【正文】 .......... 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。以光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating，簡(jiǎn)稱為 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。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。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。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]。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。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。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。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。 傳感器的嵌入帶來(lái)諸多好處。 (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)。 總之，光纖布拉格光柵除了具有光纖傳感器的特點(diǎn)外，其波長(zhǎng)編碼特性使其感測(cè)結(jié)果不受光源功率波動(dòng)及光的偏振態(tài)的變化的影響，并且便于利用復(fù)用 (波分、時(shí)分、空清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 33頁(yè) 分等 )技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測(cè)量。 如運(yùn)用光纖傳感器監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù)，監(jiān)測(cè)橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化，檢測(cè)肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。調(diào)查結(jié)果表明，美國(guó)光纖傳感器的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)己向民用 領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，民用光纖傳感器的產(chǎn)量已大大超過(guò)軍用傳感器。西歐各國(guó)的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研究與開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，其中包括英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國(guó) 的湯姆遜公司和德國(guó)的西門子 公司等 [1820]。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的研究水平還有很大的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè) 化方面，大多數(shù)傳感器品種仍處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，不能投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用 [2021]。 課題研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本論文對(duì)光纖布拉格光柵測(cè)量的基本原理和傳感原理進(jìn)行了 分析；對(duì)近年來(lái)報(bào)道的光纖光柵傳感系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)的方法進(jìn)行研究和比較，提出利用光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，并用相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)的測(cè)量系統(tǒng)。 詳細(xì)分析了光纖布拉格光柵測(cè)量系統(tǒng)的原理。 第五章對(duì) 論文的成果與不足進(jìn)行分析， 同時(shí)對(duì) 今后的發(fā)展前景進(jìn)行了展望 。從麥克斯韋經(jīng)典方程出發(fā)，結(jié)合光纖耦合模理論，利用光纖光柵傳輸模式的正交關(guān)系，得到布拉格光柵反射波長(zhǎng)的基本表達(dá)式為： ?? effB n2? （ ） 式中， B? 為光柵的中心反射波長(zhǎng)， efn 為纖芯的有效折射率， ? 為 光柵的周期。其引起的光纖 Bragg 光柵波長(zhǎng)的飄移克表示為： ? ? ? ? TpeBB ?????? ????? 1 （ ） 式中： ? 為光纖布拉格光柵軸向應(yīng)變， T? 為溫度變化量， ep 為有效彈光系數(shù)， ? 、 ? 分別為光纖布拉格光柵的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。 均勻軸向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析 對(duì)于光纖 Bragg 光柵方程式（ ）兩邊微分并移項(xiàng) 可得： 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 33頁(yè) ??????? e ffe ffB nn 22? （ ） 將式（ ）兩端分別除以式（ ）兩邊項(xiàng)，得 ??????? effeffBB nn?? （ ） 從式（ ）可以看出，凡是能夠?qū)е鹿饫w光柵有效折射率變化或者光柵周期變化的物理量都能引起波長(zhǎng)的變化。由式（ ）和（ ），可得： ? ?xxeBB Pd ???? ????? （ ） 上式為光纖 Bragg 光柵軸向應(yīng)變下的波長(zhǎng)變化數(shù)學(xué)表達(dá)式，它是處理光纖光柵應(yīng)變清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 33頁(yè) 傳感的基本關(guān)系式。1??? （ ） 對(duì)于石英光纖， 39。若進(jìn)一步考慮波導(dǎo)效應(yīng)，在相同的應(yīng)力作用下，縱向應(yīng)變較前一種情況增加 ? ? 5/1 ?? ?? 倍，所以波導(dǎo)效應(yīng)將顯著的多，而波導(dǎo)效應(yīng)與彈光效應(yīng)正好相反，即減小光柵的橫 向應(yīng)變靈敏度。不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，將式（ ）對(duì)溫度 T 求導(dǎo)，可得： ???????? ?????????? TnTnT e ffe ffB 2? （ ） 式（ ）兩邊分別除上式兩端，可得 TTTnn e ffe ffB B ????????? ????????? 11?? （ ） 令 Tnn effeff??? 1? （ ） T????? 1? （ ） ? 稱為光纖的熱光系數(shù)； ? 稱為光纖的熱膨脹系數(shù)，從而可得： ? ? TBB ???? ???? （ ） 對(duì)于常用的石英光纖，熱膨脹系數(shù) C06 / ???? ， C06 / ???? 。若用 sub? 