【正文】 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)，因而均不能實現(xiàn)對重大工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的長期監(jiān)測。 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。 最后， 通過光纖布拉格光柵應(yīng)變特 性實驗，并對信號解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號和 PZT 驅(qū)動信號的發(fā)生器以及 A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計與軟件仿真 ，驗證了系統(tǒng)的可行性。 畢業(yè)設(shè)計說明書 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（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（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 關(guān)鍵詞： 光纖布拉格光柵，光纖馬赫－曾德爾干涉儀，信號解調(diào) Building monitoring technology research based on fiber Bragg grating 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 33頁 Abstract The purpose of this paper is the strain measurement system design and experimental studies in the monitoring of building,on the basis of indepth analysis of the research status,summed up the the development trend of the fiber Bragg grating sensors and several major issues that need to be addressed in practical applications,according to the actual needs of the strain measurement system for fiber Bragg grating,carried out research on all aspects of the fiber Bragg grating strain measurement system. First, studied the principle of fiber Bragg grating sensors in the thesis, of which, analyzed the characteristics of fiber Bragg grating sensor under uniform axial and transverse stress, fiber Bragg grating temperature sensing properties, and cross sensitivity properties of the fiber Bragg grating strain and temperature measurement. Theoretically show the feasibility of fiber Bragg gratings for strain measurement. Second, designed the strain measurement system based on fiber Bragg gratings, the method mainly choicely is bining the Application of fiber Mach Zehnder interferometer with the phase generated carrier modulation and demodulation technology to achieve the demodulation of fiber grating sensor signal, and conducted the theoretical analysis. And based on the temperature response characteristics of fiber grating, proposed a design that using a reference grating to achieve temperature pensation for fiber Bragg grating strain measurement. Finally,verified the feasibility of the system by doing the experiment of fiber Bragg grating strain characteristics,and conducting the hardware design and software simulation ,which the lockin amplifier of the signal demodulation part, the signal generator of the reference signal to the phase sensitive detector and the signal driving the PZT and circuit of A / D converter circuit. Keyword: Fiber Bragg Grating, Optical Fiber Mach Zehnder Interferometer, The Signal Demodulation 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 33頁 目 錄 1 緒論 ................................................................... 1 引言 ................................................................. 1 課題研究的背景及意義 ................................................. 1 課題研究的背景 ..................................................... 1 課題研究的意義 ..................................................... 2 光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................. 4 國外研究現(xiàn)狀 ....................................................... 4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ....................................................... 4 課題研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 ............................................... 5 2 光纖 Bragg 光柵傳感器的原理 ............................................. 6 均勻軸向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析 ................................. 6 均勻橫向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析 ................................. 8 光纖 Bragg 光柵溫度傳感特性 ........................................... 9 光纖 Bragg 光柵應(yīng)變、溫度測量的交叉敏感 .............................. 10 本章小結(jié) ............................................................ 10 3 光纖布拉格光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的設(shè)計 ...................................... 11 光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) .......................................... 11 溫度補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn) ...................................................... 12 光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)解調(diào)模塊的設(shè)計 .................................. 13 光纖 M— Z 干涉儀系統(tǒng)設(shè)計 ........................................... 13 后續(xù)信號處理模塊的設(shè)計 ............................................ 17 本章小結(jié) ............................................................ 20 4 系統(tǒng)的硬件仿真與實驗 .................................................. 21 光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實驗 .......................................... 21 信號解調(diào)模 塊的設(shè)計與仿真 ............................................ 24 相敏檢波參考信號和 PZT 驅(qū)動信號發(fā)生器的設(shè)計與仿真 .................... 25 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與仿真 ............................................. 26 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 33頁 本章小結(jié) ............................................................ 27 5 結(jié)論與展望 ............................................................ 28 結(jié)論 ................................................................ 28 展望 ................................................................ 28 參考文獻(xiàn) ................................................................ 30 致 謝 ................................................................... 33 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 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。日益增多的應(yīng)用成果表明，光纖光柵已成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無源器 件之一 [13,14]。③已廣泛研究的光纖微彎傳感器始終存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如受光強(qiáng)影響大、光纖彎曲損耗和連接損耗大。 如運(yùn)用光纖傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù)，監(jiān)測橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化，檢測肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。 課題研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本論文對光纖布拉格光柵測量的基本原理和傳感原理進(jìn)行了 分析；對近年來報道的光纖光柵傳感系統(tǒng)信號解調(diào)的方法進(jìn)行研究和比較，提出利用光纖馬赫－曾德爾干涉儀進(jìn)行應(yīng)變測量，并用相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行信號解調(diào)的測量系統(tǒng)。其引起的光纖 Bragg 光柵波長的飄移克表示為： ? ? ? ? TpeBB ?????? ????? 1 （ ） 式中： ? 為光纖布拉格光柵軸向應(yīng)變， T? 為溫度變化量， ep 為有效彈光系數(shù)， ? 、 ? 分別為光纖布拉格光柵的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。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。傳感模塊由光源 、光纖和光纖光柵組成。因功率越大，信號越易檢測。鎖定放大器的輸出電壓是經(jīng)計算機(jī)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(jié)果中減去參考光柵解調(diào)結(jié)果，由此實現(xiàn)了用參考光柵來補(bǔ)償溫度擾動對應(yīng)變測量的影響。 ? 是很方便的，由此實現(xiàn)了用參考光柵來補(bǔ)償溫度擾動對應(yīng)測量的影響。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