【文章內(nèi)容簡介】 性。因而基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高 的可靠性和穩(wěn)定性。 總之，光纖布拉格光柵除了具有光纖傳感器的特點(diǎn)外，其波長編碼特性使其感測結(jié)果不受光源功率波動(dòng)及光的偏振態(tài)的變化的影響，并且便于利用復(fù)用 (波分、時(shí)分、空清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 共 33頁 分等 )技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測量。這在現(xiàn)代高科技及工業(yè)的發(fā)展諸如建筑結(jié)構(gòu)、航空航天、水壩橋梁、強(qiáng)場探測等領(lǐng)域的智能結(jié)構(gòu)中具有重大的實(shí)用價(jià)值。 光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 美國是研究光纖傳感器起步最早，水平最高的國家，在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用方面，其進(jìn)展都十分迅速。美國也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國家。 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。美國的很多大學(xué)、研究單位和公司都開展了光纖傳感器的研究和開發(fā)，如斯坦福大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)、 Babockamp。Wilcox 公司、 Accuflber公司、 Fidberdy． Elamies 公司、 EOTcc 公司、 Optical 技術(shù)公司等。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1993 年以后，美國光纖傳感器的銷售總額每年以 30～ 40％的增長速度發(fā)展，到 20xx 年達(dá)到 100億美元。調(diào)查結(jié)果表明，美國光纖傳感器的研究開發(fā)重點(diǎn)己向民用 領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，民用光纖傳感器的產(chǎn)量已大大超過軍用傳感器。日本和西歐各國也高度重視并投入大量經(jīng)費(fèi)開展光纖傳感器的研究與開發(fā)。日本在 80 年代便制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)劃”，該計(jì)劃旨在將光纖傳感器用于大型電廠，以解決強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中的信息測量、傳輸和生產(chǎn)過程的控制。 90 年代，由東芝、日本電氣等 15 家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開發(fā)出 12 種具有一流水平的民用光纖傳感器，其中最有代表性的是波長掃描型光纖溫度傳感器。西歐各國的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研究與開發(fā)和市場競爭，其中包括英國的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國 的湯姆遜公司和德國的西門子 公司等 [1820]。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國在 70 年代末就開始了光纖傳感器的研究，其起步時(shí)間與國際相差不遠(yuǎn)。目前已有許多單位在這一領(lǐng)域開展工作，如清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)、重慶大學(xué)、核工業(yè)總公司九院、電子工業(yè)部 1426 所等。他們?cè)诠饫w溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)、位移計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了上百項(xiàng)科研成果，其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實(shí)用價(jià)值，有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國的研究水平還有很大的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè) 化方面，大多數(shù)傳感器品種仍處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，不能投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用 [2021]。 當(dāng)前，我國對(duì)光纖傳感器的需求量很大，市場前景十分誘人。國家 20xx 年遠(yuǎn)景規(guī)劃和“十五”計(jì)劃己將傳感器列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國加入世界貿(mào)易組織，清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 共 33頁 市場需求和發(fā)展空間的潛力非常巨大，其中光纖傳感器將占有相當(dāng)大的比例，這預(yù)示我國在光纖傳感器領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)一場激烈的競爭和挑戰(zhàn)。