【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。在光通信系統(tǒng)中，光纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì) 。很明顯，在這類(lèi)應(yīng)用中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等外界條件的變化，將引起光纖光波參數(shù)發(fā)生變化，如引起光強(qiáng)、相位、頻率、偏振、波長(zhǎng)等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能夠測(cè)出光波參數(shù)的變化，就可以得到導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。 圖 12 光纖傳感原理圖 光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括對(duì)光柵中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)的探測(cè)與解調(diào)、對(duì)溫度和應(yīng)力 /應(yīng)變的交叉敏感測(cè)試以及多個(gè)光纖光柵傳感器的復(fù)用等。光纖傳感技術(shù)是利用光纖光柵對(duì)光柵對(duì)某些物理量的敏感特性，將外界物 理量轉(zhuǎn)換成可以 測(cè)量的信號(hào)的技術(shù)，即由于光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量（振幅、相位、波長(zhǎng)等）因外界因素（如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場(chǎng)等）的作用而直接或間接發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來(lái)探測(cè)各種物理量，其示意圖見(jiàn)圖 12. 光纖光柵傳感器是利用光波波長(zhǎng)的變化來(lái)探測(cè)外界物理量的。光纖光柵的反射或透射峰的波長(zhǎng)與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān)，外界參量的變化會(huì)引起光纖光柵折射率的變化，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長(zhǎng)的變化，這就是光纖光柵傳感器的基本工作原理。 傳統(tǒng)的光纖傳感器絕大部 分都是光強(qiáng)型和干涉型的。光強(qiáng)型光纖傳感器的信息讀取是測(cè)量光強(qiáng)大小，因此光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素會(huì)影響測(cè)量精度。干涉型光纖傳感的信息 讀取是觀察干涉條紋的變化，這就要求干涉條紋清晰，而要使干涉條紋清晰就必須要求兩路干涉光的光強(qiáng)相等，從而使光纖光路的靈活性和連接的方便性等優(yōu)點(diǎn)大打折扣。而且它是一種過(guò)程傳感器而不是狀態(tài)傳感器，因此必須要有一個(gè) 固定的參考點(diǎn)，這樣就給光纖傳感器的應(yīng)用帶來(lái)了難度。 根據(jù)光纖光柵的特性，可以利用光纖光纖制成用于檢測(cè)應(yīng)力 /應(yīng)變、溫度河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì) /論文 4 等諸多參量的光纖光柵傳感器 和各種光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，它具有一般光纖傳感器所具備的所有優(yōu)點(diǎn)。此外，因?yàn)樽陨淼奶攸c(diǎn)，光纖光柵傳感器也具有普通光纖傳感器無(wú)法具備的優(yōu)點(diǎn)： 1. 光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，它的傳感過(guò)程是通過(guò)外界參量對(duì)光柵中心波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，這樣可以避免光纖光柵傳感器中各種光強(qiáng)起伏對(duì)測(cè)量精度引起的干擾。 2. 由于光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，所以其測(cè)量信號(hào)不受光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響。 3. 因?yàn)楣饫w光柵對(duì)應(yīng)力 /應(yīng)變和溫度的雙重敏感性，利用光纖光柵可以制作應(yīng)力 /應(yīng) 變和溫度同時(shí)測(cè)量的雙參量傳感器。 4. 避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要，結(jié)合波分復(fù)用（ WDM）和時(shí)分復(fù)用（ TDM）技術(shù)，每根光纖中可以設(shè)置多個(gè)光纖光柵構(gòu)成分布式的傳感點(diǎn)，便于空間組網(wǎng)，分辨精度高，光纖光柵傳感器具有波長(zhǎng)編碼的特點(diǎn)，它更便于構(gòu)成分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以再大范圍內(nèi)對(duì)多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。 5. 