基于光纖布拉格光柵的實時測溫系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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。 畢業設計 /論文 6 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。 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。 如圖 21和 22 所示。 圖 21 光纖布拉格光柵的基本結構 圖 22 光纖布拉格光柵的折射率分布 n ffne n1(z) L/2 L/2 O 入射光波 入射光波的特征參量 折射變化部分 透射光 畢業設計 /論文 7 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： )()( )( 2222sLchssLsh sLshKR ?? ?? （ 21） 當 22 ???K )()( 222 22 QLchK sLshKR ?? ?? （ 22） 當 22 ???K )()( 2222QLchKSsLsh RR ?? ?? （ 23） 在上式中， L 是光柵的長度， K 為耦合系數， ??? ? /2 fn? 為模傳播常數， /^???? p?? ， ? 為光柵周期， efn 為等效折射率， ? 為自由空間工作波長 P 為一個整數 2/122 )( ???? KS （ 24） 2/122 )( KQ ?? ?? （ 25） 當波長匹配時，即 ?? =0 時， R取最大值，對于一階場， P=1， )(tanh 2m ax KLR ? （ 26） 對于單模光纖為 ][t an h]2[t an h 22m a x ???? nln ef fnlR ????? （ 27） 由波長匹配條件 ， 可以推出布拉格方程 effB n2?? （ 28） 再由反射帶寬的定義： )(21),(,LRLR B?? ?可以求出兩個 ? 的值，并進一步給出Bragg 反射半值帶寬 畢業設計 /論文 8 22 ????????????????? ?? ??? n nL (29) 上面我們給出了光纖 Bragg 光柵的反射率 RR ， Bragg 波長 B? 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 n? ，以及光纖光柵中心波長 B? 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： ??? ??? dndnd eff (210) 其微分形式為： ??????? effeff nn 22? (211) 從（ 210）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 efn 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 B? 看做溫度 T 和應變 ? 的函數，則對和展開 長泰勒級數為： ),(),( 00 ??? TT BB ?? + TTnTn efef ??????? ????? ??2 + ???????? ??????? Tznzn efef2Tznzn efef ??????? ????? ?? 222 ……………… (212) 當 ? T 和 ?? 不是很大時，略去 ? ?2T? 和 ? ?2?? 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， 畢業設計 /論文 9 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： B?? ),( ?T = Tneff???? ）（ ?2 + )1(2 eP? ） ???effn = TK T? + ???K （ 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 TKT??? ?? (214) 由上式可以知道，溫度 T 的改變 ? T 引起的布拉格反射波長 B? 的漂移，漂移量為 B?? ，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 B?? 和 ? T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： B?? = ???K （ 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： B?? = TK T? + ???K （ 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 22 ?????? ???????? ??? ?? ??? n nL （ 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 ： 畢業設計 /論文 10 22 ?????? ???????? ??? ?? ??? n nL （ 218） 所以，對于中心波長 1550nm 波段，其該變量 為 ??? /103 nm? 。 溫度靈敏度 與應變靈敏度相同，式（ 213）得出，當應變不變時，光纖在溫度變化的作用下的布拉格波長的變化程度為 ： B?? = ???K （ 219） 對于多種光纖，當溫度在 20~150 攝氏度之間變化時 , ~ ???? /度于是，對于 B? =1550nm 波段 nmsT ??? /度。 光纖光柵的中心波長隨溫度及應變的變化而變化，在光通信領域中，這成為光纖光柵應用的 難題之一，而在光纖傳感領域，它又成為必要的技術基礎。 畢業設計 /論文 11 第 3 章 光纖光柵解調方法 光纖光柵的解調概念 在光纖光柵傳感技術中，解調過程與傳感過程正好相反，解調的過程其實就是信號檢測的過程，光纖光柵解調技術是研究從己被調制的光信號中還原出原解調信號的技術， 還原出的信號與被測信號成一定的比例，當被測量變化時，由光纖光柵反射的光波波長也會發生相應的移動，并且根據第二章的推導可知反射波長的移動量與被測量的變化量呈線性關系。若想要實現多點測量，我們可以利用時分復用技術、波分復用技術或空間復用技術組成光纖光柵傳感網絡的方法可以實現。在實際應用中，我們測得的被測量的精度越高越好，所以如何高測量光纖光柵的反射波長移動量的精度就成了我們研究光纖光柵傳感器的關鍵問題。研究開發體積小、成本低、精度高的解調系統是使光纖光柵傳感器能夠在實際工程應用中得到推廣的關鍵問題。為了促使光纖 光柵傳感器的發展，使其滿足實用化的要求，人們對光纖光柵的波長編碼信號進行解調是實現光纖光柵傳感實用得到關鍵。由于光纖光柵所測量的是由光柵反射的光的反射波長，所以，對反射波長移位的檢測精度就直接決定了整個系統的檢測精度。因此，光纖光柵傳感系統中應有某些檢測裝置使得可以精密的檢測波長或者波長的偏移量。下面是幾種目前比較成熟的解調技術的介紹。 光纖光纖傳感系統解調方法介紹 光譜儀檢測法 光譜儀檢測法是一種最直接的波長位移檢測方法，這種測量方法的優點就是結構簡單，適用于實驗室使用。但是由于傳統的 色散掕鏡或者衍射光柵為基礎的光譜儀的分辨率較低，所以造成了測量反射波波長的精度不高，無法