光纤光栅在非均匀温度场中光谱特性的研究[S]解读

光纤光栅的应力和温度传感特性研究 (1)一 光纤光栅传感器理论基础 (1)1 光纤光栅应力测量 (1)2 光纤光栅温度测量 (2)3 光纤光栅压力测量 (3)二 光纤光栅传感器增敏与封装 (3)1 光纤光栅的应力增敏 (4)2 光纤光栅的温度增敏 (4)3 光纤光栅的温度减敏 (5)4 嵌入式敏化与封装 (5)5 粘敷式敏化与封装 (7)三 光纤光栅传感器交叉敏感问题及其解决方法 (9)1 参考光纤光栅法 (10)2 双光栅矩阵运算法 (10)3 FBG 与LPFG 混合法 (11)4 不同包层直径熔接法 (12)5 啁啾光栅法 (12)光纤光栅的应力和温度传感特性研究一 光纤光栅传感器理论基础1 光纤光栅应力测量由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。

当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。

由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。

FBG 对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为光栅周期的变化。

光栅产生应力时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ (3) 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ (4) ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。

假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

一、 实验要求对光纤光栅进行特性分析；分析，光栅长度、分层数、谱宽等参数对反射光谱的影响； 利用MATLAB 进行程序设计，通过软件仿真的形式实现二、 实验原理光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。

光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久性改变。

人们利用这种效层内折射率看成不变利用00exp()0=0exp()i i LAYER i i jk n d Mjk n d ⎛⎫⎪-⎝⎭。

最后利用矩阵的叠成得到光纤光栅总的传输矩阵应可在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。

光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。

光纤光栅有很多种分析法，但目前技术都不太理想。

由于反射率是反映光纤光栅特性的一个重要参数。

这里利用分层的思想将光纤光栅分层处理，每一层看做折射率n 恒定不变，层与层之间折射率不同利用，n n n n i ji j INTERFACE i ji j n n M n n +-⎛⎫=⎪-+⎝⎭11122122M M M M ⎛⎫⎪⎝⎭。

光纤光栅的反射系数()()121111r E z M E z M -+==，反射率R=2r 。

根据不同的入射光波长有不同的反射率，最后绘出反射率与入射光波长的图谱。

以此实现对光纤光栅的特性分析。

三、 实验方案 我们取得是48.645*10^(-4)的光纤长度，15000的分层数，350个点。

1、程序：clear; nn=15000;a=48.636*10^(-4)/nn; di=a; i=1;for z=0:a:48.636*10^(-4)n(i)=1.452+0.75*10^(-3)*((sin(pi*z/(535*10^(-9))))^2); i=i+1; endwl=1.5541*10^(-6); t=1;for k0=1550*10^(-9):0.02*10^(-9):1557*10^(-9) M=[1 0;0 1];for i=1:1:nnM1=[n(i)+n(i+1),n(i)-n(i+1);n(i)-n(i+1),n(i)+n(i+1)]/(2*n(i));M2=[exp(j*((2*pi)/k0*n(i)*di)),0;0,exp(j*(-1)*(2*pi)/k0*n(i)*di)];M=M*M2*M1;endr=M(2,1)/M(1,1);R(t)=(abs(r))^2;t=t+1;endplot(R)2、结果截图：图一、按步进画图的结果图二、按波长画图的结果四、 数据分析通过对参数的修改我们可得到以下结论： 1.反射率与光栅长度的关系反射率是光纤光栅的一个重要参数2.14和2.15直接描述了反射率R 和光栅长度L 的关系。

本科毕业设计常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

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本人签名：日期：导师签名：日期：光纤光栅探究非均匀的温度场摘要通常光纤光栅传感技术只能探测均匀的温度场，但当温度场非均匀时，光纤光栅反射谱就会发生改变，反射谱的中心波长与温度不再具有线性变化的关系，因此，无法解调出温度场。

