【正文】 g: the development and application of optical fiber sensors are briefly outlined for future theoretical and experimental study of the premise. system expounded the theory of Fiber Bragg grating sensor and application, and conducted the following analysis, including: (1)The introduction of Fiber Bragg grating sensor39。 3 對光纖光柵傳感解調系統(tǒng)進行全面研究分析，利用 LabVIEW 對信號進行數(shù)據(jù)處理，求出待測量： (1) 設計了一種可以同時測量靜態(tài)與動態(tài)變量的光纖光柵傳感解調系統(tǒng)，搭建光路部分和電路部分。 本論文主要以 光纖光柵傳感器 為研究對象， 利用 LabVIEW 軟件 對其傳感及解調特性進行了理論與實驗研究，本篇論文分別對 LabVIEW 軟件的功能介紹 、 光纖光柵傳感 解調系統(tǒng)總體方案設計 、 LabVIEW 解調界面設計， 這三個方面進行了分析與研究，設計并制作出了 一套光纖光柵傳感解調系統(tǒng)模型 。 基于 Lab VIEW 的光纖光柵解調系統(tǒng)設計 摘 要 光纖光柵 作為 一種新型的光無源器件， 促成了光纖由被動的傳輸介質轉化為主動的光子器件 ，拓寬了光纖技術應用范圍， 開創(chuàng)了一種在 光通信、光傳感 領域發(fā)展的新思路 。 本論文是在“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目（ 101006015）的支持下完成的，本論文的主要內(nèi)容為： 1 對光纖 光柵 傳感器的發(fā)展 和 應用 進行 簡要的概述，為以后的理論 分析 和實驗研究提供了 依據(jù) 。 (2) 根據(jù)傅里葉變換提出一種相位檢測方法，通過軟件控制提高了檢測精度和速度。s theoretical and characteristics about sensing. (2)The stating of Fiber Bragg grating sensor39。 我們今天 描述 的光通信已不再是 過去 可見光進行的視覺通信 ， 而是采用光波作為載波來傳遞信息的通信方式 。根據(jù)全反射 原理，如此，光纖就能把電磁能量以光的形式約束在其界面內(nèi)，并沿著光纖軸線方向引導光波向前傳播。 光纖傳感器 按照 被調制的光波參數(shù)不同 可以 分為相位調制型光纖傳感器 、 強度調制型光纖傳感器 、 波長調制型光纖傳感器 、 偏振調制型光纖傳感器 和 頻率調制型光纖傳感器等。 光纖光柵 作為 一種新型的光無源器件 ， 促成了光纖由被動的傳輸介質轉化為主動的光子器件 ， 拓寬了光纖技術應用范圍 ， 開創(chuàng)了一種在光通信 、 光傳感領域發(fā)展的新思路 。 1992年 , 等人提出的非平衡 MZ光纖干涉解調法是利用非平衡 MZ光纖干涉儀將傳感光柵的波長變化轉化成相位變化 , 通過檢測干涉儀輸出的相位信號即可得到傳感光柵的波長信息 。 2021年北京理工大學光電工程系用軟件來模擬實現(xiàn)信號的解調，不僅省去了繁雜的模擬運算電路，而且達到了極高的解調精度 [11]。普通型光纖溫度傳感器在 10～ 300℃范圍，精度為177。 從上世紀 70 年代末光纖光柵傳感器誕生以來 ， 便由于其具有的防爆 、 防火 、 損耗低 、 精度高 、 重量輕 、 體積小 、 壽命 長 、 復用性好 、 性價比高 、 抗電磁干擾 、 響應速度快 、 動態(tài)范圍大 、 頻帶范圍寬 、 易組成遙測網(wǎng)絡等優(yōu)勢而被廣泛地應用于各個領域 [13]。在石油化工方面 ， 中國石油大學 通過建立 光纖光柵傳感網(wǎng)絡 ， 實現(xiàn) 對井下油氣采集環(huán)境 的實時監(jiān)測 。 德國 西門子公司 通過 對光纖光柵傳感器進行特殊處理 ， 可 用于對發(fā)電機定子電流 、 溫度進行測量 。 (2)開展對采用復用技術的光纖光柵傳感器系統(tǒng)的研究 ， 特別是將其與微機相結合而組成光纖遙測系統(tǒng)來進行多參數(shù)測量與控制 。 