基于长周期光纤光栅对温度与应力的同时测量相关探讨

课程设计基于长周期光纤光栅对温度与应力的同时测量相关探讨华南理工大学物理与光电学院2013级光电（1）班母小冬201330450460引言摘要关键词1.1按光纤光栅的周期分类1.2长周期光纤光栅的光学参数如下1.2.1透射率T1.2.2主谐振峰两侧两个损耗零点值之间的宽度1.2.3光栅方程1.3温度灵敏度及应力灵敏度的数学推导1.3.1应力灵敏度1.3.2温度灵敏性1.3.3分析1.3.4解决方案2.1温度灵敏度与应力灵敏度的测量2.1.1温度灵敏度测量数据2.1.2温度灵敏度测量数据2.1.3应力灵敏度2.1.4某些应变处的波长情况2.1.5长周期与布拉格光纤光栅的比较2.2温度与应力同时测量2.2.1实验分析2.2.2长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅测量性能的比较2.2.3长周期光纤光栅对温度与应力的同时测量的应用2.2.4现状与展望3.1论文总结3.2经验4.查找的相关论文资料引言：1978年，K.O.Hill等人发现了光纤的光敏性，从而导致了一种所谓光纤Bragg光栅（fiberBragggrating）的新型光纤内纤型无源器件的出现。随着光纤光栅写入技术的不断完善，应用成果的日益增多，光纤光栅成为了目前最有前途、最具代表性的光纤无源器件之一。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，再加上光纤本身具有低耗传输、抗电磁干扰、轻质、化学稳定及电绝缘等优点。因此，光纤光栅在光纤通信、光纤传感和光信息处理等领域均有着广阔的应用前景。摘要：长周期光纤光栅是近年来出现的一种新型光无源器件,它实现了同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合。由于长周期光纤光栅具有工艺简单、插入损耗小、无后向反射、对外界环境变化的反应灵敏度高、体积小、易与其它光通信器件集成和连接等独特的优点，受到了国内外广大学者的关注。发展短短数年，其在光纤通信和光纤传感领域已经显示出了极为广阔的应用前景。本文以长周期光纤光栅的耦合模理论为基础，在实验中通过双长周期光纤光栅对温度与应力的同时测量。关键词：长周期光纤光栅温度应力测量1.1按光纤光栅的周期分类根据光纤光栅周期的长短，通常把周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；而把周期为几十至几百微米的光纤光称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅。短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器，其反射谱如图1.2.1(a)所示。长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器，其透射光谱如图1.2.1(b)所示。图1.2.1(a)光纤布拉格光栅反射谱，（b）长周期光纤光栅透射谱1.2长周期光纤光栅的光学参数如下1.2.1透射率T(1)1.2.2主谐振峰两侧两个损耗零点值之间的宽度(2)1.2.3光栅方程(3)传播常数(4)将（4）代入（3）可得(5)1.3温度灵敏度及应力灵敏度的数学推导1.3.1应力灵敏度将(5)对应ε求导，可得长周期光纤光栅的应力灵敏度为(6)应力引起的光栅周期变化为(7)弹光效应引起的有效折射率变化为(8)将式（7）、（8）代入式（6）可得（9）1.3.2温度灵敏性将（5）对温度T求导，可得长周期光纤光栅的温度灵敏度为(10)热膨胀效应引起的光栅周期变化为(11)热光效应引起的有效折射率变化(12)将（11）、（12）代入（10），得(13)式中，α为光纤（包括纤芯和包层）的热膨胀系数，nco和ncl分别为纤芯和包层的热光系数。1.3.3分析：由式（9）可以看出长周期光纤光栅的应变灵敏度主要由纤芯及第n阶包层的有效弹光系数、折射率以及光栅的周期决定。