【正文】 使之重新達到匹配。在一根光纖中復(fù)用的最大傳感器數(shù)目取決于被測物理量的最大范圍和光源光譜帶寬。如果預(yù)先測定每個探測光柵的布拉格波長與電壓的關(guān)系就可以確定相應(yīng)傳感光柵布拉格波長的漂移，從而能夠算出加在傳感光柵上的應(yīng)力或溫度的變化量。匹配光柵法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，而且對最終檢測的反射光強無絕對要求，所以各類強度噪聲都不會對輸出結(jié)果有影響。這種方法的不足之處：一是要求兩個光柵嚴格匹配：二是受參考光柵應(yīng)變量的限制，傳感光柵的測量范圍不能很大；三是PZT的響應(yīng)速度有限，使這種方法只使用于測量靜態(tài)或低頻變化的物理量。 匹配光柵濾波法示意圖第 35 頁 共 45 頁4. 系統(tǒng)的設(shè)計 光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)由光纖光柵的傳感原理我們知道，當光柵周圍的溫度、應(yīng)力或其它待測物理量發(fā)生變化時，光纖光柵的中心波長會產(chǎn)生改變。通過檢測光柵波長的改變情況，即可獲得待測物理量的變化情況。因此一個光纖光柵溫度測量系統(tǒng)至少要有光纖Bragg光柵傳感器、光纖光柵解調(diào)儀組成。Bragg光柵傳感器感知外界溫度量的變化，并以波長變化的形式輸出。光纖光柵解調(diào)儀檢測波長的變化，將波長的變化轉(zhuǎn)換為其它易于處理的量。寬帶光源耦合器光譜解調(diào)儀數(shù)據(jù)采集裝置光纖Bragg光柵待測量 光纖Bragg光柵溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上圖即為本文所設(shè)計的光纖布拉格光柵溫度傳感檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。其基本原理是寬帶光源發(fā)出的寬帶光譜經(jīng)耦合器傳送到Bragg光柵，待測量作用于光纖布拉格光柵上，由于待測量的變化，Bragg光柵會產(chǎn)生一窄帶反射波，窄帶反射波經(jīng)耦合器傳送到光譜解調(diào)儀，最后通過數(shù)據(jù)采集裝置采集輸出波形。 高溫測試的分析在上一節(jié)我們設(shè)計了基本的光纖布拉格光柵溫度傳感檢測系統(tǒng)。眾所周知，基于光纖布拉格光柵的溫度傳感器由于具有波長編碼測量、抗電磁輻射、輕巧、靈活等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域。然而，基于FBG的溫度傳感器一般只能適用于較低溫度范圍的測量，這主要是由于FBG較差的耐高溫性能所決定的。FBG并不是一個永久性的結(jié)構(gòu)，當長時間工作在高溫環(huán)境下時FBG會消失或被“洗掉”，因此，我們不能將FBG直接和高溫物體接觸來測量溫度的變化。為了能夠?qū)BG用于更高溫度范圍的傳感應(yīng)用，在本節(jié)我們將對更耐高溫性能的FBG進行研究。，并且知道了封裝工藝是光纖光柵高溫傳感技術(shù)中的關(guān)鍵之處。通過查閱資料，我了解到的熔點為2050℃因此，啟發(fā)我們可以用對光纖布拉格光柵進行封裝，從而實現(xiàn)對溫度傳感系統(tǒng)的1000℃～2000℃的測量范圍要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：寬帶光源耦合器光譜解調(diào)儀數(shù)據(jù)采集裝置待測高溫物體光纖Bragg光柵（封裝） 光纖Bragg光柵高溫傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 FBG溫度傳感器響應(yīng)時間的測試任何一個溫度敏感元件都具有一定的體積、質(zhì)量和比熱容, 因此與被測介質(zhì)之間達到熱平衡需要一定的時間, 這樣在測量變化快的溫度時, 溫度傳感器的響應(yīng)滯后于溫度變化. 導(dǎo)致響應(yīng)滯后的原因來自兩方面: 一是溫度敏感介質(zhì)本身的熱容量和有限大的熱導(dǎo)率。 二是溫度傳感器與被測介質(zhì)之間的熱交換過程。這種滯后性會給我們在實際應(yīng)用FBG溫度傳感器中帶來很多不便，因此我們需要知道FBG溫度傳感器的響應(yīng)時間。本節(jié)，我們研究FBG溫度傳感器響應(yīng)時間的測試方法。對FBG溫度傳感器而言，其響應(yīng)時間可以用傳感器對階躍變化的輸出響應(yīng)的上升時間來描述， 即從穩(wěn)態(tài)值的 10% 上升到 90% 所需要的時間。因此，在FBG溫度傳感器響應(yīng)時間測試系統(tǒng)中需要引入一個可以產(chǎn)生脈沖信號的激勵源。由于激光器的功率很高，因此在本論文中選用激光器作為激勵源。光纖布拉格光柵溫度傳感器響應(yīng)時間測試系統(tǒng)如下圖所示：寬帶光源耦合器光譜解調(diào)儀數(shù)據(jù)采集裝置激光器光纖Bragg光柵（封裝） FBG溫度傳感器響應(yīng)時間測試系統(tǒng)上圖即為光纖布拉格光柵溫度傳感器響應(yīng)時間測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。工作原理是由激光器發(fā)出脈沖信號，作用于由封裝的光纖光柵上，光纖布拉格光柵將溫度脈沖信號轉(zhuǎn)化為布拉格波長的漂移。