变化；匕为空气的折射率；Anmax为折射率最 大变化基于光纤光栅的非均匀分布，非均匀性主要包括光栅周期以及折射率调制的渐变性以及折射率调制在横截面上的非均匀分布等

46、。可以宜接采用傅立叶级数的形式对折射率周期变化或准周期变化进行分解。可采用下列的一般函数来描述光致折射率变化： TOC o 1-5 h z An的-F r,，八=maxFo r, ,z a q cos kgm : z z(3.5)niq曲式中Fo r, ,z表示由于纤芯对紫外光吸收作用而造成光纤横向界面曝光不均匀性或其它因素造成光纤轴向折射率调制不均匀性，kg=2一,表示光栅传播常数，上为光栅传播周期，m为非正弦分布时进行傅立叶展开的谐波阶数，aq为展开系数，z表示周期非均匀性的渐变函数。由式子(3.1)和(3.5 )可以得到栅区的实际折射率分布为： 0n r z . n i A nmax F

47、。r aqcos kgm z z(3.6)q=0(3.6)在实际制作光栅时候，要保证折射率变化按理想的周期性变化是比较困难的。情况下，可以将光纤光栅折射率变化作为近似均匀分布处理。在这种情况下，式简为:a- 2兀n r尸山nmax cos m z(3.7)3.2.2耦合模理论因电磁波理论认为，光波是一种电磁波，光在光纤中的传播可以以麦克斯韦（Maxwell）方程为基础，加上光传播的边界条件，对其传输规律进行研究。由于光纤结构的横向和纵向有较大的不同，将光场分解为横向分M和纵向分M之和：EtEz, H =Ht Hz下标t与z分别表示横向与纵向。算符也可作同样处理：二一幕一，e表示单位矢沿z方向。

48、由麦克斯韦方程：可以得到:上面式子中对折射率。、H =i ;呻、E=i 0H0n2E(3.8)(3.9)-八t HA_ nn3.10)是光的角频率，；0和? 10分别是真空中的介电常数和磁导率,n为相两个式子表示电磁场横向分M和纵向分M可以相互转化，故可只讨论横向分横向麦克斯韦方程(3.12)Incz(3.13)为了得到解方程(3.12)和(3.13)的解，可用理想波导模来近似。从理想波导的折射率分布no二no x,y可看出，分布与z无关，符合方程(3.12)和(3.13),得到理想波导模的横向电磁场方程E mtCH mt斗 cEmt(1- I，)1 天 Hmt Ji E m5J1 氐J式中，

49、Emt和Hmt,表示是理想波导模态m模式的矢现将横向场分M进行展开Ht =. bm H mtEt amEmt - ni0 a 工：汨m 4方程(316)和(3.17)是对所有传导模求和，以及全部辐射模的积分，方程右边第二个积分号前的求和表示对各类型辐射模的贡献相加。(3.16)和(3.17)也可写成单个求和方式表示:斗E八韦Emt m斗 4H 八 b. Hmtm把(3.18)和(3.19)代入到(3.12)和(3.13)中，并结合式(3.14)、(3.15)可以得到 芈 i-mam ez Hmt -i ； 0 n2-n： amEmt =0(3.20)m X dZZ+Pmbm (ez t )-p

50、_L bmAkt/mt jl = 0m LAdzii 阮 0JE n (3.21 )卜面用理想规则波导本征模式正交关系来求振幅耦合方程：_ .一 一 ：:ez Emt Hmt dxdA 2S/ nP mn /n(3.22 )其中P为光功率，沿z方向传播；如果 m、n是分立值，则：mn为克朗尼函数；如果m、n是连续值，那么mn就为狄拉克函数。当 m、n其中一个是分立值另一个是连续值时为零。对于传导模和传播常数为实数的辐射模,Sn =1 ,这时有/咒=1,那么式子(3.22)可以进一步化简为：00 J(Emt 汉 H mt “xd尸 2P %n(3 23)用Emt、Hmt,分别与(3.20)、(3

51、.21)进行标积运算，对无穷大截面积分并结合(3.23)=2 Kn m a mnbn mdz两式子中的耦合系数分别为02 *K-0 Ent Emtdxdynm4iPk -*0 nm00 nl 22 叫* 叫42： -： V n a0耳盼幼式，有:式中的n、m都可从0? %变化，式(3.24)和(3.25)分别描述电场和磁场的零阶模到m阶模的耦合。Knm和knm ,则分别捕述n阶模和m阶模之间电场和磁场间的耦合程度。经进一步推导，得光在单模光纤中的理想振幅模式耦合方程为:字八KnmAmeXp p = - : m ZKnmAAeXp |i = Am(3.28)dA;dz =11 tKnAAmeXp

52、 i ：nm ZKnAAmeXA-i :n - : m Z /(3.29)dZmm在分析求解方程之前，需要作一些近似处理 27：由于光纤纤芯跟光纤包层的折射率 相差很小, 因此用弱传导近似是有意义的；光纤布拉格光栅长度短，所以可忽略光纤对光吸收损耗的影响；在分析求解耦合模方程时，只考虑传导模，因为其跟辐射模耦合不显著。光纤布拉格光栅时一种反射型光栅，光栅中的模式属于反向模式的耦合，传播常数市二-打，因此在解方程时不考虑同向传播的模式耦合。可将式(3.28)、(3.29)进一步化简为:芈-Kn mA-ex pi 2z n dz*Et Emtdxdy(3.30)(3.31)字二 K mA exp