在不久的將來，我國光纖傳感器領(lǐng)域必將呈現(xiàn)前所未有的燦爛和輝煌。 課題研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本論文對(duì)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(duì)近年來報(bào)道的光纖光柵傳感系統(tǒng)信號(hào)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(hào)解調(diào)的測量系統(tǒng)。論文主要包括以下幾部分內(nèi)容 第一章介紹了光纖光柵的發(fā)展過程及國內(nèi)外光纖光柵的應(yīng)用狀況，分析了當(dāng)前光纖光柵傳感器實(shí)用化所需要解決的問題，論述了光纖光柵測量系統(tǒng)的研究意義以及論文的目的和主要內(nèi)容。 第二章 研究了光纖布拉格光柵的傳感器原理，分析了均勻軸向、橫向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性，光纖布拉格光柵溫度傳感特性，以及光纖布拉格光柵應(yīng)變、溫度測量的交叉敏感 特性。從而從理論上說明光纖布拉格光柵對(duì)于應(yīng)變測量的可行性。 詳細(xì)分析了光纖布拉格光柵測量系統(tǒng)的原理。 第三章 從光纖布拉格光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的理論模型入手，論述了光纖布拉格光柵的應(yīng)變測量原理，選擇應(yīng)用光纖馬赫－曾德爾干涉儀與相位生成載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)，通過詳細(xì)的理論分析論證了系統(tǒng)方案的可行性。并且基于光纖光柵的溫度響應(yīng)特性，提出用一個(gè)參考光柵來進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變測量溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)推導(dǎo)了其補(bǔ)償原理，證明了該方法的可行性； 第四章 進(jìn)行了光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了 光纖 Bragg 光柵波長變化是與軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系的 。并對(duì)信號(hào)解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號(hào)和 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器以及 A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件仿真。 第五章對(duì) 論文的成果與不足進(jìn)行分析， 同時(shí)對(duì) 今后的發(fā)展前景進(jìn)行了展望 。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 33頁 2 光纖 Bragg 光柵傳感器的原理 隨著光纖光柵寫入技術(shù)的逐步完善，世界各國掀起了光纖光柵技術(shù)研究的熱潮，各種基于光纖光柵的有源和無源器件也不斷涌現(xiàn)。光纖光柵被廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理等各個(gè)領(lǐng)域。光纖布拉格光柵的中心波長域有效折射率的數(shù)學(xué)關(guān)系史研究光柵傳 感器的基礎(chǔ)。從麥克斯韋經(jīng)典方程出發(fā)，結(jié)合光纖耦合模理論，利用光纖光柵傳輸模式的正交關(guān)系，得到布拉格光柵反射波長的基本表達(dá)式為： ?? effB n2? （ ） 式中， B? 為光柵的中心反射波長， efn 為纖芯的有效折射率， ? 為 光柵的周期。 光纖的周期可通過兩相干紫外光束的相對(duì)角度而得到調(diào)整，通過這種方法，就可以制作出不同反射波長的布拉格光柵，目前已有的布拉格光柵寫入技術(shù)有：相位掩模技術(shù)、振幅掩模技術(shù)、逐點(diǎn)寫入技術(shù)和全息成柵技術(shù)、在線寫入技術(shù)等，這些技術(shù)中廣泛應(yīng)用的相位掩模技術(shù)。 從式（ ）這個(gè)方程可以看出任何能夠改變光柵有效折射率或光柵周期的物理量都能改變光柵中心波長。應(yīng)變 (或應(yīng)力 )和溫度是最能直接顯著改變 Bragg 光柵波長的物理量。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)。當(dāng)光纖 Bragg光柵受到外界應(yīng)變作用時(shí)，光柵周期會(huì)發(fā)生不變化，同時(shí)光彈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光 柵有效折射率變化；當(dāng)光纖 Bragg 光柵受到外界溫度影響時(shí)，熱膨脹會(huì)使光柵周期發(fā)生變化，同時(shí)熱敏效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵的有效折射率變化。目前已有的基于光纖 Bragg 光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接的利用應(yīng)變或溫度改變光柵中心波長，達(dá)到測試被測物理量的目的。鑒于此，充分研究光纖Bragg 光柵的應(yīng)變與溫度傳感特性、靈敏度誤差、應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)以及應(yīng)變與溫度的耦合效應(yīng)史研究開發(fā)光纖 Bragg 光柵傳感器的基礎(chǔ)。 