（電磁場與微波技術(shù)專業(yè)論文）雙光纖光柵傳感器的研究.pdf

中文摘要 摘要：本文旨在提出一種簡單易行的光纖光柵傳感器，使其能應(yīng)用在一些對 成本有嚴(yán)格要求，對精確要求不是很高的環(huán)境中，進(jìn)一步擴(kuò)大光纖光柵傳感器的 適應(yīng)范圍。 首先針對雙光纖光柵傳感器做相應(yīng)的理論分析，然后設(shè)計了一種用雙啁啾光 纖光柵來實現(xiàn)的應(yīng)力傳感器及一種用保偏光纖光柵來實現(xiàn)的溫度傳感器： 1 ) 分析了光纖光柵的溫度傳感原理和應(yīng)變傳感原理，總結(jié)了溫度與應(yīng)變交叉 敏感解決辦法及封裝技術(shù)的進(jìn)展； 2 1 在光纖布拉格光柵的耦合模理論基礎(chǔ)上推導(dǎo)出啁啾光柵和保偏光柵的特 性并得到了相應(yīng)的仿真圖； 3 ) 提出了一種雙啁啾光纖光柵應(yīng)力傳感器，并將設(shè)計的雙啁啾光纖光柵應(yīng)力 傳感器與單片機(jī)結(jié)合成功構(gòu)建了一種新型的公路交通流量監(jiān)視系統(tǒng)。首先 利用單片機(jī)的接口技術(shù)將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后用 單片機(jī)編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及分析，成功的通過檢測電壓的變化來進(jìn)行輪 軸識別，最后用單片機(jī)進(jìn)行采樣運算比較，判斷車型。建模仿真結(jié)果證明， 此監(jiān)控系統(tǒng)能很好的識別各種車型，完成對公路交通流量的監(jiān)控； 4 ) 在研究了保偏光纖光柵特性之后提出了一種溫度傳感器，利用保偏光纖光 柵構(gòu)成的激光器來實現(xiàn)溫度的傳感。從理論上仿真驗證了此傳感器的可行 性。 關(guān)鍵詞：雙光纖光柵傳感器：溫度傳感器；應(yīng)力傳感器；啁啾光柵；保偏光纖光 柵 分類號：t n 2 5 3 a b s t r a c t a b s t r a c t ：h ln l i sw o r k ，as i m p i e 叩t i c a l 舳盯黟a t i n gs 肌s o ri sp r 叩o s c da n d d 鋤o n s 仃a t e d nc 姐f i n da p p l i c a t i o 璐i ns p e c i a l v i r 0 姍既t s 謝ml o w e rc o s t 鋤d a c c i l r y ，鋤da l s oi tw i l le x p 饑dm ea p p l i c a t i o no f6 b 盯伊a t i n gs 饑r f i r s to fa l l ，w e 鋤a l y z e 也e 廿l c o 巧o ft l l ed u a l - 肋e rb r a 鶴g 撕n gs e m o r s t l l 肌w e d e s i 朗as 仃c s ss e m o rb 嬲e do nd o u b l 爭咖叩e d 納盯黟a t i n g 觚dat a n p e r 蚰鵬s 鋤o r b a s e do nd o u b l ep o l a r i z a t i o nm a i n l 越i l i n gf i b e r 孕a t i n g 1 ) t l l i sp a nc o r 塔i s t so fm r e ep o i l l t s ，r m m e l y n l e 也e o r i e so ft 鋤p 睨a l u 塢s e n s o r 鋤ds 仃a i ns 鈕s 0 r m es o l u t i o no ft e i n p e r a t u r em ds 砌nc r o s s - s 吼s i 6 啊壩a n d t l l ep r o g 胛s so f p a c k a g = i 1 1 9t e c l l i l o l o g y 2 ) a c c o r d i n gt 0n l ec o u p i c dm o d cm e 0 w ed 耐v en l ec h 觚蛾e r so f 出m e d 鯽i n g 鋤dp o l a r i z a t i o nm a i n t a i l l i n g 袖e r 蓼a t i n g s i n 】【u l a t i o 船a r e 麗c do u t 3 ) a d o l l b l 爭螄r p e df i b c r 伊a t i n gs t r e s ss e n s o ri sp r o p o s e di i lt l l i sp a r t an e w 仃a 伍cm o i l i t o 血gs y s t 鋤i sc 0 璐t n j c t e db 鶴。d0 nt l l ec 脅i i l a t i o no ft l l en e w s m s o r 鋤ds i n 酉e 出p m 廿l ep r o p o s e ds c h 鋤e ，t l l e 鋤小o gs i 印a 1i s 矗r s t c o n v e n e dt 0 也ed i 百t a ls i 印a l 吐啪u g i lm es i n 舀e 出pi i l t e m c et e c i l i l o l o g y 趴dt l l e nw ed e v e l o pam p u p r 0 筍齜m i l i n gt 0p r o c 懿s q u i r c ：dd a t a f i n a l l 弘 t h es y s t e m 踮c c i 陷s 如l l yi d 脅t i f i 鷦m e 觚l eb yd e t 枷n gv o l t a g ec h 姐g e s ，觚d d e t e m i n 鋁廿l ey e i l i c l em o d et h r o u g l ls i i l 哲e 咖ps 鋤p l 協(xié)go p e r a t i o n s t h e 托姒l t ss h o w sm a tt i l e 衄伍cm o l l i t o r i n gs y s t 鋤c o u l di d 伽l t i 匆m ev e k c i e m o d ec o r r o c t l y ，a c 伽m p l i s h 缸a m cn o wm o l l i t o r i l l g 4 )a t e m p e r a t 哪廣es 饑s o ri sp i 0 p o s e db 嬲e do np o l a r i z a t i o nm a i n 僦n gf i b 盯 彤嶇n g b yu s i n gt l l i ss 鈕s o ra n d0 p t i 叫m 嬲廿l et 鋤p e r a t i 鵬s 饑c o m d b e c o m p l i s h e d 1 1 l i sp a p e r 謝f i e d 塢觚i b i l i t yo f l es e 鵬0 r 1 1 0 u g l l n u m e r i c mc d i c u l a t i o n 鋤ds i m u l a t i o n 1 皿y w o r d s ：d o u b l e 肋盯黟a t i n gs 既s o r ；t 鋤p 蹦m 鵬s 朗s o r ；s 骶s ss 饑s o r ；d l i 印e d 黟撕n g ；p o l a r i z a t i o nm a i n l a i l l i n g 伊a t i n gs 脅s o r c l a s s n o ：t n 2 5 3 致謝 本論文的工作是在我的導(dǎo)師寧提綱教授的悉心指導(dǎo)下完成的，寧提綱教授嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響，我將受益終生。