實(shí)驗(yàn)光纖光柵溫度傳感

1、實(shí)驗(yàn)名稱 光纖光柵溫度傳感實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解在光纖的纖芯中制作光柵的基本方法（光纖光柵的制作）；2、掌握光纖光柵信號傳輸?shù)脑恚?3、掌握光纖光柵溫度傳感的原理； 4、進(jìn)一步掌握新的光纖光柵布喇格波長的檢測方法（長周期光纖光柵線性濾波解調(diào)方法）； 5、掌握普通光纖光柵溫度傳感的優(yōu)點(diǎn)及其適用范圍。 二 實(shí)驗(yàn)儀器 ase自發(fā)輻射寬帶光源，光纖跳線，法蘭盤，光譜儀（單模通信光纖接口），光纖耦合器（測反射譜峰值時(shí)用，測透射譜峰值不需要），溫度控制儀（模擬實(shí)際測量溫度場），光纖熔接機(jī)（代價(jià)大，僅限備用） 三 實(shí)驗(yàn)原理1. 光纖布喇格光柵原理 光纖布喇格光柵的原理是由于光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光

2、纖波導(dǎo)條件的改變，導(dǎo)致一定波長的光波發(fā)生相應(yīng)的模式禍合，使得其透射光譜和反射光譜對該波長出現(xiàn)奇異性，圖1表示了其折射率分布模型。整個光纖曝光區(qū)域的折射率分布可表示為： （1）式中 f(r,z）為光致折射率變化函數(shù)，具有如下特性： 式中 a1 為光纖纖芯半徑；a2為光纖包層半徑，相應(yīng)的n1為纖芯初始折射率；n2為包層折射率；n(r,z）為光致折射率變化；nmax為折射率最大變化量。 因?yàn)橹谱鞴饫w光柵時(shí)需要去掉包層，所以這里的n3一般指空氣折射率。之所以式中出現(xiàn)r和坐標(biāo)項(xiàng)，是為了描述折射率分布在橫截面上的精細(xì)結(jié)構(gòu)。 圖1 光纖光柵折射率分布示意圖 為了給出f(r,z）的一般形式，必須對引起這種折射

3、率變化的光波場進(jìn)行詳盡分析。目前采用的各類寫入方法中，紫外光波在光纖芯區(qū)沿徑向的光場能量分布大致可分為如下幾類：均勻正弦型、非均勻正弦型、均勻方波型和非均勻方波型。從目前的實(shí)際應(yīng)用來看，非均勻性主要包括光柵周期及折射率調(diào)制沿 z 軸的漸變性、折射率調(diào)制在橫截面上的非均勻分布等，它們分別可以采用對光柵傳播常數(shù) kg 修正與 z 相關(guān)的漸變函數(shù)(z)，以及采用 n(r）代表折射率調(diào)制來描述。為了更全面地描述光致折射率的變化函數(shù)，可以直接采用傅里葉級數(shù)的形式對折射率周期變化和準(zhǔn)周期變化進(jìn)行分解?；谶@些考慮，可以采用下列一般性函數(shù)來描述光致折射率變化： (2)式中fo(r,z）表示由于纖芯對紫外光的

4、吸收作用而造成的光纖橫向截面曝光不均勻性，或其他因素造成的光柵軸向折射率調(diào)制不均勻性，并有fo(r,z）max l , 這些不均勻性將會影響到傳輸光波的偏振及色散特性；kg 2為光柵的傳播常數(shù)；為光柵周期； q 為非正弦分布（如方波分布）時(shí)進(jìn)行傅里葉展開得到的諧波階數(shù)，它將導(dǎo)致高階布喇格波長的反向耦合； aq為展開系數(shù)；(z)為表示周期非均勻性的漸變函數(shù)。正因?yàn)?z)的漸變性，我們可以將它看作一“準(zhǔn)周期”函數(shù)，對包含有(z)的非正弦分布也進(jìn)行了類似于周期函數(shù)的傅里葉展開?？梢缘玫焦鈻艆^(qū)的實(shí)際折射率分布為 （3）該式即為光纖布喇格光柵的折射率調(diào)制函數(shù)，它給出了光纖光柵的理論模型，是分析光纖光柵特

5、性的基礎(chǔ)。 2. 光纖布喇格光柵的制備系統(tǒng)所用的光纖光柵是利用紫外光的相位掩模法寫入的。為增加光纖的光敏性，通常在石英纖芯材料中摻入一定量的鍺，濃度一般大約是在3mol左右。在制作光柵前需要對光纖進(jìn)行載氫處理。光纖載氫與其他增敏技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)：a.它可以把光纖的光敏性提高兩個數(shù)量級或者更多；b.它僅僅對被uv光輻照區(qū)產(chǎn)生作用；c. 載氫比較簡單易行；它并不改變光纖的強(qiáng)度；平行紫外激光束遮擋物石英相位版成柵光纖對光纖進(jìn)行載氫處理后，借助相位掩模板，利用紫外激光寫入光柵的示意圖如圖2所示：圖2 光纖光柵制作示意圖整個制備過程可按照如下的步驟：載氫光纖Þ 去涂覆層Þ 擴(kuò)束

