光纖布拉格光柵溫度傳感器響應(yīng)

1、 TOC o 1-5 h z 1緒論 1研究目的及意義 1光纖光柵發(fā)展歷史 2光纖光柵傳感的優(yōu)點 3光纖光柵傳感的發(fā)展和應(yīng)用情況 4存在的問題 6論文的主要內(nèi)容及工作 7光纖光柵的簡介 8光纖光柵的分類 8光纖光柵高溫傳感器的圭寸裝工藝研究 10現(xiàn)有封裝工藝分析 10光纖光柵高溫傳感器的封裝工藝 12光纖光柵制作技術(shù) 13干涉寫入法 13逐點寫入法 14組合寫入法 14光纖布拉格光柵傳感原理 16光纖光柵傳感原理 16光纖布拉格光柵耦合模理論 17光纖布拉格光柵特性 17耦合模理論26 19光纖布拉格光柵溫度傳感原理28 24FBG溫度傳感器的響應(yīng)時間 26光纖布拉格光柵解調(diào)技術(shù) 29非平衡M

2、-Z光纖干涉儀法 29可調(diào)諧光纖F-P濾波法 30匹配光柵法 31系統(tǒng)的設(shè)計 33第I頁共n頁 TOC o 1-5 h z 光纖光柵溫度傳感系統(tǒng) 33高溫測試的分析 33FBG溫度傳感器響應(yīng)時間的測試 34實驗仿真 355結(jié)論 42參考文獻 43致謝 45第II頁共n頁1緒論1.1研究目的及意義光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)、感知和傳輸外界信號（被測M）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，越來越廣泛應(yīng)用于 傳感器領(lǐng)域。將其埋入材料或者結(jié)構(gòu)，

3、以通過光纖布拉格光柵傳感器的傳感特性監(jiān)測內(nèi)部的物理變化如應(yīng)變、溫度、壓力，進行全 面有效的在線實時監(jiān)測，增加對材料制造過程中以及工作期間的狀 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特的優(yōu)點：1?傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重M輕、外形可變，可測M結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及 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很有非傳導(dǎo)性，對被測介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在惡劣環(huán)境中工作；4?至巧柔軟，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，實現(xiàn)分布式傳感；5沈纖光柵傳感器不受光源的光強波動、光纖

4、連接及禍合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強的抗干擾能力；6?高靈敏度、高分辨力。正是由于這些獨特的優(yōu)點，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源器件之一，其應(yīng)用領(lǐng)域也日漸擴展。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的漂移M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，這些問題嚴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行高溫測試時

5、能測M的溫度有所局限，不能滿足目前莫些特定領(lǐng)域的測因此，為了解決這些問題，本課題著重對用光纖布拉格傳感器應(yīng)用到高溫測試以及光纖布拉格溫度傳感器響應(yīng) 時間測試進行研究。光纖光柵發(fā)展歷史1978年，加拿大渥太華通信研究中心的K. O. Hill等人首次觀察到摻錯光纖中因光誘導(dǎo)產(chǎn)生光柵的效應(yīng)。他們使用488nm鼠離子激光照射摻錯的光纖，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。在摻錯的單模光纖中，行波場通過光纖端面的反射在光纖中形成一個駐波場，光纖中形成了持久的周期性折射率改變，與寫入光駐波場空間分布相同的，這種折射率的周期性變化形成了一個光纖布拉格光柵(FiberBrag

6、g grating , FBG)。用這種方法制作的反射濾波器的反射率可以達到接近100%勺飽和值，對溫度和應(yīng)力都很敏感，開辟了光纖光柵傳感器研究與應(yīng)用的新領(lǐng)域。此后，由于寫入效率低等原因，其進展緩慢。1981年，加拿大McMaster大學(xué)D. K . W. Lam等人研究了摻錯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)果顯示摻錯石英光纖的光敏現(xiàn)象可能是雙光子過程，折射率變化與激光器功率平方成正比，用244nrn的光源代替488nm的光源，光纖的敏感性可能成倍提高。1989年，美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的G ? Meltz等人發(fā)明了紫外光側(cè)面寫入光敏光柵的技術(shù)，首次利用244nmKrF準分子激

7、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入效率，而且還可以通過改變兩束相干光的夾角對光纖光柵波長進行調(diào)控，光纖光柵的實用化向前邁了一大步。1993年，K. O. Hill等人提出了位相掩模寫入技術(shù)和逐點寫入法，極大地放寬了對寫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M生產(chǎn)也成為可能。同年，董亮等人還提出了在線成柵法，在光纖拉制過程中對光纖逐點寫入形成光柵。這免去了光纖光柵制作時剝?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，K. L . Williams等人在研究光纖對紫外光的敏感性時

8、發(fā)現(xiàn)，摻Ge/B光纖對紫外光具有更好的光敏性。同年6月，AT&T貝爾實驗室的P.J. Lemaire等人提出了載氫的方法來提高光纖的光敏 性。這種方法適用于摻港 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 等人利用線性階躍喝啾相位模 板研制成功線性喝啾光纖光柵，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)備制作階躍喝啾相位模板，然后利用離子倍頻激光器和相位模板在光敏光 纖上制 作喝啾光纖光柵。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反射峰，可制作多信道器件。1996年，董

9、亮等人研制出包層摻雜稀士元素具有光敏性的光纖，較好地解決了常規(guī)光柵的短波損耗問題，為光柵的寬帶化開辟了道路。此后，世界各國對光纖光柵及其應(yīng)用的研究迅速開展起來。光纖光柵的制作及光纖光敏化技術(shù)不斷取得新的進展，具制作技術(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，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控系統(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0光纖光柵傳感的優(yōu)點與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖光柵傳感具有很多獨特的優(yōu)點：

