基于调谐滤波的光纤光栅解调技术研究
收稿日期:2007-08-
23. 基金项目:国家“863”计划资助项目(2002AA 231231240).
光电技术应用
基于调谐滤波的光纤光栅解调技术研究
甘维兵,王立新,张 翠
(武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室,湖北武汉430070)
摘 要: 用宽带光源和自主研制的波长选择器IPD 构成可调谐窄带光源,对测量光纤光栅
阵列和参考光纤光栅进行波长扫描,借助光电探测器和DSP 信号处理系统实现复用传感系统的解调。采用梳状滤波器进行波长校准,大大提高其检测精度。实验表明:该解调方案是可行的,且可获得较高的信噪比和测量精度,每个通道具有对15个以上FB G 进行寻址解调的潜在能力。
关键词: 光纤Bragg 光栅;复用传感;波长扫描;分布式解调中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2008)03-0451-03
Demodulation T echnology for Fiber B ragg G rating Sensors B ased on Tunable Filtering
GAN Wei 2bing ,WAN G Li 2xing ,ZHAN G Cui
(K ey Laboratory of Fiber Optic Sensing T echnology and I nform ation Processing of Ministry of Education ,
Wuhan U niversity of T echnology ,Wuhan 430070,CHN )
Abstract : Sensing fiber Bragg grating (FB G )array and reference FB G were scanned by a t unable narrow 2band light source composed of a broad band source and a wavelengt h selector IPD manufact ured by ourselves.The multiplexed sensing system was t hen demodulated by virt ue of p hoto 2detector and signal processing system.It s precision can be greatly improved by wavelengt h calibration wit h t he comb 2filter.Experiment s demonstrate t hat t his demodulation scheme is feasible and a higher signal 2noise ratio and measuring accuracy can be acquired.Furt hermore ,a channel of t his system has t he potentiality of interrogating and modulating senor network wit h over fifteen FB Gs.
K ey w ords : fiber Bragg grating (FB G );multiplexed sensing ;wavelengt h scanning ;distributed demodulation
1 引言
光纤光栅传感器具有光纤兼容性、抗电磁干扰、
耐腐蚀、体积小和便于复用等优良特性,已成为新一代智能传感技术的研究热点[1]。该类传感器对待测量采用波长编码,因而具有波长检测功能的解调系统是该技术应用的关键。尽管已有许多种解调方案的报道,但现有的实用化解调产品限于以下三种方案[2,3]:采用宽带光源和可调谐光纤Fabry 2Parot (F 2P )滤波器对传感光纤光栅的反射谱进行滤波扫
描;采用色散元件和CCD 阵列相结合的光谱成像技
术进行波长分析;采用可调谐窄带激光源对传感光纤光栅进行波长扫描。这些系统均具有精度高、检测范围大的优点,然而其高成本严重制约了光纤光栅传感系统在普通工程场合的推广使用。
本文提出了一种新的解决方案:采用自主研制的波长选择器IPD 来取代进口的可调谐光纤F 2P 滤波器,由两支普通的宽带光源SL ED 结合IPD 组成可调谐窄带光源,从而取代了价格昂贵的可调谐窄带激光源,通过动态滤波扫描,实现多通道分布式解调。该系统不仅降低了光滤波处理器件的成本,同时又保证了系统较高的测量性能。
?
154?
2 基于双光源和调谐滤波技术的解调
系统
2.1 系统装置
基于双光源和调谐滤波技术的解调系统如图1所示,其中可调谐窄带光源是由2支SL ED 和自主研制的波长选择器IPD 结合而成的。与一般的宽带光源相比,其传感信号的强度信噪比有很大的提高,其测量范围也大大增加,为波长漂移的检测提供了良好的基础。
自主研制的波长选择器IPD 装置由驱动电磁铁、阻尼电磁铁、磁铁、弹片、滤波片以及2对准直器构成,其波长选择范围分为两个波段:1281.5～1295.5nm 和1295.5～1311.5nm ,驱动电压为0～10V ,分别工作在锯齿波扫描电压的上升沿和下降沿;若干个探测器(PIN )、3dB 耦合器、梳状滤波
