【正文】 Bragg 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)。在光纖馬赫－曾德干涉儀中，光耦合器起著分束與混合光信號(hào)的雙重作用，使光干涉得以實(shí)現(xiàn)。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。壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 38 頁(yè) 由信號(hào)發(fā)生器提供。則 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度為： V = 伏。 將光電探測(cè)器輸出電壓 V 送給 PZT 則形成相位反饋的閉環(huán)控制，即在干涉儀兩臂正交（ 2/??? ???? rS ）時(shí)，如果外界影響，使得工作點(diǎn)偏離正交點(diǎn)，偏移為 ?? ，那么，為保持兩臂相位差仍為 2/? ，應(yīng)使得反饋相位 F? 滿(mǎn)足： 2/????? ????? rsF （ ） 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 38 頁(yè) 即反饋系統(tǒng)要使 0???? F?? ，即為 使系統(tǒng)靈敏度達(dá)到最高， 干涉儀 的 相位差保持在 2/? ，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，本系統(tǒng)采用此方法實(shí)現(xiàn)相位信號(hào)的解調(diào)。 光纖光柵傳感信號(hào)的調(diào)制研究 當(dāng)應(yīng)變作用在 FBG 上時(shí)，反射光的中心波長(zhǎng)發(fā)生改變，兩路光的相位差將被引入一個(gè)增量，如式 ()所示。它由信號(hào)通道、參考通道以及相敏檢波和低通濾波器三大部分組成。 濾 波相 敏檢 波低 通濾 波整 形 移 相 器A . C A . CP S DD . C輸 入 信 號(hào)i ( t ) 前 放 選 放輸 出參 考 信 號(hào)圖 鎖定放大器的構(gòu)成原理圖 由光電探測(cè)器輸出光強(qiáng)信號(hào)的展開(kāi)可以看到，信號(hào)包含了載 波 0? 的各次諧波分量，同時(shí)各次諧波附近包含了由被測(cè)信號(hào)引入的邊帶。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體情況，零差法的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)電路的設(shè)計(jì)制作要求較低，并在一些情況下可以用反饋電路直接對(duì)溫度波動(dòng)等環(huán)境干擾進(jìn)行補(bǔ)償。光纖光柵的調(diào)諧方法采用懸臂梁線(xiàn)性調(diào)諧技術(shù)，實(shí)驗(yàn)中傳感光纖光柵用紫外膠粘貼于懸臂梁上，通過(guò)調(diào)諧懸臂梁模擬待測(cè)傳感量的變化。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 光纖光柵懸臂梁調(diào)節(jié)技術(shù)原理圖 圖 光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)試系統(tǒng) 懸臂梁長(zhǎng)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(duì)應(yīng)每個(gè)調(diào)諧位置，測(cè)試光纖光柵的反射譜。所以下面對(duì)正弦信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行仿真，采用的是文氏震蕩正 弦發(fā)生器。 圖 鎖定放大器的仿真電路 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 31 頁(yè) 共 38 頁(yè) 如圖 為待測(cè)信號(hào)，待測(cè)信號(hào)為 100HZ 的正弦信號(hào)。當(dāng)調(diào)整參考信號(hào)的相位差，使相位差為零時(shí)，同步檢測(cè)器的輸出信號(hào)只與被測(cè)信號(hào)的幅度有關(guān)，因而可以實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)的要求。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 正弦波發(fā)生電路 正弦波的頻率由 R、 C 決定， RCf ?2 1? ， R=R2=R3， C=C1=C2。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè) 共 38 頁(yè) （ a） (b) 圖 應(yīng)變作用下的光柵 反射譜及中心波長(zhǎng) 調(diào)節(jié)調(diào)諧裝置，懸臂梁自由端位移相隔 mm ，測(cè)試光纖光柵的反射譜中心波長(zhǎng)值，共測(cè)試 14 個(gè)點(diǎn)，光柵的 Bragg 波長(zhǎng)與懸臂梁自由端位移的變化關(guān)系如圖 45 所示，可見(jiàn)它們呈現(xiàn)出良好的線(xiàn)性關(guān)系。 寬 帶 光 源非 平 衡 M Z 干 涉 儀 示 波 器 3 d B 耦 合 器貼 在 懸 梁 臂 上 的 F B G 圖 光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)試系統(tǒng)原理圖 懸臂梁調(diào)諧技術(shù)的基本原理如圖 所示。重點(diǎn)從光纖 Bragg 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，對(duì)光纖 Bragg 光柵測(cè)量系統(tǒng)解調(diào)模塊所采用的光纖馬赫－曾德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(guò)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(lái)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(zhǎng)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(guò)兩種途徑來(lái)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(cè)量的分辨率、精度和動(dòng)態(tài)范圍。由式（ ）和式（ ）得光纖 Bragg 光柵的 應(yīng)變 量與 PZT 振動(dòng)幅度的關(guān)系： )s in (0 tVdkB ?? ????? （ ） 由式 （ ）、式（ ）和式（ ）得知最后測(cè)得的電壓值為： 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 38 頁(yè) BBBAndVVV ??? ??? 22 () 其中， AV 和 BV 均為常數(shù)。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)極點(diǎn)上。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。其作用是將包含固體表面速度特征信息的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。因譜寬越窄，相干時(shí)間越短，還有利于提高系統(tǒng)的分辨率，故選取譜寬較寬的光源。 光纖偏振控制器用來(lái)控制參考臂中傳播 的參考光的偏振態(tài)，使參考光和信號(hào)光的偏振態(tài)相互匹配，因?yàn)閭鬏敼馄駪B(tài)對(duì)于相干光通信和光纖干涉儀以及干涉型光纖傳感器的影響非常明顯。 光纖 Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖 本文設(shè)計(jì)的光纖 Bragg 光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。