光纤bragg光栅建筑物动态监测技术研究毕业论文(编辑修改稿)

光纤bragg光栅建筑物动态监测技术研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

）摩尔光纤光栅（ moire grating）：它是通过在原先写入光栅的位置上再写入一个光栅得到的。 如果在光纤的同一位置写入多个不同的 Bragg光栅则会产生多个反射峰，可做成梳状滤波器用于复用 /解复用系统中，还可用在多波长光纤激光器和多参量测量传感系统中。 （ 6） Taper 型光纤光栅（ taper grating）：这是一种切趾光栅，它的周期均匀，但折射率随一定的函数关系变化，正弦型 Taper 光纤光栅可构成各种滤波器、波长变换器和光插 /分复用器。 （ 7）相移 光纤光栅（ phaseshifted grating）：主要通过在制作过程中引入光栅相移得到，这种光栅在光通信中特别是在多通道光波系统中，可被用来选择通道。 （ 8）长周期光纤光栅（ longperiod grating）：长周期光纤光栅在带阻滤波器、宽带掺饵光纤放大器的增益平坦、高灵敏度传感器等方面有重要的应用背景。 光纤光栅的基本结构及传感原理分析 （ a）光纤 Bragg 光栅结构示意图 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 8 页 共 38 页 （ b）光纤 Bragg 光栅入射谱、反射谱和透射谱 图 光纤光栅折射率分布及反射透射特性 光纤光栅的最基 本原理是相位匹配条件：   221 （ ） 1 、 2 是正、反向传输常数，  是光纤光栅的周期，光 纤的周期可通过两相干紫外光束的相对角度而得到调整，通过这种方法，就可以制作出不同反射波长的布拉格光栅，目前已有的布拉格光栅写入技术有：相位掩模技术、振幅掩模技术、逐点写入技术和全息成栅技术、在线写入技术等，这些技术中广泛应用的相位掩模技术 [18]。 光纤 Bragg 光栅（ FBG）是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件，也是目前最常见、应用最广的一种光纤光栅，其光栅周期与折射率调制深度均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线一致。 光纤 Bragg 光栅的结构如图 （ a）所示，当光波传输通过光纤 Bragg光栅时，入射光就会 分成两部分：透射光波矢和反射光波矢。 一部分满足 Bragg 光栅波长条件的波矢将被反射回来，其余入射光将被透射，如图 （ b）所示 [19]。 光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。 从麦克斯韦经典方程出发，结合光纤耦合模理论，利用光纤光栅传输模式的正交关系，得到光纤 Bragg 光栅反射波长的基本表达式为 [20]：  effB n2 （ ） 式中， B 为光栅的中心反射波长， efn 为纤芯的有效折射率，即折射率调制幅度大小的平均效应，  为光栅的周期，即折射率调制的空间周期。 当光波传输通过光纤 Bragg光栅时，满足布拉格条件的光波将被反射回来，这样入射光就分成透射光和反射光。 光纤 Bragg光栅的反射波长或透射波长取决于反向耦合模的有效折射率 efn 和光栅周期  ，中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 9 页 共 38 页 任何使者两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅 Bragg 波长的漂移，测量此漂移量就可直接或间接地感知外界物理量的变化 [21]。 在只考虑光纤受到轴向压力的情况下，应力对光纤光栅的影响主要体现在两个方面：弹光效应使折射率改变，应变效应使光栅周期改变。 温度变化对光纤光栅的影响也主要体现在两个方面：热光效应使折射率改变，热膨胀效应使光栅周期改变。 当同时考虑应变与温度时，弹光效应与热光效应共同引起折射率的改变，应变和热膨胀共同引起光栅周期的改变 [22]。 假设应变和温度分别引起布拉格波长的 变化时相互独立的，则两者同时变化时，布拉格波长的变化可以表示为：     TpeB B   1 （ ） 其中：  为轴向应变导致的光栅周期变化， ep 为有效弹光系数， T 为温度变化量，  、  分别为光 纤 Bragg 光栅的热光系数和热膨胀系数。 理论上只要测出两组波长变化量就可以同时计算出应变和温度的变化量。 对于其他的一些物理量，如加速度、振动、浓度、液位、电流、电压等，都可以设法转换成温度或应力的变化，从而实现测量。 鉴于此，充分研究光纤 Bragg 光栅的应变与温度传感特性、灵敏度误差、应变传感器的温度补偿技术以及应变与温度的耦合效应是研究开发光纤 Bragg 光栅传感器的基础。 均匀轴向应力下的光纤 Bragg 光栅传感特性分析 假定光纤 Bragg 光栅只受到轴向应力的作用，温度恒定，则应力引起光栅 Bragg 波长的漂移可有 [23]  e ffe ffB nn 22 （ ） 表示。 其中，  表示光纤在应力作用下的弹性形变， efn 为光栅的弹光效应。 将式（ ）的两端分别除以式（ ）的两端，得  e ffe ffBB nn （ ） 从式（ ）可以看出，凡是能够导致光纤 Bragg 光栅周期或者有效折射率变化的物理量都能够引起波长的变化。 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 10 页 共 38 页 在弹性范围内，光栅 Bragg 光栅为均匀周期变化，所以有 x （ ） 其中， x 为轴向应变。 