塑料光纤长周期光栅的传感特性研究
布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究
布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究随着科技的发展，光纤传感技术在各个领域中得到了广泛应用。
光纤光栅作为一种重要的光纤传感元件，具有较好的实时性、远距离传输能力和高灵敏度等优点，在医学、工程、环境监测等领域中具有广泛的应用前景。
本文将对布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅及其传感特性进行研究探讨。
首先，我们来了解布拉格光纤光栅。
布拉格光纤光栅由一种周期性的折射率变化构成，可以将输入的连续光信号分成几个离散的波长成分。
通过调控光纤光栅的参数，如折射率调制和周期调制，可以实现对光信号的各种参数的测量。
布拉格光纤光栅传感器的工作原理是利用光纤光栅对周围环境参数的敏感性，通过监测光纤中散射光的强度变化来获得环境参数的相关信息。
布拉格光纤光栅的传感特性主要包括灵敏度、选择性和可靠性。
灵敏度是指传感器对测量目标的响应能力，通过优化光纤光栅结构可以提高传感器的灵敏度。
选择性是指传感器对目标参数的独立测量能力，通过优化光纤光栅的周期和谐振峰可以实现对不同目标参数的选择性测量。
可靠性是指传感器的稳定性和重复性，通过合理选择光纤材料和加工工艺可以提高传感器的可靠性。
接下来，我们来了解长周期光纤光栅。
长周期光纤光栅是一种周期大于波长的光纤光栅，其中周期通常为微米或毫米量级。
长周期光纤光栅的传感特性与布拉格光纤光栅有所不同。
长周期光纤光栅主要应用于抑制或增强特定频率的光信号，具有压力、温度和湿度等参数的敏感性。
长周期光纤光栅的传感特性主要包括增强系数、复合增强系数和等效折射率。
通过调节长周期光纤光栅的参数，如周期、长度和材料等，可以实现对光信号的不同频率成分的调制和增强或抑制。
最后，我们来探讨布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅在传感领域的应用。
布拉格光纤光栅主要应用于光纤传感器、光纤通信和光纤激光等领域。
在光纤传感器领域，布拉格光纤光栅可以实现对温度、压力、应变、湿度等参数的实时测量。
在光纤通信领域，布拉格光纤光栅可以实现光纤传感器的远距离传输和分布式传感。
光纤光栅传感方式的特征及优点论文
光纤光栅传感方式的特征及优点论文光纤光栅传感方式的特征及优点论文1.引言在对港口机械设备结构应力状态的监测中，主要有基于电阻应变电测技术的监测方法和基于光纤光栅传感技术的监测方法，其配套设备、数据采集原理、系统框架都存在巨大的差异。
2.电测式监测系统基本构成应变电测法的测量系统通常由应变片、应变仪、记录仪及计算分析设备等部分组成。
它的基本原理是:将应变片按构件的受力状况，合理的固定在被测构件表面，当构件受力变形时，应变片的电阻值就发生相应的变化。
通过电阻应变仪将这种电阻值的变化测量出来，并换算成应变值或输出与应变成正比的模拟电信号(电流或电压)，用记录仪器记录此电信号，再作分析与处理。
也可用分析设备或计算机按预定的要求直接接受模拟电信号并进行数据处理，从而得到应力、应变值或其他物理量。
基于电阻应变电测技术的港机金属结构远程在线监测系统基本框架图描述如下：3.光纤光栅式监测系统的基本构成光纤光栅式结构监测系统的设备通常包括以下几类:①光纤光栅应变传感器;②数据接收器;③光纤光栅解调器;④工控机(数据分析系统);⑤无线局域网+远程主机等(如果需要实现远程监测，则还需要在采集器中集成数据远程传输模块)。
综合看来，基于光纤光栅传感技术的港机金属监测方法系统一般框架图可以描述如下:此系统中，光纤光栅传感器直接埋入或粘贴在结构的表面，以进行结构状态的在线全程信号采集(其中包括用于结构关键部位健康状传感器和用于结构损伤诊断的传感器)，在结构上合理布置的。
再用多种复杂技术(时分，频分和波分)对光信号进行直接传输。
从重大工程结构上采集后的光信号，通过远程传输光纤网络，传输到健康监测和损伤诊断中心。
同时，可以在中心对数据采集方式进行远程调控。
4.两种方式的比较4．1传感原理比较①电阻应变测试技术。
电阻应变测试技术，它是采用电阻应变计(又称电阻应变片)作为传感元件将构件表面应变转化为电阻变化，然后用电阻应变仪把电阻变化转换成电压或电流变化，经放大并测量这种变化再用其他仪器记录，由所测应变换算出应力。
光纤光栅传感技术的特点分析
光纤光栅传感技术的特点分析1.高灵敏度：光纤光栅传感技术采用了高强度、高稳定性的激光光源作为测量信号源，利用光谱分析的方法进行测量和分析。
其灵敏度远高于传统的电子传感器，能够实现对微小变化的测量和检测。
2.高精度：光纤光栅传感技术具有高精度的特点，能够实现对微小物理量的准确测量。
通过对光纤中的光栅进行精确设计和优化，可以提高传感的精度和稳定性，为科学研究和工程实践提供有力的技术支持。
3.高分辨率：光纤光栅传感技术具有高分辨率的特点，能够实现对微弱信号的检测和分析。
