光纤布拉格光栅温度传感技术研究

光纤布拉格光栅温度传感技术研究

姓名：柴伟申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：姜德生

20040501

武汉理工大学硕士学位论文摘要光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器是利用Ｂｒａｇｇ波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器，除具有传统电类传感器的功能外，它还具有分布传感、抗电磁干扰、精度高、长期稳定性好等优点，在大型复合材料和混凝土的结构监测、智能材料的性能监测、电力工业、医药和化工等领域有着广阔的应用前景。对温度的测量是光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器的重要应用之一。对光纤光栅进行温度传感研究不仅满足了对温度检测的需求，而且还为光纤光栅应变传感器的温度补偿提供了必要的基础。研究表明，光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感特性稳定，是理想的温度传感元件。但是必须对Ｂｒａｇｇ光栅进行有效的封装，才能使其成为能满足工程实际要求的传感器。因此对光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器封装方法的研究对于其走向实际应用具有重要的意义。本文对光纤Ｂｒａｇｇ光栅的温度传感进行了研究，主要工作如下：对光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感技术做了深入的研究和分析。针对工程实际应用，提出了光纤光栅温度传感器的设计要求。通过研究目前光纤光栅温度传感器封装的现状，并分析已有封装方法的特点，提出了一种新的光纤光栅温度传感器封装方法。然后通过实验研究了封装结构及工艺对光纤光栅温度特性的影响，并对实验结果进行了理论分析。可以得到以下结论：１）在封装过程中对光纤光栅旌加一定的预张力可以使光纤光栅温度传感器有很好的重复性。２）封装结构可以提高光纤光栅作为温度传感器的温度灵敏度系数。３）封装后的光纤光栅依然保持着波长与温度良好的线性关系。因此，采用此种封装结构的光纤光栅温度传感器具备良好的重复性、线性度和灵敏度，可以满足实际应用的要求，具有广阔的应用前景。此外，本文还介绍了光纤光栅波长解调系统的基本原理，分析比较了几种常用的光纤Ｂｒａｇｇ光栅波长解调方法。探讨了基于调谐光纤Ｆ．Ｐ滤波法的光纤光栅解调器的研制，并组建了比较完整的光纤光栅温度传感检测系统。关键词：光纤光栅温度传感封装方法波长解调武汉理工大学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＦｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈＵＳｅＳｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｙｔｈａｔｔｈｅＢｒａｇｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｓｓｅｎｓｋｉｖｅｔｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒａｉｎ，ｉｓａｎｅｗｋｉｎｄｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏＬＩｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｈａｖｉｎｇｔｈｅｓａｍｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｓｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒｓ，ｔｈｅＦＢＧｓｅｎｓｏｒａｌｓｏｈａｓｓｏｍｅｓｐｅｃｉａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｕｃｈａｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｅｎｓｉｎｇ，ｉｍｍｕｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｈｉ曲ｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｓｏｉｔｈａｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｃａｂｌｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｌａｒｇｅｃｏｍｐｏｕｎｄｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｍｅｄｉｃｉｎｅｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｔｃ．ＳｔｕｄｙｏｎＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｎｇｎｏｔｏｎｌｙｍｅｅｔｓｔｈｅｎｅｅｄｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｃ既ｎｅｎｔ，ｂｕｔａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｎｓｔｒａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｉｓｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ，ＦＢＧｈａｓｓｔａｂｌｅｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄｔｈｕｓｉｓａｎｉｄｅａｌｋｉｎｄｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ．Ｂｕｔｏｎｌｙａ／：￡ｅｒｔｈｅＦＢＧｉｓｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｐｒｏｐｅｒｍｅｔｈｏｄ，ｉｔｃａｌｌｂｅｃｏｍｅａｓｅｎｓｏｒｔｈａｔｉｓａｐｐｌｉｃａｂｌｅｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ｓｔｕｄｙｉｓｆｏｃｕｓｅｄＯｎＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｔｈｅｍａｉｎｔａｓｋｓａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗ：ＡｆｔｅｒｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅＦＢＧｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｎｅｅｄｓｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｘｉｓｔｅｄｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｅｗｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇｔｈｉｎｓｔｅｅｌｔｕｂｅｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．ＴｈｅｎｗｅｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｉｓｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｎｔｈｅＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｗｅａｌｓｏｐｅｒｆｏｒｍｓｏｍｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｅｓｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｗｅｈａｖｅｄｒａｗｎｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：１）ＴｈｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｗｉｌｌｈａｖｅｇｏｏｄｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｉｆｔｅｎｓｉｌｅｆｏｒｃｅｉｓｐｕｔｏｎｔｈｅＦＢＧｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ．ＩＩ武汉理工大学硕士学位论文２）ＴｈｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｈａｓｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｂａｒｅｄＦＢＧ．３）ＴｈｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｈａｓｇｏｏｄｌｉｎｅａｒｉｔｙ．Ｓｏ，ｗｅｃａｒ／ｓａｙｔｈａｔｔｈｅＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｉｎｔｈｉｓｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓｇｏｏｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄｔｈｕｓｈａｓａｐｐｌｉｃａｂｌｅｖａｌｕｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ｗｅａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏｍｅｃｏｍｍｏｎｕｓｅｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｗｉｔｈｅｍｐｈａｓｉｓｏｎｔｈｅｔｕｎａｂｌｅｆｉｂｅｒＦａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ（Ｆ—Ｐ）ｆｉｌｔｅｒｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ａｓｌａｓｔ，ａｃｏｍｐｌｅｔｅｄＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｎｇｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｎｇ；ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍ武汉理工大学硕士学位论文第１章绪论１．１研究课题的提出与意义传感技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。现阶段，从宇宙探索、海洋开发，到国防建设、工农业生产：从环境保护、灾情预报，到包括生命科学在内的每一项现代科学研究；从生产过程的检测与控制，到人民群众的日常生活等等，几乎都离不开传感器和传感技术。事实证明，传感器和传感技术已经渗入了新技术革命的所有领域，涉及了国民经济的每个部门，进入了大众生活的各个方面【¨。现代信息技术是由信息的采集、传输和处理技术组成，因此传感器技术、通信技术和计算机技术成为信息技术的三大支柱。光纤传感技术自２０世纪７０年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来，它是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术［２１。当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代，光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势１３Ｊ。新一代光纤技术—－二一光纤光栅将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命Ｈ。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，专家们预言从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性的飞跃Ｌ“。．我国对光纤传感器的需求量很大，光纤传感器的市场前景十分诱人ｆ６１。但我国在光纤传感器的研究与开发方面，尤其是在商品化、产业化方面还远远满足不了市场需求。与发达国家相比，光纤传感器的市场销售额占我国传感器销售额的比例很小，特别是在光纤传感器的共性基础、中间试验和生产装备技术方面尤为突出，影响了光纤传感器产品的产业化进程。武汉理工大学光纤传感技术研究开发中心作为光纤传感技术国家重点工业性试验基地，在光纤光栅传感器的研究方面投入了巨大人力和物力，在一武汉理工大学硕士学位论文些关键的技术领域取得了重大的技术突破。现在正在进行各种光纤布拉格光栅传感器的应用研究开发。本文研究目标是对光纤光栅传感器的实用化进行技术攻关，针对现有光纤光栅传感器的不完善之处，找到可行的技术途径，研制出适合工程应用的光纤光栅传感检测系统。１．２光纤光栅传感检测技术的特点及发展现状与传统的强度调制和相位调制的光纤传感器相比，波长调制型的光纤光栅传感器具有许多独特的优点［４】：１）抗干扰能力强：因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性（忽略光纤的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏的干扰。