器以及传感光栅组成多通道分布式光纤光栅传感系统;梳状滤波器用于波长校准,DSP 为光源和波长选择器提供驱动电压以及多路PIN 的数据处理[4]
。
图1 一种实用新型的光纤Bragg 光栅传感解调系统
2.2 工作原理
在图1所示的系统中,FB G 仅对满足λB =2n eff Λ的单一波长光进行反射。只有当λ=λB 时,后向Bragg 反射光才在光电探测器上产生强输出。DSP 驱动发光管SL ED1、SL ED2以及波长选择器IPD ,SL ED1和SL ED2交替工作,分别工作于波长选择器IPD 扫描电压的上升沿和下降沿,其中上升沿对应波长较短FB G 扫描,而下降沿对应波长较长FB G 扫描,从而扩大其测量范围(可以达到30nm )。在整个波长扫描过程中,可提取光电探测器上产生强输出时的一系列扫描电压V s1,V s2,…,V s n 和V r1,V r2,…,V r m ,其中V s1,V s2,…,V s n 是光对测量FB G s 阵列中的某个FB G s i 中心波长进行反射时对应的扫描电压,V r1,V r2,…,V r m 是光对参考FB G r 中的某个FB G r j 中心波长产生反射时对应的扫描电压。
因为参考FB G r j 中心波长是固定值,所以V r1,
V r2,…,V r m 的值也是不变的。当被测量引起某个测量FB G s i 中心波长λi 发生变化时,对应的扫描电压V s i 也相应变化,V s i 与参考FB G r j 对应的扫描电压V r m 的差值ΔV i 正比于两中心波长的差值,因此也正比于被测物理量的变化值。通过电压差值的变化来换算被测物理量的变化,这样做可以减小波长选择器IPD 的漂移和重复性误差,有利于提高系统的测量精度,从而可以达到在实际工程应用中用来检测温度、应变以及压力变化的目的。
如图2,随着锯齿波电压信号的周期性变化,SL ED 发出的光经过IPD 周期性扫描参考FB G r 和FB G s 阵列,产生强反射的光信号被光电探测器接收并转换成模拟电信号,经过整流放大后输入DSP 进行处理并显示出信号波形
。
图2 可调光源解调技术原理图
2.3 实验结果及分析
本实验选用武汉理工大学光纤传感技术研究中
心研制的系列解调器产品之一:B GD 24L20,其技术指标为:测量范围可达30nm ,波长分辨率达到1p m ,测量精度为±5p m ,扫描频率为0～200Hz 。通过应变试验来检验一下该技术的运用情况。将4个中心波长分别为1283.5nm 、1285.0nm 、1307.5nm 以及1309.0nm 的光纤布喇格光栅应变传感器用102胶粘贴于钢结构上,并在相应位置布设高精度电阻应变片,通过施加一定重量的砝码进行压力实验,其中4个不同中心波长的布喇格光栅分别分布在解调器的4个不同通道,其波长偏移量由解调器实时监测并送入计算机进行处理,得到的试验结果如图3,4所示。
从试验结果可以看出,无论传感器受压、受拉,其中心波长与应变的相关系数达0.999以上,并没有迟滞现象,它们存在很好的线性关系,说明传感器的一致性良好,这与理论分析结果吻合很好。同时也验证了该新型解调技术是可行的,值得继续研究
?
254?
和推广使用
。
3 解调器的波长校准技术
解调器的波长校准是定量检测的基础,校准的结果直接影响到测量精度,因而讨论合适的校准方法对整个解调系统的测量具有重要的意义,不但可以提高系统的测量精度,还可以弥补由于传感器的非线性而带来的误差。
关于波长校准技术的报道也很多,有采用一个标准光栅作为参考来定位其它被测FB G ,也有采用两个标准光栅作为参考来定位其它被测FB G 等等,实践表明:这些方法都存在波长精度较低以及标准密度不足等缺点。本文采用梳状滤波技术加带通滤波器进行波长校准,通过扩大其标准密度,来提高波长检测精度。
光学梳状滤波器在光电子以及光纤通信等领域
具有许多重要应用。以具有连续特性的宽带光源为基础,利用梳状滤波器可引出许多所需个数的窄带光源,经进一步光放大可获取波分复用系统多波长信号源[5,6]。该装置结构非常简单,仅由一对准直器、滤波片及若干光纤组成,但制作工艺比较复杂,其制作工艺也就决定了该器件的品质好坏。
图5为光学梳状滤波器加带通滤波器后的实验
光谱图,其波长间隔为:Δλ=λ2
/2nh ,经过光学梳状滤波器后可以引出无限个窄带光源,但往往系统的
实际扫描范围是有限的,因而必须在梳状滤波器的两端加上带通滤波,让所需要的光谱通过。
通过实验验证,采用该技术对被测FB G 进行校准,可以大大提高其检测精度,并且性能稳定,其波长检测精度可以达到1p m ,非线性度小于1/50000
。
图5 采用梳状滤波器进行波长校准
4 结论
通过采用自主研制的波长选择器IPD ,使解调
器的成本大大降低,虽然其测量范围仅有30nm ,但通过复用技术,其检测通道可以扩宽至8路、16路,甚至更多,这样能够检测到的光栅数目就能够很容易突破上百个,满足绝大多数普通应用场合的要求,为光纤光栅解调器产品早日走向实用化奠定了良好的基础。同时,该系统采用先进的梳状滤波技术来进行波长校准,大大提高了波长检测的精度。基于双光源和调谐滤波技术的光纤光栅解调技术已经成功地运用于武汉理工大学光纤传感技术研究中心研制的系列解调器产品,已实现批量生产,并广泛地应用于大型隧道、桥梁以及石化领域的健康检测。参考文献:
[1] 姜德生,何 伟.光纤光栅传感器的应用概况[J ].光电
子?激光,2002,13(4):4202430.
(下转第456页)
?
354?
