【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 　 （）式（）兩邊分別除上式兩端，可得Bragg波長(zhǎng)的變化量為 　 （）令 　 （） 　　 （）稱為光纖的熱光系數(shù)；稱為光纖的熱膨脹系數(shù)，結(jié)合熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)可得： （）令+，稱之為光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)。對(duì)于常用的石英光纖，熱膨脹系數(shù)。當(dāng)光纖光柵中心波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，由式（）可以計(jì)算光纖光柵的理論溫度靈敏度系數(shù)： （）但是由于摻鍺成分和摻雜濃度不同，各種光柵的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)會(huì)有所差別[27]。從上式可以看出光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)的變化與溫度同樣呈線性關(guān)系。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。如果光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)要達(dá)到1nm的變化，則溫度需要變化100。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[28]。若用表示基底材料的熱膨脹系數(shù)，則此時(shí)光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)相對(duì)偏移量與溫度及應(yīng)力的關(guān)系可表示為： 　 （） 從以上分析可以看出無(wú)論是應(yīng)變還是溫度，通過(guò)檢測(cè)光纖光柵波長(zhǎng)的漂移量或帶寬變化量，可以推測(cè)出待測(cè)物理場(chǎng)的狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)特性，人們已研制出了多種光纖光柵傳感器。 光纖Bragg光柵應(yīng)變、溫度測(cè)量的交叉敏感當(dāng)光纖Bragg光柵有效折射率或周期改變時(shí)，光柵反射回來(lái)的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移，應(yīng)力（或應(yīng)變）和溫度是最直接改變光柵Bragg波長(zhǎng)的物理量。當(dāng)只考慮這兩個(gè)物理量時(shí)，則光柵的中心反射波長(zhǎng)可表示為 （）對(duì)式（）泰勒展開后，可以發(fā)現(xiàn)，引起光柵Bragg波長(zhǎng)漂移的不僅僅是、還有它們的交叉項(xiàng)及高階項(xiàng)。當(dāng)、的變化量很小時(shí)，只取前三項(xiàng)，得到 （）式中，為應(yīng)變靈敏度系數(shù)，為溫度靈敏度系數(shù)，為交叉靈敏度系數(shù)。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]。從式（）和（）可以看出，對(duì)于為1550nm的光纖光柵，，光纖Bragg光柵的溫度靈敏度約為應(yīng)變靈敏度的10倍左右。對(duì)于建筑物這類以應(yīng)變監(jiān)測(cè)為主的結(jié)構(gòu)，用光纖Bragg光柵作為應(yīng)變傳感器時(shí)必須考慮如何提出溫度的影響。否則，會(huì)因溫度的變化而影響應(yīng)變測(cè)量的精度，尤其在建筑物的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中，但在本課題中，由于檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間比較短，實(shí)驗(yàn)室的溫度幾乎不變，故在檢測(cè)時(shí)可以忽略溫度對(duì)測(cè)量的影響。 本章小結(jié)本章從兩個(gè)方面對(duì)目前使用最廣泛的光纖光柵傳感器——光纖Bragg光柵進(jìn)行了研究。（1）介紹了光纖Bragg光柵基本物理結(jié)構(gòu)并對(duì)其傳播特性做了嚴(yán)格推導(dǎo)，得到了光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)公式和反射率公式；（2）在Bragg波長(zhǎng)公式的基礎(chǔ)上，對(duì)光纖光柵應(yīng)變和溫度的傳感特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，Bragg中心波長(zhǎng)與應(yīng)變和溫度之間有著良好的線性關(guān)系，任一物理量變化都會(huì)引起B(yǎng)ragg波長(zhǎng)的漂移；同時(shí)還對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感做了簡(jiǎn)單的分析，為課題的下一步奠定了基礎(chǔ)。3 光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在前兩章中分別介紹了光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究背景、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及光纖Bragg光柵的傳感原理與特性，為本章進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本章將設(shè)計(jì)一種光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并詳細(xì)討論包括系統(tǒng)光源選擇、光電探測(cè)器、光學(xué)器件互連、非平衡MZ干涉儀以及后續(xù)信號(hào)處理等系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了反饋放大電路，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 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。 非平衡MZ光纖干涉儀解調(diào)示意圖系統(tǒng)的工作原理為：寬帶光源發(fā)出的光通過(guò)3dB耦合器入射到傳感光纖光柵上，其反射光經(jīng)過(guò)兩個(gè)3dB耦合器進(jìn)入不等臂長(zhǎng)的MZ干涉儀，將布拉格波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成相位差變化，然后相位信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。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(cè)信號(hào)和參考信號(hào)一起輸入相敏檢波。相敏檢波之后輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入到計(jì)算機(jī)，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和高低通濾波及后續(xù)的處理。 非平衡馬赫－曾德爾干涉儀 －曾德爾干涉儀解調(diào)的結(jié)構(gòu)非平衡馬赫－： 光纖馬赫曾德爾干涉儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖光纖馬赫－曾德爾干涉儀由兩個(gè)臂即兩根單模光纖組成，因此需要一個(gè)分光器件和一個(gè)合光器件。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。信號(hào)處理需要對(duì)光纖馬赫－曾德爾干涉儀進(jìn)行調(diào)制以實(shí)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(guò)壓電陶瓷的脹縮來(lái)改變光纖的長(zhǎng)度[30]。，若干個(gè)光纖環(huán)繞在柱狀PZT上用來(lái)抵消因溫度的變化而產(chǎn)生的相位波動(dòng)，獲得相位正交偏執(zhí)條件。