例如，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。２）光纤光栅是自参考的，可以进行绝对测量ｆ在对光纤光栅进行标定后），不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。３）传感探头结构简单、尺寸小（其外径与光纤本身等同），适用于各种场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度进行连续实时监测。４）便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用（ＷＤＭ）技术构成分布式光纤光栅传感阵列，进行大面积的多点测量。５１测量结果具有良好的重复性。６）光栅的写入工艺较成熟，便于形成规模生产ｆ商品化）。基于光纤光栅的上述诸多优点，其被广泛应用于大型民用工程建筑（大桥、大坝、高层建筑）中以监测压力、温度、应力、应变对建筑物的影响【’”。于１９９３年建成并投入使用的ＢｅｄｄｉｎｇｔｏｎＴｒａｉｌ大桥口】，位于加拿大的Ｃａｌｇａｒｙ，是世界上首座用碳纤维预应力筋构筑其大型预制混凝土板梁的大桥。在２６根梁中，有５根埋设了光纤布拉格光栅传感器。传感器被粘附于钢筋表面，并使用混凝土梁侧面的凹槽对置入的光纤进行保护。随后，光栅被熔接到有防护套的长光纤上，接入控制室的中央接线盒。在那里，它们被连接到各种武汉理工大学硕士学位论文仪器上以监视结构内应力变化，记录载重卡车的动态及静态负荷。这是光纤布拉格光栅成功用于准分布传感系统的首次报道。１９９４年法国的ＣＯＲＡ２０００研究计划把光纤光栅准分布传感系统用于核电站的结构监控。１９９５年瑞士联邦实验室报道了光纤布拉格光栅在民用工程中的应用。同年法国、瑞士、比利时和葡萄牙联合研制用于矿井安全监测的光纤布拉格光栅准分布传感系统。挪威的Ｄ．Ｒ．Ｈｊｅｌｍｅ等人则使用ＦＢＧ传感器检测使用新型复合材料制作的１：２０的舰艇模型的抗风浪能力【９］。美国国家宇航局（ＮＡＳＡ）也计划采用ＦＢＧ传感器监测用石墨／环氧树脂复合材料制作的航天器液体燃料箱的结构完整性，并已进行了初步试验【ｌ…。美国在波音７７７跟踪复合材料的温度、应力、应变等物理量变化的实验中应用光纤布拉格光栅技术取得了显著成果，这项技术大大提高了设计的可靠性、合理性和科学性。国内光纤光栅传感器的研究开发相对落后一些。上世纪九十年代初期，清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展了传感光纤光栅的研究。通过十多年的研究和开发，光纤光栅传感技术已得到快速的发展，特别是在光纤光栅传感机理、光纤光栅制各技术、解调技术、信号检测与处理技术方面具备了相当水平的理论基础和一定的技术水准。但是现阶段大部分光纤光栅传感器的研究还只局限在实验室范围。目前国内有一些学校和研究所正在进行光纤布拉格光栅传感实用系统应用技术研究，但是有一些关键的技术问题还有待突破，所达到的技术指标和国外相比还有一些差距。为了加快我国在这个高新技术领域的发展，国家计委通过“光纤传感技术国家重点工业试验基地”项目的投入，引进了光纤光栅制备系统和多通道光纤光栅解调等相关设备，使我国在传感用光纤光栅的研究方面具备了世界先进水平的物质技术基础，加快了我国在此领域赶超国际技术的步伐。经过几年的努力，在光纤光栅的制备技术、传感技术和解调技术方面，取得了多项成果。特别是在光纤光栅制备技术的研究方面，已取得重要进展。其主要技术指标达到国际先进水平。在光纤光栅设备方面，已成功研制出多点光纤光栅解调的实验装置。武汉理工大学光纤中心在光纤光栅的研制和光栅信号解调等关键技术上取得了重大突破。为了尽早将这项技术应用到工程中去，武汉理工大学硕士学位论文己广泛开展了光纤光栅传感工程应用技术研究，本文的研究工作隶属于上述研究范畴。１．３课题的产生与主要研究内容本课题是国家科技部８６３项目“光纤光栅传感技术产业化研究”（编号２００２ＡＡ３１３１４０１）的一部分。课题的研究目标是在探究光纤布拉格光栅的各种特性的基础上，对传感探头封装材料与工艺进行研究，研制出适于工程应用的光纤布拉格光栅温度传感器的生产技术，并形成适合工程应用的光纤光栅温度传感检测系统。本课题研究采取与实际工程应用试验相结合的研究方法。依托武汉Ｎ２大学“光纤传感技术国家重点工业性试验基地”的有关工业试验条件，开展工业化生产试验，以解决规模化生产的一系列技术与装备问题。本文的主要研究工作如下：１）结合工程测量的要求，通过大量的试验研究，分析了多种封装结构和工艺对光纤光栅温度传感器特性的影响，研制出了适合工业应用的光纤光栅湿度传感器的封装制作方法和工艺。２）分析比较了几种国内外提出和进行过研究的ＦＢＧ波长解调方法，探讨了基于调谐光纤Ｆ－Ｐ滤波法的光纤光栅解调器的研制，并组建了比较完整的光纤光栅温度传感检测系统。３）对本课题的研究工作进行了总结并对以后的研究工作提出一些建议。４武汉理工大学硕士学位论文第２章光纤光栅传感原理２．１光纤光栅及其传感原理２．１．１发展概况１９７８年，加拿大的Ｋ．Ｏ．Ｈｉｌｌ及其同事在实验中观察到氖离子激光在光纤中相向传输形成驻波时，在光纤中形成折射率周期分布的光栅［１１］。这种周期分布的光栅也称作“Ｈｉｌｌ光栅”，在光纤中作为布拉格反射器使用。它可将满足布拉格条件的前向传输光变作反向传输光，反射波长与光栅栅格常数和折射率有关。光照除去后，光栅还存在，其反射率在长时间光照达到饱和时可达到１００％，带宽却很窄。１９８９年，美国的Ｍｅｌｔｚ等人发明了紫外侧写入技术，他们利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面写入了光栅【１２】。这项技术不仅大大提高了光栅的写入效率，而且可以通过改变两束相干光的夹角从而达到控制布拉格波长的目的。紫外侧写入技术问世后世界各国对光纤光栅及其应用研究迅速开展起来，光纤光栅的制作及光纤光敏化技术不断发展。１９９３年，Ｋ．Ｏ．Ｈｉｌｌ等人提出了位相掩模写入技术，利用紫外激光经过位相掩模衍射后的±ｌ级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光纤光栅【”］。此技术的提出极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加容易，并使得光纤光栅的批量生产成为可能。同年ＥＪ．Ｌｅｍａｉｒｅ等人提出了一种提高光纤敏感性的简单有效方法——低温高压载氢技术［１４１。他们将光纤浸入２０一７５０个大气压、２０－－７５℃的氢气中使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部。然后再用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤敏感性提高近两个数量级。载氢技术极大地降低了光纤光栅的制作成本，人们可以不必使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤，在普通通信光纤上就可以很容易地写制出高反射率的光纤布拉格光栅。武汉理工大学硕士学位论文随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，世界各国掀起了光纤光栅技术研究的热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现，光纤光栅被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域［１５１。２．１．２光纤光栅结构及传感原理图２－１光纤光栅基本结构图２－１为光纤光栅的结构图【ｌ…，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂（通常是掺锗），使芯层折射率ｎ１比包层折射率ｎ２大，从而形成波导。光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布拉格光栅。布拉格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光【Ｉ”（带宽通常约为０，１～０．５ｎｍ）。这样，光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先是由威廉·布拉格爵士给出的，因而这种光纤光栅被称为光纤布拉格光栅（ＦＢＯ），反射条件就称为布拉格条件。只有满足布拉格条件的光波才能被光纤光栅反射。所谓相位相匹配是指布拉格波长决定于折射率调制的空间周期Ａ和调制的幅度大小，用数学公式表示如下ｆ４】：九＝２ｎ玎Ａ（２－１）武汉理工大学硕士学位论文Ａ。为光栅的布拉格波长，咒廿为光栅的有效折射率（折射率调制幅度大小的平均效应），人为光栅条纹周期（折射率调制的空间周期）。以上为折射率调制周期为均匀的情况，如果芯层折射率调制周期不均匀，特别是调制周期沿光纤轴线线性变化，则反射光为宽带光，这种光纤光栅称之为啁啾光纤光栅㈣。对公式（２．１）取微分得：△九＝２”玎△Ａ＋２＆ｎ研－Ａ（２—２）从式中可以看出，当ｎｅｆｆ或Ａ改变时，中心反射波长会相应的发生改变。光纤光栅传感的基本原理是（参见图２－２）：当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期以或纤芯折射率，研的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生位移△锄，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。圆圈—ｒ圈一圃哥篁，一图２－２光纤光栅传感检测原理圆歌Ｔ圆酬一武汉理工大学硕士学位论文２．２光纤光栅传感模型为了深入的研究光纤光栅的传感机理和传感特性，需要从它的结构出发建立传感模型。２．２．１应变传感模型【１９】【２０１在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期以的变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率厅。圹也随外界应力状态的变化而变化，这为采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。应力引起光栅布拉格波长漂移可以击公式（２－２）给予描述。其中△以表示光纤本身在应力作用下的弹性变形，△％扩表示光纤的弹光效应，外界不同的应力状态将导致划和△忍耐的不同变化。一般情况下，对于光纤光栅来讲，由于它本身属于各向同性柱体结构，所以施加于其上的应力总可以在拄坐标系下分解为ｍ国和岛三个方向。在这里仅讨论纯轴向应力作用的应变传感模型。２．２．１．１各向同性俞质中虎克定理的一般形式虎克定理的一般形式可由下式表示：卵：白‘母（ｆ产ｌ，２，３，４，５，６）（２－３）其中ｏｉ为应力张量，ｏ为弹性模量，哥为应变张量。对于各向同性介质，由于材料的对称性，可对白进行简化，并引入ｔａｍｅ常数五、Ｉ得到：Ａ＋２“＾＾０００五名十２“＾０００／Ｌ＾＾＋２“０００００（２．４）０∥０００ＯＯ０／ａ０加加加以出办Ｏ０Ｏ００／ａ自如彩办彩靠其中ｌａｍｅ常数五，∥可由材料弹性模萋Ｅ及泊松比滚示为武汉理工大学硕士学位论文．Ｄ·Ｅ扯酊万Ｆ面（２．５）Ｅ“２—２（１＋—／ａ）此式即为均匀介质中虎克定理的一般形式。对于光纤来说，由于它为柱型结构，通常采用柱坐标下应力应变的表示方式，即将上式中的下标改为（，，≠，∞的组合来表示纵向、横向及剪切应变。２．２．１．２均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩，此时各向应力可表示为。矿．尸（Ｐ为外加压强），驴∞旷Ｏ，且不存在切向应力。根据公式（２．４）可求得各方向应变如公式（２．６）。式中Ｅ及盼别为石英光纤的弹性模量及泊松比。现已求得了均匀轴向应力作用下各方向的应变值，下面以此为基础进一步求解光纤光栅的应力灵敏度系数。Ｕ—Ｐ卧ＥＵ—Ｐ（２．６）ＥＰＥ将公式（２．２）展开得：△氏班（鲁一鲁·幻）＋ｚ釜皿～沼，，这里△￡代表光纤的纵向伸缩量，△口表示由于纵向拉伸引起的光纤直径变化，ａ，４况表示弹光效应，巩∥勿表示波导效应。下面首先推算由弹光效应引起的布拉格中心波长偏移。相对介电抗渗张量肪与介电常数旬有如下关系：岛２名，２篪沼ｓ，武汉理工大学硕士学位论文其中珊为栗一力１司上的光纣们射翠。对十熔触钿奂光针，田十共备Ｉ司Ｉ可性，可认为各方向折射率相同，在此仅研究光纤光栅反射模的有效折射率ｎｅｆｆ，故可将上式变形为：咖小△抖一等沼，，由于△，ｚ盯＝渤盯／越皿，（２—７）式中略去波导效应其余项可变形为：魄班悻删砌∥。矗釜沼㈣其中铲址化为纵向应变。由于（２．８）式的存在，可以得到更为简单的△缸的表达式。实际上，在有外界应力存在的情况下相对介电抗渗张量岛应为应力Ｄ韵函数，对屈进行泰勒展开并略去高阶项，利用（２－８）式，同时引入材料的弹光系数岛ｚ…Ｉ扎△Ｃ寿ｊ＿阶咄，峨屯协…式中利用了光纤的轴对称性轳跏，将此式代入（２．１０）式得到弹光效应导致的相对波长漂移为：兰≥：一车№Ｉ＋鼻：弦，＋只：％］＋％（２．１２）＾口Ｚ式中利用了均匀光纤在均匀拉伸下满足的条件：坠Ａ·壶＝１。将（２—６）式代入上式得到：等＝｛＿譬蚧咖甜，卜ＩＩ萌ｋｆ协㈣１０武汉理工大学硕士学位论文令只：一拿№，＋墨：如一只：］，￡为有效弹光系数。可得光纤光栅由弹光效应引起的纵向应变灵敏度系数：Ｋ。＝丝可／厶／１一只（２—１４）还可得Ｂｒａｇｇ光栅的二阶应变灵敏度为：醢九Ｂ／＇五厂。２么Ｂ２（１－￡）２＋２ｅ，２（２－１５’于是由应变毛引起的Ｂｒａｇｇ波长变化可写为：△厶＝（置。‘占＋｛世∥８２）’以（２一１６’对掺锗石英光纤口”，Ｐ１１＝０．１２１，Ｐ门＝０．２７０，ｙ＝Ｏ．１７，ｎｅｆｆ＝１．４５６，因此只ａＯ．２２，Ｋ８。Ｏ．７８４。如果采用１．３＃ｍ系列光栅，由公式（２．１４）可以得到每个微应变引起的波长漂移为０．７８４Ｘ１０一ｘ１．３ｘ１０６—１．Ｏ劢州，ＫＪ＝Ｏ．７０。含有光栅的光纤所允许旌加张力的典型值达到１％的应变，此时忽略光栅的二阶灵敏度所引起的误差不超过０．５％，因此光纤光栅Ｂｒａｇｇ波长与所受的应变有较好的线性关系，实际应用中可以不考虑二阶应变灵敏度的影响。下面讨论由于光纤芯径变化引起的波导效应而产生的布拉格波长漂移现象。对于单模光纤，其传播常数屈与光纤芯径密切相关，从而使得有效折射率ｗ也随纤芯的改变而改变。引入光纤归一化频率ｙ：ｋｏ．口．