【正文】 ............................................................................ 35 實驗仿真 ..................................................................................................................... 36 5 結論 ................................................................................................................................ 43 參考文獻 .............................................................................................................................. 44 致謝 ...................................................................................................................................... 46 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。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，越來越廣泛應用于傳感器領域。 ，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 。 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，其應用領域也日漸擴展。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域的應用。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。 1981 年，加拿大 McMaster 大學 D． K． W． Lam 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系。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 1 月， K． L． Williams 等人在研究光纖對紫外光的敏感性時發(fā)現(xiàn)，摻 Ge／ B 光纖對紫外光具有更好的光敏性。 1994 年 6 月， R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。 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，便于與光纖結合，使得全光纖化的一維光子集成測控系統(tǒng)成為可能。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。光纖傳感器采用光測量的技術 手段，一般為微米量級，采用 4 波長調(diào)制技術，分辨率可達到波長尺度的納米量級，利用光纖和光波干涉技術使光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。 。這有利于航空、航天以及狹窄空間的應用。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數(shù)量級，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用，可進行大容量信息的實時測量，使大型結構的健康監(jiān)測成為可能。 光纖光柵傳感的發(fā)展和應用情況 溫度、壓力、應變等參數(shù)是光纖傳感器能夠直接傳感測量的基本物理量，同時也是其它各物理量傳感的基礎，即其它各種物理量的傳感都是以光纖傳感器對應變、壓力、及溫度的感知為基礎而衍生出來的。通過測量上述結構的應變分布，可以預知結構局部的載荷及正常與否。加拿大卡爾加里市建造的 Beddington Trail 大橋采用了三種預應力筋：傳統(tǒng)鋼筋，碳纖復合拉索 (Carbon Fiber Composite Cabel)，碳纖拉桿 (Carbon Fiber Leadline Rod)。 2020 年 Kunzler Marley 等人為美國波特蘭市 I84 高速公路研制了 光纖光柵交通監(jiān)測系統(tǒng)， 2020 年又推出了第二代交通檢測系統(tǒng)。 2020 年 Hofmarm. D, Habel, W 等人對柏林 Lehrter Bahnhof 預應力鐵路橋的應變和傾度進行了測量。因此，航空航天業(yè)對光纖光柵傳感技術非常重視，僅波音公司就注冊了好幾個光纖光柵傳感器的專利。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?；顒訁^(qū)的應變通常包含靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)應變 (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)應變則能夠在與震源較遠的地球周邊環(huán)境中檢測到。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行測量。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)。迄今為止，已有的光纖光柵傳感技術還存在著以下的不足： ，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量分量的交叉敏感，這就需要 設置相應的溫度補償裝置或采用單一敏感的調(diào)制解調(diào)技術。 ：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。 ； 光纖布拉格傳感器 的原理和測試方法； ，實現(xiàn)利用 光纖布拉格傳感器進行高溫 測試 的設計； ，溫度測試范圍 1000℃～ 2020℃； 光纖光柵溫度傳感器的響應時間測試系統(tǒng)結構； ，并分析封裝結構對響應時間的影響。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。其反射帶寬和反射率可以根據(jù)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、應用得最廣泛的光纖光柵。由于耦合發(fā)生在前向?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。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。 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。由于不同的柵格周期對應于不同的反射波長，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，其寬度足以覆蓋整個脈沖的譜寬，因此可以構成寬帶濾波器，在波分復用 (WDM)通信系統(tǒng)的用于色散補償。 [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。其反射譜的形狀可以通過改變其調(diào)制函數(shù)及有關參數(shù)而得到控制。 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的不斷完善與應用成果的日益增多，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)復用，實現(xiàn)準分布式測量，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。 現(xiàn)有封裝工藝分析 (1)自由式封裝工藝 FBG 除對溫度敏感以外，還對外界應力敏感，如何消除應力帶來的影響也是光纖光柵傳感器實際應用中必須考慮的問題。 (2)灌封式封裝工藝 在進行溫度傳感器設計時，開始考慮用封裝膠封裝在細金屬管中，將光纖光柵放置 第 12 頁 共 45 頁 到預先設計的金屬套管中，施加一定的預應力以保證灌封以及固化過程中光纖光柵始終處于伸直狀態(tài)。 圖 兩點式封裝示意圖 (4)貼附式封裝工 藝 第 13 頁 共 45 頁 貼附式封裝是將光纖光柵粘敷在某種具有對溫度敏感的有機物、金屬、合金及特殊彈性體表面的技術。所以，細金屬管和光纖光柵之間是一種不確定的關系，在溫度升高時，波長漂移的線性度不好，重復性不好。 2．封裝材料能優(yōu)化溫度靈敏度和測量范圍之間的關系。從 1989 年橫向干涉法出現(xiàn)至今，光纖光柵制作技術已趨于成熟。優(yōu)點：裝置較簡單，操作要求低。優(yōu)點：激光能量低，可靈活選擇光柵波長。優(yōu)點：穩(wěn)定，重復性好，對光源的相干性要求較低，適于大規(guī)模生產(chǎn)。優(yōu)點：與相位掩膜法相比，模板制作相對簡單，成柵周期大。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。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。 (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。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)。 (6)透鏡陣列法 設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。 第 17 頁 共 45 頁 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、 應變、應力或其它待測物理量發(fā)生變化時 ,將導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 ,即可獲得待測物理量的變化情況。 通過檢測 B? 的偏移量 ,即可獲得相應的應變和周圍的溫度大小 ,這就使得 FBG 可以作為傳感器。其結構如圖 所示?？梢灾?接采用傅立葉級數(shù)的形式對折射率周期變化或準周期變化進行分解。在這種情況下，式 ()化簡為： ? ? 1 m a x 2c o sn r n n m z???? ? ? ????? （ ） 耦合模理論 [26] 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，加上光傳播的邊界條件，對其傳輸規(guī)律進行研究。 兩個式子表示電磁場橫向分量和縱向分量可以相互轉(zhuǎn)化，故可只討論橫向分量。 ()和 ()也可寫成單個求和方式表示： m mtmE a E?? （ ） m mtmH b H?? （ ） 把 ()和 ()代入到 ()和 ()中，并結合式 ()、 ()可以得到： ? ? ? ?2200 0m m m z m t m m tm db i a e H i n n a Edz ? ? ?????? ? ? ? ?????????? （ ） ? ? ? ?22020 1 1 0m m m z m t m t t m tm da i b e E b Hd z i n n? ?? ??????? ? ? ? ? ? ? ? ????????? ????? （ ） 下面用理想規(guī)則波導本征模式正交關系來求振幅耦合方程： ? ?00 2/z m t m t n n m n ne E H dx dy S P? ? ???? ? ? ? ? ? ??? （ ） 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)。 經(jīng)進一步推導，得光在單模光纖中的理想振幅模式耦合方程為： ? ? ? ?? ?e x p e x pn n m m n m n m m n mmdA K A i z K A i zdz ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? () ? ? ? ?? ?e x p e x pn n m m n m n m m n mmdA K A i z K A i zdz ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? () 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，只考慮傳導模，因為其跟輻射模耦合不