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。 光纖馬赫－曾德爾干涉儀的參數(shù)計(jì)算 攜帶著被測(cè)量信息的光波入射到光纖馬赫－曾德爾干涉儀，經(jīng)兩臂后輸出的光束疊加將產(chǎn)生干涉效應(yīng)。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(cè)量而變化，必須使兩路光的光程差不為零。這種情況下，光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩路光信號(hào)的相位差與干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差的關(guān)系可用下式表示： 　 （）式中，為光纖的有效折射率， 是干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差， 是 光纖Bragg光柵反射的中心波長(zhǎng)，為光纖光柵的光程差。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： （）式中，為應(yīng)變－頻移分辨率，為應(yīng)變變化量，為應(yīng)變引入的波長(zhǎng)變化量，由此可看出，利用MZ干涉儀解調(diào)光纖光柵波長(zhǎng)編碼時(shí)，通過(guò)選擇合適的光程差，當(dāng)光纖光柵反射光中心波長(zhǎng)移動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于注入干涉儀的光頻（波長(zhǎng)）發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)引起相位差的變化。故由探測(cè)器測(cè)知，便可得到FBG波長(zhǎng)移動(dòng)變化量。 光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件選擇 系統(tǒng)光源的選擇光纖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)。因此，光源的選取主要考慮以下因素：①譜寬。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。②功率。因功率越大，信號(hào)越易檢測(cè)。本系統(tǒng)采用ASE 穩(wěn)定化光源(型號(hào)：ASE100)，其波長(zhǎng)范圍為1528~1610， dBm，長(zhǎng)時(shí)功率穩(wěn)定度177。 光器件的互連 本系統(tǒng)是利用光纖Bragg光柵的反射光來(lái)測(cè)量應(yīng)變的，因此需要將光源、光纖光柵和解調(diào)信號(hào)用的光纖非平衡MZ干涉解調(diào)系統(tǒng)互連。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，本系統(tǒng)采用 FC(面接觸)型接頭和分光比 50%∶50%的 22 耦合器，即通常所說(shuō)的 3dB 光纖耦合器進(jìn)行連接，以方便實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。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)。 光電探測(cè)器的選擇 光電探測(cè)器是光學(xué)接收系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。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)。選擇光電探測(cè)器主要取決于兩個(gè)參數(shù)：一是探測(cè)器的靈敏度，二是探測(cè)器的帶寬。本系統(tǒng)采用的光源的額定輸出功率為 dBm，光譜寬度為82 nm(假設(shè)光功率平均分布在這段光譜范圍內(nèi))，選用的光纖光柵的帶寬為 nm。因此，選用的探測(cè)器的靈敏度應(yīng)該在 nW 量級(jí)。對(duì)于本系統(tǒng)測(cè)量的應(yīng)變量而言，最高頻率約為幾百赫茲左右；再考慮到光纖馬赫－曾德干涉儀上的調(diào)制信號(hào)為 1 KHz 左右，因此，探測(cè)器的帶寬達(dá)到千赫茲量級(jí)即可。常見的能用于中心波長(zhǎng) 1550 nm 附近光纖光柵傳感系統(tǒng)的探測(cè)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)。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。 壓電陶瓷的調(diào)制及參數(shù)計(jì)算 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交流測(cè)量，需要在光纖馬赫－曾德干涉儀的一臂引入調(diào)制，本系統(tǒng)采用將干涉儀的一臂纏繞在壓電陶瓷（PZT）上來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。由壓電堆疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(PZT)是高精度微位移器件，能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的位移量。在光學(xué)干涉方面，主要利用其逆壓電效應(yīng)，給PZT施加一定的電壓，PZT 即產(chǎn)生微米量級(jí)的位移，使連接在其上的光學(xué)元件也產(chǎn)生相應(yīng)的空間位置變化[24]。壓電陶瓷PZT 由專用的驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)電源是高壓直流功率放大器。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。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(qū)動(dòng) PZT，實(shí)現(xiàn)光纖馬赫－曾德干涉儀的調(diào)制；而后者的放大倍數(shù)為 10，輸出20~120 V 的電壓，用于驅(qū)動(dòng)預(yù)加載閉環(huán)壓電陶瓷管，可以使 FBG 產(chǎn)生應(yīng)變或?qū)饫w干涉儀作光程調(diào)節(jié)。壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器提供。光纖馬赫－曾德干涉儀調(diào)制的深度首先取決于 PZT 上光纖纏繞的圈數(shù)，其次取決于調(diào)制信號(hào)的幅度。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。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。下面根據(jù)光纖馬赫－曾德爾干涉儀系統(tǒng)的參數(shù)，計(jì)算壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小。光纖馬赫－曾德干涉儀被調(diào)制臂光纖的伸長(zhǎng)量為： （）式中，為 FBG 反射光的中心波長(zhǎng)，為光纖的有效折射率， PZT的調(diào)制幅度C =。實(shí)驗(yàn)中采用的光纖光柵中心波長(zhǎng) =1550 nm，有效折射率=： =。PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度V 由下式計(jì)算得到： 　 　 （）式中，為光纖在 PZT 管上纏繞的圈數(shù)，在本系統(tǒng)中 =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。則 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度為：=。由式（）得光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的變化量為： （）但在本課題中，由于檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間比較短，實(shí)驗(yàn)室的溫度幾乎不變，故在檢測(cè)時(shí)可以忽略溫度對(duì)測(cè)量的影響，而光纖Bragg光柵應(yīng)變變化量為：