光纖布拉格光柵溫度傳感器響應(yīng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、 . 目 錄1 緒論11.1 研究目的與意義11.2 光纖光柵發(fā)展歷史21.3 光纖光柵傳感的優(yōu)點(diǎn)31.4 光纖光柵傳感的發(fā)展和應(yīng)用情況41.5 存在的問(wèn)題61.6 論文的主要容與工作72. 光纖光柵的簡(jiǎn)介82.1 光纖光柵的分類(lèi)82.2 光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝研究102.2.1 現(xiàn)有封裝工藝分析102.2.2 光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝122.3 光纖光柵制作技術(shù)132.3.1 干涉寫(xiě)入法132.3.2 逐點(diǎn)寫(xiě)入法142.3.3 組合寫(xiě)入法143. 光纖布拉格光柵傳感原理163.1 光纖光柵傳感原理163.2 光纖布拉格光柵耦合模理論173.2.1 光纖布拉格光柵特性173.2.2

2、耦合模理論26193.3 光纖布拉格光柵溫度傳感原理28243.4 FBG溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間263.4 光纖布拉格光柵解調(diào)技術(shù)293.4.1 非平衡M-Z光纖干涉儀法293.4.2 可調(diào)諧光纖F-P濾波法303.4.3 匹配光柵法314. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)334.1 光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)334.2 高溫測(cè)試的分析334.3 FBG溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試344.4 實(shí)驗(yàn)仿真355 結(jié)論42參考文獻(xiàn)43致4549 / 55畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方

3、外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳荨Ｗ髡吆灻?日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交

4、的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期：

5、年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫(xiě)（設(shè)計(jì)）過(guò)程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力 優(yōu) 良 中 與格 不與格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 優(yōu) 良 中 與格 不與格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 與格 不與格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？ 優(yōu) 良

6、 中 與格 不與格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 與格 不與格建議成績(jī)：優(yōu) 良 中 與格 不與格（在所選等級(jí)前的畫(huà)“”）指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)?/p>

7、解決實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 與格 不與格建議成績(jī)：優(yōu) 良 中 與格 不與格（在所選等級(jí)前的畫(huà)“”）評(píng)閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）與教學(xué)系意見(jiàn)教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過(guò)程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見(jiàn)解的敘述情況 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、對(duì)答辯問(wèn)題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、學(xué)生答辯過(guò)程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 與格 不與格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰

8、寫(xiě)規(guī)？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 與格 不與格評(píng)定成績(jī)：優(yōu) 良 中 與格 不與格（在所選等級(jí)前的畫(huà)“”）教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）： （簽名）年 月 日教學(xué)系意見(jiàn)：系主任： （簽名）年 月 日1 緒論1.1 研究目的與意義光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維與光纖通信技術(shù)發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為載體、光

9、纖為媒質(zhì)、感知和傳輸外界信號(hào)（被測(cè)量）的新型傳感技術(shù)。光纖布拉格光柵是用光纖布拉格光柵（FBG）作敏感元件的功能型光纖傳感器，以其抗電磁干擾、靈敏度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。將其埋入材料或者結(jié)構(gòu)，以通過(guò)光纖布拉格光柵傳感器的傳感特性監(jiān)測(cè)部的物理變化如應(yīng)變、溫度、壓力，進(jìn)行全面有效的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，增加對(duì)材料制造過(guò)程中以與工作期間的狀態(tài)透明度。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):1.傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可變，可測(cè)量結(jié)構(gòu)部的應(yīng)力、應(yīng)變與結(jié)構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好;2.易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高;3.具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小

10、，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作;4.輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫(xiě)入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感;5.光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接與禍合損耗、以與光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力;6.高靈敏度、高分辨力。正是由于這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得光纖布拉格光柵已成為目前最具有發(fā)展前途，最具有代表性的光纖無(wú)源器件之一，其應(yīng)用領(lǐng)域也日漸擴(kuò)展。溫度傳感是光纖布拉格光柵傳感器最重要的應(yīng)用之一。光纖布拉格光柵反射波長(zhǎng)的漂移量是其在溫度傳感理論中的重要參數(shù)。作為溫度傳感元件，人們希望光纖布拉格光柵具有大的溫度靈敏度，以期獲得高

11、的溫度分辨率。然而，由于光纖光柵材料的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)都較小，光纖光柵的溫度靈敏度非常低，并且裸光柵本身易損壞，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響著光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。并且，光纖布拉格傳感器在進(jìn)行高溫測(cè)試時(shí)能測(cè)量的溫度有所局限，不能滿足目前某些特定領(lǐng)域的測(cè)量。因此，為了解決這些問(wèn)題，本課題著重對(duì)用光纖布拉格傳感器應(yīng)用到高溫測(cè)試以與光纖布拉格溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試進(jìn)行研究。1.2 光纖光柵發(fā)展歷史1978年，加拿大渥太華通信研究中心的KOHill等人首次觀察到摻鍺光纖中因光誘導(dǎo)產(chǎn)生光柵的效應(yīng)。他們使用488nm氬離子激光照射摻鍺的光纖，在光纖中產(chǎn)生駐波干涉條紋，制成纖芯折射率沿軸向周期性分布的光纖光柵。

12、在摻鍺的單模光纖中，行波場(chǎng)通過(guò)光纖端面的反射在光纖中形成一個(gè)駐波場(chǎng)，光纖中形成了持久的周期性折射率改變，與寫(xiě)入光駐波場(chǎng)空間分布一樣的，這種折射率的周期性變化形成了一個(gè)光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)。用這種方法制作的反射濾波器的反射率可以達(dá)到接近100的飽和值，對(duì)溫度和應(yīng)力都很敏感，開(kāi)辟了光纖光柵傳感器研究與應(yīng)用的新領(lǐng)域。此后，由于寫(xiě)入效率低等原因，其進(jìn)展緩慢。1981年，加拿大McMaster大學(xué)DKWLam等人研究了摻鍺石英光纖折射率變化與照射激光功率之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示摻鍺石英光纖的光敏現(xiàn)象可能是雙光子過(guò)程，折射率變化與激光器功率平方成正比，用244n