10、1淅電磁干擾，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)，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的電磁場，并且安全可靠。這些特性使其在各種大型機電、石油化工、冶金高壓、強電磁干擾、易燃、易爆的環(huán)境中能方便有效的傳感。2側(cè)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，適合于智能結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測。37WM精度高。光纖傳感器采用光測M的技術(shù)手段，一般為微米M級，采用4波長調(diào)制技術(shù)，分辨率可達到波長尺度的納米M級，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)通過實驗驗證，如測M水聲、加速

11、度、輻射、溫度、磁場等物理M的光纖傳感器。4湍構(gòu)簡單，體積小，重M輕，耗能少。光纖傳感器都基于光在傳感器中的傳播機 理進行工作， 因而與其他傳感器相比耗能相對較少。5?外形可變。光纖遵循 Hook定律，在彈性范圍內(nèi)，光纖受到外力發(fā)生彎曲時纖芯軸內(nèi)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，光纖能自動恢復(fù)原狀。光纖可撓的優(yōu)點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、航天以及狹窄空間的應(yīng)用。6?WM對象廣泛。可以采用很相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成測M不同物理M的傳感器，這些 物理M包括壓力、溫度、加速度、位移、液位、流M、電流、輻射等。7?專輸頻帶較寬。通常系統(tǒng)的調(diào)

12、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數(shù)M級，因而其帶寬有巨大的提高，便于實現(xiàn) 時分或者頻分多路復(fù)用，可進行大容M信息的實時測M,使大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測成為可能。參數(shù)分布,8?便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。能夠用一根光纖測M結(jié)構(gòu)上空間多點或者無限多自由度的技術(shù)的新發(fā)展。光纖傳是傳統(tǒng)的機械類、電子類、微電子類等分立型器件無法實現(xiàn)的功能，是傳感感器可很方便的與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，有利于與現(xiàn)有光 通信網(wǎng)絡(luò)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)。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)是光纖傳感器能夠宜接傳感測M的基本物理同時也是其它各物理M傳感的基礎(chǔ)，即其它各種物理

13、M的傳感都是以光纖傳感器對應(yīng)變、壓力、及溫度的感知為基礎(chǔ)而衍生出來的。自光纖傳感器產(chǎn)生以來，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：地球動力學(xué)、航天器及船舶、民用工程結(jié)構(gòu)、電力工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)測M、軍用監(jiān)控及告警技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)及機器人等領(lǐng)域中5-15。.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)測是光纖傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參M的測M對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護和正常工作與否的監(jiān)測是非常重要的。通過測M上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及正常與否。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，對結(jié)構(gòu)同時進行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動

14、阻尼檢測等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況。另外，多個光纖傳感器可以串接成一個傳感網(wǎng)絡(luò)，對結(jié)構(gòu)進行準分布式檢測，也可以用計算機對傳感信號進行遠程控制。1993年Raymond M . Measures等人首先開始了光纖光柵傳感器在橋梁的實際監(jiān)測應(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 Leadline Rod)。為 了完成三種預(yù)應(yīng)力筋 的性能對比分析，Raymond M . Measures等人在這些預(yù)應(yīng)力筋上布 置了光纖光柵傳感器，實現(xiàn)結(jié) 構(gòu)應(yīng)

15、力狀態(tài)的長期監(jiān)測。1996年，Davis. M . A .在美國新墨西哥拉斯克魯塞斯市的I-10橋安裝了 60個FBG光纖傳感器，成功地實現(xiàn)了對橋梁的動態(tài)響應(yīng)的測從而可以監(jiān)視動態(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)測系統(tǒng)，測M數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行挠嬎銠C分析并可從互聯(lián)網(wǎng)獲取分析結(jié)果。2002年Kunzler Marley等人為美國波特蘭市I-84高速公路研制了光纖光柵交通監(jiān)測系統(tǒng)，2003年又推出了第二代交通檢測系統(tǒng)。在歐洲，1997年Nellen P. M .等人在瑞士溫特圖爾的 Stor

16、ck大橋的碳纖拉索上同 時粘貼了 光纖傳感器和電阻應(yīng)變計，該系統(tǒng)連續(xù)運作了幾年。2001年GebremichaelYM .等在挪威的長度為346m的鋼架公路橋通過空分復(fù)用和波分復(fù)用FBG傳感器，構(gòu)建了一個實時靜態(tài)和動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。同年 Magne Sylvain等在法國工業(yè)部的支持下，在波爾多地區(qū) 的Saint-Jean大橋貼裝了 14個波分復(fù)用的光纖光柵張力計和光纖光柵溫度 計，監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)受住了 寒暑季節(jié)的變化的考驗。 2002年Hofmarm. D, Habel, W 等人對柏 林Lehrter Bahnhof預(yù)應(yīng)力鐵 路橋的應(yīng)變和傾度進行了測M。2?&航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用航空航天業(yè)是一個使用

