光纖光柵研究

1、布拉格光柵的研究1 概述光纖光柵是一種通過一定方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，是一種無源濾波器件。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其它光纖器件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用1。在光纖通信領(lǐng)域，利用光纖光柵可以制成光纖激光器、光纖色散補(bǔ)償器、光插、分復(fù)用器、光纖放大器的增益均衡器等2，這些器件都是光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的重要器件，可見光纖光柵對光纖通信的重要性，因此光纖光柵也被認(rèn)為是摻鉺光纖放大器之后出現(xiàn)的又一關(guān)鍵器件。在光纖傳感領(lǐng)域，光纖光柵也起到了及其重要的作用。光纖光柵的傳感機(jī)制包括溫度引起的形變和熱光效應(yīng)

2、、應(yīng)變引起的形變和彈光效應(yīng)、磁場引起的法拉第效應(yīng)及折射率引起的有效折射率變化等。當(dāng)光纖光柵所處的溫度、應(yīng)力、磁場、溶液濃度等外界環(huán)境的發(fā)生變化時，光柵周期或者光纖的有效折射率等參數(shù)也隨之改變，通過測量由此帶來的光纖光柵的共振波長變化或者共振波長處的透射功率變化可以獲取所需的傳感信息3，由此可見，光纖光柵是波長型檢測器件，所以其不光具有普通光纖的優(yōu)良特性，而且測量信號不易受光強(qiáng)波動及系統(tǒng)損耗的影響，抗干擾能力更強(qiáng)，還可利用波分復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對信號的分布式測量。由于光纖光柵的應(yīng)用范圍較為廣泛，故本文只針對光纖光柵傳感的應(yīng)變檢測機(jī)制進(jìn)行一定的研究。光纖光柵可分為布拉格光柵和長周期光柵，在應(yīng)變檢測中，

3、一般采用的布拉格光柵，下文中出現(xiàn)的光纖光柵指的是布拉格光柵。本文主要的工作主要是分析光纖光柵應(yīng)變檢測的原理，對光纖光柵應(yīng)變檢測進(jìn)行一定的綜述，以及對應(yīng)變檢測中很重要的增敏技術(shù)進(jìn)行研究，并總結(jié)。2 應(yīng)變檢測原理根據(jù)光纖光柵的耦合模理論，光纖光柵的中心波長B與有效折射率neff和光柵周期滿足如下的關(guān)系4 (2-1)光纖光柵的反射波長取決于光柵周期和有效折射率neff，當(dāng)光柵外部產(chǎn)生應(yīng)變變化時，會導(dǎo)致光柵周期和有效折射率neff的變化，從而引起反射光波長的偏移，通過對波長偏移量的檢測可以獲得應(yīng)力的變化情況。由于課上已經(jīng)講過，故不多做贅述，只是簡要的回顧一下。接下來主要討論應(yīng)變對光纖光柵作用的模型。在

4、討論之前，先對應(yīng)變有關(guān)的幾個名詞進(jìn)行解釋。應(yīng)力：在施加的外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力內(nèi)力，其值定義為單位面積上的內(nèi)力，單位為Pa或N/m2，記為 (2-2) 圖2.1 應(yīng)力示意圖應(yīng)變：試件被拉伸的時候會產(chǎn)生伸長變形l，試件長度則變?yōu)閘+l。由伸長量l 和原長l的比表示伸長率(或壓縮率)就叫做應(yīng)變，記為。 (2-3)應(yīng)變表示的是伸長率(或壓縮率)，屬于無量綱數(shù)，沒有單位。由于量值很小，通常用1106 微應(yīng)變表示，或簡單地用、表示。圖2.2 應(yīng)變示意圖徑向應(yīng)變和軸向應(yīng)變: 徑向應(yīng)變試件在被拉伸的時，直徑為d0 會產(chǎn)生d 的變形時，直徑方向的應(yīng)變稱為徑向應(yīng)變(或橫向應(yīng)變)。與外力同方向的伸長(或壓縮

