【正文】 .......................... 14 第 3 章 光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計 .......................................................... 15 光纖光柵的解調(diào)方案 .......................................................................... 15 光譜儀檢測法 ............................................................................... 15 邊緣濾波器法 ............................................................................... 16 匹配光柵法 ................................................................................... 17 非平衡 MachZehnder 干涉法 .................................................... 18 可調(diào)諧 FP 濾波法 ........................................................................ 19 IV 光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計 .......................................................... 20 光纖光柵振動解調(diào)系 統(tǒng) ............................................................... 20 系統(tǒng)解調(diào)原理 ............................................................................... 21 光路設(shè)計 .............................................................................................. 23 寬帶光源 ....................................................................................... 23 光纖耦合器 ................................................................................... 24 FP 腔 ............................................................................................ 24 可調(diào)諧 FP 濾波器 ...................................................................... 26 本章小結(jié) .............................................................................................. 27 第 4 章 MATLAB 仿真 .................................................................................... 28 振動解調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定 .................................................................. 28 光纖 MZ 干涉儀參數(shù)的標(biāo)定 ...................................................... 28 耦合器參數(shù)的標(biāo)定 ....................................................................... 28 MATLAB 仿真 .................................................................................... 29 MATLAB 程序仿真 ...................................................................... 29 運用實驗數(shù)據(jù)仿真 ....................................................................... 32 本章小結(jié) .............................................................................................. 37 結(jié)論 ...................................................................................................................... 38 參考文獻 .............................................................................................................. 39 致謝 ...................................................................................................................... 41 附錄 ...................................................................................................................... 42 附錄 1 ................................................................................................................... 43 附錄 2 ................................................................................................................... 45 附錄 3 ................................................................................................................... 46 附錄 4 ................................................................................................................... 