屆畢業(yè)設(shè)計1摘要光纖光柵作為一種新型的傳感器件，從它問世之日起就受到人們的廣泛關(guān)注，在二十多年中實現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著光纖光柵技術(shù)的不斷完善發(fā)展，其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越引起人們的重視。光纖光柵傳感器除了具有重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點外，還有其獨特的優(yōu)越性，如探頭尺寸小，其直徑與光纖等同；易于與光纖耦合，耦合損耗??；波長調(diào)制型，抗干擾能力強(qiáng)；集傳感與傳輸于一體且具有極強(qiáng)的復(fù)用能力，易于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)；測量對象廣泛，易于實現(xiàn)多參數(shù)傳感測量等等。這是基于上述其他傳統(tǒng)傳感器無可比擬的優(yōu)點，使得光纖光柵傳感器近年來在復(fù)合材料及混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測、電力工業(yè)、醫(yī)學(xué)以及能源化工等實際應(yīng)用領(lǐng)域都取得了長足的進(jìn)展。論文主要涵蓋以下幾方面內(nèi)容：1對傳感技術(shù)進(jìn)行了概要敘述，重點介紹了光纖傳感技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展。對光纖光柵的發(fā)展、光纖光柵的分類和當(dāng)前的一些光纖光柵的寫入技術(shù)以及光纖光柵在光通信領(lǐng)域和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，作了簡單介紹。2介紹了光纖光柵的理論特性分析，并分別利用耦合模理論、傳輸矩陣法和傅立葉變換法對各類型光纖光柵(布拉格光柵、長周期光柵、啁啾光柵)的光譜特性進(jìn)行了分析。并詳細(xì)介紹了光纖光柵傳感中的解調(diào)技術(shù)以及復(fù)用技術(shù)。3利用光纖光柵作為基本傳感元件，設(shè)計研制了一種基于輪輻式壓力盒裝置的光纖光柵壓力傳感器。我們將兩根不同波長的光柵粘貼在傳感器同一輪輻的正反面上，提高了測量精度，減少了波長隨溫度漂移帶來的影響。在030KN的范圍內(nèi)，其測量線性度達(dá)到99.98%，靈敏度達(dá)到13.89N，且響應(yīng)速度快。與其它類型的光纖光柵壓力傳感器相比，輪輻式光纖光柵壓力傳感器具有更大的測量范圍、更高的穩(wěn)定性，更好的抗干擾能力。關(guān)鍵詞：光纖光柵，傳感技術(shù)，解調(diào)技術(shù)，復(fù)用技術(shù)，輪輻式，溫度傳感AbstractAsanew-typesensingelement，fibergratinghasgainedabroadattentionfromitsappearanceandachievedhigh-speeddevelopmentinthelast20years.Withthedevelopmentoffibergratingtechnology，studyontheapplicationofFBGsensorhasgotmorerecognition.Asanewcomponentofsensor，fibergratinghavemanyinstinctiveadvantages，suchas屆畢業(yè)設(shè)計2lightinweight，anti-cauterization，anti-interferenceinelectromagnetism，high-sensitivityandcompactioninconstruction.Itisveryeasytobecoupledwithfibersandthecoupling-lossisslight.Usingfibergratingscharacterofsensitivityforstress；peoplehavedonesomeenvelopeexperimentsonstructuralsystems(suchasstoriedbuildings，bridge，railwayanddam).Real-timedetectionandmonitoringtostress(orstrain)ofstructuralsystemshavebeenputintoeffect.Martialresearchesinfibergratinghydrophonehavealsobeendeveloped.Thethesiscontainsthefollowingaspects:1Depictgenerallyonthesensortechnique，andputemphasesonthepresentsituationanddevelopmentoffiberandfiberBragggratingsensortechnique.Introducedbrieflythedevelopments，classificationandtherecentfabricationtechnologyoffibergratings.Theapplicationoffibergratingsinthefieldsofopticalcommunicationandthesensingarepresentedsimplyinthisdissertation.2Severaltheoryanalysismethodsforpropertiesoffibergratingsarepresentedincludingthecoupled-modetheory，transfermatrixapproach，multi-filmmethodandFouriertransfermethod.Thesemethodshavetheirowncharacteristicsandscopeofapplication.Themethodsofdemodulationandmultiplextechniqueusedinfibergratingsensorareintroducedinthisdissertation.3AnovelFBGsensorbasedonspoke-structurepressureboxbyutilizingFBGastheelementsensingcomponentispresented.Anovelmethodstickingtwogratingswithdifferentwavelengthsonthefrontandbacksurfacesofthesamespokeisproposed，whichimprovedmeasuringprecisionandreducedtheinfluencefromtheshiftofwavelengthwithtemperature.Withintherangeof030KN，itslinearityandsensitivityreach99.98%and13.89N，respectively.Furthermore，ithasexcellentrepeatabilityandhighresponsespeed.ComparedwithotherFBGsensors，thespokeFBGsensorhaswidermeasurementrangeandhigherinterferenceresistance.Keywords:Fibergrating,SensingTechnology，DemodulationTechnology，MultiplexTechnology，Spoke-structure，TemperatureSensing屆畢業(yè)設(shè)計3第一章緒論光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在光纖內(nèi)建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為與方式。