光纖光柵溫度傳感器報(bào)告

1、波長調(diào)制型光纖溫度傳感器光纖傳感測試技術(shù)課程作業(yè)報(bào)告提交時間：2011年10月27 日1研究背景（執(zhí)筆人：）被測場或參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸光的波長改變，進(jìn)而通過測量光波長的變化來確定北側(cè)參量的傳感方法即為波長調(diào)制型光纖傳感器。光纖光柵傳感器是一種典型的波長調(diào)制型光纖傳感器。基于光纖光柵的傳感過程是通過外界參量對布拉格中心波長B的調(diào)制來獲取傳感信息，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：B 2neff式中：neff為纖芯的有效折射率；是光柵周期。這是一種波長調(diào)制型光纖溫度傳感器，它具有一下明顯優(yōu)勢：（1）抗干擾能力強(qiáng)。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質(zhì)，因而不怕強(qiáng)電磁

2、干擾，也不影響外界的電磁場，并且安全可靠。這使它在各 種大型機(jī)電、石油化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能方便而有效 地傳感，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。（2）傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，外形可變，適合埋入大型結(jié)構(gòu)中測量結(jié)構(gòu) 內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷，穩(wěn)定性、重復(fù)性好，適用于許多應(yīng)用場合，尤其是智能材 料和結(jié)構(gòu)。（3）測量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。（4）便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。（5）可用于外界參量的絕對測量。（6）光柵的寫入技術(shù)已經(jīng)較為成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。（7）輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感。

3、由于以上優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康檢測以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是它也存在一些不足之處。因?yàn)楣饫w光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)在于對波長漂移的檢測，而目前對波長漂移的檢測需要用較復(fù)雜的技術(shù)和較昂貴的儀器 或光纖器件，需大功率的寬帶光源或可調(diào)諧光源，其檢測的分辨率和動態(tài)范圍也受到一定的限制等。光纖布拉格光柵無疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測量應(yīng)力和應(yīng)變的場合，具有其作為檢測材它一些傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是智能結(jié)構(gòu)中最有希望集成在材料內(nèi)部,料的結(jié)構(gòu)和載荷，探測其損傷的傳感器。2.傳感設(shè)計(jì)與可行性論證(執(zhí)筆人：)根據(jù)耦合模理論，光纖布拉格光柵的中心反射波長可

4、以表示為：B 2neff式中nef為導(dǎo)模的有效折射率，為光柵的周期。由 式可以看出，中心反射波長 B與有效折neff射率和光柵周期有關(guān)；有效折射率neff和光柵周期會隨著溫度、壓力、應(yīng)變的變化而變化，從而根據(jù)中心反射波長的變化量來測量溫度，壓力，應(yīng)變等變化量。當(dāng)光纖光柵受到軸向外力及溫度的影響時，其光柵周期和纖芯折射率neff將會發(fā)生變化，光纖光柵反射波長也會發(fā)生變化。其關(guān)系式為：B 2neff2 neff對于(2)式，假設(shè)僅有溫度變化時，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為：=T式中 為光纖的熱膨脹系數(shù)。熱光系數(shù)引起有效折射率變化為：neff = ? neff ? T (4)式中為光纖的熱光系數(shù)

5、，表示折射率隨溫度的變化率。因此可得光纖布喇格光柵的溫度靈敏度系數(shù)：KtBT? B對于普通的光纖光柵，比如摻鍺石英光纖,0.5 10 TC7.0 10 6/oC6 o可以估算出常溫下光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)大約為7.5 10 / C 。由數(shù)據(jù)可見，若要把光纖光柵應(yīng)用于實(shí)際的傳感,必須對光纖光柵的靈敏度進(jìn)行溫度增敏，增加光纖光柵對溫度的靈敏度，方法一般都是對光纖光柵進(jìn)行封裝。對于封裝后的光纖光柵傳感器，其溫度靈敏度系數(shù)為:KtT? B(1Pe)( s )設(shè)計(jì)高靈敏溫度光纖光柵傳感器，常用方法是采用熱膨脹系數(shù)大的材料封裝光纖光柵。常用的材料是熱膨脹系數(shù)大的金屬材料，聚合物材料，合金材料等。常用的封

