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

17、用传感罂密集的地方，为f监测一架飞行器的压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需传感器特别多，而且对传感器的尺寸和重量要求特别严格。运用先进的抗疲惫、重量轻、强度高的笈合材料是制造航空航天结构的一个必定趋势“如在史合材料的制造过程中埋入尺寸小、重量轻、灵敏度高的光纤光栅传感器，就可实现对飞行港在运行过程中的实时健康监测和性能监视，这可以削减以行器重量、缩短检查时间、降低维护成本,从而改善其性能。因此，航空航天业对光纤光栅传感技术特别全视，仅波音公司就注珊了好几个光纤光栅传感器的专利。东京高校的Kbaashima等人将4()Pe细径光纤光栅埋入丑星表面的更合材料中，来监

18、测卫星表面的破损状况，他们在应用前对豆合材料进行了拉伸试验，试验证明细径光纤光描不会影响匆合材料的坚实性。3 .在石油工业的应用fi油化工属于易燃易爆的领域，在油气管道、储油罐和油气井等地方应用电类传感器存在很大的担心全因素。高温操作和长期稳定性的要求也限制了电类传感器在石油化工中的应用。永久连续的油田井下监测有利于油田的管理、优化和发展，光纤光栅传感器因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射特别适合用于井卜.传感，NC1.hW等人通过力学传递机制将液体压力转变成光纤光棚的应变，制成光纤光韧液体压力传感器和光纤光栅温度传感器来监测油井内部的油压和温度变更。4 .在地球动力学中的应用在地飕检

19、测等地球动力学领域中，地表.骤变等现象的原理及其危急性的估定和预料是特别困难的，而火山区的应力和温度变更是目前为止能膨揭示火山活动性及其关键活动范围演化的最有效手段“光纤传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波践和光学地震仪等方面。活动区的应变通常包含静态和动态两种，踊态应变（包括由火山产生的静态变形等）般都定位于与地质变形源很近的距离:而以震源的僦波为代表的动态应变则能够在与震源较远的地球周边环境中检测到。为r得到相当精确的震源或火山源的位置，更好地描述源区的几何形态和演化状况，须要运用密集排列的应力应变测量仪。光纤传感器是能实现远距离和密集排列更用传感的宽带

20、、高网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。5 .在电力工业中的应用光纤传感器因不受电磁场干扰、可实现长距离、低损耗传输，已成为电力工业应用的志向选择。电线的载重盘、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤传感器进行测员。在自然环境中，由大雪等对电线施加的过用的压力可能会引发危急，因此须要在线检测电线的压力状况，特殊是对于那些不易检测到的山区电线。光纤传感器可测电线的效重量，其原理为把我重量的变更转化为紧贴电线的金属板所受应力的变更，这应力变更被粘于金属板上的光纤传感器探测到。这就是利用光纤传感器实现远距离恶劣环境卜测量的变例。在这种状况卜.，相邻光纤

21、传感涔的间距较大，故不需快速调制和解调。此外，最近还报道了由两个550IIIn波段的光纤和解调用的光谱仪所组成的传感器，胜利地测量了高压变压器的绕线温度，在较大温度位围内的测此精度为IC。13存在的向期光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有若广袤的发展.迄今为止，已有的光纤光栅传感技术还存在着以下的不足：1 .现仃的光纤光栅传感器都是针对特定结构特殊加工制造的，用于传感的光纤光栅往往对多种信号敏感，其中最我要的是温度与其他测量Ot量的交叉敏感，这就须要设置相应的温度补偿装置或采纳单一敏感的调制解调技术。2 .信号解调：试验中一般采纳光谱分析仪，但它价格昂贵、体积大，尤其是不能输出与被测物

22、理量成正比的电信号，因此在好用中必需开发出高效低成本的信号解调系统。3 .封装后的光纤光栅传感器的传感机理还须要进一步探讨，尽最大可能的提高封装的光纤光栩传感器传感的灵敏度系数。4 .光纤光栅传感器常在动态系统中应用，对其动态响应特性的探讨是很重要的一方面，但H前尚无人进行探讨。5 .光源：光纤光栅传感器需用大功率宽带光源或可调谐光源：目前一般采纳的测面发光二极管(E1.ED)功率较低，而激光二极管(1.D)的带宽则较窄.6 .波分旦用、时分复用的多路传感器阵列探讨：实现多参数、多变量同时测量的智能化遥测是发展的重点。7 .进一步完善现有的光栅写入方法和封装技术，发展新的写入方法，尤其是例啾光