17、傳感器密集的地方，為了監(jiān)測一架飛行器的壓力、溫度、振 動、燃料液 位、起落架狀態(tài)、機翼和方向舵的位置等，所需傳感器非常多，而且對傳感器的尺寸和重M要求非常嚴格。使用先進的抗疲勞、重M輕、強度高的復(fù)合材料是制造航空航天結(jié)構(gòu)的一個必然趨勢。如在復(fù)合材料的制造過程中埋入尺寸小、重M輕、靈敏度高的光纖光柵傳感器，就可實現(xiàn)對飛行器在運行過程中的實時健康監(jiān)測和性能監(jiān)視，這可以減少飛行器重M、縮短檢查時間、降低維護成本，從而改善其性能。因此，航空航天業(yè)對光纖光柵傳感技術(shù)非常重視，僅波音公司就注冊了好幾個光纖光柵傳感器的專 禾限東京大學(xué)的Kbaashima等人將40pe細徑光纖光柵埋入衛(wèi)星表面的復(fù)合材料中，來

18、 監(jiān)測衛(wèi)星 表面的破損情況，他們在應(yīng)用前對復(fù)合材料進行了拉伸試驗，試驗證明細徑光纖光柵不會影響復(fù)合材料的堅固性。3?&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、儲油罐和油氣井等地方應(yīng)用電類傳感器存在很大的不安全因素。高溫操作和長期穩(wěn)定性的要求也限制了電類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等人通過力學(xué)傳遞機制將液體壓力轉(zhuǎn)變成光纖光柵的應(yīng)變，制成光纖光柵液體壓力傳感器和光纖光柵溫度傳感器來監(jiān)測油井內(nèi)部的油壓和溫度變化。4.在地球動力學(xué)中的應(yīng)用在地震檢測

19、等地球動力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險性的估定和預(yù)測是非常復(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性及其關(guān)鍵活動范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、垂宜震 波的檢測以及作為地形檢波器和光 學(xué)地震儀等方面。活動區(qū)的應(yīng)變通常包含靜態(tài)和動態(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態(tài)應(yīng)變則能夠在與震源較遠的地球周邊環(huán)境中檢測到。為了得到相當準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，需要使用密集排列的應(yīng)力應(yīng)變測M儀。光纖傳感器是能實現(xiàn)遠距離和密集排列復(fù)用傳感的

20、寬帶、高網(wǎng)絡(luò)化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動力學(xué)領(lǐng)域中無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干擾、 可實現(xiàn)長距離、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M、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖傳感器進行測io在自然環(huán)境中，由大雪等對電線施加的過M的壓力可能會引發(fā)危險，因此需要在線檢測電線的壓力情況，特別是對于那些不易檢測到的山區(qū)電線。光纖傳感器可測電線的載重其原理為把載重M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測到。這就是利用光纖傳感器實現(xiàn)遠距離惡劣環(huán)境 下測M的實例。在這種情況下，相

21、鄰光纖傳感器的間距較大，故不需快 速調(diào)制和解調(diào)。止匕外，最近還報道了由兩個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M了高壓變壓器的繞線溫度，在較大溫度范圍內(nèi)的測M精度為士C。1.5存在的問題光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個方興未艾的領(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多種信號敏感，其中最重要的是溫度與其他測M分M的交叉敏感，這就需要設(shè)置相應(yīng)的溫度補償裝置或采用單一敏感的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。2媼號解調(diào)：實驗中一般采用光譜分析儀，但它價格昂貴、體積大，尤其是不能輸出與

22、被測物理M成正比的電信號，因此在實用中必須開發(fā)出高效低成本的信號解調(diào)系統(tǒng)。3.封裝后的光纖光柵傳感器的傳感機理還需要進一步研究，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沈纖光柵傳感器常在動態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用，對其動態(tài)響應(yīng)特性的研究是很重要的一方面，但目前尚無人進行研究。5沈源：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、時分復(fù)用的多路傳感器陣列研究：實現(xiàn)多參數(shù)、多變M同時測M的智能化遙測是發(fā)展的重點。柵的寫入方7砒一步完善現(xiàn)有的光柵寫入方法和封裝技術(shù)，發(fā)展新的寫入方法，尤其是喝啾光法，

23、降低光纖光柵的成本，提高其使用專命。1.6論文的主要內(nèi)容及工作本論文對光纖布拉格光柵溫度傳感器響應(yīng)時間測試系統(tǒng)設(shè)計進行研究。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試方法；3砒擇合理的設(shè)計方案，實現(xiàn)利用光纖布拉格傳感器進行高溫測試的設(shè)計；4.合理的設(shè)計溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，溫度測試范圍1000E? 2000C；5?合理設(shè)計光纖光柵溫度傳感器的響應(yīng)時間測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；6.做實驗測試裸光纖和鎧裝光纖的響應(yīng)時間，并分析圭寸裝結(jié)構(gòu)對響應(yīng)時間的影響。2.光纖光柵的簡介光纖光柵的分類從光纖光柵的出現(xiàn)至今已有 30幾年了，出于實際應(yīng)用的需要，人們研制出了各種用途、特性各異的光纖光

24、柵。歸結(jié)起來可以分為兩大類：均勻光纖光柵和非均勻光纖光 柵。1?勻勻光纖光柵：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)的一類光纖光柵。這類光纖光柵的典型代表有光纖布拉格光柵、長周期光柵和閃耀光纖光柵等。1）光纖布拉格光柵 （FBG）化:又稱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 M級，折射率調(diào)制深度典型值為10八？ 10。其折射率分布為門二口 * nmax cos （2二z ,.）。能M耦合發(fā)生在兩個反向傳輸 的模場 中，這種光纖光柵具有較窄的反射帶寬 （？ 10nm）和較高的反射率 （？ 100%。其 反射帶寬和 反射率可以根據(jù)