对于第n阶包层来说应变灵敏度与光栅周期成线性关系；由式（13）可以看出温度灵敏度主要由纤芯和包层的热光系数、有效折射率及纤芯的热膨胀系数和光栅的周期决定。而对于第n阶包层模来说其热光系数为定值，所以n阶透射谱与光栅周期成线性关系。应变和温度灵敏度都和光栅的周期和纤芯的折射率有关，所以当产生应变而温度又变化时就无法测定应变的大小，同理也无法测定温度的高低，这就是光栅传感器里面的交叉敏感问题。光栅方程（3）表示，当应变和温度的变化会影响到纤芯-包层折射率差时，会引起传输阻带的中心波长移位，而且选择不同的纤芯和包层参数，可获得不同的应变响应（-0.7~1.5pm/με）和温度响应（-0.2~0.15nm/℃）。1.3.4解决方案：为了既能解决交叉敏感问题又能实现同时测量，提出了利用两根相同的长周期光纤光栅来测量温度及应变。当两根光栅处于同一温度时它们的中心透射谱应该重合在一起，如图5.3。而当一根有应变另一根没有时其透射谱应该是分开的，如图5.4对于普通的单模长周期光纤光栅其中心透射谱是随着温度的增加和应变的增大向长波长方向移动（在实验中观察到）。因此对于图5.4，表示未施加应变而只感应温度的光栅，表示既感应温度又施加应变的光栅；提前要给两根光栅的温度和的应变定标；通过的大小能知道温度的高低，而通过和之间的差值能得出应变的大小，这样就实现了温度和应变的同时测量。2.1温度灵敏度与应力灵敏度的测量：在实现温度和应力的同时测量之前，我们首先测量首先测量和的温度灵敏度及2λ的应变灵敏度温度灵敏度机的应变灵敏度，也是为其温度及应力定标。实验室使用的光谱仪为AnritsuMS9710C,其主要参数如下：首先给两根光栅的温度定标，把光栅拉直（避免因为弯曲而引起波长平移）后其两端粘在一块平整的黑色硬纸片（尽量把透射的光吸收）上，放在干燥箱里，使温度从20℃逐渐增加到75℃，在此过程中在不同的温度下记录数据，经多次去平均值之后得到的拟合曲线如下:2.1.1温度灵敏度测量数据：2.1.2温度灵敏度测量数据：实验中使用的光栅是普通单模光纤经掩模法刻制的，周期为600μm，中心波长在1550nm附近。图5.5和图5.10分别为两根光栅的温度与波长的拟合曲线，从这两条拟合曲线中我们看到波长的平移基本上和温度成线性关系，其温度灵敏度大约为0.11nm/℃，大约是Bragg光纤光栅的十倍左右。2.1.3应力灵敏度：为了实现温度与应变的同时测量，不但要感应温度而且要感应应变，所以还要为的应变定标。当用夹具夹住光栅两端放在平移台进行轴向拉伸时，发现波长平移量非常小，几乎没有变化。原因是实验中所用的光栅都是侧面写入的，所以在轴向拉伸时波长的平移很小，而且拉伸稍大就会使光栅部分断裂，这种方法很难实现应变的测量。为了提高应变灵敏度，把粘贴在三十厘米长钢片的两个端点处，当钢片弯曲时，粘在其上的光栅跟着一起弯曲，并且在轴向有一定的拉伸，波长随弯曲度的增大向长波长方向平移，这样来测量的灵敏度要比直接轴向拉伸大很多，用此种办法可以很好的实现应变的检测。图5.15横轴表示钢尺弯曲的长度(l)，其中形变ε=,所以此图也可以看作形变与波长的关系。从图中可以看出，除了中间有弯曲外，其他的我们可以近似的认为形变与波长成线性关系，虽然不是很好的线性关系，但是这并不影响温度与应变的同时测量，因为我们只须知道波长的平移量，然后找到对应的应变大小就可以了。从图中我们也可以看到应力的灵敏度也是很高的。2.1.4以下是在测量过程中某些应变处的波长情况：2.1.5长周期与布拉格光纤光栅的比较：一般的FBG的温度灵敏度大约为0.01nm/℃，而轴向应变灵敏度为5nm/ε。从图5.5、5.8、5.12可以看出，本实验所用的长周期光纤光栅的温度灵敏度大约为0.11nm/℃，应变灵敏度为34.2nm/ε，温度灵敏度大约为FBG的十倍多，而应变大约是FBG的7倍。所以说温度和应变灵敏度与FBG相比有了很大的提高。2.2温度与应力同时测量：如果两根光栅完全一样，且都只感应温度，那么这两个透射谱应该重合，也就是在光谱仪中只有一个透射谱。如果还感应应变，那么这两个透射谱就会分开，而它们之间的差值就代表应变的大小。最后剩余的光都回到光谱仪里，就会在光谱仪上显示两个透射谱。