5、)方向上的應(yīng)變稱為軸向應(yīng)變。泊松比：軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的比稱為泊松比，記為。每種材料都有確定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右?；⒖硕桑焊鞣N材料的單向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以通過虎克定律表示： (2-4)應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)E被稱為縱彈性系數(shù)或楊氏模量，不同的材料有其固定的楊氏模量。通過上述對應(yīng)變檢測一些物理量的介紹，我們對應(yīng)變檢測有了一些初步的認(rèn)識。通過對比幾個文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)5對應(yīng)變檢測原理的解釋比較清楚直觀，下面總結(jié)其光纖光柵應(yīng)變檢測的原理。對光纖光柵而言，當(dāng)只考慮軸向應(yīng)變時，應(yīng)變一方面使得光柵周期變大，光纖芯層和包層半徑變小，另一方面將通過光彈性效應(yīng)改變光纖的折射率，這些都將引起光柵

6、波長的偏移5。光纖光柵波長的偏移值，可以由下式給予描述： (2-5) 將上述兩邊同時除以式2-1，可得 (2-6)在彈性范圍內(nèi)有： ，式中為光纖軸向應(yīng)變。有效折射率的變化可以由彈性系數(shù)矩陣Pij和應(yīng)變張量矩陣表示為：應(yīng)變張量矩陣表示為：彈性矩陣為：式中P11、P12是彈性系數(shù)，即縱向應(yīng)變分別導(dǎo)致的縱向和橫向的折射率的變化。V是纖芯材料的泊松比，對各向同性材料P44=v(P11-P12)/2。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，只考慮光纖的軸向變形是，光纖在軸向彈性變形下的折射率的變化為: (2-7)令，則由式2-5、2-6、2-7可得： (2-8)上式即為光纖光柵軸向應(yīng)變下波長

7、變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，當(dāng)光纖光柵的材料確定后，可以根據(jù)材料確定P的值，并且P的變化不大，從而保證了光纖光柵作為應(yīng)變傳感器很好的線性輸出。令,K可以視為光纖軸向應(yīng)變與中心波長變化的靈敏系數(shù)，由此可得，通過該式可以方便的將波長變化的數(shù)據(jù)處理成應(yīng)變的結(jié)果。3 光纖光柵應(yīng)變檢測在很多領(lǐng)域中都需要對應(yīng)變進(jìn)行測量，如對大橋的應(yīng)變檢測，可以檢測橋梁是否安全，對地震的檢測也需要應(yīng)變測量，在光纖光柵水聽器中，其基本原理也是對應(yīng)變的檢測。3.1 應(yīng)變檢測理論簡要概述文獻(xiàn)6包含了對光纖應(yīng)變檢測理論發(fā)展的綜述，光纖光柵應(yīng)變檢測的理論基礎(chǔ)源于對1952年Cox等提出的剪滯理論對單纖維復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)力傳遞的分析，1991年，

8、Namni等獎光纖光柵傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測，測試混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變，1998年，Ansari等根據(jù)剪滯理論的基本原理，詳細(xì)分析了光纖傳感器的應(yīng)變傳遞理論，假定埋入式光纖粘貼長度中心的應(yīng)變與基體的應(yīng)變相同，得出了光纖的軸向應(yīng)變和剪應(yīng)力的分布，并利用邁克爾遜白光干涉的光纖傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過等強(qiáng)度梁靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)得出了不同粘接長度下的應(yīng)變傳遞系數(shù)，2001年，Lau等在Ansari的基礎(chǔ)上考慮了膠粘劑對光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞的影響，并建立包括光纖、涂覆層、膠粘劑層和基體四層結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器模型，對應(yīng)變傳遞機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的修正，2008年，王為等對表面式FBG傳感器的應(yīng)變傳

9、遞進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并對襯底厚度和粘貼長度對應(yīng)變傳遞效果的影響進(jìn)行了仿真分析6。從文獻(xiàn)6中可看出光纖光柵應(yīng)變理論的發(fā)展已經(jīng)很完善了，現(xiàn)有的應(yīng)變傳遞理論對光纖光柵傳感器的應(yīng)變分布規(guī)律以及影響應(yīng)變傳遞的參數(shù)進(jìn)行了較好的分析。但是光纖光柵早期在應(yīng)變檢測中難以使用，這主要是因?yàn)楣饫w光柵本身的應(yīng)力敏感度非常低，文獻(xiàn)Error! Reference source not found.報道了裸光纖光柵的波長靈敏度在附近,所以要想讓光纖光柵在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)變檢測，必須對其進(jìn)行增敏。如果不進(jìn)行增敏，必然要將探測器的靈敏度提高，現(xiàn)有對波長的分辨能力還很難達(dá)到該要求，這一方面提升了技術(shù)難度，令一方面也增加了成本。因此我

