摘 要

自从FBG传感器问世以来，越来越多的工程对他的依赖性越来越大，并且随着光纤光栅的各种技术不断改进以及更新，尤其是其写入技术的不断完善，应用成果的日益增多，光纤光栅成为目前最有发展前途，最具有代表性的光线无源器件之一。FBG传感器以他优越的性能逐渐取代了其他的传感器。

光纤光栅以其独特的优越性，在传感器这一方面占据了很大的比重，光纤光栅是利用光线材料的光敏性（如外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其实质作用是在纤芯内形成一个窄带的（投射或反射）滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件。可见光纤光栅对于现如今的我们的生活生产的影响是很大的。

基于光纤光栅本身的优越性能，适合各种复杂的工作环境，当然，高温环境更加是必不可少，在高温环境下进行测量的时候，传感器的性能是必须先进高温下的实际测量，本文基于光纤光栅的基本原理和本身所具有的独特的特性，对光纤光栅进行高温环境下的研究。首先根据光纤光栅的基本工作原理和传感原理，对他进行应变和温度特性模型的建立，从理论上先对光纤光栅进行一定的分析。然后利用实验室现有的实验条件，对光纤光栅进行高温环境下的温度特性实验，分析光纤光栅的一些基本性能。并且从实验结果之中分析光纤光栅存在的性能，以及对实验结果进行误差分析。然后设计一个1200℃的高温炉，以此来提供光纤光栅所需要的高温环境，根据高温炉的特性来设计光纤光栅的高温测量方案。

对于光纤光栅的仿真，通过optigrating软件来对光栅光纤进行性能分析。这款软件是专门针对与光纤光栅有关的工程实际应用而研发的，因此使用该软件来对光纤光栅进行仿真分析。

关键词：光纤光栅传感器，高温炉，optigrating，性能

Abstract

Since the advent of FBG sensors, more and more projects have become more and more dependent on him, and with the continuous improvement of fiber Bragg grating technology and update, especially the continuous improvement of its writing technology, the application of more and more results, fiber grating has become the most promising, the most representative light passive devices. The FBG sensor gradually replaces other sensors with his superior performance.

Fiber Bragg grating with its unique superiority, in this aspect of the sensor occupies a large proportion, fiber grating is the use of light material photosensitivity (such as external incident photons and fiber core in the interaction of germanium ions caused by the permanent change of refractive index), in the core of the formation of space phase grating, In fact, the qualitative effect is to form a narrowband (projection or reflection) filter or reflector within the core. This feature can be used to form many optical fiber passive devices with unique properties. It can be seen that the effect of fiber grating on our life production today is very large.

Based on the superior performance of the fiber grating itself, for a variety of complex work environment, of course, more high-temperature environment is essential, when measured in a high temperature environment, the actual measured performance of the sensor must be advanced at a high temperature, based on the fiber herein the basic principles and the grating itself has unique properties, FBG studies at a high temperature environment. Based on the fundamental principle and the principle of the sensing fiber grating, for him to establish the strain and temperature characteristics of the model, the first FBG some analysis theory. Then using conventional laboratory experimental conditions, the temperature of the fiber grating characteristic at a high temperature environment experiments to analyze some of the basic properties of the fiber grating. And analyzed for the presence of the fiber grating performance from among the experimental results, the experimental results and error analysis. And then design a high-temperature furnace of 1200 deg.] C, a high temperature environment in order to provide the required fiber grating, the characteristics of high temperature furnace design scheme fiber grating temperature measurement.

For the simulation of the optical fiber grating, to analyze the performance of the optical fiber grating by optigrating software. This software is designed for practical application of fiber grating-related engineering and research and development, and therefore use the software to simulate and analyze fiber grating.

Key words: Fiber Bragg grating sensor, high temperature furnace, optigrating, performan

目 录

第一章 绪论 2

1.1课题的研究背景 2

1.2光纤光栅的发展现状 3

1.3本文研究的目的和意义 4

1.4本文研究的主要内容及设计方案 4

第二章 光纤光栅传感器的原理与特性 6

2.1光纤光栅传感器的工作原理 6

2.2光纤光栅应变传感模型 8

2.3光纤光栅的温度传感模型 11

2.4光纤光栅的应变温度交叉敏感特性 11

第三章 光纤光栅的实验 13

3.1光纤光栅传感器的实验测量并分析 13

3.2对光纤光栅测量温度应变补偿措施 17

3.3本章小结 17

第四章 光纤光栅的仿真Optigrating 18

4.1对该软件的介绍 18

4.2 对光纤光栅的仿真 20

第五章 高温炉 22

5.1高温炉的组成机器工作原理 23

5.2高温炉各部分材料的选取以及部分参数 24

5.2.1与高温炉相关的一些参数 24

5.2.2高温炉的结构以及各部分的材料的选择 24

5.3高温炉的结构及其温度分布情况 28

第六章 总结与展望 30

6.1 论文总结 30

6.2 论文展望 30

致谢 31

参考文献 32

附录 33

2. 绪论

1.1课题的研究背景

在20世纪后半叶，光纤之类的与光有关的光之的发展迅速崛起，而且与之有关的各个领域也随着诞生，而光纤光栅也是在这个时候应运而生的其中一个产物，虽然作为一个新出现的产品，但是却以其独特的优异性能迅速占领了一大片市场。