均勻軸向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析 對(duì)于光纖 Bragg 光柵方程式（ ）兩邊微分并移項(xiàng) 可得： 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 共 33頁 ??????? e ffe ffB nn 22? （ ） 將式（ ）兩端分別除以式（ ）兩邊項(xiàng)，得 ??????? effeffBB nn?? （ ） 從式（ ）可以看出，凡是能夠?qū)е鹿饫w光柵有效折射率變化或者光柵周期變化的物理量都能引起波長的變化。 在線彈性范圍內(nèi)，由于光柵布拉格光柵為均勻周期的光柵，所以有 x????? （ ） 式中 x? —— 軸向應(yīng)變。 不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，即不考慮光纖徑向變形對(duì)折射率的影響，只考慮軸向變形的彈光效應(yīng)，光纖在軸向彈性形變下的折射率變化如下； ? ?? ?xe ffe ffe ff pppnnn ??12111222 ????? （ ） 式中 ? ?2,11 ?ipi 是單模光纖的彈光常數(shù)，即縱向應(yīng)變分別導(dǎo)致的縱向和橫向折射率變化；? 是泊松比。 所以光纖布拉格光柵產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，有周期和有效折射率導(dǎo)致的總和的布拉格波長相對(duì)變化為： ? ?? ?xe ffB B pppn ???? ?????????? ?????121112221 （ ） 令 ? ?? ? xe ffe pppnP ?? 12111222 ??? （ ） eP 稱為光纖的有效彈光系數(shù)，對(duì)于石英光纖， eP ? [22]。由式（ ）和（ ），可得： ? ?xxeBB Pd ???? ????? （ ） 上式為光纖 Bragg 光柵軸向應(yīng)變下的波長變化數(shù)學(xué)表達(dá)式，它是處理光纖光柵應(yīng)變清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 33頁 傳感的基本關(guān)系式。式中 x? 為微應(yīng)變，由式（ ）可以計(jì)算光纖光柵的理論應(yīng)變靈敏系數(shù)，例如，當(dāng)光纖光柵中 心波長為 1550nm時(shí)，光纖光柵的軸向理論應(yīng)變靈敏度為： ????? / 36 nmBxB ?? ??????? （ ） 可以看出，當(dāng)光纖光柵的材料一旦確定后，光纖光柵應(yīng)變靈敏度基本上為常數(shù)，這就從理論上保證了光纖光柵作為應(yīng)變傳感器有很好的線性輸出。 均勻橫向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析 在彈光效應(yīng)下，當(dāng)光柵只受到橫向壓力且不存在剪力時(shí)，與上節(jié)軸向應(yīng)力下的傳感分析方法一樣，橫向應(yīng)力導(dǎo)致的光柵折射率變化為： ? ?ye ffe ffe ff pppnnn ??? ?????? ?????? 1112122 212 （ ） 令 ? ??????? ???? 121112239。212 pppnP e ffe ??，由式（ ）和（ ），可得： ? ?yeBB P ??? 39。1??? （ ） 對(duì)于石英光纖， 39。 ??eP ，同樣可得光纖光柵中心波長為 1550nm 時(shí)，光纖光柵的橫向理論應(yīng)變靈敏度為： ????? / 36 nmBxB ?? ??????? （ ） 在只考慮彈光效應(yīng)時(shí)，表面上看來，光纖光柵的中心波長變化對(duì)橫向應(yīng)力下的應(yīng)變更為敏感，然而這是一個(gè)誤解，是因?yàn)槲覀兙磹勰軌騼烧叩膽?yīng)變看成是相等的。若從應(yīng)力靈敏度的角度來看，縱向拉伸的應(yīng)力靈敏度約為橫向應(yīng)力的 倍。因此，彈光效應(yīng)下，光纖光柵對(duì)縱向應(yīng)力較橫向應(yīng)力更為敏感。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。綜合考慮彈光和波導(dǎo)效應(yīng)，光纖光柵對(duì)橫向應(yīng)力的靈敏度較縱向小的多，因此在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，光纖縱向應(yīng)力引起的波長變化占主要位置。這就是我們通常只考慮光纖光柵縱向應(yīng)變傳感的原因 [23]。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 33頁 光纖 Bragg 光柵溫度傳感特性 溫度對(duì) FBG 的影響主要有兩個(gè)方面：一是熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)變導(dǎo)致柵距變化；二是熱光效應(yīng)導(dǎo)致有效折射率改變。不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，將式（ ）對(duì)溫度 T 求導(dǎo)，可得： ???????? ?????????? TnTnT e ffe ffB 2? （ ） 式（ ）兩邊分別除上式兩端，可得 TTTnn e ffe ffB B ????????? ????????? 11?? （ ） 令 Tnn effeff??? 1? （ ） T????? 1? （ ） ? 稱為光纖的熱光系數(shù)； ? 稱為光纖的熱膨脹系數(shù)，從而可得： ? ? TBB ???? ???? （ ） 對(duì)于常用的石英光纖，熱膨脹系數(shù) C06 / ????