【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 纖光 柵中心波長(zhǎng)的變化，測(cè)出被測(cè)參量的變化。 由式（ 24）得，當(dāng)外界物理量作用與光纖光柵時(shí)，其波長(zhǎng)變化為 其中， ΔΛ 為光纖在應(yīng)力作用下的彈性形變。 由上式可知光纖布拉格光柵的反射波長(zhǎng)隨折射率和柵格常數(shù)變化而變化。這種反射波長(zhǎng)或透射波長(zhǎng)隨外界物理量的變化而變化的現(xiàn)象可以應(yīng)用到傳感領(lǐng)域，外界應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)變和溫度的變化會(huì)直接影響光纖布拉格光柵的折射率和柵格常數(shù)，因而光纖布拉格光柵對(duì)應(yīng)力和溫度的變化有響應(yīng)。 溫度對(duì)光纖布拉格光柵的影響是由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)造成的，應(yīng)力對(duì)光纖布拉格光柵的影 響是由于光柵周期變化和彈光效應(yīng)造成的。 光纖布拉格光柵溫度傳感器原理 假設(shè)光纖光柵在不受力的狀態(tài)下，溫度改變 T 是，由于熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的光纖光柵周期改變?yōu)? 其中， α 為光纖的熱膨脹系數(shù)。 由熱光效應(yīng)導(dǎo)致的有效折射率改變?yōu)? 其中， ζ 為光纖的熱光系數(shù)，表示折射率的變化率?？傻茫? 光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器原理 假設(shè)溫度恒定，光纖光柵受軸向應(yīng)變力時(shí)，由于光柵周期和彈光效應(yīng)造成的有效折射率的變化可由彈光系數(shù) 矩陣和應(yīng)變張量矩陣表示為： 當(dāng)光纖受軸向應(yīng)變時(shí)，其橫向也會(huì)有相應(yīng)的應(yīng)變，在 x， y 方向上均為 vε 。 V 是泊松比，為在受到軸向應(yīng)力作用時(shí)，垂直于軸向的方向產(chǎn)生的應(yīng)變和軸向應(yīng)變之比。泊松比 v是小于 1 的數(shù)。由于光纖的各向同性，可以認(rèn)為在光纖沒有剪切應(yīng)變。應(yīng)變張量矩陣 為 第 8 頁 彈光矩陣為 由于 經(jīng)計(jì)算可得 由式可得，在溫度恒定時(shí)，光纖光柵反射波長(zhǎng)的變化與外加應(yīng)變成正比。 四、光纖布拉格光柵波長(zhǎng)解調(diào)原理 對(duì)光纖光柵的解調(diào)，最直接的方法就是使用高精度光譜 儀，是光譜儀成本高、體積大，很適合實(shí)驗(yàn)室研究個(gè)光纖光柵特性，實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值低。為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中的測(cè)量，國內(nèi)外對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)解調(diào)方式做出了大量的研究，提出了很多解調(diào)方法。這些方法按原理主要可分為濾波法，可調(diào)光源掃描法，干涉掃描法和 CCD 成像法。下面對(duì)這幾種典型的光纖光柵解調(diào)方法做一介紹。 （圖 2） 第 9 頁 邊緣濾波法 邊緣濾波法是指具有一定單值邊緣的濾波器，它的單值邊緣較寬，遠(yuǎn)大于光纖光柵的反射譜寬。邊緣濾波器的輸出光強(qiáng)與波長(zhǎng)呈線性關(guān)系，其解調(diào)原理如圖所示。通過環(huán)形器返回的 FBG 反射光被耦合 器分成兩束：一束光作為參考光，光強(qiáng)為 In 保持不變；另一束光進(jìn)入邊緣濾波器后的光強(qiáng) I1 與 FBG 中心波長(zhǎng)的漂移成對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過計(jì)算采得 I1 和 I0 的比值可以求得布拉格波長(zhǎng) λ B的漂移量，其求解公式為： 式中 A 為邊緣濾波器的傾斜度， b 為 FBG 的 3dB帶寬。該方法成本低，解調(diào)速度快，但是測(cè)量精度較低。 （圖 3） 可調(diào)諧 FP 腔濾波法 （圖 4） 如圖所示為典型的基于 DSP 嵌入式系統(tǒng)的可調(diào)諧 FP 腔解調(diào)光纖光柵的原理圖，該方法也是目前使用較多的解調(diào)光纖光柵傳感信號(hào)的方法?？烧{(diào)諧 FP 腔的本質(zhì)是一個(gè)由驅(qū)動(dòng)電壓控制透射波長(zhǎng)的洛倫佐帶通濾波器，其帶寬需小于光柵帶寬。 FP 腔的輸出為 FP 濾波器透射譜和光柵的輸出光譜的卷積。寬帶 ASE 光源的光通過環(huán)形器進(jìn)入 FBG 陣列，反射光經(jīng)由環(huán)形器 3 口射入 FP 腔濾波器中。濾波器通過 DSP 輸出模擬電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)，在帶寬 ASE 光源所提供波長(zhǎng)范圍內(nèi)以較小的波長(zhǎng)間隔掃描。其輸出的卷積譜通過 PD 接受并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入 DSP， DSP 通過分析整個(gè)周期內(nèi)的波長(zhǎng) 功率譜精確求得光柵中心波長(zhǎng)。 可調(diào)諧 FP 腔濾波解調(diào)法在國內(nèi)得到了廣泛的研究。但目前該方法的解調(diào) 能力主要受FP 腔性能的影響。