13、rn的光源代替488nm的光源，光纖的敏感性可能成倍提高1。1989年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心的G·Meltz等人發(fā)明了紫外光側(cè)面寫(xiě)入光敏光柵的技術(shù)，首次利用244nmKrF準(zhǔn)分子激光器，采用雙光束側(cè)面全息干涉法研制成功Bragg光纖光柵濾波器。這不僅有效地提高了光纖光柵的寫(xiě)入效率，而且還可以通過(guò)改變兩束相干光的夾角對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控，光纖光柵的實(shí)用化向前邁了一大步。1993年，KOHill等人提出了位相掩模寫(xiě)入技術(shù)和逐點(diǎn)寫(xiě)入法，極放寬了對(duì)寫(xiě)入光源相干性的要求，重復(fù)性好，使光纖光柵的制作更加靈活，光柵的批量生產(chǎn)也成為可能2。同年，董亮等人還提出了在線成柵法，在光纖拉制過(guò)程中對(duì)光纖逐

14、點(diǎn)寫(xiě)入形成光柵。這免去了光纖光柵制作時(shí)剝?nèi)ス饫w涂覆層的工序，適于大規(guī)模制作高反射率、窄線寬的光纖光柵。1993年1月，KLWilliams等人在研究光纖對(duì)紫外光的敏感性時(shí)發(fā)現(xiàn)，摻GeB光纖對(duì)紫外光具有更好的光敏性。同年6月，AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的PJLemaire等人提出了載氫的方法來(lái)提高光纖的光敏性。這種方法適用于摻鍺、摻磷光纖，現(xiàn)已成為制作光纖光柵的重要步驟。1994年6月，R·Kashyap等人利用線性階躍啁啾相位模板研制成功線性啁啾光纖光柵，它由N段均勻光柵組成。這種方法的關(guān)鍵是利用電子束曝光設(shè)備制作階躍啁啾相位模板，然后利用離子倍頻激光器和相位模板在光敏光纖上制作啁啾

15、光纖光柵。1994年12月，Eggleton等人利用振幅模板在光纖上刻出取樣光柵。這種光柵利用空間上的取樣在頻譜中造成多個(gè)反射峰，可制作多信道器件。1996年，董亮等人研制出包層摻雜稀土元素具有光敏性的光纖，較好地解決了常規(guī)光柵的短波損耗問(wèn)題，為光柵的寬帶化開(kāi)辟了道路。此后，世界各國(guó)對(duì)光纖光柵與其應(yīng)用的研究迅速開(kāi)展起來(lái)。光纖光柵的制作與光纖光敏化技術(shù)不斷取得新的進(jìn)展，其制作技術(shù)也不斷提高和完善。隨著研究的不斷深入，光纖光柵的優(yōu)良特性也逐步展現(xiàn)出來(lái)，如成本低，穩(wěn)定性好，體積小，抗電磁干擾性好，感應(yīng)信息被波長(zhǎng)編碼等，尤其傳感器本身就是由光纖制作而成，便于與光纖結(jié)合，使得全光纖化的一維光子集成測(cè)控系

16、統(tǒng)成為可能。光纖光柵的研制成功，成為繼摻雜光纖放大器技術(shù)之后，光纖領(lǐng)域的又一重大突破3。1.3 光纖光柵傳感的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖光柵傳感具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)4：1.抗電磁干擾，電絕緣，本質(zhì)安全。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣的傳輸媒質(zhì)，因而不怕強(qiáng)電磁干擾，也不影響外界的電磁場(chǎng)，并且安全可靠。這些特性使其在各種大型機(jī)電、石油化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆的環(huán)境中能方便有效的傳感。2.耐腐蝕。由于光纖表面的涂覆層是由高分子材料組成，忍耐環(huán)境中酸堿等化學(xué)成分的能力強(qiáng)，適合于智能結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)。3.測(cè)量精度高。光纖傳感器采用光測(cè)量的技術(shù)手段，一般為微米量級(jí)，采用

17、4波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，分辨率可達(dá)到波長(zhǎng)尺度的納米量級(jí)，利用光纖和光波干涉技術(shù)使光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。其中，有的已有理論證明，有的已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如測(cè)量水聲、加速度、輻射、溫度、磁場(chǎng)等物理量的光纖傳感器。4.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，耗能少。光纖傳感器都基于光在傳感器中的傳播機(jī)理進(jìn)行工作，因而與其他傳感器相比耗能相對(duì)較少。5.外形可變。光纖遵循Hook定律，在彈性圍，光纖受到外力發(fā)生彎曲時(shí)纖芯軸部分受到壓縮作用，芯軸外部分受到拉伸作用。外力消失后，由于彈性作用，光纖能自動(dòng)恢復(fù)原狀。光纖可撓的優(yōu)點(diǎn)使其可制成外形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。這有利于航空、航天以與狹窄空間的應(yīng)用。6.測(cè)量

18、對(duì)象廣泛。可以采用很相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成測(cè)量不同物理量的傳感器，這些物理量包括壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等。7.傳輸頻帶較寬。通常系統(tǒng)的調(diào)制帶寬為載波頻率的百分之幾，光波的頻率較傳統(tǒng)的位于射頻段或者微波段的頻率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而其帶寬有巨大的提高，便于實(shí)現(xiàn)時(shí)分或者頻分多路復(fù)用，可進(jìn)行大容量信息的實(shí)時(shí)測(cè)量，使大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)成為可能。8.便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。能夠用一根光纖測(cè)量結(jié)構(gòu)上空間多點(diǎn)或者無(wú)限多自由度的參數(shù)分布，是傳統(tǒng)的機(jī)械類(lèi)、電子類(lèi)、微電子類(lèi)等分立型器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，是傳感技術(shù)的新發(fā)展。光纖傳感器可很方便的與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，有利于與現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)組成遙測(cè)

