附录Y 外文原文
Active temperature compensation design of sensor with fiber gratings
Since 1978, Hill and others in Canada the first time in germanium-doped silica fiber is found in light and the legal system used to create the worlds first standing wave a fiber Bragg grating and the United States in 1989 and others achieving Melt Fiber Bragg Grating (FBG) write side of the UV laser technology, fiber grating manufacturing technology continues to improve, people in the optical fiber grating sensor research has become more extensive and in-depth. Fiber Bragg Grating sensor sensor with general anti-electromagnetic interference, high sensitivity, small size, light weight, low cost, suitable for high temperature, corrosive environment, such as the use of the advantages, it also has the intrinsic ability to self-coherent and in a single fiber on the use of multiplexing with point complex, distributed parameter measurements to distinguish the unique advantages. Therefore, FBG sensors have become the hot sensor. By the light source, fiber Bragg grating sensors and signal demodulation system consisting of fiber grating-based system to be able to reduce costs and improve measurement accuracy, and so on to meet the real-time measurement of the premise, so that the various parts to achieve the best match to meet the Fiber Bragg Grating Sensor system in the modernization of all areas of practical research is focused on the need to consider.
In this paper, fiber Bragg grating sensor system, the fiber Bragg grating system for broadband light source are described, focusing on an analysis of the sensor fiber Bragg grating sensors can distinguish between theory and measurement techniques, commonly used to signal the signal demodulation method summarized Finally, the proposed order to meet the future needs of the various parts of the system optimization measures.
Fiber Bragg Grating sensor system is mainly by the broadband light source, fiber Bragg grating sensors, composed of signal demodulation. Broadband light source to provide light for energy, fiber Bragg grating sensor using the light sensor light source was measured outside information, outside of information was measured through the signal demodulation system is reflected in real time.
The quality of light determines the performance of the entire system by sending the mixed optical signal. In Fiber Bragg Grating sensor, as a result of sensing the amount of wavelength encoding, the light source must have wide bandwidth and strong output power and stability to meet the needs of distributed sensor system in parameter measurement needs. Fiber Bragg Grating sensor system commonly used in light of LED, LD and doped with different concentrations, different types of light rare-earth ions. LED light sources have a wide bandwidth, up to dozens of nanotechnology, which have a higher reliability, but lower output power of light source, and it is very difficult with the single-mode fiber coupling. With a monochromatic light source LD good coherence, and high power characteristics. However, poor stability of LD spectra (4 times; 10-4 / ℃). Therefore, the two kinds of light the shortcomings of its own constraints on their optical sensing applications. Doping of different types, different concentrations of light rare-earth ions is the most extensive study of erbium-doped light. Now C-band erbium-doped light source has been developed and used in optical communication with the capacity and speed of communication requirements and distributed optical fiber sensing points intensive bandwidth requirements of the light source, L-band study of more and more important. Researchers put forward C L band of the development of programs to enhance the bandwidth and power sources. Erbium-doped light source in the temperature stability than the semiconductor light source to increase the number of level 2 at the same time, can provide high power, wide bandwidth and a longer service life, therefore, can expand the fiber grating sensor measuring range to improve the detection of a letter noise ratio.
Fiber Bragg grating sensors can be achieved on the temperature, strain, such as the direct measurement of physical quantities. Fiber Bragg grating wavelength as a result of temperature and strain at the same time sensitive to temperature and strain at the same time that is caused by coupling wavelength shift of fiber grating, the coupling by measuring the fiber grating wavelength shift on temperature and strain can not be distinguished. Thus, the solution to the issue of cross-sensitive to achieve the distinction between temperature and stress sensor measurements are a prerequisite for practical use. The adoption of certain technologies to determine the stress and temperature change to achieve the distinction of temperature and stress measurements. The basic principles of these technologies is the use of two or two with different temperature and strain sensitivity of fiber Bragg grating in response to constitute a double-grating temperature and strain sensors, through the identification of two fiber Bragg grating temperature and strain sensitivity coefficient, the use of two binary solution temperature and strain. Measurement techniques to distinguish between general can be divided into two categories, namely, multi-fiber grating measurement and measurement of single fiber Bragg grating.