在這 二年多來，無論在學(xué)習(xí)方面，生活方面，還是思想方面，寧老師都密切關(guān)注著我 的動態(tài)，鼓勵我，支持我，幫助我。借此機(jī)會，在此衷心感謝這二年多來寧提綱 老師對我的關(guān)心、指導(dǎo)和幫助。 周倩、李晶、彭萬敬、尹國路、馮樹春博士對于我的科研工作和論文都提出 了許多的寶貴意見，在此表示衷心的感謝。 在實驗室工作及撰寫論文期間，曹毅、呂濟(jì)根、師家紅、畢重穎等同學(xué)對我 的工作給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。 另外也感謝我的家人，他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專心完成我的學(xué)業(yè)。 、 l 引言 光纖是現(xiàn)代化通信網(wǎng)中傳輸信息的媒質(zhì)，早在1 9 6 6 年的時候，一個在英國實 驗室工作的英籍華人高餛就大膽地提出了可以將高速的信息光脈沖發(fā)送到一根纖 細(xì)的玻璃絲中的概念，并且做了一系列的實驗去驗證這個概念，最終證明這個概 念是正確的。接著，1 9 7 0 年美國康寧公司實現(xiàn)了可在室溫下連續(xù)工作的低損耗光 纖和半導(dǎo)體激光器，從而揭開了光纖通信的序幕。而后激光和低損耗光纖的相繼 問世推動了光纖通信的迅猛發(fā)展i l j 。 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場 圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性 空間的相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的( 透射或反射) 濾波 器或反射鏡。 1 1光纖光柵傳感器的發(fā)展歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心( c 趾a d i 鋤c o m m u i l i c 撕o nr e s e a r c hc 的k o h i l l 等人在實驗中將波長為4 8 8 n m 的氬離子激光入射到摻鍺的光纖中【2 】，觀察到 兩柬反向傳播的4 8 8 衄氫離子激光在光纖中形成的駐波干涉條紋能夠?qū)е鹿饫w折 射率沿光纖軸向周期性變化，而且這種變化是永久性的，這就是所謂的“h i l l 光柵 【3 】o 這種被稱為“h i l l 光柵 的器件具有極好的波長選擇性，對某一極窄帶寬內(nèi)光 波的反射率接近1 0 0 ，而其它波長的光則可以全部通過?！癶 i l l 光柵 的出現(xiàn)，是 摻鍺石英光纖非線性研究的重大成果，標(biāo)志光纖光柵的誕生。但這種光柵響應(yīng)波 長受激光寫入波長的限制，而且具有入射效率低等缺點，使得在很長一段時間里， 這本具有非常大的開發(fā)潛力的光子器件及其制作技術(shù)并沒有得到人們的足夠重 視。 1 9 8 9 年，美國東哈特福聯(lián)合技術(shù)研究中心i l i t e dt e c h n o l o g i 骼r 鷦e a r c hc 鈕t 呻 的q m e l t z 等人利用兩束相干紫外光形成的干涉條紋從光纖的側(cè)面寫入了可以用 于光纖通信紅外波段的光折變光纖光柵【4 】，發(fā)明了紫外側(cè)寫入技術(shù)。這種方法被稱 為橫向全息成柵技術(shù)( m l s v e 娼eh o l o 筍a p h i c ) 。相比h i l l 提出的光柵寫入法，這種 光柵寫入技術(shù)不僅提高了光柵的寫入效率，而且通過改變兩束相干光的夾角，還 可以改變光柵周期，這樣就能控制光纖光柵的布拉格波長。另外這種技術(shù)可以寫 入b r a 鵲波長在紅外波段的光纖光柵，使制備的光纖光柵在光通信領(lǐng)域中具有潛 在的應(yīng)用前景。 1 9 9 3 年，k o h i n 等人提出了相位掩模成柵技術(shù)，它們先用紫外激光通過相 位模板后的+ 1 級衍射光，這些衍射光相干形成了周期性的明暗條紋，用這些明暗 條紋對光纖進(jìn)行曝光【5 】，從而制作出光纖光柵。這項技術(shù)對寫入光源時間相干性的 限制放寬了，大大降低了光纖光柵的制作難度。正是因為有了相位板寫入技術(shù)， 光纖光柵才有了一種能大批量復(fù)制的能力，這樣光纖光柵才真正走向了實用化、 產(chǎn)品化。相位掩模法是到現(xiàn)在為止最成熟的b r a 鵲光纖光柵的制備方法，在對激 光光源相干性的要求降低的同時，制備的復(fù)雜程度也大大降低，從而大大簡化了 光纖光柵的制備過程，這些優(yōu)點使得光纖光柵的制備過程變得簡單化。同年，b e l l 實驗室的p j l c 孤a i 塢等人使用光纖載氫技術(shù)簡單而有效的增強(qiáng)了光纖的光敏性。 這種方法適用于任何摻鍺的光纖。通過光纖的載氫能夠?qū)⒐饫w的光敏性上升兩個 數(shù)量級。這樣，可以避免使用價格昂貴的高濃度摻鍺光纖，普通便宜的通信光纖 就能容易地制作出高反射率的光纖光柵。光纖高壓載氫技術(shù)與相位掩模成柵技術(shù) 的相結(jié)合，使得制作光纖光柵的成本大大降低，從此以后，光纖光柵器件逐漸往 經(jīng)濟(jì)化，實用化的方向發(fā)展。隨著光纖光柵技術(shù)的成熟，各國對光纖光柵的研究 飛速發(fā)展起來，光柵的寫入法不斷得到改善，光纖的光敏性逐漸提高，一些特種 光柵也相繼問世，各種具有不同傳輸性能的光纖光柵相繼被研制出來，基于光纖 光柵的各種器件不斷涌現(xiàn)，促使光纖光柵應(yīng)用于光纖通信，光纖傳感和光信息處 理等眾多領(lǐng)域。 光纖光柵的出現(xiàn)使許多復(fù)雜的全光通信和傳感網(wǎng)絡(luò)成為可能，并極大地拓寬 了光纖技術(shù)應(yīng)用范圍。經(jīng)過十多年來的研究，已基本探明了光纖光柵傳感的機(jī)理， 多種用于測量各種物理量的結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器已被制作出來。