23、栅的写入方法，降低光纤光栅的成本，提高其运用寿命。1.6论文的主要内容及工作本论文对光纤布拉格光栅温度传感器响应时间测试系统设计进行探讨。1 .查阅资料了解光纤传感技术的发呈现状：2 .驾驭光纤布拉格传感器的原理和测试方法：3 .选择合理的设计方案，实现利用光纤布拉格传感器进行高温测试的设计：4 .合理的设计温度传感系统结构.温度测试范闹100OC2000C：5 .合理设冲光纤光栅温度传感器的响应时间测试系统结构：6 .做试验测试裸光纤和铠装光纤的响的时间,并分析封装结构对响应时间的影响。2.光纤光棚的简介2.1 光纤光的分类从光纤光栅的出现至今已有30几年了，出于实际应用的须要，人们研制出了

24、各种用途、特性各异的光纤光栅。归结起来可以分为两大类：匀称光纤光捌和非匀称光纤光栅1 .匀称光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向匀称且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。这类光纤光栅的典型代表有光纤布拉格光栅、长周期光栅和闪烁光纤光椭等。1)光纤布拉格光栅(FBG)U%又称短周期光栅或反射光韧.光捌的波矢方向与光纤轴向方向一样，其栅格周期小于Ium,一般为0.5nm量级，折射率调制深度典型值为0-s-10其折射率分布为=q+M38s(2r%).能量耦合发生在两个反向传输的模场中，这种光纤光栅具有较窄的反射带宽(10加)和较高的反射率(100%)。其反射喈宽和反射率可以依据须要，通过变更写入条件而加以

25、敏然地调整，这是最早发展起来的一类光纤光栩，也是最常见、应用得最广泛的光纤光栅。2)长周期光纤光栅(1.ongPCriodGrating1.PG)g：顾名思义，这种光捌的周期比一般的布拉格光栅耍长，大于M)OUmm,一般在数百个微米氏级。它是将前向导波模耦合到不同级次的包层模之中去，其作用相当于一种波长可选择的港波元件。长周期光栅的工作原理是通过选择肯定的光栅周期，使得基模与个前向传播的包层模满意相位匹配条件凡=2%(其中和0分别表示导波的基模和耦合产生的传输常数，A是长周期光栅的周期)的特定波长发生耦合，使光在包层中因汲取和散射而损耗掉。由于耦合发生在前向导波模之间，长周期光栅是一种透射型光

26、栅，它的背向反射极低，约为-80dB：它在光纤通信系统中有重要的作用，如可以制成模式转换器、各种波波器、以及作为光纤放大器(EDFA)增益平坦谑波元件。3)闪烁光纤光栅(BIazedFiberBraggGrating)1181：也称为倾斜光楣(TntedFiberGrating).在制作光栅的过程中，让紫外光通过相位掩模后的照耀方向与光纤轴不垂直，结果干涉条纹与纤芯成肯定得角度，也就是说光栅波矢方向与光纤轴线方向不样，从而形成闪烁光栩。这种光栅不但能引起反向导波模相合，而且还能聘基模耦合到包层模中损耗掉。基于闪烁光纤布拉格光棚的包层模耦合形成的宽带损耗特性，可将其用于掺辑光纤放大器(EDFA)

27、的增益平坦。2 .非匀称光纤光捌：捌格周期沿纤芯轴向不匀称或折射率调制深度不为常数。从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性明啾光纤光栅、分段明啾光纤光栅以及非匀称特种光纤光栅等。1)例啾光纤光栅(ChirPGrating)I网：栅格周期沿光纤轴向方向是变更的，地常用的明啾光纤光栅是线性明啾光纤光栅“这种光桩的纤芯折射率沿轴向上线性单调变更.，这种光栅的折射率分布函数可衣示为:/：(；)=ZJ1+ff()I+Vcos%8（三）其中,A%（三）是有效折射率：V为折射率变更的条纹可见度；伊)用来表示光栅的例啾。由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，因此线性弱啾光纤光栅能

