通信与信息工程专业论文-光纤光栅传感技术应用设计

天津理工大学2004届毕业设计
第一章绪论
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作
用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。

作为一种新型的光学器件，光纤光栅已
经在诸多方面得到了不同的应用。

相信在不久的将来随着光纤光栅与其他技术的进一步结合，其可应用前景会更为广阔。

1.1光纤光栅的发展历史
光纤技术自20 世纪60 年代末至今在不到30 年的时间里以惊人的速度发展成为信息技
术领域中的支柱性高新技术。

然而, 随着现代社会对信息技术的更新更高的要求, 光纤通信、光纤传感技术正面临着新的挑战。

传统光学器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求。

因此光纤光栅应运而生。

光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接写在光纤中形成的光纤波导器件。

该技术最早出现于1978年，加拿大的K.O.Hill在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次发现了在掺锗光纤中的光致光栅现象，并制造出世界上第一条光纤光栅。

从此开创了光纤光栅发展的历史。

这种方法制作的Bragg光纤光栅反射滤波器的线宽可以很窄，反射率也较高，但只能制作反射波长和写入波相同的光纤反射器，通过加外力的方法使光栅的调谐范围较小，大大限制了他的应用。

此后由于制作工艺及应用的局限这项技术一直未得到进一步的发展，历经十年进展缓慢。

直到1989年，美国的Meltz等人利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入了光栅，研制成功Bragg光纤光栅滤波器。

Archambult等人也报道了用单个准分子激光器制作近100%
反射率的Bragg光纤光栅滤波器的方法。

这标志着光纤光栅技术进入了快速发展的阶段。

此后随着写入方法的不断改善；光敏性的逐渐提高；各种特种光栅也相继问世；同时光纤光栅的应用前景也得到了广泛的关注。

特别是近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到人们的重视，取得了令人瞩目的成就。

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铒光纤放大器(EDFA ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。

光纤光栅在应用上的一个重大突破就是使各种光学器件的全光纤化和集成化成为可能。

诸如光纤光栅激光器、光纤光栅滤波器、分接头、波分复用器及解复器等器件的研究
都取得了相当快的进展。

光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域。

尤其是它易于集成的特性，使得全光
纤一维光子器件集成成为可能。

此外, 作为信息摄取的光纤光栅传感器及其应用——即3S
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系统（Smart Material, Smart Structure, Smart Skin）已经引起科学界极大关注并成为研究热点。

这是一种将光纤光栅技术、光纤神经网络、光纤致动仪器有机的结合为一体，把光纤光栅埋入或贴附在飞机、船舶、坦克等运载体表面或建筑体（楼房、桥梁、大坝等）承力件外蒙皮的复合材料中，可制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏皮肤的智能传感系统。

这些研究成果对全光信息发展的巨大推动作用可能会大大超出人们的想象。

3S系统的出现标志着对光纤光栅技术的研究又进入个一个崭新的时代。

1.2光纤光栅的分类
光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据物理机制的不同，可分为蚀刻光栅和折射率调制的位相光栅两类。

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分布。

在学术研究和实际应用等各方面后者均占主导地位。

因此，通常所说的光纤光栅指的是折射率调制的位相光栅。

依据不同的分类标准可以把光纤光栅分类如下：
一、根据成栅机制的不同分类：
根据成栅机制光栅可以分为三种类型，分别称之为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型（ⅡA型）光纤光栅。

1. Ⅰ型光纤光栅：连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为Ⅰ型光栅。

它有较理想的透射谱，反射率可以达到百分之几十，满足布拉格条件时短波一侧没有明显的的耦合损耗，但由于在比较低的温度下光栅会开始变弱或消失，因此热稳定性差。

2. Ⅱ型光纤光栅：由单个能量密度很高的光脉冲曝光形成。

能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤，从而产生了光栅现象。

Ⅱ型光栅的主要特点体现为：对蓝、绿光不敏感，带宽较大(1～5nm)；具有很强的将光能耦合到包层或辐射模中的能力，但也因此造成较大的插入损耗；同时在满足布拉格条件时反射谱短波一侧有很强的传输损耗。

