（波長調製型光纖溫度感測器
《光纖感測測試技術》
課課程作業報告
提交時間： 2023年10月 27 日
1 研究背景 （執筆人： ）
被測場或參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸光的波長改變，進而通過測量光波長的變化來確定北側參量的感測方法即為波長調製型光纖感測器。
光纖光柵感測器是一種典型的波長調製型光纖感測器。基於光纖光柵的感測過程是通過外界參量對布拉格中心波長的調製來獲取感測資訊，其數學表示式為：
式中：為纖芯的有效折射率；是光柵週期。
這是一種波長調製型光纖溫度感測器，它具有一下明顯優勢：
（1）抗干擾能力強。由於光纖感測器是利用光波傳輸資訊，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的電磁場，並且安全可靠。這使它在各種大型機電、石油化工、冶金高壓、強電磁干擾、易燃、易爆、強腐蝕環境中能方便而有效地感測，具有很高的可靠性和穩定性。
（2）感測探頭結構簡單，體積小，重量輕，外形可變，適合埋入大型結構中測量結構內部的應力 、應變及結構損傷，穩定性、重複性好，適用於許多應用場合，尤其是智慧型材料和結構。
（3）測量結果具有良好的重複性。
（4）便於構成各種形式的光纖感測網路。
（5）可用於外界參量的絕對測量。
（6）光柵的寫入技術已經較為成熟，便於形成規模生產。
（7）輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個光柵，構成感測陣列，與波分復用和時分復用系統相結合，實現分布式感測。
由於以上優點，光纖光柵感測器在大型土木工程結構、航空航天等領域的健康檢測以及能源化工等領域得到了廣泛的應用。但是它也存在一些不足之處。因為光纖光柵感測的關鍵技術在於對波長漂移的檢測，而目前對波長漂移的檢測需要用較複雜的技術和較昂貴的儀器或光纖器件，需大功率的寬頻光源或可調諧光源，其檢測的解析度和動態範圍也受到一定的限制等。
光纖布拉格光柵無疑是一種優秀的光纖感測器，尤其在測量應力和應變的場合，具有其它一些感測器無法比擬的優點，被認為是智慧型結構中最有希望整合在材料內部，作為檢測材料的結構和載荷，探測其損傷的感測器。
2.感測設計與可行性論證（執筆人：）
根據耦合模理論，光纖布拉格光柵的中心反射波長可以表示為：
式中為導模的有效折射率，為光柵的週期。由(1)式可以看出，中心反射波長與有效折射率和光柵週期有關；有效折射率和光柵週期會隨著溫度、壓力、應變的變化而變化，從而根據中心反射波長的變化量來測量溫度，壓力，應變等變化量。
當光纖光柵受到軸向外力及溫度的影響時，其光柵週期和纖芯折射率將會發生變化，光纖光柵反射波長也會發生變化。其關係式為：
對於(2)式，假設僅有溫度變化時，由熱膨脹效應引起的光柵週期變化為 ：
(3)式中為光纖的熱膨脹係數。熱光係數引起有效折射率變化為：
(4)式中為光纖的熱光係數，表示折射率隨溫度的變化率。因此可得光纖布喇格光柵的溫度靈敏度係數：
(5)對於普通的光纖光柵，比如摻鍺石英光纖， ，， 可以估算出常溫下光纖光柵的溫度靈敏度係數大約為。
由資料可見，若要把光纖光柵應用於實際的感測，必須對光纖光柵的靈敏度進行溫度增敏，增加光纖光柵對溫度的靈敏度，方法一般都是對光纖光柵進行封裝。對於封裝後的光纖光柵感測器，其溫度靈敏度係數為：
設計高靈敏溫度光纖光柵感測器，常用方法是採用熱膨脹係數大的材料封裝光纖光柵。常用的材料是熱膨脹係數大的金屬材料，聚合物材料，合金材料等。常用的封裝方式有：。
3.感測器解調系統設計（執筆人：）
解調方案影響到整個感測系統的精度、解析度的引數。現今常見的實現對波長編碼的解調方法包括：可調雷射器解調方案、可調濾波解調方案、邊緣濾波解調方案和干涉儀解調方案等。
其中利用可調濾波器和干涉儀來實現解調是目前最重要也是應用最廣泛的兩種方法。
干涉儀解調基本方法是：把從感測fbg反射的光用耦合器分為光強相等的兩路，然後引入一定的路程差，當兩路光重新匯合發生干涉的時候，就存在乙個相位差。對於不同中心波長的發射光，經過相同路程差所引入的相位差是不一樣的，其所得的干涉光的光強也是不一樣的。
通過從干涉光強中解出相位差的資訊，就能得到反射光中心波長的資訊。
圖1 基於非平衡m-z干涉儀的解調方案
用於訊號解調的干涉儀有m-z干涉儀、michelson干涉儀和sagnac環干涉儀等。2023年以來a.d.
