光纤压力传感技术调查报告

摘要 阐述了光纤压力传感技术的基本原理及其特点。列举了几项光纤压力传感的应用领域及发展状况，并最后进行了小结。

关键词 光纤压力传感 光纤理论 光纤光栅 技术发展趋势

1引言

随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术成为一个热门的研究方向且发展迅速。当光在光纤中传输时，由于外界压力的作用，光的强度、相位、频率、偏振态等参量发生变化，这就形成了光纤压力传感器。与传统的电量传感器相比，光纤压力传感器具有适应性强，抗电磁干扰，传输距离长，使用寿命长，结构小巧等优点，因此光纤压力传感器在各行业受到了高度重视。按照压力对传输光的调制方法进行分类，可分为强度调制型、频率调制型、相位调制型、波长调制型及偏振调制型[1]。目前整个光纤传感器市场年成交额超过10亿美金，并预计将于20xx年拥有超过50亿美金的市场，光纤压力传感器也会随之得到很大发展[2]。

2光纤压力传感器的基本原理

19xx年7月，英籍华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，光纤原理如图1所示，这一突破性的论述拉开了光纤通信的序幕，而光纤通信传感技术也在光纤发展的基础上快速发展。光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组成。其基本原理是将光源的光经人射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生化学变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送人光探测器、解调器而获得被测参数。

根据光纤在测试系统中的应用，光纤压力传感器可分为功能型光纤压力传感器和非功能型光纤压力传感器两种，如图2。功能型光纤压力传感器是在外界压力作用下对光纤自身的某些光学特性(强度，相位等)进行调制，调制区在光纤之内，光纤同时具有“感知”和“传输”两种功能，因此又称为内调制光纤压力传感器或者传感型光纤压力传感器。非功能型光纤压力传感器是借助其他光学敏感元件来完成传感功能，调制区在光纤之外，光纤在系统中只起传输作用，因此称之为外调制光纤压力传感器，或者传光型光纤压力传感器[3]。

图1光纤原理 图2光纤传感器基本形式 图3光纤压力传感器基本形式

3光纤压力传感器的基本类型

目前最常用的微弯式压力传感器原理图如图3所示，微弯结构由一对机械周期为山的齿形板组成，敏感光纤从齿形板中间穿过，在齿形板的作用力F下产生周期性的弯曲。当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度随之变化，从而导致输出光功率的改变，通过光检测器检测到的光功率化来间接地测量外部压力的大小。根据微弯损耗机理和模式耦合理论[4]，若纤芯中的传播常数β1与包层中的传播常数β2满足条件：β1-β2和=±2π/A。纤芯和包层的耦合达到最强(A为微弯结构的机械周期)。通过对光载波强度的检测，就能够确定与之成比例的变形器的位移，并确定压力的大小。检测方法分为亮场和暗场两种[5]。这种传感器结构简单，容易装配，造价低，常用于易燃易爆环境中气体和液体的压力的实时检测，缺点是传感器的微弯结构周期要求严格，因此机械设计相当复杂，另外加速度效应也会使其性能恶化。为克服这些缺点，Nicholas Lagakos等设计了一个改进的光纤微弯压力传感器，应用于水声传感[3]。

4光纤压力传感器的领域应用举例

4.1 新型光纤Bragg光栅微型压力传感器

武汉理工大学的何伟等介绍了一种新型的光纤Bragg光栅微型压力传感器[6]，这种压力传感器采用特殊的结构将作用在光纤横向的压力转换成沿光纤轴向的张力，从而实现对光纤横向压力的高灵敏度测量，传感器对横向压力的灵敏度可达到-4.55×10-3／MPa，比国外同类研究成果高出3个数量级。同时，该微型压力传感器的横向尺寸可做到几百个微米，因此，可以置于很小的空间中对压力进行测量，在工业和军事领域具有广泛的应用前景。

利用该压力传感器进行了压力实验研究，实验装置如图4，光源发出的光经过分路器入射到FBG上，其反射光经过分路器的另一个分路端口进入光谱仪，测量光栅中心波长的变化。

图4 FBG的横向压力测量装置 图5传感器结构图

4.2新型光纤油井井下压力传感器

山东省科学院激光研究所的吕京生等介绍了一种新型光纤油井井下压力传感器[7]。我们都知道，井下的温度和压力是直接影响石油采收率的重要因素。文中介绍了一种光纤光栅油井井下压力传感器，该传感器的量程大于50MPa，长期工作温度为-20~170℃，测量精度达到0.5％FS，经增敏后光纤光栅的压力系数为41.92pm／MPa。而且本传感器可对油井井下的温度及压力长时间实时在线远距离监测。另外还具有结构简单、测量精度高、易于组网、本质安全等优点。在中国海油天津实验井实现了成功测井，突破了国内油井井下压力传感器的实验室研究界限，对油田提高采收率具有重

要的意义。

利用FBG的反射波长对应变敏感的原理可以设计油井用的压力传感器，传感器结构图如图5所示，其中的直管为特种材料的压力增敏管，在传感器的套筒设计上采用了温度补偿的措施，在传感器的封装过程中将压力光栅预拉，在传感器受压的情况下，光栅的波长向短波方向漂移，为了消除温度的影响，在传感器设计中引入了光栅串进行温度补偿。

4.3压力式光纤液位传感器

与传统的液位传感器相比。光纤液位传感器具有如下优点：(1)耐高温高压、抗电磁干扰、抗环境噪声、抗电气绝缘性好，在易燃、易爆环境下安全可靠；(2)频带宽、动态范围广，灵敏度离；(3)便于远距离测量和控制；(4)体积小、质量轻、安装简单、造价低。

西安石油大学张倩等设计了一种压力式光纤液位传感器[8]。液位测量中被测介质种类繁多、介质的物理化学性质极其复杂、现场工作条件恶劣等，因此出现了各种各样的液位传感器．这些液位传感器的测量原理和方法备有其优缺点。图6-8列举了一些流行的光纤压力液位传感器。

图6利用光纤微弯制成的光纤液位传感器 图7光栅反射式光纤液位传感器

图8应力双折射压力式光纤液位传感器

5各种光纤压力传感器在称重领域应用比较

强度调制型光纤压力传感器应用于称重的优点是测量仅从光纤本身出发，利用光纤本身损耗特性，受外界温度等参量的影响小，且解调简单，解调速度较快，能满足高速运动车辆称重的要求；但在称重应用中，该类型传感器因其灵敏度较低(光纤只有弯曲到一定程度损耗才较明显)，且测量用光纤的长度也对测量结果影响较大，测量恢复时间长，不满足连续测量的需要。相位调制型光纤压力传感器用于称重中其相应速度快，精度高，但各种干涉仪普遍具有稳定性差，易受外界干扰等问题，因此将该类型传感器用于称重还是具有一定的实际困难。因波长调制型光纤压力传感器在其他领域的成功应用，故在称重领域的研究中也备受关注，主要集中于光纤光栅压力传感器，其测量

精度高，重复性能好，便于安装，能多点同时测量。与其他类型的光纤压力传感器相比，波长调制型光纤压力传感器的系统成本高，但随着研究人员的普遍关注和光器件技术的发展，将波长调制型光纤压力传感器用于称重领域将成为研究的热点。

6小结

在这个科技迅速发展的时代，光纤传感技术作为高科技的一支也在向前迈进。随着新材料、新器件的研发和制作工艺的不断进步，在未来的将来，光纤压力传感产品的研发潜力巨大。而且，增加国家硬实力和提高国防能力，光纤压力传感系统更是重中之重。光纤压力传感器可能发展趋势有：以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象；集成化光纤压力传感器；多功能全光纤控制系统；开辟新领域。光纤压力传感技术的研发满足国民需求和经济发展导向，具有重大的战略意义。

参考文献：

1杨双收,等.光纤压力传感器在称重领域应用的研究进展[J],压电与声光,2012,10(34),680~683 2廖延彪,黎敏.光纤传感器的今日与发展[J].传感器世界,2004,10(2):6～12

3刘跃辉,等.光纤压力传感器[J].科技资讯,2005,6,124~132.