Fiber Bragg Grating measurements include hybrid FBG / long period grating (long period grating) method, two-period fiber grating method, fiber Bragg grating / FP cavity integrated complex usage, FBG written into the law overlap. Have their own advantages and disadvantages of various methods. FBG / LPG demodulation method is simple, but very difficult to guarantee that the same measurement point, an accuracy of 9 times; 10-6,1.5 ℃. Two-period fiber grating measurement method can guarantee the position, improve the measuremen
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附录X 译文
传感器主动温度补偿设计与光纤光栅
自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。
光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。
光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（4times;10-4／℃）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要求及分布式光纤传感密集布点对光源带宽要求，L波段的研究越来越重要。有研究者提出C L波段的研制方案以提高光源的带宽和功率。掺铒光源在温度稳定性方面比半导体光源提高2个数量级，同时，能提供较高的功率、宽的带宽和较长的使用寿命，因此，可以扩大光纤光栅传感器的测量范围，提高检测的信噪比。
光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即，多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。
多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅（long period grating）法、双周期光纤光栅法、光纤光栅／F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBG／LPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为9times;10-6，1.5℃。双周期光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅／F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达20times;10-6，1℃，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高，但是，光栅写入困难，信号解调也比较复杂。
单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变，在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变；而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此，这个光纤光栅有2个反射峰，一个反射峰（粘贴在悬臂梁上的部分）对应变和温度都敏感；另一个反射峰（未粘贴部分）只对温度敏感，通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。
在光纤光栅传感系统中，信号解调一部分为光信号处理，完成光信号波长信息到电参量的转换；另一部分为电信号处理，完成对电参量的运算处理，提取外界信息，并以人们熟悉的方式显示出来。其中，光信号处理，即传感器的中心反射波长的跟踪分析是解调的关键。光纤光栅传感器中心反射波长最直接的检测仪器是光谱仪。这种方法的优点是结构简单、使用方便。缺点是精度底、价格高、体积大，而且，不能直接输出对应于波长变化的电信号。因此，不能满足实用化自动控制的需要。为此，人们研究并提出了多种解调方法，以实现信号的快速、精确提取。可分为滤波法、干涉法、可调窄带光源法和色散法等。
滤波法包括体滤波法、匹配光栅滤波法、可调谐F-P滤波法。体滤波法的元件是波分复用器。工作原理是从耦合器出射的光分成等强度的两束，一束经与波长有关的滤波器滤波；另一束作为参考光束，两束出射光经过光电探测器变成电信号，经过处理消除光功率变化的影响，最后，得到与光纤光栅中心波长有关的输出值。该方法可以实现动态和静态参量的测量。分辨力为375x10-6，动态应变测量响应速度不超过100Hz匹配光栅滤波法是利用其他的FBG或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪FBG的波长变化，然后，通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。该方法结构简单、线性度好，分辨力可达0.4times;10-6。该方法可以实现静态测量。但这种方法的不足之处是2个光栅要严格匹配，且传感光栅的测量范围不大。可调谐F-P滤波器法是传感阵列FBG的反射信号进入可调光纤F-P滤波器（FFP），调节FFP的透射波长至FBG的反射峰值波长时，滤波后的透射光强达到最大值，由FFP驱动电压—透射波长关系可得FBG的反射峰值波长。扫描加上扰动信号构成波长锁定闭环，其应力分辨力可达0.3times;10-6。该解调法可实现动态和静态的测量。由于FFP滤波器腔的调谐范围很宽，可以实现多传感器的解调。但高精度FFP成本较高。