28、鲂形成很大的反射带宽和稳定色散，其宽度足以覆盖整个脉冲的谱宽，因此可以构成宽带灌波器，在波分复用(WDM)通信系统的用于色敢补偿。2)非匀称特种光纤光栅：采纳特定形式的函数对光纤光栅(布喇格或明啾光纤光栅)的栅格周期或折射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的啊啾光纤光桃.典型的有如下几种：a相移光纤光栅I刈：相移光纤光棚就是通过些方法破坏光纤光栅折射率分布的连续性，在匀称周期光纤光极的某些特定点上产生相移。比如破坏布喇格光栅某些点的周期连续性后，增加光栅的透射性，这就使得对选择波长的实力增加。b莫尔光纤光栅是采纳两组具有微小周期差异的紫外条纹对光纤同一位置进行二次暴光所得到的光栅,其光谱特

29、征是在反射带中开个很窄的透射窗口，它实际相当于一个%相移光栅。c.切趾光桃忠】：切趾光栅是采纳特定的函数形式对光纤布拉格光栅的折射率调制深度进行调制而形成的光栅。光捌的折射率分布有中间向两端渐渐递减至零，使得折射率不会突变，因而不存在旁瓣.其反射谱的形态可以通过变更具调制函数及有关参数而得到限制。利用切趾光栅能改善光谱的特性，可以符其用于光纤通信系统中的色敢补偿及多波长激光器的制作。d超结构光纤光栅网:超结构光纤光栅就是利用波函数对光纤布喇格光栅或明啾光纤光栅的折射率分布进行调制而形成的光栅，这种光栅的反射谱具有一组分立的反射%22光纤光高温传感的封装工艺探讨随着光纤光栅制造技术的不断完善与应

30、用成果的日益增多，光纤光栅成为目前最仃发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一，易于组网复用，实现准分布式测量，可以运用在恶劣环境的场合，是传统传感器的志向替代品。由于裸的光纤光栅直径只有25um,在恶劣的工程环境中简洁损伤，只有对其进行爱护性的封装(如埋入衬底材料中)，才能蜴予光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命，传感器才能交付运用。同时，通过设计封装结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿、应力和温度的增敏等功能,这类“功能型封装”的探讨也正逐步受到重视“因此，近几年.光纤光栅高温传感器的封装技术始终是光纤传感领域具有实际应用价值的课题。现有封装工艺分析(I)自由式封装工艺FBG除对温度敏感

31、以外，还对外界应力敏感，如何消退应力带来的影响也是光纤光柚传感器实际应用中必需考虑的问题.光栅自由式封装工艺就是使光纤光韧处于自由状态，不受应力的影响或影响很小。其封装示意图如图2.1.图2.1自由式封装示意图经封装后，由于FBG弯曲，盒内FBG两端的光纤处于松弛状态，便轴向应力不会传递到FBG上：外面的封装盒起到爱护和屏蔽外压的作用，从而使光栅不会受到外界压强和压力的影响，小槽内填充物为导热体，不固化，对外界应力有缓冲和汲取的作肋因此,光纤Bragg光栅的波长漂移量仅受温度的影响,不会受到外界应力的影响。(2)灌封式封装工艺在进行温度传感器设计时，起先考虑用封装胶封装在细金属管中，将光纤光栅

32、放置到预先设计的金属套管中，施加肯定的预应力以保证灌封以及固化过程中光纤光栅始终处于伸直状态。结构如图2.2,在灌封过程中将金属套管倾斜，然后沿套管缓慢注入聚合物液体，防止气泡的产生，不能完全将金网套管灌满，需留有肯定空间裕度，以保证聚合物材料受热后能完全膨胀，避开光纤光栅温度响应的非线性。金属管封装胶龙千Bragg光栅图2.2级封式封装示意图(3)两点式封装工艺所谓两点式封装就是将光纤光栅两端固定，使光栅处于拉紧状态，即封装时给光纤光栅施加忖定的预应力，结构如图2.3,在封装过程中调整光纤光栅波长，可以使光纤光栅始终保持张紧状态，避开封装过程中由丁光纤光栅自由状态的不确定而在温度变更中波长温