止丽翮以及横向传播常数ｕ＝口·√皤竹三一厨，可将有效折射率”彤表示为：以≥＝％２一（ｖ／ｖ）２阮一％２Ｊ其中Ｕ、Ｖ满足如下光纤本征方程：（２．１７）武汉理工大学硕士学位论文坚厶＝！婴：一坚型！堕Ｊ。（Ｕ）Ｋ。（矽）Ｕ２＋矿２＝“２以∞２口２－２Ａ＝ｙ２认为弱导单模光纤基模模场为Ｇｕａｓｓ分布，采用Ｇｕａｓｓ场近似对本征万程进行化简，对于单模光纤的基模ＨＥｌｌ模可得玑矿满足如下关系：ｕ：０＋压∥『１＋（４∥ｙ／４１（２－１８）将此式代入（２—１７）式就可得到蛳与归一化频率Ｖ之间的直接关系。由于矿仅由光纤参数决定，可唑通过ｊ！寸光纤纤芯半径盯直接求导得到。Ｋ：坠；堕：一Ｍ叫Ｈ］３·Ｈ薪卜训｝ｎｅｆｆＩ±焦！：！：：鱼±丝生耋二叠ｌ鬲（２＿１９）所以，由波导效应引起的光纤光栅波长相对漂移可表示为：ｆ堕］：丝粤：垒仲铲一生旧叫气Ｉ沼２０）ＬｔＢ√憎ｄ口聍咿胛盯利用单模光纤的条件，可得出波导效应光纤光栅纵向应变灵敏度系数与光纤芯径及数值孔径关系如图２－３所示，光纤参数如图中说明。武汉理工大学硕士学位论文图２．３光纤光栅波导效应引起的纵向应变灵敏度系数与光纤芯径及数值孔径的关系可以看出，总体来讲波导效应对光纤光栅纵向应变灵敏度影响较小，但其作用与弹光效应相反，属于妨碍光纤光栅用于光纤传感领域的一个因素。还可以看出，随着光纤芯径及数值孔径的增加（保持在单模状态），波导效应逐渐增大，所以欲得到高灵敏度的光纤光栅传感器最好采用低数值孔径、小芯径光纤。即低的掺锗量将有利于提高传感器灵敏度，因此在应用光纤光栅进行高精度传感研究时，需选用掺锗含量适宜的光纤。基于以上分析，光纤光栅的纵向应变灵敏度系数仅取决于材料本身和反向耦合模的有效折射率。对于单模光纤，由于仅有基模存在，当光纤材料选定后（具有固定的掺杂量）其灵敏度系数将为一定值，这就从根本上保证了光纤光栅作为轴向应变传感器时具有良好的线性输出特性。２．２．２温度模型【４ｊ外界温度对Ｂｒａｇｇ波长的影响是由热膨胀效应和热光效应引起的。由公式（２－１）可知，Ｂｒａｇｇ波长是随行玎和Ａ而改交的。当光栅所处的外界环境发生变化时，可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。由于光纤材料的热光效应，光栅的折射率会发生变化；由于热胀冷缩效应，光栅的周期也会发生武汉理工大学硕士学位论文变化，从而引起”盯和Ａ的变化，最终导致光栅Ｂｒａｇｇ波长厶的漂移。公式（２．１）对温度求导，得：ｄ２Ｂ／ａｚ＝２（ｎ玎ａＡ／ａｒ＋Ａｄｎ盯／ｄｒ）由热膨胀效应引起的光栅周期变化为：（２－２１）ａＡ／ａＴ＝口－人由热光效应引起的有效折射率变化为：（２－２２）ｄｎ盯／ｄｒ＝ｎ矿’ｆ于是温度灵敏度为：（２＿２３）ＫＴ丝ｄＴ／厶＇Ｂ＝口＋彳（２—２４）式中，丘，为温度灵敏度，口＝三Ａ坠ＯＴ为光纤材料的热膨胀系数，ｆ＝去！》为热光系数，表示折射率随温度的变化率。对于石英光纤，口～Ｏ．５ｘｌＯ‘６／Ｐ，ｆ～６．７ｘ１０＂６／℃牡１１。由此估算出常温下光纤Ｂｒａｇｇ光栅的温度灵敏度为７．２×１０—６／Ｕｏ对于１．３＿ｍ系列光栅，单位温度变化引起的光栅波长漂移为１３００ｘ７．２×１０石－－０．００９４ｎｍ，即Ｏ．００９４ｎｍ／℃，由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤的膨胀系数口和热光系数掌有较大差别，因此温度灵敏度的差别也很大。２．２．３应变一温度耦合模型‘２２１１２３】假设温度变化范围不大，即在温度变化范围内材料的弹光系数和泊松比是常数，可以得到应变一温度交叉灵敏度为：¨如＝瓮＝掣＝（１－Ｔ△－占△Ｔ只）等蛳掣ｃ：－２５）、“△ｒ。△丁将公式（２．２４）和（２．１４）代入上式，得到：Ｋ。＝［（ａ＋孝）（１一只）一２只善］·以＝（Ｋ，·Ｋ。一２只ｆ）·如１４（２．２６）武汉理工大学硕士学位论文下面我们估算一下应变一温度交叉灵敏度在同时测量温度和应变时对测量结果的影响。文献［２４１采用在一根光纤的同一位置上写入两个不同波长的Ｂｒａｇｇ光栅，利用热光系数和弹光系数是波长的函数，使两个不同波长的Ｂｒａｇｇ光栅具有不同的应变和温度灵敏度，两个光栅同时感受温度和应变，从而达到同时测量温度和应变的目的。根据文中数据，两个光栅的８ｒａｇｇ波长分别为：五。。＝１３００ｈｍ，九２＝８５０ｒｉｍ，温度和应变灵敏度分别为：Ｋｒｌ＝８．７２ｐｍ／℃Ｋｄ＝ｏ．９６ｐｒｏ／∥ｓＫｒ２＝６．３０ｐｍ／℃由（２－２６）式可求得：Ｋｎ疋２＝ｏ．５９ｐｍ／ｌａｃＩｉ＝Ｌ，ｏｏ＝２＿３１×１０。６ｐｍｌａ（２·，ｕｓＫｎｉⅧ∞＝Ｏ．６２ｘ１０４ｐｍｌ４Ｃ·，蝠显然，带有交叉项的非线性方程组的解与实际值更为接近，可以以此来近似衡量线性方程组的解与实际值的差异。设由这两个方程组求出的应变和温度变化值的绝对误差分剐为（融占）和（６＆Ｔ），则可列出关于应交和温度变化求解误差的方程组：』０．９６８（ＡＥ）＋８‘７２引凹）＿２～３１ｉ０＂６，ＡＥＡＴ＝０ｆＯ．５９６（△占）＋６．３０８（△，’）一Ｏ．６２×１０咄△如ｒ＝０解此方程组，可得应变和温度的绝对误差为：（２＿２７）』璺△！ｂ７９队１０～羽（２－２８）ｌ跃△２＇＝０．７７ＡｇＡＴ在０伊一ｌｏｏ翻钢０～ｌ％应变的测量范围内，应变的相对误差为７．９Ｘ１０一，温度的相对误差为Ｏ．７７％。通过以上分析，我们可以得出以下结论：１）忽略光纤光栅的应变一温度交叉灵敏度对、钡Ｉ量结果的影响不是很大。２）测量范围越小，忽略交叉灵敏度所引起的应变和温度误差越小。３）相对于温度误差，忽略交叉灵敏度所引起的应变误差是很小的。武汉理工大学硕士学位论文综上所述，如果忽略交叉灵敏度的影响，温度、应变共同作用引起的Ｂｒａｇｇ波长的变化可以表示为：△如＝（巧＋Ｋ。）’如（２—２９）因此，应变和温度对光纤光栅的作用可以看作是相互独立的，线性叠加的。２．３光纤光栅解调技术用光纤光栅构成的传感系统中，传感量主要是以波长的微小移动为载体，所以传感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。对光纤Ｂｒａｇｇ光栅的理论分析和实验研究表明，ＦＢＧ的温度和应变灵敏度很小，对中心波长移位４＾。的检测精度直接决定了整个系统的检测精度。因此解调技术，即精确测量波长漂移的技术是光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感的关键技术之一。对Ｂｒａｇｇ波长解调的传统手段是使用光谱仪、单色仪等仪器。但是这类仪器不仅价格昂贵而且体积庞大，构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢固度，在一个面向实际应用的传感系统中采用这类仪器检测光纤光栅的波长移位是极不现实的。为了开发结构简单而且实用的高分辨率光纤光栅传感器信号解调系统，近年来国内外开展了许多研究工作，并取得了令人注目的进展。光纤光栅解调常用的方法有：非平衡Ｍ．ｚ干涉检测、可调光纤Ｆ－Ｐ滤波器和匹配光纤Ｂｒａｇｇ光栅滤波解调。２．３．１非平衡Ｍａｃｈ－ＺｅｈｎｄｅｒｔＭ．ｚ）千涉检测这种方法是在１９９２年，由Ａ．Ｄ．Ｋｅｒｓｅｙ等人提出口５１。当一定中心波长的光波通过非平衡光纤干涉仪时，将产生与波长成反比的相位差，借此可测量相应的光波长。图２４所示为非平衡Ｍ－Ｚ光纤干涉仪示意图。ＦＢＧ的布拉格反射光经３ｄＢ耦合器Ｃ２注入非平衡Ｍ－Ｚ光纤干涉仪，该非平衡Ｍ－Ｚ光纤干涉仪两臂之相位差为△妒（Ａ）＝２ｆｉｎＡｌ／名（２—３０）式中１１为两臂光纤纤芯折射率；△，为两臂光纤长度差；厶为ＦＢＧ的特征波长。１６武汉理工大学硕士学位论文根据Ｍ－Ｚ干涉仪的两路电压信号经差分放大器合成后的关系，可得Ｍ－Ｚ干涉仪两路信号经差分放大器的信号为Ｋ＝２，ＺＶｏｃｏｓ［△≯（兄）】＝２ｃｒ％ｃｏｓ（２ｅｒｎＡｌ／厶）（２·３１）当ＦＢＧ受外界信号（被测量）调制时，其特征波长九变为矗，产生波长偏移△五＝磊一九。对上式取微分得△巧＝４口ｎｎＡｌＶｏｓｉｎ（２ｒｍＡｌ‰）（符ａｘ）（２－３２）由上式可见，非平衡Ｍ－Ｚ干涉仪法仅适合于相对测量，而不能用于绝对测量。由于非平衡Ｍ－Ｚ干涉仪受环境干扰大，如果不采取特殊措施，只能用于频率高于１００Ｈｚ的动态测量。为了抵消噪声造成的低频相位偏移，可在干涉仪的一臀中加入ＰＺＴ调制器。这种解调方式的局限性是Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ光纤干涉仪在测量中受到周围环境干扰因素的影响，而随机干扰因素会引起干涉仪的信号臂和参考臂相位产生随机波动，这种相位漂移将会引起检测信号的消隐或是畸变，直接影响到干涉仪的测量精度。图２．４非平衡Ｍ．Ｚ干涉检测Ｌ一光源：Ｄ一光探测器：Ａ．一差放２．３．２可调谐光纤Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ（Ｆ－Ｐ）滤波法ｆ２６Ｊ图２．５为可调光纤Ｆ．Ｐ滤波器解调系统。可见光源经隔离器进入传感器阵列，反射光信号经耦合器到可调谐Ｆ－Ｐ滤波器。当锯齿波驱动Ｆ－Ｐ滤波器使其透射波峰与光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射峰重合时，即可由此时的Ｆ＿Ｐ滤波器驱１７武汉理工大学硕士学位论文动电压．透射波长关系测得光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射峰位置。但由于透射谱是反射谱与Ｆ．Ｐ滤波器透射谱的卷积，会使带宽增加，减小分辨率。为此，在扫描电压上加一小的抖动电压，输出经混频和低通滤波器，测量抖动频率，在信号为零时，所测即为光栅的反射峰值波长，此时可抖动提高系统的分辨率。抖动信号混合嚣图２－５可调谐光纤Ｆ－Ｐ滤波器该方法的优点：很高信噪比和分辨率。缺点：它的稳定性和可调谐的范围尚不够理想ｊ在一定程度上限制了光栅的个数和使用范围，并且解调频率不够高，目前美国ＭｉｃｒｏＯｐｔｉｃｓ公司研制的最高工作频率在１００Ｈｚ左右。２．３．３匹配光纤Ｂｒａｇｇ光栅滤波解调［２７１匹配光纤Ｂｒａｇｇ光栅滤波法解调的工作原理如图２－６所示。除了作为传蘑元件的光纤Ｂｒａｇｇ光栅外，还要使用一光纤Ｂｒａｇｇ光栅作为参考光栅用于解调。参考光栅在压电陶瓷ＰｚＴ的作用下，其反射波长将在一定范围内来回移动，光谱移动范围涵盖了传感光栅的反射谱，传感光栅和解调光栅的Ｂｒａｇｇ光栅波峰重合时，光信号强烈反射。由Ⅸ丌的电压．波长调谐关系即可测得作用于传感光栅的物理量。该系统结构简单，造价低廉。不足之处为：由于信号光经过许多耦合器到达解调光栅，最终导致系统信噪比下降，而且响应频率也不够高。武汉理工大学硕士学位论文匹配｛童珏Ｊ吲挂图２－６匹配光栅解调示意图２．４光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感系统和传感网络基本构成２．４．１传感检测系统图２－７光纤光栅传感检测系统示意图光纤光栅传感检测系统由两大部分组成【１６】：传感光栅和解调仪（图２—７）。宽带光源出射的光在传感光栅中传输，待测量加在传感光栅上。当待测量发生变化时，Ｂｒａｇｇ反射光波的中心波长产生漂移。经耦合器导入解调仪，从而确定待测量。各种功能更复杂、性能更优越的光纤光栅传感检测系统都是在此基础上，对各单元进行改进而实现的。１９武汉理工大学硕士学位论文２．４．２传感网络口８Ｉ［２９１有些被测量往往不是一个点，而是呈一定空间分布的场，如温度场，应力场等。为了获得这一类被测对象比较完整的信息，需要采用分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是指外界信号场（被测场）以～定的空间分布方式对光纤中的光波进行调制，在一定的测量域中形成调制信号谱带，通过检测（解调）调制信号谱带即可测量出外晃信号场的大小及空间分布。９ｌＳｌＳＺＳ３…一一一一Ｓｎ团圈ｓ１……８２…’’；３：：：：．二ｓｎ图２—８光纤布拉格光栅分布式传感系统原理示意图光纤布拉格光栅传感器一个主要的优点就是：能方便的使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量。光纤布拉格光栅分布式传感系统的基本原理如图２－８所示。一根光纤上串接的多个布拉格光栅具有不同的光栅常数。宽带光源所发射的宽带光经Ｙ型分路器通过所有的布拉格光栅，每个布拉格光栅反射不同中心波长的光。反射光经Ｙ型分路器的另一端口耦合进解调仪，通过解调仪探测反射光的波长及变化，就可以知道各个布拉格光栅处被测量的情况。严格地讲，一般光纤布拉格光栅分布式传感系统应称为准分布式系统，因为光纤布拉格光栅分布式传感系统难以做到连续分布，而是点式分布。但布拉格光栅的长度可以做到毫米量级，实际应用的空间分辨率要比基于时域技术的连续分布系统离得多，时域连续分布系统的空闻分辨率只能达到米量级。武汉理工大学硕士学位论文第３章光纤光栅温度传感检测系统研究对Ｂｒａｇｇ波长信号进行解调是Ｂｒａｇｇ光栅传感器应用的关键技术之一。本章将研究光纤光栅的解调技术，并在此基础上构建一套完整的光纤光栅温度传感检测系统。３．１光纤光栅温度传感系统的组成由光纤光栅的传感原理我们知道，当光栅周围的温度、应力或其它待测物理量发生变化时，光纤光栅的中心波长会产生改变。通过检测光栅波长的改变情况，即可获得待测物理量的变化情况。因此一个光纤光栅温度测量系统至少要有光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器、光纤光栅解调仪组成。Ｂｒａｇｇ光栅传感器感知外界温度量的变化，并以波长变化的形式输出。光纤光栅解调仪检测波长的变化，将波长的变化转换为其它易于处理的量。，－ｔ『；唇习。２卜—卅垦８口ｌＬ｜厂１｝１＂－－＇７＂－数据处理、显示光纤光栅解调仪ｌＢｒａｇｇ光栅温度［＝＝＝＝卜——————————————一传感器图３－１系统组成结构图图３．１所示为一个基本的光纤光栅温度传感检测系统。Ｂｒａｇｇ光栅温度传感器感知外界温度的变化，并将外界温度的变化调制成波长信号。光纤光栅解调仪将波长信号转变为相应的电信号，并传送给计算机。计算机对接收到的电信号进行处理，计算出对应的Ｂｒａｇｇ波长值，然后根据波长温度标定武汉理工大学硕士学位论文数据计算出相应的温度值。测量结果在计算机屏幕上显示。在实际应用中，常常将多个光纤光栅传感器串联起来，构成分布式传感检测系统。３．２光栅解调系统的设计３．２．１解调原］里１３０ｌ通过前面章节的讨论可以知道光纤光栅是良好的敏感元件，但是将其应用于传感领域还必须解决如何对光栅反射光波长进行快速而可靠检测的问题。