通过光纤光栅的谱特性分析，可以实现对光信号的高分辨率分析，提高测量的准确性和精度。
4.长监测距离：光纤光栅传感技术可以实现在长距离范围内的监测和测量。
通过光纤的传输和光栅的分布，可以实现对远距离的物理量变化的监测和分析，具有很大的应用潜力。
5.抗电磁干扰：光纤光栅传感技术在信号传输过程中采用了光学信号传输，避免了电磁干扰对传感信号的影响。
能够在复杂的电磁环境下稳定工作，具有高抗干扰能力，为工程实践提供了可靠的测量手段。
6.多参数测量：光纤光栅传感技术能够实现对多种参数的测量和检测，具有较大的灵活性和适应性。
可以通过设计和优化光纤光栅的结构和参数，实现对物理量、温度、压力、应变等多种参数的测量和监测，满足不同领域中的应用需求。
7.实时监测：光纤光栅传感技术具有快速响应和实时监测的特点，可以实现对物理量的及时监测和反馈。
对于一些需要快速响应和实时控制的应用场景，光纤光栅传感技术具有独特的优势。
总之，光纤光栅传感技术是一种具有高灵敏度、高精度、高分辨率、长监测距离、抗电磁干扰、多参数测量和实时监测等特点的传感技术，具有广泛的应用前景。
在科学研究、工程实践和工业生产等领域中，都能够为实现高效、准确、可靠的物理量监测和控制提供有效的技术支持。
光纤光栅传感器技术的研究与应用
光纤光栅传感器技术的研究与应用光纤光栅传感技术简介光纤光栅传感技术是一种新兴的传感技术，它是利用光纤光栅传输和接收光信号，实现对物理量和环境参数的检测和测量。
这种传感技术因其高温度稳定性、高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰等优点，具有在多个领域有应用前景。
光纤光栅传感技术的研究光纤光栅传感技术是光纤传感技术中的一种，它是将光纤和光栅相结合，形成一种特殊结构的传感器。
光栅具有折射率周期性的结构，能够产生对光波的反射，形成光反射信号，而借助于这个特殊结构，就可以实现对物理量和环境参数的检测。
光纤光栅传感技术的研究主要包括传感器的结构设计、光纤材料的选择、传感器的应变灵敏度和温度稳定性等方面的研究。
光纤光栅传感技术的应用光纤光栅传感技术具有多种应用场景，主要可以分为结构健康监测和环境检测两类。
1. 结构健康监测随着结构健康监测技术的发展，光纤光栅传感技术在工业和民用领域的应用越来越广泛。
例如，在航空航天领域，光纤光栅传感技术可以用于飞机结构的应力和应变检测，从而保证飞机的安全。
在铁路交通领域，光纤光栅传感技术可以用于铁路桥梁和隧道的健康监测。
在海洋工程领域，光纤光栅传感技术可以用于海底输油管道的监测，从而保证海底油气的开发和生产安全。
2. 环境检测光纤光栅传感技术可以应用于多种环境参数检测，包括温度、压力、电场等参数。
例如，在石化工业领域，光纤光栅传感技术可以用于液化天然气储罐的温度监测；在电气工程领域，光纤光栅传感技术可以用于高压电缆的测量和保护。
总之，光纤光栅传感技术以其独特的物理特性和多样的应用优势，在现代传感领域得到广泛的应用。
未来，随着技术的发展和普及，光纤光栅传感技术将会在更多的领域、更广泛的应用中发挥作用，为人类提供更多的安全和保障。
实验七、光纤光栅传感的特性测试
布拉格波长为 1550nm，1300nm 时， RB,T 分别为 0.01nm/ °C和0.0087nm/ ° C 。
与压力灵敏度表达式类似，长周期光纤光栅温度灵敏度 R L,T 可表示为
R L,T
=
dλL dT
=
⎜⎛ ⎝
nco
dΛ dT
+ Λ dnco dT
⎟⎞ ⎠
−
⎜⎜⎝⎛
nc(il
)
dΛ dT
4
盘用金属细丝相连，通过滑块另一侧的托盘内加放重物如滚珠来拉动滑块，滑块沿传光轴拉伸光纤 光栅，从而给光栅施加轴向拉力。由光谱分析仪可以看到，FBG 反射的中心波长随着轴向应力增大 而向长波偏移，将应力变化转换为波长的变化，从而达到传感的目的。（附录一中给出几种不同应 力情况下 FBG 中心波长偏移情况）。
实验数据表 1 滚珠数 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 λB,N 2 λB,N 3 λB,N
λB,N
ΔλB,N
δλB,N
δλB,N / λB,N
5
2．温度传感 （1）原理
由宽带光源（如 LED）发出的光信号由光环形器的 1 端口进入，由 2 端口输出进入光纤光栅， 经光纤光栅反射的光由 3 端口送入光谱分析仪。因光纤光栅的中心反射波长随温度而异，温度的升 高时，中心波长向长波方向移动，反之亦然，故可通过波长的检测推知温度的变化，实现温度传感 （附录一给出典型的光纤光栅随温度变化的反射情况）。该实验装置较应力传感实验装置多了一个 温度传感头，其结构如图 3 所示。传感头的控温仪是通过调压器改变加热丝电流大小，通过热电偶 检测温度与设定值比较控制加热丝电流通断实现恒温，从而控制传感头内的温度，传感头应具有在 一段时间间隔内阻断与外界热交换的功能，同时应尽可能地使光纤光栅周围迅速达到热平衡。因此 传感头内部是一个绝热性能较好地空腔体。将加热丝、光纤光栅和热电偶包含其内。
