1、光纖傳感器在溫度測量中的應(yīng)用姓名：李紅梅 學(xué)號(hào)： 2010204057 專業(yè)：測試計(jì)量技術(shù)及儀器摘要： 光纖傳感器因?yàn)槠錅y量范圍非常廣，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為二十世紀(jì)發(fā)展得最 快的傳感器。對(duì)于光纖溫度傳感器來說，目前普遍應(yīng)用的有光線光柵傳感器和分布式光 纖溫度傳感器兩種，本文主要研究利用光纖光柵傳感器(FBG測量溫度，F(xiàn)BG溫度傳感器則是重要的利用光纖進(jìn)行測量的溫度傳感器。其原理是當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖材料 的熱膨脹會(huì)使得光纖的柵距發(fā)生變化；而FBG所具有的熱光效應(yīng)同樣也會(huì)光纖折射率的變化。關(guān)鍵詞： 光纖光柵傳感器，溫度測量， FBG1. 引言1.1 光纖光柵傳感器光纖光柵是利用光纖的光敏特性

2、制成的。 光敏性指強(qiáng)激光通過摻雜光纖時(shí) 外界入射光子和纖芯內(nèi)的鍺離子相互作用引起折射率的永久性的變化。光纖 的折射率隨光纖空間的分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化大小與寫入光強(qiáng)的平方呈 正比的關(guān)系。目前光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)用的研究，包括FBG( Fiber BraggGrating )的制作技術(shù)以及制作完成后的封裝的技術(shù)、 溫度補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)、 傳感 器絡(luò)技術(shù)和研究在材料與結(jié)構(gòu)中埋入 FBG傳感器的可行性。1.2 FBGf專感器國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀最早出現(xiàn)的一種光柵傳感器光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating ， 簡稱FBG)專感器以其獨(dú)特的波長編碼，多點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域如 土木結(jié)構(gòu)，

3、海洋工程，航空航天，航海工程，民用工程等得到了廣泛的應(yīng)用。 FBGf專感器是一種實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度傳感的傳感儀器 1。它通過光波長與應(yīng)變 和溫度的線性關(guān)系， 來實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的測量。 它屬于無源器件， 無需電源， 抗電磁千擾，體積小，可埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及易于形成多點(diǎn)測量系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。 目前，國內(nèi)外對(duì)于FBG傳感器的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：(1) FBG專感器的制作技術(shù)FBG 技術(shù)還處在發(fā)展階段。簡單，可控性的制作方法，批量化的生產(chǎn)技 術(shù)是FBG技術(shù)普遍推廣應(yīng)用的前提。FBG的寫入技術(shù)是從國外發(fā)展而來，主 要有內(nèi)部寫入和外部寫入兩種寫入方法。 在國內(nèi)，自 1 998年武漢理工大學(xué)建 立了 FBG傳感

4、研究基地，發(fā)展到現(xiàn)在，武漢理工光科股份有限公司已經(jīng)成為 我國最大的光纖傳感器產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地。(2) FBG專感器的傳感機(jī)構(gòu)。FBG在現(xiàn)場實(shí)施過程中容易折斷損壞，不易操作等問題，使得 FBG傳感 器增敏封裝等技術(shù)成為FBG傳感器研究和制作的一個(gè)熱點(diǎn)。另外，在單一參 量的測量中，F(xiàn)BG傳感器對(duì)應(yīng)變、溫度兩者的分離技術(shù)也是 FBG傳感器研究 的難點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于多參量同時(shí)測量也是 FBG發(fā)展的一個(gè)方向。利用光纖應(yīng) 變敏感性間接測量其它物理量也具有發(fā)展?jié)摿ΑＨ缈梢詫?FBG傳感器采用其 它的設(shè)計(jì)方法，將其它物理量轉(zhuǎn)換成待測的應(yīng)變量 ( 如位移，加速度，力等 ) 應(yīng)用于其它參量的測量中。(3) FBG 傳