图3 W 0=2.5mm 时微弯损耗与应变间的关系
(2)L G 对ε的响应范围取决于kk ′,其值越小,
响应范围越大;
(3)初始损耗L G 0受W 0影响最大,其次是微弯数目N 。W 0越小,N 越大,则L G 0越大。3.2 灵敏度分析
将式(3)两边对ε求导,即得微弯段的灵敏度:
s =d L G
d
ε=2kk ′m (W 0+kk ′
ε)[1-n (W 0+kk ′
ε)2
]exp [-n (W 0+kk ′ε)2
](5)
其中,令m =12.24(N /ΔD 2),n =Δn/d 2。根据上式,可数值模拟出与图3对应的灵敏度
曲线,
如图3所示。s 的正负是反映L G 对ε正反向变化关系的,但为了便于分析,图中曲线是按它的绝对值形式作出的。
图4 灵敏度曲线
可见,对应不同的ε点,灵敏度不同,而且当W 0值不同时,s 的曲线也将不同。
经上述分析可知,在应用中需充分考虑光纤微
弯程度(W 0)、微弯数目(N )、张紧情况(kk ′)。另外在光纤参数选择方面,则应从微弯损耗与灵敏度两
方面综合考虑,比如选择大芯径,小纤径,小数值孔径或小折射率差的光纤,将使损耗增大,但灵敏度相对提高。
4 结论
本文提出了一种用于管道形变监测的光纤微弯
传感器,它突出的特点是不需外加变形装置,而仅由一根光纤自编织形成微弯,完成传感及传光功能。文中对它的传感机制及灵敏度进行了深入的理论分析,证明它可实时监测管道形变;另外,还采用数值模拟方法,得出了一些重要结论,对实际应用具有一定的指导意义。参考文献:
[1] 许兆文,武志刚,高伟清,等.基于光纤微弯的缠绕式管
道形变传感器[J ].传感技术学报,2002,15(1):34237.
[2] 杨建良,郭照华,查开德.绞合式光纤应变传感器[J ].
力学学报,2001,33(2):2842287.
[3] 廖延彪.光纤光学[M ].北京:清华大学出版社,2000.
93295.
[4] 叶培大.光纤理论[M ].上海:知识出版社,1985.782
119.
[5] 叶培大,吴彝尊.光波导技术基本理论[M ].北京:人民
邮电出版社,1981.315.
作者简介:
吴晓立(1962-),男,副教授,硕士,从事激光技术、光纤传感器及其信号处理方面的研究。E 2mail :charleswu15555@https://www.wendangku.net/doc/d714503386.html,
(上接第453页)
[2] Kersey A D ,Berkoff T A ,Morie W W.Multiplexed
Bragg grating fiber 2laser strain 2sensor system with a fiber Fabry 2Parot wavelength filter [J ].Opt.Lett.,1993,18(16):137021372.
[3] Kersey A D ,Morey W.Multi 2element Bragg 2grating
based fiber laser strain 2sensor [J ].Electron.Lett.,1993,29(1):1122114.
[4] 张伟刚,开桂云,董孝义,等.光纤光栅多点传感的理论
与实验研究[J ].光学学报,2004,24(3):3302336.[5] Ortegta B ,Capmany
J ,Pastor
D ,et
al.
Full
characterization of long periodic superstructure fiber Bragg grating in multichannel devices [A ].Laser and Electro 2optical Society π98[C].Orlando ,Florids ,1998.[6] 王庆亚,秦 莉,韦占雄,等.光纤光栅梳状滤波器的设
计及制作[J ].光电子?激光,2000,11(1):20222.
作者简介:
甘维兵(1978-),男,湖北武汉人,助理研究员,硕士,主要从事光纤光栅传感及解调方面的研究。E 2mail :gwb_1@https://www.wendangku.net/doc/d714503386.html,
?
654?
