光纤传感器技术研究

毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 专业 通信工程 学号

设计（论文）题目 光纤传感器技术研究

开题报告内容包括：1. 选题的意义；2. 简述选题在该领域的水平和发展动态； 3. 设计（论文）所要设计、研究的内容及可行性论证；4. 主要关键技术、工艺参数和理论依据； 5. 设计（论文）的研究特色和创新之处； 6. 主要参考文献。 一、选题的意义

近年来，人们对信息传输的要求就像奥运会的追求--更高、更快、更强。光纤传感器以它独特的结构与性能受到当今社会的青睐。普通的传感器具有难以克服的缺点，如：耦合损耗比较大，保偏特性差等自身难以克服的缺点，因此引进了具有高灵敏度、抗干扰性强、体积小、质量轻的光纤传感器。

20世纪九十年代中期，研制出一种光子晶体光纤，光子晶体光纤PCF又被称为微结构光纤，是近年来出现的一种通常由单一介质构成，并由波长量级的空气孔构成包层的新型光纤。由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，如：光子晶体光纤所具有的无休止的单模特性、奇异的色散特性、可控的非线性和易于实现的多芯传输等特点，使之成为研究的热点。 本文主要研究光子晶体光纤，利用光子晶体光纤制作光纤栅栏，从而形成光纤传感器，进而研究其传输特性。

二、简述选题在该领域的水平和发展动态

作为一种新型的光子器件，光纤光栅的研制应用近年来受到普遍关注。目前，已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩（扭应力）、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中，一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。通常，温度、应变和压力是直接影响光纤光栅波长独立变化的物理量，但裸光栅对温度、应变和压力响应的灵敏度都很低，光纤光栅传感器要想在实际中得到广泛应用，必须对其增敏。另外，光纤光栅传感器存在应变和温度交叉敏感问题，克服这一问题，实现多参数同时测量是光纤光栅传感器从实验室走向实际应用必须解决的问题。国内外学者在此方面做了许多工作，提出了一些方法，目前，区分应变和温度的方法主要有两大类：一是温度补偿FBG 方法；二是其他对温度与应变敏感的传感器与光纤光栅(FBG)的组合测量方法。

利用光纤光栅(FBG)进行传感，传感信息是波长编码的，因此，准确测量Bragg 波长的漂移至关重要。目前，解调方法很多，有M-Z干涉仪解调法、光纤环镜解调法、边沿滤波法、匹配光栅法等，这些方法各有优缺点，对新的解调方法的探索仍在不断的进行中。 2000年，Seungwoo[1]等人提出了一种新颖的利用高双折射光纤进行波长解调的解调方法。在该方案中，解调部分由一个偏振光束分光计（poiarizingbeamspiitter，PBS）、一个偏振控制器（poiarizitioncontroiier，PC）和一个写制在高双折射光纤中的啁啾光纤光栅（chirpedfibergrating，CFG）组成。该CFG的栅格周期是线性调制的，在入光的方向上由小到大。传感光栅的反射光进入解调系统后，先经PBS被分成2个偏振方向的光，一部分送到

光电接收装置，另一部分则经过PC后被CFG反射。由于不同波长的光在CFG中的反射位置不同，因此，它们在CFG中的光程不同，相位的改变也不同。CFG的反射光再经PC入射到PBS，被分成两部分，其中，一部分与原来直接送到光电接收装置的光偏振方向相同，干涉后被光电接收装置接收。这样，就使得接收到的光强和传感光栅的中心反射波长有关，达到解调的目的。该系统CFG的3dB带宽为6.2nm，能检测的最大应变量为3500×10-6。在外界对传感头施加正弦和三角波信号的扰动下，得到了良好的结果。该解调方案属于干涉解调，解调速度快，适合检测静态、动态物理量，但它与光纤环镜解调方案一样，受环境温度变化影响较大。

2002年，Ho[2]等人设计了对一种静态、动态物理量同时测量的解调系统，宽带光源输出经可调谐光纤滤波器（tunabieopticaifiiter，TOF）变成窄带光，再经3dB耦合器入射到传感光栅，利用电压驱动TOF扫描，传感光栅的反射信号经光电接收和信号处理变成直流、交流两路输出，达到静态、动态物理量同时测量的目的。该系统对静态应变的测量在1500×10-6的范围内可达到2.6×10-6的分辨力,对动态应变测量的分辨力可达7×10-6/Hz1/2。该系统可以对压力、应变、温度等静态、动态物理量实现同时测量，可以用来研究非静态流体场中热量的传输问题，也可以与波分复用等技术相结合应用在民用、航空结构的健康监测、复合材料的检测等领域。