由式（ ）可以看出 Bragg 波長(zhǎng)的漂移不是應(yīng)變和溫度單獨(dú)作用時(shí)引起波長(zhǎng)漂移量的簡(jiǎn)單疊加，還存在力學(xué)和熱學(xué)量的相互作用，這也是交叉敏感度系數(shù)存在的意義 [29]。但是光纖光柵本身的溫度靈敏度非常低，隨著溫度的變化，因熱膨脹引起的光柵周期改變與熱光效應(yīng)引起的折射率改變效應(yīng)相比很小，例如式（ ）所示波長(zhǎng)為 1550nm 的光纖光柵，其溫度敏感性?xún)H為 Cnm0/ 。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。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)變傳感的基本關(guān)系式 [25]。對(duì)于其他的一些物理量，如加速度、振動(dòng)、濃度、液位、電流、電壓等，都可以設(shè)法轉(zhuǎn)換成溫度或應(yīng)力的變化，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。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，得到光纖 Bragg 光柵反射波長(zhǎng)的基本表達(dá)式為 [20]： ?? 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，即折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng)， ? 為光柵的周期，即折射率調(diào)制的空間周期。 （ 6） Taper 型光纖光柵（ taper grating）：這是一種切趾光柵，它的周期均勻，但折射率隨一定的函數(shù)關(guān)系變化，正弦型 Taper 光纖光柵可構(gòu)成各種濾波器、波長(zhǎng)變換器和光插 /分復(fù)用器。因此，光纖光柵的類(lèi)型按其空間周期和折射率分布特征主要發(fā)展為一下幾種 [17]： （ 1）均勻周期光纖布拉格光柵（ uniform Bragg grating）：這是最為常見(jiàn)的一種光纖光柵，其折射率變化的周期一般為 m?110? 量級(jí)。考慮到光纖 Bragg光柵是目前最廣泛 的光纖光柵傳感器，使傳感特性是研究其在傳感領(lǐng)域的基礎(chǔ)，而應(yīng)變和溫度的測(cè)量是光纖 Bragg光柵最基本兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，這方面的理論以及相關(guān)傳感信號(hào)的解調(diào)技術(shù)的研究變得更加重要。論文主要研究工作如下： （ 1）介紹了課題的研究背景及國(guó)內(nèi)外光纖 Bragg 光柵的應(yīng)用狀況，并論述了光纖光 柵測(cè)量系統(tǒng)的研究意義以及論文的目的和主要內(nèi)容。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。 1999 年，在美國(guó)新墨西哥 Las Cruces 10號(hào)州際高速公路的鋼結(jié)構(gòu)橋梁上，安裝了多達(dá) 120條 光纖 Bragg光柵 ，是當(dāng)時(shí)在橋梁上使用光纖 Bragg光柵最多的記錄 [13]。這在現(xiàn)代高科技及工業(yè)的發(fā)展諸如建筑結(jié)構(gòu)、航空航天、水壩橋梁、強(qiáng)場(chǎng)探測(cè)等領(lǐng)域的智能結(jié)構(gòu)中具有重大的實(shí)用價(jià)值 [10]。首先，在結(jié)構(gòu)件的制作過(guò)程中，通過(guò)這些嵌入的傳感器能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)諸如溫度、壓力、粘滯性、固化程度和殘余應(yīng)變等過(guò)程參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)制作過(guò)程的優(yōu)化和控制。后者輸出信息為頻率特征，不受導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度的影響，靈敏度和穩(wěn)定性也較好。同時(shí)，其安全可靠性己成為當(dāng)今社會(huì)普遍關(guān)注的重大問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)早期建筑物應(yīng)變的監(jiān)測(cè)能大大節(jié)約建筑物的維修費(fèi)用，可以避免最終頻繁大修所引起的重大損失 [3]。 光纖光柵的類(lèi)型及其特點(diǎn) ............................................................................................... 6 光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)及傳感原理分析 ........................................................................... 7 均勻軸向應(yīng)力下的光纖 Bragg 光 柵傳感特性分析 ........................................................ 9 均勻橫向應(yīng)力下的光纖 Bragg 光柵傳感特性分析 ...................................................... 11 光纖 Bragg 光柵溫度傳感特性分析 .............................................................................. 11 光纖 Bragg 光柵應(yīng)變、溫度測(cè)量的交叉敏感 .............................................................. 13 本章小結(jié) ......................................................................................................................... 13 3 光纖 Bragg 光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ......................................................................... 15 光纖 Bragg 光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖 .......................................................................... 15 非平衡馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x ......................................................................................... 16 光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x解調(diào)的結(jié)構(gòu) ......................................................................... 16 光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的參數(shù)計(jì)算 ......................................................................... 17 光纖 Bragg 光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件選擇 .................................................................. 17 系統(tǒng)光源的選擇 ..........................................................................................................