4良明,孟爱东,张德银,等．基于光纤微弯原理的应变式传感器技术研究[J].传感器世界,1999,5(3)：20～23

5 Nicholas Lagakos, Trott W J. Mierobend fiber-optic sensoras extended hydrophone[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1982,18(10): 633～1 638

6 何伟,等. 新型光纤Bragg光栅微型压力传感器[J].传感器技术. 2004,11(23),83~85

7 吕京生,等.一种新型光纤油井井下压力传感器[J].山东科学. 2011, 4, 47~50

8 张晓莉,等.耐高温压力传感器研究现状与发展[J].传感器与微系统. 2011, 2, 1~4

第二篇：光纤光栅压力传感实验

光纤光栅压力传感实验

摘要

光纤布拉格光栅(FBG)是国际上新兴的一种在光纤通讯、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。当前FBG的制作与应用研究成为世界各国光纤技术研究的热点和重点。光纤布拉格光栅传感器是利用Bragg波长对温度、应变的敏感特性制成的一种新型光纤传感器，它具有抗电磁干扰、精度高、长期稳定性好、能多点分布检测等优点，在大型复合材料和混凝土的结构监测、智能材料的性能监测、电力工业、医药和化工等领域有着广阔的应用前景。对压力的测量是光纤光栅传感器的重要应用之一。研究表明，光纤光栅传感特性稳定，是理想的压力传感元件。经实验证明该光纤光栅压力传感器具有良好的灵敏性、线性和重复性，且有比较快的响应速度。本文对光纤光栅压力传感技术进行了研究。

关键词  光纤布拉格光栅；压力；传感器

Optical fiber Bragg grating sensor experiment pressure

Abstract  

The Fiber Bragg Grating(FBG) is a new fiber-optical device, and is widespread used in fiber-optic communications ,fiber sensing, and so on. At present, the fabrication and application of FBG is the focus and priority of fiber-optical technology studies in the world. Fiber Bragg Grating(FBG) sensor, which uses the property that the Bragg wavelength is sensitive to temperature and strain, is a new kind of fiber optic sensor. In addition to having the same functions as the traditional electric sensors, the FBG sensor also has some special characteristics such as distributed sensing, immune to electromagnetic interference, high precision and long-term stability. So it has widely applicable perspective in many fields such as the structure monitoring of large compound material and concrete, the performance monitoring of the intelligent materials, electrical power industry, medicine industry, chemical engineering etc. Stress measurement is an important kind application of FBG sensing. According to the researches, FBG has stable sensing properties, and it is an ideal kind of stress sensing element. It has been proved by the experiment that the responsibility、linearity and repeatability of the FBG stress sensor are good. Some work done in this paper.

 Keywords  FBG；pressure；sensor

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目录

摘要.... I

Abstract II

第1章 绪论... 1

1.1 课题背景... 1

1.2 光纤传感器... 1

1.3 压力传感器... 6

1.4 光纤布拉格光栅压力传感器发展现状... 7

1.5 论文研究内容... 8

第2章 光纤光栅的传感原理... 9

2.1 光纤光栅的结构... 9

2.2 光纤光栅的成栅方法... 10

2.2.1 横向干涉法... 10

2.2.2 相位掩膜成栅技术... 10

2.2.3 逐点写入法... 11

2.2.4 在线成栅法... 11

2.2.5 光纤刻槽拉伸法... 12

2.2.6 聚焦离子束写入光纤光栅... 12

2.3 光纤布拉格光栅的传感原理... 12

2.3.1 光纤光栅的温度特性... 13

2.3.2 光纤光栅的应力特性... 14

2.3.3 光纤光栅的压力特性... 15

2.4 本章小结... 16

第3章 光纤光栅压力传感实验... 17

3.1 光纤光栅压力传感器的设计要求... 17

3.2 光纤光栅压力传感系统... 17

3.2.1 宽带光源... 17

3.2.2 光耦合器... 17

3.2.3 压力传感器... 18

3.2.4 解调仪... 18

3.3 压力传感器实验原理... 19

3.4 光纤光栅压力传感实验... 19

3.5 本章小结... 21

结论... 22 

致谢... 23

参考文献... 24

附录A英文原文... 25

附录B中文译文... 28

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第1章 绪论

1.1 课题背景

本课题的研究目标是设计一种适用于易燃、易爆和有毒环境下的高精度光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）压力传感系统，使其具备更强的实用能力。为进一步提高测量的精度和灵敏度，保障测量环境的安全及监测可靠性，提供一种新型的结构形式和检测手段。

传感器的应用相当广泛，它是人类生活的触角、视野的延伸，也成为了现代人类科学技术活动的重要基础。国家经济建设、国防建设和高新技术的发展都离不开传感器，而传感器总是要在一定的环境中工作。它的性能的优劣直接影响着人类的各种活动，传感器一旦出现问题不仅给国家带来重大的经济损失和大量的资源与能源的消耗，还会给设备、装备、建筑物及人身安全带来威胁。随着人类触角遍及整个地球以及外太空，传统的传感器已经越来越不能满足人类的要求。本课题所研究的传感器以其简单的结构、较高的精度有望在未来满足一些人类的需求。此传感器目前可以通过对飞机等储油箱的多点测量，来实现对液位的监测。由于此传感器可以做得非常薄，所以它非常适合作为液位传感器来使用。

1.2 光纤传感器

光纤传感器是20世纪70代中期发展起来的一种新型传感器。它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物，与以电为基础的传感器相比有本质的区别。光纤传感器用光而不用电来做为敏感信息的载体，用光纤而不用导线来做为传递敏感信息的介质，因此，它同时具有光纤及光学测量的一些极其宝贵的特点^[1]：

1. 电绝缘：因为光纤本身是电介质，而且敏感元件也可以用电介质材料制作，因此光纤传感器具有良好的电绝缘性，特别适用于高压供电系统及大容量电机的测试。

2. 抗电磁干扰：这是光纤测量及光纤传感器的极其独特的性能特征，因此光纤传感器特别适用于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境中，能解决许多传感器无法解决的问题。

3. 非侵入性：由于传感头可做成电绝缘的，而且其体积可以做得很小

（最小可做到只稍大于光纤得芯径）。因此，它不仅对电磁场是非侵入式的，而且对速度场也是非侵入式的，所以对被测场不产生干扰。这对于弱电磁场及小管道内流速、流量等的监测特别具有实用价值。

4. 高灵敏度：高灵敏度是光学测量的有点之一。利用光作为信息载体的光纤传感器的灵敏度很高。它是某些精密测量与控制的必不可少的工具。

5.容易实现对被测信号的远距离监控：由于光纤的传输损耗很小，因此光纤传感器技术与遥测技术相结合，很容易实现对被测场的远距离监控。这对于工业生产过程的自动控制以及对核辐射、易燃、易爆气体和大气污染等进行监测尤为重要。

