武汉理工大学
毕业设计（论文）
外文文献翻译
光纤光栅温度传感器综述
摘要：最近几年，光纤传感器使用光纤布拉格光栅已取得了相当大的进展（FBG）。这是因为FBG这种传感器具有能应用于实际的诸多优点：缓解复用操作、体积小，准点感应能力，结构简单。出于其优良的物理性质如抗电磁噪声，高灵敏度，紧凑性和制造的简易性，光纤布拉格光栅（FBG）已经广泛应用于应变、温度等传感器。正是由于这些独特的优点，使得光纤光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐广阔。
OCIS码：(060.2370) 光纤传感器；(230.1480) 布拉格反射镜。
- 引言
光纤布拉格光栅（FBG）已被广泛与科学研究，并作为各种传感应用的光学传感器开发的传感元件，如土木结构的健康监测，复合材料，智能结构的非破坏性测试，和传统的污点，压力和温度传感等。[1].为了实现具有复用能力的实际传感器系统，已探索各种光纤光栅阵列的审讯方法。[2].最近，用于警告在有限的空间的异常温度上升的需求已迅速增长。特别地，由于在不同的位置需要不同的可容忍阈值，所以有必要构造成本低，易于询问的配置传感元件。在这片文章中，采用了一种新型的多通道多点温度传感器，它的报警匹配系统是基于FBG的多波长脉冲激光理论，并对此提出并论证。该传感器具有多个优点，包括容许温度的灵活设置，结构简单，高信噪比，低系统成本和快速响应等。
- 背景
- 光纤光栅应变测量嵌入式复合材料结构
布拉格波长由下式给出：
, （1）
其中是指光的有效折射率（模式指数）以及L是指布拉格光栅周期。我们由的温度传感器的微分等式Eq来获得布拉格波长移位。（1）式与温度的关系式：
（2）
对于裸光纤光栅，随着温度的改变，即上式的右手侧的第二项来说，（2）式是可以忽略的。因为热引起的纤维伸长作用（）比折射率变化的影响要小得多，而金属带附着到光纤光栅可以使纤维伸长比裸光纤光栅的大得多。
- 测量温度和机械上的光纤应力在DC模块采用光纤光栅
光纤光栅可以作为传感器纤维传感元件应用于加工过程中，监测压力和温度，搬运，安装，以及其他检测领域。当光纤光栅经受机械和热负荷的组合作用时，返回布拉格波长将转向成比例的负载的大小。为了使这种传感器能实现其当温度变化获得机械应力的精确测量的预期效果，能够分离反射布拉格波长的机械和热响应是非常重要的。温度和应力的函数中的返回布拉格波长的移位由下式给出：
[3]
lambda;m = (3)
其中：
： 需要测量的Bragg波长;
: 在参考条件下的布拉格波长（通常在室温和无应力作用下）；
： 改变压力，其中，假设该应力是线性相关的应变;
Delta;T： 温度变化；
： 应力系数；
： 温度系数；
=： 光栅应力敏感性（校准常数）；
： 光栅应力敏感性（校准常数）；
， .
通过（3）式可以看到，温度系数是取决于波长的。因此，我只需测量温度的变化，以考虑从最初的参考波长的偏移测量波长lambda;m的热贡献。热和压力参数和，不同的是，（1）中已经在表 I 中列出了在各种发表的研究和总结。在大多数这些研究中，和没有明确给出，但可以通过将已发布的温度来计算以及应力灵敏度（对于光栅校准常数）由光栅的非扰动的布拉格波长得出。在适当的时候，热和压力系数分别转换为SI单位。请注意，表我不是关于这个问题的详尽的介绍，而应该提供比较更多足够的数据。
玻璃上温度的折射率的依赖性被报告过使2◦C的等效非线性误差的温度范围为-30至80◦C。.但是，在玻璃纤维这种热非线性效应不足以在大多数研究中所使用的波长测量系统进行检测，将被认为是在本研究中可以忽略不计。已经测量出线性温度范围为布喇格光栅的反应的几个研究者还假定在玻璃纤维的热非线性效应可忽略不计。而有实验对未涂覆的实验变异已报告在表1中的FBG的温度响应，他们的响应基本上在-40和100◦C温度线性之间。
一项研究发现保护聚合物涂层对于在低温下的测量的热系数有显着的影响。涂覆光栅的热行为变得低于非线性温度的0◦C。
从表Ⅰ的统计中可以看出，应力系数的变化是要比热系数的变化显著变化大得多的。这是一个令人惊讶的结果，由于用于100◦C的温度差最大波长偏移接近于1纳米，而在0.2的GPA的应力变化会产生波长偏移接近4纳米。从艾奇瓦利亚等人的所研究的数据表明，应力系数的大变化是真实存在而显著的。艾奇瓦利亚使用的第一级和第二级衍射峰从单一布拉格光栅并监控波长变化并发现这两个所得热膨胀系数基本上是相同的，而应力系数却是有着显著变化的。根据舒等人的研究作品表明，用于制造光纤光栅的方法会影响测得的温度和压力系数，拉伸张力的作用也被证明影响共掺杂芯纤维的光敏性和布拉格光栅的形成。在光纤光栅的制造过程中出现的这些差异可能会有助于解释特定研究中和研究之间在热和机械的系数的测量值的不同。