19、網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)。1.4 光纖光柵傳感的發(fā)展和應(yīng)用情況溫度、壓力、應(yīng)變等參數(shù)是光纖傳感器能夠直接傳感測(cè)量的基本物理量，同時(shí)也是其它各物理量傳感的基礎(chǔ)，即其它各種物理量的傳感都是以光纖傳感器對(duì)應(yīng)變、壓力、與溫度的感知為基礎(chǔ)而衍生出來(lái)的。自光纖傳感器產(chǎn)生以來(lái)，即獲得了廣泛的應(yīng)用，按照光纖傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域劃分，光纖傳感器可應(yīng)用于：地球動(dòng)力學(xué)、航天器與船舶、民用工程結(jié)構(gòu)、電力工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)測(cè)量、軍用監(jiān)控與告警技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)與機(jī)器人等領(lǐng)域中5-15。1.在民用工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測(cè)量對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和正常工作與否的監(jiān)測(cè)是非常

20、重要的。通過(guò)測(cè)量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷與正常與否。光纖傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行健康檢測(cè)、沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外，多個(gè)光纖傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè)，也可以用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。1993年Raymond MMeasures等人首先開(kāi)始了光纖光柵傳感器在橋梁的實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用。加拿大卡爾加里市建造的Beddington Trail大橋采用了三種預(yù)應(yīng)力筋：傳統(tǒng)鋼筋，碳纖復(fù)合拉索(Carbon Fiber Composite Cabel)，碳纖拉桿(Carbon Fiber Le

21、adline Rod)。為了完成三種預(yù)應(yīng)力筋的性能對(duì)比分析，Raymond MMeasures等人在這些預(yù)應(yīng)力筋上布置了光纖光柵傳感器，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。1996年，DavisMA在美國(guó)新墨西哥拉斯克魯塞斯市的I-10橋安裝了60個(gè)FBG光纖傳感器，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測(cè)量，從而可以監(jiān)視動(dòng)態(tài)載荷引起的結(jié)構(gòu)退化和損傷，了解橋梁的交通狀況的長(zhǎng)期變化。1998年佛蒙特大學(xué)的研究小組在Waterbury的一座67米的鋼構(gòu)架大橋上安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行挠?jì)算機(jī)分析并可從互聯(lián)網(wǎng)獲取分析結(jié)果。2002年Kunzler Marley等人為美國(guó)波特蘭市I-84高速公路研制了

22、光纖光柵交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，2003年又推出了第二代交通檢測(cè)系統(tǒng)。在歐洲，1997年Nellen PM等人在瑞士溫特圖爾的Storck大橋的碳纖拉索上同時(shí)粘貼了光纖傳感器和電阻應(yīng)變計(jì)，該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)作了幾年。2001年Gebremichael YM等在挪威的長(zhǎng)度為346m的鋼架公路橋通過(guò)空分復(fù)用和波分復(fù)用FBG傳感器，構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同年Magne Sylvain等在法國(guó)工業(yè)部的支持下，在波爾多地區(qū)的Saint-Jean大橋貼裝了14個(gè)波分復(fù)用的光纖光柵力計(jì)和光纖光柵溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)受住了寒暑季節(jié)的變化的考驗(yàn)。2002年Hofmarm. D, Habel, W等人對(duì)柏林Lehrte

23、r Bahnhof預(yù)應(yīng)力鐵路橋的應(yīng)變和傾度進(jìn)行了測(cè)量。2.在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用航空航天業(yè)是一個(gè)使用傳感器密集的地方，為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的壓力、溫度、振動(dòng)、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等，所需傳感器非常多，而且對(duì)傳感器的尺寸和重量要求非常嚴(yán)格。使用先進(jìn)的抗疲勞、重量輕、強(qiáng)度高的復(fù)合材料是制造航空航天結(jié)構(gòu)的一個(gè)必然趨勢(shì)。如在復(fù)合材料的制造過(guò)程中埋入尺寸小、重量輕、靈敏度高的光纖光柵傳感器，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)和性能監(jiān)視，這可以減少飛行器重量、縮短檢查時(shí)間、降低維護(hù)成本，從而改善其性能。因此，航空航天業(yè)對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)非常重視，僅波音公司就注冊(cè)了好幾個(gè)光纖光柵傳感

24、器的專(zhuān)利。東京大學(xué)的Kbaashima等人將40pe細(xì)徑光纖光柵埋入衛(wèi)星表面的復(fù)合材料中，來(lái)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星表面的破損情況，他們?cè)趹?yīng)用前對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)證明細(xì)徑光纖光柵不會(huì)影響復(fù)合材料的堅(jiān)固性。3.在石油工業(yè)的應(yīng)用石油化工屬于易燃易爆的領(lǐng)域，在油氣管道、儲(chǔ)油罐和油氣井等地方應(yīng)用電類(lèi)傳感器存在很大的不安全因素。高溫操作和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求也限制了電類(lèi)傳感器在石油化工中的應(yīng)用。永久連續(xù)的油田井下監(jiān)測(cè)有利于油田的管理、優(yōu)化和發(fā)展，光纖光柵傳感器因其抗電磁干擾、耐高溫、長(zhǎng)期穩(wěn)定并且抗高輻射非常適合用于井下傳感。Nellne等人通過(guò)力學(xué)傳遞機(jī)制將液體壓力轉(zhuǎn)變成光纖光柵的應(yīng)變，制成光纖光柵液體壓力傳感