作為一種新型的光學(xué)器件，光纖光柵已經(jīng)在諸多方面得到了不同的應(yīng)用。相信在不久的將來隨著光纖光柵與其他技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合，其可應(yīng)用前景會更為廣闊。1.1光纖光柵的發(fā)展歷史光纖技術(shù)自20世紀(jì)60年代末至今在不到30年的時間里以驚人的速度發(fā)展成為信息技術(shù)領(lǐng)域中的支柱性高新技術(shù)。然而,隨著現(xiàn)代社會對信息技術(shù)的更新更高的要求,光纖通信、光纖傳感技術(shù)正面臨著新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光學(xué)器件由于制作的復(fù)雜性和體積大而笨拙等原因無法適應(yīng)新技術(shù)的要求。因此光纖光柵應(yīng)運而生。光纖光柵是利用石英光纖的紫外光敏特性將光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接寫在光纖中形成的光纖波導(dǎo)器件。該技術(shù)最早出現(xiàn)于1978年，加拿大的K.O.Hill在摻鍺光纖中，用488nm氬離子激光在光纖中產(chǎn)生駐波干涉條紋，首次發(fā)現(xiàn)了在摻鍺光纖中的光致光柵現(xiàn)象，并制造出世界上第一條光纖光柵。從此開創(chuàng)了光纖光柵發(fā)展的歷史。這種方法制作的Bragg光纖光柵反射濾波器的線寬可以很窄，反射率也較高，但只能制作反射波長和寫入波相同的光纖反射器，通過加外力的方法使光柵的調(diào)諧范圍較小，大大限制了他的應(yīng)用。此后由于制作工藝及應(yīng)用的局限這項技術(shù)一直未得到進(jìn)一步的發(fā)展，歷經(jīng)十年進(jìn)展緩慢。直到1989年，美國的Meltz等人利用兩束干涉的紫外光從光纖的側(cè)面成功地寫入了光柵，研制成功Bragg光纖光柵濾波器。Archambult等人也報道了用單個準(zhǔn)分子激光器制作近100%反射率的Bragg光纖光柵濾波器的方法。這標(biāo)志著光纖光柵技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。此后隨著寫入方法的不斷改善；光敏性的逐漸提高；各種特種光柵也相繼問世；同時光纖光柵的應(yīng)用前景也得到了廣泛的關(guān)注。特別是近年來光纖光柵在光通信、光纖激光器和光纖傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到人們的重視，取得了令人矚目的成就。隨著光纖光柵技術(shù)的不斷成熟和商用化,專家們預(yù)言,從光纖通信、光纖傳感到光計算機(jī)和光信息處理的整個光纖領(lǐng)域?qū)l(fā)生一次變革性飛躍。光纖光柵的出現(xiàn)將改革人們在光纖技術(shù)應(yīng)用中的傳統(tǒng)設(shè)計思想,可以說光纖光柵技術(shù)是繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)之后光纖技術(shù)發(fā)展的又一個新的里程碑。光纖光柵在應(yīng)用上的一個重大突破就是使各種光學(xué)器件的全光纖化和集成化成為可能。諸如光纖光柵激光器、光纖光柵濾波器、分接頭、波分復(fù)用器及解復(fù)器等器件的研究都取得了相當(dāng)快的進(jìn)展。光纖光柵以其造價低、穩(wěn)定性好、體積小、抗電磁干擾等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感等各個領(lǐng)域。尤其是它易于集成的特性，使得全光纖一維光子器件集成成為可能。此外,作為信息攝取的光纖光柵傳感器及其應(yīng)用即3S屆畢業(yè)設(shè)計4系統(tǒng)（SmartMaterial,SmartStructure,SmartSkin）已經(jīng)引起科學(xué)界極大關(guān)注并成為研究熱點。這是一種將光纖光柵技術(shù)、光纖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光纖致動儀器有機(jī)的結(jié)合為一體，把光纖光柵埋入或貼附在飛機(jī)、船舶、坦克等運載體表面或建筑體（樓房、橋梁、大壩等）承力件外蒙皮的復(fù)合材料中，可制成靈敏材料、靈敏結(jié)構(gòu)和靈敏皮膚的智能傳感系統(tǒng)。這些研究成果對全光信息發(fā)展的巨大推動作用可能會大大超出人們的想象。3S系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著對光纖光柵技術(shù)的研究又進(jìn)入個一個嶄新的時代。1.2光纖光柵的分類光纖光柵是光纖導(dǎo)波介質(zhì)中物理結(jié)構(gòu)呈周期性分布的一種光子器件，根據(jù)物理機(jī)制的不同，可分為蝕刻光柵和折射率調(diào)制的位相光柵兩類。前者在光纖結(jié)構(gòu)中形成明顯的物理刻痕，后者主要在纖芯中形成折射率周期分布。在學(xué)術(shù)研究和實際應(yīng)用等各方面后者均占主導(dǎo)地位。因此，通常所說的光纖光柵指的是折射率調(diào)制的位相光柵。依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以把光纖光柵分類如下：一、根據(jù)成柵機(jī)制的不同分類：根據(jù)成柵機(jī)制光柵可以分為三種類型，分別稱之為型、型和型（A型）光纖光柵。1.型光纖光柵：連續(xù)或者能量較弱的多個脈沖光波在光敏光纖中形成的傳統(tǒng)意義上的光折變光柵被稱之為型光柵。它有較理想的透射譜，反射率可以達(dá)到百分之幾十，滿足布拉格條件時短波一側(cè)沒有明顯的的耦合損耗，但由于在比較低的溫度下光柵會開始變?nèi)趸蛳?，因此熱穩(wěn)定性差。2.型光纖光柵：由單個能量密度很高的光脈沖曝光形成。能量非均勻的激光脈沖被纖芯石英強(qiáng)烈放大造成纖芯物理損傷，從而產(chǎn)生了光柵現(xiàn)象。型光柵的主要特點體現(xiàn)為：對藍(lán)、綠光不敏感，帶寬較大(15nm)；具有很強(qiáng)的將光能耦合到包層或輻射模中的能力，但也因此造成較大的插入損耗；同時在滿足布拉格條件時反射譜短波一側(cè)有很強(qiáng)的傳輸