解调系统所面临的问题是一束反射光中不同波长光的分辨与波长测量的问题，这是一个属于光的频域闯题。但是我们知道，目前的光电转换器件只能完成对光强的光电转换，还没有对波长的光电转换器件。因此，我们就必须将对光波长的测量问题转换成在空间中不同位置光强测量的阅题，其中光分布位置的不同对应不同波长的分布；或者转换成时域中不同时刻光强的测量问题，即光在不同肘刻的分布对应不同波长的分布。对前一种思路，可称为光谱分析法，其基本原理是将传感探头的输出光经光纤送至分光计分光，再由ＣＣＤ探测器检测不同波长的光强分布。一旦光波长偏移，光强分布即发生变动，计算机通过计算分析即可计算出相应的波长偏移量或它所对应的被测量。这种解调方案的结构比较复杂。对后一种思路，根据使用光源的不同，又分为两种方法，一种是波长扫描法，其基本原理是用可调谐激光光源取代宽带光源。可调谐激光光源的波长与光栅光谱接近、且谱宽小于Ｂｒａｇｇ反射光谱的谱宽。通过调谐激光器的输出波长进行光谱扫描。由于ＦＢＧ仅对其特征波长这一单一波长光进行反射，因此只有当可调谐激光器的输出波长与ＦＢＧ的特征波长相等时，后向Ｂｒａｇｇ反射光才在探测器上产生强输出，通过可调谐滤波器将窄带光源的中心波长锁定在该状态，即可测知ＦＢＧ的特征波长。当Ｂｒａｇｇ特征波长受外界信号调制偏移至另一波长时，可调谐激光的输出波长也随之调谐至这一波长。这是一种极具前途的光波长调制解调方法，但是可调谐激光光源费用很高。武汉理工大学硕士学位论文另一种解调方法是光学滤波法，其基本原理是在光纤光栅的输出光路中安置可调谐滤光器，并使其在光纤光栅特征波长附近扫描，可调谐滤光器过零点时的输出波长即为光纤光栅的特征波长。采用这一方案可以实现体积小、轻巧灵便、适合于便携的波长检测仪。特别是选用可调谐光纤Ｆ．Ｐ滤波法可以完成绝对量测量和相对量测量，也可用于动态和静态测量。本文中将选用这一解调方法。下面阐述系统的工作原理和实现方案。宽带光源耦台器Ｂｒａｇｇ光栅１ＩＨ｜｜ｌ－ｑＩ｜Ｈ｜ＩＰ一…＿…—一Ｓ１Ｓ２Ｓ３￥４－…～一‰ｆ｜ｌ８魑忙：二二＝０；Ｓ３……一Ｓｎ＾ｓｌＳ２反射光谱图３－２ＦＢＧ波长解调系统基本原理图图３－２是选用可调谐光纤Ｆ－Ｐ滤波法的ＦＢＧ波长解调系统的基本原理图。分布式ＦＢＧ传感系统在一根光纤中串接多个ＦＢＧ传感器ｓｌ，ｓ２，ｓ３……Ｓ。。宽带光源照射光纤时，每一个ＦＢＧ反射回一个不同Ｂｒａｇｇ波长的窄带光波。任何对光纤光栅的激励影响如温度或应变，都将导致这个光纤光栅Ｂｒａｇｇ波长的改变。光纤光栅传感解调系统通过测量各光纤光栅传感器反射光波长的变化来测量各点的待测参量的变化。在解调系统中用耦合器导引光纤光栅反射光进入可调谐窄带光纤Ｆ．Ｐ滤波器。在调谐控制信号的作用下，光纤Ｆ．Ｐ滤波器的导通频带扫描整个光栅反射光光谱。由于光纤Ｆ．Ｐ滤波器的导通频带很窄，当光纤Ｆ－Ｐ滤波器的导通中心波长与某一光纤光栅的Ｂｒａｇｇ波长相等时，有且仅有一个光纤光栅的反射光通过光纤Ｆ－Ｐ滤波器进入到光电探测器，武汉理工大学硕士学位论文光电探测器将这一光纤光栅的反射光变换成电信号，这个信号的峰顶对应于从这一光纤光栅反射回的波长。当某个被测ＦＢＧ（例如Ｓ２）在某时刻的被测物理量如温度或者是应变发生改变，（如图３—２）相应的反射ＦＢＧ波长发生改变，检测出的反射波长的改变对应被测物理量的变化。通过这种解调方式，在可调谐Ｆ－Ｐ滤波器的每个扫描周期中，所有光纤光栅传感器的Ｂｒａｇｇ波长能得到快速测定。此解调系统可应用于各类分布式光纤光栅传感系统中。３．２．２系统设计图３－３光纤光栅解调系统结构图本文所设计的光纤光栅解调系统硬件部分组成结构如图３，３所示。系统由以下四个组成部分：１）发光二极管ＬＥＤ：发射宽带光谱；２）波长选择器：即为可调谐窄带光纤Ｆ－Ｐ滤波器。通过输入不同的电压值，可以控制能够通过的窄带光谱的范围；３）光电探测器：检测通过波长选择器的窄带光谱，将检测到的光信号转换为电信号；４）接口电路：计算机通过接口电路发送扫描控制信号以驱动波长选择器的工作，并采集光电探测器的输出信号。ＬＥＤ发出的宽带光谱经耦合器传送到Ｂｒａｇｇ光栅。Ｂｒａｇｇ光栅会产生一窄带反射波。窄带反射波经耦合器传送到波长选择器。计算机通过并口发送２４武汉理工大学硕士学位论文计数信号给接口电路，接口电路中的Ｄ／Ａ转换器将计数信号转换为波长选择器的扫描驱动控制信号。在每一轮扫描过程中，当波长选择器的通过波长与输入的窄带反射波中心波长匹配时，窄带反射波会通过波长选择器到达光电探测器。计算机通过接口电路对光电探测器产生的电信号进行采集，然后进行数据处理，从而得到窄带反射波的中心波长值，并将测量结果显示在计算机屏幕上。３．３系统软件设计３．３．１程序结构图３．４解调器系统软件主界面软件的界面图３－４所示。用户单击开始按钮将启动解调器的扫描工作。解调器工作时会在界面的左边显示测量到的波长值和对应的温度值。同时在界面的中部会连续的绘制出每个光栅的波长变化趋势线。软件会自动检测所解调的光栅数目，并将测量结果同时显示出来。要结束扫描过程，只需单击结束按钮即可。程序的结构见图３．５所示。武汉理工大学硕士学位论文图３．５程序状态图用户可以根据需要设置扫描速度。扫描速度是通过调整计数器信号的步增量实现的。计数器取较大的步增量可以提高扫描速度，但是会降低扫描的精度。软件还提供了数据保存功能，可以实时的保存所测量到的数据。在测量过程中，软件要完成以下功能：１）控制光纤光栅解调仪的工作：控制波长选择器的启动与停止，以及波长选择器的扫描频率；２）采集光电探测器输出的电信号；３）对采集到的电信号进行数据处理，从而得到Ｂｒａｇｇ波长值：４）根据温度传感器的波长温度标定数据，计算出对应的温度值并输出测量结果。３．３．２并口通讯设计【３１１１３２１在本系统的设计中，软件要和解调器之间要进行大量的数据交换。计数器信号要通过软件产生并发送给解调器的接口电路，同时软件还要从接口电武汉理工大学硕士学位论文路采集光电探测器的输出信号。由于串行口的数据传输速率有限，在本系统中，我们采用计算机并口进行数据传递。系统要通过并口进行双向通讯，所以并口的工作模式要设置为ＥＰＰ。增强并口协议（ＥＰＰ）与标准并口协议（ＳＶｅ）相比，增加了产生与控制握手信号的电路，更适合于需要通信、控制、数据采集的场合，其传输率与ＰＣ内部ＩＳＡ总线的速率接近，典型的传输速率为５００Ｋｂ／ｓ一２Ｍｂ／ｓ。应用前，要在ＰＣ机的ＢＩＯＳ设置中将并口设置为ＥＰＰ模式。系统工作时，通过计算机并口不断驱动波长选择器进行扫描，并进行数据采集。对并口的操作是通过对并口数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器的读写完成的。在计算机系统中，这三个寄存器的地址分别为：０３７８Ｈ，０３７９Ｈ和０３７ＡＨ。控制寄存器的第５位是方向控制位，它控制数据口的读写方向。在本系统中，通过向数据寄存器写数据以产生波长选择器的扫描激励信号。而光电探测器的输出信号则通过读状态寄存器来获取。ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ不能直接读写并口，所以使用ｃ语言编写了对并口的读写函数，并以动态链接库的形式提供给ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ调用。读写并口的函数声明为：ＰｒｉｖａｔｅＤｅｃｌａｒｅＦｕｎｃｔｉｏｎＷｒｉｔｅＰＰｏｒｔＬｉｂ”ｐｐｏｒｔＤｌｌ．ｄ１１”ｆＢｙＶａｌｖｂＡｄｄｒｅｓｓＩｎｔｅｇｅｒＡｓＩｎｔｅｇｅｒ，ＢｙＶａｌＷｒｉｔｅＶａｌｕｅＡｓＩｎｔｅｇｅｒ）ＡｓＰｒｉｖａｔｅＤｅｃｌａｒｅＦｕｎｃｔｉｏｎＲｅａｄＰＰｏｒｔＬｉｂ”ｐｐｏｒｔＤｌｌ．ｄＵ”（ＢｙＶａｌｖｂＡｄｄｒｅｓｓＡｓＩｎｔｅｇｅｒ）ＡｓＢｙｔｅ３．３．３数据处理方法由于对波峰的确定是通过对波长选择器的精确定位获得的，这就要求波长选择器的光谱特性非常稳定。然而由于受制造工艺的限制，这种波长选择器对许多参数都十分敏感，如温度、使用年限和结构。这样波长选择器的光谱特性会有漂移，从而导致了解调器测量的漂移。因此，需要改进数据处理方法来补偿波长选择器光谱特性的漂移，从而减少解调器测量的漂移。本系统中采用了参考光栅差值处理的方法来解决测量漂移的问题。２７武汉理工大学硕士学位论文劳考光栅１测量光栅参考光栅２计数器值图３－６参考光栅差值处理在解调器中内置两个光栅作为参考光栅。参考光栅的波长分别为波长选择器扫描范围的最小有效值和最大有效值。而所有测量用光栅的波长都位于两个参考光栅之间。两个参考光栅安放在恒温器中，使其波长不受环境温度变化的影响。处理的方法如图３－６所示，△ｘ表示测量光栅与参考光栅ｌ所对应的计数器值之差，△Ｙ表示参考光栅２和参考光栅１所对应的计数器值之差。我们取△Ｘ／△Ｙ作为确定测量光栅波长的依据。当波长选择器的光频特性发生漂移时，会导致两个参考光栅和测量光栅所对应的计数器值一起向右或向左发生偏移，它们偏移的趋势是相同的，而且偏移量也基本相同，但是它们之间的相对位置保持不变，即△ｘ／△Ｙ不会受波长选择器光谱特性漂移的影响，实验证明采用这种数据处理方法后，解调器基本解决了漂移现象。解调器的解调精度在很大程度上依赖于对峰值位置的确定。为了消除噪声干扰，需要先对采集的数据进行滤波处理。本系统中采用了数据平滑算法进行滤波ｏ“，对原有数据进行平滑处理。在软件中采用了以下方式进行数据处理：对连续采集的１０个数据按太小进行排序，取中间４个值的平均值作为测量结果。这样可以过滤掉意外出现的干扰信号，避免干扰信号对测量数据的影响。３．４系统性能分析系统中所采用波长选择器的扫描范围是ｌＯｎｍ，扫描驱动电压范围是：Ｏ～１２ｖ。如果测试精度要达到ｌｐｍ，则波长选择器的扫描范围要划分成１００００武汉理工大学硕士学位论文份。这就要求计数器范围大于１００００。而在系统中，我们使用了１６位计数器计数范围是２１６＝６５５３６，所以系统的分辨率可达到ｐｍ级。３．５小结本节介绍了光纤光栅温度传感系统的组成。对本文所采用的基于调谐光纤Ｆ－Ｐ滤波法的光纤光栅解调器的工作原理和设计进行了探讨。武汉理工大学硕士学位论文第４章光纤光栅温度传感器封装方法研究光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器是利用Ｂｒａｇｇ波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。是一种波长调制型光纤传感器，因此具有抗干扰能力强、便于形成各种形式的光纤传感网络等优点１３“。目前，Ｂｒａｇｇ光栅传感器正从实验室走向实际工程应用【３”。文献ｆ３６］综述了Ｂｒａｇｇ光栅传感器在民用工程结构、航空航天、船舶航运、电力和石油化工等行业中的应用。国内外学者的研究表明，光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感特性稳定，是理想的温度传感元件。但是光纤Ｂｒａｇｇ光栅本身非常纤细，而传感器的工作环境又往往比较复杂，所以必须对Ｂｒａｇｇ光栅进行有效的封装，才能使其成为能满足工程实际要求的传感器。因此对光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器封装方法的研究对于其走向实际应用具有重要的意义。本章基于对光纤光栅传感特性的研究，结合工程实际应用中对测量的要求，对光纤光栅温度传感器的封装工艺方法进行了系统研究。提出了新的光纤光栅温度传感器封装结构，并探讨了有关光纤光栅传感器工业化批量生产过程中的工艺方法问题。４．１封装结构的研究现状纤图４—１混合聚合物光纤光栅封装元件目前国内外研究学者就封装形式对光纤光栅温度传感特性的影响进行了大量的研究。如南开大学现代光学研究所的张伟刚进行了混合聚合物光纤光武汉理工大学硕士学位论文栅封装元件的温敏实验日７１。作者采用两种不同聚合材料按一定比例均匀混合后对光纤光栅进行封装处理（见图４．１），并进行了温敏实验，实验表明在２０℃～８０。Ｃ常温区，该光纤光栅封装元件具有良好的温度敏感性。温度灵敏度由裸光栅的０．０ｌｎｍ／。Ｃ提高到了０．１３３ｎｍ／℃。２００２年哈尔滨工业大学复合材料研究所采用一种不锈钢管的封装形式１３８１，在光纤上施加一定的预应力，以使光纤光栅在钢管内保持平直并位于钢管的中心线上。在钢管内腔中充满环氧树脂，以保证应变能够有效传递到光纤光栅上，封装结构如图４－２。封装实验研究结果表明，光纤光栅温度灵敏度为Ｏ．０２９２１ｎｍ／℃，约为棵光纤光栅的３倍。图４．２钢管内腔中充满环氧树脂封装结构燕山大学的王玉田等提出了如图４．３所示的封装结构口９］。护套用热膨胀系数小的金属制成，紧密包紧光纤防止拉压过程中的松动。两个护套用两根铅制的金属条铆接。最后将整个探头密封在用铜制作的金属套中。该种封装结构将金属的热膨胀效应和Ｂｒａｇｇ光栅的弹光效应相结合，提高了布拉格光栅测温的灵敏度。出图４—３光纤光栅金属套管封装结构武汉理工大学硕士学位论文图４．１所示的封装方法主要研究的是通过封装结构来提高光纤光栅的温度灵敏度，文中并没有就重复性进行研究。这种封装方式缺少足够强度的表面材料作保护，因此并不适用于实际温度测量。图４－３所示的封装结构比较复杂，其结构的稳定性很难保证，而且不适合于批量生产。４．２光纤光栅温度传感器的设计要求为满足工程实际应用的要求，在设计光纤光栅温度传感器的封装方法时要考虑以下几点：１）传感特性光纤光栅本身有着优良的传感特性，但传感器的特性与光纤光栅的封装、保护和传感器的结构密切相关。在进行传感器的工艺和结构设计时，要保证优良的传感特性。良好的重复性和线性度是对传感器的基本要求，所以在研究中我们将重点考察这两项特性。２）工艺性设计的传感器应尽量做到结构简单，易于加工生产，传感器的各项性能指标要易于控制。３）使用性能传感器安装、保护和调试简单、方便，便于实现分布传感和网络集成，满足大型工程结构的现场施工要求。必须给光纤光栅提供足够的保护，所以封装结构要有足够的强度。封装结构必须具备良好的稳定性，以满足长期使用的要求。只有满足以上几点基本要求，光纤光栅温度传感器才能应用于工程实际。４．３实验装置及方法在光纤光栅温度传感器封装结构的研制过程中，需要进行大量的实验研究。本节集中介绍了实验装置及实验方法。武汉理工大学硕士学位论文４．３．１实验装置本实验选用相位掩模法制作的光纤光栅。所使用的紫外光源为德国ＬａｍｂｄａＰｈｙｓｉｋ公司生产的Ｃｏｍｐｅｘ．１５０Ｔ准分子激光器。光栅刻写完成后，采用Ｅｒｉｓｓｏｎ光纤涂覆机用丙烯酸环氧树脂进行涂覆保护，然后放入恒温箱进行退火处理１２小时，工作温度为８００Ｃ。