目前，光纖光柵 傳感器可以檢測的物理量包括應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、陀螺、位移、液面、扭角、轉(zhuǎn) 矩、光聲、加速度、電壓、壓強(qiáng)、電流、磁場、頻率、濃度等。與傳統(tǒng)的基于電 學(xué)量的傳感器比較，光纖光柵傳感器具有許多獨特的優(yōu)點： 1 ) 可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)。由于光纖光柵對被感測信息用波長編碼，而波 長不受光纖彎曲等因素引起的系統(tǒng)損耗的影響，也不受光源功率波動的影響，它 是一種絕對參量，因此基于光纖光柵的傳感器具有很高的可靠性和非常好的穩(wěn)定 性。 2 ) 傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單小巧，適用于各種不同的應(yīng)用場合，尤其適合于埋入材 料內(nèi)部構(gòu)成所謂的智能材料或結(jié)構(gòu)，對智能材料或結(jié)構(gòu)的安全性、損傷程度、載 荷疲勞等狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)測。 3 ) 測量結(jié)果具有良好的重復(fù)性，光纖光柵經(jīng)封裝后，傳感器的使用壽命可大 大提高。在不對光纖光柵進(jìn)行機(jī)械硬損傷的前提下，可在測量工作范圍內(nèi)對傳感 量進(jìn)行多次重復(fù)測量。 2 4 1 光纖光柵傳感器可以在對光纖光柵進(jìn)行定標(biāo)后作絕對測量，不必像基于條 紋計數(shù)的干涉型傳感器那樣要求初始參考。 5 ) 可復(fù)用性強(qiáng)，采用多個光纖光柵傳感器，可以構(gòu)成分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)， 進(jìn)行大范圍的多點測量。 6 1 光纖光柵可進(jìn)行多個參數(shù)的傳感。利用一個或者多個光纖光柵級聯(lián)，或者 利用一個光纖光柵與其它傳感器結(jié)合，通過測量偏振態(tài)、諧振波長等參量的變化 就可以實現(xiàn)對多個參數(shù)的傳感。 7 1 光纖光柵的寫入技術(shù)已比較成熟，便于大批量生產(chǎn)光纖光柵，使得其生產(chǎn) 的成本大大降低，整個光柵傳感器的成本也由此降低，更有利于傳感器的推廣使 用。 光纖光柵傳感器由于具有上述諸多優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)【6 h 9 】。 1 ) 民用工程中的應(yīng)用 民用工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測日益引起人們的重視，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，力學(xué)參數(shù) 的測量對于橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運動場館的維護(hù)是至關(guān)重要的，通過 測量建筑物的分布應(yīng)變，可以預(yù)知局部荷載的狀態(tài)。光纖光柵傳感器既可以貼在 現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的表面，也可以在澆筑時埋入結(jié)構(gòu)中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時測量，監(jiān)視結(jié)構(gòu)缺 陷的形成和生長。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分 布式檢測，傳感信號可以傳輸很長距離送到中心監(jiān)控室進(jìn)行遙測。因此在民用工 程中，光纖光柵傳感器成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測的最重要手段。目前，應(yīng)用光纖光柵傳感器 最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測【1 0 1 。 俄勒岡哥倫比亞河谷上的h o 體e t a i l 伽l 橋在1 9 1 4 年建的時候沒考慮到現(xiàn)今的 交通要求，后來采用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料對橋梁進(jìn)行加固。為了監(jiān)視加固后的 結(jié)構(gòu)情況，2 8 個光纖光柵傳感器安裝在兩根復(fù)合材料加固的混凝土梁上，從1 9 9 8 年起至今，每個月用便攜式光譜儀測量一次數(shù)據(jù)。 瑞士應(yīng)力分析實驗室和美國海軍研究實驗室，在瑞士洛桑附近的v i 嗽箱形梁 高架橋建造過程中，用了3 2 個光纖光柵傳感器對箱形梁被推拉時的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn) 行監(jiān)測，3 2 個光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、使用掃描法泊系統(tǒng)進(jìn)行信號解 調(diào)。 2 ) 在水位遙測中的應(yīng)用 在光纖光柵技術(shù)平臺上研制的高精度光學(xué)水位傳感器專用于江河、湖泊以及 排污系統(tǒng)水位的測量。傳感器的精度可達(dá)到o 1 f s 。光纖安裝在傳感器的內(nèi) 部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了光柵，并反射符合布拉格條件的某 一波長的光信號。當(dāng)光柵與彈性膜片或其它設(shè)備連接在一起時，水位變化會拉伸 或壓縮光柵。而且，反射波長會隨著折射率周期性的變化而發(fā)生變化。這樣，根 3 據(jù)反射波長的偏移就可以監(jiān)測出水位的變化。 3 ) 航空航天中的應(yīng)用 航空航天業(yè)是一個使用傳感器非常密集的地方，為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)變、 溫度、振動、起落駕駛狀態(tài)、燃料液位、超聲波場和加速度、機(jī)翼和方向舵的位 置等情況，通常需要使用1 0 0 多個傳感器，要求傳感器重量要盡量輕，尺寸盡量 小，光纖光柵傳感器只有一根光纖，敏感元件制作在纖芯中，從尺寸及重量的角 度來講恰好合適。因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，嵌入材料 中的光纖光柵傳感器可實現(xiàn)多點多軸向應(yīng)變和溫度測量，非常適用于飛機(jī)的復(fù)合 材料存在兩個方向應(yīng)變的情況【l l 】葉1 4 1 。 4 ) 電力工業(yè)中的應(yīng)用 光纖光柵傳感器和其它的光纖傳感設(shè)備一樣，具有不受電磁干擾、絕緣的特 性，非常適合應(yīng)用于電力工業(yè)中。