光纖光柵很容易的埋入或嵌入到被測(cè)材料中并對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測(cè)量，光纖光柵傳感器被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)光纖靈巧結(jié)構(gòu)地理想器件。 6. 光纖光柵輸出的是絕對(duì)波長(zhǎng)量（它具有內(nèi)在的波長(zhǎng)度量刻度 ），可以作為絕對(duì)量的測(cè)量。 7. 利用復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵的特殊光譜特性，可以制備多參數(shù)智能傳感元件等。 8. 光纖具有非傳導(dǎo)性，所以對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小 ，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在煤氣附近、電站、核設(shè)施、礦井下、油田以及油罐周?chē)葠毫?、高危險(xiǎn)環(huán)境中工作。 因此，基于以上的優(yōu)點(diǎn)，自 1989 年首次報(bào)道將光纖光柵用作傳感器以來(lái)，光纖光柵傳感受到了世界范圍的廣泛重視，并且已經(jīng)取得了持續(xù)和快速地發(fā)展。利用掩埋或貼附技術(shù)把光纖光柵復(fù)合到各種建筑或器件中，可以對(duì)被測(cè)體的各種參量如應(yīng)變、溫度、應(yīng)力、老化、裂變等進(jìn)行大面積的實(shí)時(shí)綜 合測(cè)量、診斷和控制。 光纖傳感技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用 1989 年， Morey 首次報(bào)道將光纖 Bragg 光柵用作傳感上面，由于光纖 Bragg光柵傳感器自身具備的優(yōu)點(diǎn)，因此光纖 Bragg 光柵傳感器受到了全世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)取得了持續(xù)和快速的發(fā)展。到目前為止光纖 Bragg 光柵傳感器已經(jīng)應(yīng)用在民用工程結(jié)構(gòu)、航空航天業(yè)、 船舶航運(yùn)業(yè)、石油化工業(yè)、電力工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面。此外，光纖 Bragg 光柵還應(yīng)用在加速器、水聲器、形變檢測(cè)、腐蝕探測(cè)器、身份和物品的識(shí)別系統(tǒng)等。 總之，光纖 Bragg 光柵 傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的發(fā)展前景。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì) /論文 5 第 2 章 光纖光柵傳感理論 光纖光柵的基本原理 光纖光柵的基本光學(xué)性能 光纖光柵是利用光纖材料的 光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射 率的永久性的變化），即當(dāng)激光通過(guò)增敏過(guò)的光纖時(shí)，光纖纖芯的折射率將隨激光光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，其變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系，并且能夠永久的保存下來(lái)。根據(jù)制作方法的不同，不同的曝光條件，不同類(lèi)型的光纖可以產(chǎn)生多種不同折射率分布的光纖光柵 。 圖 21 光纖布拉格光柵的基本結(jié)構(gòu)及折射率分布 圖 21 是光纖布拉格光柵的基本結(jié)構(gòu)原理及折射率分布，它是一種性能優(yōu)異的窄帶反射 濾波無(wú)源器件。當(dāng)一束光經(jīng)過(guò)光纖布拉格光柵時(shí)，滿足布拉格光柵波長(zhǎng)條件的就會(huì)被反射回來(lái)，為滿足布拉格光柵波長(zhǎng)條件的光波就會(huì)透射過(guò)去。 對(duì)于光纖光柵來(lái)說(shuō)，其基本光學(xué)參數(shù)對(duì)于我們研究光纖傳感來(lái)說(shuō)是非常重要的。光纖光柵的基本光學(xué)參數(shù)有：反射率、透射率、光柵方程、反射帶寬等。利用耦合模理論對(duì)周期性光柵進(jìn)行分析，可得到光纖光柵的反射率 R 和透 射率 T 的表達(dá)式如下： R= 當(dāng) (21) R= 當(dāng) (22) T= (23) 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì) /論文 6 在上式中， L 是光柵的長(zhǎng)度， K 為耦合系數(shù)， 為模傳播常數(shù)， ， 為光柵周期， 為等效折射率， 為自由空間工作波長(zhǎng)， P為一個(gè)整數(shù)。 S= （ 24） Q= （ 25） 當(dāng)波長(zhǎng)匹配時(shí)，即 =0 時(shí)， R 取最大值，對(duì)于一階場(chǎng)， P=1， = （ 26） 對(duì)于單模光纖為 = [ ]= [ ] (27) 由波長(zhǎng)匹配條件 可以推出布拉格方程 =2 （ 28） 再由反射帶寬的定義： R（ ） = R（ ）可以求出 兩個(gè) 的值，并進(jìn)一步給出 Bragg 反射半值帶寬 = （ 29） 上面我們給出了光纖 Bragg 光柵的反射率 R， Bragg 波長(zhǎng) 和線寬 等幾個(gè)重要參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于光柵的制作及其應(yīng)用都有重要的意義。