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1、光纤布拉格光栅温度传感技术研究解读武汉理工大学硕士学位论文光纤布拉格光栅温度传感技术研究姓名:柴伟申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:姜德生20040501摘要光纤Bragg光栅传感器是利用Bragg波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器,除具有传统电类传感器的功能外,它还具有分布传感、抗电磁干扰、精度高、长期稳定性好等优点,在大型复合材料和混凝土的结构监测、智能材料的性能监测、电力工业、医药和化工等领域有着广阔的应用前景。对温度的测量是光纤Bragg光栅传感器的重要应用之一。对光纤光栅进行温度传感研究不仅满足了对温度检测的需求,而且还为光纤光栅应变传感器的温度补偿提

2、供了必要的基础。研究表明,光纤Bragg光栅传感特性稳定,是理想的温度传感元件。但是必须对Bragg光栅进行有效的封装,才能使其成为能满足工程实际要求的传感器。因此对光纤Bragg光栅传感器封装方法的研究对于其走向实际应用具有重要的意义。本文对光纤Bragg光栅的温度传感进行了研究,主要工作如下:对光纤Bragg光栅传感技术做了深入的研究和分析。针对工程实际应用,提出了光纤光栅温度传感器的设计要求。通过研究目前光纤光栅温度传感器封装的现状,并分析已有封装方法的特点,提出了一种新的光纤光栅温度传感器封装方法。然后通过实验研究了封装结构及工艺对光纤光栅温度特性的影响,并对实验结果进行了理论分析。可

3、以得到以下结论:1在封装过程中对光纤光栅旌加一定的预张力可以使光纤光栅温度传感器有很好的重复性。2封装结构可以提高光纤光栅作为温度传感器的温度灵敏度系数。3封装后的光纤光栅依然保持着波长与温度良好的线性关系。因此,采用此种封装结构的光纤光栅温度传感器具备良好的重复性、线性度和灵敏度,可以满足实际应用的要求,具有广阔的应用前景。此外,本文还介绍了光纤光栅波长解调系统的基本原理,分析比较了几种常用的光纤Bragg光栅波长解调方法。探讨了基于调谐光纤F.P滤波法的光纤光栅解调器的研制,并组建了比较完整的光纤光栅温度传感检测系统。关键词:光纤光栅温度传感封装方法波长解调AbstractFiber Br

4、agg grating(FBGsensor,which USeS the property that the Bragg wavelength is senskive to temperature and strain,is a new kind of fiber optic sensoL In addition to having the same functions as the traditional electric sensors, the FBG sensor also has some special characteristics such as distributed sen

5、sing,immune to electromagnetic interference,hi曲precision and long-term stability.So it has widely applicable perspective in many fields such as the structure monitoring of large compound material and concrete,the performance monitoring of the intelligent materials,electrical power industry,medicine

6、industry,chemical engineering etc.Study on FBG temperature sensing not only meets the need oftemperature measurc既nent,but also provides the basis of temperaturecompensation in strain measurement.According to the existed researches,FBG has stable sensing properties,and thus is an ideal kind of temper

7、ature sensing material.But only a/:er the FBG isencapsulated with proper method,it call become a sensor that is applicable in engineering.In this thesis,study is focused On FBG temperature sensing technology,and the main tasks are as follow:After study on the FBG sensing technology,the design requir

8、ements of FBG temperature sensor is put forward,according the practical needs in engineering.On the basis of research on the current status of FBG temperature sensor encapsulation,and the characteristics of existed encapsulation structures,a newforward.Then we study the encapsulating method using th

9、in steel tube is puteffects of this encapsulating method on the FBG temperature properties by experiments.We also perform some theoretical analyses on the experimental results.We have drawn the following conclusions:1The encapsulated FBG temperature sensor will have good repeatability if tensile for

