光纖光柵溫度傳感器 報(bào)告

1、 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖溫度傳感器光纖傳感測(cè)試技術(shù)課程作業(yè)報(bào)告提交時(shí)間：2011年10月27日1研究背景（執(zhí)筆人：）被測(cè)場(chǎng)或參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸光的波長(zhǎng)改變，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量光波長(zhǎng)的變化來(lái)確定北側(cè)參量的傳感方法即為波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。光纖光柵傳感器是一種典型的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器?；诠饫w光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界參量對(duì)布拉格中心波長(zhǎng)B的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：九=2nABeffn式中：ef為纖芯的有效折射率；A是光柵周期。這是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖溫度傳感器，它具有一下明顯優(yōu)勢(shì)：（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)

2、電磁干擾，也不影響外界的電磁場(chǎng)，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(jiǎn)單，體積小，重量輕，外形可變，適合埋入大型結(jié)構(gòu)中測(cè)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(chǎng)合，尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)。（3）測(cè)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(duì)測(cè)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(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。由于

3、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(cè)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(duì)波長(zhǎng)漂移的檢測(cè)，而目前對(duì)波長(zhǎng)漂移的檢測(cè)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(cè)的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍也受到一定的限制等。光纖布拉格光柵無(wú)疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變的場(chǎng)合，具有其它一些傳感器無(wú)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，作為檢測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和載荷，探測(cè)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(zhǎng)可以表示

4、為：九=2nABeff式中eff為導(dǎo)模的有效折射率，A為光柵的周期。由(1)式可以看出，中心反射波長(zhǎng)長(zhǎng)b與有效折eff射率和光柵周期A有關(guān)；有效折射率neff和光柵周期A會(huì)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(zhǎng)的變化量來(lái)測(cè)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(shí)，其光柵周期A和纖芯折射率eff將會(huì)發(fā)生變化，光纖光柵反射波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。其關(guān)系式為：AX=2nAA+2AnABeffeff對(duì)于(2)式，假設(shè)僅有溫度變化時(shí)，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為：AA=aAAT(3)式中a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:An=gnATeffeff式

5、中為光纖的熱光系數(shù)，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)：AXKt-盲阮-2B對(duì)于普通的光纖光柵，比如摻鍺石英光纖，八-5x1-6/oC，-7.0X106/OC，可以估算出常溫下光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)大約為7.5x1-6/oC。由數(shù)據(jù)可見(jiàn)，若要把光纖光柵應(yīng)用于實(shí)際的傳感，必須對(duì)光纖光柵的靈敏度進(jìn)行溫度增敏，增加光纖光柵對(duì)溫度的靈敏度，方法一般都是對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。對(duì)于封裝后的光纖A1B-AT九B光柵傳感器，其溫度靈敏度系數(shù)為:=a+g+(1P)(aa)es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

6、料，聚合物材料，合金材料等。常用的封裝方式有：選用熱膨脹系數(shù)較大的金屬材料對(duì)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(gè)傳感系統(tǒng)的精度、分辨率的參數(shù)?，F(xiàn)今常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)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(lái)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FBG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(shí)候，就存在一個(gè)相位差。對(duì)于不同中心波長(zhǎng)的發(fā)射光，經(jīng)過(guò)

7、相同路程差所引入的相位差是不一樣的，其所得的干涉光的光強(qiáng)也是不一樣的。通過(guò)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(zhǎng)的信息。用于信號(hào)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(lái)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AL，那么干涉時(shí)的相位差可表示為:c2兀AnALTOC o 1-5 h zp（九）=產(chǎn)B如果不引入其他噪聲，且兩束干涉光光強(qiáng)相等時(shí)，其干涉光強(qiáng)可表示為：宀2兀AnAL HYPERLINK l bookmark36 o Current Documen

8、t I（九）=A+ACOS（eff）B九B可見(jiàn)輸出光強(qiáng)是反射光中心波長(zhǎng)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(hào)，這樣會(huì)影響到系統(tǒng)的分辨率。因此，如圖1所示，通過(guò)差分放大，能夠抑制干涉信號(hào)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(dòng)態(tài)測(cè)量。但是由于是通過(guò)相位差來(lái)反映中心波長(zhǎng)，其最大變化范圍為2兀，超過(guò)以后將無(wú)法得到正確的中心波長(zhǎng)值，因此限制系統(tǒng)的測(cè)量范圍。另外，由于干涉強(qiáng)度對(duì)于相位差相當(dāng)敏感，因此干涉兩臂所處環(huán)境的噪聲對(duì)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：)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(guò)合

9、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(guò)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的返回波長(zhǎng)變化量加大?；诖嗽瓌t的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，返回中心波長(zhǎng)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)。通過(guò)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(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。可是，他們沒(méi)有對(duì)該類

10、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(gè)缺點(diǎn)，利用光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)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(cè)時(shí)能滿足地溫觀測(cè)的精度要求。雙金屬的溫度增敏原理如圖2所示。低熱膨脹系FBG數(shù)材辛*高熱膨脹系數(shù)材料兄圖2傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。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)，其返回波長(zhǎng)會(huì)隨之發(fā)生變化。FBG的應(yīng)變量越大，返回波長(zhǎng)變化量也就越大。因此，可以通過(guò)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(lái)控制FBG的

11、應(yīng)變量，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度的溫度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明：該傳感器的精度達(dá)到C,獲得了現(xiàn)今光纖光柵溫度傳感器最高的分辨率4C/pm,再稍微擴(kuò)展下還能利用這個(gè)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(guò)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。光箔粘著劑川加光譽(yù)T密封膠帶孔摞栓內(nèi)套管帶孔螺栓圖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(guò)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(guò)外管和內(nèi)管傳遞給光纖Bra

12、gg光柵，從而使得Bragg波長(zhǎng)響應(yīng)溫度變化而產(chǎn)生移位。根據(jù)測(cè)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(huì)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(duì)當(dāng)今不同國(guó)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(huì)到我國(guó)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(gè)

13、方案結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一個(gè)為基于Mach-Zehnder干涉儀通過(guò)光條紋隨溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度傳感。由于對(duì)Mach-Zehnder干涉儀本身已有一定的學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)，我們?cè)谶@一方案中能較好的理解其原理，并對(duì)其應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)做了進(jìn)一步的分析。而對(duì)于第二個(gè)方案，我們采用單晶硅半導(dǎo)體作為傳感器的核心,通過(guò)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(duì)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(duì)來(lái)說(shuō)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。總的來(lái)說(shuō)通過(guò)此次的調(diào)研我們對(duì)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(shí)，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