光纤布拉格光栅温度传感器响应

目录1 绪论 (1)1.1 研究目的及意义 (1)1.2 光纤光栅发展历史 (2)1.3 光纤光栅传感的优点 (3)1.4 光纤光栅传感的发展和应用情况 (4)1.5 存在的问题 (6)1.6 论文的主要内容及工作 (7)2. 光纤光栅的简介 (8)2.1 光纤光栅的分类 (8)2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺研究 (10)2.2.1 现有封装工艺分析 (10)2.2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺 (12)2.3 光纤光栅制作技术 (13)2.3.1 干涉写入法 (13)2.3.2 逐点写入法 (14)2.3.3 组合写入法 (14)3. 光纤布拉格光栅传感原理 (16)3.1 光纤光栅传感原理 (16)3.2 光纤布拉格光栅耦合模理论 (17)3.2.1 光纤布拉格光栅特性 (17)3.2.2 耦合模理论[26] (19)3.3 光纤布拉格光栅温度传感原理[28] (25)3.4 FBG温度传感器的响应时间 (27)3.4 光纤布拉格光栅解调技术 (30)3.4.1 非平衡M-Z光纤干涉仪法 (30)3.4.2 可调谐光纤F-P滤波法 (32)3.4.3 匹配光栅法 (32)4. 系统的设计 (34)4.1 光纤光栅温度传感系统 (34)4.2 高温测试的分析 (34)4.3 FBG温度传感器响应时间的测试 (35)4.4 实验仿真 (36)5 结论 (43)参考文献 (44)致谢 (46)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（被测量）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，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、重量轻、外形可变，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;2.易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;3.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;4.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;5.光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及祸合损耗、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量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能测量的温度有所局限，不能满足目前某些特定领域的测量。

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。

1.2 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等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光栅的效应。

他们使用488nm氩离子激光照射掺锗的光纤，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。

在掺锗的单模光纤中，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(Fiber Bragg 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％的饱和值，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等人研究了掺锗石英光纤折射率变化与照射激光功率之间的关系。

研究结果显示掺锗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[1]。

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，光栅的批量生产也成为可能[2]。

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。

这种方法适用于掺锗、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等人利用线性阶跃啁啾相位模板研制成功线性啁啾光纤光栅，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啁啾相位模板，然后利用离子倍频激光器和相位模板在光敏光纤上制作啁啾光纤光栅。

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，董亮等人研制出包层掺杂稀土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，其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[3]。

1.3 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[4]：1.抗电磁干扰，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.耐腐蚀。

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。

3.测量精度高。

光纤传感器采用光测量的技术手段，一般为微米量级，采用4波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的纳米量级，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，如测量水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器。

4.结构简单，体积小，重量轻，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.测量对象广泛。

可以采用很相近的技术基础构成测量不同物理量的传感器，这些物理量包括压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。

7.传输频带较宽。

通常系统的调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量级，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，可进行大容量信息的实时测量，使大型结构的健康监测成为可能。

8.便于复用，便于成网。

能够用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布，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，是传感技术的新发展。

光纤传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。

1.4 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直接传感测量的基本物理量，同时也是其它各物理量传感的基础，即其它各种物理量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、化学测量、军用监控及告警技术、智能结构及机器人等领域中[5]-[15]。

1.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。

力学参量的测量对于桥梁、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。

通过测量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量，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。