基于光纖布拉格光柵的實時測溫系統的設計論文畢業論文設計word格式(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 業、醫療、科學研究等眾多領域都有廣闊的應用前景。在光通信系統中，光纖被用作遠距離傳輸光波信號的媒質 。很明顯，在這類應用中，光纖易受外界環境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化，將引起光纖光波參數發生變化，如引起光強、相位、頻率、偏振、波長等的變化。因此，人們發現如果能夠測出光波參數的變化，就可以得到導致光波參數變化的各種物理量的大小，于是產生了光纖傳感技術。 圖 12 光纖傳感原理圖 光纖光柵傳感器的關鍵技術主要包括對光柵中心反射波長移動的探測與解調、對溫度和應力 /應變的交叉敏感測試以及多個光纖光柵傳感器的復用等。光纖傳感技術是利用光纖光柵對光柵對某些物理量的敏感特性，將外界物 理量轉換成可以 測量的信號的技術，即由于光波在光纖中傳播時表征光波的特征參量（振幅、相位、波長等）因外界因素（如溫度、壓力、應變、磁場等）的作用而直接或間接發生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量，其示意圖見圖 12. 光纖光柵傳感器是利用光波波長的變化來探測外界物理量的。光纖光柵的反射或透射峰的波長與光柵的折射率調制周期以及纖芯折射率有關，外界參量的變化會引起光纖光柵折射率的變化，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長的變化，這就是光纖光柵傳感器的基本工作原理。 傳統的光纖傳感器絕大部 分都是光強型和干涉型的。光強型光纖傳感器的信息讀取是測量光強大小，因此光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素會影響測量精度。干涉型光纖傳感的信息 讀取是觀察干涉條紋的變化，這就要求干涉條紋清晰，而要使干涉條紋清晰就必須要求兩路干涉光的光強相等，從而使光纖光路的靈活性和連接的方便性等優點大打折扣。而且它是一種過程傳感器而不是狀態傳感器，因此必須要有一個 固定的參考點，這樣就給光纖傳感器的應用帶來了難度。 根據光纖光柵的特性，可以利用光纖光纖制成用于檢測應力 /應變、溫度河南機電高等專科學校畢業 設計 /論文 4 等諸多參量的光纖光柵傳感器 和各種光纖傳感器網絡。與傳統的電學傳感器相比，它具有一般光纖傳感器所具備的所有優點。此外，因為自身的特點，光纖光柵傳感器也具有普通光纖傳感器無法具備的優點： 1. 光纖光柵傳感器是一種波長調制型光纖傳感器，它的傳感過程是通過外界參量對光柵中心波長的調制來獲取傳感信息，這樣可以避免光纖光柵傳感器中各種光強起伏對測量精度引起的干擾。 2. 由于光纖光柵傳感器是一種波長調制型光纖傳感器，所以其測量信號不受光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響。 3. 因為光纖光柵對應力 /應變和溫度的雙重敏感性，利用光纖光柵可以制作應力 /應 變和溫度同時測量的雙參量傳感器。 4. 避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要，結合波分復用（ WDM）和時分復用（ TDM）技術，每根光纖中可以設置多個光纖光柵構成分布式的傳感點，便于空間組網，分辨精度高，光纖光柵傳感器具有波長編碼的特點，它更便于構成分布式傳感器網絡，可以再大范圍內對多點同時進行測量。 5. 光纖光柵很容易的埋入或嵌入到被測材料中并對其內部的應變和溫度進行高分辨率和大范圍地測量，光纖光柵傳感器被認為是實現光纖靈巧結構地理想器件。 6. 光纖光柵輸出的是絕對波長量（它具有內在的波長度量刻度 ），可以作為絕對量的測量。 7. 利用復合結構光纖光柵的特殊光譜特性，可以制備多參數智能傳感元件等。 8. 光纖具有非傳導性，所以對被測介質影響小 ，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在煤氣附近、電站、核設施、礦井下、油田以及油罐周圍等惡劣、高危險環境中工作。 因此，基于以上的優點，自 1989 年首次報道將光纖光柵用作傳感器以來，光纖光柵傳感受到了世界范圍的廣泛重視，并且已經取得了持續和快速地發展。利用掩埋或貼附技術把光纖光柵復合到各種建筑或器件中，可以對被測體的各種參量如應變、溫度、應力、老化、裂變等進行大面積的實時綜 合測量、診斷和控制。 光纖傳感技術在實際中的應用 1989 年， Morey 首次報道將光纖 Bragg 光柵用作傳感上面，由于光纖 Bragg光柵傳感器自身具備的優點，因此光纖 Bragg 光柵傳感器受到了全世界范圍內的廣泛關注，并且已經取得了持續和快速的發展。到目前為止光纖 Bragg 光柵傳感器已經應用在民用工程結構、航空航天業、 船舶航運業、石油化工業、電力工業、核工業、醫學等方面。此外，光纖 Bragg 光柵還應用在加速器、水聲器、形變檢測、腐蝕探測器、身份和物品的識別系統等。 總之，光纖 Bragg 光柵 傳感器的應用是一個方興未艾的領域，有著非常廣闊的發展前景。 