【正文】 □ 不及格 三、論文（設計）水平 論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建議成績： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級前的□內(nèi)畫“√”） 指導教師： （簽名） 單位： （蓋章） 年 月 日 評閱教師評閱書 評閱教師評價： 一、論文（設計）質量 論文（設計）的整體結構是否符 合撰寫規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設計）水平 論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（ 設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建議成績： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級前的□內(nèi)畫“√”） 評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章） 年 月 日 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 頁 共 33頁 教研室（或答辯小組）及教學系意見 教研室（或答辯小組）評價： 一、答辯過程 畢業(yè)論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 對答辯問題的反應、理解、表達情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學生答辯過程中的精神狀態(tài) □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設計）質量 論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、論文（設計）水平 論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 評定成績： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級前的□內(nèi)畫“√”） 教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名） 年 月 日 教學系意見： 系主任： （簽名） 年 月 日 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 33頁 基于光纖 Bragg 光柵的建筑物監(jiān)測技術研究 摘 要 本文以建筑物監(jiān)測中應變測量系統(tǒng)的設計和實驗研究為目的，在對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了深入分析的基礎上，歸納了當前光纖光柵傳感器的發(fā)展趨勢及在實際應用中需要解決的幾個主要問題，并針對光纖布拉格光柵應變測量系統(tǒng)的實際需要，對光纖光柵應變測量系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行了研究。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。 作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。 首先，論文研究了光纖布拉格光柵的傳感器原理，其中分析了均勻軸向、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。以光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating，簡稱為 FBG)為主的光纖光柵傳感器之所以能夠如此受到關注，是因為它除了具有光纖傳感器的抗電磁干擾、耐高溫、體積小、靈活方便等優(yōu)勢，還具有其它傳感 技術無法替代的優(yōu)點，如其傳感信號是以波長調(diào)制的，所以測量信號不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測器老化等因素的影響；避免了干涉型光纖傳感器相位測量模糊不清等問題；其復用能力強，在一根光纖上串接多個布拉格光柵，把光纖嵌入 (或粘于 )被測結構，可同時得到幾個測量目標的信息，并可實現(xiàn)準分布式測量。當外界環(huán)境改變時，由于熱光效應、彈光效應、法拉第效應等的作用導致 Bragg 中心波長發(fā)生漂移，測量此波長的漂移量就可檢測外界清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 33頁 溫度，應力，磁場等的變化，還可間接測量加速度、振動、濃度、液位、電流、電壓等物理量。建筑結構的多樣化和復雜化，帶來了建筑結構工程科研、設計、施工、監(jiān)理和管理水平的全面提升，也帶動和促進了相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。②在混凝土應力的測試中，短期觀測可使用電阻應清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 33頁 變片式的應變磚，而工程中更多地使用振弦式應變傳感器。 傳感器的嵌入帶來諸多好處。 總之，光纖布拉格光柵除了具有光纖傳感器的特點外，其波長編碼特性使其感測結果不受光源功率波動及光的偏振態(tài)的變化的影響，并且便于利用復用 (波分、時分、空清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 33頁 分等 )技術實現(xiàn)對應變的準分布式多點測量。調(diào)查結果表明，美國光纖傳感器的研究開發(fā)重點己向民用 領域轉移，民用光纖傳感器的產(chǎn)量已大大超過軍用傳感器。但與發(fā)達國家相比，我國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驗室研制階段，不能投入批量生產(chǎn)和工程化應用 [2021]。 詳細分析了光纖布拉格光柵測量系統(tǒng)的原理。從麥克斯韋經(jīng)典方程出發(fā)，結合光纖耦合模理論，利用光纖光柵傳輸模式的正交關系，得到布拉格光柵反射波長的基本表達式為： ?? effB n2? （ ） 式中， B? 為光柵的中心反射波長， efn 為纖芯的有效折射率， ? 為 光柵的周期。 均勻軸向應力下的光纖光柵傳感特性分析 對于光纖 Bragg 光柵方程式（ ）兩邊微分并移項 可得： 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 33頁 ??????? e ffe ffB nn 22? （ ） 將式（ ）兩端分別除以式（ ）兩邊項，得 ??????? effeffBB nn?? （ ） 從式（ ）可以看出，凡是能夠導致光纖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的變化。1??? （ ） 對于石英光纖， 39。不考慮波導效應，將式（ ）對溫度 T 求導，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 ???? ???? （ ） 對于常用的石英光纖，熱膨脹系數(shù) C06 / ???? ， C06 / ???? 。對于建筑物這類以應變監(jiān)測為主的結構，用光纖 Bragg 光柵作為應變傳感器時必須考慮如何提出溫度的影響。本文設計的光纖光柵測量系統(tǒng)結構如圖 所示。 (1)光源 光纖布拉格光柵對應變的敏感反映在其反射光中心波長的變化上，其窄帶反射光在一定的波長范圍內(nèi)變動。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 2 2 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。綜合考慮三者的性能和價格以及系統(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。11 （ ） 式中， 39。39。 光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)包括光電探測和信號處理兩部分。對于靜態(tài)或準靜態(tài)測量而言，可以通過補償?shù)姆椒▉硖岣呔?。信號處理需要對光纖馬赫－曾德爾干涉儀進行調(diào)制以實現(xiàn)兩臂的光程差不為零，可以把光纖馬赫－曾德爾干涉儀的一臂纏繞在壓電陶瓷上，通過壓電陶瓷的脹縮來改變光纖的長度。由于光纖端面處理和光纖焊接很難保 證光纖長度的精確性，因此，在制作光纖馬赫－曾德爾干涉儀時，只能以這個數(shù)據(jù)為標準，盡可能把其臂長差控制在這個范圍內(nèi)。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，用于驅動 PZT，實現(xiàn)光纖馬赫－曾德爾干涉儀的調(diào)制；而后者的放大倍數(shù)為 10，輸出 20~120 V 的電壓，用于驅動預加載閉環(huán)壓電陶瓷管，可以使 FBG 產(chǎn)生應變或對光纖干涉儀作光程調(diào)節(jié)。下面根據(jù)光纖馬赫－曾德爾干涉儀系統(tǒng)的參數(shù)，計算壓電陶瓷驅動信號的大小。下 面將對后續(xù)的信號處理模塊進行具體分析和設計，以實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號解調(diào)。調(diào)制光源一般采用半導體激光器 (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。 角頻率為 0? 的正弦波驅動 PZT，假設由 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： ? ?? ?ttCBAI ???? 0c o sc o s ? （ ） 式中， A 、 B 為常數(shù)，且 B =kA， k 1 為干涉條紋可見度， A 正比于激光器輸出光功率；C 為相位調(diào)制幅度； 0? 為載波角頻率； ??t? 包括兩部分：一是由 FBG 波長變化引入的相位變化，記為 ??t?? ；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 ??t0? 。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。 式 ()表明，解調(diào)電路的輸出正比于相位 調(diào)制信號 tD s?cos ，故該方案實現(xiàn)了相清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 33頁 位調(diào)制信號的檢測。從而證明了光纖布拉格光柵應變測量系統(tǒng)的可行性。 光纖光柵應變特性測試系統(tǒng)如圖 所示。偽外差解調(diào)法 (PseudoheterodyneDemodulation)[30]需要對光源進行調(diào)制，而且由于 PZT 的驅動頻率太低， 因 而 只 能 測 量 靜 態(tài) 或 緩 變 信 號 。因為低通濾波器的等效噪聲帶寬可以做得很窄，所以大部分噪聲濾除，而最終把有用信號檢測出來。從另一方面來看， ??t?? 又包含直流分量和