基于光纤光栅的高精度测温传感器研究
基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术研究
基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术研究光纤布拉格光栅传感技术是利用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）作为信号传输和反射元件，进行物理量或化学量测量的一种先进技术。
FBG传感器由于具有抗干扰、高灵敏度、低成本、便于集成等优点，被广泛应用于工业自动化、航空航天、海洋等领域。
近年来，随着机器学习技术的发展，基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术也进一步得到了发展和应用。
一、光纤布拉格光栅传感技术的优势光纤布拉格光栅传感技术具有以下几个优势：1. 高灵敏度：FBG传感器具有高灵敏度和高稳定性，能够对细微的物理量或化学量进行测量和监测。
2. 抗干扰：FBG传感器利用光学技术进行测量和反馈，免受电磁干扰影响，具有高抗干扰能力，能够在复杂环境下可靠地工作。
3. 低成本：传统的物理量或化学量测量方法需要昂贵的传感器和设备，而FBG传感器可以通过自制或批量化生产实现低成本生产，降低了生产和应用成本。
4. 便于集成：FBG传感器可以通过光纤技术与其他设备进行集成，实现多个传感器的同时监测和反馈，提高了生产效率和精度。
二、基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术的发展基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术是将机器学习技术应用于光纤布拉格光栅传感技术中，将传感器测得的数据通过算法和模型进行学习和处理，实现对物理量或化学量的精准预测和监测。
近年来，随着机器学习技术的发展和FBG传感器的应用范围的不断拓展，基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术也得到了快速发展和应用。
1. 监测结构健康光纤布拉格光栅传感技术可以用于监测结构健康状况，如桥梁、建筑物、大型机械等。
利用FBG传感器监测结构物的应力、挠度、变形等物理量，并将数据传输到机器学习算法中进行学习和处理，可以实现对结构健康状况的预测和监测。
2. 监测环境污染光纤布拉格光栅传感技术还可以用于监测环境的污染状况，如大气污染、水质污染等。
利用FBG传感器监测环境参数的变化，如气体浓度、水质指标等，并将数据传输到机器学习算法中进行学习和处理，可以实现对环境污染状况的预测和监测。
基于光纤光栅的高精度变形监测与分析研究
基于光纤光栅的高精度变形监测与分析研究光纤光栅作为一种重要的光纤传感器，广泛应用于变形监测与分析领域。
本文将对基于光纤光栅的高精度变形监测与分析研究进行探讨。
在科学研究和工程应用中，变形监测与分析对于确保结构安全和性能优化至关重要。
而光纤光栅借助光纤的特性，能够实现对结构变形的高精度检测与分析。
光纤光栅利用光束与光纤中周期性折射率变化的相互作用，对光纤中的光信号进行监测和分析。
其工作原理基于光栅中传输的光信号受到应变和温度的影响，从而实现对光栅周围环境的变形监测。
首先，基于光纤光栅的高精度变形监测技术可以实现对结构形变的实时监测。
光纤光栅传感器可以安装在结构表面，在受力过程中通过测量光纤光栅的拉伸和压缩变化，实时监测结构的变形情况。
相较于传统的电阻应变计或应变片技术，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、体积小、重量轻、易于布线等优势。
通过将多个光纤光栅节点分布在结构表面，可以全面了解结构的变形情况，从而保证结构在工作过程中的稳定性和安全性。
其次，基于光纤光栅的高精度变形监测技术可以实现对结构变形的精确分析。
光纤光栅传感器可以测量微小的变形量，其精度可以达到亚毫米甚至亚微米级别。
通过解析光纤光栅传感器接收到的光信号，可以获得结构变形的具体数值，包括形变量、扭转角度等。
这种精确的分析结果可以为结构设计和优化提供有效的参考，帮助改进结构的性能和耐久性。
此外，基于光纤光栅的高精度变形监测技术还能够实现对结构变形的多参数监测。
光纤光栅传感器可以通过多路光栅多参量传感技术，实现对结构变形中的多个参数同时监测。
例如，通过将多个光纤光栅传感器节点布置在结构表面的不同位置，可以同时监测不同点处的变形情况。
这种多参数监测能够更全面地了解结构的变形情况，为结构的安全运行提供更全面的保障。
基于光纤光栅的高精度变形监测与分析研究不仅在结构工程领域具有广泛应用，还在地质灾害监测、航空航天等领域得到了广泛的应用。
例如，在地质灾害监测中，光纤光栅传感器可以安装在地下管道和桥梁等结构中，实时监测地表变形情况，为地质灾害的预防和治理提供重要的数据支持。
基于光纤传感技术的高温测量研究
基于光纤传感技术的高温测量研究一、引言在现代工业生产过程中，高温测量是非常重要的一个问题。
而且，对于一些特殊的工艺，高温测量更是不可或缺的。
传统温度传感器因其自身的局限性，很难满足高温测量的需求，而光纤传感技术以其高精度、高灵敏度、无电磁干扰等特点，成为高温测量领域的一个重要研究方向。
本文旨在归纳总结基于光纤传感技术的高温测量研究现状，以及未来的研究方向。
二、基于光纤传感技术的高温测量原理光纤传感技术是一种基于光学的传感技术，它利用光纤作为信号传输通道，将物理量的变化转换为光学信号的变化，并通过光电探测器将其转换为电信号。
对于高温测量来说，光纤的热膨胀系数和光学特性的改变会导致信号的偏移或损失，因此需要对光纤传感技术进行优化处理，以满足高温测量的需求。
1. 光纤温度传感器光纤温度传感器主要是基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）的原理，利用光波在光纤中的传输过程中产生的布拉格反射，实现对温度的测量。
当光栅结构发生形变或温度变化时，布拉格反射峰的中心波长也会随之偏移。
因此，可以通过监测布拉格反射峰的中心波长变化来实现对温度的测量。
光纤温度传感器具有测量范围广、耐高温、抗干扰等优点，尤其是在高温测量领域中，光纤温度传感器更是具有独特的优势。
2. 光纤辐射测温光纤辐射测温是一种用于测量高温物体辐射温度的技术，它主要是基于黑体辐射理论和光纤及探测器的光学特性所设计的。
当高温物体发射辐射能量时，辐射能量的强度与温度呈正比。
通过将光纤发送端发出的光线照射到被测物体上，并将反射回来的光线传入探测器中，利用探测器对光线的接收能力，再结合被测物体的表面特性，可以测得被测物体的表面温度。
光纤辐射测温技术具有响应速度快、精度高、可靠性强等优点，在高温测量领域也有着广泛的应用前景。
三、基于光纤传感技术的高温测量应用1. 钢铁冶炼领域在钢铁冶炼过程中，需要对高温炉内实时温度进行监测，以确保生产的质量和效率。
基于光纤光栅的机械设备温度监测系统研究
丁 辉
（ 番 禺珠 江钢 管 （ 连 云港 ） 有 限公司 ， 江苏 连云港 ２ ２ ２ ０ ０ ６ ）
摘
要： 设 计 了一种 基 于光纤 光栅 的机 械设 备温度 监测 系统 ， 并进 行 了测试 ， 结果 表 明 ， 该系 统具有 较 高的实 用性 。
（ １ ）
２
位机 ， 实 现 机 械设 备 温 度 的实 时 监 测 。 当 温度 偏 高 且 高 于 经 验