以电为基础的传统传感器是一种把被测量的状态转变为可测的电信号的装置，是由电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及传输信息所用金属导线组成。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置，由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件，在这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到我们所期待的被测量^[2]。光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别，传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。光纤系统比类似的电子系统更安全，因为基于电材料的系统不会产生火花，所以光纤传感技术可以应用在常规电子系统不适合的危险地区。光纤传感器还具有其他优点，如可以使用干涉光学技术，以便在不接触的情况下获得极高分辨率的长度遥测，光纤传感器一般不移动，结构紧凑，结实耐用，几何结构灵活，适用多种应用，构建简单，维护费低，可靠性高，并且比一般传统传感器便宜。另外光纤传感器适合与数字系统连接并可以应用多种信号复用方法，如时分、幅度和数字信号编码。  

在光纤传感器技术领域里，可以利用的光学性质和光学现象很多。而且光纤传感器的应用领域极广，从最简单的产品统计到对被测对象的物理、化学或生物等参量进行连续监测控制等，都可采用光纤传感器。光纤传感技术发展很快，仅有十几年的历史，就已研制出了百余种光纤传感器。其分类法可根据光纤在其中的作用、光受被测量调制的形式或根据光纤传感器中对光信号的检测方法之不同来划分^[3]。

（一）根据光纤在传感器中的作用

虽然使用光源传递信息的历史已很长，如几个世纪以来人们就使用灯塔警告航海人，但直到70年代光纤技术或光子学进入通讯工业后，这个领域才真正开始活跃起来。后来光缆传输优点被逐渐认识，因而成为电讯和数据传输系统的首选技术。所以很自然地，当这项技术逐渐成熟时就进入了传感器市场，并且在80年代早期就发展了许多应用光纤技术的新型传感器。新的传感器产品不仅利用了光信号编码传输信息的优点，还利用塑料或硅纤维本身的性质产生能表征被测的外部扰动的光电子学信号，具体地说，光信号被传送到承受外部扰动，如动态负载或温度等的区域，将会对光束的辐度、相位、颜色或偏振态等进行调制，被调制光再由探测器接收和分析，产生描述外部扰动的信息。预计光纤传感器将在10年后占领传感器市场的很广阔的应用范围。

第一类光纤传感器称为外部光纤传感器，它是利用光纤直径很小的特

点。由于光纤只是具有传输作用的系统的被动部件，这类光纤传感器也称非功能型（或称传光型）光纤传感器，其传感功能是利用与光纤无关的现象来实现的，如对光束中断或借助反射光的行为等。光纤在其中仅起导光作用，光照在非光纤型敏感元件上受被测量调制。此类传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低，但灵敏度也较低，适用于对灵敏度要求不太高的场合^[4]。随着光纤技术的发展出现了第二类光纤传感器称为内部传感器，也称为功能型（或全光纤型）光纤传感器，光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高。但是，它须用特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高，其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。

光调制技术的研究已有10多年的历史。按照调制方式分类，光调制可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制等^[5]。所有这些调制过程都可以归结为是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。完成这一过程的器件叫做调制器^[6]。调制器能使载波光波参数随外加信号变化而改变^[7]，这些参数包括光波的强度（振幅）、相位、频率、偏振、波长等。这种承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测系统解调，然后检测出所需要的信息。

目前经常用于智能材料系统中的光纤传感器主要包括干涉型光纤传感器、微弯光纤传感器、黑体光纤传感器、荧光光纤传感器、布拉格光栅光纤传感器、分布式光纤传感器（OTDR，POTDR，OFDR）等。其中干涉型光纤传感器包括迈克耳孙干涉传感器、马赫-曾德尔干涉传感器、萨格纳克干涉传感器、法布里-珀罗干涉传感器、模耦合光纤传感器、偏振光纤传感器、环状共鸣干涉传感器等。早期用于智能材料和结构应变测量的传感器主要为迈克耳孙干涉传感器、马赫-曾德尔干涉传感器。微弯传感器是利用光纤的微弯效应导致光强变化的传感器，微弯传感器属于强度调制，一部分光强由于光纤中传播模式与辐射模式的耦合而散失。微弯传感器对应变很敏感，直径70με的光纤可以有0.02nm的灵敏度，影响灵敏度的因素主要是包层，已经有价格低性能好的微弯传感器被用于损伤监测。目前应用到智能材料和结构中较为普遍的光纤传感器主要有偏振光纤传感器、模耦合光纤传感器、法布里-珀罗干涉传感器、布拉格光栅光纤传感器、分布式光纤传感器等。

1.偏振光纤传感器

当外界因素变化时，光纤的偏振态发生变化，通过检测偏振态的变化，就可以检测各种物理参量，如应变、温度、振动等，这就是偏振光纤传感器的原理。偏振调制主要利用光纤的双折射效应。偏振态光纤传感器具有良好的动态特性，由于传感器系统只使用一个光纤，更加适用于智能材料系统中。同时，对于偏振传感器的温度补偿，可以采用不同光纤45°拼接的方法，避免了烦琐的补偿电路系统。

2.模耦合光纤传感器

模耦合光纤传感器主要指少模光纤传感器，原理是利用一根光纤中传播的两个线偏振模之间的耦合来反映被测量^[8]。在弱波导近似中，单模圆芯光纤可以传播LP₀₁模的两个正交偏振态；在入射光波长略低于单模截止波长并使2.502＜V＜3.832时也可以传播高阶的LP₁₁模的四个简并态。由于LP₀₁,LP₁₁模态间的耦合，光纤的远场图像会呈现两瓣或三瓣的干涉图样，瓣间的能量交换可以测量并用于确定光纤经历的应变、温度等被测量。但经常由于LP₁₁模的四个本征态太容易耦合而导致干涉图样的不稳定，对实际应用造成限制。椭圆芯光纤的出现，很好地解决了这个问题，由于椭圆芯光纤纤芯的不对称性，这样可以保证LP₁₁^odd模不被传导，而只有LP₀₁模与LP₁₁^even模发生耦合，使得干涉图样稳定，从而实现传感功能。输出图样的光强分布由两模的相位差和各自携带的能量决定。少模传感器的优势之一就是结构简单，可以实现全光纤传感安装。少模光纤传感器中最常用的是两模光纤传感器。传感部分使用与光源波长相匹配的两模椭圆芯光纤。为了清除引入、引出段光纤对传感性能的影响，一般要使用另外的引入、引出光纤。引入段要保持光源的偏振态并且只传播单一模态，所以采用单模偏振保持光纤，引出段只传播光强信号，所以采用一般单模光纤。引入、引出段光纤分别与传感光纤的两端相熔接，引出光纤错开熔接，可以起到空间滤波的作用，如可以采用e-core直径80μm、波长633nm的椭圆芯单模偏保光纤为引入光纤，两模光纤为e-core80μm、波长850nm的椭圆芯单模偏保光纤，引出光纤为125μm、波长633nm的圆芯单模光纤^[9]。

与其他干涉型传感器和偏振传感器比较，少模传感器的结构最为简单，而且紧凑坚固。由于是一根光纤中的两个模态之间发生干涉，就省略了许多干涉型传感器所必需的参考臂光纤，这一点在光纤传感器埋于智能结构的应用中尤为重要。而偏振传感器往往离不开偏光器件等块光学器件，这就给实现全光纤传感带来困难。因此从结构上讲少模光纤传感器更适合智能结构应用对传感器的要求，改进的少模传感器还可以同时测量应变与温度。虽然少模传感器的测量精度低于其他干涉型传感器，但明显高于偏振传感器^[10]。

