第四章、光纖傳感器

1、第四章、光纖傳感器光纖是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的，并很快被廣泛應(yīng)用。由于光導(dǎo)纖維具有可彎曲性，且體積小、重量輕、光信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸損耗小、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，再加上光學(xué)干涉測(cè)量的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得光纖關(guān)涉測(cè)量在航空航天（溫度、壓力、光纖陀螺等）、石油（井下溫度、壓力測(cè)量）、電力（高壓輸電線路的電壓、電流測(cè)量）、醫(yī)療（血流速、血壓測(cè)量）等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，由光敏光纖制作的光纖布拉格光柵，既保留了光纖的諸多優(yōu)點(diǎn)，還具備了光柵的特性，所以利用光纖布拉格光柵制備成具有上述測(cè)量功能的光纖傳感器，更開拓了光纖傳感器的用。§4.1激光干涉光纖傳感器一、 光纖干涉測(cè)量的概念將光纖代替干涉

2、儀中的部分復(fù)雜光路，而發(fā)展起來的以單模光纖為基礎(chǔ)的干涉系統(tǒng)。傳統(tǒng)的幾種干涉儀都可以由光纖組成而成為光纖干涉儀。光纖干涉儀即可以得到與傳統(tǒng)分立式干涉儀相比擬的性能，又克服了傳統(tǒng)分立式關(guān)涉儀所涉及到的穩(wěn)定性問題和抗環(huán)境干擾問題，從而增強(qiáng)了光纖干涉儀的實(shí)用性。光纖干涉儀就是利用被測(cè)物理量改變光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光波場(chǎng)的光學(xué)特性，比如，壓力、應(yīng)力、溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等都可以改變光纖的折射率，而折射率變化就會(huì)產(chǎn)生相位差，再通過光波場(chǎng)的干涉，將由物理量所引起的微小相位差變化量、頻率變化量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢灾苯訙y(cè)量的光強(qiáng)變化，從而得到被測(cè)物理量的大小。二、 光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)形式光纖干涉儀根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式基本上可分為四種

3、。1. Michelson（邁克爾遜）光纖關(guān)涉儀He-Ne Laser 3dB耦合器 M1光電探測(cè)器 被測(cè)物理量 M2圖.1邁克爾遜光纖關(guān)涉儀它是基于傳統(tǒng)的Michelson干涉儀發(fā)展起來的。光路圖如右圖。激光束入射光纖，經(jīng)3dB耦合器分成光強(qiáng)緝私相等的兩光束，分別進(jìn)入Michelson干涉儀的參考光束臂（光纖）M1和測(cè)量光束臂（光纖）M2。被測(cè)物理量置于測(cè)量光纖端，影響測(cè)量光纖中光波場(chǎng)的相位、頻率等，再由反射鏡M1、M2將激光束反射回至3dB耦合器，進(jìn)行干涉后，再耦合到光電探測(cè)器，測(cè)量由被測(cè)物理量所引起的光波場(chǎng)特性的變化（例如干涉條紋變化，每一個(gè)條紋對(duì)應(yīng)2的相位差變化），從而得到被測(cè)物理量。

4、Michelson光纖干涉儀很適合于點(diǎn)測(cè)量，可以用來測(cè)量震動(dòng)、位移、應(yīng)力、溫度等，缺點(diǎn)是反射光會(huì)反饋到激光諧振腔內(nèi)，影響激光器的穩(wěn)定性。2.Mach-Zehnder（馬赫-澤德）光纖干涉儀He-Ne Laser 3dB耦合器 3dB耦合器 參考光纖 D1 D2 測(cè)量光纖圖4.2馬赫-澤德光纖干涉儀信號(hào)處理系統(tǒng)激光束經(jīng)3dB耦合器分成強(qiáng)度近似相等的兩光束分別入射參考光纖和測(cè)量光纖，被測(cè)物理量作用于測(cè)量光纖，使光波場(chǎng)的特性發(fā)生變化，參考光束與測(cè)量光束在另一3dB耦合器中相遇并發(fā)生干涉，再將干涉光波場(chǎng)送至光電探測(cè)器D1、D2，將被測(cè)物理量所引起的相位變化通過干涉條紋轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化。由于該干涉儀的結(jié)構(gòu)

