光纤光栅传感器的性能分析与应用探索

【摘 要】纤光栅传感的发展概述以及研究现状，在此基础上介绍了光纤光栅的分类及相应传感器的参数、制作、应用与原理，重点介绍了光纤Bragg光栅传感和长周期光纤光栅传感两类；其次分析了光纤光栅传感的解调、复用、增敏与封装等关键技术，着重对光纤Bragg光栅的温度传感模型和应力传感模型作了初步的探索，通过MATLAB进行仿真实验，进一步验证了光纤Bragg光栅传感的特点，并根据实际需要，设计了一种改良后灵敏度显著提高的光纤光栅温度传感器系统

【关键词】光纤光栅传感器 关键技术 应用探索

光纤光栅是一种新型的光子器件，它在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。

光纤光栅的研究与发展归功于1978年加拿大的Hill等人在实验室中制作的世界上第一根光纤光栅，以及1989年美国的Meltz等人发明的紫外侧写入技术。随后，1993年Hill与Lemaire分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大地降低了光纤光栅的制作成本，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热潮。

1.光纤光栅应变传感模型分析的前提假设

外界应力的改变会引起光纤Bragg光栅波长的移位。从物理本质来看，引起波长移位的原因主要包括三个方面：光纤弹性形变、光纤弹光效应及光纤内部引起的波导效应。为了能得到光纤光栅传感器更详细的数学模型，对所研究的光纤光栅做以下假设：

作为传感元，光纤光栅的结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所有外包层的影响。从光纤光栅的制作工艺可知，要进行紫外曝光，必须去除光纤外包层，以消除它对紫外光的吸收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构的分析更直接地反映了公式本身的传感特性，而不至于被其他因素所干扰。

由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循Hooke定理，且内部不存在切应变。只要不接近光纤本身的断裂极限，该假设是成立的。

紫外光引起的光敏折射率变化在光纤截面上均匀分布，且这种光致折变不影响光纤自身各向同性的特性，即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。

所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间变化的的情况。

根据以上假设，可以得出单纯光纤光栅的应变传感的数学模型。

2.光纤光栅温度传感器模型分析的前提假设

外界温度改变同样会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能够得到光纤光栅温度传感器更详细的数学模型，对研究的光纤光栅做一下假设：

（1）仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层及被层物体由于热效应而引发的其他物理过程。很自然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层（如弹性塑料包层、金属包层等）不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生不同的影响。

（2）仅考虑光纤的线性热膨胀区，忽略温度对热膨胀系数的影响。由于石英材料的软化点在2700℃左右，所以在常温范围内完全可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。

（3）在1.3～1.5μm的波长范围，认为热光效应在研究的温度范围内保持一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。

（4）仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温度效应。因为一般光纤光栅的尺寸仅为10mm左右，所以认为它处于一均匀温场并不会引起较显著的误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力的影响。

基于以上几点假设，可以得出单纯光纤光栅的温度传感模型。

3.光纤光栅温度传感器的仿真

设计一种光纤光栅温度传感系统：

温度范围为-20℃～80℃；

测量精度为±1℃；

光栅中心波长为1525～1565nm。

对于熔融石英光纤，其热光系数 ，线性热膨胀系数 。忽略波导效应，将 ， 代入式，可得中心波长分别为1331nm、1500nm、1550nm的裸光纤光栅的相对波长移位与温度变化的对应关系。可以看出，裸光纤Bragg光栅测量温度的线性度比较好，中心波长越长，灵敏度相对越好，测量也就越精确。但是总的来说，裸光纤Bragg光栅的灵敏度还是比较低的，所以实际运用中比较常用的改进方法就是将光纤光栅粘贴在温度灵敏度比较大的基底材料上，或者采用带有机械结构的光纤光栅温度传感器进一步提高灵敏度，达到更好的效果。

宽带光源发出的光经3dB耦合器进入传感FBG。由FBG反射后形成窄带光谱，通过线性滤波器得到两路出射光功率与波长有关的光信号。光电探测器PIN将其转换为电信号，进入信号采集处理电路提取有用信号，并由单片机控制系统实现数据采集与数据处理。

解调系统利用线性滤波的光波透过率变化特性来鉴别光波长。在线性滤波器的工作范围内，每一个波长对应一个透过率，因此检测透过率便可以反推出波长信息。因此，通过测量两路透射光功率的比值P1/P2，即可获得波长信息Δλ。同时利用双光路探测来消除光源功率波动和温度变化的影响，用信号采集处理电路和微控制器运算的精度将直接影响解调系统的检测精度。

结论

光纤光栅传感已被国内外公认为是最具有发展前途的高新技术之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。通过MATLAB进行仿真实验，进一步验证了光纤Bragg光栅传感的特点。最后根据实际需要，设计了一种剪刀型机械结构与线性滤波解调相结合的灵敏度显著提高的光纤光栅温度传感器系统。本文通过对基于光纤光栅的光传感器的研究，基本完成了其研究目的。

【参考文献】

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