摘 要

光纤Bragg光栅传感器（Fiber Bragg Grating以下简称FBG）是当今最火热的光学传感器之一，FBG的研究已经十分完善，并且现在FBG已经能够广泛应用于各个领域。FBG是一种光纤无源器件，其有着传统电气传感器无法达到的优点，如抗电磁干扰，信号不易衰减，体积小便于安装等。在各方面的应用都趋于成熟。然而由于需求所致，FBG在超低温环境下的性能研究还并不是很多。因此本文将从FBG传感原理出发，对FBG在超低温环境下传感性能测试。

本文利用液氮的低温设计了超低温环境，同时在此环境下完成对FBG传感性能测试的实验。在使用了裸的光纤Bragg光栅测试后，发现低温下FBG的传感性能并不好，其波长随温度变化很不明显，整体波长-温度曲线呈非线性。但是在使用了表面涂覆有丙烯酸酯的光纤光栅发现其在超低温下的传感性能大大增强。因此推测或许可以通过在光纤光栅表面涂覆材料来加强其在超低温下的传感性能。

关键词：FBG；超低温；传感性能测试；涂覆层

Abstract

Fiber Bragg Grating (FBG) is one of the hottest optical sensors available today. FBG research has been perfected, and FBG has been widely used in various fields. FBG is a kind of optical fiber passive device, which has the advantages that traditional electrical sensors can't achieve, such as anti-electromagnetic interference, the signal is not easy to attenuate, and the volume is small and easy to install. Applications in all aspects have matured. However, due to demand, the performance of FBG in ultra-low temperature environment is not much. Therefore, this paper will test the sensing performance of FBG in ultra-low temperature environment from the FBG sensing principle.

In this paper, the ultra-low temperature environment was designed by using the low temperature of liquid nitrogen, and the experiment of FBG sensing performance test was completed in this environment. After using bare fiber Bragg grating test, it is found that the sensing performance of FBG is not good at low temperature, its wavelength is not obvious with temperature, and the overall wavelength-temperature curve is nonlinear. However, the use of a fiber grating coated with an acrylate surface has been found to greatly enhance the sensing performance at ultra-low temperatures. Therefore, it is speculated that it is possible to enhance the sensing performance at ultra-low temperature by coating the surface of the fiber grating.

Keywords：FBG;Ultra-low temperature；sensing performance test；coating

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 Ⅲ

第一章 绪论 1

1.1研究低温下FBG传感器传感性能的重要性 1

1.2光纤传感技术介绍 1

1.3光纤Bragg光栅温度传感器 3

1.4 FBG发展状况 4

1.4.1 FBG国内外现状 4

1.4.2低温领域FBG的研究 5

1.5课题主要工作内容 5

第二章FBG传感器在低温下的传感性能研究 6

2.1光纤Bragg光栅介绍 6

2.2光纤布拉格光栅测温原理 7

2.2.1光纤Bragg光栅能够选择性地反射入射光 7

2.2.2温度对反射光中心波长的影响 8

2.3超低温环境对FBG传感器的影响 9

2.4超低温环境下FBG传感性能测试 9

2.4.1实验设备准备 9

2.4.2超低温环境下FBG传感性能测试 19

2.5实验结果与分析 21

2.6本章小结 22

第三章超低温环境传感性能分析 25

3.1传感器的基本特性 25

3.1.1传感器的静态模型 25

3.1.2传感器静态特性指标 26

3.1.3传感器的动态特性 27

3.2实验装置的传感特性分析 28

3.2.1pt100铂电阻温度传感器静态传感特性分析 29

3.2.2pt100铂电阻温度传感器动态传感特性分析 30

3.3本章小结 31

参考文献 32

第一章 绪论

1.1研究低温下FBG传感器传感性能的重要性

在高度现代化的当下，无论是电子设备还是精密仪器，都以轻便、智能、精确为目标发展，尤其是电子设备，越来越追求轻便的功能。在这样的大环境下，测量设备就更追求精密，微型了。而光纤传感技术就是这样的一种技术。它以光纤[^[1]]为核心，能够进行十分全面的测量。通过光纤的微小，线性的特征，它能够在各种恶劣环境下实现测量，目前甚至已经实现了长距离测量。经过几十年的发展，光纤传感技术在各个领域都发挥着重要作用。在光纤传感技术方面，必须提到光纤光栅传感器，本课题研究的FBG（光纤布拉格光栅）传感器属于一种光纤光栅传感器。光纤布拉格光栅传感器是使用光纤光栅作为敏感元件的传感器。光纤光栅是一种衍射光栅[^[2]]。由于光纤光栅具有焊接损耗小，体积小，嵌入智能材料的能力以及与光纤完全兼容的优点，并且反射光中心的波长对外部环境的变化敏感（例如温度，光纤光栅表面应变和周围应力等）因此，它广泛用于光纤通信和传感技术领域。 光纤Bragg光栅传感器已经发展的十分完善，甚至已经大范围投入到实际生产当中，在现实生活中也能看见各种FBG被用于进行测量温度、应变等。但是 FBG虽然已经投入实际应用中，却都只是应用于常温环境，而在低温下 FBG还并不能投入应用， 甚至 FBG在低温下的性能研究还存在于实验室当中，若是能在低温下也能将 FBG广泛应用， 那可想而知这将能够促进各方面领域科技的进步。为此，本课题将研究FBG在低温下的传感性能，找出FBG不适合低温环境的原因，希望对FBG的低温性能研究有所帮助。

1.2光纤传感技术介绍

在光纤传感技术中，由光源发射的光波作为载波信号，当光源发射出的光在光纤中传播时，经过光纤耦合传播到光纤的传感部分，被测物理量（应力、温度和应变等）作用于光纤的传感部分，光纤内的载波的参数（偏振、光强、波长、频率等）会产生变化，产生变化后的光作为调制信号，由光探测设备解调出调制光波中的蕴含被测物理量信息的信号，最终可以推导出被测物理量的参数。 这就是光纤传感技术的基本原理。图1.1显示了反射或透射光波的特征参数与光纤外部的环境物理参数之间的关系。

图1-1光纤传感技术原理