kersey等人就先後提出了一系列基於非平衡m-z干涉儀的解調方案，其基本結構如圖1所示。
假設非平衡m-z干涉儀兩臂引入的路程差為，那麼干涉時的相位差可表示為：
如果不引入其他雜訊，且兩束干涉光光強相等時，其干涉光強可表示為：
可見輸出光強是反射光中心波長的函式。另外從上式中可以看到，干涉光強中帶有直流訊號，這樣會影響到系統的解析度。因此，如圖1所示，通過差分放大，能夠抑制干涉訊號的直流分量，從而提高系統的解析度。
這種解調方案解析度高，響應速度快，非常適合於動態測量。但是由於是通過相位差來反映中心波長，其最大變化範圍為2，超過以後將無法得到正確的中心波長值，因此限制系統的測量範圍。另外，由於干涉強度對於相位差相當敏感，因此干涉兩臂所處環境的雜訊對系統影響較大，也是該系統缺陷之一。
4.誤差分析（執筆人：）
fbg 溫度感測器增敏的原理是利用fbg 對溫度和應變同時敏感的特性， 通過合理的結構設計， 把fbg 和高熱膨脹係數材料封裝在一起， 當被測溫度變化時， 通過高熱膨脹係數材料的形變向fbg 施加乙個應變數， 使得fbg 的返回波長變化量加大。 基於此原則的方法大體上分為兩種:
( 1)直接將fbg 貼上在高熱膨脹係數材料上， 當溫度公升高時， 高膨脹係數材料直接拉動fbg， 使fbg 的應變加大， 返回中心波長的變化量增加。 然而， 這種增敏方式有明顯的缺點: 增敏效果受到材料的熱膨脹係數制約、解析度有限、而且伴有啁啾的負面效應。
( 2)通過採用雙金屬結構的方法實現溫度增敏， 效果明顯。 溫度變化時， 雙金屬結構把2 種熱膨脹係數不同的金屬的長度變化量的差轉化成fbg 長度的變化量， 從而提高fbg的溫度靈敏度。 可是， 他們沒有對該型別的fbg 溫度感測器的結構和精度作進一步研究， 限制了它的應用範圍。
基於上面所提到的2 個缺點，利用光纖光柵對溫度和應變同時敏感的特性， 設計製作了一款雙金屬光纖光柵溫度感測器， 在**前兆觀測時能滿足地溫觀測的精度要求。 雙金屬的溫度增敏原理如圖2 所示。
圖2 感測器結構示意圖。
當溫度變化時， 材料a 和材料b 長度均變化，且a 長度的變化量比b 長度的變化量大得多， a 、b 長度的變化量的差值直接傳遞給了fbg。 當fbg的應變發生變化時， 其返回波長會隨之發生變化。
fbg 的應變數越大， 返回波長變化量也就越大。 因此， 可以通過調整a 和b 的長度和選用不同熱膨脹係數的材料來控制fbg 的應變數， 從而實現高解析度和高精度的溫度測量。 實驗證明:
該感測器的精度達到% 0.05 ℃ ， 獲得了現今光纖光柵溫度感測器最高的解析度0.001 4 ℃ / pm， 再稍微擴充套件下還能利用這個原理， 設計製作一款靈敏度係數可調的高靈敏度光纖光柵溫度感測器 ， 並通過調整高靈敏度光纖光柵溫度感測器的靈敏度改變其量程。
圖3 雙管式光纖光柵溫度感測器結構示意圖。
圖3 為雙管式光纖bragg 光柵溫度感測器的結構示意圖。 其中， 外套管隔離了外加應力應變向內管的作用， 避免了外力通過內管傳遞給光纖bragg 光柵。 同時， 由於內、外管均是熱傳導效能良好的金屬材料( 比如:
銅) ， 故溫度仍能通過外管和內管傳遞給光纖bragg 光柵， 從而使得brag g 波長響應溫度變化而產生移位。 根據測溫實驗資料得到光纖光柵溫度感測器的各項靜態效能指標， 光纖光柵溫度感測系統靈敏度為9.8pm/ ℃ ， 解析度為0.
102 ℃ ， 線性度為99.88%， 重複性誤差1. 55% 。
心得體會
本次我們以光纖溫度感測器作為調研方向，從所蒐集的資料我們可以發現，光纖溫度感測器作為光纖感測器中應用領域最廣的感測器之一，它的發展歷史已近40年，而且正在往更高效，更穩定的方向日漸改善。此外，在展開本課題調研之初，我們還對當今不同國家光纖溫度感測器研究的深度及廣度作了進一步調查，並體會到我國在該領域雖然起步較晚，但其發展速度迅速，且現發展水平還有待改善。
在關於光纖感測器的原理結構方面，我們選擇了兩個方案結構來實現，第乙個為基於mach-zehnder干涉儀通過光條紋隨溫度變化來實現溫度感測。由於對mach-zehnder干涉儀本身已有一定的學習理論基礎，我們在這一方案中能較好的理解其原理，並對其應用過程中的優缺點做了進一步的分析。而對於第二個方案，我們採用單晶矽半導體作為感測器的核心，通過電子電路方式實現溫度感測。
該方案運用到led以及低通濾波器等，操作性較為可行，但其對光譜譜寬有一定的要求，因此在光纖溫度感測中容易出現誤差，相對來說基於干涉原理的方案一其靈敏度較高，實現的可能性更高。
總的來說通過此次的調研我們對光纖感測器，特別是光纖溫度感測器有了進一步的認識，當中包括其發展歷史以及其原理結構。而值得注意的是，在光纖感測器的應用當中我們還應考慮到市場**以及成本控制，配套器件的一系列要求，因此在以後的課題研究中我們還應對此方面作更多的關注。
參考文獻（執筆人：）
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5. 原榮. 光纖通訊第三版. 電子工業出版社. 2010.
光纖光柵感測器的應用
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