從式中我們可以看到，光柵的長(zhǎng)度 L 的改變、折射率變化 ，以及光纖光柵中心波長(zhǎng) 都能引起反射率和 線寬的變化，這對(duì)光纖光柵的調(diào)制提供了重要的依據(jù)。 光纖光柵的傳感原理 當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力發(fā)生變化的時(shí)候，光柵的纖芯折射率以及光柵的周期也都會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，從而由光纖光柵反射回的波長(zhǎng)就會(huì)有一個(gè)偏移河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì) /論文 7 量，影響反射波的波長(zhǎng)。所以，我們可以通過(guò)測(cè)量反射波長(zhǎng)的偏移量就可以間接的測(cè)量引起波長(zhǎng)偏移的物理量，如利用光纖光柵可以測(cè)得光纖光柵所處環(huán)境的溫度的變化，應(yīng)力的變化等。 在光纖的基本光學(xué)性能里面已經(jīng)得到，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出： = + (210) 其微分形式為： =2 +2 (211) 從（ 110）和（ 211）式可以看出光柵布拉格波長(zhǎng)并不是一個(gè)常量，而是有一定的偏移量，且反射波長(zhǎng)的偏移量 與光纖纖芯的有效折射率 和光柵周期 的變化有關(guān)。當(dāng)光柵受到軸向應(yīng)力的作用或者溫度的變化影響時(shí)， 纖芯有效折射率和光柵的周期都會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)力作用下的光彈效應(yīng)導(dǎo)致折射率的變化，從而導(dǎo)致有效折射率發(fā)生變化；而當(dāng)溫度變化時(shí)，其產(chǎn)生的光熱效應(yīng)導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化。將耦合波長(zhǎng) 看做溫度 T 和應(yīng)變 的函數(shù)，則對(duì)和展開(kāi)長(zhǎng)泰勒級(jí)數(shù)為： （ T ， ） = （ ， ）+2[ + ] T+2[ + ] T+2[ + ]( )+……………… (212) 當(dāng) T 和 不是很大時(shí)，略去 （ 和（ 以上的高次項(xiàng)以及（ 212）式中的第四項(xiàng)，此項(xiàng)是溫度和應(yīng)變的關(guān)系型，定義 = * ， * 和 = *分別為纖芯的熱膨脹系數(shù)，熱光系數(shù)和有效彈光系數(shù)，則（ 211）式可近似為： （ T， ） =2（ ） +2（ 1 ） = + （ 213） 在式（ 213）中， 為光纖 Bragg 光柵的溫度響應(yīng)系數(shù)， 為光纖 Bragg 光柵的應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)。 首先，將問(wèn)題先簡(jiǎn)單化，不去考慮溫度和應(yīng)變的交叉敏感，分別考察僅在單一的溫度或應(yīng)力作用下光纖 Bragg 光柵的傳感特性。 當(dāng)只受溫度影響時(shí)有： = (214) 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì) /論文 8 由上式可以知道，溫度 T 的改變 引起的布拉格反射波長(zhǎng) 的漂移，漂移量為，這主要是由溫度變化引起的有效折射率的改變引起的，并且 和 成線性關(guān)系，因此通過(guò)對(duì)光纖 Bragg 光柵中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)的檢測(cè)就可以確定被測(cè)量的值。 同理，忽略溫度的影響，當(dāng)只受應(yīng)力影響時(shí)有： = （ 215） 由于應(yīng)力的作用，最終會(huì)引起光纖光柵的有效折射率和光柵柵距的變化，從而改變布拉格波長(zhǎng)。從（ 215）式中可以看到，其形式和（ 214）式相同，波長(zhǎng)的漂移量和應(yīng)力的變化量也成線性的關(guān)系，所以由波長(zhǎng)的變化量也可以方便的求出光柵在外界應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變的值。 綜合考慮，當(dāng)溫度和應(yīng)力變的影響同時(shí)存在時(shí)有： = + （ 216） 由（ 216）式可知，當(dāng)光纖 Bragg 光柵傳感器所受應(yīng)力或溫度發(fā)生改變時(shí)，光柵中心反射波長(zhǎng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)。當(dāng)溫度或應(yīng)變其中一個(gè)參量恒定時(shí)，波長(zhǎng)的移動(dòng)由應(yīng)變或溫度的改變引起。但是當(dāng)兩個(gè)參量對(duì)不是恒定的值的情況下，就無(wú)法確定波長(zhǎng)的移動(dòng)的具體由什么參量的改變引起的，更無(wú)法確定參量的改變量大小，這就是光纖 Bragg 光柵傳感器的交叉敏感問(wèn)題。 光纖光柵的傳感靈敏度 應(yīng)變靈敏度 當(dāng)溫度不變時(shí)，式 (213)得出，沿 軸向應(yīng)變 和波長(zhǎng)的關(guān)系由下式給出 =（ 1 ） （ 217） 對(duì)于普通的光纖，其有效折射率 =，在硅介質(zhì)中，有效彈光系數(shù)|。 根據(jù)（ 217）得出，光纖在軸向應(yīng)變作用下布拉格波長(zhǎng)的變化為： =（ 1