5、特點(diǎn)，在該干涉儀中只有少量或沒有光波反射回激光諧振腔，故不影響激光器的工作穩(wěn)定性。且該干涉儀輸出的兩路干涉信號(hào)位相相反，這非常便于后續(xù)電路做辯向、細(xì)分等處理，從而使該種光纖干涉儀成為應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)，可用于測(cè)量位移、高電壓、大電流、磁場(chǎng)、應(yīng)力等物理量。3.Sagnac（薩格奈克）光纖干涉儀He-Ne Laser 多圈光纖3dB耦合器 探測(cè)器信號(hào)處理 圖4.3薩格奈克光纖干涉儀激光束經(jīng)3dB耦合器分成光強(qiáng)比為1：1的兩光束，分別輸入到一個(gè)多匝單模光纖圈的兩端，兩路光反向傳播再回到3dB耦合器，在耦合器中相遇并發(fā)生干涉，將干涉信號(hào)送入光電探測(cè)器。當(dāng)閉合光纖圈靜止時(shí)，兩束光傳播的路程完全相同，故其相位

6、差為0；而當(dāng)光纖圈相對(duì)于慣性空間以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則兩光路產(chǎn)生非互易性光程差，其干涉條紋的多少就反映了光程差的大小，也就反映出了角速度的大小。最典型的應(yīng)用就是光纖激光陀螺儀，光纖激光陀螺儀與其他陀螺儀相比，具有靈敏度高、無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)、體積小、成本底等優(yōu)點(diǎn)，是航空、航天及其他導(dǎo)航系統(tǒng)中優(yōu)選的慣性導(dǎo)航儀。He-Ne Laser F-P腔 光電探測(cè)器 圖4.4法布里-珀羅光纖干涉儀信號(hào)處理4.Fabry-Porot（法布里-珀羅）光纖干涉儀Fabry-Porot光纖干涉儀屬于多光束干涉類型。由光纖傳播的激光束，經(jīng)聚焦透鏡進(jìn)入F-P腔，入射光束在F-P腔內(nèi)多次反射，形成多光束干涉，由于F-P腔的參數(shù)受被測(cè)

7、物理量的調(diào)制而產(chǎn)生干涉圖樣，由光電探測(cè)器探測(cè)出干涉圖樣，就可以獲得被測(cè)物理量的數(shù)值。一般是利用F-P腔的腔長(zhǎng)或腔內(nèi)折射率的變化來感知被測(cè)物理量（如溫度、壓力位移、氣體濃度等）。三、 光纖干涉儀應(yīng)用舉例1、F-P光纖干涉氣體成分分析系統(tǒng)He-Ne 氣體注入Laser 自聚焦 自聚焦透鏡 透鏡 光電探測(cè)器F-P標(biāo)準(zhǔn)具圖4.5 F-P光纖干涉氣體成分分析數(shù)據(jù)處理F-P腔的兩平行端面分別鍍有高反射膜，被測(cè)氣體可從氣體注入口注入F-P腔內(nèi)，如果氣體成分、濃度不同，就會(huì)引起干涉條紋的變化，從而得到其相應(yīng)的測(cè)量值。對(duì)于F-P標(biāo)準(zhǔn)具多光束干涉增強(qiáng)的條件為：He-Ne Laser 分束鏡 被測(cè)溫度（壓力）場(chǎng) 測(cè)

8、量光纖 自聚焦透鏡 參考光纖D1 恒溫（壓）場(chǎng)D2圖4.6 Mach-Zehnder光纖干涉儀計(jì)數(shù) m干涉條紋的級(jí)次，為正整數(shù)，dF-P腔的長(zhǎng)度，n-腔內(nèi)折射率，-腔面法線與入射光線的夾角。在上述光路中，。D為定值，n發(fā)生變化就會(huì)導(dǎo)致干涉條紋變化，測(cè)量干涉條紋的變化量，就可以得到折射率n的變化量，而n的變化又是由氣體的成分、溫度、壓力等物理量引起的，所以，通過測(cè)量折射率n的變化量，就可以獲得氣體成分、壓力、溫度等參數(shù)。2、Mach-Zehnder光纖干涉儀測(cè)量溫度、壓力測(cè)量光纖置于被測(cè)溫度（壓力）場(chǎng)中，參考光纖置于恒溫（恒壓）場(chǎng)中，當(dāng)被測(cè)溫度（壓力）變化時(shí)，測(cè)量光纖的折射率n就會(huì)產(chǎn)生變化量，從