10、ce is put on the FBG during the process of encapsulation.II武汉理工大学硕士学位论文2The encapsulated FBG temperature sensor has higher temperature sensitivity than that ofthe bared FBG.3The encapsulated FBG temperature sensor has good linearity.So,we car/say that the FBG temperature sensor encapsulated in this

11、new structure has good temperature properties,and thus has applicable values.In this thesis,we also introduced the basic principles of fiber grating wavelength demodulation system.Some common used demodulation methods are discussed,with emphasis on the tunable fiber FabryPerot(FPfilter demodulation

12、method.As last,a completed FBG temperature sensing is constructed.Key words:fiber Bragg grating;temperature sensing;encapsulating method; wavelength demodulationm武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1研究课题的提出与意义传感技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。现阶段,从宇宙探索、海洋开发,到国防建设、工农业生产:从环

13、境保护、灾情预报,到包括生命科学在内的每一项现代科学研究;从生产过程的检测与控制,到人民群众的日常生活等等,几乎都离不开传感器和传感技术。事实证明,传感器和传感技术已经渗入了新技术革命的所有领域,涉及了国民经济的每个部门,进入了大众生活的各个方面【。现代信息技术是由信息的采集、传输和处理技术组成,因此传感器技术、通信技术和计算机技术成为信息技术的三大支柱。光纤传感技术自20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来,它是以光波为载体、光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术21。当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代,光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势13J。

14、新一代光纤技术-二一光纤光栅将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命H。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的飞跃L“。.我国对光纤传感器的需求量很大,光纤传感器的市场前景十分诱人f61。但我国在光纤传感器的研究与开发方面,尤其是在商品化、产业化方面还远远满足不了市场需求。与发达国家相比,光纤传感器的市场销售额占我国传感器销售额的比例很小,特别是在光纤传感器的共性基础、中间试验和生产装备技术方面尤为突出,影响了光纤传感器产品的产业化进程。武汉理工大学光纤传感技术研究开发中心作为光纤传感技术国家重点工

15、业性试验基地,在光纤光栅传感器的研究方面投入了巨大人力和物力,在一武汉理工大学硕士学位论文些关键的技术领域取得了重大的技术突破。现在正在进行各种光纤布拉格光栅传感器的应用研究开发。本文研究目标是对光纤光栅传感器的实用化进行技术攻关,针对现有光纤光栅传感器的不完善之处,找到可行的技术途径,研制出适合工程应用的光纤光栅传感检测系统。1.2光纤光栅传感检测技术的特点及发展现状与传统的强度调制和相位调制的光纤传感器相比,波长调制型的光纤光栅传感器具有许多独特的优点4】:1抗干扰能力强:因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性(忽略光纤的非线性效应;另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏的干扰

16、。例如,光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性,因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。2光纤光栅是自参考的,可以进行绝对测量f在对光纤光栅进行标定后,不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。3传感探头结构简单、尺寸小(其外径与光纤本身等同,适用于各种场合,尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部,对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度进行连续实时监测。4便于构成各种形式的光纤传感网络,尤其是采用波分复用(WDM技术构成分布式光纤光栅传感阵列,进行大面积的多点测量。51测量结果具有良好的重复性。6光栅的写

17、入工艺较成熟,便于形成规模生产f商品化。基于光纤光栅的上述诸多优点,其被广泛应用于大型民用工程建筑(大桥、大坝、高层建筑中以监测压力、温度、应力、应变对建筑物的影响【”。于1993年建成并投入使用的Beddington Trail大桥口】,位于加拿大的Calgary,是世界上首座用碳纤维预应力筋构筑其大型预制混凝土板梁的大桥。在26根梁中,有5根埋设了光纤布拉格光栅传感器。传感器被粘附于钢筋表面,并使用混凝土梁侧面的凹槽对置入的光纤进行保护。随后,光栅被熔接到有防护套的长光纤上,接入控制室的中央接线盒。在那里,它们被连接到各种仪器上以监视结构内应力变化,记录载重卡车的动态及静态负荷。这是光纤布