10、認(rèn)為增敏對光纖光柵應(yīng)變檢測是最重要的問題之一。3.2 光纖光柵增敏技術(shù)淺析封裝的材料和封裝的結(jié)構(gòu)對都會對光纖光柵應(yīng)力增敏產(chǎn)生影響，文獻(xiàn)7提出了基本的增敏思路是固定光纖光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使光纖光柵在壓力作用下發(fā)生更多的應(yīng)變，從而產(chǎn)生較大的波長漂移。從力的作用角度分析了增敏分裝結(jié)構(gòu)的兩種模式，一種是側(cè)面壓迫式增敏，另一種是光纖光柵的端面拉伸式增敏。兩種增敏方式的示意圖分別如圖3.1和圖3.2所示。側(cè)壓式增敏是指利用楊氏模量比較低的聚合物膠在光纖光柵周圍進(jìn)行灌注或粘接，增大光纖光柵傳感器的受壓面積，以提高光纖光柵本身的波長變化率。端面拉伸式增敏原理是指將光纖光柵兩端固定于受壓薄片上，利用受壓薄片隨聲壓

11、的振動拉伸光纖光柵，使光纖光柵波長隨之波動，從而達(dá)到增敏的目的。圖3.1 側(cè)面壓迫式圓柱形增敏方法圖3.2 端面拉伸式圓片型增敏方法文獻(xiàn)7分別采用了兩種方式為光纖光柵水聽器進(jìn)行應(yīng)變增敏，報道的結(jié)果中，端面拉伸式增敏比側(cè)面壓迫式要高，由于端面拉伸式的膜片非常單薄，在壓力下非常容易變形。下面繼續(xù)對增敏技術(shù)進(jìn)行更深入的討論。根據(jù)封裝的途徑，目前增敏方式還可以分為彈簧管式增敏、聚合物封裝增敏、 彈性膜片式增敏、 薄壁圓筒式增敏以及組合式增敏8。下面分別對每種結(jié)構(gòu)比較好的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行一定的介紹。3.2.1 彈簧管式增敏彈簧管式增敏采用的是特種結(jié)構(gòu)的彈簧管，當(dāng)管內(nèi)管外承受的壓力不同時，產(chǎn)生變形，將光纖光柵

12、粘貼在彈簧管表面或者兩端，可實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。該種方式在文獻(xiàn)9中利用彈簧管對壓力的機(jī)械放大作用，將彈簧管與光纖光柵懸臂梁調(diào)諧技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了比較好的效果，實(shí)驗(yàn)測得的靈敏度約為0.2769nm/MPa,結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示。但從圖中看出，使用彈簧管能夠靈活的設(shè)計結(jié)構(gòu)，靈敏度比較高，但是彈簧管穩(wěn)定性欠佳，容易受到外界振動的影響，而且設(shè)計精度要求較高，估計這些因素限制了該方式的應(yīng)用，這些所以對該種結(jié)構(gòu)的報道后續(xù)很少看到。圖3.3 彈簧管式增敏實(shí)現(xiàn)案例的結(jié)構(gòu)圖3.2.2 聚合物封裝增敏聚合物封裝增敏的原理是將光纖復(fù)合到對壓力敏感的聚合物材料中進(jìn)行壓力增敏。用聚合物進(jìn)行封裝, 一方面起增敏作用 , 同

13、時對光纖光柵有保護(hù)作用10。文獻(xiàn)11采用多層封裝結(jié)構(gòu),將楊氏模量小且粘結(jié)性強(qiáng)的聚合物1做成柱體狀, 光纖光柵準(zhǔn)直地置于該柱體中心,然后置于楊氏模量大的聚合物2中(做成柱體狀),結(jié)構(gòu)圖如如3.4所示，該報道指出其增敏效果優(yōu)于單層封裝結(jié)構(gòu)，有利于光纖光柵的保護(hù)，且結(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)施。然而該報道并未指出其靈敏度，并且在增加了應(yīng)變靈敏度的同時，還增加了溫度敏感度，容易造成溫度和應(yīng)變交叉敏感的問題，需要采取溫度補(bǔ)償措施，因此也提升了該方法的復(fù)雜度。文獻(xiàn)12報道了用層壓碳纖維復(fù)合材料制作的壓力傳感器， 壓力靈敏度為 0.1 nm/MPa。由于碳纖維復(fù)合材料楊氏模量小，且在高壓下具有良好的可重復(fù)性。 當(dāng)壓力從

