摘 要

现如今，光纤传感技术发展迅速，普遍化和产业化的速度在加快。因为光纤光栅测量技术可以很好地适应现代测量领域对传感技术各种特别的需求，因而基于光纤光栅传感的测量控制技术在航空航天、船舶桥梁、石油化工、生物医学等领域有很好的应用前景。但是当光纤光栅应变传感器应用于诸如船舶桥梁等应变量很大（通常在8000以上）的结构体时，普通的光纤光栅传感器因为测量应变的范围太小（量程小）而不能很好的满足测量要求。因而要寻求方法增大光纤光栅应变传感器的量程，而增大光纤光栅应变传感器量程就要从减小光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG) 应变传感器的应变灵敏度方面考虑。

本文以光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，FBG)应变测量原理为基础，设计出一种倾斜式光栅复合技术方案，在实现光纤光栅传感器大应变测量的同时很好地处理了裸光纤易于损坏和难以封装的问题。同时通过理论分析了光纤光栅应变与测量实际应变之间的关系，然后进行试验对传感器的动静态性能进行分析，结果表明该技术方案有效的降低了传感器的应变传感灵敏度（从1.2降为0.15）、增大了传感器的量程。同时还对传感器的应变传递率过低的原因进行了讨论。

关键词：光纤布拉格光栅，大应变，倾斜光栅复合技术

Abstract

Nowadays, optical fiber sensing technology is developing rapidly, and the speed of popularization and industrialization is accelerating. The fiber Bragg grating measurement

technology can be well adapted to the special needs of the sensing technology in the field of modern measurement. Therefore, the measurement and control technology based on Fiber Bragg grating sensing has a good application prospect in the fields of aerospace, ship bridge, petrochemical, biomedicine and other fields. But when the fiber Bragg grating strain sensor is applied to a structure with large (usually more than 8000) variables such as ships and bridges, the common fiber Bragg grating sensor can not meet the requirements of measurement because the range of measuring strain is too small (small range). Therefore, the method will be sought to increase the range of the fiber grating strain sensor, and the strain sensitivity of the fiber Prague grating (fiber Bragg grating, FBG) strain sensor should be reduced by increasing the strain sensitivity of the fiber Bragg grating strain sensor.

In this paper, based on the strain measurement principle of fiber Bragg grating (FBG), an inclined grating composite technique is designed. The problem of easy damage and hard encapsulation of the bare fiber is well handled while the fiber grating sensor is measured in large strain. At the same time, the relationship between the strain of fiber Bragg grating and measurement of actual strain is analyzed theoretically, and then the dynamic and static performance of the sensor is analyzed. The results show that the proposed scheme effectively reduces the sensitivity of the sensor strain sensing (from 1.2 to 0.15) and increases the range of the sensor.