本文根据光的干涉原理，分析了光的低相干技术，将光学低相干反射测量技术运用到光纤光栅的时域脉冲响应的获取。

同时利用傅氏变换法转换时域脉冲响应为反射谱。

并且根据光纤光栅的传输矩阵理论和傅氏变换法，分析了在非均匀温度场时光纤光栅的传输模型，将光纤光栅制备中的去层技术运用到非均匀温度场的解调。

因此，结合光学低相干反射测量技术和去层技术，实现了光纤光栅对非均匀温度场分布的解调。

通过仿真验证了此项技术的可行性。

关键词：温度场分布重构光学低相干反射测量术去层法传输矩阵光纤布拉格光栅Measurement of Non-uniform Temperature Field By Fiber Bragg GratingSensingAbstractUsually fiber grating sensing technology can only detect a uniform temperature field, but the reflective spectrum of a fiber Bragg grating can be out of a shape under non-uniform temperature field, and in this case, the center wavelength of the reflection spectrum changes nonlinearly with temperature changes in a fiber bragg grating. So, we can not complete the temperature demodulation in the way. According to the principle of optical interference, this article analyses low coherent light interference technology, uses it to obtain the time impulse response of the fiber grating, and then transforms the time impulse response into the reflection spectrum. Further, according to the transfer matrix theory of fiber bragg grating and Fourier Transform, the article analyses the optical transmission model in a fiber grating and applies delamination technology to realize the demodulation of the non-uniform temperature in a fiber grating which usually is used to make fiber gratings. Combine the Optical Low Coherence Reflectometry with delamination technology, we realize the demodulation of the non-uniform temperature field in a fiber grating effectively. Simulation results test and verify the feasibility of this technology.Key word:Non-uniform temperature distribution reconstruction; Optical Low Coherence Reflectometry; Delamination; Transfer matrix ; Optical fiber Bragg grating目录第一章绪论 (1)1.1 光纤光栅简介 (1)1.2 光纤光栅的传感应用 (2)1.3 研究意义 (3)第二章光纤光栅基本理论 (4)2.1 传输矩阵法 (4)2.2 傅氏变换法 (5)第三章非均匀温度场探测系统的原理 (7)3.1 低相干反射测量技术 (7)3.2 去层技术 (9)第四章光纤光栅温度场分布的重构仿真 (12)第五章结论 (14)参考文献 (15)致谢 (17)第一章绪论传感器在当代科技领域和工程应用中占有十分重要的地位，各种类型的传感器已在诸多领域得到应用。

第1章 光纤光栅光学性质的研究光纤光栅是一种全光纤的滤波器件，它的光学性质决定了它的广泛应用。

研究光纤光栅光学性质的基本理论是耦合波理论。

基于耦合波理论的传输矩阵法是一种快速数值模拟非均匀光纤光栅光学特性的方法。

在本章，系统地总结了应用耦合波理论研究光纤光栅的光学性质的方法。

光栅反射带宽是其作为滤波器的主要性能指标，本章研究了光栅参数对光栅反射带宽的影响。

其它主要研究包括寻找传输矩阵法中分割段数的最优值，各种参数对线性啁啾光纤光栅光学性质的影响，包括反射谱和时延特性受光栅长度、光纤折射率微扰幅度、啁啾系数和光波从不同方向入射时的影响，以及各种切趾函数对光纤光栅的作用。

第一节 研究光纤光栅的基本理论：耦合波理论1 光纤光栅中的折射率分布光纤光栅中的折射率微扰是由制作时所用紫外光的场分布决定的。

一般全息曝光和相位图2.1-1几中典型光纤光栅的折射率微扰分布a uniform gratingb chirped gratingc Gauss gratingd phase shift gratinge Moire gratingf super structure grating掩模板法制作光纤光栅时的场分布具有余弦函数的形式，所以光栅的折射率微扰也具有余弦函数形式，一般可以写为：⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡φ+Λπν+δ=δ)z (z 2cos )z (1)z (n )z (n eff eff(2.1-1))z (n eff δ是折射率微扰的平均值，可以看成一个光栅周期内折射率变化的直流部分，ν是光栅条纹的可见度，Λ是光栅的周期，φ(z)可以用来描述光栅的啁啾。