5、感器的解調(diào)技術(shù)。目前限制光纖傳感器大量應(yīng)用的主要障礙就是 FBG的解調(diào)技術(shù)。雖然FBG信號(hào)解調(diào)技術(shù)的方法很多，但制作成商品的FBG解調(diào)設(shè)備非常昂貴。國外在解調(diào)技術(shù)方面的研究要比國內(nèi)早得多。早在1992年，Kersey等人提出了一種采用干涉儀解調(diào)具有高分辨率FBG傳感技術(shù)方案。Micron optics in strume nt（MOI公司）是一家專門生產(chǎn)光纖解調(diào)儀的公司，生產(chǎn)的光纖解調(diào) 設(shè)備針對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量的需要，具有高分辨率（分辨率可達(dá)1Pm，高速度（SM130其動(dòng)態(tài)測量頻率可達(dá)IO00HZ），多傳感（每個(gè)通道可連接128個(gè)FBG） 的特點(diǎn)，是目前光纖解調(diào)技術(shù)先進(jìn)的代表之一。2. FBG的

6、傳感原理2.1 FBG的光學(xué)原理光纖由纖芯，包層和涂履層組成。它是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)。 光纖傳輸主要是根據(jù)全反射原理。纖芯中有少量的摻雜如鍺等，使得纖芯的 折射率略大于包層。當(dāng)光傳播經(jīng)過纖芯和包層的界面，由于滿足全反射的條 件，將光束約束在纖芯內(nèi)，進(jìn)行傳播。如圖 2.1，光在光纖中的傳輸。巧jAW* :圖2.1光在光纖中的傳輸FBG是由普通的單模通訊光纖剔除涂履層后，放入加壓氫氣罐中載氫，最 后通過相位掩模技術(shù)制作而成。主要是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光 照射引起光纖纖芯折射率發(fā)生永久性變化。光波在光纖中傳輸時(shí)，由于纖芯邊界的限制，其電磁場解是不連續(xù)的。這 種不連續(xù)的場解稱為模式

7、。對(duì)于理想的均勻光纖結(jié)構(gòu)，纖芯及包層存在許多 模式。這些模式之間是相互正交的，互不千擾，即不存在模式禍合。在光纖 中寫入光柵后，其纖芯折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件發(fā)生改變，引起不 同的光波模式之間的禍合。模式耦合使各個(gè)模式之間發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，并且 可以通過將一個(gè)光纖模式的功率部分或完全地轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)光纖模式中去 改變?nèi)肷涔獾念l譜。在一根單模光纖中，纖芯中的入射基模既可以被藕合到 反向傳輸模也可以被耦合到前向包層模中，主要由不同傳輸常數(shù)決定的相位 條件，即：K=B ?- B ?=2n /A（2.1 ）其中人為光柵周期，B ?， B ?分別為模式1和模式2的傳播常數(shù)。前向傳 播為正，后向傳播為

8、負(fù)。若要將正向傳播導(dǎo)波模式禍合到反向傳播導(dǎo)波模式，其相位條件應(yīng)該滿 足：2r/A “ 圖22光在光纖中的傳輸K=2n/A= B ?B ?=B ?( B ? = 2B ?(2.2 )若傳播常數(shù)滿足B ?= 2 n n off /入o,這種光柵稱為Bragg。其基本特性就 是一個(gè)反射式的光學(xué)濾波器，反射峰值波長稱為Bragg波長。即：入=2n A(2.3 )因此，F(xiàn)BG專感的光學(xué)原理是在光纖纖芯傳播的光在每個(gè)FBG面處發(fā)生散射，滿足布拉格反射條件的光，在每個(gè)光柵平面反射回來逐步累加，最后反 向形成一個(gè)反射峰。如果不滿足布拉格條件，依次排列的光柵平面反射的光 相位將會(huì)逐漸變得不同直到最后相互抵消。另

