【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 2020 年 Kunzler Marley 等人為美國(guó)波特蘭市 I84 高速公路研制了 光纖光柵交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 2020 年又推出了第二代交通檢測(cè)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(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。 2020 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 SaintJean 大橋貼裝了 14 個(gè)波分復(fù)用的光纖光柵張力計(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)。 2020 年 Hofmarm. D, Habel, W 等人對(duì)柏林 Lehrter Bahnhof 預(yù)應(yīng)力鐵路橋的應(yīng)變和傾度進(jìn)行了測(cè)量。 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)光纖光柵傳感器的專利。 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。 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 第 7 頁(yè) 共 45 頁(yè) 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器和光纖光柵溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)油井內(nèi)部的油壓和溫度變化。 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)象的原理及其危險(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)性及其關(guān)鍵 活動(dòng)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、垂直震波的檢測(cè)以及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，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。 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，在較大溫度范圍內(nèi)的測(cè)量精度為177。 1℃。 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： ，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)。 第 8 頁(yè) 共 45 頁(yè) ：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)。 ，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(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。 ：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。 、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)。 ，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。 論文的主要內(nèi)容及工作 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。 ； 光纖布拉格傳感器 的原理和測(cè)試方法； ，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)； ，溫度測(cè)試范圍 1000℃～ 2020℃； 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)； ，并分析封裝結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響。 第 9 頁(yè) 共 45 頁(yè) 2. 光纖光柵的簡(jiǎn)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(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：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(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(jí)，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(gè)反向傳輸?shù)哪?chǎng)中，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(guò)改變寫(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01 2????? ? (其中 01? 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(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 第 10 頁(yè) 共 45 頁(yè) 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(jiàn)度； ? ?Z? 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： 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)。 [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，它實(shí)際相當(dāng)于一個(gè) 4? 相移光柵。 [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)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(bǔ)償及多波長(zhǎng)激光器的制作。 [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 第 11 頁(yè) 共 45 頁(yè) 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(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(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“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。 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，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 。 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(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，小槽內(nèi)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 第 12 頁(yè) 共 45 頁(yè) 到預(yù)先設(shè)計(jì)的金屬套管中，施加一定的預(yù)應(yīng)力以保證灌封以及固化過(guò)程中光纖光柵始終處于伸直狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖 ，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 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 ，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張緊狀態(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 兩點(diǎn)式封裝示意圖 (4)貼附式封裝工 藝