【正文】 望在實(shí)際應(yīng)用中推廣。 寬帶光源 寬帶光源是指在一個(gè)較寬波長范圍內(nèi)都發(fā)光的光源，在光纖光柵傳感中有著較為廣泛的應(yīng)用。 第 3章 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 可調(diào)諧 FP 濾波法 寬 帶 光 源 隔 離 器 耦 合 器可 調(diào) F P 腔P DF B G 1 F B G n可 調(diào) F P 濾 波 器驅(qū) 動(dòng) 電 壓 圖 35 可調(diào)諧 FP 濾波法 寬帶光源發(fā)出的光，經(jīng) 過 隔離器與 3dB 耦合器后到達(dá) 光纖 Bragg 光柵陣列，滿足 Bragg 條件的光被反射回來，反射光是窄帶光， 接著 進(jìn)入可調(diào)諧 F P 腔中，通過不斷改變驅(qū)動(dòng)電壓，改變可調(diào)諧 F P 腔的腔長，當(dāng) F P 腔的透射波長與 FBG 的反射波長一致時(shí)，探測器 將 探測到最大光強(qiáng)，此 時(shí)施加的電壓 便和 FBG 反射波長 一一對應(yīng) 。為了滿足實(shí)用化和商業(yè)上的要求，人們提出了 多種 解調(diào)方案，大致分為以下幾類 [5]： 光譜儀檢測法 寬 帶 光 源 耦 合 器高 精 度 光 譜 儀F B G 1F B G n 圖 31 光譜儀檢測法原理圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 測量光纖光柵傳感器波長漂移最直接的方法就是用高精度的光 譜儀或單色儀檢測其輸出波長漂移量 B?? [5]。 假設(shè)光纖光柵僅受 到 軸向 應(yīng) 力作用 ,忽略其它方向的 應(yīng) 力， 而且 忽略溫度及其它參數(shù)的影響。 為方便 分析 ，對 (28)式中，記 ? ?0 effn n z?? ， ? ?effn n z???? ，橫坐標(biāo)取波長差 D? ? ?? ? ? ，縱坐標(biāo)歸一化 。 光纖 Bragg 光柵的波長 2B effn? ?? （ 21） 式中 B? 為反射光的中心波長， effn 為光纖光柵芯區(qū)的有效折射率， ?為光柵的周期 [1]。例如， 1993 年，光纖光柵傳感器首先被用在加拿大的 Beddington Trail 大橋中，用來實(shí)現(xiàn)對橋 梁的應(yīng)力的測量和對橋梁的結(jié)構(gòu)檢測。 （ 3） 長周期光纖光柵 長周期光纖光柵也被稱為透射光柵 ， 其柵格周期一般在幾十到幾百微米之間，光柵的波矢方向同 FBG 一樣，與光纖軸線方向一致。T 貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Vengsarkar 等人用紫外光通過振幅模板照射載氫硅鍺光纖制成了長周期光纖光柵，并利用長周期光纖光柵制作了帶阻濾波器以及均衡濾波器。如現(xiàn)有文獻(xiàn)所說，振動(dòng)傳感器包含相位型光纖振動(dòng)傳感器，它是以光纖光相位變換來表示被檢測物理量的，而光相位變化則是用馬赫 曾德爾干涉計(jì)直接調(diào)制光源得到相位載波進(jìn)而得到的。激光》、《 Electronics Letters》、《 Photonics Technology Letters》等 周 次 第 1～ 4 周 第 5～ 8 周 第 9～ 12 周 第 13～ 16 周 第 17～ 18 周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 查閱收集相關(guān)資料，對研究內(nèi)容進(jìn)行初步學(xué)習(xí) 提出設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方案 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 完成論文初稿及修改 撰寫論文，準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師：滕峰成 職稱：副教授 年 月 日 系級教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 I 摘要 光纖光柵（ fiber grating）最近幾年發(fā)展迅速，其在傳感方面的應(yīng)用研究引起了人們廣泛的關(guān)注。 關(guān)鍵詞 光纖光柵 ； 振動(dòng)解調(diào) ； 可調(diào)諧 FP 濾波器 II Abstract FBG (fiber grating) has developed rapidly in recent years, and its sensing application research has aroused widespread concern. With the development of optical fiber sensing technology, optical fiber grating sensor received extensive worldwide attention, because of the advantages of its corrosion resistance, high insulation. Optical fiber grating sensor has achieved a wide application in the fields of civil engineering, aerospace and other fields. This article focuses on fiber Bragg grating (FBG) vibration sensor system research, also focuses on the FP filterbased demodulation scheme. Including the following: Make detailed description of fiber grating from the development of fiber grating dynamic, classification and fiber grating sensor research status, and other aspects of the problems. Make the mathematical model of fiber grating using the mode coupling theory. Based on the transmission of the fiber grating theory, make detailed theoretical analysis of axial strain on fiber grating temperature characteristics, and deducted the corresponding sensor model. It describes several fibers grating sensing technologies, and identified tunable FP filter method as the demodulation scheme. Introduces the working principle of the modulation scheme, on which the 2 2 and 3 3 coupler is constituted to MZ interferometer wavelength fiber grating demodulation methods for the study of the sensing system and established a model for the relevant theoretical analysis, the relevant mathematical equations, to write MATLAB program to provide a the MATLAB simulation program of FP tunable filter based on fiber grating vibration demodulation method, and make verification of the theoretical analysis and design carried on. Key words Fiber Bragg grating。