目前 FP 腔的生產(chǎn)技術(shù)被少數(shù)幾家大企業(yè)壟斷，成本高昂，并且可解調(diào)FP 腔的腔長(zhǎng)由壓電陶瓷控制，具有壓電陶瓷本征的蠕變、溫漂和零漂等非線性特性，實(shí)際 第 10 頁 使用中透射波長(zhǎng)會(huì)漂移，導(dǎo)致波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓不能一一對(duì)應(yīng)。即便加入?yún)⒖脊鈻抨嚵泻蜆?biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行校準(zhǔn)，解調(diào)精度依然很受影響。目前 MOI 公司已很好地解決了 FP 腔漂移這一難題。 非平衡馬赫 曾德干涉儀解調(diào)法 如圖所示，該方法中，來自寬帶光源的光注入光柵，反射光通過環(huán)形器射入到一不等臂長(zhǎng)的馬赫 曾德干涉儀中。此時(shí)入射到干涉儀中的反射光成為一可 調(diào)諧光源。非平衡馬赫 曾德干涉儀把 FBG 反射波長(zhǎng)的偏移轉(zhuǎn)化為干涉儀輸出端相位的變化，從而實(shí)現(xiàn)光柵光譜的識(shí)別。當(dāng)光柵反射波長(zhǎng)變化 Δλ sinω t 時(shí)，輸出相位變化為： 式中 nd 為馬赫 曾德干涉儀的光程差， λ 為光柵中心波長(zhǎng) （圖 5） （馬赫 曾德干涉儀解調(diào)原理圖） 該方法的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，但因無法消除溫度變化導(dǎo)致的干涉儀相位漂移，目前只適用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)如應(yīng)變量的檢測(cè)。 光譜分析儀法 對(duì)光纖布拉格光柵波長(zhǎng)檢測(cè)最直接，最簡(jiǎn)單，最經(jīng)典的方法是采用光譜儀或單色儀檢測(cè) 。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)傳感光柵反射后進(jìn)入光譜儀，通過光譜儀直接觀察傳感光柵反射的特性變化，在經(jīng)過計(jì)算獲得被檢測(cè)物理量的信息。圖所示為光譜儀解調(diào)系統(tǒng)。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用，常用在實(shí)驗(yàn)室的科研工作，但具有在高分辨率的光譜儀體積較大，價(jià)格較高，防振性差，因此也不利于在野外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，而且它不能直接獲得物理量的大小，也不方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)。 （圖 6） 第 11 頁 五、 labview 語言簡(jiǎn)介 LabVIEW 基本概念 LabVIEW 全稱是 Laboratory Virtuallnstrument Engineering Workbench,是美國 NI 公司推出的應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量測(cè)試的系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)平臺(tái)和可視化的編程語言開發(fā)環(huán)境 ,是目前國際上唯一的編譯型圖形化軟件開發(fā)平臺(tái) [41]。 LabVIEW 用圖標(biāo)、連線和框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)語言的文本行程序編碼 ,除了編程方式不同之外 , LabVIEW 具備語言的所有特性 ,是一種圖形化的編程語言 ,因此又被稱為 G 語言 (Graphical Programming Language,圖形化編程語言 )。其圖形化語言在編譯 時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行 ,并要求在運(yùn)行前或保存時(shí)翻譯成機(jī)器可執(zhí)行代碼 [42]。 LabVIEW 的 主要應(yīng)用領(lǐng)域是儀器控制、模擬仿真、數(shù)據(jù)釆集、工業(yè)自動(dòng)化等 ,在功能完整性 和應(yīng)用靈活性上不遜于其他任何高級(jí)語言 ,并擁有適用于 Windows、 Linux、 Unix、 Mac OS 等操作系統(tǒng)的軟件幵發(fā)版本 ,其最新版本是 LabVIEW 20xx。 LabVIEW 提供用于與 GPIB、 RS232/48 PCI、 VXI、 PXI、 USB 等各種儀器通信的絕大多數(shù)功能函數(shù) ,它們?cè)?LabVIEW 中都以圖形化節(jié)點(diǎn)的形式存在。其 32 位的編譯器可以生成 32 位的編譯程序 ,保證用戶數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析程序的高速執(zhí)行 ； 提供包括 DDE (Dynamic Data Exchange,動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 )、 DLL(Dynamic Link Library,動(dòng)態(tài)鏈接庫 )、 ActiveX在內(nèi)的大量與外部軟件或程序代碼進(jìn)行連接的模塊 ,提供 CIN (Code Interface Node,代碼接口節(jié)點(diǎn) )使得用戶可以使用由 C 或 C++語言編譯的代碼程序 。支持 Data Socket 協(xié)議、 TCP/UDP協(xié)議等 ,使得其可以自由與外部通信。此外 ,LabVIEW 還提供常用的程序調(diào)試工具 ,具有數(shù)據(jù)探針、斷點(diǎn)設(shè)置、