但，相对Ⅰ型光纤光栅这种类型的光栅在应用领域具有一个显著的优点——很好的热稳定性，在800℃环境中放置24小时后其反射率无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失，这个特点使Ⅱ型光栅可以工作在极其苛刻的温度环境中。

3. Ⅲ型光纤光栅：又称ⅡA型光纤光栅。

在对Ⅰ型光栅进行过量曝光时发现了这种类型的光栅[7]。

其反射率可达100％。

区别于Ⅰ型、Ⅱ型光栅的是：Ⅲ型光纤光栅随着曝光量的增加其折射率呈负增长趋势。

在热稳定性方面Ⅲ型光栅介于Ⅱ型光栅与Ⅰ型光栅之间，同样适用于高温工作环境。

二、根据空间周期和折射率分布的不同分类：
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根据空间周期和折射率分布特性大致可将光纤光栅分为以下几种类型：均匀周期光纤布拉格（FBG ）光栅、长周期光纤光栅、闪耀光纤光栅、啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、Tapered 光纤光栅及Moire 光纤光栅。

下面分别阐述这些光纤光栅的定义及其特性：
1. 均匀周期光纤布拉格光栅（FBG ）
均匀周期光纤布拉格光栅（FBG ）是一种单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成光纤型布拉格光栅。

成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生布拉格光栅效应。

其结构、折射率分布与光谱特性如图1.1所示。

这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器。

均匀周期光纤布拉格光栅（FBG ）折射率调制深度一般为10-3～10-5，它具有较窄的反射带宽和较高的反射率。

而且，它的反射带宽和反射率可以根据需进行相应的调节。

2. 长周期光纤光栅
所谓长周期光纤光栅，是指它的栅格周期远远大于一般的光纤光栅，可达到几十到几百微米。

与布拉格光栅不同它是一种透射型的光纤光栅，所起的作用不是将光反射回去，而是将其耦合到包层中损耗掉。

长周期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，对环境的变化反应较其他的光栅也更加灵敏。

3. 闪耀光纤光栅
闪耀光栅与前两种光栅的明显不同在于其光栅平面与光纤轴向有一定的夹角。

这主要是由于在光栅制作过程中，紫外侧写光束与光纤轴不严格垂直所导致的。

由于当夹角很小时该种光栅可以将一种导模耦合到另一种导模之中，因此常用来制作模式转换器。

4. 啁啾光纤光栅
啁啾光栅是一种非均匀光纤光栅，栅格间距不等，光栅周期具有非均匀特性。

进一步可将其分为线性啁啾光栅和分段啁啾光栅[17]两大类别。

Wavelength T r a n s m i s s i o n Λ λbroad - λB λbroad λB Bragg grating Fiber core Cladding K k f k i Index modulation 图1.1 均匀周期光纤布拉格光栅的结构、折射率分布及光谱特性
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线性啁啾光纤光栅纤芯的折射率在整个区域内沿轴向单调、连续、准周期线性变化，折射率调制深度为常数，如图1.2所示。

该类型的啁啾光纤光栅能产生大而稳定的色散, 在光通讯中被用作色散补偿器来补偿光传输中的色散； 此外,它还可作为测量温度和应变的传感器。

分段啁啾光纤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。

无论是线性还是分段啁啾光栅都具有一个普遍的特点：反射带宽远远大于均匀周期光栅的带宽，有的甚至可宽达几十纳米，因此啁啾光栅在色散补偿、光纤放大器的增益平坦和光纤激光器的性能优化等多方面得到了广泛的应用。