6、裝方式有：選用熱膨脹系數(shù)較大的金屬材料對光纖光柵進(jìn)行貼片封裝和把光纖光柵以嵌入式的方法封裝 在熱膨脹系數(shù)較大的聚合物材料中等。3.傳感器解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（執(zhí)筆人：）解調(diào)方案影響到整個傳感系統(tǒng)的精度、 分辨率的參數(shù)。現(xiàn)今常見的實(shí)現(xiàn)對波長編碼的解 調(diào)方法包括：可調(diào)激光器解調(diào)方案、可調(diào)濾波解調(diào)方案、邊緣濾波解調(diào)方案和干涉儀解調(diào)方 案等。其中利用可調(diào)濾波器和干涉儀來實(shí)現(xiàn)解調(diào)是目前最重要也是應(yīng)用最廣泛的兩種方法。干涉儀解調(diào)基本方法是：把從傳感 FB（反射的光用耦合器分為光強(qiáng)相等的兩路，然后引 入一定的路程差，當(dāng)兩路光重新匯合發(fā)生干涉的時候，就存在一個相位差。 對于不同中心波長的發(fā)射光，經(jīng)過相同路程差所引入的

7、相位差是不一樣的，其所得的干涉光的光強(qiáng)也是不一樣的。通過從干涉光強(qiáng)中解出相位差的信息，就能得到反射光中心波長的信息。圖1基于非平衡M-Z干涉儀的解調(diào)方案用于信號解調(diào)的干涉儀有 M-Z干涉儀、Michelson干涉儀和Sagnac環(huán)干涉儀等。1992年以來等人就先后提出了一系列基于非平衡M-Z干涉儀的解調(diào)方案，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。假設(shè)非平衡M-Z干涉儀兩臂引入的路程差為L ,那么干涉時的相位差可表示為：2nef L如果不引入其他噪聲，且兩束干涉光光強(qiáng)相等時，其干涉光強(qiáng)可表示為:1（ b）=A+Acos（）B可見輸出光強(qiáng)是反射光中心波長的函數(shù)。另外從上式中可以看到， 干涉光強(qiáng)中帶有直流信號，這樣

8、會影響到系統(tǒng)的分辨率。因此，如圖1所示，通過差分放大，能夠抑制干涉信號的直流分量，從而提高系統(tǒng)的分辨率。這種解調(diào)方案分辨率高， 響應(yīng)速度快，非常適合于動態(tài)測量。 但是由于是通過相位差來 反映中心波長，其最大變化范圍為 2 ，超過以后將無法得到正確的中心波長值，因此限制 系統(tǒng)的測量范圍。另外，由于干涉強(qiáng)度對于相位差相當(dāng)敏感，因此干涉兩臂所處環(huán)境的噪聲對系統(tǒng)影響較大，也是該系統(tǒng)缺陷之一。4.誤差分析（執(zhí)筆人：）通過合理的結(jié)FBG溫度傳感器增敏的原理是利用 FBG對溫度和應(yīng)變同時敏感的特性,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)被測溫度變化時,通過高熱膨脹系基于此原則的方數(shù)材料的形變向F

9、BG施加一個應(yīng)變量，使得FBG的返回波長變化量加大。法大體上分為兩種(1)直接將FBG粘貼在高熱膨脹系數(shù)材料上，當(dāng)溫度升高時，高膨脹系數(shù)材料直接拉動FBG 使FBG的應(yīng)變加大，返回中心波長的變化量增加。然而， 這種增敏方式有明顯的缺點(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)。(2)通過采用雙金屬結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)溫度增敏， 效果明顯。溫度變化時，雙金屬結(jié)構(gòu)把2 種熱膨脹系數(shù)不同的金屬的長度變化量的差轉(zhuǎn)化成 FBG長度的變化量，從而提高FBG勺溫度 靈敏度。 可是， 他們沒有對該類型的FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和精度作進(jìn)一步研究， 限制 了它的應(yīng)用范圍。基于上面所提到的2個

