【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的變化，應(yīng)力的變化等。在光纖的基本光學(xué)性能里面已經(jīng)得到，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出： (210)其微分形式為： (211)從（210）和（211）式可以看出光柵布拉格波長(zhǎng)并不是一個(gè)常量，而是有一定的偏移量，且反射波長(zhǎng)的偏移量與光纖纖芯的有效折射率和光柵周期的變化有關(guān)。當(dāng)光柵受到軸向應(yīng)力的作用或者溫度的變化影響時(shí)，纖芯有效折射率和光柵的周期都會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)力作用下的光彈效應(yīng)導(dǎo)致折射率的變化，從而導(dǎo)致有效折射率發(fā)生變化；而當(dāng)溫度變化時(shí)，其產(chǎn)生的光熱效應(yīng)導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化。將耦合波長(zhǎng)看做溫度T和應(yīng)變的函數(shù)，則對(duì)和展開(kāi)長(zhǎng)泰勒級(jí)數(shù)為： ++……………… (212)當(dāng)T和不是很大時(shí)，略去和以上的高次項(xiàng)以及（212）式中的第四項(xiàng)，此項(xiàng)是溫度和應(yīng)變的關(guān)系型，分別為纖芯的熱膨脹系數(shù)，熱光系數(shù)和有效彈光系數(shù)，則（211）式可近似為：=+）=+ （213）在式（213）中，為光纖Bragg光柵的溫度響應(yīng)系數(shù)，為光纖Bragg光柵的應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)。首先，將問(wèn)題先簡(jiǎn)單化，不去考慮溫度和應(yīng)變的交叉敏感，分別考察僅在單一的溫度或應(yīng)力作用下光纖Bragg光柵的傳感特性。當(dāng)只受溫度影響時(shí)有 (214)由上式可以知道，溫度T的改變T 引起的布拉格反射波長(zhǎng)的漂移，漂移量為，這主要是由溫度變化引起的有效折射率的改變引起的，并且和T成線性關(guān)系，因此通過(guò)對(duì)光纖Bragg光柵中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)的檢測(cè)就可以確定被測(cè)量的值。 同理，忽略溫度的影響，當(dāng)只受應(yīng)力影響時(shí)有： = （215）由于應(yīng)力的作用，最終會(huì)引起光纖光柵的有效折射率和光柵柵距的變化，從而改變布拉格波長(zhǎng)。從（215）式中可以看到，其形式和（214）式相同，波長(zhǎng)的漂移量和應(yīng)力的變化量也成線性的關(guān)系，所以由波長(zhǎng)的變化量也可以方便的求出光柵在外界應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變的值。綜合考慮，當(dāng)溫度和應(yīng)力變的影響同時(shí)存在時(shí)有： = + （216）由（216）式可知，當(dāng)光纖Bragg光柵傳感器所受應(yīng)力或溫度發(fā)生改變時(shí)，光柵中心反射波長(zhǎng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)。當(dāng)溫度或應(yīng)變其中一個(gè)參量恒定時(shí)，波長(zhǎng)的移動(dòng)由應(yīng)變或溫度的改變引起。但是當(dāng)兩個(gè)參量對(duì)不是恒定的值的情況下，就無(wú)法確定波長(zhǎng)的移動(dòng)的具體由什么參量的改變引起的，更無(wú)法確定參量的改變量大小，這就是光纖Bragg光柵傳感器的交叉敏感問(wèn)題。 光纖光柵的傳感靈敏度 應(yīng)變靈敏度 當(dāng)溫度不變時(shí)，式(213)得出，沿軸向應(yīng)變和波長(zhǎng)的關(guān)系由下式給出 （217） 對(duì)于普通的光纖，在硅介質(zhì)中。根據(jù)（217）得出，光纖在軸向應(yīng)變作用下布拉格波長(zhǎng)的變化為： （218）所以，對(duì)于中心波長(zhǎng)1550nm波段。 溫度靈敏度與應(yīng)變靈敏度相同，式（213）得出，當(dāng)應(yīng)變不變時(shí)，光纖在溫度變化的作用下的布拉格波長(zhǎng)的變化程度為： = （219）對(duì)于多種光纖，當(dāng)溫度在20~150攝氏度之間變化時(shí), /度于是，對(duì)于=1550nm波段/度。光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨溫度及應(yīng)變的變化而變化，在光通信領(lǐng)域中，這成為光纖光柵應(yīng)用的 難題之一，而在光纖傳感領(lǐng)域，它又成為必要的技術(shù)基礎(chǔ)。第3章 光纖光柵解調(diào)方法 光纖光柵的解調(diào)概念在光纖光柵傳感技術(shù)中，解調(diào)過(guò)程與傳感過(guò)程正好相反，解調(diào)的過(guò)程其實(shí)就是信號(hào)檢測(cè)的過(guò)程，光纖光柵解調(diào)技術(shù)是研究從己被調(diào)制的光信號(hào)中還原出原解調(diào)信號(hào)的技術(shù)，還原出的信號(hào)與被測(cè)信號(hào)成一定的比例，當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，由光纖光柵反射的光波波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，并且根據(jù)第二章的推導(dǎo)可知反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量與被測(cè)量的變化量呈線性關(guān)系。若想要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，我們可以利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)或空間復(fù)用技術(shù)組成光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的方法可以實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們測(cè)得的被測(cè)量的精度越高越好，所以如何高測(cè)量光纖光柵的反射波長(zhǎng)移動(dòng)量的精度就成了我們研究光纖光柵傳感器的關(guān)鍵問(wèn)題。