后來直到1989 年，在美國聯(lián)合技術(shù)研究中心， 等人利用準(zhǔn)分子激光泵浦倍頻激光器輸出的 244nm 的紫外光作為光源，用分振幅干涉法在摻鍺石英光纖上做出了第一個(gè)位于通信波段的布拉格光纖 光柵 (FBG)，解決了光柵制作困難等技術(shù)問題，光纖光柵的研究才得到飛速的發(fā)展。 （ 1） 光纖布 拉 格光柵 (FBG) 光纖 Bragg 光柵是最早出現(xiàn)的一種光纖光柵，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種光纖光柵。變跡光柵對均勻光柵的反射譜具有很強(qiáng)的抑制邊模振蕩的作用。如，40 個(gè)光纖光柵傳感器被用于開發(fā)分布式氫氣泄漏傳感系統(tǒng)，這個(gè)分布式氫氣泄漏傳感系統(tǒng)是由美國馬里蘭州大學(xué)工程學(xué)院用光纖光柵開發(fā)得到的。在理想波導(dǎo)情況下，這些模式之間相互正交而且沒有能量交換。 由 Bragg 公式 2B effn? ??可以看出，反射光波長主要由周期 ? 來決定。第 3章 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 第 3 章 光纖光柵 振動(dòng) 解調(diào)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 光纖光柵的解調(diào)方案 信號檢測是傳感解調(diào)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換和傳遞的檢測系統(tǒng)，它能準(zhǔn)確、迅速地測出信號幅度的大小并能無失真地再現(xiàn)被測信號隨時(shí)間的變化過程，解調(diào)系統(tǒng)不僅要精確地測量待測信息的幅值，而且還要記錄和跟蹤其整個(gè)變化過程。 匹配光柵法 寬 帶 光 源 耦 合 器耦 合 器 P D 檢 測 系 統(tǒng)F B G 1F B G 2匹 配 液匹 配 液調(diào)諧匹 配 液匹 配 液應(yīng) 變 圖 33 匹配光柵法 匹配光柵濾波法 采 用一個(gè)與傳感光纖光柵相匹配（參數(shù)相同）的光纖光柵來作為參考元件，使匹配光柵在驅(qū)動(dòng)元件的作用下來跟蹤傳感光柵的波長變化，進(jìn)行匹配濾波，然后通過測量驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)信號與外界物理量的對應(yīng)關(guān)系，最終獲得外界物理量的變化。本文設(shè)計(jì)的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)采用非平衡 MZ 干涉儀，其光路部分如下圖所示。 2 2 耦 合 器 3 3 耦 合 器ILL + Δ LI 1I 2I 3 圖 37 MZ干涉儀 由傳輸矩陣?yán)碚摽芍?22 光纖耦合器的傳輸矩陣為： 1 11 12 iT i??? ???? （ 31） 兩段長度不等的光纖傳輸矩陣為： 2 exp 001iT ????? ???? （ 32） 式中 ? ?2n= Lt?? ? ??——兩段光纖的相位差； L? ——MZ 干涉儀的臂長差。當(dāng)傳感光柵感應(yīng)到外界的溫度或應(yīng)變時(shí)， 中心 反射波長峰值發(fā)生漂移，此時(shí)匹配光柵 FBG2 的波長峰值與 FBG1 的波長峰值不匹配，光探測器的輸出 將 下降，此時(shí)調(diào)節(jié)匹配光柵 FBG2 ，使其反射波長峰值發(fā)生漂燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 移，當(dāng)兩個(gè)光柵的反射波長峰值再次匹配時(shí)，光探測器也相應(yīng)的達(dá)到最大值。其中，波長解調(diào)技術(shù)將待測信息進(jìn)行波長編碼，中心 反射 光譜為窄帶光譜， 并且 不必對光纖耦合器損耗以及光源輸出功率起伏進(jìn)行補(bǔ)償 ，這些優(yōu)點(diǎn)使其 得到了廣泛應(yīng)用。傅氏變換法在光纖光柵模板設(shè)計(jì) 、 取樣光纖光柵的光譜分析等方面具有重要的應(yīng)用 價(jià)值 。在只考慮導(dǎo)模有效折射率擾動(dòng)的情況下，紫外曝光后光纖的折射率分布可以表示為： ? ? ? ? ? ?21 c o se ffe ffn z n z z z?? ? ? ?????? ? ?????????? (26) 式中， ? ?effnz? 是平均折射率的變化， ? 是折射率變化條紋的可見度， ?是光柵周期， ??z? 為表示啁啾的參量 。 本文的主要工作 本文在對光纖光柵的發(fā)展和傳輸理論等的詳細(xì)敘述基礎(chǔ)上，提出設(shè)計(jì)思路， 確定了解調(diào)方案，最終實(shí)現(xiàn)了解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過仿真對系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。 光纖光柵傳感器 的研究現(xiàn)狀 由于光纖光柵作為傳感器有其自身所獨(dú)有的優(yōu)勢，如體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾，最重要的是這類傳感器是采用波長調(diào)制的。這種光纖光柵具有較窄的反射帶寬和較高的反射率，并且可以通過改變寫入條件來實(shí)現(xiàn)對反射帶寬和反射率的調(diào)節(jié)。在 1993 年， 等人又提出了位相掩模寫入技術(shù)，該方法通過紫外新激光照射相位模板，利用經(jīng)過相位掩模板衍射后的 177。 Tunable F P filter III 目錄 摘要 ........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章 緒論 ........................................................................................................1 課題研究的背景與意義 .............................................................