6、光系統(tǒng)準(zhǔn)直Þ 光器件逐件插入Þ 采用he-ne激光器對準(zhǔn)Þ 光纖相位版壓緊過程中螺釘均橫擰緊Þ 放到輻照支架上制備等幾個主要步驟。在制備光纖光柵的過程中應(yīng)注意應(yīng)該注意通過光譜儀對光柵的實(shí)際生長過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。為了在較短的時(shí)間內(nèi)去除光纖中的氫氣，提高光柵的穩(wěn)定性，通常采用高溫退火的方法。所謂的高溫退火就是將光柵在溫度高達(dá)幾百攝氏度的環(huán)境中放置一段時(shí)間，通常在十幾至幾十個小時(shí)左右。而且具體的退火溫度應(yīng)控制恰當(dāng)。光纖光柵的實(shí)際制作涉及很多細(xì)節(jié)的方面，例如：對于制作不同長度的光柵，可以對紫外激光光斑進(jìn)行聚焦或者是擴(kuò)束，或者采用掃描的方法；光纖和振幅掩模板在光

7、柵制作的時(shí)候一般是保持垂直，但是有時(shí)候也可以通過調(diào)節(jié)它們的夾角來對光柵的周期進(jìn)行微調(diào)；在對光柵刻制的實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)必須考慮由于光柵區(qū)溫度的明顯升高導(dǎo)致諧振波長的變化等等。3. 光纖布喇格光柵的溫度傳感原理光纖光柵纖芯中的折射率調(diào)制周期由下式給出： (4) 這里uv是紫外光源波長，是兩相干光束之間的夾角。 由于周期性的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響，因此，如果寬帶光波在光譜中傳播時(shí)，入射光將會在相應(yīng)的頻率上被反射回來，其余的透射光譜則不受影響，這樣光纖光柵就起到了光波選擇的作用。對于這類調(diào)諧波長反射現(xiàn)象的解釋，首先由威廉布拉格爵士提出，因而這種光柵被稱為布拉格光柵，反射條件稱為布拉格條件。

8、在布拉格光柵中，反射波長由下式給出： (5) 其中neff是光纖芯區(qū)有效折射率。只有滿足布拉格條件的光波才能被布喇格光柵反射。 當(dāng)寬帶光源入射到光纖布喇格光柵時(shí),光譜中以光柵的布喇格波長為中心的窄光譜在光柵處被反射，其它大部分將透射而沿原來方向傳輸，如error! reference source not found.所示。圖3 寬帶光源經(jīng)光纖布喇格光柵后的反射和透射譜示意圖對（5）式取微分可得： (6) 從式中可以看出，當(dāng)外界的應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，將會導(dǎo)致光纖光柵的或者neff的改變，因而檢測光纖光柵中心反射波長的變化，可以獲知外界應(yīng)力的變化。同樣，當(dāng)光柵的溫度改變時(shí)，熱膨脹和熱光效應(yīng)會引起的折

9、射率改變，從而引起光柵中心波長的改變，這一改變與光柵溫度的改變同樣成良好的線性關(guān)系。測量光柵的中心波長的改變量，即可計(jì)算應(yīng)變和（或）溫度。通過適當(dāng)轉(zhuǎn)換，這一現(xiàn)象就可以用來傳感多種物理和化學(xué)量等。當(dāng)光纖光柵不受應(yīng)力作用，只是環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵中心反射波長的變化為 由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化dl為 (7) 式中a為光纖的熱膨脹系數(shù)。由熱光效應(yīng)引起的有效折射率變化為： (8) 式中x為光纖的熱光系數(shù)，表示折射率隨溫度的變化率，則可得： (9) 也即 (10) 式中為光纖的熱膨脹系數(shù)，為光纖的熱光系數(shù)，和均為一常數(shù)。對于普通的石英光纖光柵有：,因此式2.59表明，布喇格波長位移同溫度也呈

10、線性關(guān)系，通常其中心波長的溫度靈敏性為，即溫度每變化，布喇格波長漂移11.1nm。 四 實(shí)驗(yàn)裝置及信號解調(diào)1、光纖光柵溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 光纖光柵溫度傳感示意圖如4所示，寬帶光源發(fā)出的光傳送到光纖光柵，光纖光柵反射回一個窄帶光，其透射光傳送到光纖光譜儀，從而可測出透射光的布喇格波長（近似值，因可能存在吸收損耗等因素）。光纖光柵作為傳感探頭放在光纖光柵實(shí)驗(yàn)溫控器的溫控盒中，溫控盒中的溫度是可變的，而溫控盒中溫度的變化會導(dǎo)致光纖光譜儀所檢測的布喇格波長發(fā)生變化。 待測物體溫度傳感通道光纖布喇格光柵法蘭盤光纖跳線寬帶光源法蘭盤光譜儀溫控儀 圖4 光纖光柵溫度傳感實(shí)驗(yàn)圖2. 光纖布喇格光柵溫度傳感

