【基于光纤光栅原理的温度传感器的设计（论文）7800字】

基于光纤光栅原理的温度传感器的设计目录TOC\o"1-2"\h\u13003基于光纤光栅原理的温度传感器的设计 1297761绪论 2167631.1引言 2140571.2国内外光纤光栅温度传感器的研究现状 2181811.3光纤光栅温度传感器在各个行业的发展 349682光纤光栅传感器的原理 4121712.1光纤光栅传感器结构及其测量原理 4125302.2光纤光栅温度传感原理 7241243光纤光栅温度传感器的设计与性能分析 8268943.1光纤光栅温度传感器的封装加工 8232873.2解调系统及其关键部件介绍 10119783.3实验分析 11216533.4灵敏度实验数据计算 1526010结论 1514542参考文献 16摘要此次设计所选取核心部件的是布拉格光栅，用它所设计的温度传感器和传统的热电阻式传感器拥有极大的优点，比如抗干扰、响应快以及能在较为恶劣的环境下实现温度测量且具有很高的测量准度，本论文描述了本传感器的发展历史还有它的未来发展方向，该温度传感器的结构，对于此次设计的温度传感器的灵敏度和压力对其有什么影响和误差分析的实验以及所有的数据计算和最终结论。关键词：光纤布拉格光栅;温度传感器;灵敏度；误差分析1绪论引言本温度传感器具有的优势是以往的温度传感器所无法比拟的，关于他的应用，最关键的在于如何准确的从传感器返回的光谱信息中解调出波长的偏移量，以及高温环境下传感器是否耐用。本文主要描述了他的发展前景、设计原理、设计的组成和利用对我所设计的光纤光栅温度传感器进行各种各样的实验。随着社会的进步，光纤光栅温度传感器应用十分广泛。它主要是充分利用引进了无金属化的整体封装焊接技术,具有热传导性的特性和金属材料的高温低强度弹性特征,并且使它具有结构紧凑、体积小、布置方便、抵抗各种电磁干扰、精度高、耐久性好、既同时可以在连接设备内部可以进行直接粘贴,又同时可以在其他连接部件上可以进行直接布置。光纤光栅温度传感器光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有很多优点：1、光波基本不产生电磁干涉，也不害怕电磁干涉；2、它易被各类光检测类元件所接受,更加方便地实现光电或电光信号的变换；3、它容易和不断发展的电子装置甚至于计算机相匹配容易被各类光检测器件所接收,可以方便地实现光电或者是电光信号的转换；4、光纤的工作频率宽,动态运行范围广,是一种节省成本、功耗低的传输线；5、光纤本身没有带电,体积小而且质量轻,容易弯折,抗辐射能力好,特别是适合在易燃、容易爆炸、空间内会遭到严格约束以及较强的电磁干扰等恶劣条件下的使用。1.2国内外光纤光栅温度传感器的研究现状“在1989年,美国的acmelts等科研人员率先发现了一种紫外光侧写入数据来写入光栅的技术，这项创造是利用两束中间有光纤干涉的蓝色的紫外光线从一束紫外光纤的一侧输入数据来写入光栅紫外侧双向读取式光纤写入光栅技术在1990年我国开始出现后,随着来自全球广大范围内的各个发达国家对紫外光纤复合光栅和它们的技术应用进一步深入的技术研究和应用发展,光纤光栅的开发生产与设计制作和应用光纤光敏化处理技术也因此得到了不停的发展进步”。在1993年，K.O.hill等人提出了一项技术，也就是位相衍射掩模的光纤写入技术，它们利用紫外线激光衍射途经位相激光掩模的时候，想用衍射后±1级的光纤衍射的激光所构建的经过干涉光和条纹向量的光纤衍射曝光的时候写入，就这样得到了当时最新的光纤衍射光栅。也在这一年他和p.j.lemaier突破性的发现了一种方便快捷的提高载氢光纤灵敏程度以及能精准检测的且十分有效果的技术手段。Oi等人在2001年，首先把飞秒激光用于光纤布拉格光栅的制作，飞秒激光器能够在很短的脉冲时间内产生很大的能量光，通过飞秒激光聚焦在纤芯上来形成折射率极大变化的光纤光栅。很多研究人员在2003年就发现到用飞秒激光制作的光纤光栅具有优秀的高温特性，能在300摄氏度的高温环境中稳定工作。一些方法制作的光纤光栅都有良好的耐温性。裸露的情况下，能稳定的在500摄氏度下工作，随着温度的升高栅区也会一点点消失。