25、器和光纖光柵溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)油井部的油壓和溫度變化。4.在地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用在地震檢測(cè)等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理與其危險(xiǎn)性的估定和預(yù)測(cè)是非常復(fù)雜的，而火山區(qū)的應(yīng)力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動(dòng)性與其關(guān)鍵活動(dòng)圍演變的最有效手段。光纖傳感器在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測(cè)以與作為地形檢波器和光學(xué)地震儀等方面。活動(dòng)區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)應(yīng)變(包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等)一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離；而以震源的震波為代表的動(dòng)態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠(yuǎn)的地球周邊環(huán)境中檢測(cè)到。為了得到相當(dāng)準(zhǔn)確的震源或火山源的位置，更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況，

26、需要使用密集排列的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量?jī)x。光纖傳感器是能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和密集排列復(fù)用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測(cè)等的要求，因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無(wú)疑具有較大的潛在用途。5.在電力工業(yè)中的應(yīng)用光纖傳感器因不受電磁場(chǎng)干擾、可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、低損耗傳輸，已成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖傳感器進(jìn)行測(cè)量。在自然環(huán)境中，由大雪等對(duì)電線施加的過(guò)量的壓力可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)，因此需要在線檢測(cè)電線的壓力情況，特別是對(duì)于那些不易檢測(cè)到的山區(qū)電線。光纖傳感器可測(cè)電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化被粘于金屬板上的光纖傳感器探

27、測(cè)到。這就是利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測(cè)量的實(shí)例。在這種情況下，相鄰光纖傳感器的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。此外，最近還報(bào)道了由兩個(gè)550111n波段的光纖和解調(diào)用的光譜儀所組成的傳感器，成功地測(cè)量了高壓變壓器的繞線溫度，在較大溫度圍的測(cè)量精度為±1。1.5 存在的問(wèn)題光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域，有著廣闊的發(fā)展。迄今為止，已有的光纖光柵傳感技術(shù)還存在著以下的不足：1.現(xiàn)有的光纖光柵傳感器都是針對(duì)特定結(jié)構(gòu)特殊加工制造的，用于傳感的光纖光柵往往對(duì)多種信號(hào)敏感，其中最重要的是溫度與其他測(cè)量分量的交叉敏感，這就需要設(shè)置相應(yīng)的溫度補(bǔ)償裝置或采用單一敏感的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

28、2.信號(hào)解調(diào)：實(shí)驗(yàn)中一般采用光譜分析儀，但它價(jià)格昂貴、體積大，尤其是不能輸出與被測(cè)物理量成正比的電信號(hào)，因此在實(shí)用中必須開(kāi)發(fā)出高效低成本的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)。3.封裝后的光纖光柵傳感器的傳感機(jī)理還需要進(jìn)一步研究，盡最大可能的提高封裝的光纖光柵傳感器傳感的靈敏度系數(shù)。4.光纖光柵傳感器常在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用，對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的研究是很重要的一方面，但目前尚無(wú)人進(jìn)行研究。5.光源：光纖光柵傳感器需用大功率寬帶光源或可調(diào)諧光源：目前一般采用的側(cè)面發(fā)光二極管(ELED)功率較低，而激光二極管(LD)的帶寬則較窄。6.波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用的多路傳感器陣列研究：實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多變量同時(shí)測(cè)量的智能化遙測(cè)是發(fā)展的重點(diǎn)。7.

29、進(jìn)一步完善現(xiàn)有的光柵寫(xiě)入方法和封裝技術(shù)，發(fā)展新的寫(xiě)入方法，尤其是啁啾光柵的寫(xiě)入方法，降低光纖光柵的成本，提高其使用壽命。1.6 論文的主要容與工作本論文對(duì)光纖布拉格光柵溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。1.查閱資料了解光纖傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；2.掌握光纖布拉格傳感器的原理和測(cè)試方法；3.選擇合理的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)利用光纖布拉格傳感器進(jìn)行高溫測(cè)試的設(shè)計(jì)；4.合理的設(shè)計(jì)溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，溫度測(cè)試圍10002000；5.合理設(shè)計(jì)光纖光柵溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；6.做實(shí)驗(yàn)測(cè)試裸光纖和鎧裝光纖的響應(yīng)時(shí)間，并分析封裝結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響。2. 光纖光柵的簡(jiǎn)介2.1 光纖光柵的分類(lèi)從光纖光柵的

30、出現(xiàn)至今已有30幾年了，出于實(shí)際應(yīng)用的需要，人們研制出了各種用途、特性各異的光纖光柵。歸結(jié)起來(lái)可以分為兩大類(lèi)：均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。1.均勻光纖光柵：指柵格周期沿纖芯軸向均勻且折射率調(diào)制深度為常數(shù)的一類(lèi)光纖光柵。這類(lèi)光纖光柵的典型代表有光纖布拉格光柵、長(zhǎng)周期光柵和閃耀光纖光柵等。1）光纖布拉格光柵(FBG)16：又稱(chēng)短周期光柵或反射光柵，光柵的波矢方向與光纖軸向方向一致，其柵格周期小于1um，一般為0.5nm量級(jí)，折射率調(diào)制深度典型值為。其折射率分布為。能量耦合發(fā)生在兩個(gè)反向傳輸?shù)哪?chǎng)中，這種光纖光柵具有較窄的反射帶寬()和較高的反射率(100)。其反射帶寬和反射率可以根據(jù)需要，通過(guò)改