Key Words：fiber bragg grating, large strain ，tilted grating composite technology

目录

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 光纤光栅传感器研究概况 1

1.2.1 光纤光栅发展概况 1

1.2.2 大应变光纤光栅传感器的研究现状 2

1.3 本文的研究意义以及主要工作 3

1.3.1 本课题研究的意义 3

1.3.2 本文的任务要求和研究内容 4

第二章 大应变光纤光栅传感的测量原理 5

2.1 光纤光栅的应变测量原理 5

2.2 倾斜式复合应变测量原理 6

第三章 大应变光纤光栅传感器的研制 9

3.1 传感器的设计原则 9

3.2 传感器的具体设计 9

3.2.1 总体设计方案 10

3.2.2 基底材料的选择和尺寸的确定 11

3.2.3 光栅倾斜角度设计 12

3.2.4 传感器各项参数理论分析 13

第四章 传感器的性能测试 15

4.1 传感器静态特性测试 15

4.1.1 实验结果分析 16

4.2 传感器动态特性测试 19

4.2.1 实验结果分析 20

第五章 灵敏度误差分析 21

5.1 光纤光栅传感器的应变传递公式 21

5.1.1 表面粘贴光纤光栅传感器的应变传递公式 21

5.1.2 基底刻槽光纤光栅传感器的应变传递公式 23

5.2 光纤光栅传感器的应变传递影响因素分析 24

第六章 结论与展望 26

6.1 结论 26

6.2 对未来的展望 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

• 1. 前言

近些年，随着经济的繁荣和人民生活水平的逐步提高，人们对于结构的安全性更加关注了。自然界的（如台风，地震，海啸等）和人为的对结构造成破坏，又或者是长时间的使用后，结构会受到损伤和破坏，这时可通过测定结构的关键性能参数指标，检查结构是否受到损伤或破坏。检查可确定损害的程度和损害的位置， 同时检查结果还可以判断结构的寿命等安全信息。因此，需要适当的传感器来实时检测和分析相关参数。由于光纤光栅传感器具有不同于传统的有源传感器的许多优点，因而成为土木工程结构系统的常用传感器。光纤光栅传感器有很多优点：（1）抗电磁干扰能力强，可以在复杂电磁环境下完成测量；(2)电绝缘性能，这使得它可以在各种恶劣环境条件下工作，比如石油化工等；（3）体积小、质量轻，可以适应许多不同的测量环境；（4）损耗小，光纤光栅在使用过程中的损耗是非常小的，它还能进行远距离传输；（5）运输容量大，可以进行分布式的测量；（6）以波长编码的形式工作，抗干扰能力强；（7）灵敏度较高，分辨率也高。因为拥有如此之多的优点，光纤光栅传感器在许多领域（航空航天、船舶桥梁、生物医学等）发挥着重要的作用。未来，随着光纤光栅技术的进一步发展，目前更多的只在实验室才能应用的技术将越来越趋于普遍化、实用化，同时光纤光栅的结构也将更加灵巧，方便使用。

• 1. 光纤光栅传感器研究概况
     1. 光纤光栅发展概况

1978年，世界上的首根光纤布拉格光栅（fiber Braggart grating，FBG）在Hill等人的努力下研制成功。他们是在观察到光纤传输中的驻波现象时才有的这次发现，因而此种光纤的制作方法叫做驻波法。同时又把这种光栅命名为“Hill光栅”以纪念和表彰Hill等人在光纤光栅领域的卓越贡献。实验是通过观察掺锗光纤中光的传播以及光的反射现象，实验发现通过驻波法制作的光纤光栅经过大量阳光照射后的折射率几近于100%。然而，在当时还存在一个问题就是入射波长对光栅周期有很大的限制。此外，还由于光纤制作中要掺杂少量的锗，光栅的直径很小容易折断等诸多问题，光栅技术的发展始终很慢。

1989年的时候，美国的Meltz等人用一种更高效率的光栅写入方法—UV侧写入技术实现了光栅写入技术的革新。他在光纤的两侧利用两束相干紫外光照射，从而写入光栅。这种写入技术的优点在于光纤光栅的波长是可以随意控制的，通过改变两侧入射的相干紫外光的夹角控制波长。这种高效率的光栅写入方法极大的提高了光栅的制备成功率和可控率，促进了光栅技术的发展。

1993年一种使光栅更容易形成，光纤光栅更可能大批量生产的光栅写入技术—相位掩膜技术由Hill等人首次提出。他们将光纤曝露在由一阶衍射光干涉形成的黑白条纹中，以产生不同周期的光栅。与紫外侧写入技术不同的是，光源相干性对这项技术的影响并不大，它可以通过调节入射光的夹角制得不同范围波长的光栅。同年，低温高压载氢技术的发明使得光纤光栅的制备成本得到显著降低。人们可以简单地在普通光纤上写出高反射率光栅，而不是依赖高浓度掺锗光纤。

在光纤布拉格光栅的发展历史中，随着传感技术的发展和应用场景的丰富，人们制作了各种结构和特性不同的光纤布拉格光栅。其分类方法多种多样，但使用最普遍的还是以折射率调制周期和分布进行分类。按照光栅在光纤上的周期分布不同，光纤光栅主要可以分为均匀周期光纤光栅和非均匀周期光纤光栅两类。

均匀周期光纤光栅：光学周期沿轴向保持不变，主要有布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅^[1]。

非均匀光纤光栅：沿光纤轴线方向的光栅周期不对称或折射率调制深度不固定，主要有啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、变轨迹光纤光栅和取样光纤光栅等。

随着光纤技术的不断发展，各国研究光纤光栅技术的热情高涨，各种适应场景和要求的光纤光栅也如雨后春笋般冒了出来。光纤光栅的应用途径和场景也在丰富，在航天航空，船舶，桥梁，高楼，医疗等领域光纤光栅正发挥着重要的作用。

• • 1. 大应变光纤光栅传感器的研究现状

现代工程中的测量（如船舶桥梁等）有许多都是大应变监测，而普通的光纤光栅传感器的量程过小，不适于进行大应变监测。因而，在光纤传感技术的发展历史中，研究人员根据需要研制出了各种类型的大量程应变传感器。