3.法布里-珀罗干涉传感器

法布里-珀罗干涉光纤传感器，简称FPI传感器，其原理为法布里-珀罗干涉现象。FPI光纤传感器通常分为内置式（IFPI）和外置式（EFPI）光纤传感器两种。内置式（IFPI）光纤传感器是在光纤端面镀上金属膜。如喷涂二氧化钛，然后再熔接到一起，从而在光纤内部传感干涉腔。当外界信号导致两个镀膜端面间的传感腔长度发生变化时，通过检测输出的干涉信号，就可以确定外界的传感信号。外置式（EFPI)传感器，是指干涉腔在光纤的外部，一根单模光纤做为引入引出光纤，一段多模光纤做为反射镜，两者在-空心玻璃毛细管中对齐，中间离开一点距离形成法布里-珀罗干涉腔，腔前端的玻璃-空气界面反射的光（参考光）与空腔后端的空气-玻璃界射的光（传感光）在引入、引出光纤中发生干涉，多模光纤的末端一定传入光纤中的光散射掉，防止反射干扰传感信号。当外界应变改变空腔时，引起由单模光纤传出的干涉信号相位改变，通过光电管读出光强信可以同传感信号建立联系。通过相应的解调系统，EFPI传感器还可以绝对应变测量（AEFPI）。针对常规的EF-PI光纤传感器，有很多改进的传感器出现，如将单模引入光纤换成多模光纤，这样可以提高光耦合效使传感器对温度不敏感，可以实现拉伸和压缩测量，并且具有较低的成更容易制造并埋入智能复合材料中^[11]；将引入光纤由1根换成2根，光纤相位相差90°，可以实现两维应变测量^[12]。EFPI光纤传感器由于具高的灵敏度和测量精度，非常适合用于智能材料结构中，经过改进的光纤传感器还可以实现从智能材料结构成型过程的在线监测，到使用过的健康状态监控，是未来智能材料中光纤传感器发展的重要方向。

4.光纤布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅传感器是近几年发展起来的一种准分布式传感器。所谓准分布式光纤传感器是指由多个分散的光纤传感器组成起，实现对整体结构的定点分布测量的传感系统。例如将多个EFPI光感器或偏振光纤传感器组成在一起的准分布干涉型光纤传感器、光纤布光栅传感器等。它的主要缺点是，由于准分布式光纤传感器是由离散的传感器组成，因此只能得到确定地点的光纤传感信号，如果用于结构的监测，必须事先对结构进行力学分析以确定危险地点从而确定传感器置。FBG传感器是在一个光纤内刻制多个折射率成周期性变化的传域，入射光在每个传感区域内反射，反射信号的波长随折射率变化的周折射率的大小而改变。当外界环境导致传感头的应变或温度发生变化时出的波长也发生变化，采用时分复用系统对不同位置布拉格光栅的反射进行解调，就可以确定它们的测量参量，从而实现多位置传感信号的准测量。FBG传感器的精度非常高，具有很好的动态响应特性，可以用力、应变、温度、固化度振动等多种参量的测量，是智能材料系统和结最具应用前景的光纤传感器之一，目前已经实现商业化，存在的主要问传感器的成本较高，同时需要复杂的解调系统，如何制造低成本的FBG感器是其在智能材料领域应用的关键。

5.分布式光纤传感器

分布式光纤传感器是实现智能材料系统和结构分布检测的理想传感器，它可以实现光纤上任何位置的传感参量测量，具有定位功能。其原理是测量外界环境变化所产生的光纤上不同位置的散射，从而确定导致散射的不同测量参量如温度、压力、应变、损伤等。对散射进行分析的技术通常包括光时域反射技术（OTDR）、偏振光时域反射技术（POTDR）、光频域反射技术（OFDR）等。其中OFDR又可以分为相干光频域反射技术（COFDR）和非相干光频域反射技术（IOFDR）。当外界环境发生变化时，如光纤某位置受到压力，就会导致背向瑞利散射光发生变化，检测该变化就可以确定压力的大小，压力发生在不同位置会导致散射光回到接收器的时间不同，据此可以确定压力的位置。OTDR技术已经被广泛地用于通讯领域中，如通讯光缆的损坏检测等。OTDR空间分辨率的提高是发展OTDR技术的关键，目前已经有精度达到20cm的商用OTDR出售^[13]，但价格昂贵，如何降低成本，进一步提高OTDR的精度是在智能材料和结构领域应用这项技术的关键。

1.3 压力传感器

在现代工业生产过程中，压力是进行测量和控制的最基本参数之一，正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性具有重要意义。压力传感器的种类很多，如应变式、电容式、差动变压器、霍尔、压电等传感器都能用来测量压力。工程上常用的几种压力传感器简述如下^[14]：

1.液柱式压力计

液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的。它们一般采用水银或水为工作液，用U型管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的测量。

2.弹性式压力表

弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。它结构简单、价格低廉，现场使用和维修都很方便，又有较宽的压力测量范围，因此在工程中获得了非常广泛的应用。

3.压阻式压力传感器

压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件，是基于压阻效应工作

的。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。该传感器的主要优点是体积小，结构比较简单，动态响应好，灵敏度高，能测出十几Pa

的微压，它是一种比较理想的压力传感器。但是，这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响，从而影响压阻系数的大小。

4.光纤压力传感器

除了上述几种传统的压力传感器外，由于光纤压力传感器适合于易燃、易爆等恶劣环境下使用，可以实现分布式多点压力测量等诸多显著的优点，所以在压力测量和控制过程中，越来越受到科学工作者和工程技术人员的青睐。

1.4 光纤布拉格光栅压力传感器发展现状

基于光纤光栅的诸多优点，其已被广泛应用于监测压力、温度、应力、应变等多点数据的监测拿大多伦多航空研究院光纤灵巧结构实验室和安大略Downsview的 Eleetro Photonies公司将他们研制成功的FBG传感器及其解调系统用于测量1993年建成通车的加拿大 Beddington Trail大桥的应力是世界上第一座采用碳纤维复合材料预应力加强筋的高速公路桥。挪威的D.R.Hjelme等人则使用FBG传感器检测使用新型复合材料制作的1:20的舰艇模型具有很高的抗风浪能力大小为41m×l.02m×0.21m，重217kg。美国国家宇航局(NASA)也计划采用FBG传感器监测用石墨/环氧树脂复合材料制作的航天器液体燃料箱的结构完整性，并已进行了初步试验。国外对光纤光栅传感器的研究已经比较成熟，但是目前只有 Micro Optic公司能够生产出商用的准静态分辨率达到1pm的FBG波长解调仪，但是价格及其昂贵。

国内光纤光栅传感器的研究开发相对国外落后一些，上世纪九十年代初期，清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内尽管进行了大量理论和试验研究，现阶段大部分光纤光栅传感器的研究还只局限在实验室范围，但总的来说，通过十多年的研究和开发，光纤光栅传感技术已得到快速的发展，特别是在光纤光栅传感机理、光纤光栅制备技术、解调技术、信号检测与处理技术方面具备了相当水平的理论基础和一定的技术水准。为了加快我国在这个高新技术领域的发展，国家计委通过“光纤传感技术国家重点工业试验基地”项目的投入，引进了光纤光栅制备系统和多通道光纤光栅解调等相关设备，使我国在传感用光纤光栅的研究方面具备了世界先进水平的物质技术基础，加快了我国在此领域赶超国际技术的步伐。经过几年的努力，在光纤光栅的制备技术、传感技术和解调技术方面，取得了多项成果。特别是在光纤光栅制备技术的研究方面，已取得重要进展，其主要技术指标达到国际先进水平。在光纤光栅设备方面，已成功研制出多点光纤光栅解调的实验装置，但是能应用于商用的解调仪目前国内还是一项空白。

