光纤布拉格光栅湿度传感器研究

第1页——共17页 光纤布拉格光栅温度应力传感器

崔丽

10401067

摘要：光纤光栅传感器是一种新型的波长编码传感器，与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比，具有很强的抗干扰能力，为温度、应力、应变等物理量的精确测量提供了很好的方法。本文在对光纤布拉格光栅温度和应力传感原理分析的基础上，讨论了多种解决交叉敏感问题的方法，归纳出建立“复用”传感器的一般方法。文章同时给出了基于悬臂梁结构的传感器，其位移与Bragg波长的关系，进而提出了光纤光栅位移和温度“复用”传感器的基本结构和原理。

关键词：光纤布拉格光栅；温度；应力；传感器

1. 引 言

光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大渥太华通信研究中心的K. O. Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1,2]开始，直到1989年，美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术[3]，才使得光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。其后，1993年，K. O. Hill等人提出了相位掩膜制造法，光纤光栅的制造技术得到了更进一步地发展[4]，使它灵活的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的，一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤光栅传感器是一种用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器。自1989年Morey报道[5]将其用于传感技术以来，光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣[6-9]。光纤光栅通常是通过外界参量对布拉格中心反射波长的调制来获取传感信息的。作为一种波长调制型的光纤传感器，它除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外，与传统的“光强型”[10]和“干涉型”[11]光纤传感器相比,还具有自身独特的优点[12-14]：探头结构简单，尺寸小，易于与光纤耦合，耦合损耗小；与光源强度、光源起伏、光纤弯第2页——共17页 曲损耗、光纤连接损耗、光波偏振态无关，因此它具有很强的抗干扰能力；并且易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络，实现分布式多点实时在线传感；同时测量对象广泛，易于实现多参数传感测量，所以广泛用于温度、应力、应变等物理量的测量[15-16]。并且随着光纤光栅的发展，又出现了一些利用崭新原理来实现传感的方法，比如利用反射带宽展宽的方法[17]等，这样进一步扩展了其在传感领域的发展空间。正是由于这些独特的优点，使得光纤光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。图1给出了显微镜下的嵌入式光纤Bragg光栅的合成结构图[18]。

２００７年第２期　总第１５６期　低　温　工　程　

ＣＲＹ０ＧＥＮＩＣＳ　Ｎｏ．２　２００７　Ｓｕｍ　Ｎｏ．１５６　

光纤布拉格光栅应变传感器的低温特性　

倪正华　叶晓平　徐　敏　黄荣进。　李来风。　

（　北京品傲光电科技有限公司　北京　１０００８４）　（　香港京和投资发展有限公司香港）　（　中国科学院理化技术研究所北京１０００８６）　

摘　要：研制了一种新颖的菱形光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）低温传感器。采用有限元方法分析了这　

种结构的力学性能和温度特性。将该装置置于低温（液氮）拉伸设备中，实验研究了这种封装形式的　低温应变特性。采用光纤布拉格光栅网络分析仪和低温应变仪，分别测量了液氮温度下菱形应变传　

感器的波长变化量和应变变化值，测得其应变系数为一０．７１８　５　ｐ，ｅ／ｐｍ，线性度达到０．９９９　８。　

关键词：光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）　应变传感器液氮　

中图分类号：ＴＢ６６３。ＴＢ３５　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－６５１６（２００７）０２－００１１　４　

Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｓｔｒａｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　

Ｎｉ　Ｚｈｅｎｇｈｕａ。Ｙｅ　Ｘｉａｏｐｉｎｇ　Ｘｕ　Ｍｉｎ。Ｈｕａｎｇ　Ｒｏｎｇｊｉｎ　Ｌｉ　Ｌａｉ￣ｎｇ　

（　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｐｉ－Ｏｐｔｉｃｓ　Ｃｏ．，Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　（　ＨｏｎｇＫｏｎｇ　Ｊｏｃｕｎｄ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｉｍｉｔｅｄ，ＨｏｎｇＫｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）　（　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｓｔｒａｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ｒｈｏｍｂｉｃ　ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃ—　ｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＢＧ　ｓｔｒａｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｅｒｅ　