滤波解调法结构简单，但很难进一步提高其传感精度。干涉法却具有更高精度，可以大大提高传感分辨力。可调窄带光源解调法可获得很高的信噪比和分辨力，实验所得最小波长分辨力约为2.3pm，对应温度分辨力约为0.2℃，但由于目前的光纤激光器的稳定性及可调谐范围不太理想，在一定程度上限制了光纤光栅传感器的个数和使用范围。
为了适应未来光纤光栅传感系统网络化、大范围、准分布式测量。许多研究者正在光纤光栅传感系统的各方面进行不断的研究，使系统得到优化。光纤光栅传感系统的优化主要从三方面考虑，即，光源、光纤光栅传感器及信号解调。对于传感系统的优化，主要是根据传感器的数目、传感器的灵敏度和解调系统的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感器和解调系统，使得成本低、测量误差小、测量精度高。针对未来光纤光栅传感系统网络化的要求，应使用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺钕、掺镱等离子的光源是今后发展的重点。光纤光栅传感器既能实现单参量的测量，又能实现多参量的测量。当单参量测量时，应提高传感器的灵敏度和测试精度。在实际应用中，要注意传感器的灵敏度和量程之间的折中。灵敏度高了，量程自然小了。这是因为光纤光栅的应变有一个极限值，超过这个极限值光栅就会被破坏。为实现准分布式测量，传感器复用数目较多，在布置传感器时，有时一个点要布置灵敏度不同的多个传感器，以实现温度和压力的大范围测量。由于传感量主要是微小波长偏移为载体，所以，一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分辨力。其次，要解决动态与静态信号的检测问题，尤其是二者的结合性检测已成为光栅传感实用解调技术中的难点。光纤光栅传感系统应用最大的优势在于很好地进行传感器的复用实现分布式传感。
2004年12月12日得到了用于补偿光纤光栅传感器温度影响的技术出现的消息。 用于应变传感器和其他与应变相关的传感器，如电磁传感器，这个技术设计了一种新颖的结构,将两个光纤布拉格光栅（FBG）作为应变差分传感器，并取消了温度效应。运用这种技术，应力灵敏度已被放大达到0.226 nm / N，总变异在3-45℃的范围内的波长差为0.03nm，是未补偿的FBG的1/14,该结构可用于不敏感的静态应变测量和微小振动测量。
光纤光栅是具有光学功能的新型光子器件，其反射峰和吸附峰可以通过应变和并回复。光纤布拉格光栅（FBG）以及光收发器是应用广泛的传感器组件，通信主要依赖于通信的放大器其波长调制技术。一般来说，为了测量应力，电压和电流，FBG与物质的表面结合可以接受应变引起的饰面应力，电场和磁场，但应变和温度可以移动FBG的布拉格波长，变化的波长超过100℃的温度范围，光栅高达1 nm，一些结构已经提出了FBG的条纹补偿。其中一种方法是利用两个具有不同热膨胀系数的物质使得布拉格波长的温度偏移速率为补偿光栅在30一700C的范围内仅0.07nm / 100℃。另一个是粘贴两个FBG在磁致伸缩传感器的表面，但在两个垂直方向所以温度的影响是可以忽略的。用作传感器，因为应变而温度，FBG的波长偏移是输出参数。 在本文中，我们提出了一种方法用于光纤光栅中的有源温度补偿。 通过测量两个FBG的波长差用作应变差动传感器，确定依赖效应得到补偿。 设计有一个宽线性范围 实验证明波长差的总变化范围内的3〜45°C为0.03nm，未补偿的FBG为1/14。 具有近Bragg波长的两个FBG被环氧化轴向到两个使用的量的表面上相同的材质和形状。 当受温和影响时，峰值波长的相对偏移是
(1)
其中pe是纤维的光弹性常数，E是ax-FBG，△的应变是热光系数纤维，量热膨胀数与FBG。 由于温度变化OT，DaB / aB可以表示为
（2）
为了补偿温度的影响，四个量形成正正方形。该设计在图1中，光束与FBG连接到的一个角落，另一个用 2 FBG用于加入op-定位四方的角落。 那两个FBG是连续连接 通过这种结构，拉力F可引起相等的拉伸应力和压缩应力在两个量上用FBG。
(3)
(4)
(5)
图1补偿设计图
其中和拉伸应变和压缩应变分别为Dalgt; 0和} a2 lt;0。因为两个量具有相同的形状和配合它们具有相同的应变和温度特性。 然后使用与（1一pe）一样的公式公式（3）和（4），波长的变化力F可表示为：
（6）
当具有FBG的光束是自由的，假设al是小于a2此时的波长差为：
（7）
其中X11和a22是受影响的FBG的新波长通过拉F显然，} a是线性的力和独立的温度，但敏感 -对力的扩增。 F的动作增加两个反射峰之间的差异光纤光栅。为了满足双向应变传感器的需要，使用带有FBG的光束的滑动槽，这可以将量保持原来的直线状态。 当F是压缩力时，压缩应变因子（1一pe）e导致p 1 lt;0，拉伸应变因子（1一pe）e`导致p 2gt; 0。 所以结果是两个反射峰之间的差异减小0a可以表示为:
（8）
因为两个量有相同的应变特征，当F改变时两根量改变其应变方向。 基于上述分析，我们发现对力F的作用仍然线性同步,对是：
图2 5-N拉伸力反射光谱
图3 6-N拉伸力反射光谱
选择相同的材料和相同的形状的3 x 3 x 42 mm3大小的两份实验材料。附近有两个FBG布拉格波长轴然后进行热处理。光从宽带源（BBS）通过3dB耦合器耦合分为两个串联FBG，来自返回端口的反射率的耦合器通过使用光谱分析仪（OSA，Agilent 86140B）与0.07 nm最小分辨率。在18°C，峰值波长为FBG被测量为} 1 = 1548.37nm并且J} 2 =1548.07 nm，分别为A和B在图通过图2所示的设计。 1，拉精密压力表的力和压缩力可以被加载图2显示了反射光谱施加拉伸力为5N的结构免费状态。 A1和B1表示峰A和的偏移B。图3显示了反射光谱的施加压力为6N的结构和自由状态。 AZ和BZ表示变化峰A和B。和...之间的不同FBG相对于应用的两个反射峰拉力绘制在图1中。 4. 0}成正比力F。从这些数据我们得到一个拉敏感，0.136nm / N的感光度和0.09nm / N的按压灵敏度，所以力的总灵敏度为0.226nm / N。也是通过实验证明压缩力可以导致同的结果，对应于以前的分析。根据理论分析，测量反射峰的差异可以使温度 - 不敏感的静态应变
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