【文章內(nèi)容簡介】 伸縮兩個作用，當有應(yīng)力作用于光纖光柵 FBG 時，光柵周期會發(fā)生改變，進而導(dǎo)致波長的變化。 FBG 的軸向應(yīng)變引起的光柵周期的變化為： （234）在恒定溫度下，有效折射率的變化可以由彈光系數(shù)矩陣 和應(yīng)變張量矩陣表示： （235）其中： 分別表示x， y ，z方向。因為應(yīng)力為零，應(yīng)變張量矩陣可以表示為： （236）彈光矩陣為： （237）式中：為彈光系數(shù)，為纖芯材料泊松比，對各項同性的材料來說。由于剪切應(yīng)變的存在，因此只考慮彈光張量中 時的矩陣元，所以彈光張量可簡化為： （238）把()和()代入()得： （239）因此沿方向折射率的變化為： （240）定義有效彈光系數(shù) 為： （241）則可以得到應(yīng)變靈敏度系數(shù)為： （242）對于摻鍺石英光纖來說，= ， = ， =，因此得 =， 則光纖光柵應(yīng)變測量的一般公式為[5]： （243）　光纖光柵的溫度傳感特性溫度影響 Bragg 中心反射波長是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。在軸向壓力保持恒定時，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期的變化為： （244）其中為光纖熱膨脹系數(shù)。在摻鍺石英光纖中， 由光效應(yīng)引起的有效折射率變化為： （245）式中為光纖材料熱光系數(shù)。在摻鍺石英光纖中， .由公式（244）（245），可得溫度變化產(chǎn)生的 Bragg 波長變化為： （246）由上式可以看出，在無應(yīng)變的情況下，Bragg波長的變化與溫度的變化成線性關(guān)系。　本章小結(jié)本章介紹了光纖光柵的理論模型，光纖光柵的基本理論，并應(yīng)用模耦合理論對光纖光柵的反射譜進行了分析，根據(jù)外界應(yīng)力或溫度變化對光纖光柵的影響，建立了光纖光柵的應(yīng)變及溫度傳感模型，為以后的系統(tǒng)建立奠定了基礎(chǔ)。13第3章　光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計第3章　光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計　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)的實質(zhì)是一個信息轉(zhuǎn)換和傳遞的檢測系統(tǒng)，它能準確、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變化過程。光纖光柵傳感信號的解調(diào)方案包括相位解調(diào)、頻率解調(diào)和波長解調(diào)等。其中，波長解調(diào)技術(shù)將待測信息進行波長編碼，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行補償，這些優(yōu)點使其得到了廣泛應(yīng)用。在傳感過程中，光源發(fā)出的光波由傳輸通道經(jīng)耦合器進入傳感光柵，傳感光柵在外場應(yīng)力的作用下，對光波進行調(diào)制；接著，含有應(yīng)變信息的調(diào)制光波被傳感光柵反射(或透射)，由連接器進入接收通道而被探測器接收解調(diào)并輸出。由于探測器接收的光譜包含了應(yīng)變的信息，因而對探測器檢測出的光譜進行分析，便可獲得應(yīng)變信息。因此選擇波長解調(diào)方式進行解調(diào)。光纖光柵傳感信息采用波長編碼方式，其解調(diào)原理是把傳感信息從波長編碼中完整的解調(diào)出來，解調(diào)系統(tǒng)中，我們關(guān)心的是中心反射波長的漂移量 ，因此的檢測技術(shù)是光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了滿足實用化和商業(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]：　光譜儀檢測法圖31　光譜儀檢測法原理圖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[5]。其原理圖如上圖所示，被傳感光柵反射的光經(jīng)過耦合器后直接在高精度光譜儀中顯示波長的變化情況。光譜儀檢測法是最基本的測量方法，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，適宜在實驗室中使用。缺點是基本上只有在實驗室中使用，且一般的光譜儀分辨率較低，無法滿足顯示應(yīng)用的要求，而高分辨率的光譜分析儀雖然可以滿足要求，但是價格昂貴、體積龐大，不方便攜帶?！∵吘墳V波器法圖32　邊緣濾波器法邊緣濾波器法是利用波分耦合器的傳輸特性來測量光纖光柵波長變化的。寬帶光源發(fā)出的光被傳感光柵反射回來，接著進入一波分耦合器，出射光被分為兩束，一束光直接進入處理電路，作為參考信號，另一路則先通過邊緣濾波器再進入處理電路。 兩束出射光經(jīng)過光電探測器后變成了電信號，經(jīng)過處理后消除了光功率變化所帶來的影響，經(jīng)過濾波器后的電信號與參考電信號的比值與波長偏移成比例關(guān)系，由此可以得到波長的變化情況。