光纤布拉格光栅温度传感器响应.docx

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1、1绪论11.1 探讨目的及意义I1.2 光纤光栅发展历史21.3 光纤光椭传感的优点31.4 光纤光椭传感的发展和应用状况41.5 存在的问题61.6 论文的主要内容及工作72 .光纤光栅的简介82.1 光纤光栅的分类82.2 光纤光栩离温传感器的封装工艺探讨102.2.1 现有封装工艺分析IO2.2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺122.3 光纤光桶制作技术132.3.1 干涉写入法132.3.2 逐点写入法142.3.3 组合写入法143 .光纤布拉格光棚传感原理163.1 光纤光楣传感原理163.2 光纤布拉格光栅耦合模理论173.2.1 光纤布拉格光槌特性173.2.2 耦合模理论周

2、193.3 光纤布拉格光栅温度传感原理冏253.4 FBG温度传感器的响应时间263.5 光纤布拉格光栅解调技术293.5.1 非平衡M-Z光纤干涉仪法293.5.2 可调谐光纤F-P淤波法303.5.3 匹配光栅法314 .系统的设计334.1 光纤光栅温度传感系统334.2 高型测试的分析334.3 FBG温度传感罂响应时间的测试344.4 试验仿真355结论42参考文献43致谢45.探讨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快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

3、光纤传感器，以其抗电磁干扰、灵敏度海、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更如应变、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亮度.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 .传感头结构简洁、体积小、重室轻、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、重曳性好；2 .易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、牢笠性高；3 .具有非传导性，对被测介质影响小，乂具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；4 .灵巧松软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构

4、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更等因素的影响,有较强的抗干扰实力；6 .高灵敏度、高辨别力。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，其应用象域也日渐扩展。温度传感是光纤布拉格光栅传感罂最重要的应用之一。光纤布拉格光栅反射波长的漂移地是其在温度传感理论中的全要参数。作为温度传感元件，人们希望光纤布拉格光栅具仃大的温度灵敏度，以期获得高的温度辨别率。然而，由于光纤光栅材料的热光系数和热膨胀系数都较小，光纤光描的湿度灵敏度特别低，并且

5、裸光栅本身易损坏，这些问题严峻影响若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，不能满意目前某些特定领域的测量.因此，为了解决这些问题，本课题若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探讨.1.2光舒光发展历史1978年.加集大渥太华通信探讨中心的K.O.HiI1.等人首次视察到掺播光纤中因光诱导产生光栅的效应，他们运用488nm破离子激光照掺楮的光纤，在光纤中产生驻波干涉条触，制成纤芯折射率沿轴向周期性分布的光纤光栅。在掺楮的单模光纤中，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J长久的周期性折射率

6、变更，与写入光驻波场空间分布相同的，这种折射率的周期性变更形成了一个光纤布拉格光栅(HberBragggrating,卜BG)。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，开拓J光纤光栅传墟器探讨与应用的新领域，此后，由于写入效率低等缘由，其进展缓慢。1981年，加京大MCMaSter高校D.K.W.1.am等人探讨了掺楮石英光纤折射率变更与照耀激光功率之间的关系。探讨结果显示掺错石英光纤的光敏现象可能是双光子过程，折射率变更与激光器功率平方成正比，用244nrn的光源代普488nm的光源，光纤的敏感性可能成倍提高川。1989年，美国联合技术探讨中心的

7、GMc1.tz等人独创了紫外光他面写入光敏光栅的技术，首次利用244nmKrF准分子激光器，采纳双光束侧面全息干涉法研制胜利Bragg光纤光栅泄波器.这不仅有效地提高r光纤光栅的写入效率，而且还可以通过变更两束相干光的夹角对光纤光栩波进步行调控，光纤光栅的好用化向前迈了一大步。1993年，K.O.HiI1.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耍求，重史性好，使光纤光栅的制作更加敏捷，光栅的批量生产也成为可能国。同年，董亮等人还提出了在线成棚法，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检层的工序，适于大规模制作高反射率、窄线宽的光

8、纤光栅。1993年1月,K.1.WmiaJnS等人在探讨光纤对紫外光的敏感性时发觉,掺Ge/B光纤时紫外光具有更好的光敏性。同年6月，AT&T贝尔试验室的PJ-1.emaire等人提出了我狙的方法来提高光纤的光敏性。这种方法适用于掺褚、掺磷光纤，现已成为制作光纤光椭的重要步骤。1994年6月，R-Kashyap等人利用线性阶跃明啾相位模板研制胜利线性明啾光纤光栅.它由N段匀称光栅组成,这种方法的关键是利用电子束曝光设备制作阶跃明啾相位模板，然后利用离子倍频激光器和相位模板在光敏光纤上制作啾光纤光桩.1994年12月，EggIe1.on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