25、需要，通過改變寫入條件而加以靈活地調(diào)節(jié)，這是最早發(fā)展起來的一類光纖光柵， 也是最常見、應(yīng)用得最廣泛的光纖光柵。2）長周期光纖光柵（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，大于 100umm,一般在數(shù)百個微米M級。它是將前向?qū)Рｑ詈系讲煌壌蔚陌鼘幽Ｖ腥?，其作用相當于一種波長可選擇的濾波元件。長周期光柵的工作原理是通過選擇一定的光柵周期，使得基模與一個前向傳播的包層模滿足相位匹配條件o2（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)，上是長周期光柵的周期）的特定波長發(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

26、向?qū)РＶg，長周期光柵是一種透射型光柵，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、以及作為光纖放大器 （EDFA）增益平坦濾波元件。3）閃耀光纖光柵（Blazed Fiber Bragg Grating ） ：18：:也稱為傾斜光柵 （Tilted Fiber Grating ）。在制作光柵的過程中，讓紫外光通過相位掩模后的照射方向與光纖軸不垂宜，結(jié)果干涉條紋與纖芯成一定得角度，也就是說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詈希疫€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

27、包層模耦合形成的寬帶損耗特性，可將其用于摻餌光纖放大器（EDFA）的增益平坦。20E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，這類光纖光柵的典型代表有線性喝啾光纖光柵、分段喝啾光纖光柵以及非均勻特種光纖光柵等。1)喝啾光纖光柵(Chirp Grating) 19:柵格周期沿光纖軸向方向是變化的，最常用的喝啾光纖光柵是線性喝啾光纖光柵。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：n(z) 二口 ；二neff(z) 1 V cos z八 z 。其中，I 1 入JJ八effz是有效折射率；V為折射率變化的條紋

28、可見度；？:Z用來表示光柵的喝啾。由 于不同的柵格周期對應(yīng)于不同的反射波長，因此線性喝啾光纖光柵能夠形成很大的反射帶寬和穩(wěn)定色散，其寬度足以覆蓋整個脈沖的譜寬，因此可以構(gòu)成寬帶濾波器， 在波分 復(fù)用(WDM)通信系統(tǒng)的用于色散補償。2)非均勻特種光纖光柵：采用特定形式的函數(shù)對光纖光柵(布喇格或喝啾光纖光柵)的柵格周期或折射率調(diào)制深度進行調(diào)制，將得到具有特殊性能的喝啾光纖光柵。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？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莫些特定點上產(chǎn)生相移。比如破壞布喇格光柵莫些點的周期連續(xù)性后，增加光柵的透射性，這就使得對選擇波長的能

29、力增強。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光纖同一位置進行二次暴光所得到的光柵。具光譜特征是在反射帶中開?個很窄的透射窗口，它實際相當于一個14相移光柵。c,切趾光柵22：切趾光柵是采用特定的函數(shù)形式對光纖布拉格光柵的折射率調(diào)制深度進行調(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，使得折射率不會突變，因而不存在旁瓣。其反射譜的形狀可以通過改變其調(diào)制函數(shù)及有關(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)中的色散補償及多波長激光器的制作。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)對光纖布喇格光柵或喝啾光纖光柵的折射率分布進

30、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圭寸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，光纖光柵成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無源器件之一，易于組網(wǎng)復(fù)用，實現(xiàn)準分布式測可以運用在惡劣環(huán)境的場合，是傳統(tǒng)傳感器的理想替代品。由于裸的光纖光柵宜徑只有125um,在惡劣的工程環(huán)境中容易損傷，只有對其進行保護性的封裝(如埋入襯底材料 中)，才能賦予光纖光柵更穩(wěn)定的性能， 延長其專命，傳感器才能交付使用。同時，通過設(shè)計封裝結(jié)構(gòu)，選用不同的封裝材料，可以實現(xiàn)溫度補償、應(yīng)力和溫度的增敏等功能，這類“功能型封裝”的研究也正逐步受到重視。因此

31、，近幾年，光纖光柵高溫傳感器的 封裝技術(shù)一宜是光纖傳感領(lǐng)域具有實際應(yīng)用價值的課題?，F(xiàn)有土寸裝工藝分析(1)自由式封裝工藝FBG除對溫度敏感以外，還對外界應(yīng)力敏感，如何消除應(yīng)力帶來的影響也是光纖光柵傳感器實際應(yīng)用中必須考慮的問題。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。具封裝示意圖如圖2.1。光纖Bragg光柵圖2.1自由式圭寸裝示意圖經(jīng)土寸裝后，由于FBG彎曲，盒內(nèi)FBG兩端的光纖處于松弛狀態(tài)，便軸向應(yīng)力不會傳遞到FBG上；外面的土寸裝盒起到保護和屏蔽外壓的作用，從而使光柵不會受到外界壓強和壓力的影響，小槽內(nèi)填充物為導(dǎo)熱體，不固化，對外界應(yīng)力有緩沖和吸收的作用,

32、因此，光纖Bragg光柵的波長漂移M僅受溫度的影響，不會受到外界應(yīng)力的影響。(2)灌土寸式土寸裝工藝在進行溫度傳感器設(shè)計時，開始考慮用封裝膠封裝在細金屬管中，將光纖光柵放置處于伸宜到預(yù)先設(shè)計的金屬套管中，施加一定的預(yù)應(yīng)力以保證灌封以及固化過程中光纖光柵始終狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖2.2，在灌封過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。金屬管封裝膠(3)兩點式封裝工藝所謂兩點式封裝就是將光纖光柵兩端固定，使光柵處于拉緊狀態(tài)，即封裝時給光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)如圖2.3