在哈工大研究的Song等人在2009年使用高功率的飞秒脉冲激光器，用相位掩模技术让它在多模掺锤光纤内部刻出布拉格光珊。在电子科技大学研究的马耀远在2013年研究出了一种全新的无胶化封装方式能够让光纤光栅在300摄氏度的环境中稳定工作。在2017年，吉林大学、西安交通大学、深圳大学都在飞秒激光器制作布拉格光栅有一系列的研究。在2018年的时候，在西安交通大学研究的曹后俊等研究人员用激光掩模技术原理的基础下，用飞秒激光刻制的光纤布拉格光栅能够在700摄氏度的环境下正常稳定的工作。1.3光纤光栅温度传感器在各个行业的发展光纤温度传感器的主要产品种类很多,除了以上我们大家介绍的主要是基于荧光和微波分布式的微型光纤温度传感器外,还有基于微型光纤的圆形光栅温度传感器、干涉型的圆形光纤温度传感器以及基于弯曲的低损耗的微型光纤温度传感器等等,由于它们的产品种类很多,应用领域范围也很广泛,例如,应用于工业电力系统、建筑业、航空和民用运输船舶以及用于海洋工程等的研究领域等等。(1)在电力系统行业的发展光纤温度传感器已经在电力系统的实际应用中获得了很大的发展,由于电力系统的温度、高压供热设备的内部温度、发电工厂环境的温度等,这些都需要我们使用光纤温度传感器来对其进行计算和测量,因此就极大地促进了光纤温度传感器的不断完善和发展。特别是分布式光纤温度传感器已经得到了很大的改善,经过在我国电力系统工程行业的广泛应用,从而已经使它们所接受的信号和数据处理以及检测系统的性能都有所提升。(2)在建筑业的发展光纤光栅温度传感器因为它本身具有较高的温度分辨率及其在测量范围区域适应范围宽大等特点优势,被广泛地用于应用在各种建筑行业的空气温度计和热测量中。西方许多发达国家都已经普遍应用实施了此项温度检测分析系统,进行对大型建筑物桥梁温度、位移等各种安全技术性能指标的温度检测分析工作,例如,美国墨西哥就是这样利用一种光栅式温度传感器,对美国高速公路上各种类型桥梁位移温度的数值指标进行了温度检测。通过广泛的研究使用,光栅温度传感器所需要面临的一些复杂问题,如:光纤交叉敏感的温度信号干扰消除、光纤的更换光栅温度封装等均已经基本得到了有效解决,因而这个检测系统也已经得到了很大改进。(3)航空航天业中的应用发展因为我国航空航天行业中所用的传感器频率相对来说较高,包括针对飞行器在压力、温度、燃油等各个方面的检测,都是需要通过光纤温度传感器来对其进行检测,并且所采用到的传感器可以有几百个,所以这些传感器的尺寸和重量都要求非常严格。2光纤光栅传感器的原理2.1光纤光栅传感器结构及其测量原理光纤布拉格光栅应用十分广泛，和滤波器具有相同的工作原理，当宽光栅范围的光入射到栅区的时候就会出现一个窄带反射谱，具体结构和光谱传输特性如图2-1所示图2-SEQ图2-\*ARABIC1-1光纤布拉格光栅“布拉格光纤光栅具有优越的选频和色散特性,可以来构成WDM系统/网络中很多关键元器件，而且通过优化设计光纤光栅结构参数，能够获得不同应用要求的基于光纤光栅原理的功能组件，如光纤放大器、光纤反射器、波分复用器等，并且光纤型结构可降低这种类型器件的插入损耗。有文章报道光纤光栅在光交叉互连(OXC)中的量关键元器件，并且通过优化设计光纤光栅结构参数，可获不同应用要求的基于光应用;光交叉互连是波分复用全光网的关键器件,通常由滤波器和空间光开关阵列组成，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”REF_Ref15616\w\h[2]。针对光纤光栅传输的研究方法有三种，分别是耦合模理论、传输矩阵法、傅里叶变换法。相对于周期均匀的光纤布拉格光栅，可以用耦合模理论解释传播规律特点，或者是用数学式表达，所以本小节讲解的是这个理论。上一章提及的光纤光栅的形成其实是在纤芯内部出现折射率存的变化，这种变化能够符合周期表达式，故有效者折射率能用下式表示为:(2.1)上述公式中，代表光纤的有效折射率也能够称作模式折射率，其带入的数值略微小于纤芯折射率，所代表的是平均折射率的变化，也能够称作调制深度，s是调制后纤芯折射率可见度，代表的是光栅的周期，是光栅周期的相位移。