强度调制型光纤压力传感器系统的稳定性与紫外激光写入光纤布拉格光栅的理论及实验研究

《强度调制型光纤压力传感器系统的稳定性与紫外激光写入光纤布拉格光栅的理论及实验研究》是一部出版的论文，作者是彭伟。

副题名

外文题名

Study on the stability of optic fiber pressure sensor system and theory & experimental study of fiber Bragg grating induced by ultraviolet laser

论文作者

彭伟著

导师

林钧岫教授指导

学科专业

光学工程

学位级别

d 1999n

学位授予单位

大连理工大学

学位授予时间

1999

关键词

光纤压力传感器 光纤传感器 光纤布拉格光栅

馆藏号

唯一标识符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.012002643502

馆藏目录

BSLW 1999 TP212 49\ \ 2100433B

由于布拉格光纤光栅传感器具有以上许多不可替代的优点以及广泛的应用前景,自从横向紫外曝光刻写技术面世以来,布拉格光纤光栅传感器得到了学术界和产业界的广泛关注,在短短的十凡年内得到了飞速发展,针对布拉格光纤光栅智能传感网络的实用化研究和应用已经取得了一些进展，这主要集中在以下几个方面:

布拉格光纤光栅传感器的波长解调技术

光纤光栅传感器经过十余年的研究与发展，至今己经出现了许多波长解调技术。在实验室，波长解调可以用高精度的光谱仪来实现，但是由于光谱仪的价格昂贵，而且体积大，不适于实际应用，所以需要结构紧凑，成本低的解调系统。具体解决方案主要包括宽带光滤波法可调谐窄带滤波器法，光干涉法，激光器扫描法。成像光谱分析法等。这些方法有着不同的分辨率和动态范围，针对不同的应用选择相应的解调方案，可以很好的适用于各种实际应用。

1)宽带光滤波法

该方法通过宽带光源发出的宽带光:经隔离器，3DB锅合器后，到传感光栅反射滤波，反射回窄带光，再经过宽带滤波器(WDM祸合器)，由于宽带滤波器的滤波特性与波卜轰有关，则反射光经滤波后探测到的能量与波长有关，再通过相应的电子信号处理就能检测出FBG中心波长的偏移量。这种方案实现简单，但是精度比较低，波长分辨率大概10pm左右。

2)可调谐窄带滤波器法

该方法中，由LED发出的宽带光，经祸合器到达FBG传感器阵列，到达FBG反射回来的窄带光再经可调谐F-P滤波器滤波，当传感FBG的中心波长与F-P滤波器透射中心彼长一致时，透射光能量最大，通过动态调谐F-P滤波器的透射波长来动态“跟踪7T传感光栅的中心波长，就可以实现中心波长偏移量的解调。这种解调方案精度较高，由于工作在波长扫描方式，那么只要扫描范围足够大，就很容易在一根光纤上复用多个FBG，但这种方案的扫描频率不是很高，不适合高速率的动态传感。

3)光干涉检测法

该方法检测光纤光栅传感器波长移动是通过一非平衡光纤Mach一Zehnder干涉仪来实现的。宽带光源发出的光经过祸合器入射到传感FBG上，被FBG反射的光再通过藕合器直接通入非平衡的Mach-Zehnder干涉仪。这样，被FBG反射的这部分光就有效地转化为干涉仪的入射光源，由传感光纤光栅扰动引入的波长移动也就成为此光源的波长(光频率)调制信号。由于干涉仪输出的相位对非平衡千涉仪的输入波长存在着固有的依赖关系，布拉格彼长的移动就转换为相位的变化，再通过检a}n}干涉仪输出光的相位的变化就可以得到布拉格波长的移动情况。

4)可调谐扫描激光器法

可调谐扫描激光器法主要是通过可调谐激光器的波长可调谐性来动态跟踪传感FBG的中心波长。

5)CCD成像光谱分析法

在CCD成像光谱解调系统中，波长分到提通过个色散元件叻口棱镜或光栅)来实现的，色散元件把波长转变为CCD探测器阵列的像元位置，这样就把测量光谱线的问题转化为判断光斑所在像元的问题。通常由于FBG的光谱中心分布在几个相令巧的像元上，所以要准确检测中心波长的位置，还必须采用相应的算法来实现。CCD成像光谱法有才民大的局限性，即实用的CCD波长响应范围在900nm以下，所以只能对中心波长在900nm以下的光栅传感器解调。