49 附錄 5 ................................................................................................................... 50 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題研究的背景與意義 近年來 ， 光纖光柵技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在傳感和通信領(lǐng)域都引起了人們的廣泛關(guān)注。其中，振動傳感器的研究與應(yīng)用就是重點研究內(nèi)容之一。1989 年 Meltz 成功的實現(xiàn)了光纖光柵紫外光側(cè)面寫入 [1]，從那以后，利用復(fù)用技術(shù)，包括波分復(fù)用、時分復(fù)用以及空分復(fù)用，光纖光柵被用來對溫度、 應(yīng)力、 加速度、電流、強磁場等物理量進行傳感檢測。最近幾年，隨著光纖光柵制備工藝的日漸成熟，在其光傳感方面，人們對其進行了更加廣泛與深入的研究。尤其是光纖光柵（ FBG）關(guān)于振動傳感方面的研究得到人們越來越多的關(guān)注與青睞。如現(xiàn)有文獻所說，振動傳感器包含相位型光纖振動傳感器，它是以光纖光相位變換來表示被檢測物理量的，而光相位變化則是用馬赫 曾德爾干涉計直接調(diào)制光源得到相位載波進而得到的。相位型光纖振動傳感器的優(yōu)點在于靈敏度很高，缺點是具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不利于全光纖化和集，另一方面易受環(huán)境的干擾，因光纖中的相位對環(huán)境尤為敏 感。振動傳感器還包括匹配光纖光柵振動傳感器， 它的工作原理是利用一個與傳感光纖Bragg 光柵參數(shù)相同的光纖光柵來作為參考元件，使匹配光柵跟蹤傳感光柵的波長變化，進行匹配濾波，最后 通過探測解調(diào)光柵的反射光強度的變換，間接檢測到振動傳感信號的變化規(guī)律。而可調(diào)諧 FP 濾波法則利用法布里 玻羅腔（ FP 腔）作為濾波器，將 FBG 傳感振動信號產(chǎn)生的反射中心波長的漂移轉(zhuǎn)化為 FP 濾波器透過光強度的變化，以此來解調(diào)振動信號的方法，它的性能穩(wěn)定，精度較高 [2]。 本課題在光纖光柵傳感技術(shù)研究與應(yīng)用狀況的基礎(chǔ)上，對光纖光柵的特性 、振動解調(diào)系統(tǒng)和 MATLAB 仿真進行了研究，其意義在于： 低頻振動 (一般低于 100Hz)廣泛存在于實際工程和生產(chǎn)實踐中。雖然這些振動的頻率不高，但是實際中，許多情況對測量系統(tǒng)靈敏度的要求較高，因為這些振動信號中 包含有設(shè)施 的 當(dāng)前運行狀態(tài)信息，是對設(shè)施進行 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、故障識別、運行狀態(tài)判定的主要依據(jù)，而在光纖光柵傳感器的實用燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 化進程中，波長解調(diào)技術(shù)和 解調(diào) 裝置 毋庸置疑 又是光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，對 光纖光柵振動信號進行解調(diào) 的 技術(shù)的研究具有重要意義。 光纖光柵的發(fā)展動態(tài) 1978 年，在加拿大， 渥太華通信研究中心的 等人通過在試驗中觀察到的摻鍺光纖的光敏性的特點，并采用駐波干涉法制成第一個光纖光柵，又稱 “Hill”光柵，開創(chuàng)了光纖光柵研究與應(yīng)用的先河。但是由于這種方法的寫入效率太低，而且用這種方法制作的光柵，周期取決于入射光波的波長等因素的影響，這項技術(shù)在隨后相當(dāng)一段時間內(nèi)一直進展緩慢。后來直到1989 年，在美國聯(lián)合技術(shù)研究中心， 等人利用準(zhǔn)分子激光泵浦倍頻激光器輸出的 244nm 的紫外光作為光源，用分振幅干涉法在摻鍺石英光纖上做出了第一個位于通信波段的布拉格光纖 光柵 (FBG)，解決了光柵制作困難等技術(shù)問題，光纖光柵的研究才得到飛速的發(fā)展。自此在世界上掀起了研究光纖光柵的高潮。在 1993 年， 等人又提出了位相掩模寫入技術(shù)，該方法通過紫外新激光照射相位模板，利用經(jīng)過相位掩模板衍射后的 177。1級衍射光形成的干涉條紋對光纖進行曝光從而得到光纖光柵，這種技術(shù)的提出不但放寬了對寫入光源相干性的要求，而且簡化了光纖光柵的制作過程，使光纖光柵的制作更加靈活并使光柵的批量生產(chǎn)成為可能。在同一年， 等人又提出了一種更為簡單有效的提高光纖光敏性的方法 ，即低溫高壓載氫技術(shù)；這種制作方法大約可以使光纖的敏感性提高兩個數(shù)量級，而且極大的降低了 FBG 的制作成本。因此，人們可以不必使用價格昂貴的高濃度摻鍺光纖，在普通通信光纖上就能很容易的寫出高反射率的光纖Bragg 光柵。 1996 年， ATamp。T 貝爾實驗室的 Vengsarkar 等人用紫外光通過振幅模板照射載氫硅鍺光纖制成了長周期光纖光柵，并利用長周期光纖光柵制作了帶阻濾波器以及均衡濾波器。此后，國內(nèi)外眾多科研院所和專家學(xué)者對長周期光纖光柵進行了大量的研究工作，研制完成了一些特出用途的光纖光柵。 經(jīng)過三十多年的 發(fā)展，光纖光柵的寫入技術(shù)日臻完善，光纖的光敏性不斷提高，人們研制出了各種各樣的特種光纖，使得光纖光柵的商用化程度不第 1章 緒論 3 斷提高?，F(xiàn)如今，光纖光柵在光纖光柵傳感器、光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大成功，人們對其也越來越重視。光纖光柵逐漸發(fā)展為了目前最具代表性、最有前途的光纖無源器件之一。 光纖光柵的分類 光纖光柵是物理結(jié)構(gòu)呈周期性分布的一種光纖導(dǎo)波介質(zhì)。折射率的變化可導(dǎo)致光柵結(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)其空間折射率分布和調(diào)制周期分布，可將光柵劃分為均勻周期光纖光柵和非均勻周期光纖光柵兩種類型 ,下面將分別介紹。 均勻周期光纖光柵 均勻周期光纖光柵指該光柵的柵格周期是沿光纖的軸向保持不變的。這類光柵又包含光纖布拉格光柵 (FBG)、閃耀光纖光柵和長周期光纖光柵等幾種類型。 （ 1） 光纖布 拉 格光柵 (FBG) 光纖 Bragg 光柵是最早出現(xiàn)的一種光纖光柵，結(jié)構(gòu)簡單，同時也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種光纖光柵。它的光柵周期與折射率調(diào)制深度都是常數(shù)，而且光柵波矢方向與光纖軸線方向一致。這種光纖光柵具有較窄的反射帶寬和較高的反射率，并且可以通過改變寫入條件來實現(xiàn)對反射帶寬和反射率的調(diào)節(jié)。它在溫度和應(yīng)變靈敏度上較其他光柵的優(yōu)越性，使得 FBG 在光纖激光器、光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。 （ 2） 閃耀光纖光柵 閃耀光纖光柵也被稱為傾斜光纖光柵，這種光柵與光纖布拉格光柵不同之處在于光柵的波矢方向與光纖的軸線方向有一