【正文】 ucting the hardware design and software simulation ,which the lockin amplifier of the signal demodulation part, the signal generator of the reference signal to the phase sensitive detector and the signal driving the PZT and circuit of A / D converter circuit. Keyword: Fiber Bragg Grating, Optical Fiber Mach Zehnder Interferometer, The Signal Demodulation 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 33頁(yè) 目 錄 1 緒論 ................................................................... 1 引言 ................................................................. 1 課題研究的背景及意義 ................................................. 1 課題研究的背景 ..................................................... 1 課題研究的意義 ..................................................... 2 光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................. 4 國(guó)外研究現(xiàn)狀 ....................................................... 4 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 ....................................................... 4 課題研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 ............................................... 5 2 光纖 Bragg 光柵傳感器的原理 ............................................. 6 均勻軸向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析 ................................. 6 均勻橫向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析 ................................. 8 光纖 Bragg 光柵溫度傳感特性 ........................................... 9 光纖 Bragg 光柵應(yīng)變、溫度測(cè)量的交叉敏感 .............................. 10 本章小結(jié) ............................................................ 10 3 光纖布拉格光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ...................................... 11 光纖光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) .......................................... 11 溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) ...................................................... 12 光纖光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)解調(diào)模塊的設(shè)計(jì) .................................. 13 光纖 M— Z 干涉儀系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................... 13 后續(xù)信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) ............................................ 17 本章小結(jié) ............................................................ 20 4 系統(tǒng)的硬件仿真與實(shí)驗(yàn) .................................................. 21 光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn) .......................................... 21 信號(hào)解調(diào)模 塊的設(shè)計(jì)與仿真 ............................................ 24 相敏檢波參考信號(hào)和 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真 .................... 25 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與仿真 ............................................. 26 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 33頁(yè) 本章小結(jié) ............................................................ 27 5 結(jié)論與展望 ............................................................ 28 結(jié)論 ................................................................ 28 展望 ................................................................ 28 參考文獻(xiàn) ................................................................ 30 致 謝 ................................................................... 33 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 33頁(yè) 1 緒論 引言 近年來(lái)，光纖光柵在光纖通信以及光纖傳感領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。以光纖光柵技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖光柵傳感器正成為傳感器研究領(lǐng)域的又 一大熱點(diǎn)。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻餌光纖放大器 (EDFA)技術(shù)之后的又一重大技術(shù) 突破 [13]。 光纖光柵作為一種新興的光纖無(wú)源器件，是光纖技術(shù)進(jìn)展的產(chǎn)物。以光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating，簡(jiǎn)稱(chēng)為 FBG)為主的光纖光柵傳感器之所以能夠如此受到關(guān)注，是因?yàn)樗司哂泄饫w傳感器的抗電磁干擾、耐高溫、體積小、靈活方便等優(yōu)勢(shì)，還具有其它傳感 技術(shù)無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)，如其傳感信號(hào)是以波長(zhǎng)調(diào)制的，所以測(cè)量信號(hào)不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測(cè)器老化等因素的影響；避免了干涉型光纖傳感器相位測(cè)量模糊不清等問(wèn)題；其復(fù)用能力強(qiáng)，在一根光纖上串接多個(gè)布拉格光柵，把光纖嵌入 (或粘于 )被測(cè)結(jié)構(gòu)，可同時(shí)得到幾個(gè)測(cè)量目標(biāo)的信息，并可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。因而，光纖光柵在光纖傳感器領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景 [410]。 就目前來(lái)說(shuō)，光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感領(lǐng)域。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷成熟和商用化，光纖光柵將改革人們?cè)诠饫w技術(shù)應(yīng)用中的傳統(tǒng)思想 ，可以說(shuō)光纖光柵技術(shù)是繼摻鉺光纖放大器 (EDFA)技術(shù)之后光纖技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)新的里程碑。光纖光柵技術(shù)使得全光纖器件的研制和集成成為可能，從而為人們進(jìn)入全光信息時(shí)代帶來(lái)了無(wú)限生機(jī)和希望。 課題研究的背景及意義 課題研究的背景 光纖傳感 技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代末，它是隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新興的光學(xué)技術(shù)。 1978 年加拿大渥太華通信研究中心的 等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光 敏效應(yīng) [11]，從而導(dǎo)致了一種所謂光纖光柵的新型光纖無(wú)源器件的出現(xiàn)。