9、而引起相位變化干涉條紋變化，通過測(cè)量干涉條紋的變化，得到對(duì)應(yīng)的相位變化量圖4.7干涉型光纖應(yīng)變傳感器3、干涉型光纖應(yīng)變傳感器 如圖所示，在被測(cè)梁AB的上、下兩面分別往返貼上光纖。激光器發(fā)射的光分成兩束后分別導(dǎo)入這兩根光纖，會(huì)合于輸出端，在屏幕上形成干涉條紋。若在B端使一外力（如圖4.7），被測(cè)梁發(fā)生彎曲形變，上部光纖伸長(zhǎng)、下部光纖縮短，兩傳輸光的光程差發(fā)生變化，于是屏上的干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，可用條紋的移動(dòng)數(shù)目度量梁的彎曲程度。這種傳感器體積小，靈敏度高，若梁長(zhǎng)30cm，厚0.5cm，激光波長(zhǎng)0.6328，則梁的端頭位置變化10時(shí)，干涉條紋就會(huì)移動(dòng)一條.4、干涉型聲波光纖傳感器 圖4.8干涉型聲波

10、光纖傳感器干涉型聲波光纖傳感器示意圖如右圖所示。激光器射出的激光分別導(dǎo)入敏感臂光纖和參考臂光纖。敏感臂光纖受聲波壓力作用，長(zhǎng)度和直徑均發(fā)生變化，在其中傳播的光的相位因而發(fā)生變化，并與另一路由參考臂光纖傳出的光互相干涉，再通過光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c聲壓成正比的電信號(hào).檢測(cè)器輸出的信號(hào)為：式中是光檢測(cè)器的靈敏度；Ps、Pr，分別是信號(hào)光強(qiáng)和參考光強(qiáng)；是干涉效率；是無聲波時(shí)信號(hào)光和參考光的相位差，通常因聲壓引起的很小，當(dāng)=/2時(shí)，輸出i的變化為：這就是與聲壓成正比的聲傳感器的輸出。這種傳感器信噪比比較高。當(dāng)傳感器與聲波作用的光纖長(zhǎng)lm，輸入功率為lmw，檢測(cè)器帶寬為1Hz時(shí)，傳感器的檢測(cè)下限與人類對(duì)1kH

11、z的可聽極限(20Pa)相當(dāng)。5、金屬封裝的光纖F-P干涉型溫度傳感器金屬毛細(xì)管圖4.9金屬封裝的光纖F-P干涉型溫度傳感器9此傳感器的依據(jù)是利用溫度改變Fabry- perot干涉儀的干涉條紋來測(cè)量外界溫度。其結(jié)構(gòu)如圖4.9所示。該傳感器采用溫度敏感的金屬材料作為法珀腔的腔體， 利用高精度位移機(jī)構(gòu)將光纖兩端插入金屬毛細(xì)管中形成低精細(xì)度的光纖法珀腔。 光纖在金屬管的兩端通過膠粘的方式固定。 當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)將直接導(dǎo)致金屬毛細(xì)管的熱膨脹， 帶動(dòng)插入金屬管內(nèi)的光纖移動(dòng)， 從而引起光纖法珀腔的腔長(zhǎng)變化。 采用這種方案， 避免了膠直接作用于光纖法珀腔腔體上， 消除了由于涂膠不勻引起的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象