1978年加拿大握太华通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏性,并采用驻波法制成世界上第一只光纤光栅。但是由于这种刻写方法的效率很低且灵活性差,在光纤光敏性被发现后的十年内未引起很大的注意。直到1989年,美国联合技术研究中心的GMetlz等人利用高强度的紫外激光所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光来产生光纤纤芯中的折射率调制,即形成光纤光栅。这种刻写方法效率高,且灵活性好,可以刻写不同周期的光纤光栅。横向写入法的发明使光纤光栅技术取得了突破性的进展,此后的十多年里,光纤光栅一直是光纤通信和光纤传感领域的研究热点之一。

布拉格光纤光栅可以作为一种光纤传感器,它和光纤传感器一样,与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点,如:不受电磁干扰,重量轻,体积小,不受腐蚀等。且由于它是波长编码的,使得它与传统的光纤传感器相比,又有许多优点,如:精度不受光源强度影响,受环境影响小,更加容易复用和实现分布式传感等。利用光纤布拉格光栅传感系统复用能力强,重量轻,体积小等优点,埋入监测材料中可以方便地实现准分布式测量,因而是最有希望的智能传感网络技术。

光纤光栅传感器的应用范围非常广,民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用的一个热点,在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全的温度及应变监测。基础结构的状态,力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的,通过测量建筑物的分布应变,可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面,也可以在浇筑的时候埋入结构中对结构进行实时测量,监视结构缺陷的形成和生长。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行准分布式检测,传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中,光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。

航空航天业是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等,所需要使用的传感器超过100个,因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器具有体积小,重量轻,灵敏度高等优点,将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中,组成准分布式智能传感网络,可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。

布拉格光纤光栅传感器能够为现代船舶的操作提供瞬时的和丰富的传感信息,进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损伤评估来保证船舶的安全。现代船用传感器中多达90%是压力或温度传感器,通过选择适当的封装和衬底材料可以将光纤光栅应变传感器转变成温度和压力传感器,利用波分和时分复用原理,一个探测系统的光纤光栅传感器数量可以多达数万个,从而适应不断增加的舰载控制系统的复杂性,并有效的降低传感系统的成本。

电力工业中的设备大都处在强电磁场中,一般电学传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中,如高压开关的在线监测,高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量,这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件,光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方,如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站,使用准分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。

小尺寸的传感器在医学应用中是非常有意义的,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的光纤传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量,提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小,足以避免对正常医疗过程的干扰。

核工业存在高辐射,核泄漏对人类是一个极大的威胁,因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装置的老化,需要更多的维护和修理,最终必须被拆除,所有这些都不能在设计时预见,因此需要更多的传感器以便遥控设备,处理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要,需要有监测网络来监视核废料站的状况,对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的,而光纤光栅传感网络可以满足这些要求。

除了以上应用外,光纤光栅传感器在其他方面也有许多应用,例如:

(1)加速度计可用于很多工程的测量,如振动、入射角、事件记录、平台稳定性、车辆暂停控制、地震监测、以及起搏器控制等,用光纤光栅传感器制作的加速度计表现出良好的性能。

(2)用光纤光栅制作的水声器用来测量水下声场,可以实现很好线性响应、高灵敏度、高稳定性、宽的动态范围(90dB)和宽的操作频率范围(从凡kHz到凡MH)z。

(3)用光纤光栅制作的机械工具系统结构形变监测传感器,可以探测到实用结构微米量级的形变,其误差为0.4%。

提出一种以场和路的结合为基本特征的电磁场工程化方法，对光纤光栅和变周期介质结构的传输和辐射特性作系统和深入的研究；为光纤系统和毫米波集成电路中有关周期结构和精确设计提供必要的指导原则和理论基础。与香港合作伙伴共同研制根据脉冲压缩体制，利用各类光纤光栅构成的新型光弧子高功率脉冲激光源样品，供宽频带高速率通信系统实验使用。