逐渐的，光纤通信成为了信息社会的支柱，是“信息高速公路”的主要主体之一也是世界通信今后发展的趋势之一。光纤的特性损耗低，宽带宽，正是因为这些特性，光纤已经成为了现代通信网络中最好的传输媒介，它将通信的循环数速度提升了好几个数量级，达到了T/s速度，以前传输的时候，声音图像数据不可能同时地进行快速的传输，但是自从光纤应用在信息传输这一方面的时候，使得这三者同时而且快速的传送成为了现实，为了使人们的生活更加的方便以及快速，光纤到户已经成为了一种必然的趋势。

光纤本身具有优越的性能，其本质安全，不受电磁干扰，灵敏度高质量轻，体积小，易于复用，可远距离遥测，能埋入工程结构之中（例如，对混泥土的一些性能测量中，可以将其埋入混泥土之中）这些特点让的光纤在传感器这个领域受到了很大的关注并且广泛的应用在各种实际工程之中，而且根据在目前的发展趋势，光纤会慢慢的成为主流之一，将光纤传感器埋入到各种结构中形成一个整体的神经网络使得智能结构成为可能，而这种改变将会有可能极大的改变人们的生活方式（成为下一个“网购般的生活”的改变）。

鉴于光纤的作用越来越大，因此对光纤的认识和研究势在必行。尤其是光纤光栅工作的环境比较复杂，因此针对光纤光栅传感器在各种环境下的性能需要进行一个系统的研究测量。而且这个课题出自于国家高技术研究发展计划（863计划）“煤炭智能化掘采技术与装备（二）”第四课题：“综采装备可靠性监控技术与装备”。

1.2光纤光栅的发展现状

随着光纤的发展，与之有关的一些新型的元器件也自然而然应运而生，FBG传感器也是在这个时候出现了，1978年，加拿大K.O.Hill等人在研究光线的过程中，发现了光纤本身存在的光敏性，光敏性的发现，使得一种所谓的光纤Bragg光栅（fiber Bragg grating)的新型光纤内纤型这种无源器件的出现，其中，在光纤光栅中的光衍射的时候完全满足Bragg的衍射条件。光纤光栅的出现将会是继光纤放大器的发现之后在光纤通信领域的一个重大事件，而且光纤光栅的重要性不言而喻，在将来的光通信系统中如果缺失了光纤光栅这一重要的无源器件，就会如同在传统光学之中没有镜片一样的不可置信。因此，对光纤光栅的研究是必不可少的一个环节。世界上第一根而且是永久性的可以实现反向模式间耦合的光纤光栅是由在加拿大通信研究中心的一群科学家在1978年首次利用了驻波法在掺锗光纤中的方法制成的，名叫光纤布拉格光栅。而且光纤光栅最初研究的也是这种光纤光栅（FBG），自从光纤布拉格光栅的出现，对光纤光栅的研究与发展得到了很大的发展。其中驻波法有称为内部写入法，即在光纤内部进行写入以此来制造光纤光栅，而且，这种方法制造的光纤光栅性能极好，他的反射率可以高达百分之九十，而且他的反射带宽在200Hz以下。虽然写入法制造出来的光纤光栅反射率很高，但是由于需要的是特制的含锗量比较高的掺锗光纤，其中纤芯的直径很小，所以这种方法受到了很大的限制。

由于内部写入法的局限性比较高，于是1988年，在美国的东哈特福德联合技术研究中心的Meltz等人经过了很久的研究，提出了一种改进方法，就是利用两束相干的紫外光形成的干涉条纹，在其侧面曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的横向全息的制成光栅的技术，这种方法也被称为外侧写入法，随着外部写入发的提出，在制成光栅的效率上提高了很多，同时也提高了光纤光栅的潜在价值。但是，这种方法对光源的相干长度以及环境的稳定性都非常的严格，因此实用性很低，成本过高。

光纤光栅技术真正成熟以及走向实用化的时候，是在1993年，紫外光垂直照射相位掩膜形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光想布拉格光栅的相位掩膜法这个方法被Hill等人提出来后，这种方法降低了对装置的要求，同时对相干光的要求也不是那么的严格，对环境的文档型号要求大大降低了，光纤光栅在这个时候得到了极大的推动和发展。