FBG是一种基础性光纤器件，在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景^[18]。FBG是一种波长选择反射器，其反射信号波长(即Bragg波长)，随温度和所施加应变的变化而变化，这种反射波长的变化称之为波长位移。利用FBG对温度和应变的敏感效应，即用FBG作敏感元件，可以传感许多其它物理量^[19]。可见，FBG在传感技术中具有十分广阔的应用前景，尤其是利用FBG轴向应变特性可以测量很多物理量。          1993年，M.G.Xu等人首先对裸FBG的压力传感特性进行了研究发现裸FBG对压力的敏感程度很低，在70MPa高压下，FBG的中心反射波长仅移动了0.22nm，裸FBG的压力灵敏度为-1.98×10^-6MPa^-1。1996年他们又将FBG固定在中空玻璃球中，压力灵敏度提到-2.12×10^-5MPa^-1，使其对压力的敏感度提高了一个数量级，但是这种方法存在FBG在压缩过程中容易损坏的缺点，具有一定的局限性。1998年，刘云启等人利用弹簧管对压力的放大作用，将弹簧管和FBG调谐技术相结合，设计了一种高灵敏度的FBG压力传感器，大大提高了FBG压力测量灵敏度，传感头的压力灵敏度为1.79×10^-4MPa^-1，比裸FBG的压力敏感系数高出两个数量级，但该传感头结构较为复杂，并且其压力测量分辨率仍难以满足实用要求。另外，刘云启等人还利用聚合物封装的方法将FBG的压力灵敏度提高到-6.28×10^-5MPa^-1，这种技术不仅操作简单，而且同时具有压力增敏和保护光栅的双重作用。张颖等人在此基础上，采用增敏罐封装方法，设计了一种新型的FBG压力传感器，其压力敏感系数可达-3.41×10^-3MPa^-1，并且线性度良好，可应用于低压情况下物理量的传感测量，但该方案封装工艺较为复杂。

综上所述，随着FBG传感检测技术的迅速发展，FBG压力传感器的压力敏感系数越来越高，但是，这些方案均存在各自的缺点，离实用化尚有一段距离。

1.5 论文研究内容

1. 介绍光纤光栅和光纤光栅发展状况

2. 简述了光纤光栅及传感技术的基本原理，并介绍了目前在该领域应用的前景。

3. 光纤布拉格光栅为传感基元，搭建基于光纤光栅的压力传感系统，进行压力传感实验。

第2章 光纤光栅的传感原理

2.1 光纤光栅的结构

光纤光栅从本质上讲是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传输限定在纤芯中的模式，耦合到前向或后向传输限定在包层或纤芯中的模式，从而得到特定的透射或反射光谱特性。

光纤光栅可分为两大类：一类是光纤布拉格光栅，也称为反射光栅，属于短周期光栅，周期为几百纳米的数量级。光栅布拉格光栅的作用，相当于一种波长可以选择和带宽可以调节的窄带反射元件。另一类为光纤透射光栅，也称为长周期光纤光栅，光纤透射光栅的周期约为几百微米，其主要作用相当于一个透射特性(透射率、带宽、形状)可以调节的滤波元件。本文所研究的光纤光栅均为光纤布拉格光栅。

光纤布拉格光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型布拉格光栅，其结构如图2-1所示，通过这种工艺方法使外界入射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性(或非周期性)地永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生布拉格光栅效应。其栅格周期与折射率调制深度均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。其栅格周期一般为10²nm量级，折射率调制深度一般为10^-3～10^-5，它具有较窄的反射带宽近似于10^-1nm和较高的反射率近似于100%。

图2-1 光纤光栅结构示意图

2.2 光纤光栅的成栅方法

2.2.1 横向干涉法

利用双光束干涉所产生的干涉条纹对光纤曝光以形成光栅。产生干涉条纹的方法有很多种，全息相干法是最早用于横向写入制作FBG的一种方法，图2-2是其工作装置示意图，其结构类似于马赫曾德尔干涉仪，入射紫外光波长为244nm，经分光镜分成两束，经全反射后相交于光纤上，产生干涉场，形成正弦分布明暗相间的干涉条纹。光纤经过一定的时间，在纤芯内部引起和干涉条纹同样分布的折射率分布的变化，从而在光纤上写入正弦分布的体光栅。这种方法的优点是：(1) 突破纵向驻波法对布拉格中心反射波长限制，使人们可以充分利用各波段。行之有效，操作简单。(2) 采用改变两束光的夹角或旋转光纤放置的方法都可以方便改变中心波，如果将光纤以一定弧度放置于相干场，又可以得到Chirped型光纤光栅。缺点是：(1) 全息相干对光源的空间相干性和时间相干性都有很高要求。(2) 欲得到准确的布拉格中心反射波长，对光路调整有着极高的精度要求。(3) 全息相干法要有一定的曝光时间，这就要求在曝光时间内光路保持良好的防振，以避免波长量级的扰动造成光路错位，恶化相干结果。

图2-2 全息干涉法制作光纤光栅原理图

2.2.2 相位掩膜成栅技术

相位掩膜成栅技术如图2-3所示。这种方法的关键是使用一个相位掩膜器(相位母板)，该掩膜器是一个在石英硅衬底上刻制成周期为的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束刻蚀技术制作。相位掩膜器用来对衍射光束进行分离。理想的相位掩膜器应使相位光栅的零级衍射为零，正负一级衍射最大。这样，当紫外光垂直照射到相位掩膜器上时，在紧靠掩膜器的后面(微米数量级)即得到节距为的光栅衍射图样，从而在位于掩膜器之后的紫外光敏光纤上形成节距为的光纤布拉格光栅。

图2-3 相位母板制作光纤光栅原理图

相位掩膜光栅衍射图样的周期不依赖于入射光，只与相位掩膜的节距有关，因此这种方法对光源的相干性要求很低，从而提高了成栅的效率和光栅的质量。

这种方法的缺点是制作掩膜复杂。用低相干光源和相位板来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩膜与扫描曝光技术结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅极有前途的一种方法。

2.2.3 逐点写入法

这种方法是光束经柱面镜聚焦成细长条后在光纤侧面上曝光，写入光栅条纹。当一个光栅条纹写入后，光纤必须以纳米级的精度移动一个光栅节距。因此，这种方法是逐点写入光栅条纹的。它可用来在拉制光纤过程中，用激光脉冲一个个写入，实现规模化生产，但是这种方法的技术难度很大，对电机的精度和传动机构的精度要求很高。

2.2.4 在线成栅法

这是最新出现的一种成栅方法。南安普敦大学的Ldong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了光纤拉制过程中写入光纤光栅的实验。它是在光纤拉制过程中在探光纤上直接写入光栅。通过对干涉系统中两束干涉光夹角的调节，可在线自动写入反射波长不同的一系列光纤光栅。使用这种方法，制造工艺简单，能连续大批量地制造光纤光栅，提高了光栅性能的稳定性，它的技术关键是要对所使用的准分子激光光束截面进行改进才能满足实用化的要求。

2.2.5 光纤刻槽拉伸法

用精密切割机对光纤进行周期性机械刻槽，用氢气火焰对V型槽区域的光泽进行拉伸退火，熔融玻璃表面应力的影响，以及V型槽一边的光纤的纤芯不平衡等因素，纤芯产生周期性的畸变，导致纤芯折射率的周期性变化。利用此方法已经成功研制成的长周期光纤光栅，具有很好的宽阻带特性(30nm)，可应用于宽阻带滤波器的波分复用系统。这种方法的缺点是机械加工的精度要求较高，目前很少被采用。