因此，的大小就能反应温度的高低，而与的差值就代表了应变的大小。通过此方法就实现了温度与应变的同时检测。在整个实验的过程中两根光栅都应该放在干燥箱里面。2.2.1实验分析：图5.21、5.22为在常温下（T＝20℃）时测量的透射谱，两图中左面的透射谱为，右面的为，其中反应了两根光栅所处环境的温度，而不但受温度的影响还受到应变的影响，两个透射谱之间的差值代表了应变的大小。因为随着温度的变化，两根光栅的漂移应该是一样的，而漂移多的部分就正好代表了应变的大小得到进一步的验证，即通过两根光栅的串连接可以实现温度与应变的同时测量。本实验中所用光栅都是写在普通单模光纤上，这种光栅价格便宜，制作简单，很容易批量生产。本论文设计和制作了一个新颖的应变温度同时测量传感器，有较高的测量灵敏度,因此具有广阔的应用前景。2.2.2长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅测量性能的比较：长周期光纤光栅是性能优良的传感元件，在应变、温度、弯曲和折射率测量方面具有广泛的应用。目前，以布拉格光纤光栅(FBG:fiberBragggrating)为传感器件的传感器已成为研发主流。但是这种传感器有很大的缺陷，比如说造价比较高，而且温度和应变灵敏度很低，所以在应用上有一定的限制。不论用哪种光栅做传感器在测量应变时都会受到温度产生的漂移的影响，所以测量的结果有很大的偏差。为了克服这些缺点，利用长周期光纤光栅级联对来实现温度与应变的同时测量，结果表明其灵敏度与FBG相比有了很大的提高。2.2.3长周期光纤光栅对温度与应力的同时测量的应用:甲.智能材料与结构的研究起源与20世纪80年代的航空航天领域。1979年，美国国家宇航局（NASA）创始了一项光纤机敏结构与蒙皮计划，首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料蒙皮中，用于监控复合材料应变与温度。乙．心脏功效的测量在心脏监护中扮演了关键作用。在定向热稀释导流管方法，医生将定向热稀释导流管插入病人的右心房，通过利用长周期光纤光栅测量肺动脉血液的温度及对血管壁的压力，可对心脏的功效进行实时测量。2.2.4现状与展望：我国2010年远景规划和十五计划已将传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世界贸易组织，市场需求和发展空间的潜力是非常巨大的，其中光纤光栅传感器将占有相当大的比例，这预示着我国在光纤光栅传感器领域将出现一场激烈的竞争和挑战，在不久的将来，我国的光纤光栅传感器领域将呈现前所未有的灿烂和辉煌。3.1论文总结：通过查找资料和借鉴相关论文的做法，我了解到长周期光纤光栅的传感机制，它的温度和应变灵敏度不仅与纤芯的参数有关，而且还有包层的参数有关。利用该特性，通过监测两个不同包层模的吸收波长的移位，可在一个长周期光纤光栅传感器上实现温度和应力的同时测量。在查找的论文中，吉林大学李占平的硕士学位论文给予了我很多帮助。在详细阅读他的论文后，我选择了”基于长周期光纤光栅对温度与应力的同时测量相关探讨“为自己的论文题目，写自己的论文的时候，由于自己没有实验条件，故在自己的论文中大部分是转引李占平的实验数据。李占平硕士的分析和解释都很到位，但自己还是认为有一些不妥之处：他先对光纤光栅模式理论介绍，推导繁杂，本人认为我论文的重点不在模式理论，故省略了。他论文的着重点不突出，我在其他资料上找到温度灵敏度和应力灵敏度的数学模型，我认为这比较重要，便开门见山，在自己论文的一开始就详细解释模型；他没有对长周期光纤光栅对温度和应力同时测量的应用做详细的介绍，我在这方面做了一些补充。3.2经验通过这次课程设计，我学会了查找论文，然后把论文的关键点找出来，进行学习；同时开拓了自己的科学视野，深知自己有很多不足，仍需努力。不过我也希望老师们能针对所开课程经行课程设计，如数电、模电、微机等，不要让锻炼学生能力的课程流于形式了。不足之处：1.由于自己没深入学过相关知识，不知道自己的idea的可行性怎么样。2.没有自己设计实验探讨，缺少一定的实践基础。4.查找的相关论文资料[1]李占平.双长周期光纤光栅