式中， 为光纤 布拉格光栅的反射光 中心波长 ； ｎ ｅ ｆ ｆ 为纤芯 的有
效折射率 ； 以 为 光栅 的栅 格 周 期 。
值时， 系统就会发 出报警 信息 ， 告警技 术人员 及时发 现温 度超 高 的故障点 ， 及 时排除故障 ， 保证机械设备 的顺利运行 。
光纤布拉格 （ Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ ） 光 栅 最 基 本 的作 用 是 对 轴 向应 变 和 温 度 的
传感 。
光 纤 光 栅 的 中心 波 长 满 足 如 下 条 件 ：
一
长与温度 的对应关系 ， 微控制器计算 出当前各点光纤光 栅温度 传感器 的温度 ， 将其显示到液 晶显示屏上 并通过总线传 输给上
监测 。（ ５ ） 监测 系统 的可靠性高 ， 满足现场复杂工况 的需要 ， 能 够稳定而有效地工作 。
机械设备运行正 常与否 的一个 重要参 数 。当机 械设备 出现 故 障时 ， 往往在故障部位会 伴 随着高温 现象 ， 从而 产生破 坏性 的
影响 。温度参数作为机械故障诊 断的指标 简单 明了， 可 以帮助
＋ 悃 园
藏 带 光 环 形器 ／
匡
处理 器 系统 上位 机
FBG光纤光栅的应变和温度传感特性研究与实验验证
光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二光纤光栅传感器增敏与封装 (4)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (5)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (6)5 粘敷式敏化与封装 (7)三光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG与LPFG混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。
当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。
由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。
FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。
当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。
光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。
假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。
基于光纤光栅传感技术的温度测量与控制系统研究
基于光纤光栅传感技术的温度测量与控制系统研究第一章概述随着现代工业技术的不断发展，各种传感器应用已渗透到人们生活和工作的方方面面。
其中，温度传感器是应用最广泛的一种传感器之一。
目前，常见的温度传感技术有热敏电阻、热电偶、红外测温等。
这些技术在一定程度上能够满足工业生产、环境监测、医学等领域对温度测量的需求，但它们都存在着一些局限性。
为了克服传统温度传感技术的缺陷，提高温度测量的准确性和稳定性，光纤光栅传感技术走入人们的视野。
它以其独特的优势，引起了学术界和工业界的广泛关注。
光纤光栅传感技术是利用光纤光栅作为传感元件，通过光纤对物理量的测量，实现对一些特定量的测量和控制。
其中，温度传感是应用最广泛的一项。
本文拟基于光纤光栅传感技术，研究温度测量与控制系统，为传感技术的研究与应用提供一定的参考价值。
第二章光纤光栅传感技术2.1 光纤光栅传感技术原理光纤光栅是一种利用纤维光学原理制成的频率选择性光学反射器。
它将光纤中特定节距处的光强变化转化为光纤中传输的一些存在物理量的变化。
在光源激发下，光信号通过光纤到达光栅，被反射回来。
从反射回来的光强和波长分布来判断光纤光栅的传感量发生了变化。
2.2 光纤光栅传感技术的优点轻量化: 光纤光栅无需外接电源，不受电磁干扰。
因此，它非常适合长距离和大范围温度和应变测量，其安装和移动也非常方便。
灵敏度高: 光纤光栅传感技术具有高的灵敏度。
传感器元件直接嵌入测量系统中，不需要额外的内部装置。
抗干扰性强: 光纤光栅探头可以很好地抵抗机械、电磁和化学干扰，能够在恶劣的环境条件下可靠测量物理量。
稳定性高: 光纤光栅传感技术的稳定性非常高，并且光纤光栅传感技术不受光线强度和斑点等干扰。
第三章基于光纤光栅传感技术温度测量与控制系统研究3.1 光纤光栅温度传感原理光纤光栅温度传感的基本原理是温度的变化引起光栅布拉格波长的变化。
光栅布拉格波长随温度的变化而变化，利用CCD相机捕获反射光谱，通过信号处理器对反射光信号进行处理，实现温度测量。
高灵敏度光纤光栅温度传感器的研究
传感器 的测量 精度 ， 文提 出了一种基 于传感 器结 构 的新 本
的增 敏方 法来 提高其温度灵 敏度 ， 这种 增敏 方法不 但增敏
果有限。图 １ 在金 属表面粘贴光纤光栅温度传感器 的增 是 敏方案 ， 图中的基底 材料 一般 选用热膨胀系数大的铝材料 ， 裸光纤 光栅两端 用环氧胶 固定在基底 材料上 ， 当温度 变化
一
℃， 远远不 能满 足实际测 量的需 要。如果 改用其 他专 用波
长解调器 ， 在满 足温度分辨力 ０ １ ． ℃的条件下 ， 解调 器的波 长分辨力必须达 到 ０ ０ １ ｍ， ．０ 这样 ， ｎ 对波长解调器 的性 能要 求过高 ， 实现起来 比较困难 。所 以， 为了提高光纤光栅温度
维普资讯
Hale Waihona Puke ｌ ０传感器与微系统 （’ｒｄ ｃｒａｄＭｉ ｙｔｍ Ｔ ｃｎｌｇ ｓ １ａＩ ｕ ｅ ｎ ｃ ｓ ｅｈｏｏｉ ） ｒｓ ｍｓ ｅ ｅ
２０ ０ ６年 第 ２ ５卷 第 ８期
高 灵敏 度 光纤 光栅 温 度传 感 器 的研 究
衣红钢 ，巩 宪锋 ，王 长松
关键词 ：光纤 光栅 ； 温度传感器 ； 灵敏度 ； 敏 增
中图分类号 ：Ｔ ２ ３ Ｎ ５ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１０ ９ ８ （０ ６ ０ ００— ７ ７ ２０ ）８—０ １ ０ ００— ２
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｉ ｈ—ｅ ｓｔｖ ｔ ｂ ｒ ｇ ａ ｉ ｅ ｐ ｒ ｔ ｅ ｓ ａ ｃ ｎ ｈ ｇ ｓ ｎ ｉｉ ｉｙ ｆ ｅ ｒ ｔｎｇ ｔ ｍ ｅ ａ ｕｒ ｉ
ｔ ｅ ｂ ｆｒ ． ｈ ｏｅ ｅ
Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｒｇ ａｉ ｇ；ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｉｉ ；ｉ ｍｖ ｅ ｓ ｉｉ ｙ ｗｏ ｄ ：ｉ ｒ ｔ ｅ ｂ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｓ ｎ ｏ ；ｓ ｎ ｉ ｖ ｔ ｍｐ ｅ ｓ ｎ ｉ ｖ ｔ ｅ ｔ ｙ ｄ ｔ ｙ
基于光纤光栅探测器的室内温度检测系统设计
【 关键词 】 光 纤布拉格光栅 ； 温度检测 ； 光谱线性频移 ； 粮仓
