摘 要

本文简要介绍了光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）的传感原理、研究现状和系统组成，从理论上大致分析了弹性元件受压力变形的规则,并将光纤布拉格光栅粘贴在自行设计的3d打印轮辐模型上,构成了的光纤布拉格光栅压力传感器,给出了光纤布拉格光栅的布拉格波长偏移量与压力的关系表达式.实验结果表明,本文所设计的光纤布拉格光栅压力灵敏度系数达到了9.85pm/N,与理论分析值基本相符，当然，与市场上的合金材料制成的传感器商品比，灵敏度显然高的更多，因为对本设计进行实施过程中使用的材料为ABS.另外,传感器在所测压力范围内呈现出很好的线性特性、重复性,适合于易燃易爆场合的压力测量。

关键词 光纤布拉格光栅(FBG)，压力,传感器

Abstract

This paper briefly introduces the sensing principle, research status and system composition of fiber Bragg Grating (FBG). Theoretically, the rules of deformation of elastic element under pressure are analyzed, and the fiber Bragg grating is attached to the self-designed 3d .The Bragg grating pressure sensor with fiber Bragg grating is given, and the relationship between the Bragg wavelength offset and the pressure of the fiber Bragg grating is given. The experimental results show that the pressure sensitivity coefficient of the fiber Bragg grating is 9.85pm /N, And the theoretical analysis of the value of the line, of course, with the market of alloy materials made of sensor products, the sensitivity is clearly much higher, because the design process used in the implementation of the material ABS. In addition, the sensor in the measured Pressure range showing a good linear characteristics, repeatability, suitable for flammable and explosive occasions, pressure measurement.

Key words fiber Bragg grating (FBG), pressure, sensor

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 光纤光栅传感器在生活中的应用 1

1.2光纤布拉格光栅压力传感器发展现状 2

第二章 认识光纤光栅压力传感器 3

2.1光纤光栅传感原理 3

2.2 光纤布拉格光栅传感器特点 4

2.3 存在的现象、问题和本文研究方向 4

第三章 光纤布拉格光栅传感器的结构原理和模型 6

3.1光纤光栅压力传感器的设计要求 6

3.2光纤光栅传感器系统的组成 6

3.2.1 宽带光源 6

3.2.2 光耦合器 7

3.2.3 压力传感器 7

3.2.4 解调仪 8

3.3 光纤布拉格光栅压力传感器原理和致敏模型 9

第四章 3D模型设计、打印及传感器搭建 15

4.1 软件SOLIDWORKS介绍 15

4.2 3D模型打印 16

4.2.1 3D打印技术的产生与发展 16

4.2.2 打印模型 16

4.3传感器的搭建 17

第五章 感应性能实验分析 19

5.1压力传感器实验原理 19

5.2静态属性 19

5.3动态属性 25

5.4温度带来的影响分析 26

5.5误差分析与改进系统 27

第六章 结论 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1 光纤光栅传感器在生活中的应用

我们知道，光纤传感技术是一种诞生不久、技术复杂、受欢迎度高的技术，以传感技术为核心的重点是大型设备的健康监测已经逐渐成为一个十分重要的发展方向，虽然对其研究时间尚短，但人们对光纤传感器的研究从无到有、由浅及深，并研究生产了大量光纤传感器产品，应用于现代生活的方方面面。

光纤布拉格光栅传感器技术不仅具备光纤传感的各种优点，又具有波长编码、波分复用等优点^[1]。

光纤光栅传感器在当今社会的应用范围极广，查阅很多资料后，总结为以下这些方面：

（1）在民用工程方面的应用：民用工程中的结构监测；对于矿井、隧道包括很多建筑物等的健康状况监测、维护和修复显得极为重要，能够帮助其进行安全的温度及应变监测。

（2）在航空航天方面的应用：航空航天业中会非常多地使用传感器,在航天设备中加入我们研究的光纤光栅传感器，操作时把光纤光栅埋入到先进聚合物制成的材料中,在组成所谓的智能传感网络的同时，极大减轻了飞行器的重量，并且可以对航天航空设备的内部机械性能包括其外部环境进行监测，这种监控将会是是实时的。

（3）在船舶方面的应用：使用的布拉格光纤光栅传感器在现代船舶工业的作用也不容小觑，它能够为现代船舶的操作提供大量而及时的传感信息,生成早期危险报警和损伤评估，并把这些信息告知操作者，通过这种方法来保证船舶的安全。现代船用传感器中绝大多数是光纤光栅压力或温度传感器,这在很大程度上反过来在使用过程中促进传感技术的发展，我们对其不断进行改进，到现在，一个探测系统的光纤光栅传感器数量可以多达数万个甚至更多,因为当今的船舶控制系统已经越来越复杂，这就要求传感技术的发展与之相适应，还要求传感器的制备工艺日趋完善能够形成低成本、高效益的生产局面，有效的降低传感系统的成本。

前文所罗列的关于光纤光栅传感器的应用还是非常局限的，但是不难看出其在现代社会生活中的地位，越来越走近我们的生活。

1.2光纤布拉格光栅压力传感器发展现状

由于人们越来越多地看到光纤光栅的诸多优点，其越发受到关注并且成为研究的热点，已经被广泛应用于压力、温度、应力、应变等物理量的监测。因此，自从在1989年的时候，物理学家Morey等人提出将其用作传感之后，FBG传感技术迎来了了极大且迅猛的发展^[2]。早些时候，加拿大多伦多航空研究院光纤灵巧结构实验室和安大略的公司把他们开发成功的光纤光栅传感器及其解调系统进行测量。 1993年完成的加拿大大桥的压力是世界上第一条使用具有碳纤维复合材料的预应力加强筋的高速公路桥梁。

FBG是一种十分常见的传感材料，不仅是在光纤通信中应用广泛，它在光纤传感等诸多领域也有着很普遍的应用。 通过了解FBG对温度和应变的响应， 可以把FBG作为敏感元件，由此能够感知很多其他物理量，进行各种物理量的测量。容易知道，FBG在传感、通信等领域的前景十分可观，尤其是 FBG轴向应变特性，利用这一点可以测量非常多的物理量。 在1993年的时候，M.G.Xu等人率先对FBG的压力感测特性进行研究。得出了重要发现，他们的成果主要是发现裸FBG对压力的敏感性十分低，几乎不怎么响应。他们发现，FBG的中心反射波长在70MPa高压下才0.22nm，裸FBG的压力灵敏度也低到-1.98×10-6，这对于工程实践并没有产生多大意义。 到了1998年，随着研究的不断深入，刘运奇奇迹般地发现弹簧管放大效果，并由此研究出了新产品：弹簧管和FBG调谐技术，设计出的FBG压力传感器灵敏度比以前的高出一大截，在很大程度上提高了FBG传感技术压力测量灵敏度。