31、變寫(xiě)入條件而加以靈活地調(diào)節(jié)，這是最早發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)光纖光柵，也是最常見(jiàn)、應(yīng)用得最廣泛的光纖光柵。2）長(zhǎng)周期光纖光柵(Long Period Grating LPG)17：顧名思義，這種光柵的周期比普通的布拉格光柵要長(zhǎng)，大于100umm，一般在數(shù)百個(gè)微米量級(jí)。它是將前向?qū)Рｑ詈系讲煌?jí)次的包層模之中去，其作用相當(dāng)于一種波長(zhǎng)可選擇的濾波元件。長(zhǎng)周期光柵的工作原理是通過(guò)選擇一定的光柵周期，使得基模與一個(gè)前向傳播的包層模滿足相位匹配條件 (其中和分別表示導(dǎo)波的基模和耦合產(chǎn)生的傳輸常數(shù)，是長(zhǎng)周期光柵的周期)的特定波長(zhǎng)發(fā)生耦合，使光在包層中因吸收和散射而損耗掉。由于耦合發(fā)生在前向?qū)РＶg，長(zhǎng)周期光柵是

32、一種透射型光柵，它的背向反射極低，約為-80dB。它在光纖通信系統(tǒng)中有重要的作用，如可以制成模式轉(zhuǎn)換器、各種濾波器、以與作為光纖放大器(EDFA)增益平坦濾波元件。3）閃耀光纖光柵(Blazed Fiber Bragg Grating)18：也稱(chēng)為傾斜光柵(Tilted Fiber Grating)。在制作光柵的過(guò)程中，讓紫外光通過(guò)相位掩模后的照射方向與光纖軸不垂直，結(jié)果干涉條紋與纖芯成一定得角度，也就是說(shuō)光柵波矢方向與光纖軸線方向不一致，從而形成閃耀光柵。這種光柵不但能引起反向?qū)Рｑ詈?，而且還能將基模耦合到包層模中損耗掉?；陂W耀光纖布拉格光柵的包層模耦合形成的寬帶損耗特性，可將其用于摻鉺

33、光纖放大器(EDFA)的增益平坦。2.非均勻光纖光柵：柵格周期沿纖芯軸向不均勻或折射率調(diào)制深度不為常數(shù)。從柵格周期與折射率調(diào)制深度等因素考慮，這類(lèi)光纖光柵的典型代表有線性啁啾光纖光柵、分段啁啾光纖光柵以與非均勻特種光纖光柵等。1）啁啾光纖光柵(Chirp Grating)19：柵格周期沿光纖軸向方向是變化的，最常用的啁啾光纖光柵是線性啁啾光纖光柵。這種光柵的纖芯折射率沿軸向呈線性單調(diào)變化。這種光柵的折射率分布函數(shù)可表示為：。其中，是有效折射率；V為折射率變化的條紋可見(jiàn)度；用來(lái)表示光柵的啁啾。由于不同的柵格周期對(duì)應(yīng)于不同的反射波長(zhǎng)，因此線性啁啾光纖光柵能夠形成很大的反射帶寬和穩(wěn)定色散，其寬度足以

34、覆蓋整個(gè)脈沖的譜寬，因此可以構(gòu)成寬帶濾波器，在波分復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)的用于色散補(bǔ)償。2）非均勻特種光纖光柵：采用特定形式的函數(shù)對(duì)光纖光柵(布喇格或啁啾光纖光柵)的柵格周期或折射率調(diào)制深度進(jìn)行調(diào)制，將得到具有特殊性能的啁啾光纖光柵。典型的有如下幾種：a.相移光纖光柵20：相移光纖光柵就是通過(guò)些方法破壞光纖光柵折射率分布的連續(xù)性，在均勻周期光纖光柵的某些特定點(diǎn)上產(chǎn)生相移。比如破壞布喇格光柵某些點(diǎn)的周期連續(xù)性后，增加光柵的透射性，這就使得對(duì)選擇波長(zhǎng)的能力增強(qiáng)。b.莫爾光纖光柵21：是采用兩組具有微小周期差異的紫外條紋對(duì)光纖同一位置進(jìn)行二次暴光所得到的光柵。其光譜特征是在反射帶中開(kāi)個(gè)很窄的透射窗口

35、，它實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)相移光柵。c.切趾光柵22：切趾光柵是采用特定的函數(shù)形式對(duì)光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度進(jìn)行調(diào)制而形成的光柵。光柵的折射率分布有中間向兩端逐漸遞減至零，使得折射率不會(huì)突變，因而不存在旁瓣。其反射譜的形狀可以通過(guò)改變其調(diào)制函數(shù)與有關(guān)參數(shù)而得到控制。利用切趾光柵能改善光譜的特性，可以將其用于光纖通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償與多波長(zhǎng)激光器的制作。d.超結(jié)構(gòu)光纖光柵23:超結(jié)構(gòu)光纖光柵就是利用波函數(shù)對(duì)光纖布喇格光柵或啁啾光纖光柵的折射率分布進(jìn)行調(diào)制而形成的光柵。這種光柵的反射譜具有一組分立的反射峰。2.2 光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝研究隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善與應(yīng)用成果的日益增多，光

36、纖光柵成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無(wú)源器件之一，易于組網(wǎng)復(fù)用，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量，可以運(yùn)用在惡劣環(huán)境的場(chǎng)合，是傳統(tǒng)傳感器的理想替代品。由于裸的光纖光柵直徑只有125um，在惡劣的工程環(huán)境中容易損傷，只有對(duì)其進(jìn)行保護(hù)性的封裝（如埋入襯底材料中），才能賦予光纖光柵更穩(wěn)定的性能，延長(zhǎng)其壽命，傳感器才能交付使用。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)，選用不同的封裝材料，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、應(yīng)力和溫度的增敏等功能，這類(lèi)“功能型封裝”的研究也正逐步受到重視。因此，近幾年，光纖光柵高溫傳感器的封裝技術(shù)一直是光纖傳感領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的課題。2.2.1 現(xiàn)有封裝工藝分析(1)自由式封裝工藝FBG除對(duì)溫度敏感以外，