光纤光栅温度传感器 报告
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》 课程作业报告 提交时间：2011年10月27 日
1 研究背景 （执笔人： ） 被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。 光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为： 2B eff n λ=Λ 式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。 这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势： （1）抗干扰能力强。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。 （2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。 （3）测量结果具有良好的重复性。 （4）便于构成各种形式的光纤传感网络。 （5）可用于外界参量的绝对测量。 （6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。 （7）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。 由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。但是它也存在一些不足之处。因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。 光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材
光纤光栅技术论文
光纤光栅及其技术在电力行业上的应用 摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感 技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可 调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各 种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术 难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未 来的发展趋势。 关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM
目录 第一章光纤光栅基本原理 1.1 前言 (1) 1.2 光纤光栅定义及分类 (1) 1.2.1光纤光栅的分类 (2) 1.3光纤光栅制作方法 (6) 1.3.1光敏光纤的制备 (6) 1.3.2成栅的紫外光源 (7) 1.3.3成栅方法 (7) 第二章光纤光栅技术应用 (10) 2.1 光纤光栅传感器的工作原理 (10) 2.1.1啁啾光纤光栅传感器的工作原理 (11) 2.1.2长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 (11) 2.2.4在电力工业中的应用 (12) 2.3 光纤光栅在光通信领域的应用 (12) 2.3.1.光纤光栅滤波器中的应用 (12) 2.3.2光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (14) 第三章光纤光栅的应用前景 (20) 3.1 光栅技术及拉曼光纤放大器发展应用 (20) 3.2 波分复用/解复用器 (20) 3.3 光纤滤波器 (21) 第四章光纤光栅结论 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23)
第一章光纤光栅基本原理 1.1 前言 1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是用488nm 可见光波长的氩离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来梅尔茨等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-2)，这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。 1.2 光纤光栅定义及分类 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，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生
光纤光栅原理及应用
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
光纤光栅的理论基础研究
高等光学论文 光纤光栅的理论基础研究 光纤光栅的理论基础研究 光纤由于具有损耗低、带宽大、不受电磁干扰和对许多物理量具有敏感性等优点，已成为现代通信网络中的重要传输媒介和传感领域的重要器件。光纤传感以其灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、可埋入工程材料及进行分布式测量等优点受到了广泛重视。 光纤光栅是近十多年来得到迅速发展的一种光纤器件，其应用是随着写入技术的不断改进而发展起来的。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，
从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。 第一部分光纤光栅的简介 1 光纤光栅的发展 1978年，加拿大通信研究中心的Hill等发现纤芯掺锗的光纤具有光敏性，并利用驻波干涉法制成了世界上第一根光纤光栅[1]。 1989年，美国东哈特福联合技术研究中心的Meltz等利用244nm的紫外光双光束全息曝光法成功地制成了光纤光栅[2]，用两束相干光相遇时所产生的干涉条纹使光敏光纤曝光，形成折射率的周期性永久改变，从而制成光栅。这种光栅已达到实用阶段。但这种方法有其缺点：一是对光源的相干性要求较高；二是对系统的稳定性要求高。 1993年，贝尔实验室的Lemaire等用光纤载氢技术增强了光纤的光敏性[3]，这种方法适用于任何掺锗的光纤。通过光纤的载氢能够将在不增加掺锗浓度的情况下，使光纤的光敏性大大提高。1993年，又提出了制作光纤Bragg光栅的相位掩模法[4,5]，是到目前为止最为实用化的一种方法，仍被普遍采用，但这种方法的主要缺点是制作掩模版，一种掩模版只对应一种波段的光纤光栅。 1996年，出现了长周期光纤光栅[6～8]，这种光栅的周期较长，可以在数十微米到几百微米之间。光纤Bragg光栅具有选择性反射作用，是将前向传输的纤芯模耦合到后向传输的纤芯模中去，而长周期光纤光栅则是将纤芯模耦合到包层模，而包层模在传播不远后会损耗掉，从而在透射光中形成损耗峰。 2 光纤光栅的类型 根据周期的长短，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Bragg光栅或反射光栅，Bragg光栅的特点是传输方向相反的纤芯模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器；而把周期为几十至几百μm的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅，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。 光纤光栅按波导类型可分为均匀光栅和非均匀光栅。均匀光纤光栅的特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为常数，这是最常见的一种光纤光栅，其反射谱具有对称的边模振荡，但是其边模振荡较大，在通信中容易引起码间串扰，而最典型的均匀光栅为均匀光纤Bragg光栅。而非均匀周期光纤光栅的特点是光栅的周期或
