【正文】 ............................................. 33 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁 共 33頁 1 緒論 引言 近年來，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。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或 機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于光纖 Bragg 光柵 的建筑物監(jiān)測技術(shù)研究 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 最后， 通過光纖布拉格光柵應(yīng)變特 性實(shí)驗(yàn)，并對(duì)信號(hào)解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號(hào)和 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)生器以及 A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件仿真 ，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷成熟和商用化，光纖光柵將改革人們?cè)诠饫w技術(shù)應(yīng)用中的傳統(tǒng)思想 ，可以說光纖光柵技術(shù)是繼摻鉺光纖放大器 (EDFA)技術(shù)之后光纖技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)新的里程碑。 目前，光纖光柵傳感器除在航空航天飛行器、艦船及武器系統(tǒng)等軍事領(lǐng)域應(yīng) 用外，還擴(kuò)展到建筑、橋梁、隧道、公路、電力工業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程等民用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)監(jiān)測的前提是從結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)?？傊?，上述常 規(guī)的電類傳感檢測手段存在傳感元件壽命短、測量易受環(huán)境影響、不能進(jìn)行分布測量等缺點(diǎn)，因而均不能實(shí)現(xiàn)對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的長期監(jiān)測。 光纖光柵傳感器之所以如此受到關(guān)注是因?yàn)樗哂衅渌鼈鞲屑夹g(shù)無法替代 的優(yōu)點(diǎn)： (1)光纖光柵具有體積小、重量輕、強(qiáng)度高和彎曲性能好等特點(diǎn)，適于大面積對(duì)各種形狀的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。美國也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國家。 90 年代，由東芝、日本電氣等 15 家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開發(fā)出 12 種具有一流水平的民用光纖傳感器，其中最有代表性的是波長掃描型光纖溫度傳感器。在不久的將來，我國光纖傳感器領(lǐng)域必將呈現(xiàn)前所未有的燦爛和輝煌。并對(duì)信號(hào)解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號(hào)和 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器以及 A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件仿真。應(yīng)變 (或應(yīng)力 )和溫度是最能直接顯著改變 Bragg 光柵波長的物理量。 所以光纖布拉格光柵產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，有周期和有效折射率導(dǎo)致的總和的布拉格波長相對(duì)變化為： ? ?? ?xe ffB B pppn ???? ?????????? ?????121112221 （ ） 令 ? ?? ? xe ffe pppnP ?? 12111222 ??? （ ） eP 稱為光纖的有效彈光系數(shù)，對(duì)于石英光纖， eP ? [22]。因此，彈光效應(yīng)下，光纖光柵對(duì)縱向應(yīng)力較橫向應(yīng)力更為敏感。直接用光纖光柵作為傳感元件，不易獲得高的溫度分辨率，因此，為了提高溫度靈敏度，可將裸光纖光柵置于熱膨脹系數(shù)高的材料中。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 33頁 3 光纖布拉格光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)從功能上可劃分為兩個(gè)模塊，傳感模塊和解調(diào)模塊。 系統(tǒng)的電路如下：干涉輸出信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后與壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別作為待測信號(hào)和參考信號(hào)一起輸入相敏檢波電路。②功率。選擇光電探測器主要取決于兩個(gè)參數(shù)：一是探測器的靈敏度，二是探測器的帶寬。