2.2.6 聚焦离子束写入光纤光栅

利用聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)可以写入任意的光纤光栅结构，FIB既可以采用研磨方式，也可以采用沉积方式。光栅研磨出的槽离纤芯只有几微米，研磨15个~20个槽即可获得高的反射率，槽数越多反射率越大。研磨方法简单但不易实现，常用的方法是用氟化氢腐蚀掉部分包层后开始研磨，但光纤研磨下来的物质充电沉积在研磨区，将会降低研磨效率，并且由于材料的再沉积，槽的深宽比将被限制在一个较小的值。研磨时间取决于研磨材料和束电流。这种方法的关键是要解决工艺难度，才有可能获得广泛的应用。

2.3 光纤布拉格光栅的传感原理

光纤光栅必须满足相位匹配条件：

                      (2-1)

其中为光栅周期，、为耦合模的传播常数，前向传播为正，后向传播为负，为耦合模之间的传播常数差。根据光栅周期的长短不同，周期性的光纤光栅分为短周期和长周期光纤光栅两类。根据相位匹配条件(2-1)式可知，这时光栅周期很小，一般小于1。这种光栅称为布拉格光栅。本文研究的就是光纤布拉格光栅，它的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，像镜子一样工作，它只反射布拉格中心波长的光，而对所有其它的波长进行传输。根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，产生模式耦合，光纤布拉格光栅只反射满足布拉格条件波长的光，其余波长的光可以无损耗的透过，光波中心波长为：

                         (2-2)

式中为光栅周期，为纤芯的有效折射率。光纤光栅的中心波长会随温度和应变而变化，当光纤光栅受到外部物理场的作用时，如果外部场使得或者发生变化，产生和，导致满足布拉格条件的反射波长发生漂移。由布拉格条件可得：

                    (2-3)

就会导致布拉格波长发生了偏移。利用检测技术将波长的偏移量测出来，就能根据偏移量推得外部场(如应力、应变、温度、位移、电流、电压、振动强度、加速度、流量等)的有关性质，从而实现了光纤光栅传感。

大量实验和理论分析表明，外界参量(如温度、应变等)的改变会对光纤光栅的有效折射率和栅格周期产生影响。

光纤光栅的中心波长随温度及应变的变化而变化，在光通信领域中，这成为光纤光栅应用的难题之一，而在传感领域，它又成为必要的技术基础。

2.3.1 光纤光栅的温度特性

当温度发生变化()时，一方面由于热涨效应使光纤光栅伸长而改变其光栅周期，可以表示成:

                        (2-4)                                                                                                                                                                               

式中为光纤材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，取5.5。

另一方面热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可表示为：

                 (2-5)

式中为光纤的归一化频率。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决于热光效应，它占热漂移量的95%左右，可表示为：

                    (2-6)

称为热光系数，硅纤中。所以温度对光纤光栅波长漂移的总影响为：

                                       (2-7)

2.3.2 光纤光栅的应力特性

当外界有应力作用于光纤光栅上时，一方面使光纤光栅被机械性的拉长而改变其光栅常数，可以表示为：

                          (2-8)

式中为考察点处轴向应变。同时弹光效应使得光纤光栅折射率发生变化：

              (2-9)

(2-8)式两端同时除以可得：

            (2-10)

其中(=1，2)为系数，是比。定义有弹光系数为：               

/2                 (2-11)

硅纤介质中=0.22。所以式(2-10)可以表示为：

                       (2-12)

这两种作用的总贡献为：

               (2-13)

对于石英光纤，可取

                      (2-14)

由可方便地求出外界应力。实际应用中，是很小的量，可以引入应变量的，即作为应变度量单位。

假设温度和应变对光栅波长的影响是相互独立的，我们可以应用光纤布拉格光栅传感器直接对温度和应变进行测量；但是当温度和应变同时发生变化时，我们需要两者都考虑，在这种情况下，光栅的中心波长相对漂移可以表示为：

                 (2-15)

应变量和温度可以和很多物理量联系在一起，如湿度、位移、电磁力、流量、振动、转动等，通过设计各种机敏结构，就可以实现对这些物理量的测量，因此(2-15)式是光纤光栅传感技术的基本理论基础。

2.3.3 光纤光栅的压力特性

当压力变化时，光纤光栅的反射波长也会发生变化，可表示为：

                     (2-16)

又因为                                    (2-17)

                    (2-18)

将(17)(18)代入(16)中得：

                      (2-19)

当光纤光栅受温度、应力和压力这三个物理量同时作用时，总漂移量可表示为：

(2-20)

1.55时应变和温度引起光纤光栅反射波长漂移的典型值分别为1.15pm/和大约13pm/ ，而压力引起的波长漂移典型值为3.13pm/Mpa。可见光纤光栅传感器对压力不太敏感，除非用来测高压或者波长分辨率极高的装置，或者借助某种装置将压力转化为对光纤光栅作用的应力，否则光纤光栅一般不用来测压力，而只用来对温度、应力以及借助某种装置能转化为这两个量作用于光栅的物理量进行传感。

其它物理量无论直接或间接作用于光栅，只要影响光纤光栅栅格间光程，就可以被光纤光栅所感测。

2.4 本章小结

本节介绍了光纤光栅的成栅方法和分类，并着重介绍了光纤布拉格光栅的结构以及它的温度、应力、压力特性。本章首先查阅了相关资料，了解光纤传感器的一些知识，重点讨论了FBG的各方面性能；其次，研究了FBG的光学特性。

第3章 光纤光栅压力传感实验

3.1 光纤光栅压力传感器的设计要求

为满足工程实际应用的要求，在设计光纤光栅压力传感器时要考虑以下几点

1)      传感特性

光纤光栅本身有着优良的传感特性，但传感器的特性与光纤光栅的封装、保护和传感器的结构密切相关。在进行传感器的工艺和结构设计时，要保证优良的传感特性。良好的重复性和线性度是对传感器的基本要求，所以在研究中我们将重点考察这两项特性。

2)工艺性

设计的传感器应尽量做到结构简单，易于加工生产，传感器的各项性能指标要易于控制。

3)使用性能

传感器安装、保护和调试简单、方便，便于实现分布传感和网络集成，满足大型工程结构的现场施工要求。必须给光纤光栅提供足够的保护，所以封装结构要有足够的强度。封装结构必须具备良好的稳定性，以满足长期使用的要求。

只有满足以上几点基本要求，光纤光栅压力传感器才能应用于工程实际。

3.2 光纤光栅压力传感系统

光纤光栅压力传感系统由光源、耦合器、压力传感器和解调仪组成。

3.2.1 宽带光源

实验采用放大自发辐射（ASE）光源。光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器。独特的ATC和APC电路通过控制泵浦激光器的输出保证了输出功率的稳定。通过调节APC，可在一定范围内调节输出功率。简便和智能的操作与远程控制。

基于ASE光源具有的宽带宽，高输出功率的优点，我们决定选用ASE光源作为宽带光源。它的工作波长范围是1525nm-1565nm，输出光功率≥13dBm，总功率短期稳定度≤0.02dB。

3.2.2 光耦合器

实验中使用的是3db耦合器，3db耦合器一方面将宽带光源发出的光耦合进入光纤光栅，另一方面将光纤光栅反射回来的光耦合进入解调仪以便检测。

3.2.3 压力传感器

压力传感器能感受压力并转换成可用输出信号。实验中由高度测量器，水，光纤光栅组成的如图3-1。

图3-1实验加载压力装置

3.2.4  解调仪

光谱分析仪是由上海前所光电科技有限公司生产的型号为QSA01-04。波长测量范围在1525nm—1565nm，波长分辨率为0.1pm，波长精度为±1pm，如图3-2所示。