光纤温度传感器
光纤温度传感器 电子092班 张洪亮 2009131041
光纤温度传感器 摘要 本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。 关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理 1 引言： 光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光 纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。美国光纤
基于光纤光栅技术进行尖轨密贴监测可行性研究
?8?铁路匸程技术与经济2019年1月基于光纤光栅技术进行?尖轨密贝占监测可彳亍4生研究 王洪涛程伟鹫S高俊启-姚红兴J贾强S江向阳"，郑之良5 (1.安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽合肥230001；2.合安高铁股份有限公司， 安徽合肥，230001；3.南京航空航天大学土木工程系，江苏南京210016； 4.安徽庐铜铁路有限公司，安徽合肥230001； 5.安徽省铁路投资有限责任公司， 安徽合肥20001) 摘要：道岔尖轨密贴间隙的变化关系到行车安全，需要定时检测和严格控制。为解决目前道岔尖轨、心轨等密贴间隙测量困难的问题，此文引入光纤光栅技术，采用光纤光栅密贴计进行道岔尖轨密贴度的检测。介绍了安装方法，并通过现场试验，分析其灵敏度和测量误差。结果表明，现场测试的灵敏度与厂家提供的灵敏度相差8.5%,相差较小；最大测量误差为0.15mm,比标准要求的0.5mm小，符合测量要求。表明使用光纤光栅密贴检测计进行密贴度测量是可行的。 关键词:道岔尖轨；光纤光栅技术；密贴计；测量 中图分类号:U270.11文献标识码：A文章编号：1007-9890(2019)01-0008-04 Feasibility Study of Switch Rail Closely Connect Monitoring Based on Fiber Bragg Grating Technology Abstract:The change of closely connect clearance of switch rail is related to traffic safety,which requires regular detection and strict control.In order to solve the problem of the closely connect clearance measurement of switch rail and frog,the closely connect gauge based on fiber bragg grating technology is used to detect the switch rail closely connect.The installation method is introduced,and its sensitivity and measure?ment error are analyzed through field test.The results show that the sensitivity of field test is8.5%dif-ferent from that provided by manufacturer,and the maximum measurement error is0.15mm,which is smaller than0.5mm required by standard.It shows that it is feasible to use closely connect gauge to measure the closely connect clearance. Key Words：Switch rail；Fiber bragg grating technology；Closely connect gauge,Measurement o引言 随着铁路和城市轨道交通建设的发展，对运输的安全要求越来越高。受环境温度变化的影响和列车通过道岔时的冲击作用，道岔尖轨静态位置和动态时的位移量,特别是“密贴”间隙的变化关系到行车安全，需要定时检测和严格控制。 根据目前对这方面的研究状况，道岔尖轨、心轨等密贴间隙测量困难，精度较差，为解决这一问题,本文在检测密贴间隙试验中引入光纤光栅技术，采用光纤光栅密贴计进行密贴度数据测量。李维来等人⑵采用光纤光栅传感技术对钢轨进行了检测，得出的监测结果与手测值以及理论计算值相吻合,证明了光纤光栅技术在轨道领域应用的可行性。徐玉胜⑶通过光纤传感技术对广深港客运专线莲花湖桥隧试验段进行了监测，得出的光栅传感器监测精度高，可对钢轨进行实时动态监测,能够及时监测到这些参数的微小变化。张政⑷采用光纤光栅传感技术对轨道结构服役状态进行了实时在线监测，总结了已实施的光纤光栅传感监测项目经验,对实施过程中存在的问题给出了相应改进措施。以上几位学者所研究的都是光纤光栅技术在轨道领域的应用实例，证明了光纤光栅技术在轨道领域应用的优越性,但并没有将光
光纤光栅研究
布拉格光栅的研究 1 概述 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用[1]。 在光纤通信领域，利用光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光插、分复用器、光纤放大器的增益均衡器等[2]，这些器件都是光纤通信系统中不可缺少的重要器件，可见光纤光栅对光纤通信的重要性，因此光纤光栅也被认为是掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。 在光纤传感领域，光纤光栅也起到了及其重要的作用。光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。当光纤光栅所处的温度、应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参数也随之改变，通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功率变化可以获取所需的传感信息[3]，由此可见，光纤光栅是波长型检测器件，所以其不光具有普通光纤的优良特性，而且测量信号不易受光强波动及系统损耗的影响，抗干扰能力更强，还可利用波分复用技术，实现对信号的分布式测量。 由于光纤光栅的应用范围较为广泛，故本文只针对光纤光栅传感的应变检测机制进行一定的研究。光纤光栅可分为布拉格光栅和长周期光栅，在应变检测中，一般采用的布拉格光栅，下文中出现的光纤光栅指的是布拉格光栅。本文主要的工作主要是分析光纤光栅应变检测的原理，对光纤光栅应变检测进行一定的综述，以及对应变检测中很重要的增敏技术进行研究，并总结。 2 应变检测原理 根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅的中心波长λB 与有效折射率n eff 和光 栅周期Λ满足如下的关系[4] Λ=eff B n 2λ (2-1) 光纤光栅的反射波长取决于光栅周期Λ和有效折射率n eff ，当光栅外部产生应变变化时，会导致光栅周期Λ和有效折射率n eff 的变化，从而引起反射光波长的偏移，通过对波长偏移量的检测可以获得应力的变化情况。由于课上已经讲过，故不多做赘述，只是简要的回顾一下。接下来主要讨论应变对光纤光栅作用的模
光纤温度传感器简介