波长解调使用光纤Ｂｍｇｇ光栅解调仪ＦＢＧＩＳ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇＩｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）。该设备的波长分辨率为１ｐ优，扫描范围为１２８５ｎｍ～１３１５ｎｍ，扫描频率为５０Ｈｚ。传感器的接头采用通用的光纤ＦＣ／ＡＰＣ跳线头。为了有效的控制和调节温度，实验中使用了上海实验仪器厂有限公司生产的５０１型水浴恒温器，该恒温器的技术参数如下：使用温度范围：最高９５。ｃ恒温波动度：≤±０．０５。Ｃ实验过程中使用两只高精度的水银温度计来读取水浴恒温器的温度值。水银温度计的精度为０．１。Ｃ，量程分别为０。Ｃ～５００Ｃ和５００ｃ一１００。Ｃ。４．３．２实验方法ｍ１１４１】良好的重复性、线性度和灵敏度是对传感器的基本要求，为了检验光纤光栅在被封装为传感器后波长温度特性的重复性、线性度和灵敏度，要进行温度实验。在实验中，将光纤光栅温度传感器放在水浴恒温器中，调节水浴恒温器使其温度保持在预定值，待温度稳定后从解调器读取Ｂｒａｇｇ波长值，并从水银温度计读取温度值，从而得到每个传感器Ｂｒａｇｇ波长和温度的关系。在光纤光栅温度传感器的研制过程中要进行大量的实验，为了快速直观的分析实验数据，我们将每个传感器的温度和波长数据绘制在二维图表中，并对测量数据按最ｄ，－－乘原理作线性拟合，绘制出线性拟合直线。这样就可以很直观的从图表中看出传感器的线性度。将同一传感器的多次测量数据绘制在同一张图表中，就可以很直观的分析传感器的重复性。武汉理工大学硕士学位论文在实验中，我们使用Ｍａｆｌａｂ作为数据分析和绘图工具，并编写了数据分析程序（见附录）以方便分析过程。４．４实验数据处理方法本节将介绍对温度实验数据进行处理以及进行误差分析的方法。４．４．１传感器的特性分析与技术指标［，１２１１４３１传感器的静态特性是表示传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的输入一输出关系。衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞和重复性。１．线性度线性度又称非线性，是表征传感器输出一输入校准曲线与所选定的拟合直线之间吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度，即气：±垒堕×１００％ｙ砖（４．１）式中，△。为输出平均值与拟合直线间的最大偏差；Ｙ。为理论满量程输出。选定的拟合直线不同，计算得到的线性度数值也就不同。选择拟合直线的原则应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。常用的拟合方法有：理论直线法、端点直线法、最佳直线法和最小二乘法直线法。在本文中将采用最小二乘法直线法。这种方法是按最／ｂ－－－乘原理求取拟舍直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和为最小。最小二乘法的拟合精度很高，但校准曲线相对于拟合直线的最大偏差的绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。武汉理工大学硕士学位论文２．迟滞（滞后）迟滞是反映传感器正反行程过程中输出一输入曲线不重合程度的指标。通常用正反行程中输出的最大偏差量坩一与满量程输出ｙ。之比的百分数来表示ｅＨ：＋ｚ”－ｉｍａｘ×１００％ＹＥＳ（４．２）３．重复性重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续工作多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性就越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属于随机误差，因此，可根据标准偏差来计算ｅ。：±竺墼×１００％“（４．３）ｙ船式中，盯。。为各校准点正行程和反行程输出值标准偏差中之最大值；口为置信系数，通常取２或３。ａ＝２时，置信概率为９５．４％；ａ＝３时，置信概率为９９．７３％。计算标准偏差盯常用的方法有贝塞尔公式法和极差法。贝塞尔公式法计算精度较高，在本文中将采用该法，计算公式为（４．４）式中，Ｙ．为某校准点的输出值；五为输出值的算术平均值；ｎ为测量次数。计算得到的重复性误差不仅反映了传感器输出的一致性程度，而且还代表了在一定置信概率下的随机误差极限值。武汉理工大学硕士学位论文４．灵敏度灵敏度是指传感器的输出量增量与被测输入量增量之比，即ｓ＝△勉，酞是常数，应以ｄｙ／出表示。５．静态误差（４＿５）显然，线性传感器的灵敏度是拟合直线的斜率，而非线性传感器的灵敏度不是评价传感器静态特性的综合指标，指传感器在满量程内，任一点输出值相对其理论值的可能偏离程度。静态误差的计算方法国内外尚不统一。本文将采用以下方法计算静态误差。将非线性、滞后、重复性误差按几何法综合，即Ｐ，＝±√Ｐ：＋ｅⅣ２＋Ｐ；４．４．２实验数据处理方法（４—６）工程上有多种多样的数据处理方法，本文采用多次测量取平均数的方法来确定一个相对准确的结果田】。由于每次测量结果的Ｚ轴坐标和ｙ轴坐标不一致，所以无法直接求取平均值。为了可以求取平均值以确定拟合曲线，需要对原始数据进行坐标归一化处理。这里假设只关心垂直测量误差，那么就要对水平Ⅳ轴坐标进行归一化处理（同样道理，若只关心水平测量误差，则需对垂直ｙ轴坐标进行归一化处理）。具体过程为：选取某一次测量结果的ｘ轴坐标为基准，对其它几次测量结果以这个基准进行线性插值，这样就得到这几组在相同的Ｚ轴坐标下的数据。在本文的实验中，要研究Ｂｒａｇｇ波长五和温度ｚ１的关系，重点考察传感器的重复性、线性度和灵敏度三项技术指标。设温度丁为Ｚ轴，波长旯为ｙ轴。数据处理过程如下：１）对测量数据按水平Ｆ轴进行归一化处理；武汉理工大学硕士学位论文２）对每个数据点求取对应＾轴坐标的平均值，就得到了经过丁轴坐标归一化处理后的平均值；３）根据平均值按照最小二乘原理确定拟合直线，从而得到最终测量曲线：４）根据拟合直线的斜率确定传感器的灵敏度。５）计算各测量值与平均值的方差，以此来作为判断传感器重复性的依据：６）计算平均值与拟合直线的偏差，以判断传感器的线性度。将以上过程通过Ｍａ吐ａｂ编程实现，程序见附录。４．５传感器结构的设计４．５．１封装结构的提出图４－４毛细钢管封装结构考虑到封装结构必须有足够的强度，才能给光纤光栅提供必要的保护，我们选择了不锈钢管作为封装材料。在封装结构的研制过程中，我们考察了将光纤光栅用胶封装在毛细钢管中的封装形式（如图４．４）。我们对该传感器重复进行了四轮温度实验，实验数据如表４－１所示。表４－２是根据实验数据计算出的传感器特性值。图４．５是根据实验数据绘制的特性曲线。图中的直线是对每次测量值的线性拟合。从实验结果可以看出，测量值分布在拟合直线上，多次测量的拟合直线基本重合在一起。这表明封装后的温度传感器具有良好的线性度，并且重复性比较好。武汉理工大学硕士学位论文表４－２传感器特性值０．００５２０．００６７０．０２２１武汉理工大学硕士学位论文Ｚ∥／歹‘７ｙ罗∥图４－５温度实验数据虽然该种封装结构的线性度和重复性都比较好，但是仍然存在不足之处。在制作过程中发现，由于毛细钢管很细，很难将胶均匀的充满在毛细钢管中，并且在胶的固化过程中会在毛细钢管中产生气泡。这将导致光栅的受力不均匀，很容易对光栅产生破坏，并对传感器的质量构成的隐患。因此这种封装结构在生产过程中，很难进行质量控制，不方便批量生产。而且，由于毛细钢管很细，导致传感器的强度不够，这就影响到了传感器在粗放条件下的应用。针对这些缺点，设计了如图４－６所示的封装结构。图４－６温度传感器封装结构封装所用的细管为不锈钢钢管。细钢管１、细钢管２和细钢管３的外径依次为２．０ｍｍ、１．５ｒａｍ和１．Ｏｍｍ，长度依次为５０ｒａｍ、１０ｍｍ和１５ｒａｍ。各钢管之间、以及最内层钢管和光纤之间用胶粘接。武汉理工大学硕士学位论文为了检验传感器的特性，对同一传感器重复进行四次实验。每次实验中将水浴温度依次保持在４０℃、５０４Ｃ、６０。Ｃ、７０。Ｃ、８０℃，进行测量。温度实验数据如表４．３所示，表４－４是根据实验数据计算出的传感器特性值。对比表４．２和表４．４中的数据，可以看出该传感器的最大偏差和最大标准偏差均大于采用毛细钢管封装的传感器。两者的最大标准偏差分别为Ｏ．００６７和０．００８５，相差不大，表明这两者在重复性方面性能接近。但是此种封装结构的传感器在线性度和灵敏度方面比采用毛细钢管封装的传感器差。表４－３实验数据表４．４传感器特性值．量盔堡董垫虫垦垫壅Ｑ婴竺９０．０２５７墨盔燮差０．００８５００１１０４．５．２对封装方法的进一步改进在封装时给光纤光栅施加一定的张力，使光纤光栅保持张紧的状态，然后涂胶固化。对封装后的温度传感器进行温度实验，实验数据如表４．５所示，表４－６是根据实验数据计算出的传感器特性值。对比表４－６和表４－４中的数据可以看出传感器的各项性能指标均有提高。灵敏度由Ｏ．０１１酬。Ｃ提高到Ｏ．０２６月肌／ｏＣ，最大偏差则由０．０２５７，ｒ／ｍ降低到Ｏ．００８ｒ／Ｆａ，而最大标准偏差由０．００８５降低到０．００５０。这表明在封装时给光纤光栅施加预张力后，光纤光栅温度传感器有在线性度、重复性和灵敏度方面有比较大的提高。武汉理工大学硕士学位论文漱。ｑ１习巡拦‰表４－５实验数据表４－６传感器特性４．６封装工艺对传感器性能影响的分析４．６．１传感器性能对比实验通过前面的实验，知道在封装时给光纤光栅施加预张力可以提高传感器的性能。为了更进一步的检验预张力对传感器性能的影响，我们按照同样的结构形式制作了３０个传感器，其中２０个在封装时对光纤光栅施加顸张力，另外ｌＯ个未施加预张力。在实验中损坏了三个传感器。共进行了８轮实验。在前两轮试验中，从３０℃到８０℃隔１０℃进行测量。后六轮实验主要是检测传感器的重复性，所以只在３０℃、６０℃、８０。Ｃ进行测量。实验数据参见附录。４．６．２实验数据分析表４．７施加预张力的传感器特性传感器编号最大偏差（ｒｉｍ）最大标准偏差灵敏度（ｎｍ／。Ｃ）ｌ０．０１１ｌ０．００５７０．０２４４２０．０１２００．００３３０．０２４ｔ３０．０１０００．０１２８０．０２４３４０．００３４０．００３１０．０１０３５０．０１４００．００３１０．０２４０６０．０１３３０．００２６０．０２４８４１武汉理工大学硕士学位论文表４．８未施加预张力的传感器特性传感器编号最大偏差（ｒｉｍ）最大标准偏差灵敏度（珈ｎ／ｏＣ）１０．００５８０．０１２８０．０２４３２０．０１８１０．０４８１０．０１８ｌ３０．００３６０．０１０９０．０２４３４０．００６２０．０１６７０．０２５２５０．０３０００．００７３ｏ．０１８２６０．０２８９０．０６２３０．０１９５７０．０１１３０．００６００．０２３３８０．０１５６０．０７２３０．０１３７表４．７是１９个在封装时施加了预张力的传感器特性值。在表征传感器重复性的最大标准偏差方面，３号传感器的值较大，为Ｏ．０１２８。而其余１６个传感器的值都为１０＂３的数量级上。表４．８是８个未施加预张力的传感器的温度实验结果。对比表４．７可以看出，该组传感器的最大标准偏差要大于旋加预张力封装的传感器。除了５、７号传感器外，其余传感器的最大标准偏差达到了ｌＯ五的数量级。这表明该组传感器的重复性总体上比施加了预张力的传感器差。从灵敏度这项指标来看，表４．７中除了４、１０号传感器外，其它传感器的灵敏度非常接近，都在ｏ．０２４ｎｍ／。Ｃ左右。而表４．８中的灵敏度数据则分布的比较散乱。４２武汉理工大学硕士学位论文在表４．７中，除了４、１０号传感器外，其它传感器的最大偏差值非常接近，都约为Ｏ．０１ｎｍ。而表４．８中各个传感器最大偏差相差很大。通过对两个表中数据的分析，可以得到以下结论：１）施加预张力的传感器在重复性、灵敏度和线性度等方面都优于未施加预张力的传感器。２）施加预张力可以从工艺上保证传感器的特性稳定。从前面章节对光纤光栅传感特性的分析可知，光纤光栅的中心波长对外界温度和力的变化非常敏感。如果传感器的封装结构不稳定，就可能导致光纤光栅所受力场的不稳定，从而导致综合温敏特性的不稳定。所以在进行结构设计时，必须保证传感器结构的稳定性，以排除不稳定力场对光纤光栅波长的影响。在未施加预张力的情况下，光纤光栅处于相对自由的状态，会有一定的弯曲，且弯曲的方向不固定。这就导致了光纤光栅和钢管之间是一种不稳定的关系。这样在每次温度实验中，钢管对光纤光栅的影响也就有所不同，从而导致了光栅的波长温度特性不稳定。而在施加预张力后，光纤光栅始终处于张紧的状态。光纤光栅和钢管之间的就始终保持着稳定的空间位置和受力关系。因此在每次温度实验中，光栅的波长温度特性是稳定的。这点从实验中得到了证实。４．６．３传感器的静态误差分析从前面的实验可知，当采用图４－６的温度传感器封装结构时，在封装过程中施加预张力可以使传感器获得良好的线性度、重复性。并且可以保证生产出的传感器具备稳定的特性。表４．７中最大偏差的平均值为０．０１２３ｎｍ，最大标准差的平均值为ｏ．００３５，灵敏度的平均值为ｏ．０２４４ｎｍ／。Ｃ。若传感器的测量范围是ｏｏｃ～１００ｏＣ，则对应波长的输出范围为ｙ。＝０．０２４４ｎｍ／。Ｃ×１００。Ｃ＝２．４４ｎｍ。由公式（４－１）可计算传感器的线性度误差为武汉理工大学硕士学位论文８，：±垒×１００％；±业堕ｘ１００％：±０．５％。ｙｍ２．４４由公式（４－３）可计算传感器的重复性误差为铲±詈枷‰±等２笋枷啡＋０２，％．ｙ丹．４４则在不考虑滞后误差的条件下，由公式（４．６）计算施加预张力封装的传感器的静态误差为巳＝±厢＝＋－，／—０．００５２＋—０．００２９２：±０５８％表４－９未施加预张力的传感器的静态误差！；ｊ！！！！！按同样的方法根据表４－８中的数据，计算未施加预张力的传感器的静态误差。鳖堡差生圭！．！！堑望．！！堑±ｏ．４７％４－０．７３％土１．２７％士２．８１％士０．５２％士３．０３％从静态误差的数据可以看出，在封装时施加预张力后，传感器的性能有了很大的提高。堡鲎量塑量４．７封装结构对灵敏度影响的分析４．７．１光纤光栅温度特性实验为了分析封装结构对光纤光栅温度特性的影响，我们首先通过实验检测了光纤光栅的温度特性。在实验中，对三根光纤光栅同时进行了测试。测试重复进行了四组。实验数据见表４－１０。表４．１１是根据实验数据计算的各个光栅的灵敏度。表４·１０光纤光栅温度特性实验数据望鏖（旦２堂塑！ｇ塑）光栅２（ｒｉｍ）光栅ｊ面武汉理工大学硕士学位论文表４．