【正文】 系統(tǒng)的原理。（5）分析課題研究中的的成果與不足，同時對光纖Bragg光柵的發(fā)展前景進行了展望。由于光纖的光敏性主要取決于纖芯材料，現(xiàn)在廣泛用于通信和傳感領(lǐng)域的光纖光柵主要是用紫外光照射摻鍺石英光纖而成的。通常把光柵周期小于1微米的均勻周期光纖光柵稱為光纖Bragg光柵，簡稱為FBG（Fiber Bragg Grating）[16]。（2）啁啾光纖光柵（chirped grating）：其主要特點是光柵周期非均勻性，其折射率變化的周期一般與光纖Bragg光柵周期處于同一量級。（5）摩爾光纖光柵（moire grating）：它是通過在原先寫入光柵的位置上再寫入一個光柵得到的。（8）長周期光纖光柵（longperiod grating）：長周期光纖光柵在帶阻濾波器、寬帶摻餌光纖放大器的增益平坦、高靈敏度傳感器等方面有重要的應(yīng)用背景。一部分滿足Bragg光柵波長條件的波矢將被反射回來，其余入射光將被透射，（b）所示[19]。光纖Bragg光柵的反射波長或透射波長取決于反向耦合模的有效折射率和光柵周期，任何使者兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移，測量此漂移量就可直接或間接地感知外界物理量的變化[21]。假設(shè)應(yīng)變和溫度分別引起布拉格波長的變化時相互獨立的，則兩者同時變化時，布拉格波長的變化可以表示為： 　 （）其中：為軸向應(yīng)變導(dǎo)致的光柵周期變化，為有效彈光系數(shù)，為溫度變化量， 、分別為光纖Bragg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Bragg光柵傳感特性分析假定光纖Bragg光柵只受到軸向應(yīng)力的作用，溫度恒定，則應(yīng)力引起光柵Bragg波長的漂移可有[23] 　 （）表示。不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，即不考慮光纖光柵徑向應(yīng)變對折射率的影響，只考慮軸向應(yīng)變的彈光效應(yīng)，光纖在軸向彈性形變下的有效折射率變化為； 　 （）式中是單模光纖的彈光常數(shù)，即縱向應(yīng)變分別導(dǎo)致的縱向和橫向折射率變化；是泊松比[24]。 均勻橫向應(yīng)力下的光纖Bragg光柵傳感特性分析在彈光效應(yīng)下，當(dāng)光柵只受到橫向壓力時，橫向應(yīng)力導(dǎo)致的光柵折射率變化為： 　 　 （）令，由式（）和（），可得： 　 　　 （）對于石英光纖，同樣可得光纖光柵中心波長為1550nm時，光纖光柵的橫向理論應(yīng)變靈敏度為： 　 （）在只考慮彈光效應(yīng)時，表面上看來，光纖光柵的中心波長變化對橫向應(yīng)力下的應(yīng)變更為敏感，然而這是一個誤解，是因為我們將兩者的應(yīng)變看成是相等的。綜合考慮彈光和波導(dǎo)效應(yīng)，光纖光柵對橫向應(yīng)力的靈敏度較縱向小的多，因此在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，光纖縱向應(yīng)力引起的波長變化占主要位置。對于常用的石英光纖，熱膨脹系數(shù)。如果光纖光柵的Bragg波長要達到1nm的變化，則溫度需要變化100。 光纖Bragg光柵應(yīng)變、溫度測量的交叉敏感當(dāng)光纖Bragg光柵有效折射率或周期改變時，光柵反射回來的中心波長會發(fā)生漂移，應(yīng)力（或應(yīng)變）和溫度是最直接改變光柵Bragg波長的物理量。從式（）和（）可以看出，對于為1550nm的光纖光柵，光纖Bragg光柵的溫度靈敏度約為應(yīng)變靈敏度的10倍左右。（1）介紹了光纖Bragg光柵基本物理結(jié)構(gòu)并對其傳播特性做了嚴(yán)格推導(dǎo)，得到了光纖Bragg光柵的中心波長公式和反射率公式；（2）在Bragg波長公式的基礎(chǔ)上，對光纖光柵應(yīng)變和溫度的傳感特性進行了分析，結(jié)果表明，Bragg中心波長與應(yīng)變和溫度之間有著良好的線性關(guān)系，任一物理量變化都會引起B(yǎng)ragg波長的漂移；同時還對溫度和應(yīng)變的交叉敏感做了簡單的分析，為課題的下一步奠定了基礎(chǔ)。 