研究開(kāi)發(fā)體積小、成本低、精度高的解調(diào)系統(tǒng)是使光纖光柵傳感器能夠在實(shí)際工程應(yīng)用中得到推廣的關(guān)鍵問(wèn)題。為了促使光纖光柵傳感器的發(fā)展，使其滿足實(shí)用化的要求，人們對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)編碼信號(hào)進(jìn)行解調(diào)是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感實(shí)用得到關(guān)鍵。由于光纖光柵所測(cè)量的是由光柵反射的光的反射波長(zhǎng)，所以，對(duì)反射波長(zhǎng)移位的檢測(cè)精度就直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。因此，光纖光柵傳感系統(tǒng)中應(yīng)有某些檢測(cè)裝置使得可以精密的檢測(cè)波長(zhǎng)或者波長(zhǎng)的偏移量。下面是幾種目前比較成熟的解調(diào)技術(shù)的介紹。 光纖光纖傳感系統(tǒng)解調(diào)方法介紹 光譜儀檢測(cè)法光譜儀檢測(cè)法是一種最直接的波長(zhǎng)位移檢測(cè)方法，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于實(shí)驗(yàn)室使用。但是由于傳統(tǒng)的色散掕鏡或者衍射光柵為基礎(chǔ)的光譜儀的分辨率較低，所以造成了測(cè)量反射波波長(zhǎng)的精度不高，無(wú)法滿足實(shí)際情況的要求。高分辨率的光纖光譜分析儀可以滿足高精度測(cè)量的需求，但是其價(jià)格昂貴，體積龐大，由此構(gòu)成的系統(tǒng)成本高并且缺乏必要的緊湊性和牢固度，除此之外這種方法不適合在現(xiàn)在使用，在實(shí)際應(yīng)用的傳感器系統(tǒng)中是很不方便的，采用這種光譜儀檢測(cè)光纖光柵的波長(zhǎng)移位也是非常不現(xiàn)實(shí)的，更重要的是，光纖光譜儀直接測(cè)出的是光波的波長(zhǎng)的變化，它并不能直接輸出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)變化的電信號(hào)，這對(duì)于測(cè)量結(jié)果的記錄、存儲(chǔ)和顯示以及提供回路必要的電信號(hào)以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的目的是極為不利的。其示意圖如圖31所示。寬帶光源光耦合器光譜分析儀FBG圖31 光譜檢測(cè)儀法示意圖 非平衡馬赫曾德干涉儀跟蹤法1992年，A．D．Kersey等人提出了非平衡馬赫曾德干涉解調(diào)法，由于此種方法采用的是干涉法來(lái)檢測(cè)波長(zhǎng)的移位，所以其具有極高的檢測(cè)靈敏度，這種方法適合于高分辨率動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感信號(hào)的檢測(cè)。其解調(diào)原理如圖32所示，此方法引起了國(guó)內(nèi)外許多研究人員的重視，并對(duì)其進(jìn)行了研究。寬帶光源定向耦合器壓電陶瓷相位漂移補(bǔ)償差動(dòng)運(yùn)放信號(hào)處理電路光電探測(cè)器FBG圖32 非平衡馬赫曾德干涉儀跟蹤法原理圖 匹配光柵法匹配光柵濾波解調(diào)法是用一個(gè)與傳感光柵相匹配的接收光柵的波長(zhǎng)去推知傳感光柵的波長(zhǎng)。匹配光柵濾波解調(diào)法工作方式有兩種：一是反射方式，即傳感信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感光柵后進(jìn)入匹配光柵檢測(cè)反射光強(qiáng)，當(dāng)探測(cè)器接收光強(qiáng)最大時(shí)傳感光柵與匹配光柵中心波長(zhǎng)完全匹配。二是透射方式，與反射方式類似的檢測(cè)透射光強(qiáng)，當(dāng)探測(cè)器接收的光強(qiáng)達(dá)到最小的時(shí)候就可獲得傳感光柵的中心發(fā)射波長(zhǎng)。匹配光柵解調(diào)法的基本原理如圖33所示。寬帶光源耦合器1壓電陶瓷光電探測(cè)器FBG1隔離器耦合器2FBG2圖33 匹配光柵解調(diào)原理圖該方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)最終檢測(cè)的反射光強(qiáng)無(wú)絕對(duì)要求，各類強(qiáng)度噪聲也不會(huì)對(duì)輸出結(jié)果有影響。但這種方法也存在不可避免的缺點(diǎn)：一是要求兩個(gè)光柵嚴(yán)格匹配；二是由于傳感光柵的測(cè)量范圍不能很大，所以實(shí)際當(dāng)中測(cè)量的范圍受參考光柵應(yīng)變量的限制。 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法采用波長(zhǎng)周期變化的窄帶光譜掃描傳感光柵的發(fā)射譜?？烧{(diào)諧窄帶光源固定在呀電體PZT上，當(dāng)PZT受鋸齒波或正弦電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，窄帶光源的光譜在一定范圍內(nèi)變化。可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法示意圖如圖34所示?？烧{(diào)諧窄光源隔離器數(shù)字示波器傳感FBG驅(qū)動(dòng)電壓圖34 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)示意圖 線性邊帶濾波解調(diào)法這種方法主要是基于光強(qiáng)檢測(cè)。線性邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)如圖35所示。此系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要就是消除了光源波動(dòng)的影響，適用于動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的測(cè)量，具有較好的線性輸出，并且體積性對(duì)來(lái)說(shuō)可以做的很小，便于戶外使用。但是也不能忽略其缺點(diǎn)，由于分辨率是由濾波器的濾波曲線的斜度而定的，所以線性邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)分辨率不是很高，而濾波曲線的線性近似也會(huì)造成一定的不可避免的誤差。光源耦合器1