表示基底材料的熱膨脹系數(shù)，則此時(shí) FBG 的 Bragg 波長(zhǎng)相對(duì)偏移量與溫度及應(yīng)力的關(guān)系可表示為： 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 33頁(yè) ? ? ? ? ? ?? ?? ? TPPs u beeB B ????????? ??????? 11 （ ） 從以上分析可以看出無(wú)論是應(yīng)變還是溫度，通過(guò)檢測(cè)光纖光柵波長(zhǎng)的漂移量或帶寬變化量，可以推測(cè)出待測(cè)物理場(chǎng)的狀態(tài)。對(duì)于建筑物這類以應(yīng)變監(jiān)測(cè)為主的結(jié)構(gòu)，用光纖 Bragg 光柵作為應(yīng)變傳感器時(shí)必須考慮如何提出溫度的影響。傳感模塊由光源 、光纖和光纖光柵組成。本文設(shè)計(jì)的光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。相敏檢波之后輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換輸入到計(jì)算機(jī)。 (1)光源 光纖布拉格光柵對(duì)應(yīng)變的敏感反映在其反射光中心波長(zhǎng)的變化上，其窄帶反射光在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)變動(dòng)。因功率越大，信號(hào)越易檢測(cè)。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，本系統(tǒng)采用 FC(面接觸 )型接頭和分光比 50%∶ 50%的 2 2 耦合器，即通常所說(shuō)的 3dB 光纖耦合器進(jìn)行連接，以方便實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。本系統(tǒng)采用的光源的額定輸 出功率為 dBm，光譜寬度為 82 nm(假設(shè)光功率平均分布在這段光譜范圍內(nèi) )，選用的光纖光柵的帶寬為 nm。綜合考慮三者的性能和價(jià)格以及系統(tǒng)的需要， 我們選用帶有內(nèi)置前放和尾纖的高靈敏度 PIN 光電二極管。鎖定放大器的輸出電壓是經(jīng)計(jì)算機(jī)處理的，因此把測(cè)量光柵和參考光柵的信號(hào)都解調(diào)出來(lái)以后，可以直接從測(cè)量光柵解調(diào)結(jié)果中減去參考光柵解調(diào)結(jié)果，由此實(shí)現(xiàn)了用參考光柵來(lái)補(bǔ)償溫度擾動(dòng)對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。11 （ ） 式中， 39。B? 、 39。39。 ? 是很方便的，由此實(shí)現(xiàn)了用參考光柵來(lái)補(bǔ)償溫度擾動(dòng)對(duì)應(yīng)測(cè)量的影響。 光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)包括光電探測(cè)和信號(hào)處理兩部分。為此，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種技術(shù)用于波長(zhǎng)編碼的解調(diào)。對(duì)于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量而言，可以通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)提高精度。這種情況下，光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x兩路光信號(hào)的相位差為 BMZMZ Ln?? ??? 2 （ ） 式中， n 為光纖的有效折射率， MZL? 是干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差， B? 是 FBG 反射的中心波長(zhǎng)。信號(hào)處理需要對(duì)光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x進(jìn)行調(diào)制以實(shí)現(xiàn)兩臂的光程差不為零，可以把光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的一臂纏繞在壓電陶瓷上，通過(guò)壓電陶瓷的脹縮來(lái)改變光纖的長(zhǎng)度。而且，光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x兩臂的長(zhǎng)度是不可能無(wú)限增大的，主要受兩個(gè)因素的制約：一是光纖光柵反射光的譜寬；二是測(cè)量范圍。由于光纖端面處理和光纖焊接很難保 證光纖長(zhǎng)度的精確性，因此，在制作光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x時(shí)，只能以這個(gè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，盡可能把其臂長(zhǎng)差控制在這個(gè)范圍內(nèi)。 由壓電堆疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器 (PZT)是高精度微位移器件，能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的位移量。前者的放大倍數(shù)為 100，其作用是產(chǎn)生 0~1000 V 的高壓電源，用于驅(qū)動(dòng) PZT，實(shí)現(xiàn)光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的調(diào)制；而后者的放大倍數(shù)為 10，輸出 20~120 V 的電壓，用于驅(qū)動(dòng)預(yù)加載閉環(huán)壓電陶瓷管，可以使 FBG 產(chǎn)生應(yīng)變或?qū)饫w干涉儀作光程調(diào)節(jié)。經(jīng)分析知，在貝塞爾函數(shù)的極點(diǎn)附近，函數(shù)變化比較緩慢。下面根據(jù)光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x系統(tǒng)的參數(shù)，計(jì)算壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小。則 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度為： V = 伏。下 面將對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理模塊進(jìn)行具體分析和設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)。而相位生成載波解調(diào)技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用靈活方便，并且具有動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。調(diào)制光源一般采用半導(dǎo)體激光器 (LD)，通過(guò)對(duì)其輸入電流進(jìn)行調(diào)制來(lái)達(dá)到調(diào)制激光頻率的目的。下面將具體討論光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x輸出信號(hào)的解調(diào)方法。 角頻率為 0? 的正弦波驅(qū)動(dòng) PZT，假設(shè)由 PZT 引入的相位調(diào)制幅度為 C ，則在光電探測(cè)器 PIN 上得到的信號(hào)為： ? ?? ?ttCBAI ???? 0c o sc o s ? （ ） 式中， A 、 B 為常數(shù)，且 B =