33、,在封裝過程中調(diào)節(jié)光纖光柵波長，可以使光纖光柵始終保持張緊狀態(tài)，避免封裝過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溫度特性的不穩(wěn)定，保證了光纖光柵的線性和重復(fù)性。在溫度升高的過程中，光纖光柵同時受到金屬管的軸向拉應(yīng)力，因此，其波長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光纖Bragg光柵圖2.2灌封式封展示意圖Jr光柵的溫度靈敏度。光纖BraHW圖2.3兩點式封裝示意圖第11頁共45頁彈性體表基底材料FBG貼附式封裝是將光纖光柵粘敷在莫種具有對溫度敏感的有機物、金屬、合金及特殊面的技術(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

34、數(shù)比光纖 Bragg光柵大，利用基底材料的帶動作用使光柵反射波長變化，該溫度傳感器尺寸小、封裝方法簡單，結(jié)構(gòu)如圖2.4o光纖光纖Bragg光柵圖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)域各有具優(yōu)缺點。對于自由式封裝工藝，雖然這種封裝工藝可以屏蔽外界環(huán)境應(yīng)力對光柵測M溫度的影響，但操作很困難，且測M溫度不高，一般低于100 C ；對于灌土寸式土寸裝工藝，由于金屬管很細，很難將膠均勻地密封在細鋼管中？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，處于相對自由狀態(tài)，可能彎曲，且彎曲方向不固定。所以，細金屬管和光纖光柵之間是一種不確定的關(guān)

35、系，在溫度升高時，波長漂移的線性度不好，重復(fù)性不好。如果選用聚合物膠，由于聚合物在固化過程中，發(fā)生收縮，會產(chǎn)生光纖光柵的喝啾化，測M溫度低于180C ;對于兩點式封裝工藝，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溫度特性的不穩(wěn)定，但在高溫 情況下，兩端粘結(jié)點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單、傳感器微型化的優(yōu)點，但由于受到選膠、高溫高壓固化和粘貼工藝等因素的嚴格制約，難以作到均勻和剛性粘貼，因此其實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

36、越的問題，對于光纖光柵高溫傳感技術(shù)來講，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)計的過程中必須注意以下問題：?封裝可操作性強。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)，封裝工藝必須簡單、固化過程容易實現(xiàn)。2?封裝材料能優(yōu)化溫度靈敏度和測M范圍之間的關(guān)系。在測M范圍確定后，須盡M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，線性度相對越好。2.3光纖光柵制作技術(shù)自1978年人們首先在摻錯光纖中成功地寫入光纖光柵后，光纖光柵的制作正式開 始。從1989年橫向干涉法出現(xiàn)至今，光纖光柵制作技術(shù)已

37、趨于成熟。采用適當?shù)墓庠矗ㄗ贤夤庠椿駽O?激光器等）和光纖曾敏 （參雜光纖或高壓載氫）技術(shù)，幾乎可以在各種 類型的光纖上程度不同地寫入 光柵，目前行之有效的方法可以分為三類：干涉寫入法、逐點寫入法及組合寫入法。干涉寫入法.駐波干涉法亦稱縱向駐波法或者內(nèi)部寫入法。成柵機制：注入光纖的入射光和從光纖另一端面返回的反射光在光纖內(nèi)形成的駐波， 經(jīng)過一點時間曝光后使纖芯的折射率形成周期性分 布。優(yōu)點：裝置較 簡單，操作要求低。缺點：光柵波長與寫入波長一致，成柵單一受限。2?全息相干法亦稱橫向相干法或者外側(cè)寫入法。成柵機制：兩束振幅分束的相干光在光纖中曝光，由干涉產(chǎn)生的周期性光強分布使纖芯的折射率形成周期

38、性分布。優(yōu)點：激光能M低，可靈活選擇光柵波長。缺點：對光源的空間相干性、時間相干性及周圍環(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相位光柵衍射相干法。成柵機制：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：穩(wěn)定 ,重復(fù)性好，對光源的相干性要求較低，適于大規(guī)模生產(chǎn)。缺點：每塊模板只能制造固定或稍有差異周期的光纖光柵，且需嚴格控制相位模板的刻蝕深度和占空比，高質(zhì)M的模板造價高。2）振幅掩膜法振幅掩膜法亦稱振幅光柵衍射相干法。成柵機制：紫外光入射到振幅模板后，經(jīng)過一個光學(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

39、分布。優(yōu)點：與射波位于1550nm相位掩膜法相比，模板制作相對簡單，成柵周期大。缺點：無法制作出一階反 附近的FBG,對光學(xué)系統(tǒng)要求很高。2.3.2逐點寫入法逐點寫入法亦稱點點寫入法。 成柵機制：將聚焦激光束投射到由精密機構(gòu)控制位移的光纖上，通過軸向移動對光纖曝光，使纖芯的折射率形成周期性分布。優(yōu)點：靈活性 高，光柵參數(shù)(長度、 周期及折射率輪廓)可調(diào)控，適用于在線寫入。缺點：需要復(fù)雜的聚焦光學(xué)系統(tǒng)和精確的位移移動技術(shù)，光柵制作耗時長，成柵效率低。233組合寫入法組合寫入法是將前述各種寫入方法與寫入裝置進行有機組合，同時考慮光源性質(zhì)及光纖的制作及連接等因素，可以制作結(jié)構(gòu)豐富、形式多樣、性能優(yōu)異