電力工業(yè)的設(shè)備大多處在強(qiáng)電磁場中，一般電 器類傳感器無法使用。高壓開關(guān)的在線監(jiān)測，高壓變壓器繞組、發(fā)電機(jī)定子等地 方的溫度和位移等參數(shù)實時檢測都要求傳感器絕緣性能好，體積小，并且是無源 器件。光纖光柵具有的抗電磁干擾和它的安全性能恰恰滿足在這種環(huán)境條件下使 用。目前，光纖光柵傳感器己經(jīng)應(yīng)用在高壓線負(fù)荷的測量，測量變壓器線圈溫度 等電力工業(yè)相關(guān)參量的測定，隨著應(yīng)用的增加，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感 器制作成本必將迅速下降，光纖光柵傳感器將會在更多的新領(lǐng)域得到應(yīng)用。所以 光纖光柵傳感器在電力工業(yè)中的應(yīng)用前景非常好【1 5 】【l 們。 5 ) 核工業(yè)中的應(yīng)用 核工業(yè)是高輻射的地方，核泄漏對人類是一個極大威脅，貝爾格利核電站泄 漏的影響至今還沒有消除，因此對于核電站的安全檢測是非常重要的。由于核裝 置的老化需要更多的維護(hù)和修理，最終必須被拆除，所有的這些都不能在設(shè)計時 預(yù)見，因此需要更多傳感器以便遙控設(shè)備，處理不確定情況。同時核廢料的管理 也變得越來越重要，需要有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視核廢料站的狀況，對監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn) 定的要求也是前所未有的。 比利時核研究中心對光纖光柵傳感器用于核工業(yè)的可行性進(jìn)行了深入研究， 他們實驗測量了各種商用光纖光柵對c 輻射的敏感性。他們的研究結(jié)果表明：光 纖光柵溫度敏感系數(shù)在3 的精度內(nèi)不受c 輻射影響；光纖光柵反射波幅度和寬度 在c 輻射下沒有變化；光纖光柵波長在c 輻射下變化不大于2 5 p m ，并且c 輻射 劑量到達(dá)o 1 m g y 時，波長變化飽和。他們認(rèn)為可通過優(yōu)化光纖光柵的參數(shù)減小c 輻射敏感性。他們還研究了光纖光柵對中子輻射的敏感性，發(fā)現(xiàn)光纖載氫不僅可 以增強(qiáng)光敏性，而且也會增加對離化輻射的敏感性。 日本核能研究院1 9 9 9 年4 月2 0 0 0 年3 月的年度報告中提到，他們正在本國 4 測試材料反應(yīng)堆，通過輻射環(huán)境的測試來確保光纖光柵用于核電廠設(shè)備和管道的 傳感。 6 ) 醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中所用到的傳感器多為電子傳感器，由于電子傳感器中金屬導(dǎo)體很 容易受電流、電壓等電磁場干擾而引起傳感頭周圍熱效應(yīng)，這樣會導(dǎo)致錯誤的讀 數(shù)，這對許多的內(nèi)科手術(shù)是不適用的，尤其是在高微波( 輻射) 頻率、超聲波場或激 光輻射的過高熱治療中。近年來，使用高頻電流、微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代 替外科手術(shù)越來越受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注，增大診斷超聲系統(tǒng)的超聲波輸出并拓寬高 密度超聲波的醫(yī)療應(yīng)用也是一種趨勢，而且傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中也是具 有重要意義的，因為小尺寸對人體組織的傷害較小，而光纖光柵傳感器正是到現(xiàn) 在為止能夠做到的最小的傳感器之一。到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已成功地 檢測了病變組織的溫度和超聲波場，光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。 在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的定向熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房， 并注射一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟血液輸 出量，這對于心臟的監(jiān)測是非常重要的。 新加坡總醫(yī)院將南洋理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究中心研制出的一種光纖光柵 壓力傳感器用于外科校正，以便幫助醫(yī)生監(jiān)視患者的健康。埋有光纖光柵陣列的 腳壓傳感墊配上繪圖設(shè)備可以繪出外科校正壓力空間圖形，能用于監(jiān)視患者站立 時的腳底壓力分布。 7 ) 石油工程領(lǐng)域應(yīng)用 傳感器在石油工業(yè)中有著極其廣泛的應(yīng)用；例如溫度壓力測量、流量測量、 測井技術(shù)、地震檢波技術(shù)、長距離管線檢測等。但由于石油工業(yè)領(lǐng)域中惡劣的外 部環(huán)境，給傳感器提出了更高的要求，要求結(jié)構(gòu)小巧，并能克服油井中高溫、高 壓、強(qiáng)腐蝕、易燃易爆、高損耗等惡劣條件。傳統(tǒng)電類傳感儀器用于這種地方的 測量存在不安全因素，不適合這種在石油工業(yè)中的測量。但光纖光柵傳感器因其 本質(zhì)安全性而非常適合在石油工業(yè)中應(yīng)用。 油井井溫在石油勘探、開采和生產(chǎn)中是一個及其重要的參數(shù)，它對確定油層 的位置、油層的厚度等具有決定性的意義。分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)的研究為油 井溫度的測量提供了一種新的方法，系統(tǒng)采用與光纖光柵天然相容的光纖作為媒 體，因為光纖具有芯徑細(xì)小、本身絕緣的特點，所以此系統(tǒng)具有安全、可靠、抗 電磁干擾強(qiáng)的優(yōu)點、并且在惡劣的環(huán)境中可以對形狀復(fù)雜的溫度場進(jìn)行實時的快 速的定位與檢測【1 刀【1 引。 除上述應(yīng)用之外，光纖光柵傳感器還在其它很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并且許多 方面的性能都比傳統(tǒng)機(jī)電類傳感器更可靠、更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確。而且如果在光纖若 5 干個不同部位寫入不同柵距，這樣形成的光纖光柵可同時測量若干個不同部位相 對應(yīng)的物理量及其變化，從而實現(xiàn)準(zhǔn)分布式的光纖傳感?？