【文章內(nèi)容簡介】 的動態(tài)響應的測量，從而可以監(jiān)視動態(tài)載荷引起的結構退化和損傷，了解橋梁的交通狀況的長期變化。 1998 年佛蒙特大學的研究小組在 Waterbury 的一座 67 米的鋼構架大橋上安裝了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行挠嬎銠C分析并可從互聯(lián)網(wǎng)獲取分析結果。 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)。 在歐洲， 1997 年 Nellen P． M．等人在瑞士溫特圖爾的 Storck 大橋的碳纖拉索上同時粘貼了光纖傳感器和電阻應變計，該系統(tǒng)連續(xù)運作了幾年。 2020 年 Gebremichael YM．等在挪威的長度為 346m 的鋼架公路橋通過空分復用和波分復用 FBG 傳感器，構建了一個實時靜態(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 SaintJean 大橋貼裝了 14 個波分復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。 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。 航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的地方，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量要求非常嚴格。使用先進的抗疲勞、重量輕、強度高的復合材料是制造航空航天結構的一個必然趨勢。如在復合材料的制造過程中埋入尺寸小、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量、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。 東京大學的 Kbaashima 等人將 40pe 細徑光纖光柵埋入衛(wèi)星表面的復合材料中，來監(jiān)測衛(wèi)星表面的破損情況，他們在應用前對復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合材料的堅固性。 石油化工屬于易燃易爆的領域，在油氣管道、儲油罐和油氣井等地方應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 第 7 頁 共 45 頁 人通過力學傳遞機制將液體壓力轉變成光纖光柵的應變，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。 在地震檢測等地球動力學領域中，地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險性的估定和預測是非常復雜的，而火山區(qū)的應力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動性及其關鍵 活動范圍演變的最有效手段。光纖傳感器在這一領域中的應用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學地震儀等方面。活動區(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。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力應變測量儀。光纖傳感器是能實現(xiàn)遠距離和密集排列復用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地 球動力學領域中無疑具有較大的潛在用途。 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行測量。在自然環(huán)境中，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發(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量，其原理為把載重量的變化轉化為緊貼電線的金屬板所受應力的變化，這一應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)境下測量的實例。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，成功地測量了高壓變壓器的繞線溫度，在較大溫度范圍內(nèi)的測量精度為177。 1℃。 存在的問題 光纖光柵傳感器的應用是一個方興未艾的領域，有著廣闊的發(fā)展。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。 第 8 頁 共 45 頁 ：實驗中一般采用光譜分析儀，但它價格昂貴、體積大，尤其是不能輸出與被測物理量成正比的電信號，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)。 ，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)。 ，對其動態(tài)響應特性的研究是很重要的一方面，但目前尚無人進行研究。 ：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。 、時分復用的多路傳感器陣列研究：實現(xiàn)多參數(shù)、多變量同時測量的智能化遙測是發(fā)展的重點。 ，發(fā)展新的寫入方法，尤其是啁啾光柵的寫入方法，降低光纖光柵的成本，提高其使用壽命。 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時間測試系統(tǒng)設計進行研究。 ； 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。 第 9 頁 共 45 頁 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。歸結起來可以分為兩大類：均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵。 ：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)[16]：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 量級，折射率調(diào)制深度典型值為510? ~ 310? 。其折射率分布為 1 m a x 2( ) c o s ( )zn z n n ?? ? ? ?。能量耦合發(fā)生在兩個反向傳輸?shù)哪鲋?，這種光纖光柵具有較窄的反射帶寬 (～ 110nm? )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。 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)百個微米量級。它是將前向導波模耦合到不同級次的包層模之中去，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01 2????? ? (其中 01? 和 ? 分別表示導波的基模和耦合產(chǎn)生的傳輸常數(shù)， ? 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)生在前向導波模之間，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直，結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導波模耦合，而且還能將基模耦合到包層模中損耗掉。基于閃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 第 10 頁 共 45 頁 鉺光纖放大器 (EDFA)的增益平坦。 ：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啁啾光纖光柵、分段啁啾光纖光柵以及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： ? ?1 2( ) ( ) 1 c o se ffn z n n z V z z? ??????? ? ? ? ?????????。其中，? ?effnz? 是有效折射率； V 為折射率變化的條紋可見度； ? ?Z? 用來表示光柵的啁啾。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。 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 (布喇格或啁啾光纖光柵 )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啁啾光纖光柵。典型的有如下幾種： 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某些特定點上產(chǎn)生相移。比如破壞布喇格光柵某些點的周期連續(xù)性后，增加光柵的透射性，這就使得對選擇波長的能力增強。 [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 4? 相移光柵。 [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。 [23]:超結構光纖光柵就是利用波函數(shù)對光纖布喇格光柵或啁啾光纖光柵的折射率分布進行調(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 第 11 頁 共 45 頁 峰。 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。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，延長其壽命，傳感器才能交付使用。同時，通過設計封裝結構，選用不同的封裝材料，可以實現(xiàn)溫度補償、應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，近幾年，光纖光柵高溫傳感器的封裝技術一直是光纖傳感領域具有實際應用 價值的課題。 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。光柵自由式封裝工藝就是使光纖光柵處于自由狀態(tài)，不受應力的影響或影響很小。其封裝示意圖如圖 。 圖 自由式封裝示意圖 經(jīng)封裝后，由于 FBG 彎曲，盒內(nèi) FBG 兩端的光纖處于松弛狀態(tài)，便軸向應力不會傳遞到 FBG 上；外面的封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)填充物為導熱體，不固化，對外界 應力有緩沖和吸收的作用，因此，光纖 Bragg 光柵的波長漂移量僅受溫度的影響，不會受到外界應力的影響。 (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)。結構如圖 ，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的非線性。 圖 灌封式封裝 示意圖 (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應力，結構如圖 ，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力，因此，其波長的漂移是溫度和軸向拉力共同作用的結果，從而提高了光纖 Bragg 光柵的溫度靈敏度。 圖 兩點式封裝示意圖 (4)貼附式封裝工 藝