40、的光纖光柵。主要有以下幾種寫入方法：(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，同時 用均勻紫外光對光纖曝光，形成一個漸變的折射率梯度；然后，再通過相位模板在第一次曝光區(qū)域上寫入周期均勻的光柵。該法適用于各種類型喝啾光纖光柵的制作。(2)變跡曝光法基于相位掩膜法，通過曝光光束的輸出功率控制及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及掃描速率須精確調(diào)控。(3)外場作用法基于相位掩膜法，但在曝光時同時對芯徑均勻光纖施加外場 (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

41、法適用于多鐘結(jié)構(gòu)的非均勻光纖 光柵的制作，但外場的 施加與分布須精確調(diào)控。(4)在線寫入法是全息相干法與逐點寫入法的有機組合。在光纖拉制過程及纖芯未包層之前將光柵 寫入光纖。改變脈沖激光功率、干涉光束的交角及光纖拉制速度，可靈活地調(diào)控光柵參數(shù)。該法對大批M生產(chǎn)光纖光柵及在同一根光纖上制作光纖光柵陣列具有重要的應(yīng)用價值。(5)刻槽拉伸法首先用精密切割機對光纖進行精密性機械刻槽；然后用氫氣火焰對V形槽區(qū)域的光纖進行拉伸退火，導(dǎo)致纖芯折射率的周期性變化。該法適用于制作長周期光纖光柵，對機械加工的精度要求較高，目前很少被采用。透鏡陣列法設(shè)計一種相互無間隙的微透鏡陣列，將一平行的寬束準分子激光聚焦成平行

42、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及長周期光纖光柵，但微透鏡模板的制作非常困難。(7)CO2激光寫入法采用1.6um自由空間CO2激光器對光纖宜接曝光并輔以計算機平臺控制，可制作周期不同的長周期光纖光柵。該法無須紫外光，光纖亦不用載氫處理，具有良好的應(yīng)用前景124二3.光纖布拉格光柵傳感原理光纖光柵傳感原理光纖Bragg光柵傳感器的基本原理是：當光柵周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其它待測物理M發(fā)生變化時，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信號的波長位移，通過監(jiān)測 Bragg波長位移情況，即可獲

43、得待測物理M的變化情況。如圖 3.1為光纖Bragg光柵的傳感原理 圖。全息寫入光柵輸入f反射信號,除入譜應(yīng)變引起 后時語波長移動圖3.1 光纖布拉格光柵傳感原理光纖布拉格光柵是通過改變單模光纖芯區(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僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響，這樣光纖光柵實際上就起到了光波選擇反射鏡的作用，當光柵所受應(yīng)變和其周圍溫度發(fā)生變化時，會導(dǎo)致其芯區(qū) 的有效折射率neff和光柵周期上的變化，從而使布拉格波長發(fā)生偏移（如圖3.1）。通過檢 測B的偏移M ,即可獲得相應(yīng)的應(yīng)變和周圍的溫度

44、大小，這就使得FBG可以作為傳感器當光纖布拉格光柵受到外力 作用產(chǎn)生應(yīng)變時，光柵周期將發(fā)生變化，同時有效折射率由于 彈光效應(yīng)也會發(fā)生變化，如圖 3.2 所示。4耦合模理論是詮釋光波在波導(dǎo)中的物理行為即波導(dǎo)中的同類模和不同類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是由于紫外光在光纖纖芯內(nèi)的干涉，使纖芯折射率被調(diào)制成周期性布拉格光柵光纖纖芯變化，形成空間相位光柵。具結(jié)構(gòu)如圖3,3所示。光纖包層圖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該波長出現(xiàn)奇異

45、性。對于階躍光纖，在光纖的曝光區(qū)域，可以由下列表達式給出折射率分布較為一般的描述25n(r,?,z)=a2式中F r, ,z為光致折射率變化函數(shù)，具表達式為：心 也 n (r/P,z) TOC o 1-5 h z F r, ,z -(3.2)ni很顯然，當0L,由于折射率的不變，貝F r, ,z =0(3.4)上面式子中，ai為光纖纖芯半徑；a2為光纖包層半徑；ni為相應(yīng)的纖芯初始折射率；壓為包層折射率；, n r, ,z為光致折射率變化；匕為空氣的折射率；Anmax為折射率最 大變化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及折射率調(diào)制的漸變性以及折射率調(diào)制在橫截面上的非均勻分布等

46、?？梢砸私硬捎酶盗⑷~級數(shù)的形式對折射率周期變化或準周期變化進行分解?？刹捎孟铝械囊话愫瘮?shù)來描述光致折射率變化： TOC o 1-5 h z An的-F r,，八=maxFo r, ,z a q cos kgm : z z(3.5)niq曲式中Fo r, ,z表示由于纖芯對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，kg=2一,表示光柵傳播常數(shù)，上為光柵傳播周期，m為非正弦分布時進行傅立葉展開的諧波階數(shù)，aq為展開系數(shù)，z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)的實際折射率分布為： 0n r z . n i A nmax F

47、。r aqcos kgm z z(3.6)q=0(3.6)在實際制作光柵時候，要保證折射率變化按理想的周期性變化是比較困難的。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，式簡為:a- 2兀n r尸山nmax cos m z(3.7)3.2.2耦合模理論因電磁波理論認為，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，對其傳輸規(guī)律進行研究。由于光纖結(jié)構(gòu)的橫向和縱向有較大的不同，將光場分解為橫向分M和縱向分M之和：EtEz, H =Ht Hz下標t與z分別表示橫向與縱向。算符也可作同樣處理：二一幕一，e表示單位矢沿z方向。

