光纤布拉格光栅温度传感器响应毕业设计说明书(编辑修改稿)

光纤布拉格光栅温度传感器响应毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

的动态响应的测量，从而可以监视动态载荷引起的结构退化和损伤，了解桥梁的交通状况的长期变化。 1998 年佛蒙特大学的研究小组在 Waterbury 的一座 67 米的钢构架大桥上安装了结构健康监测系统，测量数据传输到中心计算机分析并可从互联网获取分析结果。 2020 年 Kunzler Marley 等人为美国波特兰市 I84 高速公路研制了 光纤光栅交通监测系统， 2020 年又推出了第二代交通检测系统。 在欧洲， 1997 年 Nellen P． M．等人在瑞士温特图尔的 Storck 大桥的碳纤拉索上同时粘贴了光纤传感器和电阻应变计，该系统连续运作了几年。 2020 年 Gebremichael YM．等在挪威的长度为 346m 的钢架公路桥通过空分复用和波分复用 FBG 传感器，构建了一个实时静态和动态监测系统。 同年 Magne Sylvain 等在法国工业部的支持下，在波尔多地区的 SaintJean 大桥贴装了 14 个波分复用的光纤光栅张力计和光纤光栅温度计，监测系统经受 住了寒暑季节的变化的考验。 2020 年 Hofmarm. D, Habel, W 等人对柏林 Lehrter Bahnhof 预应力铁路桥的应变和倾度进行了测量。 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，为了监测一架飞行器的压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需传感器非常多，而且对传感器的尺寸和重量要求非常严格。 使用先进的抗疲劳、重量轻、强度高的复合材料是制造航空航天结构的一个必然趋势。 如在复合材料的制造过程中埋入尺寸小、重量轻、灵敏度高的光纤光栅传感器，就可实现对 飞行器在运行过程中的实时健康监测和性能监视，这可以减少飞行器重量、缩短检查时间、降低维护成本，从而改善其性能。 因此，航空航天业对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的专利。 东京大学的 Kbaashima 等人将 40pe 细径光纤光栅埋入卫星表面的复合材料中，来监测卫星表面的破损情况，他们在应用前对复合材料进行了拉伸试验，试验证明细径光纤光栅不会影响复合材料的坚固性。 石油化工属于易燃易爆的领域，在油气管道、储油罐和油气井等地方应用电类传感器存在很大的不安全因素。 高温操作和长期稳定性的要求也限制了电类传感器在石油化工中的应用。 永久连续的油田井下监测有利于油田的管理、优化和发展，光纤光栅传感器因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感。 Nellne 等 第 7 页 共 45 页 人通过力学传递机制将液体压力转变成光纤光栅的应变，制成光纤光栅液体压力传感器和光纤光栅温度传感器来监测油井内部的油压和温度变化。 在地震检测等地球动力学领域中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键 活动范围演变的最有效手段。 光纤传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪等方面。 活动区的应变通常包含静态和动态两种，静态应变 (包括由火山产生的静态变形等 )一般都定位于与地质变形源很近的距离；而以震源的震波为代表的动态应变则能够在与震源较远的地球周边环境中检测到。 为了得到相当准确的震源或火山源的位置，更好地描述源区的几何形状和演变情况，需要使用密集排列的应力应变测量仪。 光纤传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地 球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。 光纤传感器因不受电磁场干扰、可实现长距离、低损耗传输，已成为电力工业应用的理想选择。 电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤传感器进行测量。 在自然环境中，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险，因此需要在线检测电线的压力情况，特别是对于那些不易检测到的山区电线。 光纤传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化被粘于金属板上的光纤传感器探测到。 这就是利用光纤传感器实现远距离恶劣 环境下测量的实例。 