光纤光栅径向受力检测技术

提要光纤光栅自从70年代末出现以来，在光纤通信、传感和测量等很多领域获得了应用。现阶段投入使用的光纤布喇格光栅传感器主要利用的是其轴向应力、应变特性。但在诸如大型建筑物的健康监测等实际应用中，光纤布喇格光栅的径向应变信息同样十分重要。本文介绍和分析了光纤光栅的基本特性和光纤光栅传感领域的关键技术，重点对光纤布喇格光栅径向受力检测进行了理论和实验研究。得到了光纤布喇格光栅反射峰的劈裂值与所受径向力的对应关系，并利用可调法布里-珀罗滤波器设计了一套解调光纤布喇格光栅反射峰劈裂值的实验系统。实验证明我们得到的光纤布喇格光栅波长劈裂值与其所受的径向负载具有良好的线性关系，与理论预期相吻合。为光纤布喇格光栅径向受力敏感特性的实际应用提供了有益的参考。解调系统消除了外界环境对法布里-珀罗滤波器初始腔长的干扰所引起的误差，系统的精度达到了0.02nm，是一种较好的光纤布喇格光栅径向受力检测方案。关键词：传感光纤布喇格光栅径向压力检测可调法布里-珀罗滤波器目录第一章：绪论...................................................................................................1§1.1光纤传感器的技术特点.................................................................1§1.2光纤光栅传感器的技术特点及应用状况.....................................2第二章：光纤光栅的分类和制作方法...........................................................6§2.1光纤光栅的分类.............................................................................6§2.2光纤光栅的制作方法...................................................................13第三章：光纤Bragg光栅的基本理论及传感机制.....................................21§3.1光纤Bragg光栅的基本理论.......................................................21§3.2光纤Bragg光栅的传感机制.......................................................28第四章：光纤Bragg光栅传感器的信号解调技术.....................................36§4.1滤波解调法...................................................................................37§4.2干涉解调法...................................................................................43第五章：光纤光栅径向受力检测技术.........................................................49§5.1光纤Bragg光栅径向压力作用下的特性分析...........................50§5.2光纤Bragg光栅径向受力检测原理...........................................53§5.3实验系统配置及结果..................................................................57§5.4总结..............................................................................................62论文结论...................................................................................................64参考文献...................................................................................................66作者攻读硕士期间发表论文情况（摘要）(Summary)致谢1第一章：绪论§1.1光纤传感器的技术特点科学技术迅猛发展的今天，人类的生活已经越来越多地依赖于对各种信息的掌握。在这种时代背景下，信息技术三大支柱之一的传感器技术在工农业生产和日常生活中便扮演了十分重要的角色。传感器就是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件，是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件，是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和测量的电信号的部分[1]。可以说传感器是被测对象和测控系统之间的纽带，所有的测控系统都需要传感器提供赖以做出实时决策的数据。光纤传感技术是20世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，它是伴随着光导纤维和光纤通信技术的发展而逐步形成的。对光导纤维的研究开始于20世纪50年代，最初的光导纤维损耗非常大，只是应用在医学上。1966年CharlesKao和GeorgeHockham发表了著名的论文，“用于光频的介质纤维表面波导”，较为详细地讨论了利用光纤进行通信的思想，并且预测了低损耗光纤的可能，标志着应用光纤进行长距离光传输研究的开始[2]。随后的1970年，康宁玻璃公司便研发出了衰减为20dB/km的光纤，低损耗光纤的出现是光纤通信领域的一次革命。发展到今天，光纤光缆已经构成了全球信息通信的主干网络。光纤传感器出现于低损耗光纤问世后不久的70年代中后期。光纤传感器之所以能够发展与其自身的特点有关，首先，光纤的敏感特性非常广泛，温度、压力、2应变、转动、加速度、位移、超声波、振动、电磁场、辐射等诸多物理量都能影响光纤的状态，从而改变传输光的幅度、频率、相位、偏振态等参数。其次，与普通的机械类、电子类传感器相比，光纤传感器还具有以下优点[3]:I.可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。II.电绝缘性能好，安全可靠.III.体积小、重量轻，可根据实际需要做成各种形状。IV.传输损耗小,可实现远距离遥控监测。V.传输容量大,可实现多点分布式测量。因此，光纤传感器被广泛应用于智能材料、灵巧结构、大型结构监测、电力系统、化工生产、核能设施、生物医学、航空航天等领域。§1.2光纤光栅传感器的技术特点及应用状况光纤光栅(fibergrating)是一种新型的光无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯中沿轴向形成一组周期性的折射率强弱分布。这样的分布实际上就是一种轴向的周期性扰动，引起光纤中的传导模与其他模式之间的相互耦合，从而改变或控制光在该区域的传播方式。1978年，加拿大的Hill等人在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次成功写入光纤光栅[4]。之后经过近三十年的发展，光纤光栅得到了广泛的应用，基于光纤光栅的各种光子学器件(如光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用和解复用器、光纤光栅色散补偿器等)层出不穷。光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰感、信息波长编码等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各领域。尤其是它易于与光纤集成的特性，使得全光纤化的一维光子3集成成为可能，从而在促进光子学乃至信息科学的发展中显示出越来越重要的作用。光纤光栅的研制成功是继掺铒光纤放大器(EDFA)之后在光纤领域的又一次重大的技术突破，并将成为光纤通信发展史上的又一个里程碑。光纤光栅传感器是以光纤光栅作为敏感元件的一类传感器。光纤光栅的反射或透射峰的波长与其折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。波长调制的光纤光栅传感器除了具有传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器的优点之外，还有一些特别的优势，最主要的是传感信号为波长调制以及复用能力强。其好处在于：I.测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响。因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。II.光纤光栅传感器是自参考的，可以绝对测量(在对光纤光栅进行定标后)，不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。III.避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题IV.在一根光纤上串接多个Bragg光栅，把光纤嵌入(或粘于)被测结构，可同时得到几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。在同时进行建筑物健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测时，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器由于具有上述诸多优点，因而具有广泛应用：1）在地球动力学中的应用4光纤光栅传感器在地震检测中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动范围演变的最有效手段，为了得到相当准确的震源或火山源的位置，更好地描述源区的几何形状和演变情况，需要使用密集排列的应力-应变测量仪。光纤光栅传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。2）在航空航天业中的应用航空航天业是一个使用传感器密集的地方，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器。因此传感器的尺寸和重量非常重要,光纤光栅传感器只需一根光纤,敏感元件(光栅)制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。另外，使用先进的复合材料来制造航空航天部件(如机翼)是一个必然的趋势。而复合材料中存在两个方向的应变，嵌入材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。3）在船舶航运业中的应用随着船载控制系统复杂性的不断增加，要求有越来越多精巧的传感器引入整个船舶。光纤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。通常，为全面地衡量船体的健康状况，需要了解其不同部位的形变力矩、剪切压力及甲板所受的海浪的冲击力，对于普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传5感器最适合于船体检测。4）在民用工程结构中的应用民用工程的结构监测是应用光纤光栅传感器最活跃的领域。基础结构的状态，力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。5）在电力工业中的应用电力工业中的设备大都处在强电磁场和高压之中，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，一般电类传感器根本无法使用。而且，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。光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。6）在石油化工中的应用石化工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油