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λB的调制来获取传感信息，其数学表达式为：
λB=2neffΛ
式中：neff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
料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。
2.传感设计与可行性论证（执笔人：）
根据耦合模理论，光纤布拉格光栅的中心反射波长可以表示为：
λB=2neffΛ
式中
与有效折neff为导模的有效折射率，Λ为光栅的周期。由(1)式可以看出，中心反射波长λBneff射率 和光栅周期Λ有关；有效折射率neff和光栅周期Λ会随着温度、压力、应变的变化而变化，从而根据中心反射波长的变化量来测量温度，压力，应变等变化量。
当光纤光栅受到轴向外力及温度的影响时，其光栅周期Λ和纤芯折射率
化，光纤光栅反射波长也会发生变化。其关系式为： neff将会发生变
∆λB=2neff∆Λ+2∆neffΛ
对于(2)式，假设仅有温度变化时，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为 ：
∆Λ=α∙Λ∙∆T (3)
式中∂为光纤的热膨胀系数。热光系数引起有效折射率变化为：
∆neff=ξ∙neff∙∆T (4)
式中ξ 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。因此可得光纤布喇格光栅的温度灵敏度系数：
KT=∆λB=α+ξ (5) ∆T∙λB
-6o-6oξ=7.0⨯10/C，α=0.5⨯10/C对于普通的光纤光栅，比如掺锗石英光纤， ，
可以估算出常温下光纤光栅的温度灵敏度系数大约为7.5⨯10-6/oC。
由数据可见，若要把光纤光栅应用于实际的传感，必须对光纤光栅的灵敏度进行温度增敏，增加光纤光栅对温度的灵敏度，方法一般都是对光纤光栅进行封装。对于封装后的光纤光栅传感器，其温度灵敏度系数为：
KT=∆λB=α+ξ+(1-Pe)(αs-α) ∆T∙λB
设计高灵敏温度光纤光栅传感器，常用方法是采用热膨胀系数大的材料封装光纤光栅。
常用的材料是热膨胀系数大的金属材料，聚合物材料，合金材料等。常用的封装方式有：选用热膨胀系数较大的金属材料对光纤光栅进行贴片封装和把光纤光栅以嵌入式的方法封装在热膨胀系数较大的聚合物材料中等。
3.传感器解调系统设计（执笔人：）
解调方案影响到整个传感系统的精度、分辨率的参数。现今常见的实现对波长编码的解调方法包括：可调激光器解调方案、可调滤波解调方案、边缘滤波解调方案和干涉仪解调方案等。其中利用可调滤波器和干涉仪来实现解调是目前最重要也是应用最广泛的两种方法。
干涉仪解调基本方法是：把从传感FBG反射的光用耦合器分为光强相等的两路，然后引入一定的路程差，当两路光重新汇合发生干涉的时候，就存在一个相位差。对于不同中心波长的发射光，经过相同路程差所引入的相位差是不一样的，其所得的干涉光的光强也是不一样的。通过从干涉光强中解出相位差的信息，就能得到反射光中心波长的信息。
图1 基于非平衡M-Z干涉仪的解调方案
用于信号解调的干涉仪有M-Z干涉仪、Michelson干涉仪和Sagnac环干涉仪等。1992年以来A.D.Kersey等人就先后提出了一系列基于非平衡M-Z干涉仪的解调方案，其基本结构如图1所示。
假设非平衡M-Z干涉仪两臂引入的路程差为 L，那么干涉时的相位差可表示为：
ϕ(λ)=2π∆neff∆L
λB
如果不引入其他噪声，且两束干涉光光强相等时，其干涉光强可表示为：
I(λB)=A+Acos(2π∆neff∆L
λB)
可见输出光强是反射光中心波长的函数。另外从上式中可以看到，干涉光强中带有直流信号，这样会影响到系统的分辨率。因此，如图1所示，通过差分放大，能够抑制干涉信号的直流分量，从而提高系统的分辨率。
这种解调方案分辨率高，响应速度快，非常适合于动态测量。但是由于是通过相位差来反映中心波长，其最大变化范围为2π，超过以后将无法得到正确的中心波长值，因此限制系统的测量范围。另外，由于干涉强度对于相位差相当敏感，因此干涉两臂所处环境的噪声对系统影响较大，也是该系统缺陷之一。
4.误差分析（执笔人：）
