摘 要

光纤光栅具有优良的传感性能，但普通的I型FBG仅能在300℃左右有良好的测温性能，高温下会发生光栅被擦除的现象,不能满足测得600℃的高温的要求。现在研究出来的如用蓝宝石，黑体辐射，飞秒写入等方式得到的耐高温FBG大多制作工艺复杂，成本较高，限制了它们的使用。

本次毕业设计对I型FBG用高温退火的方法处理得到再生光栅，可承受1200℃的高温，而且工艺简单，可批量生产。通过实验，分析了再生光栅的静态和动态特性，发现再生光栅具有稳定优良的高温传感特性，达到设计要求。理论方面，分析了光纤传感原理，光栅形成机理，高温擦除原理以及再生光栅形成原理。

关键词：光纤传感；FBG；高温测量；再生光栅；退火处理

Abstract

Fiber bragg grating has excellent sensing performance. But ordinary FBG of type I can only perform well under 300℃, while the fiber grating being erasered at a high temperature.As a result it cannot meet the requirement of measuring the high temperature of 600 ℃. Now researchers have made progress in high temperature measurement,such as sapphire, blackbody radiation and femtosecond lase etc. While they almost have complex production process and cost much,which limit their use.

In this graduation design, the I type FBG is processed by high temperature annealing treatment to obtain regenerated grating(RFBG).On one hand this type grating can withstand the high temperature of 1200 ℃, on another its craftwork is simple and makes mass production come ture. After experiment, I analyze the static and dynamic characteristics of the regenerated grating, concluding the regeneration grating performs steadily at high temperature sensing and meets the design requirements. When comes to the theory part, this paper analyzes the principle of fiber sensing ,the formation mechanism of the optical grating formation the principle of erase of FBG at high temperature and the regeneration.

Keywords: optical fiber sensing; FBG ; high temperature measurement; regeneration grating; annealing treatment

目录

1.绪论 1

1.1光纤光栅的发展与应用 1

1.2高温传感器的研究现状 1

1.3本次设计的主要任务与内容 3

2 光纤光栅理论 4

2.1 光纤光栅的分类 4

2.1.1 按光纤光栅的周期分： 4

2.1.2按其折射率系数的分布规律分类： 5

2.1.3 按光栅的形成方法 6

2.2 光纤光栅温度传感特性 7

2.2.1 相长干涉 7

2.2.2 测温原理 8

2.3 光纤光栅的高温特性研究 9

2.3.1 光栅的擦除现象及产生原因 9

2.3.2 影响擦除温度的因素 10

2.4 光纤光栅的再生现象 10

2.5 本章小结 10

3 高温光纤光栅传感器的设计 11

3.1高温光纤光栅传感器的设计要求 11

3.2 设计方案 11

3.3 传感器传递模型及传感特性 11

3.3.1 传感器的静态模型及特性指标 11

3.3.2 传感器的动态模型 12

3.4 再生光纤光栅的形成机理 13

3.4.1 化学组分光栅 13

3.4.2 应力松弛理论 14

3.5 本章小节 14

4高温光纤光栅传感器的实验测试 15

4.1实验系统及其组成 15

4.1.1 解调系统 16

4.1.2 计算机系统 16

4.2 实验过程及数据记录 16

4.3 再生光纤光栅静态性能测试与分析 17

4.3.1 灵敏度与线性度 17

4.3.2 迟滞 18

4.4 再生FBG的动态性能分析 20

4.4.1响应速度 20

4.5 普通FBG传感性能分析 23

4.6 综合分析 25

4.6.1 再生FBG高温性能 25

4.6.2 误差分析 25

4.7 本章小结 25

5 总结 26

致谢 27

参考文献 28

1.绪论

1.1光纤光栅的发展与应用

1978 年加拿大通讯研究所的Hill等人首次发现光纤具有光敏性，并采用纵向驻波写入法制作出第一个永久性的可实现反向模式间藕合的光纤光栅——光纤布拉格光栅[^[1]]，1989年，Meltz等人采用了UV激光侧面写入的方法制作了外写入的FBG，这种方法光栅的写入效率高，同年，美国的Morey等人首次利用光纤光栅的光敏性将它应用到应变与温度的传感中，自此，光纤光栅凭借它优良的传感特性得到了世界各国的特别关注及广泛的应用研究[^[2]]。1993年,Hill等人又提出了紫外光写入光纤布拉格光栅的相位掩模法,这种方法使得光纤光栅更加实用，并且可以大规模生产[^[3]]。在之后短短的10多年里，光纤光栅迅速发展并广泛应用在很多领域，光纤光栅传感器是光纤传感领域中发展速度最为迅猛的，发展前景极其广阔[^[4]]。

光纤光栅最先应用在通信领域，可构成光纤激光器，半导体激光器，Ramam光纤放大器等有源器件，也可构成WDM波分复用器，色散补偿器，光纤光栅编码器等无源器件。在光纤传感领域，FBG具有体积小、灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、可埋入智能材料、与光纤器件兼容并且其测量信号不受系统损耗影响的特点,可粘贴在结构表面或埋入其内部，从而实现对温度、应力、振动和应变等多种物理量的实时测量，光纤光栅可以用在环境复杂恶劣，高温高压的场合，如油气井，核工业，高压线负荷等；也可用在隧道，桥梁，高层建筑等的力学参数的测量中，可在远距离之外及时监控结构内部的损坏进行预警，对于灾难预防和结构维护有重要意义；另外光纤光栅的一个重要发展领域是医学应用，常用的医学传感器都是有源器件，在超声波和高温激光环境中容易受到干扰，从而使数据出现误差，而光栅光纤可构成无源器件，可以规避这些问题。综上，在很多重要场合，光纤光栅传感器表现了优于传统传感器的性能[^[5]-][^[6]][^[7]]。

