【正文】 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 33頁 4 系統(tǒng)的硬件仿真與實驗 光纖布拉格光柵應變特性實驗 本節(jié)主要描述了光纖布拉格光柵測量應變的實驗研究情況，來驗證理論分析的正確性。 綜合比較相位生成載波的各種解調(diào)方法，我們發(fā)現(xiàn)，主動零差解調(diào)法 (Active Homodyne Demodulation)[35]采用反饋的方法對低頻干擾進行補償，并且也不適于多路復用，因此一般只在實驗室中使用；另外，主動零差法測量靜態(tài)或準靜態(tài)信號時誤差較大。低通濾 波器則是濾除和頻信號成分，僅使差頻信號成分輸出。即： ? ? ? ? ? ?ttt 0????? ? 。調(diào)制干涉儀的光程差是在兩臂等長的光纖馬赫－曾德爾干涉儀的一臂用數(shù)匝光纖纏繞壓電陶瓷 (PZT)元件，把載波信號加到 PZT 上，利用 PZT 元件在載波信號清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 33頁 的驅(qū)動下產(chǎn)生電致伸縮效應，引起干涉儀一臂光纖長度、折射率發(fā)生變化，導致最后輸出光波相位差隨載波信號有規(guī)律的變化，從而實現(xiàn)了相位調(diào)制。 (1)信號解調(diào)的基本原理 對于光纖馬赫－曾德爾干涉儀輸出的相位信號，如果直接測量相位，那么有兩個問題將限制系統(tǒng)的性能：一是直接測相位意味著直流檢測，信號處理易受電路漂移的影響；二是對于動態(tài)測量而言，系統(tǒng)受到環(huán)境的干擾時被測相位會產(chǎn)生漂移及信號衰落現(xiàn)象，從而引入測量誤差。 光纖馬赫－曾德爾干涉儀被調(diào)制臂 光纖的伸長量為： effBnCL ??2?? （ ） 式中， B? 為 FBG 反射光的中心波長， B? =1550 nm； efn 為光纖的有效折射率，efn =； C =。壓電陶瓷管的驅(qū)動信號由 信號發(fā)生器提供。至于干涉儀臂長差的實際大小，只能通過標定來確定。 (3)光纖馬赫－曾德爾干涉儀的參數(shù)計算 光纖干涉儀是本系統(tǒng)的重要解調(diào)器件，因此，有必要根據(jù)測量的具體要求對其構成和主要參數(shù)計算進行分析和設計。因此，本系統(tǒng)采用光纖馬赫－曾德爾干涉儀 (FMZI)來測量光纖光柵反射光的波長變化。在光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)中，溫度或應變引起 Bragg 反射波長的移動，光的基本性能都可能受到調(diào)制。 ? 。B? 、 39。 本文設計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測量的關鍵是傳感頭及信號解調(diào)系統(tǒng)的設計， 因此下面將就這兩方面做詳細的介紹和分析。在光纖馬赫－曾德爾干涉儀中，光耦合器起著分束與混合光信號的雙重作用，使光干涉得以實現(xiàn)。因此，光源的選取主要考慮以下因素：①譜寬。 圖 測量系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)的光路如下：寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過一個耦合器照射到具有帶阻濾波能力的光纖光柵傳感元上，布拉格波長的光波被光纖光柵反射至一受正弦波信號驅(qū)動的非平衡光纖馬赫－曾德爾干涉儀上，干涉儀一臂由 PZT 進行 相位調(diào)制，可以對輸入到干涉儀的信號光進行調(diào)制，從而實現(xiàn)信號的交流探測。否則，會因溫度的變化而影響應變測量的精度，尤其在建筑物的長期健康監(jiān)測中。當光纖光柵中心波長為 1550nm時，由式（ ）可以計算光纖光柵的理論溫度靈敏度系數(shù)： ? ? CnmTBB 036 / ?? ???????? ?? （ ） 從上式可以看出光纖 Bragg 光柵的波長與溫度同樣具有良好的線性度。 ??eP ，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變靈敏度為： ????? / 36 nmBxB ?? ??????? （ ） 在只考慮彈光效應時，表面上看來，光纖光柵的中心波長變化對橫向應力下的應變更為敏感，然而這是一個誤解，是因為我們敬愛能夠兩者的應變看成是相等的。 在線彈性范圍內(nèi)，由于光柵布拉格光柵為均勻周期的光柵，所以有 x????? （ ） 式中 x? —— 軸向應變。 光纖的周期可通過兩相干紫外光束的相對角度而得到調(diào)整，通過這種方法，就可以制作出不同反射波長的布拉格光柵，目前已有的布拉格光柵寫入技術有：相位掩模技術、振幅掩模技術、逐點寫入技術和全息成柵技術、在線寫入技術等，這些技術中廣泛應用的相位掩模技術。 