图3-2 光谱分析仪

压力传感器系统如图3-3所示，光源发光经3db耦合器到压力传感器，探测到水深的变化，光纤光栅的波长反射信号经3db耦合器输出后，到解调仪处理，读出波长。

图3-3压力系统框图

3.3 压力传感器实验原理

光纤光栅传感检测系统由两大部分组成：传感光栅和解调仪，光纤光栅传感检测系统示意图如图3-4所示。宽带光源出射的光在传感光栅中的传输，压力加在传感光栅上。当水压发生变化时，光纤光栅反射光波的中心波长产生漂移，经耦合器导入解调仪，从而确定待测量。各种功能更复杂、性能更优越的光纤传感检测系统都是在此基础上，对各单元进行改进而实现的。

图3-4 光纤光栅传感检测系统

如图3-4所示。3dB耦合器一方面将自制宽带光源发出的光耦合进入光纤光栅，另一方面将光纤光栅反射回来的光耦合进入解调仪以便检测。实验过程中，改变水压，通过光谱分析仪监测光纤光栅反射波长的变化，由此可以得到光纤光栅反射波长变化与压力之间的关系曲线。

3.4 光纤光栅压力传感实验

实验加载压力装置如图3-1所示，装置有一个盛水容器，容器上标有0cm-40cm刻度的长度纸条，通过向其中注入水来测量其对传感器探头压力的大小，压力的大小可以通过浮力公式算出，压力引起的光纤光栅波长变化则从解调仪上读出。

实验中使用图3-1所示的压力加载装置，从18cm开始，依次增加压力，每次增加5cm，一直到38cm，然后这样测出3组数据;每增加一次压力就在计算机上读一次数，也就是记录FBG中心反射波长的值，监测其波长的漂移情况。

本文选取了中心反射波长为1537.979nm的光纤Bragg光栅进行实验，我们对该传感器重复进行了三组压力实验，实验数据如表3-1所示。图3-5是根据每次实验数据绘制的特性曲线。图中的直线是对每次测量值的线性拟合。

表3-1实验数据

图3-5 FBG中心波长随压强增加的响应曲线(l组数据)

以上图示为光纤光栅压力传感器在反复加压和减压过程中对压强的响应曲线，由上面的特性曲线图可以看出FBG的中心波长的相对漂移量与压力是呈线性关系的。根据进程数据做拟合直线可得R²，即其线性度分别可以达到0.99947这说明了FBG在压力(压强)增加时具有良好的压力(压强)响应性。光纤光栅压力传感器灵敏度为0.00283nm／cm。

检测范围：18—38cm。

实验系统的波长摆动方差：0.00954

3.5 本章小结

本章首先简要介绍了光纤光栅传感器的一般设计要求以及传感压力实验的系统，并通过对传感器进行加压实验，研究其压力传感特性。最后，对所得的实验数据进行分析和处理，实验数据表明，光纤光栅的布拉格波长随压力的变化呈良好的线性关系。在压力18cm—38cm范围内，其灵敏度为0.00283nm／cm。

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。

结论

本文首先在阅读了大量的相关资料后，介绍了光纤光栅压力传感器的发展现状。并详细介绍了光纤光栅的结构、成栅方法以及其传感原理。对光纤光栅传感原理做了深入分析，然后设计了光纤光栅压力传感方案，介绍了光纤光栅压力传感系统的构成，然后介绍了实验所需用到的装置、仪器和实验方法，然后搭建了实验系统并对其进行实验，以及对其进行数据处理，并且分析了传感器的技术指标。通过实验分析了该光纤光栅传感器的一系列指标，光纤光栅保持着波长与压力良好的线性关系。

得出：在压力18cm—38cm范围内，其灵敏度为0.00283nm／cm。拟合度为0.99947，实验系统的波长摆动方差：0.00954

在光纤光栅压力传感器的实验过程中，搭建了完善的实验环境，形成了一套方便快捷的数据分析处理方法。这就为今后的工作积累了经验，打下了基础。

致谢

首先感谢我尊敬的导师熊燕玲教授，本论文是在导师熊艳玲教授的悉心指导和关怀下完成的。导师严谨的治学态度、敏锐的洞察力、渊博的学识、和蔼宽厚的做人风范是我终生学习的榜样。导师的谆谆教诲培养了我科学的思维方法和一丝不苟的治学态度，将使我终生受益。导师的一言一行，于我今后的做人与做事莫不产生积极而深远的影响。在此特向何伟教授致以最崇高的敬意和最真诚的感谢。

感谢宋月平、苏彬、王文亭、李永华、杨成伟等同学，他们为我提供了一个轻松、愉快的学习生活环境并始终关注着课题的进展，与他们的讨论经常令我茅塞顿开、受益非浅。对于他们在资料调研、理论分析和实验验证等方面所提供的帮助本人甚为感谢。

最后，我要感谢我的父母、家人和朋友，是你们给予了我生活和精神上最大的鼓励与支持!

谨以此文，向我大学即将毕业阶段给予我关心、支持和帮助的老师、同学和家人表达我最衷心的感谢!

                                         韩博

                                      20##年6月

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附录A英文原文

附录B中文译文

光纤光栅传感

摘要

我们调查的最新发展的光纤光栅传感器，包括准分布式应变使用光栅传感，基于啁啾光栅的系统，光纤光栅激光传感器，长周期光栅传感器， 光纤光栅的激光系统，和干涉型光纤传感器基于光栅反射器的系统。

1.绪论

光纤传感的优势是众所周知的，并已广泛讨论关于这个问题。 光纤传感器，虽然在真正的商业领域中成功相对较少，但是技术仍然在许多情况下，基于实验室原型阶段。原因是大多数领域的研究人员共同研究使其变得简单：很多光纤传感器发展取代传统的机械传感器系统，这是既定的，有经验证的可靠的。因此，也为光纤传感器提供重要的优势，例如电被动应用中，抗电磁干扰，灵敏度高，复用功能，这种技术的市场渗透率发展相对缓慢。在光纤传感器的应用提供新的功能，但是如分布式传感、光纤传感器似乎有不同的优势竞争。光纤布拉格光栅和其他光栅设备提供此功能的传感器类型的例子。

光栅是简单的内在的传感元件，可将图像刻到一个石英光纤^[1]-[6]，其全部优势通常归因于光纤传感器。此外该器件有一个内在的能力引用复用串行方式在沿着单一光纤^[7]-[9]。光栅为基础的传感器是有益的各种应用。特别是分布区域嵌入式感应材料，用于创建“智能结构”是首要的任务。这里用传感器阵列光纤可以嵌入到材料，来测量Ø参数，如载荷，应变，温度和振动从该结构的完善，可评估上一个实时的基础。光栅也可能被证明是有用的视光学传感的范围内的元素光纤传感器配置;光栅为基础的化学传感器压力传感器和加速度计的例子。

最后1997年5月5日。这项工作得到了海军研究办事处（ONR），国防高级研究计划局（DARPA）和联邦公路管理局（FHWA）的许可。作者用的光学科学部，海军研究实验室，华盛顿特区，20375 USA。发布项目标识符为S0733-8724（97）05919-7。

本文将研究光栅领域的发展，传感器，包括基本准基于分布式传感器在布拉格光栅，啁啾光栅传感，光纤光栅激光传感器，长周期光栅传感器和干涉配置基于光栅。该技术讨论将主要集中在应变测量，但系统也被用于温度测量。

2．光纤光栅传感器

基本的操作原则,常用在光纤光栅传感器监测系统中，其转变是波长的“布拉格”信号返回原来的能量和载热的变化而(例如,应变、温度)改变的。布拉格波长、或共振条件的光栅,给出了利用该表达式[7]

