布拉格光纖光柵動態溫度傳感滯后性的研究

摘要：溫度是影響布拉格光纖光柵參數重要特性之一，在應用溫度傳感器時往往會忽視動態溫度傳感的滯后性，設計實驗觀察降溫過程中溫度響應的滯后性。從理論分析了光纖光柵為什么會產生滯后效應以及解決方法。

關鍵詞：布拉格光纖光柵（FBG） 動態傳感 溫度 滯后性

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（b）-00-01

世界上第一根光纖Bragg光柵（FBG）誕生于1978年，由加拿大通信研究中心的Hill[1] 等發明。光纖布拉格光柵（FBG）相比較傳統的光纖光柵做敏感元件的傳感器具有很大的優勢，如體積小、精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、結構形式靈活、測量對象廣泛、分布或者準分布式測量、耐久性好，響應速度快，傳輸距離遠等[2-3]。因此它逐漸在各個領域取代傳統的傳感器，而且布拉格光纖光柵應用領域十分廣泛，如隧道、橋梁、航天、水壩、電子電器，海洋監測等。布拉格光纖光柵（FBG）是利用寫入技術在裸光纖芯一段范圍內寫入具有一定特定周期柵格制成的。一段光源譜寬帶范圍內的激光打入布拉格光纖光柵會選擇性反射出特定的反射波長，其反射波長的中心位置與光纖纖芯刻入的柵格周期和光纖有效折射率有關。

1 理論分析

滿足布拉格光纖光柵（FBG）條件的反射波長λB被反射回來，其布拉格光柵方程[4]為

公式中為布拉格光纖光柵的反射波長中心位置，neff為布拉格光纖光柵的有效折射率，Λ為布拉格光纖光柵的周期。當布拉格光纖光柵（FBG）外界因素發生變化時（如溫度，壓強，應力等），反射波長λB會發生漂移，因此由公式（1）可以發現布拉格光纖光柵（FBG）的反射波長λB與光纖有效折射率和光纖光柵的柵格周期有關。而上述的外界因素會使布拉格光纖光柵（FBG）有效折射率和柵格周期發生變化，外界的溫度變化導致λB漂移是由熱膨脹效應和熱光效應引起，布拉格光纖光柵的熱脹伸縮效應和光纖有效折射率并非是常數且隨溫度T有關[6]。通過觀察測量的反射波長中心位置的移動可以推導出外界因素會發生怎樣的變化。假如外界因素不發生變化（除溫度外），將公式1等式兩邊對溫度T求偏導得：

(2）式除以（1）式得

令，α為熱膨脹系數，ξ為熱光系數。則公式（3）改寫為，再令稱為溫度傳感系數。因此得到公式

上述公式即為布拉格光纖光柵（FBG）中心波長的漂移量與溫度變化之間的關系。下面設計一個實驗來觀察裸布拉格光纖光柵（FBG）滯后現象。對于普通的石英光纖，當、以及中心波長為1533 nm時，[4].但是由于光纖光柵種類以及制作工藝不同等差別導致不同的光纖光柵的傳感溫度系數不同。

2 溫度傳感滯后實驗

將裸布拉格光纖（中心波長為1553.0 nm，反射率大于93%，帶寬為0.35 nm）連接光源發射裝置和光譜分析儀（Agilent86140，分辨率為0.05 nm），首先測量布拉格光纖光柵在室溫（20 °）時反射波長中心為1552.8 nm，然后將裸光纖放入熱水中（80 °）中，待1分鐘后測量光纖反射波長中心為1553.4 nm。然后將裸光纖取出至室溫，每隔4秒測量裸光纖反射波長并記錄數值如圖1所示。

實驗發現當把裸光纖取出至室溫時反射波長并沒有迅速變化到1552.8 nm，而是經過一段時間后才漂移到，說明裸光纖對溫度響應具有滯后性。

3 結語

圖1發現剛開始降溫反射波長漂移速度很快，隨著時間延長反射波長漂移速度不斷減少，待18 s時反射波長不在漂移，這是因為裸光纖在熱傳遞過程中光纖纖芯溫度滯后于光纖外表面溫度的變化。因為裸光纖反射波長中心與光纖的折射率和柵格周期有關，所以裸光纖的反射波長λB與光纖的熱膨脹效應和柵格的周期有關。但裸光纖的熱脹伸縮性與纖芯折射率均具有一定的響應時間。經多次試驗當測量的時間大于25 s時，裸光纖溫度響應滯后誤差可以避免，這為確定最佳測量時間提供了實驗依據。

參考文獻

[1]HillKO，FujiiY，Johnson DC，et al.Photosensitivity in opticalfiberwaveguide：application to reflection fiber fabrication[J].ApplPhyslett，1978，32（10）：647-649.

[2]LiHongnan，Zhou Guangdong，Ren Liang，et al.Strain transferanalysisofembedded fiberBragg grating sensorundernonaxialstress[J].OpticalEngineering，2007，46（5）：054402.

[3]周廣東.光纖光柵傳感器應變傳遞理論研究[D].大連：大連理工大學土木水利學院，2007.

[4]張偉剛.光纖光學原理及應用[M].天津：南開大學出版社，2008，4.

[5]安毓英，曾小東.光纖傳感與測量[M].北京：電子工業出版社，2001:165-169.

[6]夏光瓊，吳正茂，陳建國.光纖光柵的長度對其峰值反射率的影響[J].激光技術，2002，26（2）.