14、0 增加到70MPa 時， 傳感器中心波長實(shí)現(xiàn)了7nm的漂移。聚合物封裝的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，應(yīng)變靈敏度增加效果比較好，但其在增加應(yīng)變靈敏度的同時也增加了溫度靈敏度。另外聚合物存在易老化等問題， 使聚合物封裝的光纖光柵使用壽命短，動態(tài)響應(yīng)速度慢13。圖3.4 聚合物封裝案例1結(jié)構(gòu)圖3.23 彈性膜片增敏彈性膜片增敏是比較靈活的增敏方式，文獻(xiàn)7中所研究的一種光纖光柵水聽器即是采用該種方法，取得了不錯的效果。文獻(xiàn)14中將預(yù)加應(yīng)力的光纖光柵的一端粘貼在不能移動的空腔圓柱底上，另一端粘貼在膜片中心。當(dāng)外界壓力變化時，在膜片兩側(cè)形成壓差，膜片將會發(fā)生位移，預(yù)加有應(yīng)力的光纖光柵將會收縮。該方法實(shí)現(xiàn)了1

15、.9nm/MPa的靈敏度，并且量程可達(dá)1.5MPa。彈性膜片增敏可以通過選擇膜片的材料， 厚度及半徑來實(shí)現(xiàn)靈敏度的不同選擇，在大量程和高靈敏度的實(shí)現(xiàn)上都可以有好的效果。但在光纖光柵的固定上一般都是使用膠粘的方式，易產(chǎn)生應(yīng)力，且膠的熱膨脹系數(shù)和金屬本身會有較大差異，也會對膜片的性質(zhì)產(chǎn)生影響8。3.2.4 薄壁圓筒增敏薄壁圓筒在外界壓力下筒側(cè)面會發(fā)生彈性形變，將光纖光柵固定在筒側(cè)面可以感知這些應(yīng)變， 實(shí)現(xiàn)對外界壓力進(jìn)行測量， 這也是一種近些年才發(fā)展起來的增敏技術(shù)8。文獻(xiàn)15 設(shè)計的一種以金屬彈性圓筒為襯底的高壓光纖 Bragg 光柵壓力傳感器實(shí)現(xiàn)的壓力靈敏度為0.782 nm/MPa,測量范圍可達(dá)

16、0-52MPa。該種方法對應(yīng)變的增敏效果比較低，但是容易實(shí)現(xiàn)比較大的測量范圍， 而且測量精度高， 容易實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)組合測量， 是一種很有前途的增敏方式8。3.2.5 組合式增敏組合式增敏是指結(jié)合各種增敏方式的優(yōu)點(diǎn)，從而更好的實(shí)現(xiàn)對光纖光柵的應(yīng)變檢測。文獻(xiàn)16 報道了一種壓縮波紋管的方式來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測量的新型傳感器其 壓力靈敏度為48 nm/MPa，且量程為0.25 MPa，中心波長漂移了12 nm，是本文所述中最高的一種方式，其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。圖3.5 組合方式案例結(jié)構(gòu)圖3.3 光纖光柵增敏技術(shù)小結(jié)光纖光柵應(yīng)變增敏技術(shù)的發(fā)展使光纖光柵應(yīng)變檢測的應(yīng)用成為可能，目前應(yīng)變增敏技術(shù)有很多種實(shí)現(xiàn)方式，

17、選用的增敏封裝結(jié)構(gòu)和增敏材料也有很多種，對光纖光柵應(yīng)變增敏技術(shù)的綜述性討論目前還較少，沒有找到很統(tǒng)一的分類方式。但基本的兩種封裝結(jié)構(gòu)在上一節(jié)增敏技術(shù)淺析中已經(jīng)涉及到，分別為側(cè)面壓迫式增敏和端面拉伸式增敏。兩種方式各有利弊，總的來說端面拉伸式增敏雖然端面膜片容易變形，但通過選取合適的材料，可以解決這個問題，并且其增敏效果比側(cè)面拉伸式更好，相信會有更廣泛的應(yīng)用。3 參考文獻(xiàn)1 陳琦. 光纖光柵傳感技術(shù)的原理與應(yīng)用J. 科技信息, 2011(19).2 黃章勇. 光纖光柵及其在光纖通信中的應(yīng)用J. 光子技術(shù), 2001(04):181-189.3 邵理陽. 光纖光柵器件及傳感應(yīng)用研究D. 浙江大學(xué)信

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