不考虑波导效应，即不考虑光纤光栅径向应变对折射率的影响，只考虑轴向应变的弹光效应，光纤在轴向弹性形变下的有效折射率 变化为；   xe f fe f fe f f pppnnn 12111222  （ ） 式中  2,11 ipi 是单模光纤的弹光常数，即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化； 是泊松比 [24]。 所以光纤 Bragg 光栅产生应变时，周期和有效折射率同时发生变化，导致光纤 Bragg波长发生的相对变化为：   xe f fB B pppn   121112221 （ ） 令    xe ffe pppnP  12111222  （ ） eP 称为光纤的有效弹光系数，对于石英光纤， eP 。 由式（ ）和（ ），可得：  xxeBB Pd   （ ） 上式为光纤 Bragg 光 栅轴向应变下的波长变化数学表达式，它是处理光纤光栅应变传感的基本关系式 [25]。 式中 x 为轴向微应变，由式（ ）可以计算光纤光栅的理论应变灵敏系数，例如，当光纤光栅中心波长为 1550nm 时，光纤光栅的轴向理论应变灵敏度为：  / 36 nmBxB   （ ） 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 11 页 共 38 页 可以看出，当光纤光栅的材料一旦确定后，光纤光栅应变灵敏度基本上为常数，这就从理论上保证了光纤光栅作为应变传感器有很好的线性输出。 均匀横向应力下的光纤 Bragg 光栅传感特性分析 在弹光效应下，当光栅只受到横向压力时，与上节 中轴向应力下的传感分析方法一样，横向应力导致的光栅折射率变化为：  ye f fe f fe f f pppnnn    1112122 212 （ ） 令    121112239。 212 pppnP e f fe ，由式（ ）和（ ），可得：  yeBB P  39。 1 （ ） 对于石英光纤， 39。 eP ，同样可得光纤光栅中心波长为 1550nm 时，光纤光栅的横向理论应变灵敏度为：  nmByB 36 1068   （ ） 在只考虑弹光效应时，表面上看来，光纤光栅的中心波长变化对横向应力下的应变更为敏感，然而这是一个误解，是因为我们将两者的应变看成是相等的。 若从应力灵敏度的角度来看，纵向拉伸的应力灵敏度约为横向应力的 倍。 因此，弹光效应下，光纤光 栅对纵向应力较横向应力更为敏感。 若进一步考虑波导效应，在相同的应力作用下，纵向应变较前一种情况增加   5/1   倍，所以波导效应将显著的多，而波导效应与弹光效应正好相反，即减小光栅的横向应变灵敏度。 综合考虑弹光和波导效应，光纤光栅对横向应力的灵敏度较纵向小的多，因此在复杂应力状态下，光纤纵向应力引起的波长变化占主要位置。 这就是我们通常只考虑光纤光栅纵向应变传感的原因 [26]。 光纤 Bragg 光栅温度传感特性分析 温度对光纤 Bragg 光栅的影响主要有两个方面：一是热膨胀 产生热应变导致栅距变化；二是热光效应导致有效折射率改变。 不考虑波导效应，对式（ ）对温度 T 求导，中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 12 页 共 38 页 可得：   TnTnT e ffe ffB 2 （ ） 式（ ）两边分别除上式两端，可得 Bragg 波长的变化量为 TTTnn e ffe ffB B   11 （ ） 令 Tnn effeff 1 （ ） T 1 （ ）  称为光纤的热光系数；  称为光纤的热膨胀系数，结合热光效应和热膨胀效应可得：   TBB   （ ） 令 TS  + ，称之为光纤光栅温度灵敏度系数。 对于常用的石英光纤，热膨胀系数 C06 /  ， C06 / 。 当光纤光栅中心波长为 1550nm时，由式（ ）可以计算光纤光栅的理论温度灵敏度系数：   CnmTBB 036 /    （ ） 但是由于掺锗成分和掺杂浓度不同，各种光栅的热膨胀系数和热光系数会有所差别 [27]。 从上式可以看出光纤 Bragg 光栅的波长的变化与温度同样呈线性关系。 但是光纤光栅本身的温度灵敏度非常低，随着温度的变化，因热膨胀引起的光栅周期改变与热光效应引起的折射率改变效应相比很小，例如式（ ）所示波长为 1550nm 的光纤光栅，其温度敏感性仅为 Cnm0/。 如果光纤光栅的 Bragg 波长要达到 1nm的变化，则温度需要变化 100 C0。 直接用光纤光栅作为传感元件，不易获得高的温度分辨率，因此，为了提高温度灵敏度，可将裸光纤光栅置于热膨胀系数高的材料中 [28]。 若用 sub 表示基底材料的热膨胀系数，则此时光纤光栅的 Bragg 波长相对偏移量与温度及应力的关系可中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 13 页 共 38 页 表示为：         TPPs u beeB B   11 （ ） 从以上分析可以看出无论是应变还是温度，通过检测光纤光栅波长的漂移量或带宽变化量，可以推测出待测物理场的状态。 根据 这个特性，人们已研制出了多种光纤光栅传感器。 光纤 Bragg 光栅应变、温度测量的交叉敏感 当光纤 Bragg光栅有效折射率或周期改变时，光栅反射回来的中心波长会发生漂移，应力（或应变）和温度是最直接改变光栅 Bragg 波长的物理量。 当只考虑这两个物理量时，则光栅的中心反射波长可表示为 ),(),(22 TTnn e ffe ffB   （ ） 对式（ ）泰勒展开后，可以发现，引起光栅 Bragg 波长漂移的不仅。