48、由麥克斯韋方程：可以得到:上面式子中對折射率。、H =i ;呻、E=i 0H0n2E(3.8)(3.9)-八t HA_ nn3.10)是光的角頻率，；0和? 10分別是真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,n為相兩個式子表示電磁場橫向分M和縱向分M可以相互轉(zhuǎn)化，故可只討論橫向分橫向麥克斯韋方程(3.12)Incz(3.13)為了得到解方程(3.12)和(3.13)的解，可用理想波導(dǎo)模來近似。從理想波導(dǎo)的折射率分布no二no x,y可看出，分布與z無關(guān)，符合方程(3.12)和(3.13),得到理想波導(dǎo)模的橫向電磁場方程E mtCH mt斗 cEmt(1- I，)1 天 Hmt Ji E m5J1 氐J式中，

49、Emt和Hmt,表示是理想波導(dǎo)模態(tài)m模式的矢現(xiàn)將橫向場分M進行展開Ht =. bm H mtEt amEmt - ni0 a 工：汨m 4方程(316)和(3.17)是對所有傳導(dǎo)模求和，以及全部輻射模的積分，方程右邊第二個積分號前的求和表示對各類型輻射模的貢獻相加。(3.16)和(3.17)也可寫成單個求和方式表示:斗E八韋Emt m斗 4H 八 b. Hmtm把(3.18)和(3.19)代入到(3.12)和(3.13)中，并結(jié)合式(3.14)、(3.15)可以得到 羋 i-mam ez Hmt -i ； 0 n2-n： amEmt =0(3.20)m X dZZ+Pmbm (ez t )-p

50、_L bmAkt/mt jl = 0m LAdzii 阮 0JE n (3.21 )卜面用理想規(guī)則波導(dǎo)本征模式正交關(guān)系來求振幅耦合方程：_ .一 一 ：:ez Emt Hmt dxdA 2S/ nP mn /n(3.22 )其中P為光功率，沿z方向傳播；如果 m、n是分立值，則：mn為克朗尼函數(shù)；如果m、n是連續(xù)值，那么mn就為狄拉克函數(shù)。當 m、n其中一個是分立值另一個是連續(xù)值時為零。對于傳導(dǎo)模和傳播常數(shù)為實數(shù)的輻射模,Sn =1 ,這時有/咒=1,那么式子(3.22)可以進一步化簡為：00 J(Emt 漢 H mt “xd尸 2P %n(3 23)用Emt、Hmt,分別與(3.20)、(3

51、.21)進行標積運算，對無窮大截面積分并結(jié)合(3.23)=2 Kn m a mnbn mdz兩式子中的耦合系數(shù)分別為02 *K-0 Ent Emtdxdynm4iPk -*0 nm00 nl 22 叫* 叫42： -： V n a0耳盼幼式，有:式中的n、m都可從0? %變化，式(3.24)和(3.25)分別描述電場和磁場的零階模到m階模的耦合。Knm和knm ,則分別捕述n階模和m階模之間電場和磁場間的耦合程度。經(jīng)進一步推導(dǎo)，得光在單模光纖中的理想振幅模式耦合方程為:字八KnmAmeXp p = - : m ZKnmAAeXp |i = Am(3.28)dA;dz =11 tKnAAmeXp

52、 i ：nm ZKnAAmeXA-i :n - : m Z /(3.29)dZmm在分析求解方程之前，需要作一些近似處理 27：由于光纖纖芯跟光纖包層的折射率 相差很小, 因此用弱傳導(dǎo)近似是有意義的；光纖布拉格光柵長度短，所以可忽略光纖對光吸收損耗的影響；在分析求解耦合模方程時，只考慮傳導(dǎo)模，因為其跟輻射模耦合不顯著。光纖布拉格光柵時一種反射型光柵，光柵中的模式屬于反向模式的耦合，傳播常數(shù)市二-打，因此在解方程時不考慮同向傳播的模式耦合?？蓪⑹?3.28)、(3.29)進一步化簡為:羋-Kn mA-ex pi 2z n dz*Et Emtdxdy(3.30)(3.31)字二 K mA exp

53、i 2z dz式中An和Af表示模的振幅系數(shù)，分別沿正z方向和負z方向傳播。由于我們考慮的是弱導(dǎo)引的光纖光柵，其中的光波場幾乎是完全線偏振的橫向場因此在計算J J(2 2 *n no Ent EmtdxdyKn_ Km o4iP2江，Lcosmz 4iP .上im 三 z exp -imAz耦合系數(shù)時可忽略縱場分M的貢獻。于是式中橫向耦合系數(shù)門表達示為：益28P*.EntEmdxdyn-m空dAn J dz_L A exp i 2 = midA; 2、心2z *p i兒exp -H 2 ：A JJJ將上式分別代入耦合模方程(2-30)和(2-31)中,得到:考慮高次諧波項，則方程(3.35)-

54、與(3.36)可簡化為：2m 榮 AA-expi(3.37)An exp dz i(3.38)同理可得：exp imAZ清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書 顯然可以看出，如果模式耦合存在,211a-m一 Iad點.39)A ) I那么有：2 -m =0(3.40)A式(3.40)即是所謂的相位匹配條件。由光纖光柵折射率分布函數(shù)可知，光纖布拉格光柵的折射率分布為正弦形式，即m取1。如果設(shè)Az t、Arz, (z)分別是入射波和反射波的振幅，并且 掄2 -2, A那么耦合模方程(3.37)和(3.38)變?yōu)椋罕匕?Arexp l.k zl(3.41)dz idAL = - Ar ex p i 二 z