通过推导耦合模方程可以用下式表示：（2.2）表示第m阶模随着z和-z方向的慢变化振幅。以及可以表示光纤纤芯的导波模，还能够表达辐射模式或者包层模式，上述模式在理想条件下都不可以进行能量互换，所以发生介电微扰的时候纤芯折射率会耦合，所以能够用下列式子表示：（2.3）（2.4）其中代表第m和q阶模之间的横向模耦合系数，能够用下式表示：（2.5）上述公式中是材料的介电常数扰动，纤芯的有效折射率变化远小于n的时候，介电扰动可以用表示，纵向耦合系数也可以用上述式子表示。定义两个新参数：(2.6)(2.7)(2.6)是自耦合系数，第二个表示不同模式之间的转换，也就是交流耦合系数。所以总耦合系数可以表示为：（2.8）但是相布拉格光栅是一种反射型的光栅，传播方式为正反模式耦合，所以2.3，2.4能够进行化简即：（2.9）（2.10）上式中是自耦合系数（2.11）模式之间的失谐量为（2.12）当光纤布拉格光栅的谐振波长。单纤光栅的自耦合和交叉耦合系数能够化简成下列式子：（2.13）（2.14）上列所提及的折射率均匀调制变化的光栅，是恒定的，而且，所以是一个恒定的数值，所以在对已知栅区长度L和交叉耦合系数的FBG，能够得到能量反射系数和归一化波长得到他的最大反射率和共振波长：（2.15）（2.16）2.2光纤光栅温度传感原理光纤光栅传感器反射回的光中心波长为：（2.17）代表光纤的有效折射率，代表的是光栅的周期，光射入传感器的时候，其中一部分被传感器反射，反射光的中心波长用表示。当所处的环境温度发生改变的时候，因为光纤有自身延展和热膨胀性，和也发生改变，光纤中心波长就出现了线性改变，温度变换影响光纤光栅返回光的中心波长变化，经过测量和解调就得到波长变化的大小就可以得到温度。把光纤光栅传输原理当做基础原理的条件下，根据光纤光栅周期的长度和有效折射率可以得到中心波长，但是引起周期和折射率变化的原因有很多，其中最重要的是：材料的热涨冷缩和热光效应。随着温度的升高，许多材料都会发生膨胀效应，他会引起栅距增加来让光栅周期发生变化。随着温度的变化介质的光传输特性也会变化从而使折射率发生改变，根据式能够获得光纤布拉格光栅温度传感的数学模型。热光效应又一个热光系数能够表示由于热光效应所导致的变化量级，能用下式表示（2.18）因为光纤的结构特性，包层和纤芯的材料杂质不相同，包层折射率稍大于纤芯，所以随着温度的升高产生的热光效应也会不相同。因为单模光纤的纤芯直径数值特别小，所以纤芯内部只存在一种传播方式，包层所导致的热光效应对纤芯内部几乎没有影响，有效折射率以及纤芯折射率几乎相等，故热光系数可以用下式代替：（2.19）热胀冷缩在每种材料中都会存在，随着环境的温度发生变化的时候，会引起材料热胀冷缩从而使形状发生变化，也就能改变光栅周期，热涨冷缩的程度由材料的热膨胀系数决定，热膨胀系数可以用下式表示：（2.20）环境的温度发生变化的时候设此时的温度变化为，那么式可以用下式表示：（2.21）上述式子的代表由于材料热膨胀所导致的有效折射率的变化，代表由于热膨胀所导致的纤芯直径发生改变引起的波导效应；将热光系数和热膨胀系数导入2.21整理得到：（2.22）假设处于理想条件下，灵敏度只与材料本身有关，所以温度灵敏度系数用下式表示：（2.23）3光纤光栅温度传感器的设计与性能分析3.1光纤光栅温度传感器的封装加工光纤光栅温度传感器封装十分重要，我采用了金属片封装是将光纤光栅事先穿进预先准备好的金属片中，再用环氧树脂进行固化，环氧树脂固化之后就得到了应力补偿型封装，也就是所谓的FBG传感器将该封装两端的光纤装上能连接光谱仪和高强度光源的接口，将其两端分别连接光谱仪和高强度激光源，就得到了一个完整的实验装置。按如下工序对光纤光栅进行粘贴：

工序1：将加工回来的双曲线型铰链结构进行酒精清洗后并打标志线。

工序2：将处理好后的温度套管结构固定在实验台上，将光纤光栅一端穿过套管结构与标志线对齐，光纤光栅的一端固定，另一端加砝码张紧。

工序3：调整固定端，使穿过的光纤保持在同一水平线上并紧贴在套管结构上，先对张紧端涂光敏胶，并用紫外灯照射固化，再用同样的方法粘贴另一端。

工序4：用光谱仪对固化好后的套管结构上的光纤光栅中心波长进行测试。