光纖光柵是利用光 纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，相當(dāng)于一個(gè)窄帶的 (透射或反射 )濾波器或 反射鏡 [12]。當(dāng)外界環(huán)境改變時(shí)，由于熱光效應(yīng)、彈光效應(yīng)、法拉第效應(yīng)等的作用導(dǎo)致 Bragg 中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，測(cè)量此波長(zhǎng)的漂移量就可檢測(cè)外界清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 33頁(yè) 溫度，應(yīng)力，磁場(chǎng)等的變化，還可間接測(cè)量加速度、振動(dòng)、濃度、液位、電流、電壓等物理量。利用這一特性可制成用以檢測(cè)多種參量的光纖傳感器和光纖傳感網(wǎng)。隨著光纖光柵寫(xiě)入技術(shù)和傳感器封裝技術(shù)的不斷完善，一些光纖光柵傳感器己開(kāi)始規(guī)模化生產(chǎn)。 目前，光纖光柵傳感器除在航空航天飛行器、艦船及武器系統(tǒng)等軍事領(lǐng)域應(yīng) 用外，還擴(kuò)展到建筑、橋梁、隧道、公路、電力工業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程等民用領(lǐng)域。日益增多的應(yīng)用成果表明，光纖光柵已成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無(wú)源器 件之一 [13,14]。 從 1992 年 Prohaska 等首次將光纖光柵埋入到土木結(jié)構(gòu)中測(cè)量應(yīng)變之后 ,引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光纖光柵傳感器在土木工程中應(yīng)用的廣泛關(guān)注 . 光纖光柵傳感器具有許多傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) , 如體積小、精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)形式靈活、測(cè)量對(duì)象廣泛、分布或者準(zhǔn)分布式測(cè)量、耐久性 好等 [1517]。 由于光 纖傳感器應(yīng)用的廣泛 性及其廣闊的市場(chǎng)，其研究和開(kāi)發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視，各發(fā)達(dá)國(guó)家更是競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)并引起了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。 課題研究的意義 近二十年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為建筑業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)，大型結(jié)構(gòu)如橋梁、高層建筑、大壩、核電站等工程建設(shè)進(jìn)入了前所未有的高潮時(shí)期。建筑結(jié)構(gòu)的多樣化和復(fù)雜化，帶來(lái)了建筑結(jié)構(gòu)工程科研、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和管理水平的全面提升，也帶動(dòng)和促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，其安全可靠性己成為當(dāng)今社會(huì)普遍關(guān)注的重大問(wèn)題。因?yàn)槿绻荒芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)這些重要結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的損傷位置及其對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的危害性，其災(zāi)難性后果不僅會(huì)造成無(wú)法估量的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)嚴(yán)重危及到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的前提是從結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)。最能反映結(jié)構(gòu)局部特征，便于結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)與損傷定位的是應(yīng)變信號(hào)，應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特性，是重要工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最為重要的參數(shù)之一。因此，建筑物檢測(cè)中對(duì)于大型結(jié)構(gòu)應(yīng)變，進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，具有十分重要的意義。 目前，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測(cè)主要采用常規(guī)的檢測(cè)手段，即電類(lèi)傳感測(cè)量技術(shù)，如電阻應(yīng)變片、鋼弦計(jì)等，它們雖在大型工程結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制及竣工驗(yàn)收中得到廣泛應(yīng)用，但就對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期 、實(shí)時(shí)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)而言，則存在著根本不足。①傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感元件的性能雖然在不斷的提高，作為鋼結(jié)構(gòu)的短期應(yīng)變測(cè)量，還是能滿(mǎn)足工程要求的，但其受環(huán)境影響較大，如電磁干擾、潮濕、化學(xué)腐蝕等都會(huì)使其零點(diǎn)發(fā)生長(zhǎng)期漂移，因此長(zhǎng)期應(yīng)變測(cè)試的結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真。②在混凝土應(yīng)力的測(cè)試中，短期觀測(cè)可使用電阻應(yīng)清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 33頁(yè) 變片式的應(yīng)變磚，而工程中更多地使用振弦式應(yīng)變傳感器。后者輸出信息為頻率特征，不受導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度的影響，靈敏度和穩(wěn)定性也較好。由于鋼弦絲長(zhǎng)期處于張緊狀態(tài)，蠕變現(xiàn)象十分嚴(yán)重，國(guó)產(chǎn)鋼弦應(yīng)變傳感器的正常使用期為 3 年左右?？傊?，上述常 規(guī)的電類(lèi)傳感檢測(cè)手段存在傳感元件壽命短、測(cè)量易受環(huán)境影響、不能進(jìn)行分布測(cè)量等缺點(diǎn)，因而均不能實(shí)現(xiàn)對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。③已廣泛研究的光纖微彎傳感器始終存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如受光強(qiáng)影響大、光纖彎曲損耗和連接損耗大。同時(shí)，這種傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是光時(shí)域反射技術(shù)，由于該技術(shù)的空間分辨率決定于光纖對(duì)背散射光信號(hào)進(jìn)行偏振分析的時(shí)間分辨率，這一局限性導(dǎo)致光纖微彎傳感器的空間分辨率不可能很高。另外，背散射不能夠提供光纖偏振的所有信息，固定傳感器的位置時(shí)需要很長(zhǎng)的光纖且不能隨意布置，因此它也是制約這 種傳感器應(yīng)用推廣的障礙。通過(guò)國(guó)內(nèi)外同行的大量研究和實(shí)踐，已將應(yīng)變測(cè)量鎖定在光纖光柵傳感技術(shù)上。 傳感器的嵌入帶來(lái)諸多好處。首先，在結(jié)構(gòu)件的制作過(guò)程中，通過(guò)這些嵌入的傳感器能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)諸如溫度、壓力、粘滯性、固化程度和殘余應(yīng)變等過(guò)程參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)制作過(guò)程的優(yōu)化和控制。其次，在結(jié)構(gòu)件制作好并用于某種應(yīng)用后，同樣是這些傳感器還能夠使應(yīng)用在不間斷運(yùn)行的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)件的受力、損傷等情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)、故障程度并采取相應(yīng)的處理措施。 光纖光柵傳感器之所以如此受到關(guān)注是因?yàn)樗哂衅渌鼈鞲屑夹g(shù)無(wú)法替代 的優(yōu)點(diǎn)： (1)光纖光柵具有體積小、重量輕、強(qiáng)度高和彎曲性能好等特點(diǎn)，適于大面積對(duì)各種形狀的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 (2)光纖具有細(xì)柔韌的特點(diǎn)，使得它容易掩埋或貼附到各種材料中形成光纖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 (3)具有比其它傳感器高得多的靈敏度，一旦形成智能材料，便可以對(duì)各種監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行高精度的自診斷和自治愈功能。 (4)抗干擾能力強(qiáng)，一方面因?yàn)槠胀ǖ墓饫w傳輸不會(huì)影響傳輸光波的頻率特性；另一方面是因?yàn)楣庠垂鈴?qiáng)的起伏、光纖微彎效應(yīng)等引起的隨機(jī)起伏以及耦合損耗等都不可能影響傳感信號(hào)的波長(zhǎng)特