０ 引 言 温度检测在很 多领域都有应 用 ． 生产厂 房的温度检 测 、 住宅 区的 室温控制 、 农业生产 中温室大棚的恒温监控等 。 目 前， 国内外 对于温度 检测的主要方法有 ： 热电偶型测温系统 ， 具有结构简单 ， 探测 区域 大的 特性 ． 而其属于接触式测量 ． 易污染 、 精 度较低 数字集成温度探测 芯 片． 该温度探测器 功耗低 、 体积小 ， 常应用于单 点探测 ． 在 多点位 大范 围测试 中误差较大。 除此之外 ， 光纤测温器也是一个 常见类 型 ， 其灵 敏 度高、 适 合远距离检测 ， 但多路检测测量难 度大 、 工艺复杂 、 价格高 ； 半 导体 吸收式光纤 温度 传感器温度监 测系统 ． 其 优点是 将光纤仅用 于传 输， 测量 采用其它光学或机械的元 件完成 ， 监测被测温度的变化 ： 智 能 （ 数字） 温度传感 器温 度监测系统 ， 其 内部包含 处理芯片 ， 适 用于测温 位置在线 处理的场合 我 国传统 的内部温度测量方法是 直接将 温度 计 插 入粮食 中检测 ． 工作量大 、 效率低 、 精 度差 ； 除此之外 ， 国内还有采用 基于 Ｐ Ｎ结 或热敏 电阻的温度检测 系统＿ ｌ 】 】 ． 但其 传统 电路设 计上存在 干扰 、 滤波不稳定 ． 线路 复杂等问题 。 而测温 电缆技术在 实际应用 中不 但工艺 复杂 ． 且部 分结构需 要专用设备 ． 十分不便 相 比之下 ． 采用 波长调制的光纤布拉格光栅 （ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ Ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ． Ｆ Ｂ Ｇ ） 传 感器 】 避免 了温度 测试 信号受 光源 变动 、 光纤 损耗 等的影 响： 采用波分 复用技术在一根光纤 中串人 多个 布拉格 光栅实现分布式 测量 ． 大大 降低 了系统 复杂度 ： 采用光谱线性频移 的监测 手段 ． 测量精 度高 、 范 围广 、 分 布密度 大 本文在采用分布式光纤布拉格光栅结构 的 基础上 ． 利用光纤布拉格光栅所测温度 与中心波 长之 间的线性 函数关 系． 提 出了一种通过光谱线 性频移反演 分布式粮温 的新方法 ． 提高 了 检测精度 、 温控范 围和温度数据密度 置多个 光栅 ． 使光栅 阵列 信息量大 ， 结合波分 复用 等技术非 常适合 大 范 围的分布式 网络化 的粮 温监测 光纤布拉格光栅 探测器 中的宽谱光 源可采用 面发光二极管 Ｓ Ｌ Ｅ Ｄ 或放大 白发辐射光源 Ａ Ｓ Ｅ 等 ，光传输及转换部分 由光耦合器或光 环 形器构成 当光源 系统发 出一定带宽 的光入射到光纤光栅后 ． 由于光 纤光栅对 中心波长具有选择作用 ． 只有符合波长关系 的光被才会被 反 射． 并再 次通过光传输结构 送人解调装 置解调 ． 最后 解调光会体现 出 光纤光栅反射波长 的变化特性 。 当利用光纤布拉格光栅原理检测粮仓 内局部粮温时 ． 由于粮温变化 引发 的光栅 自 身 的折射率或栅距 的改 变 会使反射波长产生相应 的变化 ． 最终对 由解调器检测得到 的波长变化 推导计算即可求得相应位置实时 的粮温数据 探测器获得 的尖峰波长 随着粮温 的变化持续变化 ． 探测器带 宽是指光纤布拉格光栅反射 峰对 应 的带 宽 ． 其检测精度越高 ． 则带宽就越 小 ． 由于工艺水 平的限制 ． 一 般在 ０ ． ２ — ０ － ３ ｎ ｎ ａ 之间
光纤光栅温度传感器 报告
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》课程作业报告提交时间： 2011年10月 27 日1 研究背景 （执笔人： ）被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。
光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。
基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为：2B eff n λ=Λ式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。
这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势：（1）抗干扰能力强。
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，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。
这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。
（2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。
（3）测量结果具有良好的重复性。
（4）便于构成各种形式的光纤传感网络。
（5）可用于外界参量的绝对测量。
（6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。
（7）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。
由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
但是它也存在一些不足之处。
因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。
光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。
FBG传感器封装技术的研究进展
FBG传感器封装技术的研究进展FBG传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）是一种基于光纤中的布拉格光栅原理进行测量的光纤传感器，具有高精度、高稳定性和抗干扰能力强等优点，在航空航天、自动化控制、结构监测等领域具有广泛的应用前景。
近年来，FBG传感器封装技术的研究进展主要体现在封装结构设计、力学性能改善和温度补偿方面。
本文将对这些方面的研究进展进行综述。
首先，封装结构设计是FBG传感器研究的重要方向之一、传感器封装结构能够保护光纤免受外界环境的干扰，并对光纤和FBG进行固定，以提高传感器的稳定性和可靠性。
传统的封装结构主要采用环氧树脂进行封装，但其无法满足一些特殊工况下的需求。
近年来，研究人员利用可拉伸性材料、高强度材料等进行封装结构的设计，从而提高传感器的可靠性和耐用性。
其次，力学性能改善是FBG传感器封装技术研究的关键问题之一、由于传感器封装结构与被测物体相连接，其力学性能直接影响到传感器的测量精度和稳定性。
研究人员通过优化封装结构和材料选择，提高传感器的刚度、强度和粘结性能，从而降低传感器与被测物体之间的力学失配。
最后，温度补偿是FBG传感器封装技术研究的又一个重要方向。
由于光纤材料本身的热膨胀系数与封装材料存在差异，封装后的传感器会受到温度的影响而产生误差。
研究人员通过使用温度补偿材料、温度补偿算法等手段，有效消除温度对传感器的影响，提高传感器的测量精度和稳定性。
总结起来，FBG传感器封装技术的研究进展主要包括封装结构设计、力学性能改善和温度补偿方面的研究。
未来的研究重点应放在如何进一步提高封装结构的可靠性和耐久性，优化力学性能，以及消除温度对传感器的影响等方面。