18、拉格光栅成功用于准分布传感系统的首次报道。1994年法国的CORA2000研究计划把光纤光栅准分布传感系统用于核电站的结构监控。1995年瑞士联邦实验室报道了光纤布拉格光栅在民用工程中的应用。同年法国、瑞士、比利时和葡萄牙联合研制用于矿井安全监测的光纤布拉格光栅准分布传感系统。挪威的D.R.Hjelme等人则使用FBG传感器检测使用新型复合材料制作的1:20的舰艇模型的抗风浪能力【9。美国国家宇航局(NASA也计划采用FBG 传感器监测用石墨/环氧树脂复合材料制作的航天器液体燃料箱的结构完整性,并已进行了初步试验【l。美国在波音777跟踪复合材料的温度、应力、应变等物理量变化的实验中应用光纤布

19、拉格光栅技术取得了显著成果,这项技术大大提高了设计的可靠性、合理性和科学性。国内光纤光栅传感器的研究开发相对落后一些。上世纪九十年代初期,清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展了传感光纤光栅的研究。通过十多年的研究和开发,光纤光栅传感技术已得到快速的发展,特别是在光纤光栅传感机理、光纤光栅制各技术、解调技术、信号检测与处理技术方面具备了相当水平的理论基础和一定的技术水准。但是现阶段大部分光纤光栅传感器的研究还只局限在实验室范围。目前国内有一些学校和研究所正在进行光纤布拉格光栅传感实用系统应用技术研究,但是有一些关键的技术问题还有待突破,所达到的技术指标和国外相比还有一些差距。为了加快

20、我国在这个高新技术领域的发展,国家计委通过“光纤传感技术国家重点工业试验基地”项目的投入,引进了光纤光栅制备系统和多通道光纤光栅解调等相关设备,使我国在传感用光纤光栅的研究方面具备了世界先进水平的物质技术基础,加快了我国在此领域赶超国际技术的步伐。经过几年的努力,在光纤光栅的制备技术、传感技术和解调技术方面,取得了多项成果。特别是在光纤光栅制备技术的研究方面,已取得重要进展。其主要技术指标达到国际先进水平。在光纤光栅设备方面,已成功研制出多点光纤光栅解调的实验装置。武汉理工大学光纤中心在光纤光栅的研制和光栅信号解调等关键技术上取得了重大突破。为了尽早将这项技术应用到工程中去,己广泛开展了光纤光

21、栅传感工程应用技术研究,本文的研究工作隶属于上述研究范畴。1.3课题的产生与主要研究内容本课题是国家科技部863项目“光纤光栅传感技术产业化研究”(编号2002AA3131401的一部分。课题的研究目标是在探究光纤布拉格光栅的各种特性的基础上,对传感探头封装材料与工艺进行研究,研制出适于工程应用的光纤布拉格光栅温度传感器的生产技术,并形成适合工程应用的光纤光栅温度传感检测系统。本课题研究采取与实际工程应用试验相结合的研究方法。依托武汉N2大学“光纤传感技术国家重点工业性试验基地”的有关工业试验条件,开展工业化生产试验,以解决规模化生产的一系列技术与装备问题。本文的主要研究工作如下:1结合工程测

22、量的要求,通过大量的试验研究,分析了多种封装结构和工艺对光纤光栅温度传感器特性的影响,研制出了适合工业应用的光纤光栅湿度传感器的封装制作方法和工艺。2分析比较了几种国内外提出和进行过研究的FBG波长解调方法,探讨了基于调谐光纤F-P滤波法的光纤光栅解调器的研制,并组建了比较完整的光纤光栅温度传感检测系统。3对本课题的研究工作进行了总结并对以后的研究工作提出一些建议。4 随着光纤光栅写入技术的逐渐完善,世界各国掀起了光纤光栅技术研究的热潮,各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现,光纤光栅被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域151。2.1.2光纤光栅结构及传感原理 图2-1光纤