工序5：将加保护管的传感光纤光栅在套管结构自由端引出光纤进行切割、熔接，并用热縮管保护，还可以对光纤再进行一层铠装保护。在整个纤芯内部所反射形成的一个三维空间中的相位为周期性地均匀分布的化学光栅,其主要反射作用的本身是它实质上就是在整个纤芯内部所反射形成的一个狭窄带(又称透射或光学反映)的光学滤波器或者是光学反射镜。使用该生产技术的主要特点,可以快速制备出并生产设计出许多特殊和高性能的新型光纤通信元器件。这些光电元件分别具备了激光反射率高带宽响应范围大、附加技术费用低和损耗小、体积小,易于与各类光纤电缆进行相互耦合,可以与其他各类光电元器件完全相互兼容组合成融为一体,不受任何自然环境水和灰尘的污染影响等多项一系列良好的应用性能。目前的技术应用主要广泛集中于应用光纤射频通讯技术领域(应用光纤射频激光器、光纤射频滤波器)以及应用光纤位移传感器(光纤位移、速度、加快的频率、温度)。便得到了FBG温度传感器如下图3-1所示图3-1光纤布拉格光栅传感器它也是本次设计的主体，作用是感知温度的变化，让传输在光纤中的光信号发生波长的改变来反映温度的变化。3.2解调系统及其关键部件介绍宽带光源实物如下图3-2所示图3-2宽带光源ASE宽带光源。ASE宽带光源基于泵浦光源在掺饵光纤里的产生自激辐射光的特点,再加上光谱平坦滤波器,产生C+LBAND的宽带光谱,在光器件生产测试及光纤光珊传感系统里有广泛的应用。如图所示，该光源的波段为C+L波段、波长范围为1527~1605nm、输出功率为10-100W、光谱宽度为75nm、光谱平坦度小于7dB、输出隔离大于40dB。（2）光谱仪本实验所采用的光谱仪是一种基于衍射光栅技术的高速高性能光谱分析仪，光谱仪能将多波段的光进行解调并显示信号变化情况，由于体积过大常用于实验和科研场所。所采用的光谱仪为日本公司YOKOGAWA生产的型号为AQ-6370D光谱仪；如图3-3所示：.图3-3光谱仪实验所用的光谱仪参数如下：测量波长范围在600~1700nm；波长精度为±0.01nm；波长最大分辨率为0.02nm；最大的动态范围为78dB（典型值）；宽功率量程：+20~-90dBm；快速测量0.2s（100nm跨度）。解调系统整体结构如下图3-4所示图3-4解调系统整体结构3.3实验分析3.3.1光纤光栅温度传感器灵敏度的测试实验过程第一步对组装好的实验装置其进行调试，得到实验室室温下的波长如下图3-5所示(由于该光纤光栅温度传感器的量程较小，所以光谱仪上的波谷是朝下的，实验室室温较大，该光谱仪的在室温22摄氏度的条件下，波谷的波长应为1549.88nm）图3-5室温下光谱仪上移动波长的读数为了测试设计的光纤光栅温度传感器是否能够精准的测量温度，但是由于设计的光纤光栅温度传感器量程较小，所以只能取30摄氏度、29.5摄氏度、29摄氏度、28.5摄氏度、28摄氏度五个温度来进行测量。调试光谱仪使其波谷的波长稳定之后，取纸杯倒一杯热水，用探针温度计来测量其温度，并使其自然冷却到30摄氏度后，将应变片缓慢的放入纸杯的热水当中，观察光谱仪显示屏上波谷的波长，采集实验数据如下图3-6所示图3-630摄氏度的环境下光谱仪的移动波长读数再分别使水温自然冷却到29.5摄氏度、29摄氏度、28.5摄氏度、28摄氏度后分别观察光谱仪上移动波长的改变并采集数据，分别用表3-1和曲线3-1表示：表1温度和移动波长的关系温度3029.52928.528移动波长1550.18801550.17201550.16401550.14001550.1280折线图SEQ图\*ARABIC1温度和移动波长的关系注：此处纵坐标的单位为nm，横坐标单位为℃由上图可得线性回归方程y=0.0304x+1549.33.3.2测试光纤光栅温度传感器压力对其有无影响实验用具:除了上述的用具以外还需要用到千分尺也就是螺旋测微计，因为光纤光栅温度传感器的应变片较小，故使用千分尺对其施加压力.