这将为FBG传感器在更多领域的应用提供更好的技术支持。
光纤光栅传感器的应用研究及进展
光纤光栅传感器的应用研究及进展光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor，FBG Sensor）是一种基于光纤光栅的传感器技术，具有高精度、高灵敏度、抗干扰能力强等优点，在工业、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用。
本文将从光纤光栅传感器的基本原理、应用领域和近年来的研究进展三个方面进行探讨。
光纤光栅传感器的基本原理是利用了光纤中的光栅结构对光波的折射率和光纤长度进行测量。
光纤光栅是一种周期性调制的折射率分布结构，当光波通过光纤光栅时，会发生布拉格散射，这种散射会使一部分光波反向传播并被光纤光栅再次散射回来，形成布拉格反射。
当光纤光栅受到外界的力、温度、应变等影响时，其折射率和长度会发生变化，从而导致布拉格反射波长的改变。
通过测量布拉格反射波长的变化，可以得到外界的参数信息。
光纤光栅传感器可以应用于多个领域。
在工业领域，光纤光栅传感器可以实现对物体的形变、压力、温度等参数的测量。
例如，在航空航天领域，光纤光栅传感器可以用于飞机机翼的变形监测；在石油化工领域，光纤光栅传感器可以用于管道压力和温度的监测。
在医疗领域，光纤光栅传感器可以应用于心脏瓣膜的监测和血压的测量。
在环境监测领域，光纤光栅传感器可以用于地下水位、土壤湿度等的监测。
近年来，光纤光栅传感器的研究取得了一系列的进展。
一方面，光纤光栅传感器的灵敏度和分辨率得到了提高。
通过改变光纤光栅的结构和优化信号处理算法，可以提高传感器的灵敏度。
另一方面，光纤光栅传感器的应用领域得到了拓展。
传统的光纤光栅传感器主要应用于单一参数的测量，如温度、压力等，而现在的研究主要关注多参数的测量。
例如，通过改变光纤光栅的布局和优化信号处理算法，可以实现对多种参数的同时测量。
此外，光纤光栅传感器还面临一些挑战和问题。
一方面，光纤光栅传感器的制备和安装需要专业的技术和设备，成本较高。
另一方面，光纤光栅传感器的应用受到光纤光栅的长度限制，难以实现对大范围区域的监测。
基于长周期光纤光栅的温度传感器研究
ｃ ＝ ｆ ７ ， ’ ／
年 砖 ／ｒ ｒ． 中 （ 口 ａ ＝ ／ ， ￣ ／
１ ．谐振 波 长 温 度特 性 的 理 论分 析
在长周期光纤光栅中 ，位于谐振 波长 处 的光 波 将 纤 芯 基 模 转 化 为 包 层模 进 入 光 纤包层传输 ，而在包层模传输 的包层模式 会 由于 光 纤 涂 覆 层 的 吸 收 以 及 光纤 弯 曲的 影 响而 很 快 地 衰 减 掉 ，这 样 就 会 在透 射 谱 中 出现 损 耗 峰 。 而 波 长 不 满 足相 位 条件 的 光波则将基本无损耗地 在纤 芯中传播 ，从 而实现 了波长选择性 损耗的特性 。当外界 的 温 度 ， 纤 光栅 的 周 期 、 芯 基 模 的 有效 光 纤 折 射 率 以 及 包 层 模 的 有效 折 射 率 都 可 能 会 发 生 相 应 的 变 化 ，从 而 引起 光纤 光 栅 的谐 振 波 长 的 改 变 ，这 时 只 需要 测量 长 周 期 光 纤 光 栅 输 出 特 征谱 的 变 化就 可 以得 出被 测 量 的值 ，这 就 是 光 纤 光 栅作 为波 长 调 制 型 传感器的基本工作原理。 研究长周期光纤光栅的敏感特性要从 研 究长周期光纤光栅最基本 的相位 匹配条 件 出发 ：
色散 因子 ， ＝ 一 ＝ ｒ ＂ 舢
一
表 示 光 纤的 热 膨 胀 系数 ， 为温度灵敏度因子。
／ Ｉ 皿 厦 ｌ Ｊ 。
¨ ｒ ｝ ，
因为 由热 光 效 应 引起 的纤 芯 基 模 和 包 层 模 的 有 效 折 射 率 变 化 可 以 分 别表 示 为 ：
和 ≮ ． 别 表 示 纤 芯和 包 层 的 热 光 系数 ， 分 则 ｒ 的 表达 式 可 以 改 写 为 ：
文献 中， Ｂ ｈ ｔ 等人利用在康宁 Ｖ． ａ ａｉ ａ Ｓ －２ ＭＦ ８光纤 中制造的 、人 ２ ０ ｍ的 ８ 长 周 期 光 纤光 栅 ，研 究 了温 度对 长 周 期 光 纤 光 栅 传 感 器 的 作 用 。 图 １显示 当温 度 由 ２ ． 为 １９ ７ ２７ ０ Ｃ变 ４ ．℃时 ， 振 波长 将 由１０ ． 谐 ６７ ８ ｍ变为 １ １ ．ｒ 其波长改变量的斜率 ｎ ６ ９ ６ ｍ。 ｉ 为 ０ ０９ ｒ ￣ 约 比 Ｆ Ｇ的 高 一个 数 量 ．０ ３ ｍ／Ｃ， ｉ Ｂ － 级 。 显 示 了 长 周期 光 纤 光 栅 中 四个 不 同 图２ 的谐振带以及标准 Ｆ Ｇ传感器的温度 灵敏 Ｂ 度。其清楚地表 明长 周期光纤光栅的不同 谐振 带具 有 不 同 的温 度 灵敏 度 且 其 灵 敏 度 远 高于 光 纤 Ｂ ａ ｇ 感 器 的温 度 灵 敏 度 。 ｒｇ 传 Ｓ ｕ ｘ等 人 在 光 敏 的 Ｂ ｅ 合材 料 ｈ Ｇ 混 组 成 的 光 纤 中 制造 而 成 长 周 期 光 纤 光 栅 具 有很高的温 度灵敏 度，其温 度灵敏度能够 达 到 ２ ５ ｐ ￣ｌ ７ ０ ｍ／ ６ 】 。而 Ｂ ａｉ 人制 造 出 ｈｔ ａ等 来 的 周期 为 ４ ｍ 的长 周 期 光 纤 光栅 的 温 ０ 度 灵敏 度 则很 低 为 １８ ｒ／￣ ．ｐ ｃ，比 Ｆ Ｇ光 ｏ Ｂ
基于光纤布拉格光栅技术的铁路铁轨温度测量方法研究
基于光纤布拉格光栅技术的铁路铁轨温度测量方法研究铁路铁轨的温度是影响铁路安全和稳定运行的重要因素之一。
在高温季节，铁轨的温度往往会升高，产生热膨胀，导致铁轨的变形和扭曲，进而影响列车的安全运行。
因此，确保铁轨的温度处于安全、稳定的范围内，对于铁路运输的顺利进行至关重要。
传统的铁轨温度测量方法往往存在测点不均匀、测量精度低等问题，因此需要寻找一种可靠、精确的测温方法。
近年来，基于光纤布拉格光栅（FBG）技术的温度测量方法逐渐得到了广泛应用。
光纤布拉格光栅是一种将光纤经过特殊处理后形成的具有周期性反射光栅结构的光纤传感器。
通过测量FBG传感器反射光的波长变化，可以间接获得被测物体的温度信息。
与传统的电测温方法相比，基于光纤布拉格光栅技术的温度测量方法具有快速响应、高精度、抗电磁干扰等优点。
本文将重点研究基于光纤布拉格光栅技术的铁路铁轨温度测量方法。
首先，通过对传统铁轨温度测量方法的分析，指出其存在的问题。
随后，介绍光纤布拉格光栅技术的基本原理及其在温度测量中的应用。
光纤布拉格光栅传感器采用光栅反射光波长的变化来实现温度的测量，其结构简单、容易实现传感器的分布式布置。
接下来，本文将详细阐述基于光纤布拉格光栅技术的铁路铁轨温度测量方法的实施步骤。
首先，在铁轨表面布置光纤布拉格光栅传感器，采集铁轨温度数据。
然后，通过光纤布拉格光栅传感器反射光的波长变化，转换为温度值，实现对铁轨温度的准确测量。
为了提高测量精度，可以采取多点布置光纤布拉格光栅传感器，综合多个温度数据来获得更准确的结果。
同时，还可以结合数据处理算法，对原始数据进行滤波和校准，提高温度测量的精度和稳定性。
最后，本文将对基于光纤布拉格光栅技术的铁路铁轨温度测量方法进行评价。
通过对不同情况下的实验数据进行对比分析，验证该测温方法的准确性和可靠性。
实验结果表明，基于光纤布拉格光栅技术的铁路铁轨温度测量方法可以实现对铁轨温度的精确测量，并具有较高的稳定性和可靠性。
光纤光栅传感系统的研究与实现共3篇