一般根据原理可分为两类：F-P复合传感器和结构复合传感器。

自1992年Morey等人^[2]使用两根不同的光纤形成F-P传感器，后人就在此基础上研制出性能良好、量程大、精度高的应变传感器。F-P传感器的测量原理是基于珐泊腔的多光束干涉原理。传感器制作时使用两根光纤和一根玻璃套管，一根光纤固定在玻璃套管的一端（端面在玻璃管内），另一根光纤从玻璃管的另一端伸入管内且不做固定。这样就让两根光纤的两个端面形成了F-P腔中的两个反射面，如图1.1所示。两个端面之间的距离称为腔长，腔长变化造成反射光谱变化，通过分析反射光谱就可以知道腔长的变化进而知道被测物的位移（应变）。因此这种方法可以实现应变测量，通过改变初始腔长可以得到不同量程的应变传感器。

图1.1 光纤F-P传感器

而结构复合类的传感器主要就是利用各种复合结构降低光栅实际感知到的应变，从而使得传感器可以测量大应变。金秀梅^[3]在研究预应力筋长期大应变测量的时候就提出了一种螺旋倾斜式的测量方案，如图1.2所示。实验结果表明这种结构很好的降低了传感器的应变灵敏度，可以实现大应变测量，同时又可以对光纤光栅进行很好的保护。吴晶^[4]等人在研究应用于船舶的大应变光纤光栅传感器时又提出了一种利用环形弹簧和平板复合的设计方案，如图1.3所示。利用有限元仿真进行理论分析的结果和实验结果相差无几，结果证明这种传感器的量程增大（20000）、线性度好，适合船舶等物体的大应变监测。

图1.2 螺旋倾斜复合于圆截面杆件上的光纤光栅 图1.3 大应变传感结构示意图

• 1. 本文的研究意义以及主要工作
     1. 本课题研究的意义

根据“中国经济增长动能指数”可以看出：2001-2016年中国经济增长仍处于动能上升阶段，国家经济发展趋势大好的背景下我国建筑业可以说迎来了发展的春天。诸如大型桥梁，高层建筑，水利大坝等的建设在我国建筑业中相当重要。像是目前中国在建第一、世界第二高楼。光是建造这座高楼的机器就重达4000多吨，它可以在8级大风中四天就建好一层楼。作为中国第三代起重模具系统，拥有完全自主知识产权。通常大型建筑和机器各个结构容易受到各种外界因素的影响，在刚投入使用的前几年在人为因素和环境因素的共同影响下，容易导致建筑物局部结构受到损伤。经常见到报道说由于台风、海啸、地震等不可抗力因素导致房屋受损，财产损失，更甚者还会对人的生命安全造成威胁。这时摆在人们面前的问题就是：如何对这些大型建筑进行健康监测？正确答案就是开展大型建筑的健康检测工作，通过对整体建筑进行评估，找出关键点，并对这些关键点进行应变等重要参数监控。通过一整套的系统对这些关键参数进行分析，在危害发生前可以进行有效的预防；同时在事故发生后可以对整体做出评估以确定建筑的安全。可以说不管是大型建筑还是船舶等大型结构，对整体的健康检测都是非常关键的。监测参数如应变，应力，变形等都对分析的结果有重要的影响。因而对于结构的应变进行监测，将会有重要的意义。

结合任务说明，可以明确的是本文所要解决的关键问题是大应变的测量，也就是说要设计一款量程达到8000的光纤光栅应变传感器。通过查阅资料可知，降低传感器的应变灵敏度是一个很好的方法去增大量程。因而本文的总体设计思路就是利用一种倾斜光纤光栅的方案去实现大量程的测量。

• • 1. 本文的任务要求和研究内容

本文主要的任务要求如下：

1. 设计大应变光纤光栅测量方案及其传感器；
2. 分析计算传感器的传感特性；
3. 开展传感器的传感特性的实验测试分析。

本文的主要研究内容如下：

1. 通过对光纤光栅应变原理的研究提出了一种光栅倾斜式测量的模型，通过理论计算，它是符合要求的。
2. 制作传感器并进行传感器特性试验。
3. 合理分析实验结果与理论分析的差异。

1. 大应变光纤光栅传感的测量原理

2.1 光纤光栅的应变测量原理

图2.1为FBG的结构图。由图可知在光纤中有一段区域折射率呈现周期性的分布，根据模式耦合理论，光栅对于特定波长的入射光波才能反射回来，反射光波的波长、带宽等取决于光栅的周期和有效折射率。当发生轴向应变时，波长的变化就主要是由光纤光栅的周期的变化造成的。这种情况是在单纯考虑轴向应变的情况下得出的结论，假定的是温度和其他的参量不发生变化，只考虑轴向应变，不考虑光纤光栅的径向应变。

图2.1 光纤光栅结构图

当宽带光通过光纤的一端时，一部分的光通过光栅透射到另一端，一部分相应频率的光在光栅的端面上反射回来，反射光的波长与光纤光栅周期和光栅区域的有效折射率之间的关系为：

（2-1）

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