1. 研究目的与意义（文献综述）

fbg国内外研究现状

光纤bragg光栅传感器和分布式光纤测温技术经过几十年的发展，技术已经足够成熟，在常温领域已初步实现了商业化。但目前对于光纤测温在低温下的性能研究大多还只是在实验室中进行的，尚有一些技术和生产难题阻碍着它在低温领域的实际应用。因此探索光纤测温在低温下的性能，针对它不适用于低温环境的原因提出解决方案使它可以在低温下应用并有较高的准确度和较好的稳定性具有重要的现实意义。

2006年，北京交通大学蔡国利等人发现低温下光纤bragg光栅反射光波长偏移量与温度变化呈二次函数关系；2008年中国科学院电工研究所张红洁等人发现4.2k- 50k时光纤bragg光栅反射光波长对温度变化几乎无响应，50k-77k时波长-温度关系变化不规律，77k-150k时波长-温度曲线呈非线性，150k-298k时波长随温度线性变化；2012年上海大学郭占声等人通过123k-273k范围内的测温实验，发现光纤bragg 光栅传感器的波长-温度曲线基本呈三次函数关系 [21-28]。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

1. 调研收集分析有关资料，了解FBG传感器的工作原理；

2. 确定超低温实验装置基本结构、控制系统和测试实验方案；

3. 计算和仿真分析测试实验系统的基本特性（含FBG传感特性）；

4. 开展在超低温环境下的FBG传感性能实验测试与分析，给出FBG在超低温下的基本性能指标。

5. 整理资料，完成毕业论文的写作，准备好答辩工作；

6. 完成毕业论文的答辩工作。

   技术方案：

由于FBG传感器的α（热膨胀系数）和β（热光系数）在 20-150℃温度范围内基本保持不变，也即在此范围内光纤 Bragg 光栅的温度灵敏度系数KT 是一个常数，光栅的波长-温度曲线是一条斜率为KT lB的直线。这样即可由波长推算温度。正是基于此原理，目前已经有光纤 Bragg 光栅用于常温电力及管道等设备的温度监测。

但是光纤 Bragg 光栅在低温下波长与温度之间却不再成线性关系，当温度低于一定值时，光栅的中心波长几乎没有明显变化，也即在低温下其波长-温度灵敏度极低以至于无法通过波长变化来解调温度信息。因此要让光纤 Bragg 光栅在低温下能够使用的关键在于提高光栅在低温下的灵敏度。

对此国内外研究人员进行了多种尝试，目前能够有效地提高光纤 Bragg 光栅在低温下的灵敏度的方法是在光栅表面涂覆某些特定的材料或对光栅进行封装。意大利的M Ciotti 等人通过实验发现镀锌膜或铜膜可以提高光纤Bragg 光栅在低温下的温敏系数，其中镀铜模的光纤 Bragg 光栅可以在 6-270K 范围内正常测温，而镀锌膜的光纤 Bragg 光栅可以应用的测温范围为 20-270K。印度的 D.Sengupta 等人发现对裸光栅用聚甲基丙烯酸酯（PMMA)涂覆后（如图2-5 所示），在 77K-303K 的测温范围内光纤光栅对于中心波长为 1550nm 的反射光的的波长-温度灵敏度由 0.039nm/K 提高到了 8.97nm/K，提高了 230 倍。因而在本次设计中采用涂覆聚酰亚胺的光纤光栅进行测量，具体设计方案如下：

1. 为了测试光纤 Bragg 光栅的低温传感特性， 将实验温度范围设定为77K-300K。为了使待测温度平缓变化以使测量结果较为稳定，我专门定做了一个双层空心圆柱体金属隔热容器，它的结构如图1所示，内空心圆柱体 1 的圆柱壁是由铝制作的，壁厚 0.5mm，体积为 3.14×(4cm) 2×15cm = 753.6cm 3。外空心圆柱体 2 是由 304 不锈钢做的，壁厚 7mm，体积为 3.14×(12cm) 2×27cm = 12208.32 cm 3。内外两个圆柱体通过焊接共

   
   

   
   

   用一个底面。

2. 把光纤 Bragg 光栅探头和 PT100 铂电阻一起伸入到圆柱体 1 中，因为不锈钢管的高度为 20 cm，圆柱体 1 高 15cm，圆柱体 2 高 27 cm, 故使两种传感器的引线伸入到不锈钢管内的长度大约为 40cm, 这样可以使光栅探头和铂电阻探头大概位于圆柱体1 中间位置，温度变化较为平稳缓慢又保证不会触碰到容器底面。具体如图所示。其中光纤Bragg光栅连接光纤光栅解调仪，PT100铂电阻作为温度传感器连接温度监控设备以监控隔热容器内的温度变化。

   

3. 然后隔热容器缓慢地放入装有液氮的杜瓦内，使液氮液面越过圆柱体 2 的上端盖子而低于不锈钢管管口。这样能够避免液氮进入到隔热容器内同时又能充分地冷却容器内的空气。由于隔热容器的器壁较厚，密封良好且填充有隔热材料，容器内的温度变化较为平缓，从而保证了所测的数据的准确性和稳定性。当温度降到 77K 后，将隔热容器连同两种传感器一起从杜瓦中拿出，放置到地面上，容器内的温度将会缓慢回升至室温，这个过程可以测得从 77K 至 300K 的升温过程中两种传感器的测量数据。并借此绘制出FBG传感器的温度-波长曲线以对其静态传感特性以及动态传感特性进行分析。

4. 借由得到的实验数据对超低温环境下FBG传感器的静态特性以及动态特性进行测试分析。

5. 对FBG传感器的静态特性主要从以下几个方面进行分析：

   线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

   灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。

   分辨率：分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。

   迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

   对FBG传感器的动态特性分析：

   本次研究对象FBG温度传感器为一阶传感器，反映一阶系统的动态性能的指标参数是时间常数τ，原则上是τ越小越好。

   对设计进行总结。

3. 研究计划与安排

第1－4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需知识。确定方案，完成开题报告以及完成五千字的外文翻译。

第5－6周：完成低温装置的装配图和零件图设计并完成实物的设计。

第7－10周：进行超低温环境下fbg传感器的测试实验并收集实验数据

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 石镇山，宋彦彦温度测量常用数据手册[m].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 戴蓉，刘波峰.传感器原理及应用[m].北京：电子工业出版社，2013.

[3]孙圣和.现代传感器发展方向[j].电子测量与仪器学报，2009,23(1):1-10.