光纤光栅的光学性质就决定于上式中各个参数的选择，我们将它们统称为光栅参数。

光纤光栅的光学性质就由这些光栅参数决定，通过选择它们沿光纤方向不同的变化形式，可以得到适用于不同目的的光栅。

图2.1-1是几中常见的光纤光栅的折射率微扰的分布示意图：1. 均匀光纤光栅：各个光栅参数沿光纤方向是常量，这种光栅可以得到解析的理论分析结果，是耦合波理论分析光纤光栅光学性质的出发点。

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。

光纤Bragg光栅的光谱特性研究的开题报告
光纤Bragg光栅是光纤传感器中广泛应用的光学元件，其具有较高的成像分辨率和信噪比，因此被广泛应用于测量温度、应变和光谱等各种物理量。

本文旨在探究光纤Bragg光栅的光谱特性及其在光谱领域中的应用。

首先，本文将简要介绍光纤Bragg光栅及其基本原理，包括锥形光束干涉法、相位掩膜法和光子晶体法等。

然后，我们将系统梳理光纤Bragg光栅的光学特性，包括谐波产生、反射光谱和透射光谱等，重点研究光栅参数对反射谱和透射谱的影响，如光栅周期、折射率调制深度和长度等。

接下来，我们将探究光纤Bragg光栅在光谱领域中的应用，包括分光仪、光源稳定和激光频率锁定等方面，同时还将介绍基于光纤Bragg光栅的传感器设计及应用，如温度传感器、应变传感器和气体浓度传感器等。

最后，我们将总结光纤Bragg光栅的光谱学特性及相关应用的研究现状和进展，并提出未来的研究方向和挑战。

本文的研究将为光纤Bragg光栅的进一步应用提供有益参考，并对光纤传感器及光谱仪器的发展提供有益的借鉴作用。

光纤Bragg光栅特性的研究的开题报告一、研究背景光纤Bragg光栅是一种新型光学元件，具有很多优异的特性，如高的空间解析度、宽的带宽、易于制备等。

它可以被广泛用于光纤通信、传感技术、激光技术等领域。

因此，对光纤Bragg光栅特性的深入研究对于上述领域的发展具有重要意义。

二、研究目的本研究旨在探讨光纤Bragg光栅的特性，对其制备方法进行改进，提高其性能，以及拓展其应用领域。

三、研究内容1.光纤Bragg光栅原理及特性：阐述光纤Bragg光栅的基本原理和结构，并分析其特性，如反射光谱特性、散射损耗、传输特性等。

2.制备方法改进：对光纤Bragg光栅的制备方法进行研究，提出新的制备方法，比较新旧方法的差异，以及对新方法的优化。

3.性能测试：对制备的光纤Bragg光栅进行性能测试，比如测试其反射光谱、散射损耗、辐射损耗等，确定其最佳应用范围。

4.应用拓展：研究光纤Bragg光栅在通讯、传感器等领域的应用，探讨其应用拓展的可能性。

四、研究方法1.文献研究法：主要针对光纤Bragg光栅的原理和特性进行文献搜集，阅读、摘录、归纳、总结相关文献。

2.实验方法：结合实际情况，根据文献研究中提到的制备方法，制备光纤Bragg光栅，进行性能测试。

3.数学方法：运用数学理论和方法，对实验结果进行数据分析、数据处理和统计分析。

五、研究意义本研究将更深入地了解光纤Bragg光栅的特性，为其未来的发展提供基础支持。

改进光纤Bragg光栅的制备方法，提高其性能，使之更加适用于相关领域的需要。

同时，对光纤Bragg光栅的应用进行探讨，拓展其应用范围，推动其广泛应用。

六、研究进度安排1.前期准备：文献搜集、研究计划编写，时间为两周。

2.实验制备：光纤Bragg光栅的制备、性能测试，时间为四周。

3.数据处理分析：对实验结果进行数据处理和统计分析，时间为两周。

4.论文撰写：将实验结果及分析结论进行汇总、整理、修改，撰写研究报告，时间为四周。