【摘 要】纖光柵傳感的發(fā)展概述以及研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上介紹了光纖光柵的分類及相應(yīng)傳感器的參數(shù)、制作、應(yīng)用與原理，重點(diǎn)介紹了光纖Bragg光柵傳感和長(zhǎng)周期光纖光柵傳感兩類；其次分析了光纖光柵傳感的解調(diào)、復(fù)用、增敏與封裝等關(guān)鍵技術(shù)，著重對(duì)光纖Bragg光柵的溫度傳感模型和應(yīng)力傳感模型作了初步的探索，通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了光纖Bragg光柵傳感的特點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)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(tǒng)

【關(guān)鍵詞】光纖光柵傳感器 關(guān)鍵技術(shù) 應(yīng)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(fā)展歸功于1978年加拿大的Hill等人在實(shí)驗(yàn)室中制作的世界上第一根光纖光柵，以及1989年美國(guó)的Meltz等人發(fā)明的紫外側(cè)寫入技術(shù)。隨后，1993年Hill與Lemaire分別提出相位掩模成柵技術(shù)和低溫高壓載氫技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)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(yīng)用研究的熱潮。

1.光纖光柵應(yīng)變傳感模型分析的前提假設(shè)

外界應(yīng)力的改變會(huì)引起光纖Bragg光柵波長(zhǎng)的移位。從物理本質(zhì)來(lái)看，引起波長(zhǎng)移位的原因主要包括三個(gè)方面：光纖彈性形變、光纖彈光效應(yīng)及光纖內(nèi)部引起的波導(dǎo)效應(yīng)。為了能得到光纖光柵傳感器更詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)所研究的光纖光柵做以下假設(shè)：

作為傳感元，光纖光柵的結(jié)構(gòu)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(jìn)行紫外曝光，必須去除光纖外包層，以消除它對(duì)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(tài)；其次，對(duì)裸纖結(jié)構(gòu)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(yīng)力范圍內(nèi)為一理想彈性體，遵循Hooke定理，且內(nèi)部不存在切應(yīng)變。只要不接近光纖本身的斷裂極限，該假設(shè)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(qū)仍滿足彈性常數(shù)多重簡(jiǎn)并的特點(diǎn)。

所有應(yīng)力問(wèn)題均為靜應(yīng)力，不考慮應(yīng)力隨時(shí)間變化的的情況。

根據(jù)以上假設(shè)，可以得出單純光纖光柵的應(yīng)變傳感的數(shù)學(xué)模型。

2.光纖光柵溫度傳感器模型分析的前提假設(shè)

外界溫度改變同樣會(huì)引起光纖光柵Bragg波長(zhǎng)的移位。從物理本質(zhì)看，引起波長(zhǎng)移位的原因主要有三個(gè)方面：光纖熱膨脹效應(yīng)、光纖熱光效應(yīng)及光纖內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)。為了能夠得到光纖光柵溫度傳感器更詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)研究的光纖光柵做一下假設(shè)：

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

（2）僅考慮光纖的線性熱膨脹區(qū)，忽略溫度對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響。由于石英材料的軟化點(diǎn)在2700℃左右，所以在常溫范圍內(nèi)完全可以忽略溫度對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響，認(rèn)為熱膨脹系數(shù)在測(cè)量范圍內(nèi)始終保持為常數(shù)。

（3）在1.3～1.5μm的波長(zhǎng)范圍，認(rèn)為熱光效應(yīng)在研究的溫度范圍內(nèi)保持一致，也即光纖折射率溫度系數(shù)保持為常數(shù)。

（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(yīng)。因?yàn)橐话愎饫w光柵的尺寸僅為10mm左右，所以認(rèn)為它處于一均勻溫場(chǎng)并不會(huì)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(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響。

基于以上幾點(diǎn)假設(shè)，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(shè)計(jì)一種光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)：

●溫度范圍為-20℃～80℃；

●測(cè)量精度為±1℃；

●光柵中心波長(zhǎng)為1525～1565nm。

對(duì)于熔融石英光纖，其熱光系數(shù) ，線性熱膨脹系數(shù) 。忽略波導(dǎo)效應(yīng)，將 ， 代入式，可得中心波長(zhǎng)分別為1331nm、1500nm、1550nm的裸光纖光柵的相對(duì)波長(zhǎng)移位與溫度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯?，裸光纖Bragg光柵測(cè)量溫度的線性度比較好，中心波長(zhǎng)越長(zhǎng)，靈敏度相對(duì)越好，測(cè)量也就越精確。但是總的來(lái)說(shuō)，裸光纖Bragg光柵的靈敏度還是比較低的，所以實(shí)際運(yùn)用中比較常用的改進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)一步提高靈敏度，達(dá)到更好的效果。

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入傳感FBG。由FBG反射后形成窄帶光譜，通過(guò)線性濾波器得到兩路出射光功率與波長(zhǎng)有關(guān)的光信號(hào)。光電探測(cè)器PIN將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)采集處理電路提取有用信號(hào)，并由單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。

解調(diào)系統(tǒng)利用線性濾波的光波透過(guò)率變化特性來(lái)鑒別光波長(zhǎng)。在線性濾波器的工作范圍內(nèi)，每一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)透過(guò)率，因此檢測(cè)透過(guò)率便可以反推出波長(zhǎng)信息。因此，通過(guò)測(cè)量?jī)陕吠干涔夤β实谋戎礟1/P2，即可獲得波長(zhǎng)信息Δλ。同時(shí)利用雙光路探測(cè)來(lái)消除光源功率波動(dòng)和溫度變化的影響，用信號(hào)采集處理電路和微控制器運(yùn)算的精度將直接影響解調(diào)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

結(jié)論

光纖光柵傳感已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了光纖Bragg光柵傳感的特點(diǎn)。最后根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種剪刀型機(jī)械結(jié)構(gòu)與線性濾波解調(diào)相結(jié)合的靈敏度顯著提高的光纖光柵溫度傳感器系統(tǒng)。本文通過(guò)對(duì)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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