數(shù)據(jù)是對事實 、 概念或指令的一種表 現(xiàn) 形式 ， 可由人工或 者 自動化裝置進行處理 。數(shù)據(jù)處理是自動控制和系統(tǒng)工程 的基本環(huán)節(jié) ， 貫穿于社會生活和社會生產(chǎn)的各個領域 。數(shù)據(jù)處理的方式主要有四種：（ 1）根據(jù)處理設備的結果方式不同可以分為聯(lián)機處理和脫機處理；（ 2）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的時間分配方式不同可以分為實時處理、分時處理和批處理方式；（ 3）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的空間分配方式不同可以分為分 布處理和集中處天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 4 理；（ 4）根據(jù)計算機中央處理器的工作方式不同可以分為交互式處理、單道作業(yè)處理和多道作業(yè)處理。 這些軟件功能豐 富 ， 可滿足科技工作中的眾多需要 ， 但使用這些軟件需要具備一定的矩陣知識和計算機編程知識 ， 并熟悉其中大量的命令和函數(shù)。 LabVIEW 是基于 G語言的革命性的圖形化開發(fā)語言 ， 用來進行數(shù)據(jù)采集和控制 、 數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達 。 論文的主要內(nèi)容 光纖光柵傳感器 由于 具有可靠性好 、 抗電磁干擾 、 靈活方便 、 復用性強 、 能夠實現(xiàn)準分布式測量 、 形成各傳感網(wǎng)絡等獨特優(yōu)點 ， 而廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域 。 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 5 本論文的主要內(nèi)容為： 第一章 簡要概述 光纖 光柵 傳感器的發(fā)展 和 應用 ， 以及數(shù)據(jù)處理的相關知識 ， 為以后的理論和實驗研究提供了前提。 。 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 6 第 二章 纖光柵傳感器系統(tǒng)理論分析 光柵折射率、柵距等會受到應變、溫度、壓強等外界環(huán)境變化的影響而發(fā)生改變，從而導致光柵的諸多特征參量，頻率、強度、偏振態(tài)、相位等產(chǎn)生變化。 本章節(jié)主要介紹光纖光柵傳感系統(tǒng)中的傳感理論及解調理論。光源提供整個系統(tǒng)所需的光能量，光柵傳感器監(jiān)測外界物理量的變化，信號解調模塊解調經(jīng)外界信號調制后的光波，提取待測物理量信息 [17]。 （ 2） 解調模塊 光纖光柵傳感 系統(tǒng) 的信號解調 包括 光信號處理和電信號處理兩部分 。目前市面上，光柵種類眾多，其中布拉格光柵（ FBG）最為常見，周期為 101μm 左右。 式（ 21） 可以 簡化為： TBB ?? ??? )( ???? （ 22） 由（ 22）式 可以 得到溫度靈敏度： TS B B????? ? ??? )(T （ 23） 式（ 23） 中， T?????? 1? 為 光纖的熱膨脹系數(shù) ，Tnn effeff ???? 1?為 熱光系數(shù) ， 一般情況下天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 9 ???? 。 光纖光柵解調理論 光纖光柵傳感器以其耐腐蝕 、 抗電磁干擾 、 傳輸損耗小 、 體積小 、 質量輕 , 便于復用等 獨特優(yōu)勢 已經(jīng)成為目前光纖 光柵 傳感器系統(tǒng)的研究熱點 。其 中非平衡 MZ干涉 解調法 分辨率高 、 插入損耗少 、 響應快 、 成本低 ； 匹配光柵解調法解調速度快 、 重復性好 、 分辨率較高 。圖 21 所示為光譜分析法結構示意圖，其中，光纖光柵作為傳感頭使用。該結構中的光譜分析儀，單色儀和傅里葉變換光譜儀都能滿天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 11 足實驗要求。 