2004年，GuanBai-ou等人［3］设计了一种基于光纤Bragg光栅的倾角传感器，不仅可以测量倾斜角度的大小，还可以确定倾斜的方向。该传感器由4根光纤光栅(FBG)和1个钟摆组成，通过测量相对的2个Bragg光栅反射波长的差，有效地消除了温度对测量结果的影响，可达到±0.1的精度和0.007的分辨力。增加钟摆的质量或优化系统结构的其他参数可以提高测量精度和分辨力。该方法原理简单、操作方便、精度高，但使用光栅数目较多。 三、所要设计、研究的内容及可行性论证

现代的光纤通信对其灵敏度要求日益增高，但光纤中未反应的氢可以引起光栅折射率的变化，而折射率的变化又会引起光纤光栅(FBG)中心波长及其强度的改变，光纤光栅(FBG)写入的初始波长会向长波长方向移动，因此需要用稳定的中心波长器件，如光纤光栅(FBG)、激光器等产生严重的影响。我主要对光纤光栅(FBG)的折射率和反射特性随时间的变化对其参数的影响，通过改变参数及外部环境进行仿真。从而得出结论：光纤光栅(FBG)折射率和反应特性是随时间变化的，刚开始极快下降，然后变慢，但总不会为零，变化的速度与环境参数有关，其中最重要的是温度。随着温度的上升，测量光纤光栅(FBG)的传输谱和反射谱可得到光栅的热衰退现象[4]，因此在一定条件下，可以将光栅的反射率看成是温度和时间的函数。

四、主要关键技术、工艺参数和理论依据[5,6]

光纤光栅(FBG)传感器是最近几年国内外传感器领域的研究热点之一。图1描述了光纤光栅的基本工作原理。常见的FBG传感器通过测量布喇格波长的漂移实现对被测量的检测。光纤光栅的中心反射波长可表示为 λg= 2neffΛ

式中，Λ为光栅周期，neff为光栅区的有效折射率。Λ和neff均受外界环境影响(温度、压力等)而发生变化，导致光纤光栅的反射波长发生移动。通过测量光纤光栅反射波长的移动△λg，便可确定被测量。

图1 光纤布拉格光栅传感器

FBG传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可实现多点测量，如图2所示。满足\智能结构\对传感器的要求，可对大型构件进行实时安全监测;也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实

用化的最大限制。

图2 单根光纤实现多点测量

光纤光栅传感器由于其独特的优势，适用于多种场合测量。国内外对其进行了大量的研究，主要集中在以下几个方面:n)对具有高灵敏度、高分辨率，且能同时感测应变和温度变化的传感器研究;(2)开发成本低、小型化、可靠且灵敏的探测技术系统研究;(3)实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。

MATLAB仿真软件：MATLAB是由Mathworks公司推出的目前国际上最流行的数学分析软件,是一种以矩阵为基本编程单元的程序设计语言。它可以完成各种矩阵的运算与操作,并具有较强的数据可视化功能。 五、研究特色和创新之处

通过引入参数分析光纤光栅(FBG)的折射率和反应特性随时间的变化，增加的选取材料的准确性，根据光纤光栅(FBG)的传输谱和反射谱可以直观的看出温度与时间的函数，这样对其稳定性可以做出更加准确的评估。 六、主要参考文献 [1] Seungwoo K，Sungchui K，Jaejoong K,et al. Novei fiber Bragg grating sensor demoduiator using fiber birefringence［A］. Lasers and Eiectro-Optics Society 2000 Annuai Meeting［C］. Rio Grande， Puerto Rico，2000. 687 - 688. [2] Ho H L，Jin W，Chan C C，et al. A fiber Bragg grating sensor for static and dynamic measurands［J］. Sensors and Actuators A，2002，96：21-24.

[3] Guan Bai-ou，Tam Hwa-yaw，Liu Shun-yee. Temperature-Independent Fiber Bragg Grating Tiit Sensor ［J］. IEEE Photonics Technoiogy Letters，2004,16（1）：224-226.

[4]陈莉.光纤光栅器件的长期稳定性及其寿命预期[J].功能材料与器件学报.2000,6(4)：448-452.

[5]杨兴，胡建明，戴特力.光纤光栅传感器的原理与应用研究[J].重庆师范大学学报(自然科学版),2009，26(4):101-105.

[6]廖延彪,黎敏.光纤传感器的今天与发展[J].传感器世界，2004,10(2):6-12. 实施方案和时间安排（按教学周次安排）： 查阅资料、开题报告： 第3周～第4 周 设计计算（实验）: 第5 周～第9周 绘图（数据处理）： 第10 周～第12周 撰写说明书（论文）： 第13 周～第14周 上交设计（论文）： 第15周 评阅、答辩： 第16 周 指 导 教 师 意 见

系 ︵ 专 业 ︶ 领 导 小 组 意 见

备 注

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