FBG 温度传感器增敏的原理是利用FBG 对温度和应变同时敏感的特性， 通过合理的结构设计， 把FBG 和高热膨胀系数材料封装在一起， 当被测温度变化时， 通过高热膨胀系数材料的形变向FBG 施加一个应变量， 使得FBG 的返回波长变化量加大。 基于此原则的方法大体上分为两种:
( 1)直接将FBG 粘贴在高热膨胀系数材料上， 当温度升高时， 高膨胀系数材料直接拉动FBG， 使FBG 的应变加大， 返回中心波长的变化量增加。 然而， 这种增敏方式有明显的缺点: 增敏效果受到材料的热膨胀系数制约、分辨率有限、而且伴有啁啾的负面效应。 ( 2)通过采用双金属结构的方法实现温度增敏， 效果明显。 温度变化时， 双金属结构把2 种热膨胀系数不同的金属的长度变化量的差转化成FBG 长度的变化量， 从而提高FBG的温度灵敏度。 可是， 他们没有对该类型的FBG 温度传感器的结构和精度作进一步研究， 限制了它的应用范围。
基于上面所提到的2 个缺点，利用光纤光栅对温度和应变同时敏感的特性， 设计制作了一款双金属光纤光栅温度传感器， 在地震前兆观测时能满足地温观测的精度要求。 双金属的温度增敏原理如图2 所示。
图2 传感器结构示意图。
当温度变化时， 材料A 和材料B 长度均变化，且A 长度的变化量比B 长度的变化量大得多， A 、B 长度的变化量的差值直接传递给了FBG。 当FBG的应变发生变化时， 其返回波长会随之发生变化。
FBG 的应变量越大， 返回波长变化量也就越大。 因此， 可以通过调整A 和B 的长度和选用不同热膨胀系数的材料来控制FBG 的应变量， 从而实现高分辨率和高精度的温度测量。 实验证明: 该传感器的精度达到% 0.05 ℃ ， 获得了现今光纤光栅温度传感器最高的分辨率0.001 4 ℃ / pm， 再稍微扩展下还能利用这个原理， 设计制作一款灵敏度系数可调的高灵敏度光纤光栅温度传感器 ， 并通过调整高灵敏度光纤光栅温度传感器的灵敏度改变其量程。
图3 双管式光纤光栅温度传感器结构示意图。
图3 为双管式光纤Bragg 光栅温度传感器的结构示意图。 其中， 外套管隔离了外加应力应变向内管的作用， 避免了外力通过内管传递给光纤Bragg 光栅。 同时， 由于内、外管均是热传导性能良好的金属材料( 比如: 铜) ， 故温度仍能通过外管和内管传递给光纤Bragg 光栅， 从而使得Brag g 波长响应温度变化而产生移位。 根据测温实验数据得到光纤光栅温度传感器的各项静态性能指标， 光纤光栅温度传感系统灵敏度为9.8pm/ ℃ ， 分辨率为0.102 ℃ ， 线性度为99.88%， 重复性误差1. 55% 。
心得体会
本次我们以光纤温度传感器作为调研方向，从所搜集的资料我们可以发现，光纤温度传感器作为光纤传感器中应用领域最广的传感器之一，它的发展历史已近40年，而且正在往更高效，更稳定的方向日渐改善。此外，在展开本课题调研之初，我们还对当今不同国家光纤温度传感器研究的深度及广度作了进一步调查，并体会到我国在该领域虽然起步较晚，但其发展速度迅速，且现发展水平还有待改善。
在关于光纤传感器的原理结构方面，我们选择了两个方案结构来实现，第一个为基于Mach-Zehnder干涉仪通过光条纹随温度变化来实现温度传感。由于对Mach-Zehnder干涉仪本身已有一定的学习理论基础，我们在这一方案中能较好的理解其原理，并对其应用过程中的优缺点做了进一步的分析。而对于第二个方案，我们采用单晶硅半导体作为传感器的核心，通过电子电路方式实现温度传感。该方案运用到LED以及低通滤波器等，操作性较为可行，但其对光谱谱宽有一定的要求，因此在光纤温度传感中容易出现误差，相对来说基于干涉原理的方案一其灵敏度较高，实现的可能性更高。
总的来说通过此次的调研我们对光纤传感器，特别是光纤温度传感器有了进一步的认识，当中包括其发展历史以及其原理结构。而值得注意的是，在光纤传感器的应用当中我们还应考虑到市场供应以及成本控制，配套器件的一系列要求，因此在以后的课题研究中我们还应对此方面作更多的关注。
参考文献（执笔人：）
1.吕海宝,黄锐,楚兴春.分布式光纤传感技术.光学仪器,1997,19(3):11-17.
2. 谢敬辉. 物理光学教程. 北京理工大学出版社.2005.
3. 周仁忠. 光电统计理论与技术. 北京理工大学出版社.2000.
4. 于美文. 光学信息处理. 国防工业出版社.1998.
5. 原荣. 光纤通信第三版. 电子工业出版社. 2010.