55、l(3.42)dz i設(shè)折射率擾動區(qū)間(乙，Z2),長度為L,也即是光柵的長度，不難得到邊界條件：在乙處L=0, At (0)=1 ;在乙處，Ar L =0。利用此邊界條件，可以得出方程的解為At z j-exp i 2z(,2 )sinh S( z L fl+ iS cosh S(z 一 L-2 sinh SL ;-iScosh SL(3.43)(3.44)二 exp T - 2 z vV = Ah Tf -T(3.61)將式（3.60）代人式（3.59）,同時考慮到Tf二T,有dt R這就是裸裝溫度傳感器的動態(tài)測M方程。其中C，Vc為溫度敏感元件的熱容R二hA為接觸熱阻。當t=0,溫度敏感

56、介質(zhì)的溫度為 ，并定義.二RC為時間常M ,式（5）解的形式為（t ）TTs -T exp一二（3.62）該式說明由于裸裝溫度傳感器具有一定熱容和有限大的表面換熱系數(shù)，與被測介質(zhì)達到熱平衡需要一定的時間。時間常M反映了溫度敏感元件對被測溫度變化響應(yīng)快慢。顯然時間常M越小，溫度敏感元件越能迅速反映流體溫度的變化。時間常M與溫度敏感元件的熱容M成正比，與表面?zhèn)鳠釛l件好hA成反比。熱容M越大，內(nèi)部溫度的變化就越慢；表面?zhèn)鳠釛l件越好，單位時間內(nèi)傳遞的熱M就越多，內(nèi)部溫度變化得就越快。時間常M可以綜合反映這兩者的影響。由于不同的流體與溫度敏感元件之間有不同的換熱系數(shù)h,因此對不同的測M對象溫度敏感元件具

57、有不同的時間常對于鎧裝溫度敏感元件，在分析其動態(tài)特性時可以簡化為如圖1所示的模型。由于略。假定保保護套必須具備足夠的強度，因而質(zhì)M較大，在測M溫度的過程中它的熱容也就不可忽 護套的溫度為久，與外界的換熱熱阻為 R,熱容為G,溫度敏感元件的溫度為丁 2溫度敏感元件與保護套的接觸熱阻為只2,熱容為C2o保護套內(nèi)溫度變化滿足以下方程Ci匹二dt R &溫度敏感元件溫度變化規(guī)律為211 二土d t R(3.63)(3.64)因此鎧裝溫度傳感器的動態(tài)測量方程為dt，匹dttr2=：時(3.65)其中i為鎧裝溫度傳感器的固有頻率，它取決于保護套的熱容m和換計 RiCiR2c2熱系數(shù)及溫度敏感介質(zhì)的熱容M和

58、與保護套的接觸熱阻。顯然固有頻率越高對被測溫度變化的響應(yīng)越快；：=RG+RG+RC 241為阻尼比，顯然大于 匚大于1,說明2YrGR2c2鎧裝溫度傳感器的動態(tài)響應(yīng)是一個過阻尼的過程。對于鎧裝溫度傳感器，其動態(tài)特性可以用傳感器對階躍變化的輸出響應(yīng)的上升時間來描述，即從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需要的時間。我們實際應(yīng)用的 FBG溫度傳感器的響應(yīng)時間即是數(shù)據(jù)采集裝置的輸出波形中從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需要的時間。敏感元件圖3.4鎧裝溫度敏感元件的簡化模型3.4光纖布拉格光柵解調(diào)技術(shù)用光纖光柵構(gòu)成的傳感系統(tǒng)中，傳感M主要是以波長的微小移動為載體，所以傳感系統(tǒng)中應(yīng)有精密的波長或波長變化檢測裝置

59、。對光纖 Bragg光柵的理論分析和實驗研究表明，F(xiàn)BG的溫度和應(yīng)變靈敏度很小，對中心波長移位的檢測精度宜接決定了整個系統(tǒng)的檢測精度。因此解調(diào)技術(shù)，即精確測M波長漂移的技術(shù)是光纖Bragg光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)之一。對Bragg波長解調(diào)的傳統(tǒng)手段是使用光譜儀、單色儀等儀器。但是這類儀器不僅價格昂貴而且體積龐大，構(gòu)成的系統(tǒng)缺乏必要的緊湊性和牢固度，在一個面向?qū)嶋H應(yīng)用的傳感系統(tǒng)中采用這類儀器檢測光纖光柵的波長移位是極不現(xiàn)實的。為了開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單而 且實用的高分辨率光纖光柵傳感器信號解調(diào)系統(tǒng)，近年來國內(nèi)外開展了許多研究工作，并取得了令人注目的進展。光纖光柵解調(diào)常用的方法有：非平衡M-z干涉檢測、可調(diào)光纖F

60、-P濾波器和匹配光纖Bragg光柵濾波解調(diào)。341非平衡M-Z光纖干涉儀法非平衡M-Z光纖干涉儀法的基本原理是：當一定中心波長的光波通過非平衡光纖干涉儀時將產(chǎn)生與波長成反比的相位差，借此可測M相應(yīng)的光波長。圖3.5所示為非平衡M-Z光纖干涉儀示意圖。FBG的布拉格反射光經(jīng)3dB耦合器2注入非平衡M-Z光纖 干涉儀， 該非平衡M-Z光纖干涉儀兩臂之相位差為(3.66)扎)=/ %傳感FBG光源偶合器1 rrH-JTJF/rT探測器1 I/ /一嫻合器2；猾合器3 (|信號處理系統(tǒng)tA rzJ r=/J-探測器2JJrX fJEPZT圖3.5非平衡M- Z光纖干涉儀示意圖n為兩臂光纖纖芯折射率；l