基于光纤布拉格光栅的实时测温系统的设计论文毕业论文设计word格式

基于光纤布拉格光栅的实时测温系统的设计论文毕业论文设计word格式内容摘要：

业、医疗、科学研究等众多领域都有广阔的应用前景。 在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。 很明显，在这类应用中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化，将引起光纤光波参数发生变化，如引起光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。 因此，人们发现如果能够测出光波参数的变化，就可以得到导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 图 12 光纤传感原理图 光纤光栅传感器的关键技术主要包括对光栅中心反射波长移动的探测与解调、对温度和应力 /应变的交叉敏感测试以及多个光纤光栅传感器的复用等。 光纤传感技术是利用光纤光栅对光栅对某些物理量的敏感特性，将外界物 理量转换成可以 测量的信号的技术，即由于光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、波长等）因外界因素（如温度、压力、应变、磁场等）的作用而直接或间接发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量，其示意图见图 12. 光纤光栅传感器是利用光波波长的变化来探测外界物理量的。 光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，外界参量的变化会引起光纤光栅折射率的变化，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。 传统的光纤传感器绝大部 分都是光强型和干涉型的。 光强型光纤传感器的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。 干涉型光纤传感的信息 读取是观察干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰，而要使干涉条纹清晰就必须要求两路干涉光的光强相等，从而使光纤光路的灵活性和连接的方便性等优点大打折扣。 而且它是一种过程传感器而不是状态传感器，因此必须要有一个 固定的参考点，这样就给光纤传感器的应用带来了难度。 根据光纤光栅的特性，可以利用光纤光纤制成用于检测应力 /应变、温度河南机电高等专科学校毕业 设计 /论文 4 等诸多参量的光纤光栅传感器 和各种光纤传感器网络。 与传统的电学传感器相比，它具有一般光纤传感器所具备的所有优点。 此外，因为自身的特点，光纤光栅传感器也具有普通光纤传感器无法具备的优点： 1. 光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器，它的传感过程是通过外界参量对光栅中心波长的调制来获取传感信息，这样可以避免光纤光栅传感器中各种光强起伏对测量精度引起的干扰。 2. 由于光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器，所以其测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响。 3. 因为光纤光栅对应力 /应变和温度的双重敏感性，利用光纤光栅可以制作应力 /应 变和温度同时测量的双参量传感器。 4. 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要，结合波分复用（ WDM）和时分复用（ TDM）技术，每根光纤中可以设置多个光纤光栅构成分布式的传感点，便于空间组网，分辨精度高，光纤光栅传感器具有波长编码的特点，它更便于构成分布式传感器网络，可以再大范围内对多点同时进行测量。 5. 光纤光栅很容易的埋入或嵌入到被测材料中并对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构地理想器件。 6. 光纤光栅输出的是绝对波长量（它具有内在的波长度量刻度 ），可以作为绝对量的测量。 7. 利用复合结构光纤光栅的特殊光谱特性，可以制备多参数智能传感元件等。 8. 光纤具有非传导性，所以对被测介质影响小 ，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作。 因此，基于以上的优点，自 1989 年首次报道将光纤光栅用作传感器以来，光纤光栅传感受到了世界范围的广泛重视，并且已经取得了持续和快速地发展。 利用掩埋或贴附技术把光纤光栅复合到各种建筑或器件中，可以对被测体的各种参量如应变、温度、应力、老化、裂变等进行大面积的实时综 合测量、诊断和控制。 光纤传感技术在实际中的应用 1989 年， Morey 首次报道将光纤 Bragg 光栅用作传感上面，由于光纤 Bragg光栅传感器自身具备的优点，因此光纤 Bragg 光栅传感器受到了全世界范围内的广泛关注，并且已经取得了持续和快速的发展。 到目前为止光纤 Bragg 光栅传感器已经应用在民用工程结构、航空航天业、 船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等方面。 此外，光纤 Bragg 光栅还应用在加速器、水声器、形变检测、腐蚀探测器、身份和物品的识别系统等。 