9、外，由于系數(shù)不匹配，與布拉 格諧振波長不相符的光在每個(gè)光柵平面的反射很微弱2。2.2 FBG的光學(xué)反射特性FBG波長檢測常用的主要是通過反射光譜檢測模式，表征FBG光學(xué)性能的主要指標(biāo)有：(1)中心波長的反射率；(2)反射帶的帶寬；(3)光柵邊模抑制。 選用具有合適峰值的反射率和反射帶寬的PBG有助于改善系統(tǒng)傳感性能。如圖2.3所示FBG的反射光譜。圖2 3 FBG &射光if(1) 中心波長的反射率。中心波長的反射率越高，返回測量系統(tǒng)的光功率 越大，測量的距離長。反射率小，噪聲對(duì)其影響就越大。反射率決定了信號(hào)的強(qiáng)度。對(duì)于FBG專感器測量，一般情況下，推薦其反射率應(yīng)大于90%另外， 反射率的高低

10、可以作為波分復(fù)用系統(tǒng)中FBG傳感器的輔助指標(biāo)，有利于擴(kuò)大單個(gè)FBG的測量范圍。當(dāng)FBG專感器長度不變時(shí)，反射率隨折射率調(diào)制深度 的增加而增加。當(dāng)FBG專感器長度較短時(shí)，反射率隨調(diào)制深度的關(guān)系呈線性 ； 長度較長時(shí)，反射率隨調(diào)制深度的增加很快達(dá)到飽和。(2) 反射帶的帶寬。FBG的帶寬為FBG反射光譜中反射率下降一半所對(duì)應(yīng)的 波長范圍，反映了監(jiān)測的精度。窄帶寬有助于區(qū)分被測量的微小移動(dòng)，因此為了獲得較高的分辨率，帶寬越小精度越高。目前由于制作上技術(shù)的，最合 理的帶寬為0.2nm 0.3nm。0.2nm的譜寬對(duì)應(yīng)的測量誤差為：當(dāng)測量應(yīng)力時(shí)， =200pm/(1.2pm/ustrain)=167us

11、train;當(dāng)測量溫度時(shí)，=200pm/(13pm/E )=15 C。當(dāng)折射率調(diào)制深度不變時(shí)，反射率隨 FBG長度的增 加而增加，反射帶寬隨FBG長度增加而減小。FBG的長度決定了測點(diǎn)的精度， 長度越小，測量點(diǎn)越準(zhǔn)確。但FBG的長度同時(shí)又與反射譜的反射率有關(guān)，F(xiàn)BG 越短，反射率越低。因此適當(dāng)?shù)钠胶膺@些條件的關(guān)系是FBG傳感器制作的關(guān)(3) 邊模抑制。在FBG反射譜中兩邊存在許多次峰。在監(jiān)測的過程中，對(duì) 于一個(gè)兩邊有許多次峰的FBG傳感器，光纖查詢儀就會(huì)錯(cuò)誤的把某些旁瓣作 峰值，影響測量結(jié)果，因此，F(xiàn)BG傳感器的邊模抑制也是對(duì)監(jiān)測結(jié)果的一個(gè)重 要指標(biāo)。3. 測溫方法FBG傳感技術(shù)是通過對(duì)在光纖

12、內(nèi)部寫入的光柵反射或透射布拉格波長光 譜的檢測，來實(shí)現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對(duì)測量。而FBG的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期 A和纖芯的有效折射率 nff,任何使這兩 個(gè)參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵布拉格波長的漂移(見圖3.1)。在所有引起光柵布拉格波長漂移的外界因素中，最直接的是應(yīng)變參量，因?yàn)闊o 論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢必導(dǎo)致光柵周期A的變化，并且光纖本 身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率nof也隨外界應(yīng)變狀態(tài)的變化而變化，這為采用光纖布拉格光柵制成光纖應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理特性3。當(dāng)寬光譜光源照射光纖時(shí)，由于光柵的作用，在布拉格波長處的一個(gè)窄 帶光譜部分將被反射