10、缺點(diǎn)，利用光纖光柵對溫度和應(yīng)變同時敏感的特性， 設(shè)計(jì)制作 了一款雙金屬光纖光柵溫度傳感器， 在地震前兆觀測時能滿足地溫觀測的精度要求。 雙金 屬的溫度增敏原理如圖2所示。圖2傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)溫度變化時， 材料A和材料B長度均變化，且A長度的變化量比B長度的變化量大 得多，A、B長度的變化量的差值直接傳遞給了 FBG 當(dāng)FBG勺應(yīng)變發(fā)生變化時， 其返回 波長會隨之發(fā)生變化。FBG的應(yīng)變量越大，返回波長變化量也就越大。因此， 可以通過調(diào)整A和B的長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 量。實(shí)驗(yàn)證明：該傳感器的精度達(dá)到 % C ,獲得了現(xiàn)今光纖光柵

11、溫度傳感器最高的分辨 率4 C / pm,再稍微擴(kuò)展下還能利用這個原理， 設(shè)計(jì)制作一款靈敏度系數(shù)可調(diào)的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器,并通過調(diào)整高靈敏度光纖光柵溫度傳感器的靈敏度改變其量程。圖3雙管式光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為雙管式光纖Bragg光柵溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。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，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波長響應(yīng)溫度變化而產(chǎn)生移位。根據(jù)測溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到光纖光柵溫度傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)性能指標(biāo)，光纖光柵溫度傳

12、感系統(tǒng)靈敏度為c ,分辨率為c ,線性度為% 重復(fù)性誤差1.55% 。心得體會本次我們以光纖溫度傳感器作為調(diào)研方向，從所搜集的資料我們可以發(fā)現(xiàn)，光纖溫度傳感器作為光纖傳感器中應(yīng)用領(lǐng)域最廣的傳感器之一，它的發(fā)展歷史已近40年，而且正在往更高效，更穩(wěn)定的方向日漸改善。此外，在展開本課題調(diào)研之初，我們還對當(dāng)今不同國家光纖溫度傳感器研究的深度及廣度作了進(jìn)一步調(diào)查，并體會到我國在該領(lǐng)域雖然起步較晚，但其發(fā)展速度迅速，且現(xiàn)發(fā)展水平還有待改善。在關(guān)于光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)方面，我們選擇了兩個方案結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，第一個為基于Mach-Zehnder干涉儀通過光條紋隨溫度變化來實(shí)現(xiàn)溫度傳感。由于對Mach-Zehnder干涉儀本身已有一定的學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)，我們在這一方案中能較好的理解其原理，并對其應(yīng)用過程中的優(yōu)缺點(diǎn)做了進(jìn)一步的分析。而對于第二個方案，我們采用單晶硅半導(dǎo)體作為傳感器的核心， 通過電子電路方式實(shí)現(xiàn)溫度傳感。該方案運(yùn)用到LED以及低通濾波器等，操作性較為可行，但其對光譜譜寬有一定的要求，因此在光纖溫度傳感中容易出現(xiàn)誤差，相對來說基于干涉原理的方案一其靈敏度較高，實(shí)現(xiàn)的可能性更高?？偟膩碚f通過此次的調(diào)研我們對光纖傳感器，特別是光纖溫度傳感器有了進(jìn)一步的認(rèn)識，當(dāng)中包括其發(fā)展歷史以及其原理結(jié)構(gòu)。 而值得注意的是，在光纖傳感器的應(yīng)用當(dāng)中我們 還應(yīng)考慮到市場供應(yīng)以及成本控制， 配套器