傊饫w光柵傳感器 的應(yīng)用是一個方興未艾的領(lǐng)域，有巨大的發(fā)展空間。 1 2課題研究的目的及意義 隨著光纖光柵傳感器的廣泛應(yīng)用，越來越多的非常精確的傳感器不斷被提出 來，但同時其制作工藝復(fù)雜，價格高昂，而在一些領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯木纫蟛⒉?高，像公路交通流量監(jiān)測，只要當(dāng)車壓過時能夠探測出來就可以了，而車的重量 非常高，也就是說只要當(dāng)一個非常大的壓力經(jīng)過時傳感器能夠探測出來就可以了， 而不一定要探測出具體受多大的力，同樣，鐵路隧道的火災(zāi)及山體滑坡的預(yù)防也 只需要這樣一個傳感器就可以了，在一個非常高的溫度或非常大的力加載時能夠 探測出來就可以了，而不必測出具體的值。這樣就需要一個制作工藝簡單，價格 低廉的傳感器。本文所提的啁啾光纖光柵應(yīng)力傳感器就是這樣一種傳感器，它的 提出讓光纖光柵傳感器能應(yīng)用在一些對成本有嚴(yán)格要求的環(huán)境中，進(jìn)一步擴(kuò)大了 光纖光柵傳感器的適應(yīng)范圍。為了驗證這個啁啾光纖光柵應(yīng)力傳感器，本文將其 與單片機(jī)結(jié)合應(yīng)用在對公路交通流量的監(jiān)控，通過建模仿真實驗得出：本方案為 公路交通流量監(jiān)測提供了一種行之有效的方式，使道路交通的監(jiān)測不用僅靠攝像 監(jiān)控一種手段，而且由于本方案具有建設(shè)和維護(hù)成本低的特點，特別適合中小城 市道路交通的監(jiān)控，我們相信這套方案的實現(xiàn)對公路交通流量監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展具 有積極的意義，同時其低廉的成本也具有廣闊的市場前景，希望將來能夠?qū)崿F(xiàn)其 產(chǎn)業(yè)化。 本文還提出了利用保偏光纖光柵來實現(xiàn)溫度傳感的方案，利用保偏光纖光柵 的反射譜具有雙峰的特性，將保偏光柵激光器與溫度傳感巧妙的結(jié)合在一起，通 過驗證發(fā)現(xiàn)，將保偏光纖光柵與溫度傳感結(jié)合起來，能很好的發(fā)揮出各自的優(yōu)勢， 這種溫度傳感器進(jìn)一步提高了傳感器的精度、可靠性并且其生產(chǎn)價格相對傳統(tǒng)溫 度傳感器更低廉，更經(jīng)濟(jì)。 1 3本文研究的主要內(nèi)容及各章節(jié)安排 本文針對雙光纖光柵傳感器進(jìn)行了相應(yīng)的分析并設(shè)計了一種用雙啁啾光纖光 柵來實現(xiàn)的應(yīng)力傳感器及一種用保偏光纖光柵來實現(xiàn)的溫度傳感器。依據(jù)課題的 研究內(nèi)容對結(jié)構(gòu)作了如下安排： 第一章描述了光纖光柵傳感器的發(fā)展歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀，概括了本文研究的主 6 要內(nèi)容及課題研究的目的和意義。 第二章說明了光纖光柵傳感器的傳感原理及封裝技術(shù)，包括溫度傳感，應(yīng)力 傳感及封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)、封裝粘貼劑的研究。同時介紹了對溫度與應(yīng)變交叉 敏感方面的研究。 第三章闡述了雙啁啾光纖光柵應(yīng)力傳感器的研究，包括啁啾光纖光柵的光譜 特性及仿真分析、雙啁啾光纖光柵應(yīng)力傳感器的工作原理及將此傳感器與單片機(jī) 結(jié)合應(yīng)用在公路交通流量監(jiān)測時建模仿真的過程與實驗結(jié)果討論。 第四章闡述了保偏光纖光柵溫度傳感器的研究，包括保偏光纖光柵的光譜特 性及仿真分析、保偏光纖光柵溫度傳感器的工作原理及結(jié)果仿真。 第五章總結(jié)了論文的主要工作及對后續(xù)的展望。 7 2 光纖光柵傳感原理及封裝技術(shù) 光纖光柵是由紫外光寫入到光纖纖芯中形成的全息衍射光柵，作為一種相位 光柵，其纖芯折射率變化大致呈周期分布。根據(jù)耦合模理論，當(dāng)寬帶光在光纖光 柵中傳輸時，將會產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的光波將反射回入射端，而其 他波長的光則會透射過去，這樣入射光就分成了透射光和反射光。光柵的反射波 長或透射波長取決于反向耦合模的有效折射率擰胛和光柵的周期人，當(dāng)光纖光柵所 處環(huán)境的溫度、應(yīng)力或其它物理量發(fā)生變化時，光柵的周期人或纖芯折射率擰盯也 隨之改變，從而使反射光波長發(fā)生變化。通過測量反射光波長的變化，就可獲得 待測物理量的變化情況。根據(jù)這個特性，人們已經(jīng)研制出基于超結(jié)構(gòu)、布拉格、 長周期等多種結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器，通過檢測光纖光柵波長的漂移量或帶寬變 化量，可以推測待測物理場的狀態(tài)。目前，光纖光柵傳感器已應(yīng)用于應(yīng)變、應(yīng)力、 溫度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、加速度、電流、電壓、壓強(qiáng)、磁場、頻 率、濃度等多種物理量的檢測 1 9 】【2 0 】【2 1 1 。 光柵b m g g 條件：以= 2 人，l 酊 ( 2 一1 ) 其中厶為b r a 踣波長，以盯表示光柵的有效折射率，即折射率調(diào)制幅度大小的 平均效應(yīng)，人為光柵周期，即折射率調(diào)制的空間周期。 將( 2 1 ) 式兩邊微分： 仉= 2 人咖+ 2 甩扒 ( 2 2 ) 由( 2 1 ) 和( 2 2 ) 得 絲：墮+ 墜 ( 2 3 ) 如 人 從( 2 3 ) 式可以得出：只要改變了光柵的周期或光柵的有效折射率，就對應(yīng)的 改變了光柵的中心波長。當(dāng)光纖光柵在受到外界的應(yīng)變作用時，它的周期會發(fā)生 改變，同時光彈效應(yīng)會導(dǎo)致光柵的有效折射率也會發(fā)生改變。同樣，當(dāng)光纖光柵 受外界溫度的影響時，它的周期會因熱膨脹而發(fā)生改變，同時光柵的有效折射率 也會因熱光效應(yīng)而發(fā)生變化；目前存在的基于光纖光柵的各種各樣的傳感器的工 作原理大體上都是利用應(yīng)變或溫度的變化來改變光柵的中心波長，從而達(dá)到檢測 被測物理量的目的。 2 1光纖光柵的傳感原理 2 1 1 溫度傳感特性 若只考慮光纖受到溫度的影響，溫度對光纖的影響主要體現(xiàn)在兩方面： 效應(yīng)使折射率改變以及熱膨脹效應(yīng)使光柵的周期改變。 將( 2 3 ) 式寫為： 絲：( 墮+ 生) d 丁 九b 、n 西d t 入d t 。 令鑫= f ，f 為熱光系數(shù)，天= 口，口為熱脹系數(shù)，可得： 刀。