53、i 2z dz式中An和Af表示模的振幅系数，分别沿正z方向和负z方向传播。由于我们考虑的是弱导引的光纤光栅，其中的光波场几乎是完全线偏振的横向场因此在计算J J(2 2 *n no Ent EmtdxdyKn_ Km o4iP2江，Lcosmz 4iP .上im 三 z exp -imAz耦合系数时可忽略纵场分M的贡献。于是式中横向耦合系数门表达示为：益28P*.EntEmdxdyn-m空dAn J dz_L A exp i 2 = midA; 2、心2z *p i儿exp -H 2 ：A JJJ将上式分别代入耦合模方程(2-30)和(2-31)中,得到:考虑高次谐波项，则方程(3.35)-

54、与(3.36)可简化为：2m 荣 AA-expi(3.37)An exp dz i(3.38)同理可得：exp imAZ清华大学2012届毕业设计说明书 显然可以看出，如果模式耦合存在,211a-m一 Iad点.39)A ) I那么有：2 -m =0(3.40)A式(3.40)即是所谓的相位匹配条件。由光纤光栅折射率分布函数可知，光纤布拉格光栅的折射率分布为正弦形式，即m取1。如果设Az t、Arz, (z)分别是入射波和反射波的振幅，并且 抡2 -2, A那么耦合模方程(3.37)和(3.38)变为：必八=Arexp l.k zl(3.41)dz idAL = - Ar ex p i 二 z

55、l(3.42)dz i设折射率扰动区间(乙，Z2),长度为L,也即是光栅的长度，不难得到边界条件：在乙处L=0, At (0)=1 ;在乙处，Ar L =0。利用此边界条件，可以得出方程的解为At z j-exp i 2z(,2 )sinh S( z L fl+ iS cosh S(z 一 L-2 sinh SL ;-iScosh SL(3.43)(3.44)二 exp T - 2 z vV = Ah Tf -T(3.61)将式（3.60）代人式（3.59）,同时考虑到Tf二T,有dt R这就是裸装温度传感器的动态测M方程。其中C，Vc为温度敏感元件的热容R二hA为接触热阻。当t=0,温度敏感

56、介质的温度为 ，并定义.二RC为时间常M ,式（5）解的形式为（t ）TTs -T exp一二（3.62）该式说明由于裸装温度传感器具有一定热容和有限大的表面换热系数，与被测介质达到热平衡需要一定的时间。时间常M反映了温度敏感元件对被测温度变化响应快慢。显然时间常M越小，温度敏感元件越能迅速反映流体温度的变化。时间常M与温度敏感元件的热容M成正比，与表面传热条件好hA成反比。热容M越大，内部温度的变化就越慢；表面传热条件越好，单位时间内传递的热M就越多，内部温度变化得就越快。时间常M可以综合反映这两者的影响。由于不同的流体与温度敏感元件之间有不同的换热系数h,因此对不同的测M对象温度敏感元件具

57、有不同的时间常对于铠装温度敏感元件，在分析其动态特性时可以简化为如图1所示的模型。由于略。假定保保护套必须具备足够的强度，因而质M较大，在测M温度的过程中它的热容也就不可忽 护套的温度为久，与外界的换热热阻为 R,热容为G,温度敏感元件的温度为丁 2温度敏感元件与保护套的接触热阻为只2,热容为C2o保护套内温度变化满足以下方程Ci匹二dt R &温度敏感元件温度变化规律为211 二土d t R(3.63)(3.64)因此铠装温度传感器的动态测量方程为dt，匹dttr2=：时(3.65)其中i为铠装温度传感器的固有频率，它取决于保护套的热容m和换计 RiCiR2c2热系数及温度敏感介质的热容M和

58、与保护套的接触热阻。显然固有频率越高对被测温度变化的响应越快；：=RG+RG+RC 241为阻尼比，显然大于 匚大于1,说明2YrGR2c2铠装温度传感器的动态响应是一个过阻尼的过程。对于铠装温度传感器，其动态特性可以用传感器对阶跃变化的输出响应的上升时间来描述，即从稳态值的10%上升到90%所需要的时间。我们实际应用的 FBG温度传感器的响应时间即是数据采集装置的输出波形中从稳态值的10%上升到90%所需要的时间。敏感元件图3.4铠装温度敏感元件的简化模型3.4光纤布拉格光栅解调技术用光纤光栅构成的传感系统中，传感M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

59、。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，对中心波长移位的检测精度宜接决定了整个系统的检测精度。因此解调技术，即精确测M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

60、-P滤波器和匹配光纤Bragg光栅滤波解调。341非平衡M-Z光纤干涉仪法非平衡M-Z光纤干涉仪法的基本原理是：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M相应的光波长。图3.5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2注入非平衡M-Z光纤 干涉仪， 该非平衡M-Z光纤干涉仪两臂之相位差为(3.66)扎)=/ %传感FBG光源偶合器1 rrH-JTJF/rT探测器1 I/ /一娴合器2；猾合器3 (|信号处理系统tA rzJ r=/J-探测器2JJrX fJEPZT图3.5非平衡M- Z光纤干涉仪示意图n为两臂光纤纤芯折射率；l