5. 相移光纤光栅
相移光栅是在常规均匀周期光纤光栅的某一特定部位引入一定的相移，产生两个相互异相的光栅。

相移光栅的主要特点是可以在周期性光栅光谱阻带中打开透射窗口，允许某一波长的光注入到均匀光栅的阻带。

这就意味着这类光栅可对某一波长或多个波长进行选择。

相移光栅的这个显著特点被充分应用于滤波、波分复用、单频光纤激光器以及铒光纤增益平坦等研究领域。

6. 超结构光纤光栅
超结构光纤光栅及取样光栅是利用方波函数对光纤布拉格光栅或啁啾光栅的折射率分布进行调制而形成的光栅，因此它既有布拉格光栅或啁啾光栅的反射特性，又具有长周期光栅的包层模耦合特性。

其反射谱具有一组分立的反射峰。

由光纤布拉格光栅调制而成的超结构光纤光栅可应用于梳状滤波器、多波长光纤激光器及光纤传感等多个领域的研究。

而由啁啾光纤光栅调制而成的超结构光纤光栅,在色散补偿方面具有更广泛的研究前景。

除上述六种类型的光纤光栅以外还存在着其他均匀或非均匀的光纤光栅，如Tapered 光纤光栅、Moire 光纤光、重叠写入光栅等等。

这些不同种类的光栅都具有自己独特的性能特点，在光纤通信、光纤传感等诸多领域中扮演着不同的角色。

推动了全光技术的迅速发展。

1.3 光纤光栅传感技术应用概况
图1.2 线性啁啾光纤光栅栅格分布及光谱特性示
λbroad - λB λbroad λB Fiber core Cladding short λ long λ
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自从人们把光纤光栅用于传感，光纤光栅传感器以其独特的优势对传统的电传感器等提出了全新的挑战。

虽然这项新技术还有很多应用仍然停留在实验室阶段，仍然有一些问题没有解决，但也有很多技术已经进入了实用阶段，它们正在逐渐改变着人们的生产和生活。

在航空航天工业中，光纤光栅传感器有着重要应用，仅波音公司就注册了很多光纤光栅传感器的技术专利。

在先进复合材料来制造的航空航天器中很容易埋入光纤光栅传感器,实现飞行器运行过程中的性能监视。

美国国家航空和宇宙航行局在航天飞机X-33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，他们还研究在常温和低温条件下复合材料高压容器的光纤光栅和干涉传感器。

兰利研究中心和汉普顿大学合作开发用于空气动力学装置的光纤光栅剪切应力监测传感器。

Blue Road Research联合美国海军空战中心和波音幻影工作组，光纤光栅传感器对飞机的粘和接头完好性进行了评估。

加拿大的一个光子研究小组提出用光纤光栅传感器测量飞机喷气涡轮发动机系统的压力和温度。

在法国、德国、英国和瑞典等欧洲国家也在积极进行光纤光栅传感技术的研究。

1988年光学工程团体(SPIE)召开首届光纤“智能结构/蒙皮”的国际学术会议，由此开始了对“3S” 系统（3S:Smart Material, Smart Structure, Smart Skin）的国际性研究。

这种新技术是把高超的光纤光栅技术、光神经网络、光纤致动仪器有机地融为一体，将光纤光栅掩埋或贴附在飞机、舰船、坦克等现代运载体或各种建筑体（如桥墩、大坝、楼房等）的框架、承力件外蒙皮的复合材料中，制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏表皮，形成智能传感系统。

美国军方、宇航部门以及相关研究机构一直对光纤“智能结构/蒙皮”持积极态度，投入了大量的人力和物力进行研究，并制定出多项研究计划。

1979年美国国家航天局（NASA）首次把光纤埋入聚合物复合材料。

光纤光栅的出现，更是推动了这一潮流的发展。

如美国在波音777机翼掩埋了多达数百根的光纤光栅进行蒙皮实验，跟踪复合材料的温度、应力、应变等物理量的变化。

实验结果表明，这项技术大大提高了设计的可靠性、合理性和科学性。

由于实时监测动态参数的实现，大大减少了系统设计安全系数的冗余度和休闲时间，避免了工艺材料的浪费。

同时减少了整机负载的重量，经济效益相当可观。

麦道公司1995年进行了F－15飞机侧翼、F－18外翼智能蒙皮试验。

多伦多大学和波音公司合作完成世界首架包含损伤评估系统的飞机DASH-8智能结构蒙皮实验研究等。

光纤光栅传感器除了用于军事、航空方面，在民用建筑结构安全监测方面也得到了广泛的应用。

1989年，美国布朗大学（Brown University）的门德斯（Mendez）等人首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的健康检测。