实验过程：由实验一可以得到实验室常温下的光谱仪的示数，再用螺旋测微器对光纤光栅温度传感器的应变片施加一定的压力，观察光谱仪上波谷的变化如下图3-7所示图3-2-2对金属应变片进行压力后光谱仪的显示数据分析：在施加压力之前和施加压力之后移动波长没有发生变化，所以就可以得出压力对光纤光栅温度传感器的测量没有影响3.3.3环境温度变化误差分析实验实验原因：由于实验室室温可能随时发生波动，可能会对实验结果产生一定的影响，所以要进行本实验。实验过程：在8点到18点的时间段每半个小时对光谱仪上的数据进行采集，实验得到的线性回归方程计算得列出如下表3-1表3-1每个时间段的移动波长情况时间移动波长温度实际波长误差8点1550.0760191549.87760.012%8点半1550.0840211549.93840.090%9点1550.0900221549.96880.007%9点半1550.0900221549.96880.007%10点1550.0960231549.99920.001%10点半1550.1140261550.09040.001%11点1550.1280281550.15120.006%11点半1550.1280281550.15120.006%12点1550.1880301550.21200.001%12点半1550.1640291550.18160.001%13点1550.1210271550.1208近似于013点半1550.1080251550.06000.003%14点1550.1020241550.02960.004%14点半1550.0840211549.93840.090%15点1550.0840211549.93840.090%16点半1550.0790201549.90800.011%17点1550.0760191549.87760.012%17点半1550.0760191549.87760.012%18点1550.0760191549.87760.012%由上表可知，最大误差率为0.012%，所以设计的光纤光栅温度传感器可以用于具体的温度测量3.4灵敏度实验数据计算当光纤光栅温度传感器不受其他因素影响的时候温度变化引起波长发生移动可得：上式中：即光纤的热涨系数，表示光栅的周期和温度的变化关系。是光纤光纤的热系数，表示光栅的有效折射率和温度的变化关系。从上述公式可以得出，和是一种线性关系，可由测量光纤光栅的反射波长移动，以此来确定环境温度。经过上述式子的计算，设计的光纤光栅温度传感器灵敏度还算精准。结论本文主要讲述了围绕光纤光栅原理来设计温度传感器，所用仪器的介绍作用对其进行组装的结构以及一些参数的计算，甚至于光纤光栅温度传感器的发展历史。此外还有对设计的光纤布拉格光栅温度传感器的一些实验。针对本次设计有优点有缺点，优点就是自主完成一个光纤光栅温度传感器的设计，以及实验部分能够按照老师所给的步骤依次完成。缺点就是有些地方依旧有瑕疵，比如在针对光纤光栅温度传感器灵敏度的实验中，温度取的不够精准，导致计算时有所偏差还有在相应时间的实验当中，由于自己在设计光纤光栅温度传感器时忽略了量程这一关键性因素，所以在后续的实验当中造成了一些不必要的麻烦。在我们日常生活中，有些地方离不开传感器的应用，特别是光纤光栅温度传感器在各行各业都有涉及，人类的发展或许离不开传感器，传感器技术的发展带动着人类科学的进步，也许有一天，人类科学可以脱离传感器技术的束缚，但是传感器技术推动人类科学发展的功劳是不可磨灭的。参考文献HillKO,FujiY,JohnsonDC,etal.PhotosensitivityinopticalfiberwaveguidApplicationtoreflectionfilterfabrication[J].AppliedPhysicsLetters,132(10).叶昌金.光纤Bragg光栅特性的研究[D].电子科技大学，2008.刘胜春.光纤光栅智能材料与桥梁健康监测系统研究[D].武汉理工大学，2006.WanXiangkui,QinShuren,YinAijun.Virtualmulti-channelinstrumentfortemperaturemeasurements[C].ProceedingsoftheSecondInternationalSymposiumonlnstrurnen