基于光纤布拉格光栅的实时测温系统的设计(编辑修改稿)

基于光纤布拉格光栅的实时测温系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 毕业设计 /论文 6 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。 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。 如图 21和 22 所示。 图 21 光纤布拉格光栅的基本结构 图 22 光纤布拉格光栅的折射率分布 n ffne n1(z) L/2 L/2 O 入射光波 入射光波的特征参量 折射变化部分 透射光 毕业设计 /论文 7 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： )()( )( 2222sLchssLsh sLshKR   （ 21） 当 22 K )()( 222 22 QLchK sLshKR   （ 22） 当 22 K )()( 2222QLchKSsLsh RR   （ 23） 在上式中， L 是光栅的长度， K 为耦合系数，   /2 fn 为模传播常数， /^ p ，  为光栅周期， efn 为等效折射率，  为自由空间工作波长 P 为一个整数 2/122 )(  KS （ 24） 2/122 )( KQ   （ 25） 当波长匹配时，即  =0 时， R取最大值，对于一阶场， P=1， )(tanh 2m ax KLR  （ 26） 对于单模光纤为 ][t an h]2[t an h 22m a x  nln ef fnlR  （ 27） 由波长匹配条件 ， 可以推出布拉格方程 effB n2 （ 28） 再由反射带宽的定义： )(21),(,LRLR B 可以求出两个  的值，并进一步给出Bragg 反射半值带宽 毕业设计 /论文 8 22    n nL (29) 上面我们给出了光纤 Bragg 光栅的反射率 RR ， Bragg 波长 B 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 n ，以及光纤光栅中心波长 B 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：   dndnd eff (210) 其微分形式为：  effeff nn 22 (211) 从（ 210）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 efn 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 B 看做温度 T 和应变  的函数，则对和展开 长泰勒级数为： ),(),( 00  TT BB  + TTnTn efef   2 +   Tznzn efef2Tznzn efef    222 ……………… (212) 当  T 和  不是很大时，略去  2T 和  2 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， 毕业设计 /论文 9 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： B ),( T = Tneff ）（ 2 + )1(2 eP ） effn = TK T + K （ 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 TKT  (214) 由上式可以知道，温度 T 的改变  T 引起的布拉格反射波长 B 的漂移，漂移量为 B ，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 B 和  T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： B = K （ 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： B = TK T + K （ 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 22      n nL （ 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 ： 毕业设计 /论文 10 22      n nL （ 218） 所以，对于中心波长 1550nm 波段，其该变量 为  /103 nm。 温度灵敏度 与应变灵敏度相同，式（ 213）得出，当应变不变时，光纤在温度变化的作用下的布拉格波长的变化程度为 ： B = K （ 219） 对于多种光纤，当温度在 20~150 摄氏度之间变化时 , ~  /度于是，对于 B =1550nm 波段 nmsT  /度。 光纤光栅的中心波长随温度及应变的变化而变化，在光通信领域中，这成为光纤光栅应用的 难题之一，而在光纤传感领域，它又成为必要的技术基础。 毕业设计 /论文 11 第 3 章 光纤光栅解调方法 光纤光栅的解调概念 在光纤光栅传感技术中，解调过程与传感过程正好相反，解调的过程其实就是信号检测的过程，光纤光栅解调技术是研究从己被调制的光信号中还原出原解调信号的技术， 还原出的信号与被测信号成一定的比例，当被测量变化时，由光纤光栅反射的光波波长也会发生相应的移动，并且根据第二章的推导可知反射波长的移动量与被测量的变化量呈线性关系。 若想要实现多点测量，我们可以利用时分复用技术、波分复用技术或空间复用技术组成光纤光栅传感网络的方法可以实现。 在实际应用中，我们测得的被测量的精度越高越好，所以如何高测量光纤光栅的反射波长移动量的精度就成了我们研究光纤光栅传感器的关键问题。 研究开发体积小、成本低、精度高的解调系统是使光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广的关键问题。 为了促使光纤 光栅传感器的发展，使其满足实用化的要求，人们对光纤光栅的波长编码信号进行解调是实现光纤光栅传感实用得到关键。 由于光纤光栅所测量的是由光栅反射的光的反射波长，所以，对反射波长移位的检测精度就直接决定了整个系统的检测精度。 因此，光纤光栅传感系统中应有某些检测装置使得可以精密的检测波长或者波长的偏移量。 下面是几种目前比较成熟的解调技术的介绍。 光纤光纤传感系统解调方法介绍 光谱仪检测法 光谱仪检测法是一种最直接的波长位移检测方法，这种测量方法的优点就是结构简单，适用于实验室使用。 但是由于传统的 色散掕镜或者衍射光栅为基础的光谱仪的分辨率较低，所以造成了测量反射波波长的精度不高，无法。