第三章 從光纖布拉格光柵應變測量系統(tǒng)的理論模型入手，論述了光纖布拉格光柵的應變測量原理，選擇應用光纖馬赫－曾德爾干涉儀與相位生成載波調(diào)制解調(diào)技術相結合的方法來實現(xiàn)光纖光柵傳感信號的解調(diào)，通過詳細的理論分析論證了系統(tǒng)方案的可行性。 當前，我國對光纖傳感器的需求量很大，市場前景十分誘人。日本和西歐各國也高度重視并投入大量經(jīng)費開展光纖傳感器的研究與開發(fā)。這在現(xiàn)代高科技及工業(yè)的發(fā)展諸如建筑結構、航空航天、水壩橋梁、強場探測等領域的智能結構中具有重大的實用價值。首先，在結構件的制作過程中，通過這些嵌入的傳感器能夠?qū)崟r地監(jiān)測諸如溫度、壓力、粘滯性、固化程度和殘余應變等過程參數(shù)，從而實現(xiàn)制作過程的優(yōu)化和控制。后者輸出信息為頻率特征，不受導線長度的影響，靈敏度和穩(wěn)定性也較好。同時，其安全可靠性己成為當今社會普遍關注的重大問題。利用這一特性可制成用以檢測多種參量的光纖傳感器和光纖傳感網(wǎng)。因而，光纖光柵在光纖傳感器領域具有十分廣闊的應用前景 [410]。從理論上說明光纖布拉格光柵對于應變測量的可行性。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 涉密論文按學校規(guī)定處理。隨著光纖光柵制造技術的不斷完善，其應用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領域都將由于光纖光柵的實用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術是光纖技術中繼摻餌光纖放大器 (EDFA)技術之后的又一重大技術 突破 [13]。 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 [11]，從而導致了一種所謂光纖光柵的新型光纖無源器件的出現(xiàn)。 由于光 纖傳感器應用的廣泛 性及其廣闊的市場，其研究和開發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視，各發(fā)達國家更是競相研究開發(fā)并引起了激烈的競爭。 目前，對結構的應變檢測主要采用常規(guī)的檢測手段，即電類傳感測量技術，如電阻應變片、鋼弦計等，它們雖在大型工程結構的施工質(zhì)量控制及竣工驗收中得到廣泛應用，但就對結構的長期 、實時、在線監(jiān)測而言，則存在著根本不足。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需要很長的光纖且不能隨意布置，因此它也是制約這 種傳感器應用推廣的障礙。 (4)抗干擾能力強，一方面因為普通的光纖傳輸不會影響傳輸光波的頻率特性；另一方面是因為光源光強的起伏、光纖微彎效應等引起的隨機起伏以及耦合損耗等都不可能影響傳感信號的波長特性。Wilcox 公司、 Accuflber公司、 Fidberdy． Elamies 公司、 EOTcc 公司、 Optical 技術公司等。目前已有許多單位在這一領域開展工作，如清華大學、華中理工大學、武漢理工大學、重慶大學、核工業(yè)總公司九院、電子工業(yè)部 1426 所等。 第二章 研究了光纖布拉格光柵的傳感器原理，分析了均勻軸向、橫向應力下的光纖光柵傳感特性，光纖布拉格光柵溫度傳感特性，以及光纖布拉格光柵應變、溫度測量的交叉敏感 特性。光纖光柵被廣泛應用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理等各個領域。目前已有的基于光纖 Bragg 光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接的利用應變或溫度改變光柵中心波長，達到測試被測物理量的目的。 均勻橫向應力下的光纖光柵傳感特性分析 在彈光效應下，當光柵只受到橫向壓力且不存在剪力時，與上節(jié)軸向應力下的傳感分析方法一樣，橫向應力導致的光柵折射率變化為： ? ?ye ffe ffe ff pppnnn ??? ?????? ?????? 1112122 212 （ ） 令 ? ??????? ???? 121112239。這就是我們通常只考慮光纖光柵縱向應變傳感的原因 [23]。 光纖 Bragg 光柵應變、溫度測量的交叉敏感 由式（ ）可以看出光纖光柵對溫度和應變是交叉敏感的，因此測量其中一個量時，將不可避免地受到另一個量的影響，更無法實現(xiàn)溫度、應變同時測量。解調(diào)模塊由傳感模塊以外的部分組成。 考慮到現(xiàn)在光通訊業(yè)的迅速發(fā)展給科研實驗提供了許多商用器件，所以盡可能的采用光通訊中普遍使用的器件對于實驗和 應用而言都是非常有利的。 。對于本系統(tǒng)測量的應變量而言，最高頻率約為幾百赫茲左右；再考慮到光纖馬赫－曾德爾干涉儀上的調(diào)制信號為 1 KHz 左右，因此，探測器的帶寬達到千赫茲量級即可。