該波長經(jīng)過光譜解調(diào)儀送到數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置記錄下采集到的波形。并對數(shù)據(jù)進行處理。測試方法是由激光器輸出脈沖信號，則數(shù)據(jù)采集裝置會輸出相應(yīng)波形，響應(yīng)時間即為輸出波形中從穩(wěn)態(tài)值的 10% 上升到 90% 所需要的時間。 實驗仿真為了更好地理解光纖布拉格光柵響應(yīng)時間的測試方法，在實驗室做了簡易的實驗。實驗原理圖為：寬帶光源耦合器光譜解調(diào)儀數(shù)據(jù)采集裝置光纖光柵溫度場 實驗原理圖 實驗裝置圖實驗時，將鎧裝光纖光柵和裸光纖放在一個容器內(nèi)，室溫為34℃，即光纖光柵所處的溫度場為34℃，然后將熱水迅速倒入容器，鎧裝光纖光柵和裸光纖所處的溫度場迅速變?yōu)榱?2℃。可以看作一個階躍信號作用于光纖光柵上。實驗數(shù)據(jù)記錄如下： 室溫狀態(tài)下裸光纖光柵的反射波形。 室溫狀態(tài)下鎧裝光纖光柵的反射波形實驗中選用的是第七個鎧裝光纖光柵。 階躍溫度場作用于鎧裝光纖光柵時的波長 階躍溫度場作用于裸光纖光柵時的波長 階躍溫度場作用于兩種光纖光柵時的波長對比如圖所示，由于封裝材料會使其響應(yīng)時間變長，因此布拉格波長的變化比較平緩。，由于它沒有封裝，少了中間的溫度傳遞過程，因此響應(yīng)時間比較快，布拉格波長的變化比較陡。 鎧裝光纖光柵在階躍溫度場作用下的波長變化時間（s）01234波長（nm）時間（s）5678波長（nm）時間（s）910111213波長（nm）時間（s）1415161718波長（nm）時間（s）1920212223波長（nm）時間（s）2425262728波長（nm） 鎧裝光纖光柵在階躍溫度場作用下布拉格波長的曲線圖因此，鎧裝光纖光柵傳感器的響應(yīng)時間計算如下：已知，因此；穩(wěn)態(tài)值的10%所對應(yīng)的波長為，對應(yīng)的時間約為；穩(wěn)態(tài)值的90%所對應(yīng)的波長為，對應(yīng)的時間約為；響應(yīng)時間為。 裸光纖光柵在階躍溫度場作用下的波長變化時間（s）01234波長（nm）時間（s）5678波長（nm）時間（s）910波長（nm）時間（s）1112131415波長（nm） 裸光纖光柵在階躍溫度場作用下布拉格波長的波形圖同理，裸光纖光柵傳感器的響應(yīng)時間計算如下：已知，因此；穩(wěn)態(tài)值的10%所對應(yīng)的波長為，對應(yīng)的時間約為；穩(wěn)態(tài)值的90%所對應(yīng)的波長為，對應(yīng)的時間約為；響應(yīng)時間為。第 44 頁 共 45 頁5 結(jié)論光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)、感知和傳輸外界信號的新型傳感技術(shù)。光纖布拉格光柵是用光纖布拉格光柵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(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。本文在對光纖布拉格光柵溫度傳感原理分析的基礎(chǔ)上，提出了一種易實用化的，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感器響應(yīng)時間測試的方法，介紹了系統(tǒng)的基本組成，對光柵布拉格溫度傳感器響應(yīng)時間測試原理和方法進行了分析。 本論文學習了光纖光柵的制作技術(shù)和封裝工藝，并研究了光纖柵的耦合模理論，在對光纖布拉格光柵溫度傳感原理地詳細分析基礎(chǔ)上，設(shè)計出了光纖布拉格光柵高溫傳感系統(tǒng)。通過對溫度傳感器的響應(yīng)時間進行了理論分析，使測試系統(tǒng)能更好的應(yīng)用于時間測量中。光纖布拉格光柵響應(yīng)時間測試系統(tǒng)包括寬帶光源、耦合器、光纖光柵傳感器、光譜解調(diào)儀、數(shù)據(jù)采集裝置和激光器。工作原理是由激光器發(fā)出脈沖信號，作用于由光纖光柵傳感器上，光纖布拉格光柵將溫度脈沖信號轉(zhuǎn)化為布拉格波長的漂移。該波長經(jīng)過光譜解調(diào)儀送到數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置記錄下采集到的波形。輸出值從最終穩(wěn)定值的10%到穩(wěn)定值的90%所用的時間即為光纖光柵傳感器的響應(yīng)時間。最后，為了對響應(yīng)時間測試方法有更深入的理解，做了實驗來測試裸光纖光柵傳感器和鎧裝光纖光柵傳感器的響應(yīng)時間。通過測試驗證了封裝會延長光纖光柵傳感器的響應(yīng)時間。第 45 頁 共 45 頁參考文獻[1] G. Meltz, Morey W, Glenn W H．Formation of Bragg gratings in Optical Fiber by a transverse holographic method[J]．Optics．Letters．1989，14(1)：823825．[2] Vengsarkar A M, Lemaire P J, Judkins J B，et a1．LongPeriod fiber grantings as bandrejection filters．J．