长周期光纤光栅的制作与特性研究
长周期光纤光栅的制作与特性研究智能材料与结构是近年来在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域。
智能材料与结构具有四种主要特性, 即敏感特性、传输特性、智能特性和自适应特性, 它代表着21世纪先进新材料发展的一个方向。
光纤传感器作为智能材料与结构理想的核心部件, 正在受到越来越多的关注, 而其中光纤光栅传感器是目前研究和应用的热点。
自从1995年A. M. vengsarkar等人在光纤中成功地写入长周期光纤光栅(Long-period Fiber Grating以下简称LPG)以来, LPG作为光纤器件在光纤通信和传感领域得到了越来越广泛的研究和应用。
已经证实LPG可以改进掺铒光纤放大器系统, 因此可以用作带阻滤波器和增益平坦滤波器, 另外它也可以用作温度和压力传感器, 还可以用作光纤光栅传感解调器。
LPG的独特之处在于其对包层的灵敏性, 这是LPG一个独一无二的特性, 它的这种包层灵敏性可以用来制作生物化学传感器。
为了能使LPG广泛的应用于光通信和传感领域, 本论文研究了LPG的制作、特性和其在光通信和传感领域的应用情况。
文章首先采用耦合模理论模拟了长短周期光纤光栅的光谱形状基础, 然后进行光纤的载氢增敏实验, 采用普通单模光纤, 经过载氢增敏, 利用振幅掩模法和逐点法制作出LPG, 并对其的传感特性进行了研究。
以三层阶跃折射率波导结构和耦合模理论为基础, 考虑到氢分子引起的折射率变化, 针对氢载LPG提出了一个简单的模型, 对LPG的退火进行了分析和模拟, 所得到的结果与实验符合得很好。
采用LPG实现了RTM工艺中的流动前沿监测。
实验研究了LPG在各种工艺条件下的光谱信号响应情况, 结果表明LPG能可靠地探测中-低纤维体积含量预成型体中的树脂流动前沿, 在高纤维体积含量情况中以及探测三维厚度方向不同深度的树脂流动前沿时的应用受树脂折射率的限制。
采用普通单模光纤设计制作LPG, 在此基础上, 普通单模光纤LPG的双折射效应进行了研究, 获得了很好的横向压力敏感性, 证明这种LPG具有极大的用作高灵敏度的光纤横向压力传感器的潜力。
长周期光纤光栅强度型温度传感研究
第28卷第4期光子学报V o1128N o14 1999年4月 A CTA PHO TON I CA S I N I CA A p ril1999 长周期光纤光栅强度型温度传感研究Ξ刘云启 葛春风 赵东晖 刘志国 郭转运 董孝义(南开大学现代光学研究所,天津300071)谭华耀(香港理工大学电子工程系,香港)摘 要 对长周期光纤光栅(L PG)的温度特性进行了实验研究,测得的温度灵敏系数为01086nm ℃,为光纤布喇格光栅(FB G)典型温度灵敏系数的812倍1以L PG作为传感元件,以可调谐掺铒光纤环形腔激光器作为光源,研究了L PG的强度型温度传感特性,在74℃的温度变化范围内,激光透射光强的对数与待测温度的关系具有良好的线性和重复性,温度测量的分辨率可达011℃1 关键词 长周期光纤光栅;强度测量;温度传感器0 引言 近年来光纤光栅在光传感1方面的研究越来越引起人们的重视,光纤光栅传感器可以分为两类:布喇格光栅(FB G)型和长周期光栅(L PG)型,到目前为止,绝大部分的研究工作都集中在FB G 型传感器方面1但是FB G型传感器由于存在温度和应力灵敏性较低、需要复杂的波长解调技术等缺点,在实际应用中具有一定的局限性,而L PG型传感器则可以很好地解决这些问题,因此,自从1995年A1M1V engsarkar等人2在光纤中成功地写入长周期光栅以来,有关长周期光栅的研究工作引起了广泛的关注,国外已有多篇有关L PG型传感器的研究报道3～51V1B hatia等人3通过研究指出,L PG型传感器可以采用强度传感方案,直接检测输出光强的变化不仅技术简单,而且比检测波长漂移具有更高的灵敏度1我们对长周期光纤光栅的温度特性进行了实验研究,并且利用其具有较高温度灵敏度的特点,以L PG作为传感元件,以可调谐掺铒光纤环形腔激光器作为光源,研究了L PG的强度型温度传感特性,传感器光源具有较好的输出稳定性,激光透射光强的对数与待测温度成良好的线性关系,传感测量的重复性良好,进一步提高性能则可成为一种实用的传感设计方案11 L PG强度传感原理长周期光栅是一类新型的光纤光栅,它的周期一般大于100Λm,其基本的传光原理是将前向传输的基模耦合至前向传输的n阶包层模中,在传输一段距离之后被衰减掉1当光纤包层模与外界环境相互作用时,环境因素的变化将对光纤的传输特性进行调制,从而使L PG的透射谱线发生漂移,探测L PG透射谱的变化,即可得出被测量的变化1但是检测波长漂移一般需要价格昂贵的光谱仪作为解调仪器,或者采用复杂的解调技术1本文采用了一种强度型温度传感方案,只需要利用光电探测器检测光源经L PG后透射光强的变化,就可以推知待测温度的变化1我们所使用的长周期光栅的透射谱特性如图1所示,图中分别给出了1315℃和3615℃情况下L