非平衡MZ光纖干涉儀解調(diào)示意圖系統(tǒng)的工作原理為：寬帶光源發(fā)出的光通過3dB耦合器入射到傳感光纖光柵上，其反射光經(jīng)過兩個3dB耦合器進入不等臂長的MZ干涉儀，將布拉格波長信號轉(zhuǎn)化成相位差變化，然后相位信號通過光電探測器，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。實用的光纖馬赫－曾德爾干涉儀的分光器件和合光器件是由兩個分光比為50%:50%的光纖定向耦合器構(gòu)成，成為全光纖化的干涉儀，以提高其抗干擾的能力和良好的條紋對比度。 光纖馬赫－曾德爾干涉儀的參數(shù)計算 攜帶著被測量信息的光波入射到光纖馬赫－曾德爾干涉儀，經(jīng)兩臂后輸出的光束疊加將產(chǎn)生干涉效應(yīng)。故由探測器測知，便可得到FBG波長移動變化量。②功率。根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，本系統(tǒng)采用 FC(面接觸)型接頭和分光比 50%∶50%的 22 耦合器，即通常所說的 3dB 光纖耦合器進行連接，以方便實驗和調(diào)試。選擇光電探測器主要取決于兩個參數(shù)：一是探測器的靈敏度，二是探測器的帶寬。常見的能用于中心波長 1550 nm 附近光纖光柵傳感系統(tǒng)的探測器主要有：PN 光電二極管、PIN 光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。由壓電堆疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的壓電陶瓷微位移驅(qū)動器(PZT)是高精度微位移器件，能實現(xiàn)微米級的位移量。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 PZT，實現(xiàn)光纖馬赫－曾德干涉儀的調(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)。如果把調(diào)制幅度設(shè)置在一階貝塞爾函數(shù)的第一個極點上，得到調(diào)制幅度的值為 rad。PZT 驅(qū)動信號的幅度V 由下式計算得到： 　 　 （）式中，為光纖在 PZT 管上纏繞的圈數(shù)，在本系統(tǒng)中 =10；(OD)為 PZT管在 1 伏電壓作用下直徑的變化量，對應(yīng)于實驗中所采用的 PZT 管，(OD)=5 nm。由式（）可知，示波器中檢測到的電壓信號與壓電陶瓷PZT產(chǎn)生的應(yīng)變成線性關(guān)系。 反饋放大電路的作用因為非平衡MZ干涉儀易受外界環(huán)境影響，設(shè)計反饋放大電路的目的則是為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保在波長的解調(diào)過程中誤差達到最小狀態(tài)。下面將對后續(xù)的信號處理模塊進行具體分析和設(shè)計，以實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號解調(diào)。而相位生成載波解調(diào)技術(shù)容易實現(xiàn)，應(yīng)用靈活方便，并且具有動態(tài)范圍大、測量精度高等優(yōu)點。調(diào)制光源一般采用半導(dǎo)體激光器(LD)，通過對其輸入電流進行調(diào)制來達到調(diào)制激光頻率的目的。下面將具體討論光纖馬赫－曾德爾干涉儀輸出信號的解調(diào)方法。角頻率為的正弦波驅(qū)動 PZT，假設(shè)由 PZT 引入的相位調(diào)制幅度為C ，則在光電探測器 PIN 上得到的信號為： （）式中，、為常數(shù)，且=，1為干涉條紋可見度，正比于激光器輸出光功率；C 為相位調(diào)制幅度；為載波角頻率；包括兩部分：一是由 FBG 波長變化引入的相位變化，記為；二是 FMZI 固有的相位差(包含周圍 環(huán)境擾動引入的相位漂移)，記為。鎖定放大器的構(gòu)成原理如圖 所示。相敏檢波(PSD)的作用是對輸入信號和參考信號進行混頻，輸出和頻及差頻信號。它所運用基本原理是信號的相關(guān)處理。式()表明，解調(diào)電路的輸出正比于相位調(diào)制信號，故該方案實現(xiàn)了相位調(diào)制信號的檢測。