12、， 簡(jiǎn)化了封裝工藝。 同時(shí)， 金屬毛細(xì)管的長(zhǎng)度即為該溫度傳感器的標(biāo)距， 它將決定傳感器的靈敏度。 該傳感器的核心結(jié)構(gòu)為光纖法珀干涉腔( F- P 腔) 。 在使用低相干光源時(shí)， 由于低相干光源都具有一定的光譜寬度， 因此可看成是多個(gè)波長(zhǎng)，的迭加。 光入射到F- P 腔后， 不斷地在F- P 腔的2個(gè)端面之間進(jìn)行反射和透射， 形成多光束干涉。當(dāng)F- P 腔的腔長(zhǎng)是傳輸光半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)， 反射光強(qiáng)最大。 通過對(duì)峰值波長(zhǎng)移動(dòng)量的測(cè)量即可得到待測(cè)溫度的變化情況， 該傳感器具有靈敏度與傳感器的標(biāo)距成正比的特性， 可以通過改變標(biāo)距的方法方便地調(diào)整傳感器的靈敏度。6、光學(xué)-干涉型電場(chǎng)傳感器圖4.10光學(xué)-

13、干涉型電場(chǎng)傳感器集成光路器件可構(gòu)成多種結(jié)構(gòu)來進(jìn)行電場(chǎng)測(cè)量，最常見的是在襯底上制造的干涉儀波導(dǎo)器件，具有大的電光系數(shù)，因而靈敏度高，很適合于電場(chǎng)傳感測(cè)量應(yīng)用。電磁場(chǎng)傳感器如圖4.10所示，它具有很好的線性、微伏級(jí)靈敏度和大于的動(dòng)態(tài)范圍，干涉儀兩臂長(zhǎng)度相差n=/4，產(chǎn)生固有的相位差，以獲得最佳線性。對(duì)稱放置于干涉儀波導(dǎo)臂兩邊的電極與偶極子天線相連接，以調(diào)制與電場(chǎng)成正比的光輸出。波導(dǎo)制成X切、Y向傳輸，以使熱電效應(yīng)引起的溫度不穩(wěn)定性最小，并獲得高的電壓測(cè)量靈敏度。 8§4.2光纖布拉格光柵傳感器一、 光纖布拉格光柵(FBG)原理及制作方法1. 光纖布拉格光柵(FBG)原理圖4.11 光纖布

14、拉格光柵透射、發(fā)射譜FBG是Fiber Bragg Grating的縮寫，即光纖布拉格光柵。在纖芯內(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射器。利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。目前應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域(光纖激光器、光纖濾波器)和光纖傳感器領(lǐng)域(位移、速度、加速度、溫度的測(cè)量)。布拉格光柵傳感系統(tǒng)由3個(gè)基本部分組成：1) 光源；2) 傳感系統(tǒng)：3) 波長(zhǎng)探測(cè)裝置。系統(tǒng)的基本原理為：寬帶激光光源（圖4.1

15、1入射譜）入射光纖布拉格光柵，由于FBG對(duì)的光波具有高發(fā)射率，所以通過FBG的透射光譜在處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷（圖4.11傳輸譜），如果測(cè)量FBG的反射光譜，就會(huì)在處得到一個(gè)強(qiáng)反射峰（圖4.11反射譜），就相當(dāng)于一個(gè)具有選擇性的窄帶反射鏡。根據(jù)耦合模理論，當(dāng)寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時(shí)產(chǎn)生模式耦合，滿足布拉格條件的光被反射，中心反射波長(zhǎng)為: （4-2-1）式中，neff是光纖光柵有效折射率，是光纖光柵周期，可見布拉格波長(zhǎng)與 neff和相關(guān)。如果某個(gè)物理量（比如溫度、壓力、位移等）改變，就會(huì)導(dǎo)致布拉格波長(zhǎng)變化，從而導(dǎo)致反射譜峰的移動(dòng)，通過測(cè)量反射譜峰的移動(dòng)量，就能計(jì)算出物理量的變化量。2. 光纖光柵

16、制作方法 光纖光柵制作分為兩個(gè)步驟，光敏光纖制備和成柵，成柵過程還涉及紫外光源選取。A) 光敏光纖的制備采用適當(dāng)?shù)墓庠春凸饫w增敏技術(shù)，可以在幾乎所有種類的光纖上不同程度的寫人光柵。所謂光纖中的光折變是指激光通過光敏光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，如這種折射率變化呈現(xiàn)周期性分布，并被保存下來，就成為光纖光柵。 光纖中的折射率改變量與許多參數(shù)有關(guān)，如照射波長(zhǎng)、光纖類型、摻雜水平等。如果不進(jìn)行其它處理，直接用紫外光照射光纖，折射率增加僅為10-4數(shù)量級(jí)便已經(jīng)飽和，為了提高光纖光敏性，目前光纖增敏方法主要有以下幾種：1)摻入光敏性雜質(zhì)，如：鍺、錫、棚等。2)多種摻雜(主要是B/G