PG的光谱特性1由图可知,长周期光纤光栅透射谱在其透射峰Κ0两侧各有约7nm的近似线性范围(一般的长周期光纤光栅透射谱都具有一段Ξ国家自然科学基金资助项目 收稿日期:1999-01-26近似线性的区域),在这段区域内,L PG 透射光强的对数值lg I 与波长位置的变化∃Κ成近似的正比关系,用公式可以表示为lg I ∝∃Κ(1) 图1 不同温度情况下长周期光纤光栅透射谱 F ig 11 T ran s m issi on spectrum of long 2peri odfiber grating at differen t temperatu re由文献3的分析可知,L PG 透射波长的漂移∃Κ与待测温度的变化∃T 成线性关系,即∃Κ=k T ∃T (2)式中k T 为透射波长的温度灵敏系数,是一个与光纤热光系数和热膨胀系数有关的常数1由图1可知,当温度升高时,虽然L PG 的透射峰向长波方向漂移,但其透射峰形状基本不变,所以由式(1)和(2)可得,L PG 透射光强的对数值lg I 与待测温度变化∃T 之间的关系可以表示为lg I =k ∃T(3)式中k 为仅与L PG 特性有关的常数1由式(3)可知,对于线性区的特定波长而言,L PG 透射光强的对数与温度的变化量成正比关系,基于这一特性,我们选择中心波长在Κ0附近的激光器作为光源,以L PG 作为传感元件构成强度型传感器,通过测量透射光强的变化,推知待测温度的变化1由于温度升高时,L PG 的透射峰向长波方向移动,因此当温度升高时,这种强度型传感器的激光透射强度的对数将随着温度的升高而线性地升高1这一传感方案要求光源具有较高的功率稳定性,光纤的连接损耗对系统的性能也有一定的影响,因此实际应用中应该设法进行补偿12 实验与分析我们采用光谱分析仪(ADVAN T EST Q 8383型)作为波长检测仪器,对L PG 的温度特性进行了研究,其温度响应曲线如图2所示,图中的虚线为FB G 型传感器的典型温度响应曲线6,由图可知,L PG 的温度灵敏系数k T =01086nm ℃,约为FB G 型传感器的812倍1由L PG 的温度灵敏系数和其线性区范围可知,这种强度型传感器的温度测量范围约为80℃1如果选择线性区较大的L PG ,还可以取得更大的测量范围1图2 长周期光栅(实线)和布喇格光栅(虚线)传感器的温度响应曲线F ig 12 T emperature respon se of long 2peri od (so lid line )and B ragg (dashed line )fiber grating强度传感测量的实验装置示意图如图3所示, 图3 长周期光栅传感测试实验装置图 F ig 13 Schem atic diagram of experi m en tal setupfo r L PG sen so r m easu rem en t其中光源采用可调谐掺铒光纤环形腔激光器,其中ED F 为掺铒光纤,W DM 为波分复用器,P I 2ISO 为光隔离器,以980nm 半导体激光器作为泵浦光源,掺铒光纤作为增益介质,光纤布喇格光栅(FB G )作为激光器的一个反射镜,激光由3dB 耦合器耦合输出1我们采用悬臂梁应力调谐技术对FB G 进行调谐,当FB G 中心反射波长发生变化时,光纤激光器的输出波长也相应发生变化,其波长调谐范围为1557186nm ～1564150nm 1图中I M G 为折射率匹配液,PD 为光电探测器,用于探测经过L PG 以后激光透射光强的变化1在实验过程中,激光器输出强度具有良好的稳定性,激光输出光强基本不随时间而发生变化,因此实验中不再设计参考光路,实际应用中可以在环形腔激7534期 刘云启等1长周期光纤光栅强度型温度传感研究光器耦合输出处加入参考光路,以补偿光源起伏等因素对强度测量的影响1实验中,我们在14℃～88℃的温度范围内进行温度测量,由图2可知,这一温度范围对应的L PG 透射峰的波长变化范围为1558166nm ～1565103nm ,因此我们将激光器输出波长调至1558nm 附近,以保证这一波长在整个温度变化过程中,始终处于L PG 透射谱的线性部分1实验所用的激光输出的光谱特性如图4所示,由图可图4 掺铒光纤环形腔激光器激光输出光谱图F ig 14 Spectrum of E r2doped fiber ring laser ou tpu t知,激光输出的中心波长为1558131nm ,半宽度为0115nm ,输出光强可达1170mW 1实验测得的损耗(透射光强的对数)与温度的变化曲线如图5所示1实验中多次传感测量都具有较好的重复性,图中只给出了其中两次不同测量的实验曲线,由图可知,损耗与待测温度成良好的线性关系,R 2值可达019995,与理论分析的结果一致1由数据拟合的结果可知,这种传感器的温度灵敏系数为0189dB ℃,对于我们所使用的激光光源、传感系统和光电探测器而言,光强测量的分辨率很容易达到011dB ,因此这种强度型传感器测量温度的分辨率可达011℃,选择更好的探测器还可以得到更高的测量分辨率1由于实验条件所限,我们所使用的长周期光纤光栅的近似线性范围较小,如果选用性能更好的光纤光栅,还可以得到更大的温度测量范围1图5 长周期光栅强度传感器两次不同测量的温度响应曲线1实验1(○),实验2(∃)F ig 15 T emperatu re respon se of long 2peri od fibergrating in ten sity sen so r fo r tw o differen t trails ,T rail 1(○),trail 2(∃)3 结论本文以可调谐掺铒光纤环形腔激光器作为光源,以L PG 作为传感元件,研究了L PG 的全光纤强度型温度传感特性,在74℃的温度变化范围内,损耗与待测温度的关系具有良好的线性和重复性,测量温度的分辨率可达011℃1如果选用近似线性范围较大的长周期光纤光栅和更好的光电探测器,还可以取得更大的温度测量范围和更高的测量分辨率1参考文献1 Kersey A D ,D avisM A ,Patrick H J ,et al 1F iber grating sen so rs 1J L igh tw ave T echno l ,1997,15(8):1442～14632 V engasarkar A M ,L em aire P J ,Judk in s J B ,et al 1L ong 2peri od fiber gratings as band 2rejecti on filters 1in :T ech D igConf Op t :F iber Comm un ,San D iego CA ,po stdeadline paper ,1995:PD 4223 Bhatia V ,V engsarkar A M 1Op tical fiber long 2peri od grating sen so rs 1Op t L ett ,1996,21(9):692～6944 Judk in s J B ,Pedrazzan i J R ,D iGi ovann i D J ,V engsarkar A M 1T emperatu re 2in sen sitive long 2peri od fiber gratings 1inT ech D ig Conf Op t :F iber Comm un ,San Jo se CA ,po stdeadline paper ,1996:PD 1215 Patrick H J ,W illiam s G M ,Kersey A D ,et al 1H yb rid fiber B ragg grating long peri od fiber grating sen so r fo r straintemperatu re discri m inati on 1IEEE Pho to T ech L ett ,1996,8(9):1223～12256 Xu M G ,R eek ie L ,Chow Y T ,D ak in J P 1Op tical in 2fiber grating h igh p ressu re sen so r 1E lectron L ett ,1993,29(4):398～399853光子学报28卷LONG -PER I OD F IBER GRATING TE M PERATURE SENS ORBASED ON INTENSIT Y M EASURE M ENTL iu Yunqi ,Ge Chunfeng ,Zhao Donghu i ,L iu Zh iguo ,Guo Zhuanyun ,Dong X iaoyiInstitu te of M od ern Op tics ,N anka i U n iversity ,T ianj in 300071T am H YD ep a rt m en t ofE lectrica l E ng ineering ,H ong K ong P oly techn ic U n iversity ,H ong K ongR eceived date :1999-01-26Abstract It is investigated the tem p eratu re p rop erties of long p eri od fiber grating (L PG )1T hem easu red tem p eratu re coefficien t is 01086nm℃,w h ich is abou t 812ti m es h igher than the typ ical value fo r a no rm al fiber B ragg grating .It is investigated the tem p eratu re sen sing p rop erties of L PG based on in ten sity m easu rem en t ,by u sing long p eri od fiber