邊緣濾波器法具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、便攜靈巧、性價比較高，有良好的線性輸出特性等優(yōu)點。但是因為器件傳輸特性的影響，測量的分辨率較低，因此只適用于一些對測量分辨率要求不高的場合?！∑ヅ涔鈻欧▓D33　匹配光柵法匹配光柵濾波法采用一個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)動元件的作用下來跟蹤傳感光柵的波長變化，進行匹配濾波，然后通過測量驅(qū)動元件的驅(qū)動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。工作原理：FBG1為傳感光柵，可調(diào)諧的FBG2 為匹配光柵，在相同溫度和應(yīng)變的情況下，兩者的光纖光柵波長是完全相同的，此時系統(tǒng)輸出信號幅度最高。當傳感光柵感應(yīng)到外界的溫度或應(yīng)變時，中心反射波長峰值發(fā)生漂移，此時匹配光柵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，此時調(diào)節(jié)匹配光柵FBG2 ，使其反射波長峰值發(fā)生漂移，當兩個光柵的反射波長峰值再次匹配時，光探測器也相應(yīng)的達到最大值。匹配光柵法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，檢測靈敏度高，并且系統(tǒng)成本較低。缺點是要求兩個光柵嚴格匹配，且受參考光柵應(yīng)變量的限制，傳感光柵的測量范圍不能太大，而且調(diào)諧機構(gòu)的一些特性會對系統(tǒng)解調(diào)精度產(chǎn)生影響?！》瞧胶?MachZehnder 干涉法圖34　非平衡 MachZehnder 干涉法基本解調(diào)原理：寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過3dB 耦合器后進入傳感光纖光柵，被光纖光柵反射回來的光再次進入耦合器，其輸出光作為有效輸入光進入非平衡 MachZehnder 干涉儀，通過檢測干涉儀的輸出光強就可以實現(xiàn)解調(diào)目的，得到光柵的波長值。其優(yōu)點是分辨率比較高，在帶寬和高解析度的解調(diào)能力方面都有著很好的效果，缺點是只適用于測量動態(tài)應(yīng)變，不適用于對靜態(tài)與準靜態(tài)的檢測，并且由干涉儀的相位變化范圍決定的測量范圍非常有限，而且會產(chǎn)生絕對波長測量的損耗?！】烧{(diào)諧FP濾波法圖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 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，接著進入可調(diào)諧 F P 腔中，通過不斷改變驅(qū)動電壓，改變可調(diào)諧 F P 腔的腔長，當 F P 腔的透射波長與 FBG 的反射波長一致時，探測器將探測到最大光強，此時施加的電壓便和 FBG反射波長一一對應(yīng)?？烧{(diào)諧FP濾波法的優(yōu)點是其精度較高，體積小，價格低，易于復(fù)用，可以直接輸出對應(yīng)于波長的電信號。缺點是掃描頻率不高，不太適合于高速率的動態(tài)傳感系統(tǒng)。我的課題是基于FP濾波器光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng)。提出了一種利用法布里一玻羅腔作為濾波器，將FBG傳感振動信號產(chǎn)生的Bragg波長的漂移轉(zhuǎn)化為F—P濾波器透過光強度的變化來傳感解調(diào)的方法，通過實驗驗證，可知該方法能克服相位型光纖振動傳感器和匹配光纖光柵振動傳感器的一些缺點，性能穩(wěn)定，價格低廉，精確度高，具有較高的實用價值，有望在實際應(yīng)用中推廣?！」饫w光柵振動解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計通過上述解調(diào)方案的比較，結(jié)合我的畢設(shè)課題要求，選取可調(diào)諧FP濾波器解調(diào)法來實現(xiàn)振動解調(diào)。 光纖光柵振動解調(diào)系統(tǒng)圖36 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)原理圖工作原理：從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器和耦合器后，傳送到FBG傳感器，只有滿足相干條件的某些特定波長的光才能被FBG傳感器反射回來，隨著振動臺1或2的振動，會造成反射中心波長的漂移，反射光經(jīng)過一個3dB耦合器進入到可調(diào)諧FP腔中，通過不斷改變對 FP 腔施加的電壓來改變FP腔的腔長，進而改變FP 腔的輸出波長，輸出的光經(jīng)過2*2 3*3耦合器后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕竭_檢測器，通過對電信號的測量可間接得到波長的漂移量[6]。 系統(tǒng)解調(diào)原理光纖光柵振動傳感器是將外界振動信號以光纖光柵中心反射波長的同步漂移進行表征的。