实验-光纤光栅温度传感

实验名称 光纤光栅温度传感实验

一 实验目的

1、了解在光纤的纤芯中制作光栅的基本方法（光纤光栅的制作）； 2、掌握光纤光栅信号传输的原理； 3、掌握光纤光栅温度传感的原理；

4、进一步掌握新的光纤光栅布喇格波长的检测方法（长周期光纤光栅线性滤波解调方法）；

5、掌握普通光纤光栅温度传感的优点及其适用范围。

二 实验仪器

ASE自发辐射宽带光源，光纤跳线，法兰盘，光谱仪（单模通信光纤接口），光纤耦合器（测反射谱峰值时用，测透射谱峰值不需要），温度控制仪（模拟实际测量温度场），光纤熔接机（代价大，仅限备用）

三 实验原理

1. 光纤布喇格光栅原理

光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图1表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为：

⎧n1[1+F(r,ϕ,z)] r≤a1

⎪

n(r,ϕ,z)=⎨n2 a1≤r≤a2 （1）

⎪

⎩n3 r≥a2

式中 F(r,φ,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性：

F(r,ϕ,z)=

∆n(r,ϕ,z)

n1

∆nmax

(0

F(r,ϕ,z)max=

F(r,ϕ,z)=0 (z>L)

式中 a1 为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径，相应的n1为纤芯初始折射率；n2为包层折射率；△n(r,φ,z）为光致折射率变化；△nmax为折射率最大变化量。

因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n3一般指空气折射率。之所以式中出现r和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。

图1 光纤光栅折射率分布示意图

为了给出F(r,φ,z）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿 Z 轴的渐变性、折射率调制在横截面上的非均匀分布等，它们分别可以采用对光栅传播常数 kg 修正——与 Z 相关的渐变函数φ(z)，以及采用 △n(r）代表折射率调制来描述。为了更全面地描述光致折射率的变化函数，可以直接采用傅里叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解。基于这些考虑，可以采用下列

一般性函数来描述光致折射率变化：

∞

∆nmax

F(r,ϕ,z)=F0(r,ϕ,z)∑aqcos[(kgq+ϕ(z))z] (2)

n1q=-∞

式中Fo(r,φ,z）表示由于纤芯对紫外光的吸收作用而造成的光纤横向截面曝光不均匀性，或其他因素造成的光栅轴向折射率调制不均匀性，并有Fo(r,φ,z）max＝ l , 这些不均匀性将会影响到传输光波的偏振及色散特性；kg＝ 2π／Λ为光栅的传播常数；Λ为光栅周期； q 为非正弦分布（如方波分布）时进行傅里叶展开得到的谐波阶数，它将导致高阶布喇格波长的反向耦合； aq为展开系数；φ(z)为表示周期非均匀性的渐变函数。正因为φ(z)的渐变性，我们可以将它看作一“准周期”函数，对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展开。可以得到光栅区的实际折射率分布为

n(r,ϕ,z)=n1+∆nmaxF0(r,ϕ,z)∑aqcos[(kgq+ϕ(z))z] （3）

q=-∞

∞

该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅特性的基础。

2. 光纤布喇格光栅的制备

系统所用的光纤光栅是利用紫外光的相位掩模法写入的。为增加光纤的光敏性，通常在石英纤芯材料中掺入一定量的锗，浓度一般大约是在3％mol左右。在制作光栅前需要对光纤进行载氢处理。光纤载氢与其他增敏技术相比具有如下的优点：a.它可以把光纤的光敏性提高两个数量级或者更多；b.它仅仅对被UV光辐照区产生作用；c. 载氢比较简单易行；它并不改变光纤的强度；

对光纤进行载氢处理后，借助相位掩模板，利用紫外激光写入光栅的示意图如图2所示：

成栅光纤

图2 光纤光栅制作示意图

整个制备过程可按照如下的步骤：载氢光纤⇒ 去涂覆层⇒ 扩束光系统准直⇒ 光器件逐件插入⇒ 采用He-Ne激光器对准⇒ 光纤相位版压紧过程中螺钉均横拧紧⇒ 放到辐照支架上制备等几个主要步骤。在制备光纤光栅的过程中应注意应该注意通过光谱仪对光栅的实际生长过程进行实时的监测。