grating as sen so r elem en t and u sing tunab leerb ium 2dop ed fiber ring laser as op tical sou rce .In the tem p eratu re range of 74℃,the lo ss (logarithm of in ten sity )of the laser is linear w ith the m easu ring tem p eratu re and the linearity can be rep eated w ell.T he reso lu ti on of tem p eratu re m easu rem en t is 011℃1Keywords L ong p eri od fiber grating ;In ten sity m easu rem en t ;T em p eratu re sen so r L iu Y unq i w as bo rn in 1971in Shandong P rovince .H e received the M .S .degree from N ankai U n iversity in 1997.N ow he is a Ph .D .candidate of In stitu te ofM odern O p tics ,N ankaiU n iversity and h is in terests of research are fiber grating sen so rs and op tical fiber comm un icati on .9534期 刘云启等1长周期光纤光栅强度型温度传感研究。
长周期光纤光栅在传感领域的应用研究
使用两根 Ｌ Ｇ作两点测量 Ｊ Ｐ 。
Ｌ ＰＧＩ ＰＩ １ Ｎ
周期光纤 光 栅 的表 面 镀 上一 层 数 十至 数 百 纳米 的 薄膜 层， 薄膜层对 待测 量敏 感 ， 当待 测量 变化 时 ， 膜层 的物 薄 理性质将会 发生 变化 ， 种 变化将 合纳 米球 薄膜 ， 成 了 Ｌ Ｇ 制 Ｐ 湿度传感器 Ｊ 。图 ２为此传感 器在空 气相对湿 度 由低至 高变化 的实验结果 。 由图可 见 ， 当湿度 由低至高 变化 时 ，
谐 振 波 长 向 短 波 长 方 向 漂 移 。此 漂 移 可 解 释 如 下 ： 度 湿
梁 维 源 ，覃 溪 ，欧启 标 ，思 亮４ ，姚
（ ．钦州学 院 物理与材料科学学 院，广西 钦州 ５５ ０ ； １ ３ ０ ０
２ ．广西工学 院鹿 山学 院 电子信息与控制工程 系 ，广西 柳州 ５ ５ １ ； ４ ６ ６ ３ ．广西师范大学 电子工程学院 ，广西 桂林 ５ １０ ； ４０ ４
薄 膜 层 的折 射 率 增 加 。而 我 们 知 道 ， 境 折 射 率 增 加 时 ， 环
长周期光纤光栅折射率 传感 的一个 巧妙应用是 在光 栅的表面沉积一层具有 亲水性 的聚合 物。 由于 聚合物 的 亲水性 ， 当空气 中的水气成份 发生变 化时 ， 聚合物 的光学
［ 中图分类号 ］Ｔ ２３ Ｎ ５
［ 文献标识码 ］Ａ
［ 文章编号］ １７ ８ １ （ ０２ ０ —０２ —０ ６ ３— ３４ ２ １ ） ３ ０ ９ ４
峰发 生变 化 ， 种变 化既 体现在 谐振 波长 的漂移 上又 体 这 现在 透射强 度 的变化 中 ， 即为 长周 期光 纤光栅 的折 射 此 率传感特性 。利用长周期 光纤光 栅 的折 射率 特性可制 作 性能各异的长周期光纤光栅折射率传感器 。 北京理工大学 的刘 丽辉等人 利用 长周期光 纤光栅 的
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- 1 -塑料光纤长周期光栅的传感特性研究1杨冬晓1,2，廖启亮1，陈松涛1，耿丹11浙江大学信息与电子工程学系，浙江杭州（310027） 2浙江大学太赫兹技术研究中心，浙江杭州（310027）E-mail ：yangdx@摘 要：本文对一种塑料光纤长周期光栅的传感特性进行了实验研究，测得的最大应变量为1.268%，应变灵敏度系数为1.144 pm/µε，温度灵敏度系数为56.23 pm/℃。
该种光纤光栅具有柔性好、调谐范围大等优点。
关键词：长周期光栅，塑料光纤, 温度传感，应变传感中图分类号：TP212.141. 引 言自从Vengsarkar A M 等人[1] 在光纤中成功地写入长周期光栅（LPG ）以来，有关LPG 的研究工作引起了广泛的关注，LPG 在带阻滤波器、宽带掺铒光纤放大器的增益平坦、全光开关和高灵敏度传感器等方面[2]有重要的应用。
同石英光纤相比，一般塑料光纤具有可挠性好、重量轻、应变范围大等优点，通过紫外激光在塑料光纤中写入的长周期光栅具有调谐范围大、灵敏度高等特点。
若对塑料光纤光栅施加一定的温度与应变，其产生的调谐范围可以覆盖光纤通信系统的波长范围。
本文对塑料光纤长周期光栅（PLPG ）的温度[3]与应变传感特性进行实验研究。