13、回來。作用在光纖光柵上的溫度是兩個(gè)能夠直接導(dǎo)致布拉格中心波長漂移的物 理量，由溫度引起的總的波長漂移可表示為：輯入信號(hào)圖3.1光線光柵工作原理圖(3.1 )b=入 b( 1- p0) A + 入 b( a + E ) T式中A 軸向應(yīng)變變化量；A T溫度的變化量；a , B 分別是光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)；p0光纖的有效彈光系數(shù)。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以采用試驗(yàn)的方法分別測定光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)和溫度靈敏系數(shù)，貝仙溫度變化引起的總的布拉格中心波長漂移如下式：A 入 B=K A +KT A T(3.2 )式中的K和KT分別為傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)和溫度靈敏系數(shù)，都可以通過 試驗(yàn)來獲得。因此，通過

14、波長位移測量即可獲得應(yīng)變和溫度的變化數(shù)據(jù)。由 式(3.1)可知,FBG應(yīng)變傳感器是以光的波長為最小計(jì)量單位的,而目前對(duì)FBG波長移動(dòng)的探測達(dá)到了 pm量級(jí)的高分辨率。因而其具有測量靈敏度高的 特點(diǎn)，而且只需要探測到光纖中光柵波長分布圖中波峰的準(zhǔn)確位置，與光強(qiáng)無關(guān)，對(duì)光強(qiáng)的波動(dòng)不敏感，比一般的光纖傳感器具有更高的抗干擾能力。 由于拉、壓應(yīng)力都能對(duì)其產(chǎn)生布拉格波長的變化，因此該傳感器在結(jié)構(gòu)檢測 中具有優(yōu)異的變形匹配特性，其動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好。另一方面，在應(yīng)變 測量中，為了克服溫度對(duì)測量的影響，可以通過在測量系統(tǒng)中采用同種溫度 環(huán)境下的FBG溫度補(bǔ)償傳感器來進(jìn)行克服。3.1 FBG傳感器溫度傳感原

15、理根據(jù)FBG反射的波長條件：入=2n A,可以看出，它反射的Bragg波長 與寫入柵距和纖芯有效折射率有關(guān)。而外部環(huán)境因素的應(yīng)力和溫度，都能使 得FBG的柵距和折射率在一定程度上發(fā)生改變。FBG就是通過感知到溫度的 變化，導(dǎo)致中心波長的偏移，來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量。溫度發(fā)生變化，光纖材料的熱膨脹會(huì)使得光纖的柵距發(fā)生變化；而FBG所 具有的熱光效應(yīng)同樣也會(huì)引起光纖折射率的變化。把中心波長看作是溫度和 應(yīng)變的函數(shù)，根據(jù)公式2.3，對(duì)波長求偏導(dǎo)，可得：(3.1 )其中 匸為線性熱膨脹系數(shù)，對(duì)于慘鍺石英光纖，其值為5.5*10-7，C1怙 眇 為熱光系數(shù)，硅纖中的熱光系數(shù)為 6.67*10-6 C-1。從

16、以上數(shù)據(jù)顯示，溫度變化引起的 FBG波長漂移主要取決于熱光效應(yīng)，它占了熱漂移的95%3.2 FBG傳感系統(tǒng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的組成3.2.1 FBG傳感系統(tǒng)FBG傳感監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩大部分組成:FSG傳感器，F(xiàn)BG解調(diào)設(shè)備。如圖3.2，當(dāng)一束寬帶光源，通過耦合器經(jīng)過FBG滿足布拉格反射條件：入二 2n A的光波被反射，被解調(diào)儀探測到。如果外界溫度或者應(yīng)變發(fā)生變化，檢 測到的波長也相應(yīng)的發(fā)生漂移，通過波長的漂移量便可獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信息。（其中n為FBG纖芯的有效折射率，A為FBG的柵距）反射的布拉格波長與FBG 的折射率和其柵距有關(guān)。耦合器圖3.2 FBG傳感系統(tǒng)最常用的模式解調(diào)模式是采用反射光檢測