23、光栅基本结构图2-1为光纤光栅的结构图【l,它是通过改变光纤芯区折射率,产生小的周期性调制而形成的。所谓调制,就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石英,由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂(通常是掺锗,使芯层折射率n1比包层折射率n2大,从而形成波导。光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后,即成为布拉格光栅。布拉格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射,反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光【I”(带宽通常约为0,10.5nm。这样,光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释,首先是由威廉布拉格爵士给出的,因而这种光纤光栅

24、被称为光纤布拉格光栅(FBO,反射条件就称为布拉格条件。只有满足布拉格条件的光波才能被光纤光栅反射。所谓相位相匹配是指布拉格波长决定于折射率调制的空间周期A和调制的幅度大小,用数学公式表示如下f4】:九=2n玎A(2-1 武汉理工大学硕士学位论文2.2光纤光栅传感模型为了深入的研究光纤光栅的传感机理和传感特性,需要从它的结构出发建立传感模型。2.2.1应变传感模型【19】【201在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中,最直接的为应变参量,因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩,都势必导致光栅周期以的变化,并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率厅。圹也随外界应力状态的变化而变化,这为采用光纤布拉格

25、光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。应力引起光栅布拉格波长漂移可以击公式(2-2给予描述。其中以表示光纤本身在应力作用下的弹性变形,%扩表示光纤的弹光效应,外界不同的应力状态将导致划和忍耐的不同变化。一般情况下,对于光纤光栅来讲,由于它本身属于各向同性柱体结构,所以施加于其上的应力总可以在拄坐标系下分解为m国和岛三个方向。在这里仅讨论纯轴向应力作用的应变传感模型。2.2.1.1各向同性俞质中虎克定理的一般形式虎克定理的一般形式可由下式表示:卵:白母(f产l,2,3,4,5,6(2-3其中oi为应力张量,o为弹性模量,哥为应变张量。对于各向同性介质,由于材料的对称性,可对白进行简化,并

26、引入tame常数五、I得到:A+2“五/LO名十2“O+2“OO000000000000/a000/a其中lame常数五,可由材料弹性模萋E及泊松比滚示为(2.4自如彩办彩靠加加加以出办武汉理工大学硕士学位论文DE.扯酊万F面(2.5E“22(1+/a此式即为均匀介质中虎克定理的一般形式。对于光纤来说,由于它为柱型结构,通常采用柱坐标下应力应变的表示方式,即将上式中的下标改为(,的组合来表示纵向、横向及剪切应变。2.2.1.2均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩,此时各向应力可表示为。矿.尸(P为外加压强,驴旷O,且不存在切向应力。根据公式(2.4可求

27、得各方向应变如公式(2.6。式中E及盼别为石英光纤的弹性模量及泊松比。现已求得了均匀轴向应力作用下各方向的应变值,下面以此为基础进一步求解光纤光栅的应力灵敏度系数。卧P UE P UE P(2.6E将公式(2.2展开得:氏班(鲁一鲁幻+z釜皿沼,这里代表光纤的纵向伸缩量,口表示由于纵向拉伸引起的光纤直径变化,a,4况表示弹光效应,巩勿表示波导效应。下面首先推算由弹光效应引起的布拉格中心波长偏移。相对介电抗渗张量肪与介电常数旬有如下关系:岛2名,2篪沼s,武汉理工大学硕士学位论文其中珊为栗一力1司上的光纣们射翠。对十熔触钿奂光针,田十共备I司I可性,可认为各方向折射率相同,在此仅研究光纤光栅反射