在这种情况下，相邻光纤传感器的间距较大，故不需快速调制和解调。 此外，最近还报道了由两个 550111n 波段的光纤和解调用的光谱仪所组成的传感器，成功地测量了高压变压器的绕线温度，在较大温度范围内的测量精度为177。 1℃。 存在的问题 光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着广阔的发展。 迄今为止，已有的光纤光栅传感技术还存在着以下的不足： ，用于传感的光纤光栅往往对多种信号敏感，其中最重要的是温度与其他测量分量的交叉敏感，这就需要 设置相应的温度补偿装置或采用单一敏感的调制解调技术。 第 8 页 共 45 页 ：实验中一般采用光谱分析仪，但它价格昂贵、体积大，尤其是不能输出与被测物理量成正比的电信号，因此在实用中必须开发出高效低成本的信号解调系统。 ，尽最大可能的提高封装的光纤光栅传感器传感的灵敏度系数。 ，对其动态响应特性的研究是很重要的一方面，但目前尚无人进行研究。 ：光纤光栅传感器需用大功率宽带光源或可调谐光源：目前一般采用的侧面发光二极管 (ELED)功率较低，而激光二极管 (LD)的带宽则较窄。 、时分复用的多路传感器阵列研究：实现多参数、多变量同时测量的智能化遥测是发展的重点。 ，发展新的写入方法，尤其是啁啾光栅的写入方法，降低光纤光栅的成本，提高其使用寿命。 论文的主要内容及工作 本论文对光纤布拉格光栅温度传感器响应时间测试系统设计进行研究。 ； 光纤布拉格传感器 的原理和测试方法； ，实现利用 光纤布拉格传感器进行高温 测试 的设计； ，温度测试范围 1000℃～ 2020℃； 光纤光栅温度传感器的响应时间测试系统结构； ，并分析封装结构对响应时间的影响。 第 9 页 共 45 页 2. 光纤光栅的简介 光纤光栅的分类 从光纤光栅的出现至今已有 30 几年了，出于实际应用的需要，人们研制出了各种用途、特性各异的光纤光栅。 归结起来可以分为两大类：均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。 ：指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。 这类光 纤光栅的典型代表有光纤布拉格光栅、长周期光栅和闪耀光纤光栅等。 1）光纤布拉格光栅 (FBG)[16]：又称短周期光栅或反射光栅，光栅的波矢方向与光纤轴向方向一致，其栅格周期小于 1um，一般为 量级，折射率调制深度典型值为510 ~ 310。 其折射率分布为 1 m a x 2( ) c o s ( )zn z n n    。 能量耦合发生在两个反向传输的模场中，这种光纤光栅具有较窄的反射带宽 (～ 110nm )和较高的反射率 (～ 100％ )。 其反射带宽和反射率可以根据需要，通过改变写入条件而加以灵活地调节，这是最早发展起来的一类光纤光栅，也是最常见、应用得最广泛的光纤光栅。 2）长周期光纤光栅 (Long Period Grating LPG)[17]：顾名思义，这种光栅的周期比普通的布拉格光栅要长，大于 100umm，一般在数百个微米量级。 它是将前向导波模耦合到不同级次的包层模之中去，其作用相当于一种波长可选择的滤波元件。 长周期光栅的工作原理是通过选择一定的光栅周期，使得基模与一个前向传播的包 层模满足相位匹配条件01 2  (其中 01 和  分别表示导波的基模和耦合产生的传输常数，  是长周期光栅的周期 )的特定波长发生耦合，使光在包层中因吸收和散射而损耗掉。 由于耦合发生在前向导波模之间，长周期光栅是一种透射型光栅，它的背向反射极低，约为80dB。 它在光纤通信系统中有重要的作用，如可以制成模式转换器、各种滤 波器、以及作为光纤放大器 (EDFA)增益平坦滤波元件。 3）闪耀光纤光栅 (Blazed Fiber Bragg Grating)[18]：也称为倾斜光栅 (Tilted Fiber Grating)。 在制作光栅的过程中，让紫外光通过相位掩模后的照射方向与光纤轴不垂直，结果干涉条纹与纤芯成一定得角度，也就是说光栅波矢方向与光纤轴线方向不一致，从而形成闪耀光栅。 这种光栅不但能引起反向导波模耦合，而且还能将基模耦合到包层模中损耗掉。 基于闪耀光纤布拉格光栅的包层模耦合形成的宽带损耗特性，可将其用于掺 第 10 页 共 45 页 铒光纤放大器 (EDFA)的增益平坦。 ：栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数。 从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。 1）啁啾光纤光栅 (Chirp Grating)[19]：栅格周期沿光纤轴向方向是变化的，最常用的啁啾光纤光栅是线性啁啾光纤光栅。 这种光栅的纤芯折射率沿轴向呈线性单调变化。 