在此之后，加拿大、日本、英国、德国等国家的研究人员也对光纤光栅系统在土木工程中的应用做了大量的研究工作。

1993年，在加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail大桥上，人们利用16个光纤光栅传感器长期监测其桥
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梁结构。

1994年，在德国的Calgary市建成了第一座由预应力碳纤维符合材料和钢筋组成的桥，在碳纤维中加入光纤光栅应变传感器，以检测碳纤维预应力的损失情况。

1997年,在美国俄亥俄州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。

1998年，在俄勒冈哥伦比亚河谷上的Horsetailfall桥上, 运用28个光纤光栅传感器定期监测结构情况。

1999年，在美国新墨西哥LasCruces10号州际高速公路的钢结构桥梁上,安装了多达120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。

在德国，德累斯顿附近A4高速公路上的一座跨度72米的预应力混凝土桥上，德累斯顿大学的Meissner等人证实了光纤光栅传感器的应用可行性。

2002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。

在比利时，根特环城运河上建了一座147m长的预应力混凝土桥梁，埋进了18个光纤光栅传感器，对桥梁结构情况进行长期监测。

2002年，F.G.Tomasel等人把光纤光栅用于钢缆的健康检测，并进行了实验研究，实现了20个点的分布式应变传感。

国内在光纤光栅传感器的应用方面做的工作相比国外较少，其中应用在黑龙江省呼兰河大桥上的桥梁健康监测系统是一个典型。

哈尔滨工业大学土木工程学院研究人员于2001年5月与10月成功地将15个裸光纤光栅布设到42米跨的预应力箱形梁上，监测箱形梁的受力与安全状况，监测通车流量和桥梁的疲劳损伤状态，同时研究了光纤光栅现场布设技术，监测了箱形梁预应力张拉过程，并对箱形梁进行了加载试验，并经过测试取得了令人满意的测试结果。

在能源化工领域[1.76]，由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，因此可以替代传统的电传感器广泛应用在海洋石油平台上及油田、煤田中探测储量和地层情况。

内置于细钢管中的光纤光栅传感器可用作海上钻探平台的管道或管子温度及延展测量的光缆。

采用光纤Bragg光栅传感系统可以对长距离油气管道实行分布式实时的在线监测。

在一个漏油监测系统中，电缆结构成为对油的信号传感的传感器。

在这里，单模光纤和油溶胀树脂衬垫被放置在圆柱形电缆芯线中，芯线外围在缠绕了金属丝后再覆盖一层尼龙网。

当环绕在储油罐和输油管道上的光纤电缆外出现漏油时，油溶胀树脂起反应而膨胀，光纤被压缩后撞击裂缝外的金属线，由于金属线造成电缆微弯曲而导致出现衰减。

此项传感技术实现了漏油探测系统2min的反应时间、10km的监控距离。

利用光纤光栅温度传感器还可以构成温度监测报警系统，应用于石油罐及森林的防火。

2004年，张言公等人设计了一种石化罐的温度报警系统，测量探头沿油罐内侧呈圆周分布，油罐直径为46m左右，测量长度约为145m，该系统使用17个感温探头，传输距离150m，系统设定的报警温度为100℃和120℃。

同年，武汉理工大学赵愚等人设计了一种TGW－100B光纤光栅感温火灾探测系统，该系统感温探头的数量根据用户的实际使用需要确定。

在-30℃－150℃
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