光纤布拉格光栅温度传感器响应设计说明书

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] (24)

3.4 FBG温度传感器的响应时间 (26)

3.4 光纤布拉格光栅解调技术 (29)

3.4.1 非平衡M-Z光纤干涉仪法 (29)

3.4.2 可调谐光纤F-P滤波法 (30)

3.4.3 匹配光栅法 (31)

4. 系统的设计 (33)

4.1 光纤光栅温度传感系统 (33)

4.2 高温测试的分析 (33)

4.3 FBG温度传感器响应时间的测试 (34)

4.4 实验仿真 (35)

5 结论 (42)

参考文献 (43)

致 (45)

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。

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学位论文原创性声明

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指导教师评阅书

评阅教师评阅书

教研室（或答辩小组）及教学系意见

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