光纖光柵傳感器的性能分析與應用探索

【摘 要】纖光柵傳感的發展概述以及研究現狀，在此基礎上介紹了光纖光柵的分類及相應傳感器的參數、制作、應用與原理，重點介紹了光纖Bragg光柵傳感和長周期光纖光柵傳感兩類；其次分析了光纖光柵傳感的解調、復用、增敏與封裝等關鍵技術，著重對光纖Bragg光柵的溫度傳感模型和應力傳感模型作了初步的探索，通過MATLAB進行仿真實驗，進一步驗證了光纖Bragg光柵傳感的特點，并根據實際需要，設計了一種改良后靈敏度顯著提高的光纖光柵溫度傳感器系統

【關鍵詞】光纖光柵傳感器 關鍵技術 應用探索

光纖光柵是一種新型的光子器件，它在光纖中建立起的一種空間周期性的折射率分布，可以改變和控制光在光纖中的傳播行為。

光纖光柵的研究與發展歸功于1978年加拿大的Hill等人在實驗室中制作的世界上第一根光纖光柵，以及1989年美國的Meltz等人發明的紫外側寫入技術。隨后，1993年Hill與Lemaire分別提出相位掩模成柵技術和低溫高壓載氫技術。這兩項技術相結合極大地降低了光纖光柵的制作成本，從而在世界各地掀起了基于光纖光柵應用研究的熱潮。

1.光纖光柵應變傳感模型分析的前提假設

外界應力的改變會引起光纖Bragg光柵波長的移位。從物理本質來看，引起波長移位的原因主要包括三個方面：光纖彈性形變、光纖彈光效應及光纖內部引起的波導效應。為了能得到光纖光柵傳感器更詳細的數學模型，對所研究的光纖光柵做以下假設：

作為傳感元，光纖光柵的結構僅包含纖芯和包層兩層，忽略所有外包層的影響。從光纖光柵的制作工藝可知，要進行紫外曝光，必須去除光纖外包層，以消除它對紫外光的吸收作用，所以直接獲得的光纖光柵本身就處于裸纖狀態；其次，對裸纖結構的分析更直接地反映了公式本身的傳感特性，而不至于被其他因素所干擾。

由石英材料制成的光纖光柵在所研究的應力范圍內為一理想彈性體，遵循Hooke定理，且內部不存在切應變。只要不接近光纖本身的斷裂極限，該假設是成立的。

紫外光引起的光敏折射率變化在光纖截面上均勻分布，且這種光致折變不影響光纖自身各向同性的特性，即光纖光柵區仍滿足彈性常數多重簡并的特點。

所有應力問題均為靜應力，不考慮應力隨時間變化的的情況。

根據以上假設，可以得出單純光纖光柵的應變傳感的數學模型。

2.光纖光柵溫度傳感器模型分析的前提假設

外界溫度改變同樣會引起光纖光柵Bragg波長的移位。從物理本質看，引起波長移位的原因主要有三個方面：光纖熱膨脹效應、光纖熱光效應及光纖內部熱應力引起的彈光效應。為了能夠得到光纖光柵溫度傳感器更詳細的數學模型，對研究的光纖光柵做一下假設：

（1）僅研究光纖自身各種熱效應，忽略外包層及被層物體由于熱效應而引發的其他物理過程。很自然，熱效應與材料本身密切相關，不同的外包層（如彈性塑料包層、金屬包層等）不同的被測物體經歷同樣的溫度變化將對光柵產生不同的影響。

（2）僅考慮光纖的線性熱膨脹區，忽略溫度對熱膨脹系數的影響。由于石英材料的軟化點在2700℃左右，所以在常溫范圍內完全可以忽略溫度對熱膨脹系數的影響，認為熱膨脹系數在測量范圍內始終保持為常數。

（3）在1.3～1.5μm的波長范圍，認為熱光效應在研究的溫度范圍內保持一致，也即光纖折射率溫度系數保持為常數。

（4）僅研究溫度均勻分布情況，忽略光纖光柵不同位置之間的溫度效應。因為一般光纖光柵的尺寸僅為10mm左右，所以認為它處于一均勻溫場并不會引起較顯著的誤差，這樣就可以忽略由于光柵不同位置之間的溫差而產生的熱應力的影響。

基于以上幾點假設，可以得出單純光纖光柵的溫度傳感模型。

3.光纖光柵溫度傳感器的仿真

設計一種光纖光柵溫度傳感系統：

●溫度范圍為-20℃～80℃；

●測量精度為±1℃；

●光柵中心波長為1525～1565nm。

對于熔融石英光纖，其熱光系數 ，線性熱膨脹系數 。忽略波導效應，將 ， 代入式，可得中心波長分別為1331nm、1500nm、1550nm的裸光纖光柵的相對波長移位與溫度變化的對應關系。可以看出，裸光纖Bragg光柵測量溫度的線性度比較好，中心波長越長，靈敏度相對越好，測量也就越精確。但是總的來說，裸光纖Bragg光柵的靈敏度還是比較低的，所以實際運用中比較常用的改進方法就是將光纖光柵粘貼在溫度靈敏度比較大的基底材料上，或者采用帶有機械結構的光纖光柵溫度傳感器進一步提高靈敏度，達到更好的效果。

寬帶光源發出的光經3dB耦合器進入傳感FBG。由FBG反射后形成窄帶光譜，通過線性濾波器得到兩路出射光功率與波長有關的光信號。光電探測器PIN將其轉換為電信號，進入信號采集處理電路提取有用信號，并由單片機控制系統實現數據采集與數據處理。

解調系統利用線性濾波的光波透過率變化特性來鑒別光波長。在線性濾波器的工作范圍內，每一個波長對應一個透過率，因此檢測透過率便可以反推出波長信息。因此，通過測量兩路透射光功率的比值P1/P2，即可獲得波長信息Δλ。同時利用雙光路探測來消除光源功率波動和溫度變化的影響，用信號采集處理電路和微控制器運算的精度將直接影響解調系統的檢測精度。

結論

光纖光柵傳感已被國內外公認為是最具有發展前途的高新技術之一，它以技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。通過MATLAB進行仿真實驗，進一步驗證了光纖Bragg光柵傳感的特點。最后根據實際需要，設計了一種剪刀型機械結構與線性濾波解調相結合的靈敏度顯著提高的光纖光柵溫度傳感器系統。本文通過對基于光纖光柵的光傳感器的研究，基本完成了其研究目的。

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