。 圖 25 參考波長掃描法示意圖 三、光學濾波法 光學濾波解調的基本原理是，在光纖光 柵的輸出光路中安置濾波器，析出于被測量相應天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 12 的波長偏移。 兩路信號經(jīng)放大后相除，輸出為： )]/()[/(/ 0 ???? ????? Brs NMAIII (214) 式（ 214）中， ?B為 FBG 的標稱布拉格波長， ??為 FBG 波長偏移。 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 13 圖 27 可調諧 FP濾波法原理框圖 可調諧 FP 濾波法可以用于絕對測量和相對測量，也可用于動態(tài)和靜態(tài)測量。 假設相位調制量為 ?? ，測量 ?? 大小的方法有兩種：一種光學方法，看 ?? 變化，看條紋移動；另一種是電路方法，測與 ?? 有關的光電流，得 ?? 。當 ??? n,2,0 ????? 時， 0min ??ss ，靈敏度最低； 當 ???? 2 12,23,2 ?????? n時， 1max 2Iss ?? ，靈敏度最低。 一、零差檢測 此種檢測方式的結構式全光纖的，如圖 28。其壓電效應指在一定方向上對壓電材料施加應力，則使相應的表面會產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。在驅動電壓大約 30v，頻率為幾千赫茲范圍內(nèi)， PZT 圓柱直徑 時，獲得每圈 12rad 的相位延遲。光探測器 D1和 D2測得光功率分別為： 圖 28 全光纖 MZ干涉儀的零差檢測 )c o s (2 21211 ????? IIIIP (215) )c o s (2 21212 ????? IIIIP (216) 因 3dB 耦合器的輸出端相移 為 2/? ，故第二個耦合器的二輸出端相位差為 ? ，則上式中第三項相差一個符號。 CJAV N ??? ?? (218) 式 218 中， )(0CJ 為零階貝塞爾函數(shù)。所謂主動，表現(xiàn)在利用反饋自動產(chǎn)生相位移；所謂被動，則是由外界信號發(fā)出一頻率來調節(jié) PZT。 差分輸出： )co s( 0 AtwAV ??? ，將 V分別與 tw0sin 和 tw0cos 相乘，結果含 tw02 項，即 ]s i n)2[s i n(21)s i n()c os (s i n 000 AAAo AtwAtwtwAtwV ??? ?????? （ 223） ]c os)2[c os (21)c os ()c os (c os 000 AAAo AtwAtwtwAtwV ??? ?????? （ 224） 經(jīng)過具有適當截止頻率的低通濾波器，得： AAV ?sin39。這里 A? 實際是時間的函數(shù)， )cos( twC sA ?? 。其優(yōu)點是使檢測不受低頻噪聲的影響；對于 f/1 噪聲，其強度較大的是低頻部分，可避免此項干擾；相位 )(tA? 的檢 測靈敏度為常數(shù)，比較穩(wěn)定；相位跟蹤范圍大，調制信號動態(tài)范圍大。 光纖光柵傳感器具有易于復用的突出特點，使得光纖光柵傳感器廣泛應用于同時對多點、多參量進行的監(jiān)測。 光柵的相位漂移信 息調制到 FBG 反射光中，光電探測器可以將調制后的載波光信號轉換為信號，此時， MZ 干涉儀的調制頻率與載波信號頻率保持一致，信號中直流成分將被濾除，噪聲也會受到抑制，之后，再經(jīng)放大電路對信號進行放大，就可得到以下形式的電信號： )](2co s [ 1111 ??? ?? tfAs r （ 31） )](2c o s [ 2222 ??? ?? tfAs r （ 32） )](2co s [ 3333 ??? ?? tfAs r （ 33） )](2c o s [ 4444 ??? ?? tfAs r （ 34） 其中 1A 、 2A 、 3A 、 4A 是 與 光電探測器增益、放大器放大系數(shù)、光功率、損耗有關的幅度，rf 是相位調制信號的頻率。該系統(tǒng)中的相位偏移檢測由軟件完成，這樣，不僅可以降低電路的復雜程度，而且噪聲的 引入也得到有效控制，最終，可以實現(xiàn)多路信號實時