对于使用类似的技术制造的光纤光栅和精确控制的流程，将会产生依赖性热膨胀系数的波长。艾奇瓦利亚等人监测从单一光栅第一级和第二级衍射波长〜0.7％的范围内获得热膨胀系数为768纳米的两个衍射级之间的波长差。在由弗洛克哈特等的研究中，三光纤光栅被用来对不同的波长进行热表征。光纤光栅是通过使用倍频氩离子激光器的双光束全息曝光来写入氢加载纤维的。用倍频氩离子激光器的双光束全息写入过程比使用相位掩模和受激准分子UV源的常见的方法更稳定。三光栅的的53纳米内波长范围处产生0.2％之内的热系数。应当指出的是，在[4]和[11]中发现的热膨胀系数的标称值由1.4％不等。光纤中的布拉格光栅的取向不会出现有对于5.5◦的显著影响热膨胀系数倾斜角上。
表1，列出温度应力系数的各种波长的光纤光栅传感器，以及状态和光栅
|
热特征 |
应力特征 |
|||||
|
初始WL布拉格(nm) |
Kr() |
热 范围 |
|
压力范围(GPa) |
重涂现状和光栅特质 |
|
|
1557.70 |
7.06 |
20-80 |
5.38* |
0-0.46 |
? |
|
|
1533.30 |
6.72 |
20-60 |
Na |
Na |
? |
|
|
1535.85 |
6.36 |
0-100 |
10.1 |
0=0.13 |
? |
|
*表示该值未在统计计算使用。
- 高灵敏度光纤布拉格光栅低温温度传感器
由于温度变化引起的光纤光栅的反射波长漂移是：
（4）
其中Po(asymp; 0.22)是光弹性常数，是指热光系数，以及是光纤光栅的应变变化
图1.双金属FBG传感器的基本结构。
在图1中，当温度升高1 K，间隙的两种金属之间的距离变宽
（5)
其中L是金属B的长度,和分别是金属和金属B的热膨胀系数
当FBI被拉伸时，在1-K温度变化的应变变化是：
（6）
由此获得双金属元件的温度敏感性：
（7）
通过改变和之间的差或者L / D的比值，就可以实现对温度的敏感性的控制。
- 最新进展
根据我们的研究资料，我们主要集中在以下几个方面：光纤具有可控灵敏度光栅温度传感器; Intracore光纤光栅应变测量嵌入式复合材料结构;全分布式FBG传感器与应用激光诱导间质热疗;测量温度和机械上的光纤应力在DC模块采用光纤光栅;基于高精细度纤维腔和时域波长解调高分辨率应变/温度传感系统;与温度无关的倾角与管理光纤光栅传感器;高灵敏度光纤Bragg光栅低温温度传感器;悬臂基于FBG传感器温度无关加速度测量;水下声场并使用光纤光栅传感器阵列与反馈控制电路同时测量温度;水下声场并使用光纤光栅传感器阵列与反馈控制电路同时测量温度;用光纤光栅传感器的有源温度补偿设计;通过使用光纤光栅和闪耀光栅它解调测量振动;多点温度传感器警告使用匹配的光纤光栅多通道;温度的多路复用=补偿光纤光栅磁致伸缩传感器具有自种子激光二极管。
- 结论
已经开发出一种来解耦应力和温度对光纤布拉格光栅（FBG）的影响实用方法。所得的应力和热膨胀系数与在文献中找到系数的范围是一致的。如果预期的应用可以容忍7％的平均误差，那么它是是适用的，与所取得的光栅系数可以被应用于所有光栅。因而，校准和涂层的影响是不可被忽略的。如果预期的应用需要一个比7％的平均误差更好，每个光栅应单独校准。
intracore光纤光栅已经用于沿与相关联的讯问系统，以监测在负载条件下的复合试样的应变的变化。该方法已被发现具有高的准确度和重复性。由于复合结构工程越来越多地使用故障安全和损伤容限设计，这些技术进步可以扩展到非破坏性评估和无损检测或检验。该方法可以用于精确的在线测量和损伤的评估。已经表述intracore FBG的适用性监测的智能复合材料。此外，应变传感的详细分析和温度的影响已经取得相当大的进展。
- 参考文献
1. A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C.G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, “Fiber grating sensors,” J. Lightw. Technol,15, 1442-1463 (1997).
2. Y. J. Rao, A. B. Lobo Ribeiro, and D. A. Jackson, “Combined spatial-and time-division-multiplexing scheme for fiber grating sensors with drift-compensated phase-sensitive detection,” Opt. Lett.
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[148420]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