                          （1）

是光栅的有效指标的核心。这样的一个装置,将与宽带光源到光纤,在窄带谱分量所反映的布拉格波长光栅。在传播光中,该谱分量作为描述在图1中。

反射讯号的带宽取决于几个参数,尤其是光栅长度,但是通常是0.05到0.3nm，在大多数传感器的应用。测量结果在光栅的改变的布拉格波长，该装置可以探测到的或反映或发射的光谱,如图所示。

这是因为传感器相应的分数的变化,以及光栅由于光纤指数的变化状况而影响，由于空间环境下的热响应产生的内在热膨胀光纤的材料与温度折射指数。布拉格波长的变化与应变和温度可以表示使用

       （2）

图1 基本光栅为基础的透射或反射传感系统检测选项。
系数是电压的应力 V是光学系数张量，是泊松比，而且是热膨胀系数（CTE）的纤维材料（如硅），是温度改变。该因素有数值为0.22

在测量应变响应恒温被发现的

（3）

这响应提供了一个“指母规则”的措施，光栅位移为1纳米，每10001.3微米。在石英光纤，这对于观察到的95％左右转移热反应是占主导地位的效果。该以应变热响应是

（4）

为1时（0.001 nm）的波长分辨率是解决了0.1℃温度的变化，或1应变的变化。虽然这种波长分辨率达到使用实验室仪器仪表等，如频谱分析仪和可调谐激光器，能够解决为了改变这个使用小型的仪器。包装光电仪器是一个挑战，而这一直是研究工作的一个焦点。在光栅传感器领域该性质的光栅输出提供这些传感器与一个内置的自引用的能力。由于遥感信息直接编码成波长，这是一个绝对的参数，输出不直接依赖在总的光的水平，而是在连接纤维损失和耦合器，或源动力。这是人们普遍承认的一个传感器的最重要的优势。波长输出编码的性质，但是，也有利于波分复用，允许每个传感器被分配到不同的“片”的可用源频谱。这使应变准分布式传感，温度，或通过有关潜在的其他原因，每一个特定的空间位置谱片。该概念图所示。

2.准分布式光纤光栅传感系统使用的元素带宽要求每个光栅元素。随着当前光栅是可能复沿20或更多的设备单光纤光栅的路径，如果由有经验的高峰不超过±0.1％（1000）。虽然有各种各样的技术已被开始监测布拉格波长的变化，只是在某些技术似乎已被降低到了潜在用处，经济有效的使用在仪器仪表系统“现实世界”的申请。在这里，我们取得的进展在这样的仪器仪表系统的静态发展和动态应变的应用程序，为最常使用的实验方法光纤光栅传感器是基于宽带无源照明的设备：具有广谱，涵盖的FBG传感器的输入到系统中;无论是窄带由FBG反射组件是针对波长检测系统，或谱“缺口”的传播进行了分析。

A.准静态应变监测.：一些技术已经被证明是此波长分析可靠。一个比例在过滤器使用的宽带为基础的方法^[10]。这种方法允许在传感器元件FBG波长移位要通过比较评估的FBG反射透射通过该过滤器的光通过一个直接引用图。

3.FBG光栅扫描过滤器检测技术路径。带通滤波器提供一个合适的波长相关损耗为这种检测系统的类型。一个相对较有限的灵敏度是获得使用这种方法的重点。由于ASE随着大容量光纤滤波器/准直使用问题组件和相关的对齐的稳定。方法改进是使用了波长光纤设备传递函数的原理，例如，光纤波分复用（WDM）耦合器^[11][12]。第±5，相当于±0.5℃已经证明使用这种方法。其他类型如双锥光纤过滤器，已用于这目的。一个用于查询FBG最成功的技术传感器是基于可调谐带通滤波器使用跟踪FBG信号。最常用的技术是对法布里 - 珀罗（FP）根据使用的过滤器^[15-17]然而，声光过滤器^[18,19]，FBG型过滤器^[20][21]是合适的过滤器类型的例子。在扫描FP滤波器为基础的系统描绘如图3

在这里，光反射的光栅传感器阵列是通过一个过滤器，经过一台FP窄带波长组成部分。电气控制的这个显示器通过压电堆间距允许调整的通带波长。由于过滤器的调整，在通带内扫描返回从光栅信号，波长可确定和记录的电压施加到过滤器作为返回信号检测。在操作中，光反射光栅传感器是通过耦合器返回到扫描法布里 - 珀罗光过滤器和检测器。 FP型的典型特征使用的自由光谱范围（FSR）为50 nm和带宽0.3nm。这允许多达16个独立传感器3 nm的间距光栅使用。对于一个50nmFSR该过滤器的FP通过扫描电压生成一个16位数字模拟转换器产生一个最小可分辨（最低有效位）的约0.8波长，或0.8应变等效应变分辨率。目前可用FP滤波器可扫描速率为300 Hz，但是扫描速率为1千赫应该是可能的。

4.显示了监控与应变比较扫描过滤器和解调FBG应变电阻计当到达2000。对1已经实现了与FP方法，多达16个光栅已复在单光纤。一个光学开关的使用是允许这样的。图4.一个电阻应变对比(FGB)和使用。图. 5示意60通道FBG传感器光电系统。仪表系统，解决几个“阵列”的光栅，并为60光栅传感器跟踪系统的最近发展^[22]。该系统是在图解说明图。

 5.单模光纤在PC驱动开关控制的利用中，使沿线的应变测量512 FBG传感器独立的字符串。该字符串照明采用单1.3米ELED源（150 W功率）通过3 dB耦合器和开关。有关的数据中每个元素内2.5秒的时间间隔（50平均/传感器），这是比较比静态应变监测有足够的采样率，例如，在土木工程当中。显然，通过使用交换机与更多的端口，数量较多的传感器可监控。

6.实验室性能。在这里，所有60传感器进行了监测在30分钟内。传感器是应变调制，展示了其性能系统。其中有100应变方波调制函数在4分钟内，并用正弦波其他调制周期2分钟。短期内解决的系统1，并在30分钟内漂移为3，这是由于轻微的温度在实验室的波动。扫描光学过滤器方式的缺点利用在只有一条狭窄的光学谱“片”给定的时间。包括一个光纤光栅的阵列，涵盖的光谱范围，反复询问的频率f。图. 6实验室性能的60通道FBG传感器系统。每个样品的每个周期光纤光栅反射的能量等于其反射源的光谱亮度光栅的光谱宽度由重复分频率。当过滤器是用来扫描，其数额能源检测可用，滤波器的带宽，除以扫描波长范围宽。因此，如果滤波器的带宽等于1％扫描宽度和每个FBG非常强（95％反映），从每次扫描检测能量FBG约为0.01。因此，比较强反射器或亮点来源一般需要波长分辨率的变化。然而，测量与FBG制成的2-4％的反射率和光纤的在10毫瓦范围内的平均光功率的来源显示1分辨率扫描过滤器使用方法。光学扫描吞吐量功率代价，然而，可避免通过次平行检测整个频谱使用费，如线性阵列探测器电荷耦合器件（CCD）。在这样的系统，波长是实现与固定分散元素（例如棱镜或光栅）的波长转换成图像一直到一个探测器元素阵列，成像行描绘图。

 7.由于CCD光谱仪收集了光返回的每个FBG在整个扫描牙周^[23]=，所以1％的FBG提供尽可能多的信号机智平行检测一样，95％的扫描检测FBG平行检测，然后用任何有效得多源，或大大降低反射光栅。