１１光纤光栅温度特性光栅编号ｌ２灵敏度∞札／。ｃ）ｏ．００８４０ｏ．００８４９ｏ．００８４６３４．７．２实验数据分析分析表４．１ｌ和表４．７中的数据我们可以看出光纤光栅的温度灵敏度系数为０．００８ｚ如ａ，／Ｅ＇，而施加预张力封装的传感器的温度灵敏度系数为０．０２４ｎｍ／Ｕ＇，是光纤光栅的３倍。这表明传感器的封装结构使光纤光栅的温度灵敏度系数上有了很大的提高。原因在于钢管的线性热膨胀系数（１４．５ｘ１０’。ｃ）远大于光纤的线性热膨胀系数（５．５ｘ１０。７／。ｏ。在温度升高的过程中，钢管会对光栅产生拉应力，拉应力也会使Ｂｒａｇｇ波长产生漂移。因此对于用钢管封装的光纤光栅来说，其波长的漂移是温度和应力共同作用的结果，故而提高了光纤光栅的波长温度灵敏度。４号传感器和１０号传感器的温度灵敏度系数分别为：Ｏ．０１０３ｍｚ／口、Ｏ．００８８ｎｍ／Ｅ７。这个数值低于同类型的其它传感器，而接近于光纤光栅的温度灵敏度值。这表明传感器的封装结构对光栅的影响很小。分析原因，是由于武汉理工大学硕士学位论文光纤与钢管结合处发生了松动，导致钢管的热膨胀效应无法传递给光栅，这样钢管中的光栅近似于处于自由状态。４．７．３理论分析在本文的第二章，建立了光纤光栅的温度模型。根据公式（２．２４）可以计算出，对于１．３／．ｔｍ系列光栅，单位温度变化引起的光栅波长漂移为Ｏ．００９４ｎｍ，即０．００９４ｎｍ／玩前面的实验中，所测的光纤光栅温度灵敏度为Ｏ．００８ｎｍ／口，与理论结果基本相符。从公式（２．２４）可以看出光纤光栅温度灵敏度与材料的热膨胀系数有关。当ＦＢＧ被牢固地粘接在或埋置于另一种材料中，则这种材料的形变和热膨胀通过应力对ＦＢＧ起作用，引起光栅周期的改变，利用这种特性可以提高ＦＢＧ的温度灵敏度。设Ｏｒ＇。表示这种材料的热膨胀系数，则此时ＦＢＧ的温度响应可表示为Ⅲ】：ｊ＇｜Ｋｒ＝＝兰争／Ａ８＝口＋ｆ＋（１一只）（口；一口）（４—７）“』，对于石英光纤，线性热膨胀系数口ｎ０．５×１０＇口，折射率温度系数ｆ～６．７ｘ１０。６／Ｐ，有效弹光系数只～Ｏ．２２Ｌ＝”。封装时所采用细钢管的线性热膨胀系数口。～１４．５×１０－６／口。所以有对于用细钢管封装的温度传感器有：Ｋ，＝０．５×１０“＋６．７×１０－６＋（１—０．２２）（１４．５×１０“一０．５×１０“１＝１８．１２×１０—６／口对于１．３／ａ／＇ｎ系列光栅，单位温度变化引起的光栅波长漂移为１３００ｘ１８．１２×１０４＝０．０２３６ｎｍ，即Ｏ．０２３６ｎｍ／口。根据实验所测，旖加预张力封装的传感器的温度灵敏度系数为０．０２４ｎｍ／己与理论结果基本相符。武汉理工大学硕士学位论文第５章总结与展望光纤光栅传感是近十年发展起来的一种更为新颖的传感检测技术。在国外，这一技术已在航空航天、智能材料与结构、民用建筑、电力、石油等领域开始应用。国内由于发展的时间较短，目前还多停留在实验室研究阶段。正是基于以上背景，本科题开展了这一技术的工程应用研究。５．１总结本文首先对光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感原理做了深入的研究和分析。在本文的第二章对光纤Ｂｒａｇｇ光栅的传感特性进行了理论分析，建立了光纤光栅的传感模型，介绍了光纤光栅波长解调系统的基本原理，分析比较了几种国内外提出和进行过研究的ＦＢＧ波长解调方法。在本文的第三章，探讨了基于调谐光纤Ｆ．Ｐ滤波法的光纤光栅解调器的研制，在此基础上组建了比较完整的光纤光栅温度传感检测系统。在本文的第四章中，首先介绍了光纤光栅温度传感器封装结构的研究现状，然后通过实验分析了多种封装结构和工艺对光纤光栅的温度特性的影响，并最终提出了一种新的光纤光栅温度传感器封装方法。可以得到以下结论：１）在封装过程中对光纤光栅施加一定的预张力可以使光纤光栅温度传感器有很好的重复性：２）封装结构可以提高光纤光栅作为温度传感器的温度灵敏度系数；３）封装后的光纤光栅依然保持着波长与温度良好的线性关系。因此，新的封装结构可以使光纤光栅温度传感器具备良好的重复性、线性度和灵敏度，可以满足实际应用的要求，具有广阔的应用前景。在光纤光栅温度传感器的研制过程中，还搭建了完善的实验环境，形成了一套方便快捷的数据分析处理方法。这就为今后的工作积累了经验，打下了基础。４７武汉理工大学硕士学位论文５．２对今后研究工作的展望本文对光纤光栅温度传感器的研究只是一个开始，主要工作集中在实验环境的搭建和封装结构的选择。对传感器的考察指标主要是重复性、线性度和灵敏度。为了更好的使其满足实际使用要求，今后还有很多工作要做。主要建议如下：１）对光纤光栅温度传感器的长期稳定性进行研究。２）在本文所进行的温度实验中，温度范围在室温到９０℃之间。在今后的工作中，应该在更大温度范围内对光纤光栅传感器的温度特性进行研究。３）探讨更加完善和多样的封装结构形式，以提高传感器的性能、满足各种特定测量环境的要求。４）对传感器的制作装备给工艺流程进行研究，以更好的降低生产成本，提供生产效率，确保产品质量。５）加强对光纤光栅信号解调系统的研究和开发，提高响应速度，扩宽解调范围，开发出集解调和显示于一体的多通道解调系统。同时提高配套软件的功能和可操作性。武汉理工大学硕士学位论文参考文献【１】张志鹏，Ｗ．Ａ．Ｇａｍｂｌｉｎｇ．光纤传感器原理．北京：中国计量出版社，１９９１［２】孙圣和，王廷云等．光纤测量与传感技术．哈尔滨工业大学出版社，２０００［３］张兴周．光纤光栅与光纤传感技术．光学技术，１９９８，７【４］４［５】５靳伟，廖延彪，张志鹏．导波光学传感器：原理与技术．北京：科学出版社，１９９８Ｂ．Ｃｕｌｓｈａｗ，Ｊ．Ｄａｋｉｎ，李少慧等译．光纤传感器．武汉：华中理工大学出版社，１９９７［６】姜德生．我国光纤传感器的发展与产业化．世界仪表与自动化，２００２，６（１）［７】张记龙．曾光宇．光纤光栅（ＦＢＧ）传感技术及其应用．华北工学院测试技术学报，２００１，１５（４）［８】Ｆｒｉｅｂｅｌｅ，Ｅ，ｅｔａ１．ＦｉｂｒｅＢｒａｇｇ目ａ廿ｎｇｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓ：ｐｒｅｓｅｎｔａｎｄｆｕｔｕｒｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｍａｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓＮｅｗｓ，１９９８，Ｖ０１．９，ＰＰ．３３－３７ｉｎ［９】Ｋｅｒｓｅｙ，Ａ．Ｄ．，ｅｔａ１．ＰｒｏｇｒｅｓｓｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ，Ｐｍｃ．ＳＰＩＥ，１９９６，２８３９，ＰＰ．４０－６３［１０】Ｎｅｌｌｅｎ，ＥＭ．，ｅｔａ１．，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｏｐｔｉｃａｉａｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅｓｆｏｒｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅｏｆｃｉｖｉｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓ扪．ｔｃｔｕｍｓ，Ｐｍｃ．ＳＰＩＥ，３０４３，１９９７，ＰＰ．７７·８６Ｋ【“］ＨｉｌｌＯ，ＦｕｊｉＹ，ＪｏｈｎｓｏｎＤＣａｎｄＫａｗａｓａｋｉＢＳ．Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｏｐｔｉｃａｉｆｉｂｅｒｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｆｉｌｅｒｆａｂｒａｃａｔｉｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｌａｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９７８；３２；６４７．６４９【１２］ＭｅｌｔｚＧ，ＭｏｒｅｙＭＭａｎｄＧｌｅｎｎＷＨ．ＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｉｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｂＹａｔｒａｌｌｓｖｅｒｓｅｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｓｍｅｔｈｏｄ，Ｏｐｔ．Ｌｅａ．１９８９；１４；８２３－８２５ａｎｄＡｌｂｅｒｔＪ．Ｂｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｆａｂｒｉｃａｔｅｄｉｎａ【１３］ＨｉｌｌＫＯ，ＭａｉｏＢ，ＢｉｌｏｄｅａｕＦ，ＪｏｈｎｓｏｎＤＣｍｏｎｏｍｏｄｅｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｉｆｉｂｅｒｂｙＵＶｅｘｐｏｓｕｒｅｔｈｒｏｕｇｈｍａｓｋ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９９３；６２：１０３５ｐｈａｓｅ【１４］ＳａｎｄｅｅｐＶｏｈｒａ，ｅｔａｉ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓ廿ａｉｌｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｗｉｔｈＡｒｒａｙｓｏｆＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇＳｅｎｓｏｒｓｏｎａｎＩｎ－ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｔｅｅｌＢｏｘ－ＧｉｒｄｅｒＢｒｉｄｇｅ，ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｖ０１．Ｅ８３·Ｃ，Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ，２０００［１５】ＷｉｌｌｓｃｈＲｉＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＳｔｕｐｏｒｓ：ＴｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄＭａｒｋｅｔＴｒｅｎｄｓ［Ａ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｂｅＳＰＩＥ【Ｃ】．２０００，４０７４：２４－３１［１６】姜德生，ＲｉｃｈａｒｄＯ．Ｃｌａｕｓ．智能材料器件结构与应用．武汉：武汉工业大学出版社，２０００【１７】苑立波．光纤光栅原理和应用．光通信技术，１９９８，２２（１）［１８】马卫东，陈志红，施伟等．啁啾光纤光栅的制各研究进展．光通信研究，２０００，６：４９．５２４９武汉理工大学硕士学位论文［１９］周智，田石柱等．光纤布拉格光栅应变与温度传感特性及其实验分析．功能材料，２００２，３３（５）［２０】Ｍ．ＧＸｕ，Ｌ．Ｒｅｅｋｉｅ，ＹＴＣｈｏｗｅｔａ１．ＯｐｆｉｃＭｉｎ－ｆｉｂｅｒｇａｔｉｎｇｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，１９９３，２９（４）：３９８—３９９【２１］廖延彪．光纤光学．北京：清华大学出版社，２０００［２２】贾宏志．光纤光栅传感器的理论和技术研究：［博士学位论文］．西安：中国科学院西安光学精密机械研究所，２０００［２３】Ｖｕｎ－ＱｉＬｉｕ，Ｚｈｕａｎ－ＹｕｎＯｕｏ，ＹｉｎｇＺｈａｎｇｅｔａ１．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｉｔｈｐｏｌｙｍｅｒ－ｃｏａｔｅｄｆｉｂｅｒＢｒａｇｇａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｔ啦．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ，２０００，３６（６）：５６４—５６６［２４】Ｍ．Ｇ．Ｘｕ，ｅｔａｌ，Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｎａｉｒｌａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｆｆｅｃｔｓｕｓｉｎｇｄｕａｌ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ０１．３０，Ｎｏ．１３，１９９４，Ｐ１０５８［２５】Ａ．Ｄ．ＫｅｒｓｅｙＪＡｒｅＶｉｅｗｏｆｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｏｐｔｉｃ．ＦｉｂｅｒＴｅｃｈｎｏｌ，ｖ０１．２，ＰＰ．２９１－３１７．１９９６［２６】Ａ．Ｄ．Ｋｅｒｓｅｙ，Ｔ．Ａ．Ｂｅｒｋｏｉｆ，ａｎｄＷ．Ｗ．Ｍｏｒｅｙ，ＨｉｇＩｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｆｉｂｅｒｇ＝ｔｍｇｂａｓｅｄｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｈｉｆｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］，Ｅｌｅｅ廿ｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖ０１．２８，ＰＰ．２３６－２３８—１９９２【２７】Ｄ．Ａ．Ｊａｃｋｓｏｎ，Ａ．Ｂ．Ｌｏｂｏ蹦ｂｅ曲，Ｌ．Ｒｅｅｋｉｅ，ｅｎｄＪ．Ｌ．Ａｒｃｈａｍｂａｕｌｔ，Ｓｉｍｐｌｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｓｃｈｅｍｅｆｏｒａｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］，Ｏｐｔ．Ｌｅａ，ｖ０１．１８，ＰＰ．１１９２－１ｔ９４，１９９【２８】鲍吉龙，章献民，陈抗生等．ＦＢＧ传感网络技术研究．光通信技术，２００１，２：８４．８９［２９】黄尚廉，梁大巍，刘龚．分布式光纤温度传感器系统的研究．