光纤温度传感器 摘要：本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势，分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理，最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。 关键字：光纤传感温度应用 1引言 在科研和生产中，有很多温度测量问题，传统的温度传感器有热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高，体积小，质量轻，易弯曲，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭窄和具有腐蚀性强的气体，液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。 2光纤温度传感器分类 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制，振幅调制，偏振态调制；按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。传光型与传感型相比，虽然灵敏度稍差，但可靠性高，实用的传感器大多是这种类型。 目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。 2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，近年来光纤光栅成为发展最为迅速，最具代表性的光纤无源器件之一，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。 光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg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Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程： =2nA 式中：为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。 长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。 光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，如图1所示：
光纤温度传感器
光纤温度传感器的种类很多，除了以上所介绍的荧光和分布式光纤温度传感器外，还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等等，由于其种类很多，应用发展也很广泛，例如，应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。 分布式光纤温度传感器在电力系统行业的发展 光纤温度传感器在电力系统的应用中得到发展，由于电力电缆温度、高压配电设备内部温度、发电厂环境的温度等，都需要使用光纤传感器进行测量，因此就促进了光纤传感器的不断完善和发展。尤其是分布式光纤温度传感器得到了改善，经过在电力系统行业的应用，从而使其接收信号和处理检测系统的能力都得到了提升。 光纤光栅温度传感器在建筑业的发展 光纤光栅温度传感器由于其较高的分辨率和测量范围广泛等优点，被广泛应用于建筑业温度测量工作中。西方很多发达国家都已普遍采用此系统，进行建筑物的温度、位移等安全指标的测试工作，例如，美国墨西哥使用光栅温度传感器，对高速公路上桥梁的温度进行检测。通过广泛使用，光栅温度传感器所存在的问题，如：交叉敏感的消除、光纤光栅的封装等都得到了解决，因而此系统得到了完善。 航空航天业中的应用发展 航空航天业使用传感器的频率较高，包括对飞行器的压力、温度、燃料等各方面的检测，都需要使用光纤温度传感器进行检测，并且所使用到的传感器数量多达百个，所以对传感器的大小和重量要求很严
格。因此，基于航空航天业对传感器的要求，光纤温度传感器的体积、重量规格方面都经过了调整。2222222分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器，通常用在检测空间温度分布的系统，其原理最早于1981年提出，后随着科学家的实验研究，最终研制出了此项技术。这种传感器原理发展是基于三种传感器的研究，分别是瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里渊散射（OTDR）的研究已取得了很大的进展，因此未来的传感器研究热点，将放在对基于喇曼散射（OTDR）的新分布式光纤传感器的研究上。最近，土耳其Gunes Yilmaz开发出了一种分布式光纤温度传感器，此传感器的温度分辨率是1℃，空间分辨率是1.23m。在我国也有很多大学展开了对分布式光纤温度传感器的研究，例如，中国计量大学1997年发明出煤矿温度检测的传感器系统，其检测温度为-49℃～150℃，温度分辨率为0.1℃。 光纤荧光温度传感器 当前最热门的研究，就是针对光纤荧光温度传感器，其是利用荧光的材料会发光的特性，来检测发光区域的温度。这种荧光的材料通常在受到紫外线或红外线的刺激时，就会出现发光的情况，发射出的光参数和温度是有着必然联系的，因此可以通过检测荧光强度来测试温度。世界各国的高校都设计过此类传感器，例如，韩国汉城大学发现10cm的双掺杂光纤，在其915nm的地方所反射出的荧光强度所对应的温度指数是20℃～290℃；我国清华大学借用半导体GaAs原料来吸收光，进而以光随温度改变的原理，研发出了温度范围是0℃～
光纤光栅技术论文
光纤光栅及其技术应用研究 摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感 技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可 调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各 种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术 难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未 来的发展趋势。 关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM Fiber Grating and Its Application Research Abstract: analysis of the basic principle of fiber grating demodulation method and the common demodulation of the working mechanism, performance and characteristics,From the optical fiber sensing Technology, introduces the advantages of optical fiber grating sensors the advantages of intelligent structure,For wavelength demodulation methods such as matching demodulation method, the tunable laser method, interfering method, filtering method to do a detailed discussion,Expounds the corresponding system design scheme, and the advantages and disadvantages of each method are analyzed and discussed.Put forward in practical application fiber grating sensors in the
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监测中的应用
光纤光栅传感器及其在桥梁结构健康监 测中的应用 姓名：朱少波 学号：U201115536 班级：电气中英1101班 2015年1月23日星期五
