布拉格光纤光栅动态温度传感滞后性的研究
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摘要：温度是影响布拉格光纤光栅参数重要特性之一，在应用温度传感器时往往会忽视动态温度传感的滞后性，设计实验观察降温过程中温度响应的滞后性。从理论分析了光纤光栅为什么会产生滞后效应以及解决方法。
关键词：布拉格光纤光栅（FBG） 动态传感 温度 滞后性
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（b）-00-01
世界上第一根光纤Bragg光栅（FBG）诞生于1978年，由加拿大通信研究中心的Hill[1] 等发明。光纤布拉格光栅（FBG）相比较传统的光纤光栅做敏感元件的传感器具有很大的优势，如体积小、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构形式灵活、测量对象广泛、分布或者准分布式测量、耐久性好，响应速度快，传输距离远等[2-3]。因此它逐渐在各个领域取代传统的传感器，而且布拉格光纤光栅应用领域十分广泛，如隧道、桥梁、航天、水坝、电子电器，海洋监测等。布拉格光纤光栅（FBG）是利用写入技术在裸光纤芯一段范围内写入具有一定特定周期栅格制成的。一段光源谱宽带范围内的激光打入布拉格光纤光栅会选择性反射出特定的反射波长，其反射波长的中心位置与光纤纤芯刻入的栅格周期和光纤有效折射率有关。
1 理论分析
满足布拉格光纤光栅（FBG）条件的反射波长λB被反射回来，其布拉格光栅方程[4]为
公式中为布拉格光纤光栅的反射波长中心位置，neff为布拉格光纤光栅的有效折射率，Λ为布拉格光纤光栅的周期。当布拉格光纤光栅（FBG）外界因素发生变化时（如温度，压强，应力等），反射波长λB会发生漂移，因此由公式（1）可以发现布拉格光纤光栅（FBG）的反射波长λB与光纤有效折射率和光纤光栅的栅格周期有关。而上述的外界因素会使布拉格光纤光栅（FBG）有效折射率和栅格周期发生变化，外界的温度变化导致λB漂移是由热膨胀效应和热光效应引起，布拉格光纤光栅的热胀伸缩效应和光纤有效折射率并非是常数且随温度T有关[6]。通过观察测量的反射波长中心位置的移动可以推导出外界因素会发生怎样的变化。假如外界因素不发生变化（除温度外），将公式1等式两边对温度T求偏导得：
(2）式除以（1）式得
令，α为热膨胀系数，ξ为热光系数。则公式（3）改写为，再令称为温度传感系数。因此得到公式
上述公式即为布拉格光纤光栅（FBG）中心波长的漂移量与温度变化之间的关系。下面设计一个实验来观察裸布拉格光纤光栅（FBG）滞后现象。对于普通的石英光纤，当、以及中心波长为1533 nm时，[4].但是由于光纤光栅种类以及制作工艺不同等差别导致不同的光纤光栅的传感温度系数不同。
2 温度传感滞后实验
将裸布拉格光纤（中心波长为1553.0?nm，反射率大于93%，带宽为0.35?nm）连接光源发射装置和光谱分析仪（Agilent86140，分辨率为0.05?nm），首先测量布拉格光纤光栅在室温（20?°）时反射波长中心为1552.8?nm，然后将裸光纤放入热水中（80?°）中，待1分钟后测量光纤反射波长中心为1553.4?nm。然后将裸光纤取出至室温，每隔4秒测量裸光纤反射波长并记录数值如图1所示。
实验发现当把裸光纤取出至室温时反射波长并没有迅速变化到1552.8?nm，而是经过一段时间后才漂移到，说明裸光纤对温度响应具有滞后性。
3 结语
图1发现刚开始降温反射波长漂移速度很快，随着时间延长反射波长漂移速度不断减少，待18?s时反射波长不在漂移，这是因为裸光纤在热传递过程中光纤纤芯温度滞后于光纤外表面温度的变化。因为裸光纤反射波长中心与光纤的折射率和栅格周期有关，所以裸光纤的反射波长λB与光纤的热膨胀效应和栅格的周期有关。但裸光纤的热胀伸缩性与纤芯折射率均具有一定的响应时间。经多次试验当测量的时间大于25 s时，裸光纤温度响应滞后误差可以避免，这为确定最佳测量时间提供了实验依据。
参考文献
[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] 周广东.光纤光栅传感器应变传递理论研究[D].大连：大连理工大学土木水利学院，2007.
[4] 张伟刚.光纤光学原理及应用[M].天津：南开大学出版社，2008，4.
[5] 安毓英，曾小东.光纤传感与测量[M].北京：电子工业出版社，2001:165-169.
[6] 夏光琼，吴正茂，陈建国.光纤光栅的长度对其峰值反射率的影响[J].激光技术，2002，26（2）.