17、波長，其優(yōu)點(diǎn)在于它將傳感單 元和輔助裝置分離。在實(shí)際應(yīng)用中，只需要將FBG傳感器埋入，粘結(jié)安裝即可，現(xiàn)場無需電源，具有良好的抗電磁干擾能力。3.2.2 FBG復(fù)用傳感網(wǎng)絡(luò)FSG傳感最大的一個(gè)特點(diǎn)就是易于在一根光纖上寫入或者串接多個(gè)光柵， 形成多點(diǎn)測量的FBG傳感網(wǎng)絡(luò)。FBGf專感網(wǎng)絡(luò)一般有三種形式：波分復(fù)用技術(shù), 時(shí)分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)。下面對(duì)這三種技術(shù)作個(gè)簡單的介紹。光遜利I慣XT M 制&初單元(1) 波分復(fù)用：在光源可用波長范圍內(nèi)，給每個(gè)傳感光柵一個(gè)獨(dú)特的波長區(qū) 間，每個(gè)FBG的反射峰在各自的波長區(qū)間內(nèi)變化。反射光包含多個(gè)尖峰，通 過解調(diào)儀檢測各個(gè)波長的漂移值。如圖 3.3所示。1川

18、|圖3.3波分復(fù)用技術(shù)(2) 空分復(fù)用：每個(gè)傳感FBG都單獨(dú)分配一個(gè)傳輸通道，每次僅一個(gè)通道被選通。需要測量哪個(gè) FBG的特性，將相應(yīng)的通道接通即可。從耦合器出來 的光經(jīng)過光開關(guān)分成多路光纖，每個(gè)光纖上具有相同Bragg波長的光纖傳感器。在測量時(shí)，由光開關(guān)切換，在不同的時(shí)間，分路監(jiān)測FBG傳感器的波長。(3) 時(shí)分復(fù)用：光源按照脈沖方式工作，每一個(gè)傳感 FBG都有不同的時(shí)延。 光源發(fā)出一個(gè)短脈沖后，波長檢測系統(tǒng)能收到多個(gè)光脈沖，每個(gè)都對(duì)應(yīng)不同 的時(shí)延和不同的傳感光柵。根據(jù)時(shí)延值就可以區(qū)分不同的光柵。目前，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)一般采用波分復(fù)用技術(shù)和時(shí)分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合的 方式。波分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于

19、能夠同時(shí)測量多個(gè)波長光柵傳感器，但是由 于受到寬帶光源帶寬和解調(diào)系統(tǒng)的能力的限制，每個(gè)光纖上所連接的光柵最 多達(dá)到數(shù)十個(gè)。時(shí)分復(fù)用技術(shù)雖然對(duì)于連接的FBG數(shù)目不受限制，但是增加了時(shí)間復(fù)雜度，在限定的時(shí)間內(nèi)完成傳感，需要提高光開光的速度和解調(diào)儀 的速度。因此，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，測點(diǎn)要求布設(shè)很多的情況下，需要采用波分 復(fù)用和時(shí)分復(fù)用兩者的結(jié)合來滿足監(jiān)測的需要。4. 結(jié)論本文闡述了 FBG專感器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用，總結(jié)了目前國內(nèi)外 FBG專感器 研究的三個(gè)方向，首先從FBG專感的光學(xué)原理出發(fā)，簡要的闡述了 FBG專感器 模式偶合的傳感機(jī)制，及影響FBG專感器性能的重要參數(shù)指標(biāo)。同時(shí)從 FBG專 輸理論出發(fā)，描述了 FBG專感器溫度傳感特性，以及整個(gè)FBG專感網(wǎng)絡(luò)的組成 系統(tǒng)。目前應(yīng)用