Lightwave Technology,1996，14(1)：5865．[3] 賈宏志，李育林．光纖光柵的制作方法[M]．激光技術(shù)，2001，25(1)：2326[4] 栗桂冬，張金鐸，金歡陽．傳感器及其應(yīng)用[M]．西安:西安電子科技大學出版社，2002．[5] 姜德生，何偉．光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[M]．光電子激光，2002，13(4)：420430．[6] Kashyap R, yatt R W, Mckee．P F. Wavelength Flattened Saturated Erbium Amplifier Using Multiple Sidetap Bragg Gratings[J]．Electronics．Letters．1993，29(11)：1025～1026．[7] 周智，歐進萍．土木工程智能健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)[M]．傳感器技術(shù)，2001，20(11)：14[8] 靳偉，阮雙琛．光纖傳感技術(shù)新進展[M]:北京科技出版社2005[9] 萬里冰，武湛君，張博明等．應(yīng)用光纖Brgag光柵測量混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變[M]．光電子激光，2002，13(7)：722725．[10] 張家坤．光纖光柵傳感技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究[D]．(碩士學位論文)．北京：北京交通大學，2004[11] 于秀娟，余有龍．欽合金片封裝光纖光柵傳感器的應(yīng)變和溫度傳感特性研究[J]．光纖光柵傳感器及其在大型結(jié)構(gòu)工程健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用．光纖傳感器的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化國際論壇，平湖，2005．[12] 趙雪峰，田石柱，周智等．鋼片封裝光纖光柵監(jiān)測混凝土應(yīng)變試驗研究[M]．，2003，14(2)：171—174．[13] 田坷坷，張松偉，李志明等．光纖光柵加速度傳感器及高速解調(diào)技術(shù)[J]．光纖光柵傳感器及其在大型結(jié)構(gòu)工程健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用．光纖傳感器的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化國際論壇，平湖，2005．[14] J．A．R．Williams．The Compression of Optical Pulse Using SelfPhaseModulation and Linearly Chirped BraggGratings in Fibers[J]．IEEE Photonics．Technology．Letters．1995，7：491493．[15] L．Wei，Lit W Y．PhaseShifted Bragg Grating Filters with Symmetrical Structure，IEEE[J]．Lightwave Technology,1997，15(8)：1405～1410．[16] Hill K O,Meltz Bragg Grating Technology Fundamentals and Overview. IEEE [J]. Lightwave Technology,1997,15(8):1263~1276.[17] Erdogan Resonaces in Short and Long Period Fiber Grating Filter[J]. Optical Society of America ,14(8):17060~1773.[18] S．Legoubin，E．Fertein , M. Douay, et a1．Formation of Moire Grating in Core of Germanosilicate Fiber by Trasverse Holographic Double Exposure.[19] Michael S, Liu Y, Tam H Y et a1．Effective Fabrication of Long Period Grating by the use of Microlens Array, SPIE，1998，3491：30 1—305．[20] M．A．Putnam，GM．Williams，E．J．Friebele．Fabrication of Tapered StrainGradient Chirped Fiber Bragg Gratings[J]．Electronics．Letters．1995，31(4)：309310．[21] Erdogan T．Cladingmode Resonaces in Short and Long Period Fiber Grating Filter[J]．Optical Society of America A．1997，14(8)：17601773．[22] Morey W W , Meltz G, Glenn，WH．Fiber Optic Bragg G