d 1 人口l 警：( f + 口) 打 熱光 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 令k r = 如( f + 口) ( 2 - 6 ) k r 為光纖光柵溫度傳感靈敏度系數(shù)，則 厶= k r 丁( 2 - 7 ) 由公式( 2 7 ) 可知，以與丁有著良好的線性關(guān)系【2 2 1 。由于摻雜成分不同，摻 雜濃度也不同，所以各種光纖的膨脹系數(shù)口和熱光系數(shù)f 有著很大的差別，因此 各種光纖的溫度靈敏度系數(shù)差別會比較大。當(dāng)光柵的制作條件不同及退火工藝的 條件不同時，光纖光柵的溫度靈敏度也會有一點點差異。 2 1 2 應(yīng)變傳感特性 若只考慮光纖受到軸向應(yīng)力的作用，則應(yīng)力對光纖光柵的影響主要體現(xiàn)在兩 個方面：彈光效應(yīng)使折射率改變和應(yīng)變效應(yīng)使光柵的周期改變。假設(shè)光纖光柵的 溫度保持不變，可得軸向應(yīng)變引起的光柵布拉格波長變化如式( 2 3 ) 其中線彈性范圍內(nèi)有 墜：絲：占 ( 2 8 ) = = 占i z 一5 ， 人l 占為光纖軸向應(yīng)變導(dǎo)致的光柵周期變化。 不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，即不考慮光纖徑向變形對折射率的影響，只考慮軸向變形 的彈光效應(yīng)，光纖在軸向彈性變形下的折射率變化如下： 魯一知p 曠觚訓(xùn) 叫 ( 2 - 9 ) 9 其中a ，a 2 是軸向應(yīng)變導(dǎo)致光纖縱向和橫向折射率變化的系數(shù)，l i 是光纖材 料的泊松比，三刀 p 。2 一( p 。+ p 。：) 】= p ，p 為彈光系數(shù)。 將( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 代入( 2 - 3 ) 得： 以= 占( 1 一力 ( 2 - 1 0 ) 上式為光纖布拉格光柵軸向應(yīng)變下的波長變化表達(dá)式，當(dāng)光纖光柵材料確定 后，光纖光柵對應(yīng)變的傳感特性系數(shù)基本上就是一個與材料系數(shù)相關(guān)的常數(shù)，光 柵的中心波長與應(yīng)變表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。令 以( 1 一p ) = k ( 2 - 1 1 ) 疋為光纖軸向應(yīng)變與中心波長變化的靈敏度系數(shù)。則 九= 屯 ( 2 - 1 2 ) 上式即為光纖光柵中心波長變化與軸向應(yīng)變的數(shù)學(xué)關(guān)系，它可以方便地將波 長的變化轉(zhuǎn)化為應(yīng)變的變化量【2 0 1 。 由上述分析可知，由于光纖光柵傳感器同時對溫度和應(yīng)變敏感，當(dāng)同時考慮 應(yīng)變與溫度時，彈光效應(yīng)與熱光效應(yīng)會共同引起折射率的改變，應(yīng)變和熱膨脹會 共同引起光柵周期的改變。這樣就很難分辨出應(yīng)變和溫度分別引起的波長變化， 因此在實際應(yīng)用中必須采取措施進(jìn)行區(qū)分。 2 1 3 光纖光柵的溫度與應(yīng)變交叉敏感 從1 9 9 3 年起，人們就已經(jīng)開始研究光纖光柵溫度和應(yīng)力的交叉敏感問題。就 目前的研究進(jìn)展來看，已提出了多種方案并取得了很大進(jìn)展。近些年來，更是不 斷有新的解決方案出現(xiàn)，這些方案各有優(yōu)點，適用于各個不同的場合。但是，如 果將所有的目前已公開報道的解決方案統(tǒng)計起來再細(xì)分的話，可分為以下三類： 壓力去敏、溫度去敏( 即溫度補(bǔ)償) 、溫度壓力同時區(qū)分測量【2 3 1 。下面分別從這幾 類傳感器的特性出發(fā)，列出幾種典型的解決方案。 1 、壓力去敏 對光柵方程進(jìn)行喇o r 展開式運算時，可以得到： 兄矗= k 。f + 尺r 丁+ k 打如r + k 。：( 占) 2 + k 一( r ) 2 + ( 2 一1 3 ) 由上式可知，引起波長厶變化的不僅僅是占、r ，還有它們的交叉項和 高階項，高階項對波長改變的作用隨r 、s 的增大而增大，當(dāng)r 、占很大時， 1 0 波長隨丁、占變化是非線性的，而當(dāng)r 、占的變化范圍不是很大時，( s ) 2 和 ( r ) 2 的高階項與前面的一次項及交叉項相比可以忽略，因此上式變成： 砧= k 。s + k r 丁+ k 打蜀a r ( 2 一1 4 ) 忽略由二階以上響應(yīng)靈敏度所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，從( 2 1 4 ) 式不難看出，如果 沒有光纖的軸向應(yīng)變占，那么厶與溫度表現(xiàn)出線性關(guān)系，則只要光柵處于恒壓條 件，便可消除交叉敏感【2 4 】【2 5 1 。 2 、溫度補(bǔ)償 在實驗室中，雖然可把光纖光柵壓力傳感器置于溫控裝置，進(jìn)而對其壓力特 性進(jìn)行研究，但在實際應(yīng)用中，溫度卻是一個不定的參數(shù)，再穩(wěn)定的恒溫環(huán)境也 會有波動出現(xiàn)，即光纖光柵壓力傳感器的交叉敏感問題。研究人員針對這一問題 研究出了不少溫度補(bǔ)償方法，溫度補(bǔ)償法是指使用某種方法或裝置將溫度擾動引 起的波長漂移剔除掉，從而使應(yīng)變測量不受環(huán)境溫度的影響。 目前主要分為溫度的過程補(bǔ)償與結(jié)果補(bǔ)償，過程補(bǔ)償是指在對應(yīng)變進(jìn)行測量 的過程中，溫度效應(yīng)會自動抵消，主要的方法有啁啾光柵，不同光纖對接等。結(jié) 果補(bǔ)償是指在測量后對結(jié)果進(jìn)行某種運算或處理從而剔除或剝離溫度效應(yīng)。溫度 補(bǔ)償對封裝技術(shù)要求較高，而且對光柵能起到一定的保護(hù)作用，但對解調(diào)要求稍 低。 溫度補(bǔ)償封裝法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制作簡便、經(jīng)濟(jì)實用。在每個測量點上 只需要鋪設(shè)1 個光柵，不僅可有效地解決溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題，還能保護(hù) 光纖光柵。根據(jù)實際工程應(yīng)用中各種各樣的要求，可以選擇合適的封裝材料使光 纖光柵傳感器在某些特殊的化學(xué)環(huán)境中具備更高的抗化學(xué)腐蝕性，使得光纖光柵 傳感器能夠更加適用于各種各樣條件相對惡劣的工業(yè)環(huán)境。另外，由溫度補(bǔ)償封 裝法制造的傳感器具有很多優(yōu)點，它更加適用于大負(fù)載、小溫差、大應(yīng)變、長時 間的工程應(yīng)用環(huán)境，通過對光纖光柵進(jìn)行封裝保護(hù)，還可最大可能地保證其成活 率，施工過程中的緩沖與防潮等問題。