1.2高温传感器的研究现状

当今，我国的电力工业的系统出现越来越多各种工业自控环境，这就需要自动设备的性能更加稳定，运行更为安全[^[8]]，而温度与设备的绝缘性，老化率等参数密切相关，所以在线实时的监控设备的温度及其迫切，热电偶，热电阻等传统的温度测量方法都无法满足实时、绝缘、抗电磁等要求。而光纤光栅传感器正具有精度高，抗电磁干扰，能实时精确测量等特点。国内外也为一直致力于研究性能优良，能满足苛刻条件下精确测量的高温传感器。

虽然FBG具有传统传感器不具有的多种优势，但是由于制作原理和内部结构的限制，FBG的性能在高温环境中会受到影响。因为FBG是利用光纤的光敏性用曝光的方法使得纤芯折射率呈现周期变化从而得到相位栅，在高温下这种折射率的周期调制容易消失，从而使得写入光栅的信息被擦除。采用传统工艺制成的FBG只能在300摄氏度以下的环境中使用，否则会造成光栅的衰退效应，这大大限制了在高温环境下FBG的应用，因此国内外的研究人员一直致力于从各个方面用多种方法来克服这一局限性，改善光栅光纤传感器的性能[^[9]]。具有突破性的工作如下：

1. 王闯，朱峰等人通过采用飞秒激光写入光纤的方法，提高了光栅的耐热的稳定性，并且给光栅镀镍提高光栅的灵敏度及机械强度，这种FBG制作的高温传感器探头可以耐达 800°C的高温[^[10]]。
2. 美国Brown大学的研究组独辟蹊径，用化学沉积法创造了一种新型光栅，经过实验探究，在光纤的一个端面上交替沉积厚度为1/4波长的SiN和，从而得到类似光栅内部折射率规律调制的结构，但相对紫外线曝光形成的光栅要稳定，并且能对入射光发生布拉格反射，反射光的波长随温度变化发生线性响应，它的可测的最高温度可达1000℃，灵敏度能达到3℃，但这项工艺步骤繁杂，对设备精准性要求极高而且成本高昂，现在只处于研究阶段[^[11]]。
3. 根据黑体辐射原理，武汉理工大学的廖楚柯等人根据黑体辐射原理，即在波长一定的前提下，黑体辐射强度是温度的函数，从而可根据黑体物质吸收光强大小确定温度，但是仅采用一种波长照射难免会受其他吸收光的物体的影响，所以采用比色法更为可靠。根据以上原理，利用黑体腔、光纤传感探头和传输光纤组成FBG传感器的传感部分，将采得信号进行波分复用和光电转换得到环境温度。这一装置集成度高，性能稳定，测量温度可达1600度，分辨度高。缺点就是以吸收光强编码，容易受光源强弱影响，从而造成较大误差[^[12]]。
4. 詹亚歌等人用两种线膨胀系数不同的金属和光栅光纤组成一种新颖的结构，这种方法通过将温度变化转换为应变，测量FBG由于应变引起的波长变化即可求得金属的温度变化。这种结构可以测量100°C-500°C的温度[^[13]]。
5. 饶云江等人用空芯光子晶体制成光纤F-P温度传感器，做法是将两根普通光纤接在空芯光子晶体光纤的两端，在这种情况下，空芯光子晶体光纤就作为F-P干涉腔，形成新型F-P干涉式光纤传感器，根据实验结果，该传感器可以测量100°C-600°C的温度，而且线性度高，灵敏度好。
6. 段德稳等人发现用高频C激光脉冲写入光栅比普通的紫外线写入的高温稳定性强，灵敏度高。
7. 北京交通大学的王涛利用光栅的再生性质，通过对FBG高温退火得到再生光纤光栅，这种光栅能在1100°C以上的高温中稳定使用[^[14]]。
8. 因为光栅的稳定程度和光纤的组成成分密切相关，实验证明，光纤中锗的成分越高则光栅耐温越高，王文华等人就以掺Ge石英FBG为研究对象，研究其传感性能，发现在30°C-690°C，谐振波长随温度线性变化，之后逐渐偏离这种线性变化，到了837°C，光栅彻底被擦除[^[15]]。
9. M.Forkine在光纤中掺入锗和氟元素的物质，之后用紫外线曝光写入光栅,再用特殊工艺对FBG退火处理,可以形成化学组分光栅(CCG)。因为这种光纤光栅是化学组分呈现周期性分布从而实现折射率调制，所以化学组分光栅在1000°C的高温下都保持稳定，性能优良，是光纤光栅高温传感器的一大发展方向[^[16]]。

1.3本次设计的主要任务与内容

光纤光栅在传感领域发展前景日益广阔，本次设计主要是对光纤在专用电炉中进行加热，监测掺锗FBG在高温下的波长变化，处理得到的数据，探究光栅光纤传感器的静态特性和动态特性，对整个传感系统包括调制解调器以及上位机进行分析，实现可耐600°C的传感器的设计制作。