而本信號處理系統(tǒng)采用的零差解調(diào)方法解調(diào)的動態(tài)范圍大、線性度好，并具有測相精度高的優(yōu)點。從而證明了光纖Bragg光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的可行性。寬帶光源發(fā)出的寬譜光波，經(jīng) 3dB耦合器照射到光纖光柵上，滿足Bragg條件的光波被反射回來，經(jīng)光纖耦合器進入非平衡馬赫曾德干涉儀中。懸臂梁材料采用鋼性彈片，鋼片的恢復(fù)性很好，厚度h =。 光纖光柵懸臂梁調(diào)節(jié)技術(shù)原理圖 光纖光柵應(yīng)變特性測試系統(tǒng)懸臂梁長度為15 cm，光纖光柵粘貼在距固定端3 cm 處，調(diào)節(jié)螺旋器，改變自由端位移量，對應(yīng)每個調(diào)諧位置，測試光纖光柵的反射譜。 nm/mm。所以下面對正弦信號發(fā)生器進行仿真，采用的是文氏震蕩正弦發(fā)生器。 仿真波形的起振波 仿真波形此正弦波發(fā)生電路為光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的正弦信號，保證了信號源的穩(wěn)定。當(dāng)調(diào)整參考信號的相位差，使相位差為零時，同步檢測器的輸出信號只與被測信號的幅度有關(guān)，因而可以實現(xiàn)幅度檢測的要求。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。5 結(jié)論與展望 結(jié)論本論文主要對光纖Bragg光柵的應(yīng)變測量系統(tǒng)進行了深入的研究，并對方案的可行性進行了詳細的論證，具體工作如下：（1）對光纖Bragg光柵傳感器的原理進行了分析 通過對光纖Bragg光柵應(yīng)力、溫度特性的分析，同時，通過實驗說明了光纖光柵作為應(yīng)變傳感器有很好的線性輸出。論文對其組成結(jié)構(gòu)、工作原理進行了分析，并根據(jù)系統(tǒng)需要，對光纖馬赫－曾德爾干涉儀及壓電陶瓷調(diào)制部分進行了主要參數(shù)的計算，從理論上論證了該解調(diào)方法可以實現(xiàn)高分辨率動態(tài)應(yīng)變傳感信號的檢測。但由于本人水平有限，論文中所介紹的光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)難免存在一些不足之處，而隨著我國設(shè)計和制作水平的不斷提高以及光柵市場需求以及發(fā)展空間潛力的逐步增大，光纖光柵必將得到更加廣泛的應(yīng)用。參考文獻[1] 光纖光柵與光纖傳感技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù),1998,7(4):7074[2] , , , et al. Fiber Grating Sensors. Journal of Lightwave Technology. 1997, 9: 7679[3] 姜德生,[J].,2002,13(4):420428[4] [D].大連:大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院, 2007,24(2):4l48 [5] 王丹生，朱宏平．光纖光柵傳感技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．中外公路，(6):3133．[6] , , , et al. Steppedwavelength Opticalfiber Bragg Grating Arrays Fabricated in Line on a Draw Tower. Optics Letters, 1994, 19: 147[7] . Infiber Bragg Grating Sensors. .amp。更重要的是他還給予了我信任和信心。在這兒也要感謝我的家人，他們是我精神的支柱。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計）授權(quán)使用說明本論文（設(shè)計）作者完全了解**學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計）的電子版和紙質(zhì)版。 圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它第42頁 共38頁