这种光栅的折射率分布函数可表示为：  1 2( ) ( ) 1 c o se ffn z n n z V z z     。 其中， effnz 是有效折射率； V 为折射率变化的条纹可见度；  Z 用来表示光栅的啁啾。 由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，因此线性啁啾光纤光栅能够形成很大的反射带宽和稳定色散，其宽度足以覆盖整个脉冲的谱宽，因此可以构成宽带滤波器，在波分复用 (WDM)通信系统的用于色散补偿。 2）非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤光栅 (布喇格或啁啾光纤光栅 )的栅格周期或折射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的啁啾光纤光栅。 典型的有如下几种： 栅 [20]：相移光纤光栅就是通过～些方法破坏光纤光栅折射率分布的连续性，在均匀周期光纤光栅的某些特定点上产生相移。 比如破坏布喇格光栅某些点的周期连续性后，增加光栅的透射性，这就使得对选择波长的能力增强。 [21]：是采用两组具有微小周期差异的紫外条纹对光纤同一位置进行二次暴光所得到的光栅。 其光谱特征是在反射带中开～个很窄的透射窗口，它实际相当于一个 4 相移光栅。 [22]：切趾光栅是采用特定的函数形式对光纤布拉格光栅的折射率调制深度进行调制而形成的光栅。 光栅的折射率分布有中间向两端逐渐递减至零，使得折射率不会突变，因而不存在旁瓣。 其反射谱的形状可以通过改变其调制函数及有关参数而得到控制。 利用切趾光栅能改善光谱的特性，可以将其用于光纤通信系统中的色散补偿及多波长激光器的制作。 [23]:超结构光纤光栅就是利用波函数对光纤布喇格光栅或啁啾光纤光栅的折射率分布进行调制而形成的光栅。 这种光栅的反射谱具有一组分立的反射 第 11 页 共 45 页 峰。 光纤光栅高温传感器的封装工艺研究 随着光纤光栅制造技术的不断完善与应用成果的日益增多，光纤光 栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一，易于组网复用，实现准分布式测量，可以运用在恶劣环境的场合，是传统传感器的理想替代品。 由于裸的光纤光栅直径只有125um，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装（如埋入衬底材料中），才能赋予光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命，传感器才能交付使用。 同时，通过设计封装结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿、应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研究也正逐步受到重视。 因此，近几年，光纤光栅高温传感器的封装技术一直是光纤传感领域具有实际应用 价值的课题。 现有封装工艺分析 (1)自由式封装工艺 FBG 除对温度敏感以外，还对外界应力敏感，如何消除应力带来的影响也是光纤光栅传感器实际应用中必须考虑的问题。 光栅自由式封装工艺就是使光纤光栅处于自由状态，不受应力的影响或影响很小。 其封装示意图如图。 图 自由式封装示意图 经封装后，由于 FBG 弯曲，盒内 FBG 两端的光纤处于松弛状态，便轴向应力不会传递到 FBG 上；外面的封装盒起到保护和屏蔽外压的作用，从而使光栅不会受到外界压强和压力的影响，小槽内填充物为导热体，不固化，对外界 应力有缓冲和吸收的作用，因此，光纤 Bragg 光栅的波长漂移量仅受温度的影响，不会受到外界应力的影响。 (2)灌封式封装工艺 在进行温度传感器设计时，开始考虑用封装胶封装在细金属管中，将光纤光栅放置 第 12 页 共 45 页 到预先设计的金属套管中，施加一定的预应力以保证灌封以及固化过程中光纤光栅始终处于伸直状态。 结构如图 ，在灌封过程中将金属套管倾斜，然后沿套管缓慢注入聚合物液体，防止气泡的产生，不能完全将金属套管灌满，需留有一定空间裕度，以保证聚合物材料受热后能完全膨胀，避免光纤光栅温度响应的非线性。 图 灌封式封装 示意图 (3)两点式封装工艺 所谓两点式封装就是将光纤光栅两端固定，使光栅处于拉紧状态，即封装时给光纤光栅施加一定的预应力，结构如图 ，在封装过程中调节光纤光栅波长，可以使光纤光栅始终保持张紧状态，避免封装过程中由于光纤光栅自由状态的不确定而在温度变化中波长温度特性的不稳定，保证了光纤光栅的线性和重复性。 在温度升高的过程中，光纤光栅同时受到金属管的轴向拉应力，因此，其波长的漂移是温度和轴向拉力共同作用的结果，从而提高了光纤 Bragg 光栅的温度灵敏度。 图 两点式封装示意图 (4)贴附式封装工 艺。