为了在较短的时间内去除光纤中的氢气，提高光栅的稳定性，通常采用高温退火的方法。所谓的高温退火就是将光栅在温度高达几百摄氏度的环境中放置一段时间，通常在十几至几十个小时左右。而且具体的退火温度应控制恰当。光纤光栅的实际制作涉及很多细节的方面，例如：对于制作不同长度的光栅，可以对紫外激光光斑进行聚焦或者是扩束，或者采用扫描的方法；光纤和振幅掩模板在光栅制作的时候一般是保持垂直，但是有时候也可以通过调节它们的夹角来对光栅的周期进行微调；在对光栅刻制的实时监控时必须考虑由于光栅区温度的明显升高导致谐振波长的变化等等。

3. 光纤布喇格光栅的温度传感原理

光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出：

Λ=

λuv

(4)

2sinθ(/2)

是两相干光束之间的夹角。

这里λ

UV是紫外光源波长，θ

由于周期性的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光谱中传播时，入射光将会在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先由威廉．布拉格爵士提出，因而这种光栅被称为布拉格光栅，反射条件称为布拉格条件。在布拉格光栅中，反射波长由下式给出： λB=2nefΛf (5)

其中neff是光纤芯区有效折射率。只有满足布拉格条件的光波才能被布喇格光栅反射。

当宽带光源入射到光纤布喇格光栅时,光谱中以光栅的布喇格波长为中心的窄光谱在光栅处被反射，其它大部分将透射而沿原来方向传输，如错误！未找到引用源。所示。

图3 宽带光源经光纤布喇格光栅后的反射和透射谱示意图

对（5）式取微分可得：

∇λB=2⨯∇neff⨯Λ+2⨯neff⨯∇Λ (6)

从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光纤光栅的Λ或者neff的改变，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。同样，当光栅的温度改变时，热膨胀和热光效应会引起的折射率改变，从而引起光栅中心波长的改变，这一改变与光栅温度的改变同样成良好的线性关系。测量光栅的中心波长的改变量，即可计算应变和（或）温度。通过适当转换，这一现象就可以用来传感多种物理和化学量等。当光纤光栅不受应力作用，只是环境温度发生变化时，光纤光栅中心反射波长的变化为

由热膨胀效应引起的光栅周期变化∆Λ为

∆Λ=α⋅Λ⋅∆T (7)

式中α为光纤的热膨胀系数。由热光效应引起的有效折射率变化为：

1dn

∆ne=ne⋅⋅∆T=neξ∆T (8)

ndT

式中ξ为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率，则可得：

∆λB1∂Λ1∂n0

＝λ（＋)B∆TΛ∂Tn∂T (9)

也即 ∆λB=(α0+β0)⋅∆T⋅λB (10)

式中α0为光纤的热膨胀系数，β0为光纤的热光系数，α0和β0均为一常数。对于普通的石英光纤光栅有：

α0=0.55⨯10-6K-1,β0=6.67⨯10-6K-1

因此式2.59表明，布喇格波长位移同温度也呈线性关系，通常其中心波长的温度灵敏性为11.1nm/︒C，即温度每变化1︒C，布喇格波长漂移11.1nm。

四 实验装置及信号解调

1、光纤光栅温度传感实验装置示意图

光纤光栅温度传感示意图如4所示，宽带光源发出的光传送到光纤光栅，光纤光栅反射回一个窄带光，其透射光传送到光纤光谱仪，从而可测出透射光的布喇格波长（近似值，因可能存在吸收损耗等因素）。光纤光栅作为传感探头放在光纤光栅实验温控器的温控盒中，温控盒中的温度是可变的，而温控盒中温度的变化会导致光纤光谱仪所检测的布喇格波长发生变化。