9、样在频谱中造成多个反射峰，可制作多信道潺件。1996年，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，为光栅的宽带化开拓了道路。此后，世界各国对光纤光栅及其应用的探讨快速开展起来。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。随着探讨的不断深化，光纤光栅的优良特性也逐步呈现出来，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，便丁与光纤结合，使得全光纤化的一维光子集成测控系统成为可能“光纤光栅的研制胜利，成为维掺杂光纤放大器技术之后，光纤领域的又一重大突破。13光纤光传感的优点

10、与传统的传感器相比，光纤光栅传感具有很多独特的优点：I.抗电磁干扰，电绝终t，本质平安。由于光纤传感涔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，并且平安牢靠.这些特性使其在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁F扰、易燃、易爆的环境中能便利有效的传感。2 .耐腐蚀.由右光纤表面的涂覆乂是由高分子材料组成，忍耐环境中酸减等化学成分的实力强，适合于智能结构的长期健康监测。3 .测员精度高。光纤传感罂采纳光测量的技术手段,般为微米员级,采纳4波长调制技术，辨别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

11、，有的已有理论证明，有的已经通过试验验证，如测量水声、加速度、辐射、温度、蹂场等物理垃的光纤传撼器.4 .结构筒洁，体积小，成量轻，耗能少。光纤传感器都战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。外力消逝后，由于用性作用，光纤能自动发原原状。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。可以采纳很相近的技术基础构成测量不同物理量的传感器，这些物理信包括压力、湿度、加速度、位移

12、、液位、流属、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拧微波段的频率高出几个数星级，因而其带宽有巨大的提高，便于实现时分或者频分多路更用，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 .便史用，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。光纤传感胧可很便利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光舒光传感的发展和应用状况温度、压力、应变等参数是光纤传感器能够干脆传感测量

13、的基本物理量，同时也是其它各物理量传感的施础，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，依据光纤传感器应用的领域划分，光纤传感器可应用丁：地球动力学、航天器及船帕、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ISH风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潺应用圾活跃的领域。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特别重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的栽荷及正常与否。光纤传感器可以贴在结构的表面或预

14、先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形态限制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷状况。另外，多个光纤传感器可以申接成一个传感网络，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限制。1993年RaymOndM.MeaSUreS等人首先起先了光纤光栅传感器在桥梁的实际监测应用“加空大卡尔加里市建立的BeddingIOnTrai1.大桥采纳f；种预应力筋：传统钢筋，碳纤亚合拉索(CarbOnFiberCompositeCabc1.),碳纤拉杆(CarbOnFiber1.ead1.ineRod)。为了完成三种预应力筋的性能对比分析，RaymondM.Measures等人在这些预应

15、力筋.卜.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瞥塞斯市的1.1.O桥安装了60个FBG光纤传感器，胜利地实现了对桥梁的动态响应的测证，从而可以监视动态致荷引起的结构退化和损伤，/解桥梁的交通状况的长期变更。1998年佛蒙特高校的探讨小组在Watcrbury的一座67米的钢构架大桥上安装了结构健康监测系统，测量数据传输到中心计算机分析并可从互联网获得分析结果。2002年KunzIcrMarIcy等人为美国波特兰市1-84高速马路研制了光纤光栅交通监测系统，2003年又推出了其次代交通检测系统。在欧洲，1997年NeHenP.M.等

16、人在瑞士温特图尔的Siorck大桥的碳纤拉索上同时粘贴了光纤传感器和电阻应变计,该系统连续运作了几年。2(X)1年Gebrcmichac1.YM.等在挪威的长度为346m的钢架马路桥通过空分宏用和波分复用FBG传感器，构建了一个实时净态和动态监测系统“同年MagneSyIVain等在法国工业部的支持下，在波尔多地区的Saint-Jcan大桥贴装了14个波分复用的光纤光栅张力计和光纤光栅温度计，监测系统经受住了寒普季节的变更的号脸。2002年Hofinarm.D.Habe1.W等人对柏林1.chrtcrBUhnhOf预应力铁路桥的应变和倾度进行了测量，2 .在航空航天领域的应用航空航天业是一个运用传感罂密