光纤光栅传感系统的研究与实现共3篇光纤光栅传感系统的研究与实现1光纤光栅传感系统的研究与实现光纤光栅传感系统是一种基于光纤光栅技术的传感技术。
该技术主要利用光纤光栅光栅化准确的传播特性和与周围环境的相互作用，实现光谱、温度、应力、压力等物理量的测量和控制。
目前，光纤光栅传感系统已经越来越受到人们的关注和重视，在工业、航空、能源、通信和环保等领域得到广泛应用。
光纤光栅传感系统的原理是基于光纤光栅的光栅化现象，其中，光纤光栅是一种光纤加工技术，通过将光纤中的几何结构改变，实现光的频率选择性散射，并产生光栅化现象。
当光经过光纤光栅时，光的频率与光纤光栅的光栅周期匹配，将发生布拉格反射，从而产生光谱峰。
当环境参数发生变化时，光纤光栅的光栅周期、折射率和长度等特性也随之变化，从而导致光谱峰的变化。
通过检测光纤光栅的反射光谱，可以实现对环境参数的测量和控制。
光纤光栅传感系统有很多优点，例如，实时性高、精度高、稳定性好、抗干扰性强、容易集成化等。
因此，光纤光栅传感系统在工业、航空、能源、通信和环保等领域得到了广泛应用。
例如，在能源领域中，光纤光栅传感系统可以实现对石油、天然气、水电、风力、光伏等能源的监测和控制。
在通信领域中，光纤光栅传感系统可以实现对光纤通信信号的测量和控制。
在环保领域中，光纤光栅传感系统可以实现对大气、水质和土壤等环境参数的实时监测和控制。
光纤光栅传感系统的研究和实现需要掌握一定的光学、光纤、信号处理、传感器等专业知识。
其中，光学是光纤光栅传感系统实现的基础，主要包括光源、光纤、光栅、波长选择器、光谱分析器等；光纤是光纤光栅传感系统实现的关键，主要包括单模光纤、多模光纤、纤芯直径、纤芯的材质等；信号处理主要是对光谱峰的数字化处理和滤波、放大、数据存储和显示等；传感器主要是具有合适特性的感受元件，可以将环境参数和光纤光栅的物理变化相互转换。
总之，光纤光栅传感系统是一种新型的传感技术，具有重要的应用前景。
基于光纤光栅的应变和温度同时测量传感技术的研究
基 于光纤光栅 的应变 和温度 同时测量传感技术 的研究
杨 丽萍 ， 宝 臣 ， 孙 杜彦 良 ，戴静云
，
１ 石家庄铁道学 院 大型结构健康诊断 与控制研究所 ， ． 石家庄 ００４ ． ５０３ 、 ／
＼． ２ 河北 省大 型结 构健康诊 断与控制重点试验 室 ， 石家庄 ００４ ５０３
关键 词 ： 光纤光栅； 应变； 温度
Hale Waihona Puke 中图分类号 ：Ｎ ５ Ｔ ２３
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：ｏ４１９ （Ｏ６Ｏ ．２５０ １ｏ．６ ９２ ｏ ）４１１－４
近年来 ， 基于光纤光栅的应变及温度同时测量 的传感技术是一个非常活跃 的研究领域。国内外研 究人员提出了各种各样 的同时测量方 案， 推动了光 纤传感技术的发展。多参量同时测量是光纤传感器 今后发展的一个方向， 它将使传感器尺寸更小 、 功能 更强 ， 整个系统传感器数量减少 ， 从而大大降低其使 用费用 ， 使得光纤传感器与其它类 型传感器相 比更 有竞争力。应变 、 温度双参量 同时测量技术解决了 长期 困扰 光纤 光栅 的交 叉 敏 感 问题 ， 利于 光 纤 光 有 栅传感器的进一步广泛应用 。
／ ｔｕ ｔｒ ａｔ ｏｉ ｒｎ ｎ ｏ ｔｏ ｎｔ ｕｅ ｈｊａ ｈ ａ ｇＲ ｉｖａ ｎｔｔｔ ，Ｓ ｉｉｚ ｕ ｎ ５０ ３ ｈ ｎ ； １Ｓｒｃｕ ｅ Ｈｅｌ Ｍ ｎｔ ｉｇａ ｄ Ｃ ｎｒｌＩｓ ｔｔ，Ｓ ｉｉｚ ｕ ｎ ａｌ．ｙＩ ｓ ｕｅ ｈｊａ ｈ ａ ｇ０ ０ ４ ，Ｃ ｉａ 、 ｈ ｏ ｉ ￣ ｉ
高精度温度传感、测量与控制技术综述
第60卷第1-2期2021年1月Vol.60No.1-2Jan.2021中山大学学报（自然科学版）ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI高精度温度传感、测量与控制技术综述*文明轩，李珏，王成，凌晨，辜凌云，丁延卫“天琴计划”教育部重点实验室，中山大学天琴中心&物理与天文学院，天琴前沿科学中心，国家航天局引力波研究中心，广东珠海519082摘要：空间引力波探测中，高精度温度传感、测量与控制作为探测卫星的关键技术之一，技术指标高，实现难度大。
本文主要针对高精度温度传感、测量与控制，介绍了传统铂电阻和NTC热敏电阻温度传感特性、新型光纤温度传感关键技术以及基于PID的温度控制算法，对温度传感、测量以及控制算法特性进行了分析归纳。
关键词：铂电阻；NTC热敏电阻；光纤光栅；温度传感；温度控制中图分类号：V57文献标志码：A文章编号：0529-6579（2021）01-0146-10Review of high precision temperature sensing，measurement and control technologyWEN Mingxuan，LI Jue，WANG Cheng，LING Chen，GU Lingyun，DING YanweiMOE Key Laboratory of TianQin Mission，TianQin Research Center for Gravitational Physics&School of Physics and Astronomy，Frontiers Science Center for TianQin，CNSA Research Center for Gravitational Waves，Sun Yat-sen University（Zhuhai Campus），Zhuhai519082，ChinaAbstract：In space gravitational wave detection，high precision temperature sensing，measurement and control are some of the key technologies for satellites，with high technical requirements and implementa⁃tion difficulty.This paper mainly focuses on high precision temperature sensing，measurement and con⁃trol，introducing the sensing characteristics of traditional platinum resistance and NTC thermistor temper⁃ature sensors，and new optical fiber temperature sensing and PID temperature control algorithms.The characteristics of temperature sensing，measurement and control algorithms are analyzed and summa⁃rized.Key words：platinum resistance；NTC thermistor；fiber Bragg grating；temperature sensing；temperature controlDOI：10.13471/ki.acta.snus.2020.11.11.2020B127*收稿日期：2020-11-11录用日期：2020-12-29网络首发日期：2021-01-08基金项目：广东省基础与应用基础研究重大项目（2019B030302001）；国家自然科学基金（11973100）作者简介：文明轩（1996年），男；研究方向：低噪声温度测量；E-mail：wmx3@李珏（1996年），女；研究方向：光纤温度传感；E-mail：lijue6@（以上两位作者为共同第一作者）通信作者：丁延卫（1976年），男；研究方向：重力/引力卫星总体设计与机热一体化；E-mail：dingyw3@mail.sysu.第1-2期文明轩，等：高精度温度传感、测量与控制技术综述1引言温度作为基本的热力学性质之一，其影响广泛存在于各领域，对温度的传感、测量与控制具有重要意义。