摘要：作为20世纪测试领域的重大发明，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并已经成 为诸多领域的前沿研究与应用方向。本文主要介绍了相关产业化企业近年来基于光纤光栅感知元件发展起来的系列传感器、部品、重大土木工程结构健康监测的应用以及项目研究与产业化状况。主要包括：光纤光栅系列直接传感器、光纤光栅间接传感器、光纤光栅传感部品（结构）与结构健康监测的光纤光栅传感网络与集成系统及其在大型桥梁结构健康监测中的应用。最后，介绍了课题组与相关企业在该方向的项目研究、国际合作与产业化情况，并指出该方向的主要研究与应用方向。 关键词：光纤光栅传感器，桥梁结构，健康监测 1.引言 重大桥梁工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对重大桥梁工程结构增设长期的健康监测系统，以监测结构的服役安全状况，并为验证结构设计、施工控制以及研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的手段，并实时监测其服役期间的安全状况、避免重大事故的发生。结构健康监测已经成为世界范围内重大桥梁结构工程的前沿研究方向。 然而，重大桥梁工程结构和基础设施体积大、跨度长、分布面积大，使用期限长，传统的电学量传感设备组成的长期监测系统性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程需要。随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元件的出现与发展，更为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤通信技术和光纤传感技术在20世纪后半叶至21世纪初期的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感技术随着光通信技术的发展应运而生，尤其是光纤光栅的出现不仅给光纤传感技术，而且给相关领域带来了一次里程碑式的革命[1]，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型智能传感器[2]。与传统的各类传感器相比光纤光栅传感器具有以下优点[3]： 1)抗电磁干扰，电绝缘，本质安全 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这一特性使其在高压、强电磁干扰、易燃、易爆的环境中能有效的传感。 2)耐腐蚀 由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料组成，承受环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于结构的长期健康监测。 3)测量精度高 光纤传感器采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的皮米量级，对应温度监测中0.1℃与应变监测中1με。光测量及波长调制技术使光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 4)测量对象广泛
哈工大光纤传感技术结题论文
光纤温度传感器读书 报告 导师：刘丽华 学院：机电工程学院 学号：1100800609 姓名：王震宇
光纤温度传感器的研究进展和应用 关键词:光纤传感;温度;研究进展;应用 摘要:分析了光纤温度传感器的优点,综述了光纤温度传感器的发展现状和应用。分别介绍了分布式光纤温度传感器,光纤光栅温度传感器,干涉型光纤温度传感器,光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光线暗温度传感器的工作原理和研究现状,详细介绍了各种传感器的特点及各自的研究方向。 0 引言 温度是很常见也是很重要的物理量，它与人类生活和科学研究有着密切关系，所以温度的检测至关重要。但是其中的一些应用领域将面临特殊的工作环境，这对于温度的测量可能会造成一些特殊的困难。例如油井中的温度会随着开采深度的增加而不断提高，电力系统的测温环境具有高电压，大电流，强电磁干扰和空间狭小等特点，这就要寻求可靠性高，抗电磁干扰性强，响应快，体积小的新型传感器。尽管目前已有许多高温研究成果，但对于像火药燃烧时的温度等变化的高温数据很难通过传统的热响应率较慢的热电偶得到，并且所测结果是否能准确反映客观对象的真实情况也是一个棘手的问题。此时传统
的温度传感器难以进行有效的实时监测。近年来充分发挥光纤特性的光纤传感器为解决这些测试技术难题提供了途径。 光纤测温是二十世纪七十年代发展起来的一门新兴测温技术，与传统的温度传感器相比具有很多优点，光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配，光纤共走频率宽，动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电，体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃，易爆，空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。国外一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果，不少光纤温度传感器系统已实用化，成为替代传统温度传感器的商品。所有与温度相关的光学现象或特性，本质上都可以用于温度测量。基于此，用于温度测量的现有光学技术相当丰富。目前对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的20%。 光纤温度传感器的研究，除对现有器件进行外场验证，完善和提高外，目前有以下几个发展动向：开发包括测量温度在内的多功能的传感器；研制大型传感器阵列，实现全光学遥测 一光纤温度传感器的光学原理及其分类 在光纤中主要涉及三种散射:瑞利散射,喇曼散射和布里渊散射,根据这三种散射,分布式光纤温度传感器可分为下面三种类型. 1.1 瑞利散射 瑞利散射是指光与微小粒子相遇时,光将向各个方向散射的现象.光
基于F-P滤波器的光纤光栅传感解调技术的研究
南京邮电大学 硕士学位论文 基于F-P滤波器的光纤光栅传感解调技术的研究 姓名：王杰 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：黄勇林 2011-03-09
摘要 光纤光栅（fiber grating）作为最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，在传感方面的应用研究引起了人们普遍的关注。作为传感器件，光纤光栅把被测参量的信号转化为其反射波长的偏移，既波长编码，因此可以不受光源的功率波动和系统损耗的影响。而如何对波长编码信号进行高精度的解调，是光纤光栅大规模推广和应用于实际的关键技术。本文主要对光纤Bragg光栅（FBG）传感系统进行研究，重点讨论了基于F-P滤波器的解调方案，在其基础上提出了基于F-P滤波器的自相关解调法，并在其基础上进行了改进。 首先，分析了光纤传感器和光纤光栅传感器的技术特点，研究了光纤光栅传感器的现状以及其发展趋势，从光纤光栅和光纤光栅传感器的基本理论入手，建立了光纤光栅在温度和应力的影响下的传感模型。分析了可调谐F-P滤波器的基本原理以及主要参数，并通过数值仿真，得到不同参数对可调谐F-P滤波器的影响，从而为可调谐F-P滤波器的选择提供了理论依据。 其次，分析并比较了光纤Bragg光栅传感网络的几种复用技术与常见的解调方案后，提出了可调谐F-P滤波器法。研究了可调谐F-P滤波器法的基本原理，通过理论的分析以及相应的数值仿真，得到了探测器接收光功率与可调谐滤波器带宽之间的关系以及探测器的测量灵敏度曲线。在基本原理的基础上，重点研究了基于可调谐F-P滤波器传感阵列，研究表明，当相邻光栅工作波长的间隔小于0.4nm时，会对解调系统的输出产生严重的影响，使得解调工作无法完成。该研究对解调系统中光栅的选取有着一定的指导意义。 最后，针对可调谐F-P滤波器解调的不足，提出了基于F-P滤波器的自相关解调法，分析了其解调性能，并在其基础上进行了算法的进一步的改进，最后通过Matlab进行了数值仿真，验证了该方案不仅能够消除系统中相邻Bragg光栅波长选取对系统输出的消极影响，还能在很大程度上减小自相关解调带来的时延。此算法增加了传感解调系统的精确度与实时性，为实际应用提供了较好的理论依据。 关键词：光纤Bragg光栅，传感器，解调，可调谐F-P滤波器，自相关解调