17、e共接)。3)高壓低溫氫氣擴(kuò)散處理。4)劇火。B) 成柵的紫外光源光纖的光致折射率變化的光敏性主要表現(xiàn)在244nm紫外光的錯(cuò)吸收峰附近，因此除駐波法用488nm可見光外，成柵光源都是紫外光。大部分成柵方法是利用激光束的空間干涉條紋，所以成柵光源的空間相干性特別重要。目前，主要的成柵光源有窄線寬準(zhǔn)分子激光器、倍頻Ar離子激光器、倍頻染料激光器等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，窄線寬準(zhǔn)分子激光器是目前用來制作光纖光柵最為適宜的光源。它可同時(shí)提供193nm（KrF）和244nm兩種有效的寫入波長(zhǎng)并有很高的單脈沖能量，可在光敏性較弱的光纖上寫人光柵并實(shí)現(xiàn)光纖光柵在線制作。C) 成柵方法 光纖光柵制作方法中的駐波法及光

18、纖表面損傷刻蝕法， 內(nèi)部寫入法，又稱駐波法。 光纖 反射鏡圖4.12 駐波寫入法制作FBGAr+ Laser488nm將波長(zhǎng)488nm的基模氬離子激光從一個(gè)端面耦合到摻雜光纖中，經(jīng)過光纖另一端面反射鏡的反射，使光纖中的人射和反射激光相干涉形成駐波。由于纖芯材料具有光敏性，其折射率發(fā)生相應(yīng)的周期變化，于是形成了與干涉周期一樣的立體折射率光柵，它起到了Bragg反射器的作用。已測(cè)得其反射率可達(dá)90%以上，反射帶寬小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于實(shí)驗(yàn)要求在特制鍺摻雜光纖中進(jìn)行，要求鍺含量很高，芯徑很小，并且上述方法只能夠制作布拉格波長(zhǎng)與寫入波長(zhǎng)相同的光纖光柵，因此，這種光柵幾乎無法獲得任何

19、有價(jià)值的應(yīng)用，現(xiàn)在很少被采用。準(zhǔn)分子激光干涉方法準(zhǔn)分子 擴(kuò)束 分束鏡 全反鏡激光束 全反鏡 光束夾角 光敏光纖 成光柵部分圖4.13 兩紫外激光光束干涉法制作FBG兩光束Meltz等人首次制作了橫向側(cè)面曝光的光纖光柵。用兩束相干紫外光束（同一準(zhǔn)分子激光器輸出分成兩束）在裸光纖的側(cè)面相干，形成干涉條紋，利用光纖材料的光敏性形成光纖光柵。柵距周期由給出，其中為兩相干紫外光束的夾角。可見，通過改變?nèi)松涔獠ㄩL(zhǎng)或兩相干光束之間的夾角，可以改變光柵常數(shù)，獲得適宜的光纖光柵。原來由于技術(shù)限制，多采用多脈沖曝光，由于環(huán)境干擾（比如震動(dòng)），影響了器件質(zhì)量。近年來發(fā)展了單激光脈沖（脈沖能量1J以上）曝光在光纖上形

20、成高反射率光柵的方法。此外，此法可以在光纖制作過程中實(shí)現(xiàn)，接著進(jìn)行涂覆，從而避免了光纖受到額外的損傷，保證了光柵的良好強(qiáng)度和完整性。這種成柵方法對(duì)光源的要求不高，特別適用于光纖光柵的低成本、大批量生產(chǎn)。相位掩膜法 將用電子束曝光刻好的圖形掩膜置于待刻光纖上，相位掩膜具有壓制零級(jí)，增強(qiáng)一級(jí)衍射的功能。紫外光經(jīng)過掩膜相位調(diào)制后衍射到光纖上形成干涉條紋，寫入周期為掩膜周期一半的Bragg光柵。這種成柵方法不依賴于人射光波長(zhǎng)，只與相位光柵的周期有關(guān)。長(zhǎng)周期光纖光柵的制作 逐點(diǎn)寫人法 此方法是利用精密機(jī)構(gòu)控制光纖運(yùn)動(dòng)位移，每隔一個(gè)周期曝光一次，通過控制光纖移動(dòng)速度可寫入任意周期的光柵。這種方法在原理上具