11、的波長信號解調(diào)2.1光纖布喇格光柵的解調(diào)方法三：長周期光纖光柵解調(diào)法（基于線性濾波解調(diào)）在光纖光柵傳感技術(shù)中術(shù)中，由于被測信號是波長編碼的，如何簡單、快速、精確的將微小的波長移動量精確的解調(diào)出來，是fbg傳感器系統(tǒng)中至關(guān)重要的問題。為了解決此問題，研究人員相繼開發(fā)了一些波長解調(diào)技術(shù)，主要有干涉解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧濾波解調(diào)技術(shù)、匹配濾波解調(diào)技術(shù)等。在上述解調(diào)方法中，干涉解調(diào)技術(shù)測量精度很高，但是其測量的是相對值，且測量范圍受限于干涉儀的自由光譜范圍；可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)信號檢測方便，分辨率高，但是光源難以制作，成本較高；可調(diào)諧濾波解調(diào)技術(shù)解調(diào)范圍大，但是掃描周期長，測試速度慢，并且

12、重復(fù)性差；匹配濾波解調(diào)技術(shù)方法簡單實(shí)用，但是解調(diào)范圍太小。實(shí)驗(yàn)中利用長周期光纖光柵作為布喇格光纖光柵的波長解調(diào)元件。在長周期光柵的透射譜中，特定諧振損耗峰的強(qiáng)度下降邊(或上升邊)所包含的某一波長范圍內(nèi)其光強(qiáng)度為線性（線性擬合誤差在10-4量級）的減?。ɑ蛟龃螅眠@一點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)長周期光柵對寬帶光源的調(diào)制，產(chǎn)生一個在某波長范圍內(nèi)強(qiáng)度為線性變化（下降或上升）的光源。選擇具有合適波長的布喇格光柵，使其中心波長b處于長周期光柵透射譜的線性區(qū)范圍內(nèi)，并靠近線性區(qū)的中間位置，如圖2所示。當(dāng)布喇格光纖光柵的波長被傳感信號調(diào)制時(shí)，其反射峰在長周期光纖光柵透射譜線性區(qū)的相對位置發(fā)生變化，但其譜型不隨被測信號改變

13、，則布喇格光纖光柵反射的絕對光功率將線性變化，因此光電探測器的光電流將線性變化，這樣可解調(diào)長周期光纖光柵的波長變化。這一原理與線性濾波器相似，但布喇格光纖光柵相對于線性濾波器有兩點(diǎn)明顯優(yōu)勢：速度快和代價(jià)小。圖 5 利用長周期光纖光柵解調(diào)布喇格光纖光柵波長信號的解調(diào)原理圖 2.2 光譜儀直接測量波長優(yōu)點(diǎn)：直觀，操作簡單，準(zhǔn)確，誤差小缺點(diǎn)：解調(diào)元件體積大五 實(shí)驗(yàn)步驟及操作要點(diǎn) 1、檢查光路連接是否妥當(dāng)、完備。 2、開啟自發(fā)輻射寬帶光源，注意先開電源開關(guān)，再開激光（laser）開關(guān)。 3、開啟光纖光譜儀。4、檢查光譜儀的一些基本參數(shù)設(shè)置是否合適，包括波長范圍，中心波長，光強(qiáng)參考值，采樣點(diǎn)數(shù)等。5. 按光譜儀single鍵進(jìn)行預(yù)掃描。6. 觀察掃描的光譜圖，并根據(jù)掃描圖預(yù)設(shè)掃描參數(shù)。7. 記錄光纖光柵的初始波長值，即光纖光柵在初始室溫時(shí)的波長值。8. 預(yù)設(shè)溫度控制儀的溫度值至-20，待溫控箱溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度并穩(wěn)定時(shí)，按按光譜儀single鍵進(jìn)行掃描，按光譜儀“peak/ dip search”鍵測出光譜dip處波長，并記錄。9. 調(diào)光纖光柵實(shí)驗(yàn)溫控儀的溫控按鈕，每次使溫度升高5，一直到溫度增加到30為止，記錄溫度值及對應(yīng)的光纖光柵中心波長。10. 整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格。11. 用最小二乘法擬合出實(shí)驗(yàn)曲線（理論為直線）的斜率。 六 數(shù)據(jù)記錄及處理 l、