所以設(shè)計的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)能實時、快速的反映波長的漂移。本文設(shè)計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。該解調(diào)系統(tǒng)由一個 22 耦合器（耦合比為 1：1）和一個 33 耦合器（耦合比為 1：1：1）通過兩段長度差為 ΔL 的光纖連接構(gòu)成[7]。圖37　MZ干涉儀由傳輸矩陣理論可知，22 光纖耦合器的傳輸矩陣為： （31）兩段長度不等的光纖傳輸矩陣為： （32）式中 ——兩段光纖的相位差； ——MZ 干涉儀的臂長差。33 耦合器的傳輸矩陣為[8]： （33）當系統(tǒng)輸入時，非平衡 MZ 干涉儀的兩段長度不等的光纖輸出可表示為： （34）將上式結(jié)果第 2 行補 0 后左乘可得光纖 MZ 干涉儀的輸出： （35）由上式可得理想狀態(tài)下光纖 MZ 干涉儀的輸出光強為： （36）上式表示的是理想狀態(tài)下光纖 MZ 干涉儀的端口輸出狀況，此時， ，[9]。而實際情況中,應(yīng)對輸出系數(shù)做出修正，輸出修正式為： （37） （38） （39）因為三個端口的 A，B 系數(shù)變化是同比的，所以又有：， （310）由上式可知，，，代入得[10]: （311） （312）對上式解方程得： （313） （314）整理得： （315） （316） （317）由非平衡MZ 干涉儀兩段光纖的相位差公式可得[11]： （318）由以上公式可以看出，測出，，可得出 ，得出 ，即可求出波長 的變化量，從而實現(xiàn)波長的解調(diào)?！」饴吩O(shè)計在光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)中，如果我們所選用的光學(xué)器件或設(shè)備合理的話，傳感光信號在傳輸過程中所受到的干擾也會減小，從而使接收端的光信號能夠真實地反映出傳感光柵處所待測環(huán)境的參量。下面將對解調(diào)系統(tǒng)中光路部分主要器件的設(shè)計進行介紹?！拵Ч庠磳拵Ч庠词侵冈谝粋€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。摻餌光纖的放大自發(fā)輻射光源相比于超輻射發(fā)光二極管，具有帶寬更寬、功率更高、穩(wěn)定性更好、使用壽命更長、易于與光纖傳感系統(tǒng)耦合等優(yōu)點，它的這些優(yōu)點使它被廣泛應(yīng)用于眾多光纖光柵傳感、光纖探測以及密集波分復(fù)用系統(tǒng)中。測量 FP 腔自由光譜區(qū)和精細度等都要用到寬帶光源。根據(jù)這次畢業(yè)設(shè)計題目的要求，結(jié)合實際，我選擇的 ASE 寬帶光源為ASE100，它的波長范圍 1525~1610nm，輸出功率 。　光纖耦合器光纖耦合器在光纖光柵傳感系統(tǒng)中是一個至關(guān)重要的元器件，,耦合器在系統(tǒng)中的功能主要是把一束光分成兩束或者是多束光后輸出。簡言之，光纖耦合器起著分束與混和光信號的雙重作用。另外，光纖耦合器在分束后，會改變不同光路中光的相位，使光干涉得以實現(xiàn),這對實現(xiàn)光纖光柵解調(diào)極為重要。選擇耦合器的技術(shù)指標參考點主要有：耦合比、信道插入損耗、附加損耗、分光比、隔離比、回波損耗等。綜合考慮，本解調(diào)系統(tǒng)選取單模22光纖耦合器，耦合比為50/50，單模33光纖耦合器，耦合比為50/50/50。經(jīng)過驗證，耦合器滿足本系統(tǒng)的實驗要求。 FP腔采用FP腔探測波長時，需要根據(jù)所要求的波長測量范圍、分辨率等因素對FP腔的鏡面反射率、兩鏡面間距離等參數(shù)進行合理的設(shè)計，以滿足實際要求[12]。 FP腔的結(jié)構(gòu)圖如下：圖38　FP腔結(jié)構(gòu)圖（1） 自由光譜范圍入射光入射到 FP 腔后，相鄰的兩條光線之間的相位差 為： （319）其中為折射率，為兩鏡面之間的距離，為入射角，為波長[13]。在一定的光譜范圍內(nèi)，入射到 FP 腔的多條光線中，只有滿足相干條件的某些特定的波長才能發(fā)生干涉，進而產(chǎn)生相干極大。當入射光為平行光時，入射角， 滿足下式： （320）式中為干涉級數(shù)。上圖FP 腔中的兩個反射鏡，右邊的反射鏡L2是固定的，而左邊的反射鏡L1是可以移動的，對貼在L1背面的 PZT 施加不同的電壓，使L1發(fā)生移動，進而改變 FP 的腔長，使得入射光的干涉條件隨之發(fā)生變化，這樣就使得通過的波長 改變，最終實現(xiàn)對波長解調(diào)的目的。總而言之，F(xiàn)P 濾波器是通過改變 FP 腔的驅(qū)動電壓來選擇透射波的波長的。對于一定的腔長，在到的波長范圍內(nèi)，不能同時滿足波長的k+1級干涉和波長的k級干涉條件，否則將無法分辨和。因此我們可以得到在腔長為時，F(xiàn)P腔的自由光譜范圍(以波長表示)： （321）由上式可知，當波長一定時，F(xiàn)P腔長越長，自由光譜范圍(即波長探測范圍)就越小。 （2）單模線寬 FP腔某一級縱模的半值寬度稱之為單模線寬，它可以表示為： （322）式中為鏡面反射率。由上式可知，對于一定的波長，腔長越長，則單模線寬越大；而反射率越大時，單模線寬越小。單模線寬太大，會影響波長測量的分辨率。因此在實際應(yīng)用時