但是，因為影響光纖光柵波長變化的不僅 僅只有溫度膨脹一個因素，組合材料的膨脹、熱光系數(shù)比等因素也同樣影響著光 纖光柵波長的變化，因此，溫度補(bǔ)償封裝法只是消除了光纖光柵熱敏的熱膨脹部 分，并沒有消除光敏部分。所以，如今現(xiàn)有的光纖光柵溫度封裝技術(shù)，一方面， 它降低了溫度響應(yīng)的靈敏度，但與此同時它對封裝材料的膨脹系數(shù)、封裝結(jié)構(gòu)的 穩(wěn)定性等方面也提出了更高的要求【2 6 】。 3 、溫度應(yīng)力同時區(qū)分測量 就目前能夠?qū)崿F(xiàn)溫度壓力同時區(qū)分測量的解決方案來看，絕大多數(shù)都是基于4 種方法：雙波長矩陣法；雙參量矩陣法；參考f b g 法以及改變光纖本身參量。下 面對其進(jìn)行詳細(xì)討論： 1 ) 雙波長矩陣運算法 單個光柵波長無法區(qū)分由應(yīng)力和溫度分別引起的波長變化。若要實現(xiàn)同時區(qū) 分測量，必須同時測量兩個中心波長的變化。雙波長矩陣法是當(dāng)前應(yīng)用得比較廣 泛的一種解決方法。其基本原理是利用兩個參量一起對應(yīng)變和溫度進(jìn)行波長編碼。 由于靈敏度系數(shù)的不同可以構(gòu)成兩個獨立的方程。選擇使用2 個不同參數(shù)的光柵 對同一點進(jìn)行應(yīng)變和溫度測量，在安裝光柵時應(yīng)使它們之間的距離足夠近，以保 證它們所受到的應(yīng)變與所處的溫度環(huán)境相同。這樣，可得到矩陣方程如下： l ll 巧l 以ll l 丁l 【如jl k 7 2 k 口2 j l - 占j r 2 15 、 k n 、疋。分別為光柵l 的溫度和應(yīng)變靈敏度；k r ：、疋：分別表示光柵2 的 溫度和應(yīng)變靈敏度，丁和占代表溫度和應(yīng)變相對于參考值的相應(yīng)變化。通過檢 測光柵l 的中心反射波長丑和光柵2 的中心反射波長如的變化再解方程組即可確 定應(yīng)變和溫度的大小，為使方程組有解，需滿足條件 rr 竺衛(wèi)竺曼l ( 2 1 6 ) k r 2k f 2 。 即這種同時測量的方法要求兩個光柵有不同的應(yīng)力和溫度靈敏系數(shù)。另外值 得注意的是，變化值r 和占的準(zhǔn)確性程度取決于所用光柵之間溫度和應(yīng)變靈敏 度的相對差異，k r 與k r ：和疋。與k 。：之間的差異越大，獲得的丁和s 的準(zhǔn)確度 越高。因此，該方案要求兩個光柵有不同的應(yīng)變或溫度靈敏系數(shù)，并且兩光柵的 靈敏度系數(shù)差異越大，獲得的溫度與應(yīng)變的準(zhǔn)確程度越高。 雙波長矩陣法在試驗研究方面有很大的優(yōu)越性，因其易于復(fù)用，布設(shè)簡單， 非常容易實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)化檢測，同時也很容易嵌入到智能結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料中， 嵌入之后并不影響原結(jié)構(gòu)性能。所以，雙波長矩陣法適用于一些相對比較干凈和 穩(wěn)定的理想試驗環(huán)境中，但對于一些環(huán)境比較差的應(yīng)用場合，這種方法很難達(dá)到 理想測量效果。而且雙波長矩陣法要求兩個波長的光柵必須滿足條件( 2 1 6 ) 且差別 越大越好，同時還要求兩光柵中心波長相差必須足夠大，如果處于同一波段的光 纖光柵參數(shù)相近，容易導(dǎo)致組成的方程呈現(xiàn)出病態(tài)，即計算求得的值會誤差過大， 甚至使測量結(jié)果完全陷于失真態(tài)。這樣就不易于實現(xiàn)應(yīng)變與溫度的區(qū)分，所以， 常常使用不同波段的光纖光柵。另外，這種方法需要2 個寬帶光源，2 個光譜分析 儀，系統(tǒng)雙光柵制作難度大，操作過程也較為繁瑣，因此該方案很難實用化【2 6 】。 2 ) 雙參量矩陣法 該方法類似于雙波長矩陣法，不同之處在于雙波長矩陣法采用兩波長作為參 量進(jìn)行測量，而該方法采用的是一個參量為波長，而另一個卻是其它參量，或者 是除波長外的另外2 個參量，只要該參量是對應(yīng)變、溫度同時敏感并成線性關(guān)系 的物理量( 如功率、頻率、時間等) ，以實現(xiàn)溫度不敏感測量或應(yīng)變與溫度的同時 i 貝0 量【2 7 h 2 9 】。 雙參量矩陣法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種解決方法，適于某些具有特殊需要 的場合，它的優(yōu)點是面對各種各樣的需要，可以去設(shè)計或制造與之對應(yīng)的各種各 樣的光纖光柵傳感器，在檢測的方法上面也還可以選擇不同的參數(shù)，而且靜態(tài)和 動態(tài)的檢測均可實現(xiàn)，因此可選擇的方法很多，而且大多數(shù)方法都能滿足構(gòu)成分 布式測量系統(tǒng)的要求。正是由于有這種獨特性，可以通過選擇現(xiàn)有的材料，摻雜 或合成不同材料，選擇合適的參量獲得所需的物理、化學(xué)等性能，在以后的發(fā)展 中，這種多選擇特性將更加適應(yīng)于現(xiàn)代科技領(lǐng)域的應(yīng)用。雙參量矩陣法的不足在 于傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對光纖光柵的制作要求比較高，而且，傳感器不再具有 波長調(diào)制的優(yōu)點，從而當(dāng)受到光源波動或其他因素影響時，其結(jié)果會出現(xiàn)誤差， 這樣原來并不復(fù)雜的交叉敏感問題就會變成更復(fù)雜，更難解決的摻雜工藝問題。 同時，雙參量矩陣法除光纖光柵波長外，還需要檢測另一物理量，這就需要有另 一套測量，解調(diào)設(shè)備，加大了系統(tǒng)的復(fù)雜性，在構(gòu)建分布式測量系統(tǒng)時還要考慮 引用系統(tǒng)與光纖光柵系統(tǒng)的分辨率匹配等問題，同時，不同的解調(diào)方法對光纖光 柵的封裝也會有不同要求。因此在實際應(yīng)用中雙參量矩陣法有一定的局限性【2 6 】。 3 ) 參考光柵法 該方法是選用2 個相同參數(shù)的光柵對同一測量點進(jìn)行測量。將一個光柵傳感 器固定于被測點，使其同時感測應(yīng)變和溫度的變化，而另一個光柵則固定于所測 點之外只對溫度或應(yīng)變進(jìn)行感測，通過對測得的波長漂移量進(jìn)行相減，即可求出 溫度和壓力的變化，實現(xiàn)區(qū)分測量，解決交叉敏感問題【3 0 】【3 l 】。類似于一個溫度或 壓力傳感器加上一個能夠同時感測溫度和應(yīng)變變化的光柵。傳統(tǒng)實現(xiàn)方法大多采 用寫入光纖的2 個鄰近光柵，其中，一個用一定的材料封裝，使其不受外界的應(yīng) 力影響而只對溫度或應(yīng)力敏感，從而向另外一個對溫度和應(yīng)力同時敏感的光柵提 供溫度參考，以實現(xiàn)溫度不敏感測量或應(yīng)變與溫度的同時測量。