37、還對(duì)外界應(yīng)力敏感，如何消除應(yīng)力帶來(lái)的影響也是光纖光柵傳感器實(shí)際應(yīng)用中必須考慮的問(wèn)題。光柵自由式封裝工藝就是使光纖光柵處于自由狀態(tài)，不受應(yīng)力的影響或影響很小。其封裝示意圖如圖2.1。圖2.1 自由式封裝示意圖經(jīng)封裝后，由于FBG彎曲，盒FBG兩端的光纖處于松弛狀態(tài)，便軸向應(yīng)力不會(huì)傳遞到FBG上；外面的封裝盒起到保護(hù)和屏蔽外壓的作用，從而使光柵不會(huì)受到外界壓強(qiáng)和壓力的影響，小槽填充物為導(dǎo)熱體，不固化，對(duì)外界應(yīng)力有緩沖和吸收的作用，因此，光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)漂移量?jī)H受溫度的影響，不會(huì)受到外界應(yīng)力的影響。(2)灌封式封裝工藝在進(jìn)行溫度傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)始考慮用封裝膠封裝在細(xì)金屬管中，將光纖光柵放置到

38、預(yù)先設(shè)計(jì)的金屬套管中，施加一定的預(yù)應(yīng)力以保證灌封以與固化過(guò)程中光纖光柵始終處于伸直狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖2.2，在灌封過(guò)程中將金屬套管傾斜，然后沿套管緩慢注入聚合物液體，防止氣泡的產(chǎn)生，不能完全將金屬套管灌滿，需留有一定空間裕度，以保證聚合物材料受熱后能完全膨脹，避免光纖光柵溫度響應(yīng)的非線性。圖2.2 灌封式封裝示意圖(3)兩點(diǎn)式封裝工藝所謂兩點(diǎn)式封裝就是將光纖光柵兩端固定，使光柵處于拉緊狀態(tài)，即封裝時(shí)給光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)如圖2.3，在封裝過(guò)程中調(diào)節(jié)光纖光柵波長(zhǎng)，可以使光纖光柵始終保持緊狀態(tài)，避免封裝過(guò)程中由于光纖光柵自由狀態(tài)的不確定而在溫度變化中波長(zhǎng)溫度特性的不穩(wěn)定，保證了光纖光柵的線性

39、和重復(fù)性。在溫度升高的過(guò)程中，光纖光柵同時(shí)受到金屬管的軸向拉應(yīng)力，因此，其波長(zhǎng)的漂移是溫度和軸向拉力共同作用的結(jié)果，從而提高了光纖Bragg光柵的溫度靈敏度。圖2.3 兩點(diǎn)式封裝示意圖(4)貼附式封裝工藝貼附式封裝是將光纖光柵粘敷在某種具有對(duì)溫度敏感的有機(jī)物、金屬、合金與特殊彈性體表面的技術(shù)。采用一種耐高溫膠將光纖Bragg光柵封裝于基底材料上，利用基底材料的熱膨脹系數(shù)比光纖Bragg光柵大，利用基底材料的帶動(dòng)作用使光柵反射波長(zhǎng)變化，該溫度傳感器尺寸小、封裝方法簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)如圖2.4。圖2.4 貼附式封裝示意圖2.2.2 光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝上述四種溫度封裝方法，在各自的應(yīng)用領(lǐng)域各有其優(yōu)

40、缺點(diǎn)。對(duì)于自由式封裝工藝，雖然這種封裝工藝可以屏蔽外界環(huán)境應(yīng)力對(duì)光柵測(cè)量溫度的影響，但操作很困難，且測(cè)量溫度不高，一般低于100；對(duì)于灌封式封裝工藝，由于金屬管很細(xì)，很難將膠均勻地密封在細(xì)鋼管中且由于給光纖光柵施加預(yù)應(yīng)力比較困難，光纖光柵在封裝后，處于相對(duì)自由狀態(tài)，可能彎曲，且彎曲方向不固定。所以，細(xì)金屬管和光纖光柵之間是一種不確定的關(guān)系，在溫度升高時(shí)，波長(zhǎng)漂移的線性度不好，重復(fù)性不好。如果選用聚合物膠，由于聚合物在固化過(guò)程中，發(fā)生收縮，會(huì)產(chǎn)生光纖光柵的啁啾化，測(cè)量溫度低于180；對(duì)于兩點(diǎn)式封裝工藝，給光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)力，避免封裝過(guò)程中由于光纖光柵自由狀態(tài)的不確定而在溫度變化中波長(zhǎng)溫度特

41、性的不穩(wěn)定，但在高溫情況下，兩端粘結(jié)點(diǎn)處的涂敷層容易脫落，從而使光纖光柵溫度傳感出現(xiàn)非線性或傳感失效；貼附式封裝工藝雖然有封裝簡(jiǎn)單、傳感器微型化的優(yōu)點(diǎn)，但由于受到選膠、高溫高壓固化和粘貼工藝等因素的嚴(yán)格制約，難以作到均勻和剛性粘貼，因此其實(shí)用化程度和高精度化程度受到了限制。光纖光柵的封裝是光纖光柵高溫傳感技術(shù)中不可回避和逾越的問(wèn)題，對(duì)于光纖光柵高溫傳感技術(shù)來(lái)講，封裝工藝和常溫下傳感器的封裝工藝相比，要求更高，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須注意以下問(wèn)題：1封裝可操作性強(qiáng)。光纖光柵的封裝工藝是光柵傳感器走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)，封裝工藝必須簡(jiǎn)單、固化過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)。2封裝材料能優(yōu)化溫度靈敏度和測(cè)量圍之間的關(guān)系。在測(cè)