光纤光栅传感技术发展综述
Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105 Published Online September 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/d714503386.html,/journal/oe https://https://www.wendangku.net/doc/d714503386.html,/10.12677/oe.2018.83014 Development in Fiber Bragg Grating Sensing Technology Shanchao Jiang School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018 Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology. Keywords FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology 光纤光栅传感技术发展综述 蒋善超 盐城工学院电气工程学院，江苏盐城 收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日 摘要 为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。 关键词 光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术
光纤布拉格光栅(FBG)介绍
光纤布拉格光栅(FBG)介绍 1 介绍 FBG是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅。 在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。 近年来，随光纤光栅的重要性被人们所认识，各种光纤光栅的制作方法层出不穷，这些方法各有其优缺点，下面分别进行评述。 2光纤光栅制作方法 2.1光敏光纤的制备 采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写人光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为(10的负4次方)数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：1)掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。2)多种掺杂(主要是B/Ge 共接)。3)高压低温氢气扩散处理。4)剧火。
2.2成栅的紫外光源 光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。目前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。2.3成栅方法光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件苛刻，成品率低，使用受到限制。 目前主要的成栅有下列几种。 1)短周期光纤光栅的制作 a)内部写入法内部写入法又称驻波法。将波长488nm的基模氛离子激光从一个端面耦合到错掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的人射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，现在很少被采用。示。用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由∧=λuv/(2sinθ)给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。
光纤光栅传感器技术及其应用
所谓光纤光栅就是指光纤纤芯中周期性的折射率变化所形成的光栅效应。光纤光栅是基于光纤的光敏特性制成的,是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。其实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。 一般的土木工程,例如,桥梁、水坝、高速公路、楼房等,动辄需要几千万、上亿元的建设资金,而普通的修理和维护费用也相当可观。因此,人们急于找到一种有效的方法来监测这些建筑物的内部状态,提高使用寿命,减少维护费用。在众多解决方案中,最有发展前途的就是“3S ”系统。“3S ”是智能材料(smart-material)、智能结构(smart-structure)和智能皮肤(smart-skin)的缩写。它将高超的光纤光栅技术、光神经网络、光纤致动仪器有机地融为一体,利用掩埋或贴附技术把它们复合到制造现代运载体(如飞机、舰船、坦克等)或各种建筑体(如桥墩、大坝、楼房等)的框架、承力件外蒙皮的复合材料中,制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏表皮形成智能传感系统。“3S ”系统就像人体的“神经网络”一样,对被测体的多种参数如应变、温度、应力、老化、裂变等进行大面积实时综合测量、诊断和控制,并通过测量和数据处理系统进行状态分析,对各种越限行为及时告警,必要时采取应急措施。 1光纤光栅传感器的应用背景 光纤光栅传感器的工作原理是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化,从而引起光纤光栅布拉格波长的变化。通过建立并标定光纤光栅的应变或温度响应与被测 参量变化关系,就可以由光纤光栅波长的变化,测出被测参量的变化[1]。 光纤光栅与光纤之间存在天然的兼容性。它不仅具有易与光纤连接、损耗低、光谱特性好、可靠性高等特点,而且作为传感元件,具有其它传感器无可比拟的优点,即感应的信息用波长编码。波长这个绝对参量不受光源功率的波动及连接或藕合损耗的影响,在一根光纤中可连续写入多个光栅构成光栅阵列。由于光纤光栅具有抗腐蚀、抗电磁干扰、轻巧柔软等特点,因此,将光纤光栅阵列与波分复用和时分复用系统相结合,将其埋入材料和结构内部或贴装在其表面,可对材料的特性(如温度、压力、应变等)实现多点监测。这种传感器在大型结构(如水坝、桥梁、重要建筑和飞行器等)的安全监测方面具有极为广泛的应用前景。利用光纤光栅的温敏和压敏特性,制作对温度、压力、应变等诸多参量敏感的各种阵列式传感器,将成为光纤光栅技术发展的重要趋势之一。因此,光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国有关研究者的广泛关注和极大的兴趣。 虽然有着波长编码等优点,一般的FBG 传感器只能测量纵向应变或温度。因为FBG 同时对应变和温度敏感,所以要测应变只能先去除温度影响,否则两个量会交叉干扰。然而,在工业生产、过程控制、结构监测等方面,人们越来越渴望打破这种限制,获得一种能够同时测量多个参量的传感器,特别是能同时测量纵向和横向应力、温度、剪力。 近年来,人们在多参量测量方面取得了一些进展。这些技术主要是在传感头上写入两个或多个光栅(待测参量数与光栅数成正比),这些光栅有着不同的应力与温度特征,通过测量它们的布拉 光纤光栅传感器技术及其应用 张洪宪 (杭州职业技术学院,杭州310018) 摘要:分析了光纤光栅传感器的理论及技术发展,介绍了光纤光栅器及其传感网络系统应用的最新进展。关键词:光纤光栅;传感器;二维光纤光栅中图分类号:TM923 文献标识码:A 文章编号:1673-1980(2007)03-0044-03 收稿日期:2007-05-11 作者简介张洪宪(65),男,浙江温岭人,杭州职业技术学院信息电子系副教授,理学硕士,研究方向量子光学与激光物理。 第9卷第3期重庆科技学院学报(自然科学版)2007年9月 :19-:44