由式 ()可得應變量的表達式為： ???????? ????? TKK TBBBg ??? 1 （ ） 為了消除溫度擾動對應變量的影響，采用一個參考光柵來進行 溫度補償，該參考光柵被置于測量光柵陣列相同的溫度場中，但不受應變的作用，則參考光柵中心波長相對變化量為： TKTrr ???? B?? （ ） 由于光柵的溫度靈敏度僅與刻制光柵的光纖材料有關，所以刻制在相同光纖上的測量光是與參考光柵的溫度靈敏度是一樣的，因此把式 ()代入式 ()中，可得： ???????? ?????????? ???? rrBBgr rB Bg KK ????????? 39。BV 、 39。光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的成本通常占整個傳感系統(tǒng)成本的絕大部分，它的檢測精度也往往決定著整個系統(tǒng)的傳感精度。 雖然光纖馬赫－曾德爾干涉儀的制作比較復雜，測量靜態(tài)或準靜態(tài)信號時誤差比較大，但是其兩個臂都使用光纖，且光的分路與合路也都是用 3dB 光纖耦合器，因此體積小，且機械性能穩(wěn)定；而且，采用干涉法來檢測波長的移位，具有極高的檢測靈敏度；系統(tǒng)測量分辨率高、動態(tài)性能好、易實現(xiàn)多路復用，具有寬帶寬、高解析度的解調(diào)能力。對動態(tài)應變有： tLn BB MZMZ ???? s in2 2 ?????? （ ） (2)光纖馬赫－曾德爾干涉儀光纖系統(tǒng)構成 光纖馬赫－曾德爾干涉儀由兩個臂即兩根單模光纖組成，因此需要一個分光器件和一個合光器件。 FMZI 兩臂的最大長度差由下式確定： effnlL?? （ ） 式中， efn 為光纖的有效折射率， l 為 FBG 反射光的譜寬所決定的相干 長度： ???? 2Bl （ ） 把 B? =1550 nm， ?? =.3 nm 代入上式計算得到： ?l 8mm。 PZT 由專用的驅(qū)動電源來驅(qū)動，該驅(qū)動電源是高壓直流功率放大器。所以，可以把調(diào)制信號的幅度設在貝塞爾函數(shù)的極點上。 后續(xù)信號處理模塊的設計 通過前面的討論可以知道，光纖馬赫－曾德爾干涉儀將光纖光柵反射光波長的變化轉(zhuǎn)化為相位信號的變化，因此，相位測量是本測量系統(tǒng)信號處理的基本要求。 所謂的相位生成載波調(diào)制，是在被測信號帶寬以外的某一頻帶之外引入大幅度的相位調(diào)制，被測信號則位于調(diào)制信號的邊帶上，這樣就把外界干擾的影響轉(zhuǎn)化為對調(diào)制信號影響，并且把被測信號的頻帶與低頻干擾的頻帶分開 ，以利于后續(xù)的噪聲分離。 干涉儀的參考臂使用一個相位調(diào)制器，它是在圓柱形的壓電陶瓷上繞制光纖組成。信號通道的作用是先把伴有噪聲的輸入信號放大，并經(jīng)選放初步減小噪聲。而相敏檢波可以提取 某一階次諧波的相位，因此可以用相敏檢波來提取 ??t? 。 本章小結 主要進行了光纖布拉格光柵應變測量系統(tǒng)的方案設計。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。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。它所運用基本原理是信號的相關處理 [29]。鎖定放大器的構成原理如圖 所示。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。而相位生成載波解調(diào)技術容易實現(xiàn)，應用靈活方便，并且具有動態(tài)范圍大、測量精度高等優(yōu)點。則 PZT 驅(qū)動信號的幅度為： V = 伏。經(jīng)分析知，在貝塞爾函數(shù)的極點附近，函數(shù)變化比較緩慢。 由壓電堆疊結構構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。而且，光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩臂的長度是不可能無限增大的，主要受兩個因素的制約：一是光纖光柵反射光的譜寬；二是測量范圍。這種情況下，光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩路光信號的相位差為 BMZMZ Ln?? ??? 2 （ ） 式中， n 為光纖的有效折射率， MZL? 是干涉儀兩臂的長度差， B? 是 FBG 反射的中心波長。為此，國內(nèi)外發(fā)展了多種技術用于波長編碼的解調(diào)。 ? 是很方便的，由此實現(xiàn)了用參考光柵來補償溫度擾動對應測量的影響。B? 、 39。鎖定放大器的輸出電壓是經(jīng)計算機處理的，因此把測量光柵和參考光柵的信號都解調(diào)出來以后，可以直接從測量光柵解調(diào)結果中減去參考光柵解