仪器仪表学报，１９９１（４）［３０］张心天．多ＦＢＧ传感器解调新方法的计算机信息处理系统的研究：硕士学位论文．武汉：武汉理工大学计算机科学与技术学院，２００３［３１】［美】安格斯生，精英科技译．并行端口大全．北京：中国电力出版社，２００１［３２】［美】逝德里，韩永彬、袁潮译，并行端口编程．北京：中国电力出版社，２０００［３３】费业秦．误差理论与数据处理【Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９８５．１０１—１０２［３４】Ｌｅｅ，Ｂｙｏｕｎｇｈｏ．ＲｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，９（２）：５７·７９［３５】Ｒａｏ，ＹＪ．Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｉｎ·ｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＯｐｆｉｃａｌＦｉｂｅｒｓｅＲＳＯｒｓ川．ＯｐｔｉｃｓａｎｄＬａｓｅｒｓｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，３１（４）：２９７－３２４［３６］姜德生，何伟．光纤光栅传感器应用概况．光电子·光激光，２００２，（４）：４２０—４３０武汉理工大学硕士学位论文【３７］张伟剐，周广等．混合聚合物光纤栅封装元件的温敏实验光子学报．２００１，３０（８）：１００３．１００５［３８］周智、赵雪峰光纤光栅毛细钢管封装工艺及其传感特性研究【Ｊ】．中国激光，２００２，２９（１２）［３９】王玉田，孙卫新．布拉格光栅在温度测量中的应用．传感技术学报．２０００，１３（４）．３１４．３１７［４０１李庆扬．数值计算原理．北京；清华大学出版社，２０００ｆ４１１张志涌．ＭＡＴＬＡＢ教程一基于６Ｘ版本．北京：北京航空航天大学出版社．２００１【４２］单成祥．传感器的理论与设计基础及其应用．北京：国防工业出版社，１９９９【４３］李科杰主编．新编传感器技术手册．北京：国防工业出版社，２００２［４４１贾宏志，李育林，忽满利等．光纤Ｂｒａｇｇ光栅温度和应变的灵敏度分析及应用探讨．激光杂志，１９９９，２０（５）：１２·１４５ｌ武汉理工大学硕士学位论文附录Ｉ：实验数据施加预张力封装的传感器实验数据实验编号温度测量波长（ｒｉｍ）（∞传感器ｌ传感器２传感器３传感器４倍感器５传感器６３０．１１２９０．２５２１２９０．３２６１２８８．２００１２８８．４３３１２９０，２０３１２９１．２１ｌ３９．９１２９０．４９１１２９０．５５９１２８８．４３３１２８８．５２５１２９０，４３５１２９１．４５１１４９．９１２９０．７２８１２９０．７９５１２８８．６７０１２８８．６１４１２９０．６７０１２９１．６９２５９．９１２９０．９７５１２９１．０３５１２８８．９１４１２８８．７１０１２９０．９１６１２９１．９４３６９．９１２９１．２２２１２９１．２８６１２８９１６７】２８８．８２ｌ１２９１．１５７１２９２．１９８７９．９１２９１．４６７１２９１．５３０１２８９．４１７１２８８．９２７１２９ｌ４０１１２９２．４５４３０．２１２９０．２４５１２９０．３２３１２８８．１９９１２８８．４１７１２９０．２０３１２９１．２１２３９．８１２９０．４７４１２９０．５５０１２８８．４２４１２８８．５２０１２９０．４２７１２９１．４４４２４９．９１２９０．７１９１２９０．７９０１２８８．６７２１２８８．６１４１２９０．６６５１２９１．６８９６０．Ｏ１２９０．９６４１２９１．０３０１２８８．９１３１２８８．７１８１２９０．９０１１２９１．９４１６９．９１２９１．２１６１２９１．２７６１２８９．１６３１２８８．８２７１２９１．１５５１２９２．１９４７９．９１２９１４６６１２９１．５２７１２８９．４３１１２８８．９２６１２９１．４００１２９２。４４４３０．０１２９０．２４６１２９０．３２１１２８８，２２１１２８８．４１７１２９０．２０１１２９１．２１ｌ３６０．０１２９０，９６５１２９１．０３０１２８８．９３４１２８８．７１７１２９０．９０４１２９１．９３４８０．０１２９１．４６６１２９１．５２５１２８９．４４１１２８８．９２７１２９１．４０１１２９２．４４９３０．０１２９０．２５６１２９０．３２２１２８８．２３９１２８８．４１ｌ１２９０．２００１２９１．２０９４５９．８１２９０．９６３１２９１，０２３１２８８．９５０１２８８．７１６１２９０．８９４１２９１．９２９８０．Ｏ１２９１．４７６１２９１．５３４１２８９．４６４１２８８．９３２１２９１，４０４１２９２．４５０３０．０１２９０．２４９１２９０．３１９１２８８．２３８１２８８．４１０１２９０．１９９１２９１．２０８５６０．Ｏ１２９０．９６８１２９１．０２７１２８８．９５３１２８８．７１７１２９０．９００１２９１．９３３８０．０１２９１．４７２１２９１．５２９１２８９．４６１１２８８．９３０１２９１．４０６１２９２．４５１３０．Ｏ１２９０．２４１１２９０．３１６１２８８．２５１１２８８．４１４１２９０．１９７１２９１．２０６６５９．９１２９０９５８１２９１．０２１１２８８．９６５１２８８．７１７１２９０．８９４１２９１．９２６７９．８１２９１．４６１１２９１．５２０１２８９．４５８１２８８．９２７１２９１．３９４１２９２．４４２２９．９１２９０．２５１１２９０．３１４１２８８、２４２１２８８．４０８１２９０．１９４１２９１．２０２７５９．９１２９０．９６７１２９１．０２３１２８８．９５９１２８８．７１６１２９０．８９５１２９Ｉ．９２８７９。９１２９１．４７５．１２９１．５２６１２１ｊ９．４６１１２８８．９２７１２９１．３９７１２９２．４４８２９．９１２９０．２５２１２９０．３１７１２８８．２５１１２８８．４０９１２９０．１９５１２９１．２０４８６０．０１２９０．９６９１２９１．０２４１２８８．９６９１２８８．７１６１２９０．８９６１２９１．９３ｌ８０．Ｏ１２９１．４７８１２９１．５２９１２８９．４６２１２８８．９３０１２９１，３９８１２９２．４４４武汉理工大学硕士学位论文实验编号温度（口）３０．１测量波长（ｒｉｍ）传感器７１２８９．８７７１２９０．１１７１２９０．３５６１２９０．６０３１２９０．８６０１２９１．１１７１２８９．８７９１２９０．１０７１２９０．３５２１２９０．５９９传感器８１２９０．９８６１２９１．２２６１２９１．４６４１２９１．７１ｌ１２９１．９６６１２９２．２２０１２９０．９８４１２９１．２１７传感器９１２９１．４８４传感器１０１２８９．０１５１２８９．１００１２８９．１８３传感器１１１２９０．６５６１２９０．８９６１２９１．１３８传感器１２１２９０６９２１２９０．９２９１２９１．１６８３９．９ｌ１２９１．７２１１２９１．９６０１２９２．２０３４９．９５９．９６９．９７９．９３０．２３９．８１２８９．２７４１２８９．３６５１２８９－４６２１２８９．００９１２８９．１０２１２８９．１８４１２８９．２７１１２８９．３５５１２８９．４５１１２８９．０１１１２８９．２６５１２８９．４５１１２８９．００９１２８９．２６０１２８９．４５３１２８９．０１６１２８９．２７ｌ１２８９，４５７１２８９．０ｔ３１２８９．２６５１２８９．４４６１２８９．００８１２８９．２６２１２８９．４５０１２８９．０１０１２８９．２６６１２８９．４４９１２９１．３８４１２９１．６３９１２９１．８９４１２９０．６５８１２９０．８９１１２９１．１３５１２９１．３８４１２９１．６３５１２９１．８９３１２９０．６５７１２９１．３７８１２９１．８９１１２９０．６５５１２９１．３７３１２９１．８９５１２９０．６５３１２９１．３７８１２９１．８９６１２９０．６５３１２９１．３７８１２９１．８８５１２９０．６５１１２９１＿３７８１２９１．８９３１２９０．６５２１２９１．３８０１２９１．８９３１２９１．４１０１２９１．６６３１２９１．９１５１２９０．６９３１２９０．９２７１２９１．１６３１２９１．４０９１２９２．４５４１２９２．７０９１２９１．４８４１２９１．７１４１２９１．９５６１２９２．１９８１２９２．４５０１２９２．７０２１２９１．４８４１２９２．１９６１２９２．７０３１２９１．４８０１２９２．１９０１２９２．７０５１２９１．４７９１２９２．１９７１２９２．７０７１２９１．４７６１２９２．１８９１２９２．６９５１２９１．４７５１２９２．１９０１２９２．７０２１２９１．４７５１２９２．１９７１２９２．６９８２４９．９６０．０６９．９７９．９３０．０１２９１．４６０１２９１．７０６１２９０．８５５１２９１．１０６１２８９．８７７１２９０．５９８１２９１．１１１１２８９．８７８１２９０．５９３１２９１．１１６１２８９．８７５１２９０．５９７１２９１．１１５１２８９．８７６１２９０．５８８１２９１．１０３１２８９．８７２１２９０．５９３１２９１．１１４１２８９．８７６１２９０．５９８１２９１．１１０１２９１．９６２１２９２．２１０１２９０．９８５１２９１．７０５１２９２．２１４１２９０．９８４１２９１．６９８１２９２．２１８１２９０．９８２１２９１．７０２１２９２．２１９１２９０．９７９１２９１．６９７１２９２．２０７１２９０．９７７１２９１．６９７１２９２．２１４１２９０．９８１１２９１＿７０５１２９２．２１２１２９１．６６２１２９ｌ，９１４１２９０．６９２１２９１．４０４】２９】，９１２１２９０．６８９１２９１３９９１２９１．９１７１２９０．６８８１２９１．４０３１２９１．９１６１２９０．６８５１２９Ｉ．４０２１２９１．９０６１２９０．６８３１２９１．４１０１２９１．９１１１２９０．６８５１２９１．４０５１２９１．９１６３６０．０８０．０３０．０４５９．８８０．０３０．０５６０．Ｏ８０．０３０．Ｏ６５９．９７９．８２９．９７５９．９７９．９２９．９８６０．０８０．Ｏ测量波长（ｒｉｍ）温度Ｉ｜Ｉ实验编号Ｉ（１２）峙感器１３怜感器１４慷感器１５障感器１６慷感器１７悖感器１８慷感器１９｜１３０．１１１２９０．９６６Ｉ１２９０．９８１ｌ１２９０．７７８Ｉ１２９０．７４５１１２９１．３９３ｌ１２９０．８９９｝１２９０．６１２Ｉｌ武汉理工大学硕士学位论文３９．９４９．９５９．９６９．９７９．９３０．２３９．８２１２９１．２０５１２９１．４３８１２９１．６８０１２９１．９３４１２９２．１８３１２９０．９６６１２９１．１９３１２９１．２１６１２９１．４４９１２９１．６８９１２９１．９４０１２９２．１８７１２９０．９７８１２９１．２０５１２９１．４４２１２９１．６８８１２９１．９３９１２９２．１８５１２９０．９７７１２９１．６８７１２９２．１８２１２９０．９７７１２９１．６７７１２９２．１９０１２９０．９７５１２９１．６８２１２９２．１８７１２９０．９７１１２９１．６８３１２９２．１７８１２９１．叭３１２９１．２４９１２９１．４８８１２９１．７３８１２９１．９９３１２９０．７７７１２９０．９８０１２９１．２１７１２９１．４５８１２９１．７０７１２９１．９６４１２９０．７４４１２９０．９７４１２９１．２１３１２９１．４５５１２９１．７０８１２９１．６２９１２９１．８６６１２９２．１０８１２９２．３６０１２９２．６１５１２９ｔ．３９５１２９ｌ＿６２８１２９１．８６２１２９２．１０９１２９２．３５４１２９２．６０３１２９１．３９２１２９２．１０５１２９２６０７１２９１．３９０１２９２．１０ｌ１２９２．６１０１２９１．３８９１２９２．１０Ｉ１２９２．６０８１２９１．３８８１２９２．０９８１２９２．６０２１２９１．３８６１２９２．１０２１２９２．６０２１２９１．３８５１２９１．１３４１２９１．３６６１２９１．６０７１２９１．８６４１２９２．¨３１２９０８９６１２９１．１２４１２９ｌ。３６４１２９１．６０４１２９ｌ，８５６１２９２．１０６１２９０．８９８１２９１．６０５１２９２．１１０１２９０，８９７１２９１。６００１２９２，１ｌＯ１２９０８９４１２９１，６００１２９２．１０９１２９０．８９１１２９１．６０２１２９２．１０２１２９０．８９０１２９１．６０４１２９２．１０４１２９０．８９２１２９１．６０２１２９２．１０９１２９０．８４６１２９１．０８２１２９ｔ．３２２１２９１．５７７１２９１．８２６１２９０６０９１２９０．８３７１２９１，０８２１２９１．３２２１２９１．５６８１２９Ｉ．８２３１２９０．６０９１２９１．３１９１２９１．８２３１２９０．６０６】２９１．３１４１２９１，８２４１２９０．６０５１２９１．３１３１２９１．８２６１２９０．６０３１２９１．３１３１２９ｌ＿８１９１２９０．５９９１２９１．３１４１２９１．８２ｌ１２９０．６０２１２９１３１９１２９１．８２２１２９１．００５１２９１．２４３１２９１．４８５１２９１．７３９１２９Ｉ．９８６１２９０．７７８１２９１．４８７１２９１．９８８１２９０．７７５４９．９６０．Ｏ６９．９７９．９３０．０１２９１．４３３１２９１．６８０１２９１．９３４１２９２．１８３１２９０．９６８１２９１．６７５１２９２．１８ｌ１２９０．９６５１２９１．６６９１２９２．１８７１２９０．９６５１２９１．６７４１２９２．１８６１２９０．９６３１２９１．６７６１２９２．１７３１２９０．９６０１２９１．６７５１２９２．１８０１２９０．９６２１２９１．６７７１２９２．１８４１２９１．９５５１２９０．７４１１２９１．４５４１２９１．９５７１２９０．７３８３６０．Ｏ８０．Ｏ３０．Ｏ４５９．８８０．０３０．０１２９１．４８０１２９Ｉ．４５０１２９１．９９３１２９０．７７４１２９１．４８３１２９１．９８９１２９０．７７４１２９ｌ＿４８１１２９ｌ＿９８３１２９１．９６２１２９０．７３８１２９１．４５Ｉ１２９１．９５８１２９０．７３９１２９１．４５ｌ１２９１．９５５１２９０．７３５１２９１．４５２１２９１．９５５１２９０．７３６１２９１，４５３１２９１．９５９５６０．０８０．Ｏ３０．０６５９．９７９．８２９．９１２９０．９７０１２９０．７７０１２９１．６８３１２９２．１８３１２９０．９７４１２９１．６８３１２９２．１８７１２９１．４８２１２９１．９８４１２９０．７７２１２９１．４８４１２９１．９９０７５９．９７９．９２９．９８６０．Ｏ８０．Ｏ１２９２．１叭１２９２。６０７未施加预张力封装的传感器实验数据实验编号温度（Ｐ）２９．９１５０．１６９．９２２９．