28、模的有效折射率neff,故可将上式变形为:咖小抖一等沼,由于,z盯=渤盯/越皿,(27式中略去波导效应其余项可变形为:魄班悻删砌。矗釜沼其中铲址化为纵向应变。由于(2.8式的存在,可以得到更为简单的缸的表达式。实际上,在有外界应力存在的情况下相对介电抗渗张量岛应为应力D韵函数,对屈进行泰勒展开并略去高阶项,利用(2-8式,同时引入材料的弹光系数岛zI扎.C寿j_阶咄,峨屯协式中利用了光纤的轴对称性轳跏,将此式代入(2.10式得到弹光效应导致的相对波长漂移为:兰:一车I+鼻:弦,+只:%+%(2.12口Z式中利用了均匀光纤在均匀拉伸下满足的条件:坠A壶=1。将(26式代入上式得到:等=_譬蚧咖甜

29、,卜I I萌kf协10武汉理工大学硕士学位论文令只:一拿,+墨:如一只:,为有效弹光系数。可得光纤光栅由弹光效应引起的纵向应变灵敏度系数:K。=1一只(214还可得Bragg光栅的二阶应变灵敏度为:醢九B/五厂。2么B 2(1-2+2e,2(2-15于是由应变毛引起的Bragg波长变化可写为:厶=(置。占+世82以(2一16对掺锗石英光纤口”,P11=0.121,P门=0.270,y=O.17,neff=1.456,因此只aO.22,K8。O.784。如果采用1.3#m系列光栅,由公式(2.14可以得到每个微应变引起的波长漂移为0.784X 10一x1.3x1061.O劢州,KJ=O.70。含

30、有光栅的光纤所允许旌加张力的典型值达到1%的应变,此时忽略光栅的二阶灵敏度所引起的误差不超过0.5%,因此光纤光栅Bragg波长与所受的应变有较好的线性关系,实际应用中可以不考虑二阶应变灵敏度的影响。下面讨论由于光纤芯径变化引起的波导效应而产生的布拉格波长漂移现象。对于单模光纤,其传播常数屈与光纤芯径密切相关,从而使得有效折射率w也随纤芯的改变而改变。引入光纤归一化频率y:ko.口.止丽翮以及横向传播常数u=口皤竹三一厨,可将有效折射率”彤表示为:以=%2一(v/v2阮一%2J(2.17其中U、V满足如下光纤本征方程:/厶丝可武汉理工大学硕士学位论文坚厶=!婴:一坚型!堕J。(UK。(矽U2+

31、矿2=“2以2口2-2A=y2认为弱导单模光纤基模模场为Guass分布,采用Guass场近似对本征万程进行化简,对于单模光纤的基模HEll模可得玑矿满足如下关系:u:0+压1+(4y/41(2-18将此式代入(217式就可得到蛳与归一化频率V之间的直接关系。由于矿仅由光纤参数决定,可唑通过j!寸光纤纤芯半径盯直接求导得到。K:坠;堕:一I焦!:!:鱼丝生耋二叠l鬲(2_19 M叫H3H薪卜训所以,由波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移可表示为:f堕:丝粤:垒仲铲一生旧叫气I沼20L tB憎neff d口聍咿胛盯。利用单模光纤的条件,可得出波导效应光纤光栅纵向应变灵敏度系数与光纤芯径及数值孔径关系如图2-3所示,光纤参数如图中说明。图2.3光纤光栅波导效应引起的纵向应变灵敏度系数与光纤芯径及数值孔径的关系可以看出,总体来讲波导效应对光纤光栅纵向应变灵敏度影响较小,但其作用与弹光效应相反,属于妨碍光纤光栅用于光纤传感领域的一个因素。还可以看出,随着光纤芯径及数值孔径的增加(保持在单模状态,波导效应逐渐增大,所以欲得到高灵敏度的光纤光栅传感器最好采用低数值孔径、小芯径光纤。即低的掺锗量将有利于提高传感器灵敏度,因此在应用光纤光栅进行高精度传感研究时,需选用掺锗含量适宜的光纤。基于以上分析,光纤光栅的纵向应变灵敏度系数仅取决于材料本身和反向耦合模的