【正文】 使之重新達(dá)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(cè)物理量的最大范圍和光源光譜帶寬。如果預(yù)先測(cè)定每個(gè)探測(cè)光柵的布拉格波長(zhǎng)與電壓的關(guān)系就可以確定相應(yīng)傳感光柵布拉格波長(zhǎng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)最終檢測(cè)的反射光強(qiáng)無(wú)絕對(duì)要求，所以各類強(qiáng)度噪聲都不會(huì)對(duì)輸出結(jié)果有影響。這種方法的不足之處：一是要求兩個(gè)光柵嚴(yán)格匹配：二是受參考光柵應(yīng)變量的限制，傳感光柵的測(cè)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(cè)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(yè) 共 45 頁(yè)4. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)力或其它待測(cè)物理量發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生改變。通過(guò)檢測(cè)光柵波長(zhǎng)的改變情況，即可獲得待測(cè)物理量的變化情況。因此一個(gè)光纖光柵溫度測(cè)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(zhǎng)變化的形式輸出。光纖光柵解調(diào)儀檢測(cè)波長(zhǎng)的變化，將波長(zhǎng)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(cè)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(jì)的光纖布拉格光柵溫度傳感檢測(cè)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(cè)量作用于光纖布拉格光柵上，由于待測(cè)量的變化，Bragg光柵會(huì)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(guò)數(shù)據(jù)采集裝置采集輸出波形。 高溫測(cè)試的分析在上一節(jié)我們?cè)O(shè)計(jì)了基本的光纖布拉格光柵溫度傳感檢測(cè)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(zhǎng)編碼測(cè)量、抗電磁輻射、輕巧、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)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(cè)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(gè)永久性的結(jié)構(gòu)，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫環(huán)境下時(shí)FBG會(huì)消失或被“洗掉”，因此，我們不能將FBG直接和高溫物體接觸來(lái)測(cè)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(duì)更耐高溫性能的FBG進(jìn)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(guò)查閱資料，我了解到的熔點(diǎn)為2050℃因此，啟發(fā)我們可以用對(duì)光纖布拉格光柵進(jìn)行封裝，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感系統(tǒng)的1000℃～2000℃的測(cè)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(cè)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(shí)間的測(cè)試任何一個(gè)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(cè)介質(zhì)之間達(dá)到熱平衡需要一定的時(shí)間, 這樣在測(cè)量變化快的溫度時(shí), 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(lái)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(cè)介質(zhì)之間的熱交換過(guò)程。這種滯后性會(huì)給我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用FBG溫度傳感器中帶來(lái)很多不便，因此我們需要知道FBG溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間。本節(jié)，我們研究FBG溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試方法。對(duì)FBG溫度傳感器而言，其響應(yīng)時(shí)間可以用傳感器對(duì)階躍變化的輸出響應(yīng)的上升時(shí)間來(lái)描述， 即從穩(wěn)態(tài)值的 10% 上升到 90% 所需要的時(shí)間。因此，在FBG溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)中需要引入一個(gè)可以產(chǎn)生脈沖信號(hào)的激勵(lì)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(lì)源。光纖布拉格光柵溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)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(shí)間測(cè)試系統(tǒng)上圖即為光纖布拉格光柵溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)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(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)化為布拉格波長(zhǎng)的漂移。該波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。測(cè)試方法是由激光器輸出脈沖信號(hào)，則數(shù)據(jù)采集裝置會(huì)輸出相應(yīng)波形，響應(yīng)時(shí)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(shí)間。 實(shí)驗(yàn)仿真為了更好地理解光纖布拉格光柵響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試方法，在實(shí)驗(yàn)室做了簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(chǎng) 實(shí)驗(yàn)原理圖 實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)時(shí)，將鎧裝光纖光柵和裸光纖放在一個(gè)容器內(nèi)，室溫為34℃，即光纖光柵所處的溫度場(chǎng)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(chǎng)迅速變?yōu)榱?2℃?？梢钥醋饕粋€(gè)階躍信號(hào)作用于光纖光柵上。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中選用的是第七個(gè)鎧裝光纖光柵。 階躍溫度場(chǎng)作用于鎧裝光纖光柵時(shí)的波長(zhǎng) 階躍溫度場(chǎng)作用于裸光纖光柵時(shí)的波長(zhǎng) 階躍溫度場(chǎng)作用于兩種光纖光柵時(shí)的波長(zhǎng)對(duì)比如圖所示，由于封裝材料會(huì)使其響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，因此布拉格波長(zhǎng)的變化比較平緩。，由于它沒(méi)有封裝，少了中間的溫度傳遞過(guò)程，因此響應(yīng)時(shí)間比較快，布拉格波長(zhǎng)的變化比較陡。 鎧裝光纖光柵在階躍溫度場(chǎng)作用下的波長(zhǎng)變化時(shí)間（s）01234波長(zhǎng)（nm）時(shí)間（s）5678波長(zhǎng)（nm）時(shí)間（s）910111213波長(zhǎng)（nm）時(shí)間（s）1415161718波長(zhǎng)（nm）時(shí)間（s）1920212223波長(zhǎng)（nm）時(shí)間（s）2425262728波長(zhǎng)（nm） 鎧裝光纖光柵在階躍溫度場(chǎng)作用下布拉格波長(zhǎng)的曲線圖因此，鎧裝光纖光柵傳感器的響應(yīng)時(shí)間計(jì)算如下：已知，因此；穩(wěn)態(tài)值的10%所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為，對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為；穩(wěn)態(tài)值的90%所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為，對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為；響應(yīng)時(shí)間為。 裸光纖光柵在階躍溫度場(chǎng)作用下的波長(zhǎng)變化時(shí)間（s）01234波長(zhǎng)（nm）時(shí)間（s）5678波長(zhǎng)（nm）時(shí)間（s）910波長(zhǎng)（nm）時(shí)間（s）1112131415波長(zhǎng)（nm） 裸光纖光柵在階躍溫度場(chǎng)作用下布拉格波長(zhǎng)的波形圖同理，裸光纖光柵傳感器的響應(yīng)時(shí)間計(jì)算如下：已知，因此；穩(wěn)態(tài)值的10%所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為，對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為；穩(wěn)態(tài)值的90%所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為，對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為；響應(yīng)時(shí)間為。第 44 頁(yè) 共 45 頁(yè)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(lái)的一種以光為載體、光纖為媒質(zhì)、感知和傳輸外界信號(hào)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(diǎn)，越來(lái)越廣泛應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。本文在對(duì)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(shí)用化的，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的方法，介紹了系統(tǒng)的基本組成，對(duì)光柵布拉格溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試原理和方法進(jìn)行了分析。 本論文學(xué)習(xí)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(duì)光纖布拉格光柵溫度傳感原理地詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了光纖布拉格光柵高溫傳感系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了理論分析，使測(cè)試系統(tǒng)能更好的應(yīng)用于時(shí)間測(cè)量中。光纖布拉格光柵響應(yīng)時(shí)間測(cè)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(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)化為布拉格波長(zhǎng)的漂移。該波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)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(shí)間即為光纖光柵傳感器的響應(yīng)時(shí)間。最后，為了對(duì)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法有更深入的理解，做了實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試裸光纖光柵傳感器和鎧裝光纖光柵傳感器的響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了封裝會(huì)延長(zhǎng)光纖光柵傳感器的響應(yīng)時(shí)間。第 45 頁(yè) 共 45 頁(yè)參考文獻(xiàn)[1] G. 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