河南機電高等專科學校畢業 設計 /論文 5 第 2 章 光纖光柵傳感理論 光纖光柵的基本原理 光纖光柵的基本光學性能 光纖光柵是利用光纖材料的 光敏性（外界入射光子和纖芯內鍺離子相互作用引起折射 率的永久性的變化），即當激光通過增敏過的光纖時，光纖纖芯的折射率將隨激光光強的空間分布發生相應的變化，其變化的大小與光強成線性關系，并且能夠永久的保存下來。根據制作方法的不同，不同的曝光條件，不同類型的光纖可以產生多種不同折射率分布的光纖光柵 。 圖 21 光纖布拉格光柵的基本結構及折射率分布 圖 21 是光纖布拉格光柵的基本結構原理及折射率分布，它是一種性能優異的窄帶反射 濾波無源器件。當一束光經過光纖布拉格光柵時，滿足布拉格光柵波長條件的就會被反射回來，為滿足布拉格光柵波長條件的光波就會透射過去。 對于光纖光柵來說，其基本光學參數對于我們研究光纖傳感來說是非常重要的。光纖光柵的基本光學參數有：反射率、透射率、光柵方程、反射帶寬等。利用耦合模理論對周期性光柵進行分析，可得到光纖光柵的反射率 R 和透 射率 T 的表達式如下： R= 當 (21) R= 當 (22) T= (23) 河南機電高等專科學校畢業 設計 /論文 6 在上式中， L 是光柵的長度， K 為耦合系數， 為模傳播常數， ， 為光柵周期， 為等效折射率， 為自由空間工作波長， P為一個整數。 S= （ 24） Q= （ 25） 當波長匹配時，即 =0 時， R 取最大值，對于一階場， P=1， = （ 26） 對于單模光纖為 = [ ]= [ ] (27) 由波長匹配條件 可以推出布拉格方程 =2 （ 28） 再由反射帶寬的定義： R（ ） = R（ ）可以求出 兩個 的值，并進一步給出 Bragg 反射半值帶寬 = （ 29） 上面我們給出了光纖 Bragg 光柵的反射率 R， Bragg 波長 和線寬 等幾個重要參數，這些參數對于光柵的制作及其應用都有重要的意義。從式中我們可以看到，光柵的長度 L 的改變、折射率變化 ，以及光纖光柵中心波長 都能引起反射率和 線寬的變化，這對光纖光柵的調制提供了重要的依據。 光纖光柵的傳感原理 當光纖光柵所處環境的溫度、應力發生變化的時候，光柵的纖芯折射率以及光柵的周期也都會相應的發生變化，從而由光纖光柵反射回的波長就會有一個偏移河南機電高等專科學校畢業 設計 /論文 7 量，影響反射波的波長。所以，我們可以通過測量反射波長的偏移量就可以間接的測量引起波長偏移的物理量，如利用光纖光柵可以測得光纖光柵所處環境的溫度的變化，應力的變化等。 在光纖的基本光學性能里面已經得到，對其進行求導，可以得出： = + (210) 其微分形式為： =2 +2 (211) 從（ 110）和（ 211）式可以看出光柵布拉格波長并不是一個常量，而是有一定的偏移量，且反射波長的偏移量 與光纖纖芯的有效折射率 和光柵周期 的變化有關。當光柵受到軸向應力的作用或者溫度的變化影響時， 纖芯有效折射率和光柵的周期都會發生變化。應力作用下的光彈效應導致折射率的變化，從而導致有效折射率發生變化；而當溫度變化時，其產生的光熱效應導致光柵周期發生變化。將耦合波長 看做溫度 T 和應變 的函數，則對和展開長泰勒級數為： （ T ， ） = （ ， ）+2[ + ] T+2[ + ] T+2[ + ]( )+……………… (212) 當 T 和 不是很大時，略去 （ 和（ 以上的高次項以及（ 212）式中的第四項，此項是溫度和應變的關系型，定義 = * ， * 和 = *分別為纖芯的熱膨脹系數，熱光系數和有效彈光系數，則（ 211）式可近似為： （ T， ） =2（ ） +2（ 1 ） = + （ 213） 在式（ 213）中， 為光纖 Bragg 光柵的溫度響應系數， 為光纖 Bragg 光柵的應變響應系數。 首先，將問題先簡單化，不去考慮溫度和應變的交叉敏感，分別考察僅在單一的溫度或應力作用下光纖 Bragg 光柵的傳感特性。 當只受溫度影響時有： = (214) 河南機電高等專科學校畢業 設計 /論文 8 由上式可以知道，溫度 T 的改變 引起的布拉格反射波長 的漂移，漂移量為，這主要是由溫度變化引起的有效折射率的改變引起的，并且 和 成線性關系，因此通過對光纖 Bragg 光柵中心反射波長的移動的檢測就可以確定被測量的值。 同理，忽略溫度的影響，當只受應力影響時有： = （ 215） 由于應力的作用，最終會引起光纖光柵的有效折射率和光柵柵距的變化，從而改變布拉格波長。從（ 215）式中可以看到，其形式和（ 214）式相同，波長的漂移量和應力的變化量也成線性的關系，所以由波長的變化量也可以方便的求出光柵在外界應力作用下產生的應變的值。 綜合考慮，當溫度和應力變的影響同時存在時有： = + （ 216） 由（ 216）式可知，當光纖 Bragg 光柵傳感器所受應力或溫度發生改變時，光柵中心反射波長都會產生相應的移動。當溫度或應變其中一個參量恒定時，波長的移動由應變或溫度的改變引起。但是當兩個參量對不是恒定的值的情況下，就無法確定波長的移動的具體由什么參量的改變引起的，更無法確定參量的改變量大小，這就是光纖 Bragg 光柵傳感器的交叉敏感問題。 光纖光柵的傳感靈敏度 應變靈敏度 當溫度不變時，式 (213)得出，沿 軸向應變 和波長的關系由下式給出 =（ 1 ） （ 217） 對于普通的光纖，其有效折射率 =，在硅介質中，有效彈光系數|。 根據（ 217）得出，光纖在軸向應變作用下布拉格波長的變化為： =（ 1