本系統(tǒng)中我們采用一個(gè)參考光柵來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，該參考光柵被置于與測量光柵陣列相同的溫度場中，但不受應(yīng)變的 作用，由于光纖光柵對(duì)應(yīng)變和溫度的響應(yīng)都是線性的，所以從信號(hào)解調(diào)方面看兩者是沒有區(qū)別的，都是對(duì)應(yīng)著鎖向放大器的輸出電壓，不同的只是解調(diào)出來的信號(hào)代表的意義，因此參考光柵的信清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 33頁 號(hào)處理原理和方法與測量光柵是完全一致的。 39。39。 測量波長變化量的經(jīng)典方法是直接采用光譜分析儀、單色儀測量波長的變化，但這些儀器 價(jià)格昂貴，體積大，不便攜帶，不利于傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。如果兩路光的光程完全一致的話，干涉信號(hào)始終為干涉極大，為了使干涉信號(hào)隨所需的被測量而變化，必須使兩路光的光程差不為零。 MZL? 越大，相位測量的分辨率越高，相應(yīng)地應(yīng)變測量的分辨 率也就越高，但是測量的范圍就越小。下面主要介紹壓電陶瓷的工作原理并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。調(diào)制信號(hào)的幅度大小與一階和二階貝塞爾函數(shù)有關(guān) [25]。 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度 V 由下式計(jì)算得到： 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁 共 33頁 ? ?ODm CV B?? ? ? （ ） 式中， m 為光纖在 PZT 管上纏繞的圈數(shù)，在本系統(tǒng)中 m =10； (OD)為 PZT 管在 1 伏電壓作用下直徑的變化量，對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中所采用的 PZT 管， ? (OD)=5 nm。前兩種方法不適于多路復(fù)用信號(hào)的解調(diào)，并且對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成與光源等的要求都比較苛刻。 研究能抑制干涉儀輸出衰落問題的檢測技術(shù)是十分突出的問題，也是本文設(shè)計(jì)的光纖光柵測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變測量的關(guān)鍵。 相角 ??t?? 包含頻率為 s? ，幅度為 D 的待檢測信號(hào)和環(huán)境引起的隨機(jī)相位漂移??t? ，即 ? ? ? ?ttDt s ?? ??? c o s （ ） 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 共 33頁 (3)光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào) 如圖 所示，本測量系統(tǒng)采用的解調(diào)方法的核心部分是鎖定放大器實(shí)現(xiàn)的相敏檢波。 鎖定放大器的功能是僅僅檢測出輸出信號(hào)以及與輸入信號(hào)同頻 (也可以不同頻 )同相的那些噪聲成分，所以能使噪聲幅度大大降低。 合 成 外 差 解 調(diào) 法 (Syntheticheterodyne Demodulation)[31]的性能取決于兩個(gè)本振信號(hào)的初相位是否精確匹配以及 PLL 的測相精度。主要由平坦 ASE 光纖寬帶光源 (型號(hào)：ASE100)、光纖耦合器、 FC 連接器、光譜分析儀 OSA(型號(hào)： IQS5250B)和折射率匹配 IMG組成。重點(diǎn)從光纖布拉格光柵的應(yīng)變傳感機(jī)理出發(fā)，建立了光纖光柵應(yīng)變傳感的 理論模型，進(jìn)而證明了系統(tǒng)采用光纖布拉格光柵作為傳感頭的可行性；對(duì)光纖布拉格光柵測量系統(tǒng)解調(diào)模塊所采用的光纖馬赫－曾德爾干涉儀及相位生成載波信號(hào)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和推導(dǎo)。 式 ()的信號(hào)首先經(jīng)過隔直電容濾除直流信號(hào)，得到： ? ?? ?ttCBI ??? 0c o sc o s ? （ ） 解調(diào)電路的輸出為 tNDKBV sD ?c o s20 ? （ ） 式中， DK 為解調(diào)電路的增益系數(shù) ,N 為與系統(tǒng)有關(guān)的參數(shù) 。參考通道的作用是提供一個(gè)與輸入信號(hào)同相的方波或正弦波，它也可以是從通道輸入信號(hào)中分出來的一路信號(hào)。當(dāng)壓電圓柱受到調(diào)制電壓作用時(shí)，柱體就會(huì)在調(diào)制電壓的作 用下產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，引起干涉儀參考臂的光纖長度、折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉儀輸出光波的相位差隨調(diào)制信號(hào)有規(guī)律地變化，從而實(shí)現(xiàn)了相位載波調(diào)制。相位生成載波調(diào)制的形成可以通過兩種途徑來實(shí)現(xiàn)：一是調(diào)制光源，二是調(diào)制干涉儀的光程差。而且，光纖傳感器的信號(hào)處理會(huì)直接影響到測量的分辨率、精度和動(dòng)態(tài)范圍。如果把調(diào)制幅度設(shè)置在一階貝塞爾函數(shù)的第一個(gè)極點(diǎn)上，得到調(diào)制幅度的值為 rad。系統(tǒng)采用的高壓放大器包括兩個(gè)模塊：高壓放大模塊和低壓放大模塊。