33、度特性的不桎定，保证了光纤光栅的线性和重及性。在温度上升的过程中，光纤光楣同时受到金属管的轴向拉应力，因此，其波长的漂移是温度和轴向拉力共同作用的结果，从而提高了光纤Bragg光栅的温度灵敏度。金属管光纤Bragg光梃图2.3两点式封装示意图(4)贴附式封装工艺贴附式封装是将光纤光栅粘敷在某种具有时温度敏感的有机物、金属、合金及特殊弹性体表面的技术。采纳一种耐高温胶将光纤Bm用光栅封装于基底材料上，利用基底材料的热膨胀系数比光纤Bmgg光栅大,利用基底材料的带动作用使光栅反射波长变更,该温度传感器尺寸小、封装方法简洁，结构如图2.4。图2.4贴附式封装示意图光纤光栅高温传感器的封装工艺上述四种

34、温度封装方法，在各自的应用领域各有其优缺点。对下自由式封装工艺，虽然这种封装工艺可以屏蔽外界环境应力对光栅测量温度的影响，但操作很困难，且测员温度不高，般低于100C：对于灌封式封装工艺,由于金属管很细,很难将股匀称地密封在细钢管中.且由于给光纤光栅施加预应力比较困难，光纤光栩在封装后，处于相对自由状态，可能弯曲，且弯曲方向不固定。所以，细金属管和光纤光栅之间是一种不确定的关系，在温度上升时，波长漂移的线性度不好，重应性不好0假如选用聚合物胶，由于聚合物在固化过程中，发生收缩，会产生光纤光栅的明啾化，测量温度低于I80-C；对于两点式封装工艺，给光纤光栅施加肯定的预应力，避开封装过程中由于光纤

35、光栅自由状态的不确定而在温度变更中波长阻度特性的不稳定，但在高温状况下，两端粘结点处的涂敷层简洁脱落，从而使光纤光栅温度传感出现非线性或传感失效：贴附式封装工艺虽然有封装简沽、传感器微型化的优点，但由于受到选股、高温高压固化和粘贴工艺等因素的严格制约，难以作到匀称和刚性粘贴，因此其好用化程度和高精度化程度受到了限制。光纤光栅的封装是光纤光栅高温传感技术中不行回避和逾越的问题，对丁光纤光栅将温传感技术来讲，封装工艺和常温下传感器的封装工艺相比，要求更尚，在设计的过程中必需留意以下问题：I.封奘可操作性强，光纤光栅的封装工艺是光栅传感器走向好用化的关键技术,封装工艺必需简洁、固化过程简洁实现。2.

36、封装材料能优化温度灵敏度和测量范困之间的关系。在测量:范围确定后，须尽故提高温度灵极度。而一阶响应灵敏度系数越大，其线性度越好，非线性现象越不明显，即基体材料的热膨胀系数越大，在高温段的亦线性的影晌越小，线性度相对越好。2.3光轩光”作技术自1978年人们首先在掺错光纤中胜利地写入光纤光栅后，光纤光栅的制作正式起先。从1989年横向干涉法出现至今，光纤光栅制作技术已趋于成熟。采纳适当的光源（盥外光源或Ca激光器等）和光纤曾敏（参杂光纤或高压载氮）技术,儿乎可以在各种类型的光纤上程度不同地写入光栅，目前行之有效的方法可以分为三类：干涉写入法、逐点写入法及组合写入法。干涉写入法1 .驻波干涉法亦称

37、纵向驻波法或者内部写入法。成栅机制：注入光纤的入射光和从光纤另一端面返回的反射光在光纤内形成的驻波，经过一点时间曝光后使纤芯的折射率形成周期性分布.优点：装置较简洁，操作要求低。缺点：光椭波长与写入波长样，成棚单受限。2 .全息相干法亦称横向相干法或者外侧写入法。成栅机制：两束振幅分束的相干光在光纤中曝光,由干涉产生的周期性光强分布使纤芯的折射率形成周期性分布。优点：激光能量低，可敏捷选择光栅波长.缺点：时光源的空间相干性、时间相干性及四周环境要求很离。3 .模版衍射法1）相位掩膜法相位掩膜法又称相位光捌衍射相干法。成栅机制：入射的紫外光经相位模板空间调制，在模板后形成不同周期的衍射条纹，使纤

