【正文】 審批： 年 月 日 摘要 I 摘要 光纖光柵（ fiber grating）最近幾年發(fā)展迅速，其在傳感方面的應(yīng)用研究引起了人們廣泛的關(guān)注。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 FP 濾波器光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng) 的設(shè)計 燕 山 大 學 2020 年 6 月 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 FP 濾波器光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng) 的設(shè)計 學院（系）： 電氣工程學院 專 業(yè)： 電力 系統(tǒng)及其自動化 學生 姓名： 學 號： 指導(dǎo) 教師： 答辯 日期： 201 燕山大學畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學院： 電氣工程 學院 系級教學單位：電力工程系 學 號 學生 姓名 專 業(yè) 班 級 電力工程 題 目 題目名稱 基于 FP 濾波器光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng) 的設(shè)計 題目性質(zhì) ：工程設(shè)計 （）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）； 理論研究型（ √ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ） （ ）； （ ）； （ ） 題目類型 （ √ ） （ ） 題目來源 科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ ） 自選題目（ √ ） 主 要 內(nèi) 容 1. 應(yīng)用模耦合理論建立光纖光柵的數(shù)學模型 2. 掌握光纖光柵傳感模型的建立方法 3. 掌握光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成及原理 4. 掌握基于 FP 濾波器光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的原理和構(gòu)成 5. 掌握 2*2 3*3 耦合器的原理 6. 對所設(shè)計的光柵振動傳感解調(diào)系統(tǒng)進行仿真研究 基 本 要 求 1．遵守畢業(yè)設(shè)計期間的紀律，按時參加答疑； 2．獨立完成設(shè)計任務(wù)，培養(yǎng)基本的科研能力； 3．設(shè)計說明書一份（不少于 2 萬字）， A1 圖紙一張；英文資料 翻譯不少于 3千字；說明書要求條理清晰、文筆通順，符合畢業(yè)設(shè)計撰寫規(guī)范的要求；論文、圖紙中的文字符號符合國家現(xiàn)行標準； 4．完成相關(guān)仿真實驗并反映在論文中，以附件的形式給出編寫的程序清單。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展 ， 光纖光柵傳感器以其 耐腐蝕、 高絕緣性 等優(yōu)點，受到了世界范圍內(nèi)的廣泛重視， 其 在土木工程、航空航天等領(lǐng)域 也 取得了廣泛應(yīng)用。從光纖光柵的傳輸理論出發(fā)， 對光纖光柵的軸向應(yīng)變特性、溫度特性進行了詳細的理論分析，推證了相應(yīng)的傳感模型。 關(guān)鍵詞 光纖光柵 ； 振動解調(diào) ； 可調(diào)諧 FP 濾波器 II Abstract FBG (fiber grating) has developed rapidly in recent years, and its sensing application research has aroused widespread concern. With the development of optical fiber sensing technology, optical fiber grating sensor received extensive worldwide attention, because of the advantages of its corrosion resistance, high insulation. Optical fiber grating sensor has achieved a wide application in the fields of civil engineering, aerospace and other fields. This article focuses on fiber Bragg grating (FBG) vibration sensor system research, also focuses on the FP filterbased demodulation scheme. Including the following: Make detailed description of fiber grating from the development of fiber grating dynamic, classification and fiber grating sensor research status, and other aspects of the problems. Make the mathematical model of fiber grating using the mode coupling theory. Based on the transmission of the fiber grating theory, make detailed theoretical analysis of axial strain on fiber grating temperature characteristics, and deducted the corresponding sensor model. It describes several fibers grating sensing technologies, and identified tunable FP filter method as the demodulation scheme. Introduces the working principle of the modulation scheme, on which the 2 2 and 3 3 coupler is constituted to MZ interferometer wavelength fiber grating demodulation methods for the study of the sensing system and established a model for the relevant theoretical analysis, the relevant mathematical equations, to write MATLAB program to provide a the MATLAB simulation program of FP tunable filter based on fiber grating vibration demodulation method, and make verification of the theoretical analysis and design carried on. Key words Fiber Bragg grating。