图4 光纤光栅温度传感实验图

2. 光纤布喇格光栅温度传感的波长信号解调

2.1光纤布喇格光栅的解调方法三：长周期光纤光栅解调法（基于线性滤波解调）

在光纤光栅传感技术中术中，由于被测信号是波长编码的，如何简单、快速、精确的将微小的波长移动量精确的解调出来，是FBG传感器系统中至关重要的问题。为了解决此问题，研究人员相继开发了一些波长解调技术，主要有干涉解调技术、可调谐光源解调技术、可调谐滤波解调技术、匹配滤波解调技术等。在上述解调方法中，干涉解调

技术测量精度很高，但是其测量的是相对值，且测量范围受限于干涉仪的自由光谱范围；可调谐光源解调技术信号检测方便，分辨率高，但是光源难以制作，成本较高；可调谐滤波解调技术解调范围大，但是扫描周期长，测试速度慢，并且重复性差；匹配滤波解调技术方法简单实用，但是解调范围太小。

实验中利用长周期光纤光栅作为布喇格光纤光栅的波长解调元件。在长周期光栅的透射谱中，特定谐振损耗峰的强度下降边(或上升边)所包含的某一波长范围内其光强度为线性（线性拟合误差在10-4量级）的减小（或增大），利用这一点可实现长周期光栅对宽带光源的调制，产生一个在某波长范围内强度为线性变化（下降或上升）的光源。选择具有合适波长的布喇格光栅，使其中心波长λB处于长周期光栅透射谱的线性区范围内，并靠近线性区的中间位置，如图2所示。当布喇格光纤光栅的波长被传感信号调制时，其反射峰在长周期光纤光栅透射谱线性区的相对位置发生变化，但其谱型不随被测信号改变，则布喇格光纤光栅反射的绝对光功率将线性变化，因此光电探测器的光电流将线性变化，这样可解调长周期光纤光栅的波长变化。这一原理与线性滤波器相似，但布喇格光纤光栅相对于线性滤波器有两点明显优势：速度快和代价小。

Wavelength/nm

Power/mw

图 5 利用长周期光纤光栅解调布喇格光纤光栅波长信号的解调原理图

2.2 光谱仪直接测量波长

优点：直观，操作简单，准确，误差小 缺点：解调元件体积大

五 实验步骤及操作要点

1、检查光路连接是否妥当、完备。

2、开启自发辐射宽带光源，注意先开电源开关，再开激光（Laser）开关。 3、开启光纤光谱仪。

4、检查光谱仪的一些基本参数设置是否合适，包括波长范围，中心波长，光强参考值，

采样点数等。

5. 按光谱仪Single键进行预扫描。

6. 观察扫描的光谱图，并根据扫描图预设扫描参数。

7. 记录光纤光栅的初始波长值，即光纤光栅在初始室温时的波长值。

8. 预设温度控制仪的温度值至-20℃，待温控箱温度达到预设温度并稳定时，按按光谱仪Single键进行扫描，按光谱仪“Peak/ Dip Search”键测出光谱Dip处波长，并记录。 9. 调光纤光栅实验温控仪的温控按钮，每次使温度升高5℃，一直到温度增加到30℃为止，记录温度值及对应的光纤光栅中心波长。 10. 整理实验数据，绘出实验数据的表格。

11. 用最小二乘法拟合出实验曲线（理论为直线）的斜率。

六 数据记录及处理

l、将检测所得的数据填入下表

上表中T表示温度（注意：为防止光纤光栅退化或谱变形，实验中应避免利用光纤光栅传感测量过高的温度，普通光纤布喇格光栅一般可承受的温度不高于200℃，否则，光栅将退化）,λ表示对应的利用光谱仪测得的光纤布喇格光栅的波长。

2、在平面坐标系上画出λ随T的变化曲线，用最小二乘法拟合出实验曲线（理论为直线）的斜率。

七 误差分析和讨论

1. 2. 3.

光纤光栅温度传感

实验讲义（内部使用稿）

东华大学理学院2011-09