基于光纤布拉格光栅的实时测温系统的设计
基于光纤布拉格光栅的实时测温系统的设计光纤布拉格光栅是一种能够实现温度测量的传感器。
它利用光纤上电子束或光束的衍射效应来测量温度。
光纤布拉格光栅具有高灵敏度、快速响应、免热量、适应性强等优点，广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。
1.光纤传感器的选择：根据实际需求选择合适的光纤布拉格光栅传感器。
参数包括传感器的工作温度范围、测量精度、响应速度等。
2.光纤布拉格光栅的安装和布置：将光纤布拉格光栅传感器安装在需要测温的物体表面或物体内部。
注意光纤传感器的布置和位置选择对测量结果的影响。
3.光纤传感器的信号采集：设计合适的信号采集电路，能够将光纤布拉格光栅传感器收集到的信号转换为电信号。
可以采用模数转换器将光纤布拉格光栅传感器输出的光信号转换为电信号。
4.信号处理与显示：通过微处理器或其他控制器对采集到的信号进行处理，得到温度值并进行校准和补偿。
同时，设计合适的显示界面，能够实时显示温度数值。
5.数据存储与传输：设计合适的数据存储与传输模块，能够将实时测量到的温度数据进行存储，以便后续分析和处理。
可以通过无线传输或有线传输的方式将数据传输到上位机进行处理。
6.系统的校准和维护：定期对系统进行校准和维护，确保测量结果的准确性和稳定性。
校准可以采用标准温度源进行，维护包括对光纤传感器的清洁和保养。
基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用
基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用光纤光栅传感器是一种基于光纤的传感器，可以用于测量应变、温度、压力等物理量，广泛应用于工业、民用和科学研究领域。
其中，应变测量是光纤光栅传感器的一个重要应用，下面我们将深入探讨基于光纤光栅传感器的应变测量原理及应用。
一、应变测量原理应变是表征物体形变程度的物理量。
在物体受到外力作用时，其原有的结构形态发生变化，长度或形状发生变化，这种变化称为应变。
光纤光栅传感器的测量原理是利用光纤中的光栅作为敏感元件，通过测量光纤中的光信号的变化来测量物理量。
在应变测量中，光纤光栅传感器的敏感元件是一段光纤，当光纤受到应变作用时，其长度或形状发生变化，导致光栅尺寸发生变化，从而改变了光的传播路径和波长。
通过测量光纤传输的光信号的传播路径和波长变化，可以计算出应变的大小。
二、应变测量应用基于光纤光栅传感器的应变测量可以应用于多种场合，例如力学实验、结构监测、土木工程等。
下面将重点介绍在土木工程中的应用。
1.桥梁监测桥梁是交通运输的重要组成部分，承担着极其重要的作用。
然而，由于气候、车辆荷载、地震等因素的影响，桥梁可能会出现应变和形变。
因此，桥梁的安全性和运行状态的监测是必不可少的。
光纤光栅传感器可以用于桥梁监测，通过测量桥梁的应变来判断桥梁的安全状态。
2.隧道监测隧道是重要的公共基础设施，其长期使用会产生形变，引起隧道结构的损坏和病害。
因此，隧道的监测也是必不可少的。
光纤光栅传感器可以应用于隧道监测，通过测量隧道的应变来判断隧道结构的变形情况。
3.地质灾害监测地质灾害是城市建设和农业生产过程中的重要问题。
地质灾害可能对人民生命财产造成严重的损失。
因此，地质灾害的监测也是必不可少的。
光纤光栅传感器可以应用于地质灾害监测，通过测量地质灾害发生区域的应变来判断灾害的发生情况和规模。
4.混凝土构件监测混凝土是建筑构件的常用材料。
然而，混凝土在使用过程中会受到外界环境的影响，出现应变和形变。
基于光纤传感技术的高精度变形监测研究
基于光纤传感技术的高精度变形监测研究近年来，基于光纤传感技术的高精度变形监测在工程领域备受关注。
该技术依靠光纤作为传感器，能够实现对结构物变形变化的实时监测，能够在工程结构中提供更加精密的数据，保障工程的稳定性和安全性。
一、光纤传感技术的基本原理光纤传感技术是一种基于光学原理的传感技术，利用了光纤的特殊性质，通过测量光信号的变化以获得测量变量的一种技术。
在光纤传感技术中，一段光纤被分成一个个很短的区段，每段区段都是一个微小的传感器。
当被测量的物理量（如温度、应变等）作用于这些传感器上时，会引起该传感器的光学性质发生变化，如光强或相位发生变化，从而形成光学信号。
我们通过光学设备，可以对这些光学信号进行测量，并转化成相应的物理量，获得被测量物理量的信息。
光纤传感技术优点显著，具有灵敏度高、线性范围宽、能够抵抗干扰等优点，因此在整个监测过程中相对较为稳定。
同时由于其硅光纤结实、不易损坏的优点，在复杂的环境下也可以长时间工作。
这些优势使得光纤传感技术成为了高精度变形监测中的理想选择。
二、基于光纤传感技术的变形监测系统基于光纤传感技术的变形监测系统包括检测传感器和数据处理装置两大部分。
其中检测传感器模块利用了光纤的敏感性质，通过与被监测工程结构物相互连接，检测出结构物的应变信息，然后将该信息传输到数据处理模块进行处理以获得更加精确的变形数据。
而该数据处理模块则利用了微处理器等电子器件与软件算法进行数据分析与处理，结合变形监测要求能够提供相应精确的变形信息输出。
三、光纤传感器的种类及其应用基于光纤传感技术的变形监测系统可以使用不同类型的光纤传感器来实现各种功能的监测。
主要光纤传感器的类型包括弯曲、拉伸和光栅三种。
其中，拉伸式光纤传感器适用于强应变场，如建筑结构、桥梁等的应变测量；光栅传感器具有高精度、可扩展性和可重复性的优点，常用于测量整体应变场；而弯曲传感器则因其工作范围广等优点，适用于各种温度、湿度和应变度测量。
光纤光栅原理以及相关温度传感器的设计和特点
光纤光栅原理以及相关温度传感器的设计和特点作者：余刚来源：《中国新通信》 2017年第23期【摘要】当前，光纤传感是技术领域发展最为迅速，光纤光栅传感器、温度传感器的诞生主要使用的材料就是光纤。
光纤光栅温度传感器其优点也是其他种类的传感器无法比拟的，光纤光栅传感器不仅能够应用于民用的工程建筑，还能够设计到航天器，船舶航运、电力工程、医学领域、。
化学领域到等等。
本文着重研究的是光纤光栅的设计原理，延伸到温度传感器的设计和特点的阐述，希望能够对我国未来光纤光栅温度传感器的应用能够起到一定的参考价值。
【关键词】光纤光栅温度传感器应用设计原理特点一、引言光纤光栅的研究，首先是通过加拿大渥太华通信研究中心的学者通过石英光纤的光敏反应制成的第一支光纤光栅而问世。
随后通过美国的技术科研研究，让光纤光栅的制作取得了个革命性的成果，同时也让光纤光栅的应用逐渐广泛。
二、光纤光栅原理光纤光栅的应用，主要是通过光线中的光敏性，激光通过掺杂光纤，让光纤的折射率随着光的强度，在空间分布中形成不同的变化。
光纤光栅的种类非常多，主要分为两种，一种是Bragg 光栅，另一种则为透射光栅。
