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