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 33頁 普通單模光纖的有效折射率為 ，則光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩臂的長度差 L?最大只能為 mm。實(shí)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(gè)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(duì)比度。這種方法特別適合于高分辨率動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感信號(hào)的檢測。因此，如何對(duì)光纖光柵的波長編碼信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感的關(guān)鍵。rV 、 BV 和 rV ，所以被測應(yīng) 變量 ? 正比于RrBB VVVV 39。39。 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)。 (2)光器件 的互連 本系統(tǒng)是利用光纖光柵的反射光來測量應(yīng)變的，因此需要將光源、光纖光柵和解調(diào)信號(hào)用的后續(xù)光纖系統(tǒng)互連。下面就光纖光柵測量清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 33頁 系統(tǒng)的主要器件進(jìn)行簡要介紹。解調(diào)模塊接收傳感模塊產(chǎn)生的光信號(hào)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，與調(diào)制控制電壓并行進(jìn)行傳感信號(hào)的提取，再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)的處理，得出傳感量值。從式（ ）和（ ）可以看出，對(duì)于 B? 為 1550nm的光纖光柵，應(yīng)變靈敏度為 ??/pm ，溫度靈敏度為 Cpm0/ ，光纖 Bragg 光柵的溫度靈敏度約為應(yīng)變靈敏度的 10 倍左右。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 33頁 光纖 Bragg 光柵溫度傳感特性 溫度對(duì) FBG 的影響主要有兩個(gè)方面：一是熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)變導(dǎo)致柵距變化；二是熱光效應(yīng)導(dǎo)致有效折射率改變。212 pppnP e ffe ??，由式（ ）和（ ），可得： ? ?yeBB P ??? 39。鑒于此，充分研究光纖Bragg 光柵的應(yīng)變與溫度傳感特性、靈敏度誤差、應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)以及應(yīng)變與溫度的耦合效應(yīng)史研究開發(fā)光纖 Bragg 光柵傳感器的基礎(chǔ)。光纖布拉格光柵的中心波長域有效折射率的數(shù)學(xué)關(guān)系史研究光柵傳 感器的基礎(chǔ)。從而從理論上說明光纖布拉格光柵對(duì)于應(yīng)變測量的可行性。他們?cè)诠饫w溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)、位移計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了上百項(xiàng)科研成果，其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實(shí)用價(jià)值，有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1993 年以后，美國光纖傳感器的銷售總額每年以 30～ 40％的增長速度發(fā)展，到 20xx 年達(dá)到 100億美元。因而基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高 的可靠性和穩(wěn)定性。通過國內(nèi)外同行的大量研究和實(shí)踐，已將應(yīng)變測量鎖定在光纖光柵傳感技術(shù)上。①傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感元件的性能雖然在不斷的提高，作為鋼結(jié)構(gòu)的短期應(yīng)變測量，還是能滿足工程要求的，但其受環(huán)境影響較大，如電磁干擾、潮濕、化學(xué)腐蝕等都會(huì)使其零點(diǎn)發(fā)生長期漂移，因此長期應(yīng)變測試的結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真。 課題研究的意義 近二十年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為建筑業(yè)的發(fā)展帶來了契機(jī)，大型結(jié)構(gòu)如橋梁、高層建筑、大壩、核電站等工程建設(shè)進(jìn)入了前所未有的高潮時(shí)期。光纖光柵是利用光 纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，相當(dāng)于一個(gè)窄帶的 (透射或反射 )濾波器或 反射鏡 [12]。 光纖光柵作為一種新興的光纖無源器件，是光纖技術(shù)進(jìn)展的產(chǎn)物。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師評(píng)閱書 指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)： 一、撰寫（設(shè)計(jì)）過程 學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格