总之，光纤 Bragg 光栅 传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。 河南机电高等专科学校毕业 设计 /论文 5 第 2 章 光纤光栅传感理论 光纤光栅的基本原理 光纤光栅的基本光学性能 光纤光栅是利用光纤材料的 光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射 率的永久性的变化），即当激光通过增敏过的光纤时，光纤纤芯的折射率将随激光光强的空间分布发生相应的变化，其变化的大小与光强成线性关系，并且能够永久的保存下来。 根据制作方法的不同，不同的曝光条件，不同类型的光纤可以产生多种不同折射率分布的光纤光栅。 图 21 光纤布拉格光栅的基本结构及折射率分布 图 21 是光纤布拉格光栅的基本结构原理及折射率分布，它是一种性能优异的窄带反射 滤波无源器件。 当一束光经过光纤布拉格光栅时，满足布拉格光栅波长条件的就会被反射回来，为满足布拉格光栅波长条件的光波就会透射过去。 对于光纤光栅来说，其基本光学参数对于我们研究光纤传感来说是非常重要的。 光纤光栅的基本光学参数有：反射率、透射率、光栅方程、反射带宽等。 利用耦合模理论对周期性光栅进行分析，可得到光纤光栅的反射率 R 和透 射率 T 的表达式如下： R= 当 (21) R= 当 (22) T= (23) 河南机电高等专科学校毕业 设计 /论文 6 在上式中， L 是光栅的长度， K 为耦合系数， 为模传播常数， ， 为光栅周期， 为等效折射率， 为自由空间工作波长， P为一个整数。 S= （ 24） Q= （ 25） 当波长匹配时，即 =0 时， R 取最大值，对于一阶场， P=1， = （ 26） 对于单模光纤为 = [ ]= [ ] (27) 由波长匹配条件 可以推出布拉格方程 =2 （ 28） 再由反射带宽的定义： R（ ） = R（ ）可以求出 两个 的值，并进一步给出 Bragg 反射半值带宽 = （ 29） 上面我们给出了光纤 Bragg 光栅的反射率 R， Bragg 波长 和线宽 等几个重要参数，这些参数对于光栅的制作及其应用都有重要的意义。 从式中我们可以看到，光栅的长度 L 的改变、折射率变化 ，以及光纤光栅中心波长 都能引起反射率和 线宽的变化，这对光纤光栅的调制提供了重要的依据。 光纤光栅的传感原理 当光纤光栅所处环境的温度、应力发生变化的时候，光栅的纤芯折射率以及光栅的周期也都会相应的发生变化，从而由光纤光栅反射回的波长就会有一个偏移河南机电高等专科学校毕业 设计 /论文 7 量，影响反射波的波长。 所以，我们可以通过测量反射波长的偏移量就可以间接的测量引起波长偏移的物理量，如利用光纤光栅可以测得光纤光栅所处环境的温度的变化，应力的变化等。 在光纤的基本光学性能里面已经得到，对其进行求导，可以得出： = + (210) 其微分形式为： =2 +2 (211) 从（ 110）和（ 211）式可以看出光栅布拉格波长并不是一个常量，而是有一定的偏移量，且反射波长的偏移量 与光纤纤芯的有效折射率 和光栅周期 的变化有关。 当光栅受到轴向应力的作用或者温度的变化影响时， 纤芯有效折射率和光栅的周期都会发生变化。 应力作用下的光弹效应导致折射率的变化，从而导致有效折射率发生变化；而当温度变化时，其产生的光热效应导致光栅周期发生变化。 将耦合波长 看做温度 T 和应变 的函数，则对和展开长泰勒级数为： （ T ， ） = （ ， ）+2[ + ] T+2[ + ] T+2[ + ]( )+……………… (212) 当 T 和 不是很大时，略去 （ 和（ 以上的高次项以及（ 212）式中的第四项，此项是温度和应变的关系型，定义 = * ， * 和 = *分别为纤芯的热膨胀系数，热光系数和有效弹光系数，则（ 211）式可近似为： （ T， ） =2（ ） +2（ 1 ） = + （ 213） 在式（ 213）中， 为光纤 Bragg 光栅的温度响应系数， 为光纤 Bragg 光栅的应变响应系数。 首先，将问题先简单化，不去考虑温度和应变的交叉敏感，分别考察仅在单一的温度或应力作用下光纤 Bragg 光栅的传感特性。 当只受温度影响时有： = (214) 河南机电高等专科学校毕业 设计 /论文 8 由上式可以知道，温度 T 的改变 引起的布拉格反射波长 的漂移，漂移量为，这主要是由温度变化引起的有效折射率的改变引起的，并且 和 成线性关系，因此通过对光纤 Bragg 光栅中心反射波长的移动的检测就可以确定被测量的值。 同理，忽略温度的影响，当只受应力影响时有： = （ 215） 由于应力的作用，最终会引起光纤光栅的有效折射率和光栅栅距的变化，从而改变布拉格波长。 从（ 215）式中可以看到，其形式和（ 214）式相同，波长的漂移量和应力的变化量也成线性的关系，所以由波长的变化量也可以方便的求出光栅在外界应力作用下产生的应变的值。 综合考虑，当温度和应力变的影响同时存在时有： = + （ 216） 由（ 216）式可知，当光纤 Bragg 光栅传感器所受应力或温度发生改变时，光栅中心反射波长都会产生相应的移动。 当温度或应变其中一个参量恒定时，波长的移动由应变或温度的改变引起。 但是当两个参量对不是恒定的值的情况下，就无法确定波长的移动的具体由什么参量的改变引起的，更无法确定参量的改变量大小，这就是光纤 Bragg 光栅传感器的交叉敏感问题。 光纤光栅的传感灵敏度 应变灵敏度 当温度不变时，式 (213)得出，沿 轴向应变 和波长的关系由下式给出 =（ 1 ） （ 217） 对于普通的光纤，其有效折射率 =，在硅介质中，有效弹光系数|。 根据（ 217）得出，光纤在轴向应变作用下布拉格波长的变化为： =（ 1。