2. 基本原理LPG 是一种光纤光栅，光栅周期一般大于100 µm ，其基本的传光原理是将前向传输的纤芯模式耦合至前向传输的包层模式中，包层模能量很快消逝。
其相位匹配条件为()Λ−=)(cl )(co )(n m mn n n λ （1） 其中)(co m n 、)(cl n n 分别为m 阶纤芯模式和n 阶包层模式的有效折射率，)(mn λ为满足以上相位匹配条件的波长，Λ为光栅周期。
只有满足相位匹配条件，纤芯模式才能有效地从LPG 纤芯耦合到包层中的包层模，在透射谱上出现损耗谷。
LPG 的透射损耗谷要比布喇格光栅的透射损耗谷宽，而具有几个低阶模式的LPG 透射损耗谷比单模光纤LPG 的透射损耗谷宽。
当温度不变时，对式(1)两边关于应变求导，可以得到应变系数εK()()Λ−−Λ−==)(cl cl )(co co )(ε11d d n m mn n p n p K ελ （2） 式中p co 、p cl 分别为纤芯和包层的有效弹光系数。
当应变不变时，对(1)式两边关于温度求导，可以得到温度系数K T1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030335029）和国家自然科学基金（项目编号：60177025）资助- 2 -()()Λ+−Λ+==)(cl cl )(co co )(T d d n m mn n n T K ξαξαλ （3）式中α为热膨胀系数，ξco 和ξcl 分别为纤芯和包层的热光系数。
3. 实验系统实验中采用具有数个低阶模式的塑料光纤[4-5]，其纤芯材料为PMMA 和PBzMA ，摩尔比96.5:3.5，并掺2wt% TS 光敏材料；包层材料为PMMA 和PEMA ，摩尔比75:25；纤芯直径为20 µm ；用波长为325 nm 的激光和振幅掩膜板在该塑料光纤中写入长周期光栅[6]，光栅周期为400 µm 。
在实验系统中，采用基于图像识别和功率反馈的自制三维光纤自动耦合系统[7]，实现塑料光纤与标准单模石英光纤的耦合。
塑料光纤长周期光栅应变传感实验系统如图1所示，由于塑料光纤损耗较大并不能与光谱仪直接耦合，光源采用了可调谐激光器（波长调谐范围为1520~1570 nm ，波长调谐精度为0.01 nm ），检测采用了具有大光敏面直径（1 cm ）探头的光功率计，利用逐点扫描法测得PLPG 在特定应变下的透射谱，并利用光谱仪实时监测激光功率与波长的稳定情况。
通过精密移动平台调节应变量，并通过一对读数显微镜有效地测量实际的应变量。
图1 塑料光纤长周期光栅应变传感实验系统示意图在温度传感实验系统[8]中，利用半导体制冷器调节温控腔的温度，并利用散热风扇和散热片提高温度调节效率，同样采用逐点扫描法测得PLPG 在特定温度下的透射谱。
4. 实验结果与分析给定PLPG 的应变量和环境温度，测得激光波长从1570 nm 到1520 nm 之间各点光功率计的值，可以获得PLPG 的透射谱（图2）。
由于受激光器调谐波长范围的限制，只能测得透射谱中损耗谷的前半部分。
透射谱中损耗谷的前向转折点波长λknee 是PLPG 的一个特征波长，可以根据λknee 随应变量和环境温度的变化特性，确定应变和温度的变化情况。
- 3 -图2 实测的塑料光纤长周期光栅的典型透射谱保持测量方法和过程不变，分别测得PLPG 在温度基本不变的条件下，不同应变的透射谱及其前向转向点波长λknee ，由此可获得PLPG 的应变传感特性曲线，如图3所示。
图3 塑料光纤长周期光栅应变传感特性 图4 塑料光纤长周期光栅温度传感特性由图3可以看出，λknee 与ε有较好的线性，其线性拟合结果为λknee =1551.65+1.144ε，由此可以得到PLPG 的应变灵敏度约为1.144 pm/µε。
受可调谐激光器调谐波长范围的限制（最大值1570 nm ），实验中PLPG 测得的最大应变量为1.268%，相应的波长调谐量为17.9 nm 。
实验的塑料光纤光栅可以获得5%以上的应变量[4]，因此该PLPG 可达到57 nm 以上的波长调谐，大于石英光纤光栅的波长调谐范围。
实验测得不同温度T 与损耗谷前向转折点波长λknee 的关系（图4），其线性拟合结果为λknee =1545.65+0.05623∆T ，温度灵敏度系数为56.23 pm/℃，而石英Bragg光栅温度灵敏典型值1550155515601565157000.20.40.60.81 1.2 1.4拉伸应变(%)损耗谷前向转折点波长(n m)1546154715481549102030405060温度(摄氏度)损耗谷前向转折点波长(n m)-150-130-110-90-70-50152015301540155015601570波长(微米)光功率(-d B m )为13.7 pm/℃。
与应变传感一样，利用PLPG进行温度传感也有比较大的优势。