由于在纤芯内部形成的相空间为光栅，光栅的主要作用就是在纤芯内部形成一个较为狭窄的反射镜，或者说形成滤波器。
通过光纤光栅的广泛应用，这一特点能够制作出更多具有特色的光纤其器材。
这些光纤器材能够反射的范围更大，加上材料的消耗较少，能够有效的进行结合。
光纤光栅从结构上进行分类，可分为周期性结构和非周期性结构。
从功能上进行分类，还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅。
三、光纤光栅温度传感器的设计和特点1、光纤光栅温度传感器的原理。
光纤光栅温度传感器是基于光纤光栅技术研发的光纤器材。
在设计过程中，主要采用的是波长编码技术。
能够有效的消除光源功率波动带来的影响，以及系统的负面损耗。
在长期的检测，能够发现光纤光栅组成的温度传感。
是通过一根光缆，实分布测量。
光纤光栅温度传感器的温度影响，都是通过光纤光栅波长带来的变化产生的。
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（ 中国地震局地壳应力研究所 ， 北京 １ ） ０ ０ ０ ８ ５
摘 要 利用光纤光栅对温度和应变同时敏感的特性 ， 我们设计制作了 一 款 满 足 地 震 前 兆 观 测 中 地 温 观 测 精 度 要 求 并首次对温度增 敏 后 的 光 纤 光 栅 传 感 器 样 品 进 行 了 精 度 分 析 ， 得到该传感器的精度 的双金属光纤光栅温度传感器 ， 达到 ±０． 获 得 了 现 今 光 纤 光 栅 温 度 传 感 器 最 高 的 分 辨 率 ０． 该传感器的成功研制从实验上证明了 ｍ． ０ ５℃ ， ０ ０ １ ４℃／ ｐ 光纤光栅用于地震前兆观测的可行性 ， 为地震前兆观测的光学化打下了坚实的基础 ． 关键词 传感器 ， 光纤光栅 ， 高精度 ， 地温 中图分类号 Ｐ （ ） ６ ３ １ 文献标识码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ ４ ２ ９ ０ ３ ２ ０ ０ ８ ０ ４ １ ３ ２ ２ ０ ４
］ １ １ －６ ／℃ ［ ， 铁镍合金热 膨 胀 系 数１×１ ／℃． 因光 １ ０－６ ０ 栅的弹光系数受 到 其 制 作 过 程 影 响 ， 实验所用光栅
１ Ｆ Ｂ Ｇ 高精度温度测量原理
光纤光栅反射回 的 窄 带 光 的 中 心 波 长 值 （ 也叫 为： Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ 波长 ） 狀 λ Λ， Ｂ ＝２ ｅ ｆ ｆ 上式中 ， 狀 Ｂ Ｇ 的有效反射系数 ， Ｂ Ｇ 的相 Λ 为Ｆ ｅ ｆ ｆ为 Ｆ 邻两个栅隔之间的几何距离 ． 当温度变化时 ， 引起返 回波长变化量相对温度变化量的灵敏度为 ： ／ （ （ ） 犜＝［ １－犘 １ Δ λ Δ ε＋ζ］ λ Ｂ 犲） Ｂ， 其中 ， 犘 Ｂ Ｇ 的 有 效 弹 光 常 数； ε为单位温度变 犲 为Ｆ 化下 Ｆ Ｂ Ｇ 的应变量 ； Ｂ Ｇ 的热光系数 ． ζ为 Ｆ 双金 属 的 温 度 增 敏 原 理 如 图 １ 所 示 ． 当温度变 材料 Ａ 和材料 Ｂ 长 度 均 变 化 ， 且 Ａ 长度的变 化时 ，
观测的主要手段之 一 ． 目前地震前兆观测所采用的 存在零点漂移不易消除 ， 模拟信号 电学量测量系统 ， 易受电磁环境干扰 ， 硬件系统比较脆弱等问题 ． 这使 得在对观测资料分 析 处 理 时 ， 难以区分地震前兆异 常和环境干扰 ．因 此 ， 寻找新的测量方法是有重大 意义的 ． 光纤 Ｂ ， ｒ ａ Ｆ Ｂ Ｇ， Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒＢ ｒ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｇ光栅（ ｇ ｇＧ ｇ 简称光纤光栅 ） 作 为 新 型 温 度、 应 变 传， 等： 基于光纤光栅的高精度测温传感器研究
１ ３ ２ ３
Ｆ Ｂ Ｇ 温 度传感器增敏的原理 是 利用 Ｆ Ｂ Ｇ 对温 度和应变同时敏感的特性 ， 通过合理的结构设计 ， 把 当被测温度 Ｆ Ｂ Ｇ 和高热膨胀系数材料 封 装 在 一 起 ， 变化时 ， 通过高热膨胀系数材料的形变向 Ｆ Ｂ Ｇ 施加 一个 应 变 量 ， 使得 Ｆ 基 Ｂ Ｇ 的 返 回 波 长 变 化 量 加 大． 于此原则的方法大体上分为两种 ： （ ） １ Ｊ ． Ｌ． Ｃ ｒ ｕ ｚ 等提出直接将 Ｆ Ｂ Ｇ 粘贴在高 当温度升高时 ， 高膨胀系数材料 热膨胀系数材料上 ， 直接拉动 Ｆ 使Ｆ 返回中心波长 Ｂ Ｇ， Ｂ Ｇ 的 应 变 加 大， 然 而， 这 种 增 敏 方 式 有 明 显 的 缺 点： 的变化量增加 ． 增敏效果受到材料的热膨胀系数制约 ， 分辨率有限 ， 很难达到地震前兆 观 测 的 精 度 要 求 ， 而且伴有啁啾 的负面效应 ． （ ） ２ Ｊ ａ ｅ ｈ ｏ ｏ ｎＪ ｕ ｎ ｇ 等提出通过采用双金属结 构的方法 ， 实现温度增敏 ， 效果明显 ． 温度变化时 ， 双 金属结构把两种热膨胀系数不同的金属的长度变化 从而提高 Ｆ 量的 差 转 化 成 Ｆ Ｂ Ｇ 长 度 的 变 化 量， Ｂ Ｇ 的温 度 灵 敏 度 ． 可 是， 他们没有对该类型的 Ｆ Ｂ Ｇ温 度传感器的结构和 精 度 作 进 一 步 研 究 ， 限制了它的 应用范围 ． 在地 震 前 兆 的 地 温 观 测 中 ， 有高精度和高分辨 而现在就我们所知的范围 ， 尚没有人 率的特殊要求 ． 对高精度光纤光栅 温 度 传 感 器 进 行 实 验 研 究 ． 基于 结合地震前兆 Ｆ Ｂ Ｇ 温度传感器的双金属 增 敏 方 法 ， 地温传感器精度高 、 长期稳定等技术要求 ， 我们设计 并制作了一 款 能 达 到 地 温 观 测 要 求 的 高 精 度 Ｆ Ｂ Ｇ 温度传感器 ． 我们采用了导热快 、 应变各向同性好的 铝作为热敏元件 ， 通过其和低热膨胀系数的铁镍合 金组成双金属结构 ， 把温度变化转化为 Ｆ Ｂ Ｇ 的 应变 变化 ， 取 得 了 很 好 的 效 果， 精 度 达 到 ±０． 分辨 ０ ５℃ ， 率 ０． ０ ０ １ ４℃／ ｍ． ｐ
７］ 力、 水坝 、 桥梁和 重 要 建 筑 的 安 全 监 测 ［ 在高精度 ． ］ ８， ９ １ ０］ 温度 ［ 、 应变 ［ 测量等领域也不断有新成果出现 ．
鉴于 光 纤 光 栅 的 诸 多 优 点 ， 为了更好的为地震 预报服务 ， 我们尝试 将 光 纤 光 栅 传 感 器 引 入 到 地 震 将电学量的测量 前兆观测技术领域 的 地 温 测 量 中 ， 问题转换为光学量 的 测 量 问 题 ， 从而避开了电学量 测量技术系统本身存在的零点漂移和电磁干扰等固 有问题 ， 使原有地震 前 兆 观 测 技 术 系 统 所 追 求 的 目 标在这里得 到 较 好 的 满 足 ． 但 是， Ｆ Ｂ Ｇ 固有的温度 分辨率很 低 ， 约 ０． 若将其应用于地温测 １ ℃／ ｍ． ｐ 量， 必需对其实施增敏 ， 提高其分辨率 ．