９测量波长（ｍｚ）传感器１１３０１５２５１３０２０１４１３０２．５０３１３０１．５３０传感器２１２９５．７２９１２９６．１５９１２９６．４６６１２９５．７６２传感器３１２９６．９７８１２９７．４７４１２９７．９６４１２９６．９９５传感器４１２９３．９０７１２９４－．４３０１２９４．９３８１２９３．９３１武汉理工大学硕士学位论文４９．９１３０２．００５１２９６．１５０１２９７．４７４１２９４．４１０６９．９１３０２，５０１１２９６．４４０１２９７．９５９１２９４．９３４２９．９１３０１．５１７１２９５．７０３１２９６．９８４】２９３９０５３４９．８１３０１．９８１１２９６．０８９１２９７．４４８１２９４．３９６６９．９１３０２。４８８１２９６．４３９１２９７．９４８１２９４．９１５３０．０１３０１．５１３１２９５．７００１２９６．９７７１２９３９１２４５０．０１３０１．９９５１２９６．０５７１２９７．４５９１２９４．４０３７０．Ｏ１３０２．４７８１２９６．４４９１２９７．９４３１２９４．９０５实验编号温度测量波长（ｎｍ）（℃）传感器５传感器６传感器７传感器８３０，ｌ１３０１．０４７１３００．９１７１３００．３１２１３０１３６７３９，９１３０１．２４７１３０１．１４４１３００．５３７１３０１．４７７４９．９１３０１．４５０１３０ｌ＿３６５１３００．７７０１３０１．６０６１５９．９１３０１，６２８１３０１．５７１１３００．９９１１３０１．７２０６９．９１３０１．７９７１３０１．’玎５１３０１．２３８１３０１．８５５７９．９１３０１．９５０１３０１．９１６１３０１．４８０１３０１．９８１３０．２１３０１．０６３１３０１．２２１１３００．２７７１３０１．３１８３９．８１３０１．２３９１３０１．３６１１３００．５２ｌ１３０１．４８３４９．９１３０１．４４７１３０１．５１５１３００．７５４１３０１．６３０２６０．０１３０１．６２８１３０１．６１６１３００．９８７１３０１．７４３６９．９１３０１．７９４１３０１．７８５１３０１．２３０１３０１．８５８７９．９１３０１．９４２１３０１．９１８１３０１．４６８１３０１．９７８３０．０１３０１．０５０１３００．９９８１３００，３１６１３０１．３３８３６０．０１３０１．６２９１３０１．６１８１３００．９８８１３０１．７４０８０。Ｏ１３０１．９４１１３０１．９２０１３０１．４７２１３０１．９７９３０．Ｏ１３０１．０４５１３００．８８５１３００．３０３１３０１．３２９４５９．８１３０１．６２５１３０１．５１８１３００．９８１１３０１．７３８８０．Ｏ１３０１．９４６１３０１．９２５１３０１．４７４１３０１．９８２３０．０１３０１．０５０１３００．８８８１３００．３０７１３０１３３０５６０．０１３０１．６３１１３０１．５２３１３００．９８７１３０１．７４０８０．Ｏ１３０１．９４５１３０１．９２８１３０１．４７２１３０１．９８１３０．Ｏ１３０１．０３１１３００．９９３１３００．２９９１３０１．３１９６５９．９１３０１．６２６１３０１．６０３１３００．９８２１３０１．７４６７９．８１３０１．９４４１３０１．９３８１３０１．４６２１３０１．９７９７２９．９１３０１．０４２１３０１．０１ｌ１３００．２９９１３０１．３２９５９．９１３０１．６３２１３０１．６４８１３００．９８３１３０１．７４０武汉理工大学硕士学位论文７９．９２９９８６０．０１３０１．９４５１３０１．０３７１３０１．６３０１３０１．９３７１３０１．０１７１３０１．６２６１３０１．４７０１３００．３０３１３００．９９６１３０１．９８４１３０１．１５１１３０１．６８７８０．Ｏ１３０１．９４４５６１３０１．９４９１３０１．４７２１３０１．９８１武汉理工大学硕士学位论文附录Ⅱ：数据分析程序１ｆｉｍｃｔｉｏｎ（ｓｔｄｅｖ，ａｖｇ］＝ｐｒｅ＿ａｎａｌｙｚｅ（ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ）％求一个测量对象多次测量数据标准偏差，平均值［ｚ，ｙ，ｘ】＝ｓｉｚｅ（ｎｏｒｍｄａｔａ）；ｆｏｒｉ＝ｌ：ｚｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｉ，：）；ｒｅｓｈａｐｅ（ｎｏｒｎａ＿ｄａｔａ（ｉ，２，：），１，ｘ）ｅｎｄｓｔｄｅｖ＝ｖａｒ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）；ａｖｇ２ｍｅａｎ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）；％…一一…一……～…一…一………一～～………～．．ｆｉｍｃｔｉｏｎｎｏｒｍ＿ｄａｔａ＝ｎｏｒｍａｎａｌｙｚｅ（ｉｎｐｕｔｄａｔａ，ｎｏｒｍｘ）％对输入数据进行归一化处理％ｉｎｐｕｔｄａｔａ（ｚ，ｙ，ｘ）一个测试对象的多次测量数据％ｚ：测量编号％ｙ：数据类型％１：温度％２：波长％ｘ：值％ｎｏｒｍｘ归一化值％ｎｏｒｍｄａｔａ（ｚ，ｙ，ｘ）归一化结果ｋｙ，ｘ】＝ｓｉｚｅ（ｉｎｐｕｔｄａｔａ）；ｆｏｒｉ＝ｌ：ｚｖａｌｘ＝ｒｅｓｈａｐｅ（ｉｎｐｕｔｄａｔａ（ｉ，１，：），１，ｘ）；Ｖａｌｙ；ｒｅｓｈａｐｅ（ｉｎｐｕｔｄａｔａ（ｉ，２，：），１，ｘ）；ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ（ｉ，２，：）２ｉｎｔｅｒｐｌ（ｖａｌｘ，ｖａｌｙ，ｎｏｒｍｘ，’ｌｉｎｅａｒ‘，。ｅｘｔｒａｐ’）；ｎｏｒｍ＿ｄａｔａ（ｉ，１，：）２ｎｏｒｍ．＿ｘ；ｅｎｄ９０一…～……………～……一～一……………～．缸ｌｃｔｉｏｎ［１ｉｎｅａｒｉｔｙ，ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ，ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｄｅＶ】－ｓｅｎｓｏｒｑｕａｌｉｔｙ（ｓｔｄｅｖ，ａｖｇ，ｎｏｒｍｘ，ｒａｎｇｅ）％分析传感器的特性％求拟合直线ｃｏｅｆＯ＝ｐｏｌｙｆｉｔ（ｎｏｒｍ＿ｘ，ａｖｇ，１）５７武汉理工大学硕士学位论文％输出平均值与拟合直线间的偏差ｄｅｖ＝ａｂｓ（ａｖｇ·ｐｏｌｙｖａｌ（ｃｏｅｆＯ，ｎｏｒｍ＿ｘ））％ｌｉｎｅａｒｉｔｙ２ｍａｘ（ｄｅｖ）／ｒａｎｇｅ；％ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ＝ｃｏｅｆＯ（１）；％ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ＝ｍａｘ（ｓｔｄｅｖ）／ｒａｎｇｅ；１ｉｎｅａｒｉｔｙ＝ｍａｘ（ｄｅｖ）；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ＝ｃｏｅｆＤ（１）’ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ＝ｍａｘ（ｓｔｄｃｖ）；％～………一……一…………一…………～一～……一武汉理工大学硕士学位论文附录Ⅲ：数据分析程序２ｆｕｎｃｔｉｏｎＰｌｏｔＭｕｌｔｉＴａｂｌｅＤａｔａ（ｕｓｅｒｄａｔａ，ｐｏｉｎｔｓ＿ｐｅｒ＿ｒａｎｇｅ，ｉｓ＿ｐｒｉｎｔ＿ｆｉｇｕｒｅ，ｉｓ＿ｐｒｉｎｔ＿ｏｕｔｐｕｔ，ｉｓ＿ｓａｖｅｐｉｃ）ｓａ２％ＰＬ０１ＭｕＬＴＩＴＡＢＬＥＤＡＴＡ分析表格形式的实验数据，可以同时分析多个对象多轮测量数据％ｕｓｅｒｄａｔａ测量数据％ｐｏｉｎｔｓ＿ｐｅｒ＿ｒａｎｇｅ每轮测量的点数％ｉｓ口ｒｉｎｔｅｒｕｇｉｆ．形图印打否是％“ＹＯＦ—Ｙ：输出％ｉｓｐｒｉｎｔｏｕｔｐｕｔ是否将拟和运算的数据输出到ｃｏｍｍａｎｄｗｉｎｄｏｗ中％ｙｏｒ～Ｙ：输出％ｓａ拟和系数％ｆｉｌｅｎａｍｅ：ＰｌｏｔＭｕｌｔｉＴａｂＩｅＤａｔａ．ｏ％ａｕｔｈｏｒ：ＣｈａｉＷｅｉ％ｄａｔｅ：２００３，４，２３％设置绘图的颜色和线形％Ｌｍ，ｇ，ｃ，ｂ，ｋ％离散点的颜色和线型ｓｔｙｌｅｌ＝［’件’’ｍ＋‘’ｇ＋‘’Ｃ＋’’ｂ＋。’ｋ十’＇ｒｏ’’１１１０’＇ｇｏ’｜ｃ０１’ｂｏ’’ｋｏ’】；％连续图形的颜色和线型ｓｔｙｌｅ２＝［’一。ｍ．’’ｇ一’’Ｃ一’。ｂ．。。ｋ一１’ｒ：’’ｍ：’’ｇ：’’Ｃ：’屯：’ｆｋ：’］；［ｓｔｙｌｅｎｕｍｌ，ｓｔｙｌｅｎｕｒｎ２】－ｓｉｚｅ（ｓｔｙｌｅＤ；５９武汉理工大学硕士学位论文％ｍｅⅫｅｊｉｍｅｓ测量轮数［ｍ，ｍｅａＳｕｒｅ』ｒｎｅｓ】＝ｓｉｚｅ（ｐｏｉｎｔｓｐｅｒ＿ｒａｎｇｅ）％ｔｅｍｐｒａｌｌｇｅ计算每轮测量的索引范围ｆｏｒｉｉ＝１：ｍｅａｓｕｒｅｔｉｍｅｓ；ｉｆ（ｉｉ一１１ｔｅｍｐｔ＿ｒａｎｇｅ（ｉｉ，１）。ｌ；ｅｌｓｅｔｅｍｐｔｒａｎｇｅ（ｉｉ，１）２ｔｅｍｐｔ』ａｎｇｅ（“·１，２）＋１；ｅｎｄ；ｔｅｍｐｔ－ｒａｎｇｅ（ｉｉ，２）２ｔｅｍｐｔ－ｒａｎｇｅ（ｉｉ，１）＋ｐｏｉｎｔｓ＿ｐｅｒ＿ｒａｎｇｅ（ｉｉ）一１ｅｎｄ；％ｏＮｅｃＵｇｍｅｓ测量对象的个数【ｍ，ｏＮｅｃｔ＿＿ｔｉｍｅｓ】＿ｓｉｚｅ（ｕｓｅｒｄａｔａ）％拟和，绘图ｋｋ＝１：ｆｏｒｊｊ＝１：ｏｂｊｅｃｔ＿ｔｉｍｅｓ一１ｉｆ（ｉｓ＿ｐｆｉｎｔ－ｆｉｇｕｒｅ一“Ｙ｜｜ｉｓ＿．ｐｆｉｎｔ－ｆｉｇｕｒｅ一’Ｙ’）ｆｉｇｕｒｅ蜘）；ｈｏｌｄ０１１；ｃｕｒｒｅｎｔｓｔｙｌｅｉｎｄｅｘ２１；ｅｎｄ；ｆｏｒｉｉ２１：ｍｅｗｅｆｉｍｅｓ；ｌｏｗｌｉｍｉｔ２ｔｅｍｐｔ＿ｒａｎｇｅ（ｉｉ，１）；ｕｐｌｉｍｉｔ＝ｔｅｍｐｔ＿ｒａｎｇｅ（ｉｉ，２）；ｔｅｍｐｔ＝ｕｓｅｒｄａｔａ（１０ｗｌｉｍｉｔ：ｕｐｌｉｍｉｔ，１）；ｖａｌｕｅ。ｕｓｅｒｄａｔａ（１０ｗｌｉｍｉｔ：ｕｐｌｉｍｉｔ，ｊｊ＋１１％一次拟合ｃｏｅｆＯ＝ｐｏｌｙｆｉＮｔｅｍｐｔ，ｖＮｕｅ，１）；％ｃｏｅｆ的第一列：测试对象编号％ｃｏｅｆ的第二列：试验轮次编号％ｃｏｅｆ的第三四列：拟和系数ｃｏｅｆ（ｋｋ，１）＝＿ｉｊ；ｃｏｅｆ㈨３：４１＝ｃｏｅｆＯ；ｃｏｅ珂ｋｋ．２）＝ｉｉ；ｋｋ＝ｋｋ＋１：ｉｆ（ｉｓ＿ｐｍＬｆｉｇｕｒｅ—ｙｆ｜ｉｓ＿ｐｒｉｎｔ－ｆｉｇｕｒｅ一‘¨％取绘图式样，循环使用ｓ毋ｌｅｌ、ｓｔｙＪｅ２数组中的式样ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｓｔｙｌｅｌ２ｓｔｙｌｅｌ（ｅｕｒｒｅｎｔ＿＿ｓｔｙｌｅ＿ｉｎｄｅｘ，：）；ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｓｔｙｌｅ２２ｓｔｙｌｅ２（ｃｕｒｒｅｎＬｓｔｙｌｅ＿ｉｎｄｅｘ，：）；６０武汉理工大学硕士学位论文ｃｕｒｒｅｎｔｓｔｙｌｅｉｎｄｅｘ。ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｓｔｙｌｅ＿ｉｎｄｅｘ＋ｌ：ｉｆ（ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｓｔｙｌｅｉｎｄｅｘ＞ｓｔｙｌｅｎｕｍｌ）ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｓｔｙｌｅ＿ｉｎｄｅｘ２Ｉ；ｅｎｄ；％绘图ｐｌｏｔ（ｔｅｍｐｔ，ｖａｌｕｅ，ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｓｔｙｌｅｌ，ｔｅｍｐｔ，ｐｏｌｙｖａｌ（ｃｏｅｆＯ，ｔｅｍｐｔ），ｃｕｒｒｅｎｔｓｔｙ’ｌｅ２）；Ｖ＝ａｘｉｓ；ｓｅｔ（ｇｃａ，’Ｘｔｉｃｋ＇，“１）：５：“２））：ｓｅｔ（ｇｃａ，’Ｙｆｉｃｋ。，Ｖ（３）：．２：Ｖ（４））ｂｏｘｏｎ；ｅｎｄ；ｅｎｄ；％ｆｏｒｉｉｉｆ（ｉｓ－ｐｒｉｎｔ＿ｆｉｇｕｒｅ—ｔｙ’１｜ｉｓ＿ｐｒｉｎｔ＿ｆｉｇｕｒｅ一”Ｙ）ｘｌａｂｅｌＣ温度Ｔ（℃）’）；ｙｌａｂｅｌ（啵长＾（ｒｕｎ）１）；％ｔｉｔｌｅ（ｓｔｒｃａｔ（咣栅温度特性测试’，ｉｎｔ２ｓｔｒｆｊｊ）））ｔｉｔｌｅ（ｓｔｒｅａｔ（’传感器’，ｉｎｔ２ｓｔｒ（ｊｊ）））；鲥ｄｏｎ；ｅｎｄ；ｉｆ（ｉｓｓａｖｅｐｉｃ一’ｙ’｜｜ｉｓ＿ｓａｖｅｐｉｃ一’Ｙ）ｓａｖｅ∞（ｊｊ，ｓｔｒｅａｔ（’ｏｕｔｐｕｔ’，ｉｎｔ２ｓｔｒ（ｊｊ）），ｌｂｍｐ，；ｅｎｄ；ｅｎｄ；％ｆｏｒｊｊ％将拟和运算的数据输出到ｃｏｍｍａｎｄｗｉｎｄｏｗ中ｉｆ（ｉｓ－ｐｒｉｎｔ．ｏｕｔｐｕｔ一．ｙ‘Ｉｌｉｓ－ｐｒｉｎｔ＿ｏｕｔｐｕｔ一一Ｙ）ｆｏｒｍａｔｓｈｏｒｔｇ；ＢＥＧＴＮｄｉｓｐ（’ｄｉｓｐ（’对象编号试验轮次拟和系数１）；ｄｉｓ“ｅｏｅＯ；ＥＮＤ％返回拟和系数％ｃｏｅｆ的第一列：测试对象编号％ｃｏｅｆ的第二列：试验轮次编号％ｃｏｅｆ的第三四列：拟和系数Ｓａ＝ｃｏｅｆ；武汉理工大学硕士学位论文攻读硕士学位期间发表的论文信思金，柴伟．光纤Ｂｒａｇｇ光栅温度传感器封装方法研究．传感器技术（ＩＳＳＮｌ０００．９７８７），２００４，２３（４）：１０－－１２武汉理工大学硕士学位论文致谢首先感谢我的导师姜德生教授。在攻读硕士学位期间，得到了导师悉心的指导，使我学到了丰富的专业知识，并锻炼了独立进行科学研究工作的能力。导师渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的洞察力、活跃的学术思想、积极进取的敬业精神、雷厉风行的工作作风和为人坦诚的思想品德，使我受益非浅，终生难忘。感谢理工光科的赵嘉龄、程健、董谊、汪千珍。谢谢你们对我学习和工作的大力支持与帮助，和你们共事的这段时光非常愉快。在本课题的研究过程中，还得到了光纤中心的王立新、李维来、梁磊、王玉华、张翠、罗裴等老师的大力协助和指导，在此致以衷心的感谢。感谢光纤中心的刘尔、郭会勇、陈大雄、陈逢春、莫文琴、方炜炜、李剑芝、赵申等同学在学习和研究上给予我的帮助和支持。感谢好友李恒灿、杨岳、周洋在学习和生活上给予的支持与帮助，在这几年中所建立的深厚友谊使我终身难忘。特别感谢我的父母和我的妹妹，你们对我的爱永远是我前进的动力。最后，谨以此文感谢所有关心和支持我的人。柴伟２００４年５月１４日光纤布拉格光栅温度传感技术研究

作者：

学位授予单位：被引用次数：

柴伟

武汉理工大学3次

1.南秋明.梁磊 FBG传感器温度性能及温度补偿实验[期刊论文]-河南科技大学学报（自然科学版） 2007(6)2.姜德生.高卓婷.张翠 提高Bragg光栅解调系统精度的拟合算法[期刊论文]-传感器与微系统 2006(4)3.艾谦 光纤光栅在电力系统测温中的应用研究[学位论文]硕士 2006

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