21、有最大的靈活性，對(duì)光柵的耦合截面可以任意進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。原則上，利用此方法可以制作出任意長(zhǎng)度的光柵，也可以制作出極短的高反射率光纖光柵，但是寫人光束必須聚焦到很密集的一點(diǎn)，因此這一技術(shù)主要適用于長(zhǎng)周期光柵的寫入。它的缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的聚焦光學(xué)系統(tǒng)和精確的位移移動(dòng)技術(shù)。二、 光纖布拉格光柵(FBG)傳感器1. 光纖光柵溫度傳感器光纖光柵溫度傳感器的工作原理：當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)， 光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化， 從而導(dǎo)致光柵常數(shù)改變，最終使得光纖光柵反射曲線的中心波長(zhǎng)發(fā)生改變，當(dāng)用帶寬激光（半單體激光器）入射光纖光柵傳感器，通過測(cè)量溫度變化前后反射光中心波長(zhǎng)的變化，就可以獲得溫度的

22、變化情況。FBG 溫度傳感器增敏的原理是利用FBG 對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感的特性， 通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 把FBG 和高熱膨脹系數(shù)材料封裝在一起， 當(dāng)被測(cè)溫度變化時(shí)， 通過高熱膨脹系數(shù)材料的形變向FBG 施加一個(gè)應(yīng)變量， 使得FBG 的反射中心波長(zhǎng)變化。 基于此原則，測(cè)溫光纖光柵的粘結(jié)方法大體上分為兩種： 直接將FBG 粘貼在高熱膨脹系數(shù)材料上， 當(dāng)溫度升高時(shí)， 高膨脹系數(shù)材料直接拉動(dòng)FBG， 使FBG 的應(yīng)變加大， 反射中心波長(zhǎng)的變長(zhǎng)。通過測(cè)量反射中心波長(zhǎng)的變化量，計(jì)算出待測(cè)溫度。這種增敏方式的明顯缺點(diǎn)：增敏效果受到材料的熱膨脹系數(shù)制約、分辨率有限、而且伴有啁啾的負(fù)面效應(yīng)。采用雙金屬結(jié)構(gòu)的方法

23、實(shí)現(xiàn)溫度增敏，結(jié)構(gòu)如圖.所示，這種方法效果明顯。溫度變化時(shí)，雙金屬結(jié)構(gòu)把2 種熱膨脹系數(shù)不同的金屬的長(zhǎng)度變化量的差轉(zhuǎn)化成FBG 長(zhǎng)度的變化量，從而提高FBG的溫度靈敏度。圖.雙金屬結(jié)構(gòu)FBG溫度傳感器當(dāng)溫度變化時(shí)，材料A 和材料B 長(zhǎng)度均變化，且A 長(zhǎng)度的變化量比B 長(zhǎng)度的變化量大得多， A 、B 長(zhǎng)度的變化量的差值直接傳遞給了FBG。 當(dāng)FBG的應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)， FBG反射曲線的中心波長(zhǎng)會(huì)隨之發(fā)生變化。FBG 的應(yīng)變量越大， 反射曲線中心波長(zhǎng)變化量也就越大。 因此， 可以通過調(diào)整A 和B 的長(zhǎng)度和選用不同熱膨脹系數(shù)的材料來控制FBG 的應(yīng)變量， 從而實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度的溫度測(cè)量。 雙管式光