光纤光栅的发展历程可以有下图（图1-1）表示：

1993年，相位掩膜法使其进入了实用化和产业化

1978年，利用内部写入法制成第一根光栅光纤

1988年外侧写入法提高其潜在使用价值

图1-1光纤光栅的发展历程

1.3本文研究的目的和意义

本次论文主要研究的是对光纤光栅传感器建立一个高温环境下的的测试系统。光纤传感器自从20世纪70年代中期发展以来，在信息的采集，传输，分析和处理有着很重要的作用。采集信息就像战争中收集情报的过程，而传感器就是现代通信的情报人员，采集信息的准确性就是取决于传感器本身的性能，传感器可以将采集到的环境中的一些信号，转化成为光波，电流等抑郁使用计算机进行处理的信号，经过转换后的信号经过传感器传输到电脑之中，经过电脑的一系列分析处理总结，最后得出我们想要的结果。传感器在当下的社会中，他的神引发无处不在，他的地位不可或缺，传感器就犹如我们身体上的各种部分，例如，味觉嗅觉等等。传感器的精度和稳定性直接影星测量结果的精度，传感器的应用领域非常广泛，涉及各个行业，而且已经成功的在医学诊断，军事武器生产，工程结构的测量等方面得到了很大的推进。

传感器的工作环境复杂且多变，传感器的工作方式取决于需要测量的对象，而测量的对象多种多样，由于光纤光栅本身的一些特性，也直接决定了它的工作方式：

1.电绝缘：光纤光栅本身就是属于一种电介质，其中的敏感元件一样的可以用这些电介质材料来制造，正式因为电介质这个原因，使得光纤光栅传感器有着良好的电绝缘性，这个性能使得这种传感器非常适用于高压供电系统以及大容量电机的测量。电绝缘的特性使得光纤光栅能够在强电流，高电压的条件下进行工作。然而对于传感器在这种条件下的工作性能的稳定需要进行测量，测量它在强电流，高电压下的一些工作性能。

2.抗电磁干扰：光纤光栅可以在比较复杂的电磁环境混乱的地方工作，这一特性是很多传感器都做不到的。适用于高压大电流，强磁场等工作环境。

3.非侵入性：因为光纤光栅传感器本身是绝缘体，而且他的体积可以做的非常小，正因为如此，光纤光栅传感器在各种场中工作的时候，互不干扰。这些性能使得光纤光栅传感器适用于比较弱的电磁场和小管道内的流速等。

4.高灵敏度：灵敏度是针对于各种传感器都是一个非常重要的性能之一，灵敏度越高，意味着测量的结果越准确。因此非常四用于高精度测量的场合。

5.远距离测量：由于光纤光栅的原理是全反射，也就代表着光纤光栅的信号传输损失率很小，可以适合于长距离的测量，尤其是对于辐射比较大，对人体危害比较高的环境中，光纤光栅非常适合。

1.4本文研究的主要内容及设计方案

本文主要以FBG传感器为研究对象，研究它在高温环境下的性能。高温环境由设计的高温炉来提供，高温炉的设计温度是1200℃，根据高温炉的实际结构来确定光纤光栅传感器的测量方案，高温炉采用炉管式设计，炉管式的高温炉温度分布比较均匀，中心温度最高，因此光纤光栅的光栅部分放置于高温炉炉管的位置。

因此这篇论文主要的研究是：

第一：建立光纤光栅的温度特性，应力特性及其交叉性能的模型。

第二：首先进行高温炉的实验，而且对实验结果进行分析，对实验结果拟合，分析四眼误差。

第三：使用光纤光栅软件（optigrating）对光纤光栅的部分性能进行仿真，对仿真结果分析。

第四：设计一个高温炉，可以达到1200摄氏度，并且根据高温炉的结构进行测试方案设计。

最后对论文进行总结分析，表达自己的期望。

第二章 光纤光栅传感器的原理与特性

2.1光纤光栅传感器的工作原理

光纤布拉格光栅传感器是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。

光纤光栅本身分为两个组成部分，由光纤和光栅焊接而成的。而光纤本身是由三个部分，有保护层，包层，纤芯三部分组成，如图2-1所示。图2-2是光纤实物图。

在使用光纤光栅的时候，需要对光纤和光栅俩部分进行焊接，在使用熔焊机焊接之前，需要先去除保护层，然后清理掉包层，最后用酒精对纤芯进行最后的清洁，如果清洁不到位，会导致焊接出现问题。在焊接过程中，必须保证对齐，否则光在光纤光栅中传播会有偏差。焊接结束之后，需要对焊接的地方进行封装保护，熔接，焊接过程完毕。而后可以使用这个光纤光栅进行实验了。

图 2-1光纤截面图

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