38、芯的折射率形成周期性分布。优点：稳定，重复性好，对光源的相干性要求较低，适于大规模生产。缺点：每块模板只能制造固定或稍有差异周期的光纤光栅，且需严格限制相位模板的刻蚀深度和占空比，高质辰的模板造价高。2）振幅掩膜法振幅掩膜法亦称振幅光槌衍射相干法。成椭机制：鳌外光入射到振幅模板后，经过一个光学系统将振幅模板图像精缩并成像r光纤上，使纤芯的折射率形成周期性分布.优点：与相位掩膜法相比，模板制作相对简洁，成栅周期大。缺点：无法制作出一阶反射波位于155Onm旁边的FBG,对光学系统要求很高。逐点写入法逐点写入法亦称点点写入法。成栅机制：将聚焦激光束投射到由精密机构限制位移的光纤上，通过轴向移动对光

39、纤曝光，使纤芯的折射率形成周期性分布。优点：破捷性高，光描参数(长度、周期及折射率轮廓)可调控，适用丁在线写入.缺点：须要困难的聚焦光学系统和精确的位移移动技术，光栅制作耗时长，成栅效率低。组合写入法组合写入法是将前述各种写入方法与写入装置进行有机组合，同时考虑光源性质及光纤的制作及连接等因素，可以制作结构丰宫、形式多样、性能优异的光纤光栅。主要有以下几种写入方法：(1)两次曝光法基于相位掩膜法。首先，用一不透光挡板沿光纤轴向匀速(或非匀速)移动，同时用匀称紫外光对光纤曝光，形成一个渐变的折射率梯度：然后，再通过相位模板在第一次曝光区域上写入周期匀称的光阳。该法适用于各种类型明啾光纤光册的制作

40、。(2)变迹曝光法基于相位掩膜法，通过曝光光束的输出功率限制及变速扫描相位模板以限制纤芯折射率分布的包络变更。该法适用于非匀称特种光纤光栅的制作，但曝光光束的输出功率及扫描速率须精确调控.(3)外场作用法基于相位掩膜法，但在曝光时同时对芯径匀称光纤施加外场(如应力拉伸与弯曲、力矩扭曲、温度变更等)以限制纤芯的折射率分布.该法适用于多钟结构的非匀称光纤光栅的制作，但外场的施加与分布须精确调控。(4)在线写入法是全息相干法与逐点写入法的有机组合。在光纤拉制过程及纤芯未包出之前将光栅写入光纤。变更脉冲激光功率、干涉光束的交角及光纤拉制速度，可敬拢地调控光栅参数。该法对大批量生产光纤光栅及在同一根光纤

41、上制作光纤光栅阵列具有重要的应用价值。(5)刻槽拉伸法首先用精亲密割机对光纤进行精密性机械刻槽：然后用级气火焰对V形槽区域的光纤进行拉伸退火，导致纤芯折射率的周期性变更。该法适用于制作长周期光纤光栅，对机械加工的精度耍求较高，目前很少被采纳。(6)透镜阵列法设计一种相比无间隙的微透镜阵列，将一平行的宽束准分子激光聚焦成平行等间距的光条纹投影到单模光纤上，使纤芯折射率呈现周期性的变更，光栅周期由微透镀之间的中心距离确定。该法可快速制作布拉格及长周期光纤光栅，但微透镜模板的制作特别困难。(7)Ca激光写入法采纳1.6um自由空间CO：激光器对光纤干脆曝光并辅以计算机平台限制,可制作周期不同的长周期

42、光纤光棚。该法无须紫外光，光纤亦不用我氢处理，具仃良好的应用前身叫.3.光纤布拉格光棚传感原理3.1 光纤光IfHt惠原理光纤Bragg光栅传感器的基本原理是:当光栅四周的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变更时.将导致光栅周期或纤芯折射率的变更,从而产生光栅Bragg信号的波长位移.通过监测Bragg波长位移状况,即可获得待测物理量的变更状况。如图3.1为光纤Bragg光栅的传感原理图。全息写入光栅心=2%A图3.1光纤布拉格光槽传感原理光纤布拉格光栅是通过变更单模光纤芯区的折射率,使其产生小的周期性调制而形成的。将光纤置于周期性空间变更的激光光源卜,即可在光纤纤芯中产生这种折射率变更.由