24、纖光柵溫度傳感器  圖4.15是一種對(duì)外加應(yīng)力應(yīng)變不敏感的雙管式光纖光柵溫度傳感器。其中， 外套管隔離了外加應(yīng)力應(yīng)變向內(nèi)管的作用， 避免了外力通過內(nèi)管傳遞給光纖Bragg 光柵。 同時(shí)， 由于內(nèi)、外管均是熱傳導(dǎo)性能良好的金屬材料( 比如: 銅) ， 故溫度仍能通過外管和內(nèi)管傳遞給光纖Bragg 光柵， 從而使得Brag g 波長(zhǎng)響應(yīng)溫度變化而產(chǎn)生移位。 圖4.15雙管式光纖光柵溫度傳感器2. 光纖布拉格光柵濕度傳感器圖4.16 光纖布拉格光柵濕度傳感器光纖布拉格光柵濕度傳感器主要由對(duì)濕度敏感的光纖布拉格光柵和聚酰亞胺(PI)濕敏薄膜組成，如圖4.16所示。外包聚酰亞胺濕敏薄膜的光纖布

25、拉格光柵，可敏感測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的濕度變化量。光纖布拉格光柵的諧振反射波長(zhǎng)可表為: （4-2-2）式中 neff是光纖布拉格光柵的有效折射率；是光柵周期(亦稱光柵常數(shù))。對(duì)式(4-2-2)取對(duì)數(shù)再求全微分得: （4-2-3）光纖光柵在受到應(yīng)變作用時(shí)的波長(zhǎng)漂移量為： （4-2-4）式中，為軸向應(yīng)變，為有效彈光系數(shù)。當(dāng)濕度變化時(shí)，由于光纖表面涂層濕敏材料的膨脹，引起光纖光柵的應(yīng)變響應(yīng)（濕應(yīng)變），再考慮溫度對(duì) FBG本身的影響，溫度對(duì)濕敏材料的影響，可得： （4-2-5）其中，溫度系數(shù)：，濕敏系數(shù)：，為濕敏材料與光纖的黏接系數(shù)，為濕敏材料的濕膨脹系數(shù)，Y為濕度，為濕敏材料的熱膨脹系數(shù)，為光纖的熱膨脹系數(shù)。如

26、果能夠直接測(cè)量出由溫度變化引起的光纖光柵的變化量KTT，就可以省去復(fù)雜計(jì)算，由此形成了雙光纖光柵濕度傳感器。結(jié)構(gòu)如圖4.17所示。溫敏材料圖4.17 雙光纖光柵濕度傳感器利用溫度和濕度作用于FBG引起的波長(zhǎng)漂移量是線性疊加的原理，設(shè)計(jì)在同一光纖上寫入兩段光柵并涂上濕敏涂層，其中FBG1可同時(shí)響應(yīng)溫度和濕度；FBG2外表面附著一層溫敏材料（如鋁），隔離濕敏涂層免受濕度的影響而對(duì)溫度作出響應(yīng)。兩個(gè)光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量可根據(jù)式（4-2-5）計(jì)算得到： （4-2-6） （4-2-7）由此可知，通過分別測(cè)量 FBG的波長(zhǎng)漂移量，可求得溫度變化量，濕度變化量。3. 光纖布拉格光柵壓強(qiáng)傳感器 平面膜片應(yīng)變規(guī)

27、則當(dāng)圓形平面膜片兩側(cè)存在壓差時(shí)，在低壓側(cè)表面每一點(diǎn)都會(huì)受到一個(gè)徑向應(yīng)力sr和切向 (4-2-8) (4-2-9)應(yīng)力st, 式中p是膜片兩側(cè)所受到的壓力差，R為膜片的半徑，v為膜片材料的波松比，t為膜片的厚度，r為點(diǎn)距膜片圓心的距離。膜片表面應(yīng)變分布如圖4.18所示。徑向應(yīng)力sr和切向應(yīng)力st使得膜片在每一點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變s。圖4.18 膜片表面應(yīng)變分布(4-2-10)(4-2-11)式中，E為膜片材料的彈性模量。由式(4-2-8)和(4-2-9)可知，膜片邊緣處的徑向應(yīng)力最大，如式(4-2-12)所示。設(shè)計(jì)膜片時(shí)，此處的應(yīng)力不應(yīng)超過材料的最大允許應(yīng)力。 （4-2-12） 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由應(yīng)變分布圖及式(4-2-10)、(4-2-11)可知，膜片中心徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變相等，為正最大值。式