光纤通信原理（论文）

文献综述

学院：

电气工程学院

题目：光纤湿度传感器应用

光纤湿度传感器研究进展

文献综述

学院：电气工程学院专业：通信工程

摘要：光纤湿度传感器是传感器的重要组成部分，而光纤湿度传感器的使用敏感材料也很多，原理也各有异同，导致传感器结构不同、检测方式有差异和成本相差较大等问题,引起了研究者的广泛兴趣。本文比较了几种主要光纤湿度传感器的特点，并对光纤湿度传感技术目前存在的问题及发展趋势进行了讨论。

关键词：光纤湿度传感器；湿度；敏感材料

1.引言

光纤湿度传感器具有体积较小，响应速度较快，抗电磁干扰强，适应温度范围大，动态范围较大，灵敏度非常高的特点，在恶劣的环境中能发挥天然的优势。因而在国防科研、石油化工和电力等领域的湿度检测中有着广阔的应用前景[ 1]。

光学湿度传感器主要是利用光学材料在空气相对湿度发生变化后, 材料的物理和化学特性将发生变化，介质感受到相应的变化，从而引起波长光学参数，光波导和反射系数的变化进行的湿度测量[1]。

2.光纤湿度传感器的分类

按照不同的传感原理，光纤湿度传感器可分为两类：一类是光功率检测型

[12]，即外界湿度变化引起传输光功率的变化，如基于锥形光纤 [13-15]

[16,17]、塑料包层石英光纤 [18,19]等湿度传感器；另一类是波长检测型

[20,21]，即外界湿度变化引起涂敷在传感器表面的湿敏材料有效折射率发生变化，进而导致中心波长发生漂移，如基于布拉格光纤光栅 [22-25]、长周期光纤光栅

[26-29]、光纤Fabry-Perot腔 [30-33]等湿度传感器。

1.3.1

2.1光功率检测型

2.1.1光纤传光式湿度传感器

光纤传光式湿度传感器的传感原理为：当湿敏材料薄膜与空气湿度相互接触后，湿敏材料发生化学反应导致其光学参数发生变化。因此，通过测量湿敏材料光学参数的变化即可得出空气湿度相应的变化。在制备光纤传光式湿度传感器时，对于探针的设计、封装和湿敏材料的制备尤其重要，其中湿敏材料应不受到与空气湿度之外其他气体的影响，并且在湿度测量前还应准确标定湿敏薄膜的温度特性。根据湿敏材料的相关原理，光纤传光式湿度传感器可分为基于荧光效应和光吸收的湿度传感器。

第２９卷第１期　２　０　０　６年３月　长春理工大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶＯＩ．２９　ＮＯ．１　Ｍａｆ．２　０　０　６　

相位掩膜法制作光纤布拉格光栅的研究　

王蓟　，王国政　，赵崇光　，刘洋　

（１．长春理工大学理学院，长春１３００２２；２．中科院长春光学精密机械与物理研究所，长春　１３００３３；）　

摘要：光纤光栅是一种新型的光纤器件，在光纤通信和光纤传感等领域有重要的应用。本文介绍了光纤布拉　格光栅的光学特性和光谱特性，介绍了相位掩膜法制作光纤光栅的相关实验。在激光脉冲能量３００ｍＪ、激光脉冲　重复频率８Ｈｚ、成栅时间ｌ６０ｓ的实验条件下，获得了中心波长１０８３ｎｍ、带宽０．１ｎｎｌ、反射率９９．９６％的高质量　光纤光栅。　关键词：相位掩膜法；光敏光纤；布拉格光栅　中图分类号：ＴＮ２５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９８７０（２００６）０１—００８９—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｐｈａｓｅ　ｍａｓｋｓ　

ＷＡＮＧ　Ｊｉ　，ＷＡＮＧ　Ｇｕｏｚｈｅｎｇ　，ＺＨＡＯ　Ｃｈｏｎｇｇｕａｎｇ　，ＬＩＵ　Ｙａｎｇ　（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２２；　２．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｃ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｕｎｄｅｒ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１　３００３３）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　ｄｅｖｉｃｅ，ｉｔ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