42、量圍確定后，須盡量提高溫度靈敏度。而一階響應(yīng)靈敏度系數(shù)越大，其線性度越好，非線性現(xiàn)象越不明顯，即基體材料的熱膨脹系數(shù)越大，在高溫段的非線性的影響越小，線性度相對(duì)越好。2.3 光纖光柵制作技術(shù)自1978年人們首先在摻鍺光纖中成功地寫(xiě)入光纖光柵后，光纖光柵的制作正式開(kāi)始。從1989年橫向干涉法出現(xiàn)至今，光纖光柵制作技術(shù)已趨于成熟。采用適當(dāng)?shù)墓庠矗ㄗ贤夤庠椿蚣す馄鞯龋┖凸饫w曾敏(參雜光纖或高壓載氫)技術(shù)，幾乎可以在各種類(lèi)型的光纖上程度不同地寫(xiě)入光柵，目前行之有效的方法可以分為三類(lèi)：干涉寫(xiě)入法、逐點(diǎn)寫(xiě)入法與組合寫(xiě)入法。2.3.1 干涉寫(xiě)入法1.駐波干涉法 亦稱(chēng)縱向駐波法或者部寫(xiě)入法。成柵機(jī)制：注入光纖

43、的入射光和從光纖另一端面返回的反射光在光纖形成的駐波，經(jīng)過(guò)一點(diǎn)時(shí)間曝光后使纖芯的折射率形成周期性分布。優(yōu)點(diǎn)：裝置較簡(jiǎn)單，操作要求低。缺點(diǎn)：光柵波長(zhǎng)與寫(xiě)入波長(zhǎng)一致，成柵單一受限。2.全息相干法亦稱(chēng)橫向相干法或者外側(cè)寫(xiě)入法。成柵機(jī)制：兩束振幅分束的相干光在光纖中曝光，由干涉產(chǎn)生的周期性光強(qiáng)分布使纖芯的折射率形成周期性分布。優(yōu)點(diǎn)：激光能量低，可靈活選擇光柵波長(zhǎng)。缺點(diǎn)：對(duì)光源的空間相干性、時(shí)間相干性與周?chē)h(huán)境要求很高。3.模版衍射法1）相位掩膜法相位掩膜法又稱(chēng)相位光柵衍射相干法。成柵機(jī)制：入射的紫外光經(jīng)相位模板空間調(diào)制，在模板后形成不同周期的衍射條紋，使纖芯的折射率形成周期性分布。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定，重復(fù)性好

44、，對(duì)光源的相干性要求較低，適于大規(guī)模生產(chǎn)。缺點(diǎn)：每塊模板只能制造固定或稍有差異周期的光纖光柵，且需嚴(yán)格控制相位模板的刻蝕深度和占空比，高質(zhì)量的模板造價(jià)高。2）振幅掩膜法振幅掩膜法亦稱(chēng)振幅光柵衍射相干法。成柵機(jī)制：紫外光入射到振幅模板后，經(jīng)過(guò)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)將振幅模板圖像精縮并成像于光纖上，使纖芯的折射率形成周期性分布。優(yōu)點(diǎn)：與相位掩膜法相比，模板制作相對(duì)簡(jiǎn)單，成柵周期大。缺點(diǎn)：無(wú)法制作出一階反射波位于1550nm附近的FBG，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)要求很高。2.3.2 逐點(diǎn)寫(xiě)入法逐點(diǎn)寫(xiě)入法亦稱(chēng)點(diǎn)點(diǎn)寫(xiě)入法。成柵機(jī)制：將聚焦激光束投射到由精密機(jī)構(gòu)控制位移的光纖上，通過(guò)軸向移動(dòng)對(duì)光纖曝光，使纖芯的折射率形成周期性分

45、布。優(yōu)點(diǎn)：靈活性高，光柵參數(shù)（長(zhǎng)度、周期與折射率輪廓）可調(diào)控，適用于在線寫(xiě)入。缺點(diǎn)：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)，光柵制作耗時(shí)長(zhǎng)，成柵效率低。2.3.3 組合寫(xiě)入法組合寫(xiě)入法是將前述各種寫(xiě)入方法與寫(xiě)入裝置進(jìn)行有機(jī)組合，同時(shí)考慮光源性質(zhì)與光纖的制作與連接等因素，可以制作結(jié)構(gòu)豐富、形式多樣、性能優(yōu)異的光纖光柵。主要有以下幾種寫(xiě)入方法：(1)兩次曝光法基于相位掩膜法。首先，用一不透光擋板沿光纖軸向勻速（或非勻速）移動(dòng)，同時(shí)用均勻紫外光對(duì)光纖曝光，形成一個(gè)漸變的折射率梯度；然后，再通過(guò)相位模板在第一次曝光區(qū)域上寫(xiě)入周期均勻的光柵。該法適用于各種類(lèi)型啁啾光纖光柵的制作。(2)變跡曝光法基于

46、相位掩膜法，通過(guò)曝光光束的輸出功率控制與變速掃描相位模板以控制纖芯折射率分布的包絡(luò)變化。該法適用于非均勻特種光纖光柵的制作，但曝光光束的輸出功率與掃描速率須精確調(diào)控。(3)外場(chǎng)作用法基于相位掩膜法，但在曝光時(shí)同時(shí)對(duì)芯徑均勻光纖施加外場(chǎng)（如應(yīng)力拉伸與彎曲、力矩扭曲、溫度變化等）以控制纖芯的折射率分布。該法適用于多鐘結(jié)構(gòu)的非均勻光纖光柵的制作，但外場(chǎng)的施加與分布須精確調(diào)控。(4)在線寫(xiě)入法是全息相干法與逐點(diǎn)寫(xiě)入法的有機(jī)組合。在光纖拉制過(guò)程與纖芯未包層之前將光柵寫(xiě)入光纖。改變脈沖激光功率、干涉光束的交角與光纖拉制速度，可靈活地調(diào)控光柵參數(shù)。該法對(duì)大批量生產(chǎn)光纖光柵與在同一根光纖上制作光纖光柵陣列具有