43、于周期性折射率的扰动仅会对很窄的小段光谱产生影响.这样光纤光栅事实上就起到了光波选择反射镜的作用，当光栅所受应变和其四周温度发生变更时,会导致其芯区的有效折射率力和光栅周期A的变更,从而使布拉格波长发牛.偏移（如图3.1）。通过检测儿的偏移量,即可获得相应的应变和四周的温度大小,这就使得FBG可以作为传感器。当光纤布拉格光栅受到外力作用产生应变时,光栅周期将发生变更,同时有效折射率由于弹光效应也会发生变更，如图3.2所示。图32光纤传感器原理结构图3.2 .光纤布拉格光合镇理论耦合模理论是诠择光波在波导中的物理行为即波导中的同类模和不同类模之间功率交换行为的基本方法，亦是分析光纤光刷的最有效方

44、法。光纤布拉格光栅特性光纤布拉格光栅是由于紫外光在光纤纤芯内的干涉，使纤芯折射率被调制成周期性变更,形成空间相位光描。其结构如图3.3所示。光纤纤芯布拉格光椭光纤包层图3.3光纤布拉格光相结构由于纤芯折射率发生变更导致光波导条件的变更，让特定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。对于阶跃光纤，在光纤的曝光区域，可以由下列表达式给出折射率分布较为一般的描述B1.j1.1.+F(r,z)r,n(r,z)=n2a1.1.,由于折射率的不变，则：F(r,z)=0(3.(4)上面式子中，4为光纤纤芯半径：生为光纤包层半径：外为相应的纤芯初始折射率:%为包展折射率：(r

45、.*.z)为光致折射率变更：小为空气的折射率：A”M为折射率最大变更量。基于光纤光栅的非匀称分布，非匀称性主要包括光栅周期以及折射率调制的渐变性以及折射率调制在横被而上的非匀称分布等。可以干脆采纳傅立叶级数的形式对折射率周期变更或准周期变更进行分解，可采纳下列的一般函数来描述光致折射率变更：F(r,0z)=三三j1(,Z)七/cos(5+（三）)zqV-O(3.(5)式中外(re.z)表示由于纤芯对紫外光汲取作用而造成光纤横向界面曝光不匀称性或其它因素造成光纤轴向折射率调制不匀称性，4=2%表示光栅传播常数，A为光棚传播周期，m为非正弦分布时进行傅立叶绽开的谐波阶数，4为绽开系数.。(二)表示

46、周期非匀称性的渐变函数。由式子。1)和(3.5)可以得到栅区的实际折射率分布为:f(r,Z)=ni+11m,xcos(4h+（三）)zQ-O(3.(6)在实际制作光栅时候，要保证折射率变更按志向的周期性变更是比较困难的一般状况卜.，可以将光纤光栅折射率变更作为近似匀称分布处理。在这种状况卜.，式(3.6)化简为：M(r)=H1.+nnncos11z1.AJ(3.7)描合模理论网电磁波理论认为，光波是一种电磁波，光在光纤中的传播可以以麦克斯韦(MaXWC1.D方程为基础，加上光传播的边界条件，对其传输规律进行探讨。由光纤结构的横向和纵向有较大的不同，将光场分解为横向重量和纵向重量之和：E=E,+

47、E.,=,+.下标1与Z分别表示横向与纵向.莫符V也可作同样处理：v=v,+,4表示单位矢量，沿Z方向。由麦克斯韦方程：Vx/=uai1.n2E(3.8)Vx=i(t)Jf,H(3.9)可以得到:E=1.rRx”,(3.10)icQfH=1.HX(3.11)上面式子中，是光的角领率,搅和M分别是真空中的介电常数和磁导率，n为相对折射率。两个式子表示电磁场横向重量和纵向盎量可以相互转化，故可只探讨横向亚峨。横向麦克斯韦方程:V,X(VXE)+gxj=i州E(3.12)J-V,x(j%xh+x学=T*(3.13)为了得到解方程(3.12)和(3.13)的解，可用志向波导模来近似。从志向波导的折射率分布为=联乂)，)可看出，分布与Z无关，符合方程(3.和(3.13),得到志向波导模的横向电磁场方程:-表HX(VXEH)-源(U等J=i叫或(3.14)J-WX(JF匕X/卜1.X隼=TMHn1.(3.15)“/