而新的方案則只 需利用一個光柵即可實現(xiàn)應(yīng)力與溫度的同時測量。測量時，將光柵的一部分粘接 在待測點，而另一部分則懸空，前者將同時對溫度和應(yīng)力敏感，而后者只對溫度 或應(yīng)力敏感，這樣，可分別得到溫度與應(yīng)力。還有一種技術(shù)手段也只需要利用一 個光柵來實現(xiàn)這個方法。對所用的光柵進(jìn)行分段封裝，一段只對溫度或應(yīng)力敏感， 另外一段對溫度、應(yīng)力同時敏感使其產(chǎn)生兩個光柵的效果，這樣不但縮小了體積， 而且也減少了成本。 參考光柵法主要應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。基于該方法的傳感系 統(tǒng)設(shè)計相對簡單，而且操作使用的過程也非常簡單，非常容易，并且經(jīng)濟(jì)可靠。 還有就是在局部測量時光柵的布設(shè)比較簡單，補(bǔ)償?shù)木纫蚕鄬^高。參考光柵 法的缺點在于該方法對光纖光柵的要求非常高，對其溫度系數(shù)、應(yīng)力系數(shù)、摻雜 度、封裝等各方面都有特殊的要求；當(dāng)使用這個方法時，得選擇或制造2 個參數(shù) 完全一模一樣的光柵，而且還需嚴(yán)格的保證選用的這2 個光柵的波長溫度系數(shù)一 樣，這是非常困難的，另外，當(dāng)使用參考光柵法時，在實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量網(wǎng)絡(luò)時， 如何去布設(shè)光柵也是個非常復(fù)雜，一直有待解決的問題。所以采用參考光柵法的 話有一個基本前提，就是必須事先假定應(yīng)變的變化與溫度的變化對光纖光柵中心 波長的影響是獨立的，是互不影響的，也就是溫度與應(yīng)變具有非關(guān)聯(lián)性，而在實 際情況中，受不同溫度的影響，2 個相同參數(shù)的光纖光柵的光彈系數(shù)不相同，同樣， 受不一樣的應(yīng)力作用，其熱光系數(shù)亦會各有差異。所以，當(dāng)使用這種溫度參考光 柵法測量時，由于2 個相同參數(shù)的傳感器對各環(huán)境因素敏感性的不一樣，從而測 量的結(jié)果會出現(xiàn)較大的累積誤差【z 6 j 。 2 2光纖光柵的封裝技術(shù) 目前，光柵封裝最常用的方法主要有兩種：a 直接粘貼在基底材料上，典型的 為貼片封裝【3 2 1 。該方法是采用一種耐高溫有機(jī)膠技術(shù)將光柵封裝于鈹青銅基底材 料上，基底材料的線膨脹系數(shù)比光柵的大，利用基底材料的帶動作用使光柵反射 波長變化。b 利用模具或管材灌封，典型的為毛細(xì)鋼管封裝【3 3 1 。該方法是將毛細(xì)鋼 管套在光柵上面，中間涂上改性丙烯酸酯，然后放入烘箱進(jìn)一步烘干、固化。在 不改變光纖光柵應(yīng)變傳感靈敏度的同時將其溫度靈敏度提高了，為光纖光柵在溫 度測量領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個很好的封裝方法。由于毛細(xì)鋼管的鋼管直徑太小不 利于灌膠，而將光柵粘在基底上利用基底的熱膨脹來壓迫光柵的封裝方式，也會 使得光柵受到的熱膨脹不均勻，因此這兩種封裝方法都不是很理想。為了彌補(bǔ)上 述封裝方法的不足，許多研發(fā)人員在封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料以及封裝粘結(jié)劑方面加 以改進(jìn)，以期獲得更為理想的封裝效果。 2 2 1 粘貼劑的研究 光柵封裝時粘貼劑的選擇十分重要，若粘貼劑的粘結(jié)強(qiáng)度不夠則會影響封裝 的質(zhì)量、傳感器的使用壽命和在惡劣環(huán)境中工作的能力。由于環(huán)氧膠黏劑粘附力 強(qiáng)、收縮率較低、化學(xué)穩(wěn)定性好，因而在早期研究中有很多研發(fā)人員使用其作為 1 4 粘貼劑，但同時環(huán)氧膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低、耐溫性能較差、固化收縮所 產(chǎn)生的應(yīng)力較大、粘貼后光纖光柵易出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象等缺陷也十分突出。此外，如 直接用環(huán)氧膠黏劑進(jìn)行脆性基底材料上光纖光柵傳感器的封裝，容易拉裂基底材 料；還有不容忽視的一點是環(huán)氧膠黏劑的添加劑有毒。綜上所述，環(huán)氧膠黏劑并 不是一種最好的粘貼劑，尚需進(jìn)一步改進(jìn)。 研發(fā)人員對此進(jìn)行了深入的研究，周紅等人提出在環(huán)氧膠黏劑中填加納米 s i 0 2 、t i 0 2 和s i c 粒子【3 4 】，這一方面可提高環(huán)氧膠黏劑中共價鍵的結(jié)合力，另一 方面也可提高其交聯(lián)密度。圖2 1 為納米s i 0 2 粒子與環(huán)氧膠黏劑結(jié)合的示意圖， 圖2 2 為納米單體粒子與環(huán)氧膠黏劑互穿網(wǎng)絡(luò)示意圖。納米改性后的環(huán)氧膠黏劑耐 溫性能好，在高溫( 3 0 0 以上) 、高壓( 4 0 m p a 以上) 時粘接強(qiáng)度高，且韌性同步提 高，固化收縮率進(jìn)一步減小，具有應(yīng)變膠的特性，應(yīng)注意納米s i 0 2 、t i 0 2 和s i c 粒子的最佳摻入比例，避免比例過大導(dǎo)致膠黏劑性能下降。改變納米粒子的摻入 比例還可調(diào)整膠黏劑的力學(xué)性能，以適應(yīng)不同的基底材料。對采用改性后環(huán)氧膠 黏劑粘貼封裝的光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器的實驗和現(xiàn)場溫度測 試表明，f b g 粘貼牢固，而且不會引起光柵啁啾，封裝后的光纖光柵傳感器能適 用于高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕性等惡劣環(huán)境。此外，改性后環(huán)氧膠黏劑也可作為光纖 光柵傳感器的密封用膠。 圖2 1 納米s i 0 2 粒子與環(huán)氧膠黏劑結(jié)合的示意圖 f i g2 1d i a g 撇o f n 蛆o - s i 0 2p a n i c l 髓c o n l b i n e dw i t he p d x ya d h e s i v e 單體粒予 圖2 2 環(huán)氧膠黏劑的互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型 f i g2 2d i a g 姍o f i i l t e 印船e t 豫t i n gn e 附o r ks t r i l c t i l 聆m o d e l 、析n l 印o x ya d h e s i v e 劉春桐等人提出了一種全金屬封裝法，其利用焊接