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。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。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。后來直到1989 年，在美國聯(lián)合技術(shù)研究中心， 等人利用準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。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。此后，國內(nèi)外眾多科研院所和專家學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。 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)。 （ 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。 （ 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定的夾角。它是一種透射燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 型光纖光柵，它通過把導(dǎo)波中某波段的光耦合到包層中來損耗掉，而不是將其反射。啁啾光纖光柵(Chirp Grating)分為線性和非線性兩類，常見的啁啾光柵為線性的，它能產(chǎn)生較大的反射帶寬和穩(wěn)定的色散，因此被廣泛應(yīng)用于對大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)的色散補償。變跡光柵對均勻光柵的反射譜具有很強的抑制邊模振蕩的作用。到目前為止，光纖光柵傳感器己經(jīng)在民用工程、航空航天、石油化工、電力、醫(yī)療、船舶工業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用 [3]。 1999 年， 120 個光纖光柵傳感器被安裝在美國新墨西哥 Las Cruces 10 號洲際高速公路上的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，是當時世界使用光纖光柵傳感器最多的橋梁。德國國防發(fā)展局將光纖光柵傳感粘 貼在飛機機翼上，對飛機飛行過程中機翼的應(yīng)變和溫度變化情況進行了監(jiān)測。如，40 個光纖光柵傳感器被用于開發(fā)分布式氫氣泄漏傳感系統(tǒng)，這個分布式氫氣泄漏傳感系統(tǒng)是由美國馬里蘭州大學工程學院用光纖光柵開發(fā)得到的。 （ 2） 解調(diào)系統(tǒng)部分設(shè)計 該部分先簡單介紹了整個解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方案，結(jié)合實際選取了解調(diào)方案中的相關(guān)器件，介紹了其工作原理。由上式可知，參量 effn 的變化或 ? 的變化，都將導(dǎo)致反射光中心波長 B? 的漂移。 耦合模理論 耦合模理論是分析光纖光柵的基本的方法，其優(yōu)點在于能夠詮釋光波在波導(dǎo)中的物理行為。在理想波導(dǎo)情況下，這些模式之間相互正交而且沒有能量交換。因而可用類似 (26)式的形式來描述纖芯折射率，但是需用 coren? 代替 ? ?effnz? 。 應(yīng)用于 光纖布拉格光柵 時： 布喇格光纖光柵耦合主要發(fā)生于布喇格波長附近波長相同的兩個正反向傳輸模式之間，則耦合模方程可表示為： ? ? ? ?zdA i A z i B zd ??? ? ? ??? (210) ? ? ? ?z ndB i B z i A zd ??? ? ? ?? ? ? (211) 式中 ， ? ? ? ? e xp2dA z A z i z ??? ????????, ? ? ? ? e x p2dB z B z i z ??? ??? ? ?????,ζ＋ 表示 自耦合系數(shù)，定義為： 12d ddz?? ? ?? ? ? ? (212) 式中 d? 為 相對于 布喇格 波長的失諧量，與 z 無關(guān)， 表示 為： 112d effBn?? ? ? ????? ? ? ???? ?? (213) 其中 2B effn? ??， B? 是理想光柵的反射中心波長，系數(shù) ? 的虛部用來描述光纖光柵的吸收損耗。傳輸矩陣法的優(yōu)點是可以省去繁瑣的數(shù)學運算，借助于數(shù)值計算方法，就可以利用 電磁場的麥克斯韋方程，對光波在不同波導(dǎo)中的傳播過程進行仿真分析， 不足之處是在失效于折射率畸變區(qū)域，對于比較復(fù)雜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對某些物理過程的深刻理解將受到計算過程自動化的影響，該理論是由 Agrawal 等人提出的 ,主要研究內(nèi)容如下： 光波通過光纖光柵前后 ， 光場之間的關(guān)系可以表示 如下 ： ? ?? ? ? ?? ?00B B LFA A L? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? （ 220） 第 2章 光纖光柵的傳感原理 11 式中 F 矩陣為： 11 1221 22FFF FF??????? （ 221） 其中各個矩陣元素 分別 為： ? ? ? ? ? ? ? ?11 c o sh sin h / e x p AF L i L L i L? ? ? ? ?? ? ????? （ 222） ? ? ? ? ? ? ? ?22 c o sh si n h / e x p AF L i L L i L? ? ? ? ?? ? ? ? （ 223） ? ? ? ? ? ?12 si n h e x p AF L L i L