收稿日期 ２ ０ ０ ８ ０ ３ ０ ９； ０ ０ ８ ０ ５ ２ ０． 修回日期 ２ 基金项目 中国地震局地壳应力研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助 ． 作者简介 李阔 ， 男， 中国地震局地壳应力研究所 ２ 主要研究方向为光纤光栅在地震前兆领域的应用 ． ０ ０ ６ 级硕士研究生 ． （ ： Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ａ ｂ ｂ ｍ ｏ ｕ ｓ ｅ ２ ６． ｃ ｏ ｍ） ＠１
第 ２３ 卷 第 ４ 期 页码 ： ） １ ３ ２ ２～１ ３ ２ ５ ２ ０ ０ ８年 ８月（
地 球 物 理 学 进 展 Ｐ Ｒ Ｏ Ｇ Ｒ Ｅ Ｓ Ｓ Ｉ Ｎ Ｇ Ｅ Ｏ Ｐ ＨＹ Ｓ Ｉ Ｃ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ３ Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｕ ． ０ ０ ８ ２ ｇ
基于光纤光栅的高精度测温传感器研究
（ 犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 狉 狌 狊 狋 犪 犾犇 狀 犪 犿 犻 犮 狊， 犆 犺 犻 狀 犪犈 犪 狉 狋 犺 狌 犪 犽 犲犪 犱 犿 犻 狀 犻 狊 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀， 犅 犲 犻 犻 狀 ０ ０ ０ ８ ５， 犆 犺 犻 狀 犪） 犳犆 狔 狇 犼 犵１
， 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 ａ ｓ ｉ ｎ ｎｔ ｈ ｅｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｔＦ ｉ ｂ ｅ ｒＢ ｒ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ Ｆ Ｂ Ｇ） ｉ ｓｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｏｂ ｏ ｔ ｈｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅａ ｎ ｄｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｂ Ｂ ｇｏ ｇ ｇＧ ｇ（ ｐ ｙｕ ， ｓ ｉ ｎ ｌ ａ ｎ ｄＦ ｅ Ｎ ｉ ａ ｌ ｌ ｏ ′ ｓｂ ｉ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗ ｅ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｕ ｌ ｌ ｅ ｓ ｉ ｎａ ｎ ｄｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａｈ ｉ ｈａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ Ｂ Ｇｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｇＡ ｙ ｙｄ ｇ ｇ ｙＦ ｐ ， ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｆ ｏ ｒ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｕ ａ ｋ ｅｐ ｒ ｅ ｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｒ ｅ ｗ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｆ ｔ ｈ ｅＦ Ｂ Ｇｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓｗ ｉ ｔ ｈｅ ｎ ｈ ａ ｎ ｃ ｅ ｄｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｑ ｙ ｙｏ ， ｔ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｔ ｉ ｍ ｅ ａ ｎ ｄｇ ｅ ｔ ｉ ｔ ｓａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｉ ｓｕ ｏ ±０． ０ ５℃ ｗ ｉ ｔ ｈｈ ｉ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎｅ ｖ ｅ ｒ ｉ ｎａ ｌ ｌＦ Ｂ Ｇｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅｓ ｅ ｎ ｙｆ ｙ ｐｔ ｇ ｐ ｍ） ｓ ｏ ｒ ｓ（ ０． ０ ０ １ ４℃／ ．Ｔ ｈ ｉ ｓｗ ｏ ｒ ｋｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｌ ｒ ｏ ｖ ｅ ｓｔ ｈ ｅｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｆｕ ｓ ｉ ｎ Ｂ Ｇｉ ｎｔ ｈ ｅｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｕ ａ ｋ ｅｐ ｒ ｅ ｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｐ ｙｐ ｙｏ ｇＦ ｑ ， ａ ｎ ｄｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｏ ｔ ｉ ｃ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｎｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｕ ａ ｋ ｅｐ ｒ ｅ ｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ． ｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｐ ｐ ｐ ｇ ｙ ｑ ｇ ｇ ， ， ， 犓 犲 狑 狅 狉 犱 狊 ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒＢ ｒ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｈ ｉ ｈａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｇ ｇＧ ｇ ｇ ｙ ｇ ｐ 狔
图 １ 高精度温度传感器的结构 Ｆ ｉ ． １ Ｈ ｉ ｈａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ Ｂ Ｇｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ′ ｓｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｇ ｇ ｙＦ
２ 实验与结果
实验 中 ， 制作的传感器起增敏效果的铝的长度 铁镍合金的长度４ ４ ９ｃ ｍ， ７． ５ｃ ｍ， Ｆ Ｂ Ｇ 长度１． ５ｃ ｍ． 在 ２ ０℃ ～ ３ ０℃ 间 ，铝 的 膨 胀 系 数 为 ２ ２×