5.结论本文给出了一种塑料光纤长周期光栅应变与温度传感实验系统，并测量了塑料光纤长周期光栅的应变传感特性与温度传感特性，受激光器调谐波长范围的限制，测得的最大应变量为1.268%，应变灵敏度约为1.144 pm/µε，这种塑料光纤实际可获得5%以上的应变量，相当于57 nm的调谐波长，比石英光纤光栅的调谐范围大；实验测得的温度灵敏度系数为56.23 pm/℃，也比石英光纤光栅的温度灵敏度高。
6.致谢作者感谢高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030335029）和国家自然科学基金（项目编号：60177025）的资助，特别感谢香港理工大学纺织及制衣学系于建明博士和陶肖明教授提供的塑料光纤长周期光栅。
参考文献[1]Vengsarkar A M, Lemaire P J, Judkins J B, et al． Long-period fiber gratings as band-rejection filters［J］．Journal of Lightwave Technology, 1996, 14(1): 58~64．[2]Vasilev S A, Medvedkov O I, Korolev I G, et al． Fibre gratings and their applications［J］． QantumElectronics, 2005, 35 (12): 1085~1103．[3]Liu Q, Chiang K S, Lor K P． Condition for the realization of a temperature-insensitive long-periodwaveguide grating［J］．Optics Letters, 2006, 31 (18): 2716-2718．[4]Yang D X, Yu J M, Tao X M, et al． Structural and mechanical properties of polymeric optical fiber［J］．Materials Science & Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2004, 364(1~2): 256~259．[5]Tao X M, Yu J M, Yang D X．Optical fiber and optical fiber sensors［P］．United States Patent, 7027699,April 11, 2006．[6]Yu J M, Tao X M, Tam H Y, et al． Photosensitivity and grating development intrans-4-stilbenemethanol-doped poly (methyl methacrylate) materials［J］．Optics Communications, 2006, 265(1): 132~139．[7]陈松涛, 杨冬晓, 方培沈, 等．单模石英光纤与塑料光纤自动耦合系统［J］．半导体光电, 2006, 27(3):282~285．[8]王远生, 杨冬晓, 毕岗, 等．单个光纤布喇格光栅实现应变温度同时测量的研究［J］．传感技术学报,2004, 17(30): 449~452．- 4 -Study on Sensing Properties of Polymer Fiber Long-periodGratingYang Dongxiao1,2, Liao Qiliang1, Chen Songtao1, Geng Dan11Department of Information & Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027,PR China2Research Center for Terahertz Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027, PR ChinaAbstractThe study on the sensing properties of polymer fiber long period gratings is reported. Experimental℃results indicate that a temperature sensitivity of 56.23 pm/ and a strain sensitivity of 1.144 pm/µεwith a strain range of 1.268% can be achieved. This polymer fiber long period grating has advantages of good flexibility and large tuning range.Keywords: long period grating, polymer fiber, temperature sensing, strain sensing作者简介：杨冬晓（1964-），男，博士，教授。