47、重要的應(yīng)用價(jià)值。(5)刻槽拉伸法首先用精密切割機(jī)對(duì)光纖進(jìn)行精密性機(jī)械刻槽；然后用氫氣火焰對(duì)V形槽區(qū)域的光纖進(jìn)行拉伸退火，導(dǎo)致纖芯折射率的周期性變化。該法適用于制作長(zhǎng)周期光纖光柵，對(duì)機(jī)械加工的精度要求較高，目前很少被采用。(6)透鏡陣列法設(shè)計(jì)一種相互無(wú)間隙的微透鏡陣列，將一平行的寬束準(zhǔn)分子激光聚焦成平行等間距的光條紋投影到單模光纖上，使纖芯折射率呈現(xiàn)周期性的變化，光柵周期由微透鏡之間的中心距離決定。該法可快速制作布拉格與長(zhǎng)周期光纖光柵，但微透鏡模板的制作非常困難。(7)激光寫(xiě)入法采用1.6um自由空間激光器對(duì)光纖直接曝光并輔以計(jì)算機(jī)平臺(tái)控制，可制作周期不同的長(zhǎng)周期光纖光柵。該法無(wú)須紫外光，光纖亦

48、不用載氫處理，具有良好的應(yīng)用前景24。3. 光纖布拉格光柵傳感原理3.1 光纖光柵傳感原理光纖Bragg光柵傳感器的基本原理是:當(dāng)光柵周?chē)臏囟?、?yīng)變、應(yīng)力或其它待測(cè)物理量發(fā)生變化時(shí),將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化,從而產(chǎn)生光柵Bragg信號(hào)的波長(zhǎng)位移,通過(guò)監(jiān)測(cè)Bragg波長(zhǎng)位移情況,即可獲得待測(cè)物理量的變化情況。如圖3.1為光纖Bragg 光柵的傳感原理圖。圖3.1 光纖布拉格光柵傳感原理光纖布拉格光柵是通過(guò)改變單模光纖芯區(qū)的折射率,使其產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成的。將光纖置于周期性空間變化的激光光源下,即可在光纖纖芯中產(chǎn)生這種折射率變化,由于周期性折射率的擾動(dòng)僅會(huì)對(duì)很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響

49、,這樣光纖光柵實(shí)際上就起到了光波選擇反射鏡的作用,當(dāng)光柵所受應(yīng)變和其周?chē)鷾囟劝l(fā)生變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致其芯區(qū)的有效折射率和光柵周期的變化,從而使布拉格波長(zhǎng)發(fā)生偏移(如圖3.1)。 通過(guò)檢測(cè)的偏移量,即可獲得相應(yīng)的應(yīng)變和周?chē)臏囟却笮?這就使得FBG可以作為傳感器。當(dāng)光纖布拉格光柵受到外力作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),光柵周期將發(fā)生變化,同時(shí)有效折射率由于彈光效應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化，如圖3.2所示。圖3.2 光纖傳感器原理結(jié)構(gòu)圖3.2 光纖布拉格光柵耦合模理論耦合模理論是詮釋光波在波導(dǎo)中的物理行為即波導(dǎo)中的同類(lèi)模和不同類(lèi)模之間功率交換行為的基本方法，亦是分析光纖光柵的最有效方法。3.2.1 光纖布拉格光柵特性光纖布拉格光柵

50、是由于紫外光在光纖纖芯的干涉，使纖芯折射率被調(diào)制成周期性變化，形成空間相位光柵。其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.3 光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)由于纖芯折射率發(fā)生變化導(dǎo)致光波導(dǎo)條件的改變，讓特定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，使得其透射光譜和反射光譜對(duì)該波長(zhǎng)出現(xiàn)奇異性。對(duì)于階躍光纖，在光纖的曝光區(qū)域，可以由下列表達(dá)式給出折射率分布較為一般的描述25： (3.1)式中為光致折射率變化函數(shù)，其表達(dá)式為： (3.2)很顯然，當(dāng)0<z<L時(shí)，即在光柵折射率調(diào)制區(qū)域有： (3.3)而在柵區(qū)以外，即z>L，由于折射率的不變，則： (3.4)上面式子中，為光纖纖芯半徑；為光纖包層半徑；為相應(yīng)的纖芯初始折射

51、率；為包層折射率；為光致折射率變化；為空氣的折射率；為折射率最大變化量。基于光纖光柵的非均勻分布，非均勻性主要包括光柵周期以與折射率調(diào)制的漸變性以與折射率調(diào)制在橫截面上的非均勻分布等?？梢灾苯硬捎酶盗⑷~級(jí)數(shù)的形式對(duì)折射率周期變化或準(zhǔn)周期變化進(jìn)行分解?？刹捎孟铝械囊话愫瘮?shù)來(lái)描述光致折射率變化： (3.5)式中表示由于纖芯對(duì)紫外光吸收作用而造成光纖橫向界面曝光不均勻性或其它因素造成光纖軸向折射率調(diào)制不均勻性，表示光柵傳播常數(shù)，為光柵傳播周期，m為非正弦分布時(shí)進(jìn)行傅立葉展開(kāi)的諧波階數(shù)，為展開(kāi)系數(shù)，表示周期非均勻性的漸變函數(shù)。由式子(3.1)和(3.5)可以得到柵區(qū)的實(shí)際折射率分布為： (3.6)在實(shí)際制作光柵時(shí)候，要保證折射率變化按理想的周期性變化是比較困難的。一般情況下，可以將光纖光柵折射率變化作為近似均勻分布處理。在這種情況下，式(3.6)化簡(jiǎn)為： （3.7）3.2.2 耦合模理論26電磁波理論認(rèn)為，光波是一種電磁波，光在光纖中的傳播可以以麥克斯韋(Maxwell)方程為基礎(chǔ)，加上光傳播的邊界條件，對(duì)其傳輸規(guī)律進(jìn)行研究。由于光纖結(jié)