【導讀】1．遵守畢業(yè)設計期間的紀律，按時參加答疑；2．獨立完成設計任務，培養(yǎng)基本的科研能力；文、圖紙中的文字符號符合國家現(xiàn)行標準；4．完成相關仿真實驗并反映在論文中，以附件的形式給出編寫的程序清單。引起了人們廣泛的關注。隨著光纖傳感技術的發(fā)展，光纖光柵傳感器以其耐?？蘸教斓阮I域也取得了廣泛應用。本文主要對光纖光柵振動傳感系。統(tǒng)進行研究，重點討論了基于F-P濾波器的解調方案。題等方面進行了詳細的敘述。利用模耦合理論建立了光纖光柵的數(shù)學模型。相應的傳感模型。詳細介紹了解調方案的工作原理，對其中的2×2和3×3耦合器構成M-Z. 提供了參考依據(jù)。真，對所進行的理論分析和設計進行驗證。

　　

【正文】 漂移量 B?? [5]。其原理圖如上圖所示，被傳感光柵反射的光經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 結構簡單，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。 邊緣濾波器法 寬 帶 光 源 3 d B 耦 合 器P D P D檢 測 系 統(tǒng)邊 緣 濾 波 器傳 感 光 柵波 分 耦 合 器 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 過光電探測器后變成 了 電信號，經過處理 后 消除了光功率變化所帶來的影響，經過濾波器后的電信號與參考第 3章 光纖光柵振動解調系統(tǒng)的設計 17 電信號的比值與波長偏移成比例關系，由此可以得到波長的變化情況。 邊緣濾波器法 具有 結構簡單緊湊、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。 匹配光柵法 寬 帶 光 源 耦 合 器耦 合 器 P D 檢 測 系 統(tǒng)F B G 1F B G 2匹 配 液匹 配 液調諧匹 配 液匹 配 液應 變 圖 33 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，然后通過測量驅動元件的驅動信號與外界物理量的對應關系，最終獲得外界物理量的變化。 工作原理： FBG1 為 傳感光柵，可調諧的 FBG2 為 匹配光柵，在 相同溫度和應變 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。當傳感光柵感應到外界的溫度或應變時， 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，此時調節(jié)匹配光柵 FBG2 ，使其反射波長峰值發(fā)生漂燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 18 移，當兩個光柵的反射波長峰值再次匹配時，光探測器也相應的達到最大值。 匹配光柵法的優(yōu)點 是 結構比較簡單，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 受參考光柵應變量的限制，傳感光柵的測量范圍不能太大，而且調諧機構的一些特性會對系統(tǒng)解調精度產生影響。 非 平衡 MachZehnder 干涉法 寬 帶 光 源 3 d B 耦 合 器相 位 補 償 反 饋P D P D相 位 解 調 微 處 理 器非 平 衡 M Z 干 涉 儀F B G 1F B G 2 F B G n3 d B 耦 合 器 圖 34 非平衡 MachZehnder 干涉法 基本 解調 原理：寬 帶 光源發(fā)出的光經過 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，而且會產生絕對波長測量的損耗。 第 3章 光纖光柵振動解調系統(tǒng)的設計 19 可調諧 FP 濾波法 寬 帶 光 源 隔 離 器 耦 合 器可 調 F P 腔P DF B G 1 F B G n可 調 F P 濾 波 器驅 動 電 壓 圖 35 可調諧 FP 濾波法 寬帶光源發(fā)出的光，經 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 進入可調諧 F P 腔中，通過不斷改變驅動電壓，改變可調諧 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 。 可調諧 FP 濾波法的優(yōu)點是其精度較高，體積小，價格低，易于復用，可以直接輸出對應于波長的電信號。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 傳感振動信號產生的 Bragg 波長的漂移轉化為 F—P 濾波器透過光強度的變化來傳感解調的方法，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，有望在實際應用中推廣。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 光纖光柵振動解調系統(tǒng)的設計 通過上述解調方案的比較，結合我的畢設課題要求，選取可調諧 FP 濾波器解調法來實現(xiàn)振動解調。 光纖光柵 振動 解調系統(tǒng) 寬 帶 光 源3 d B 耦 合器可 調 F P 腔P D 檢 測 放 大電 路控 制 電 路 采 樣 與 開 關 量 板 信 號 處 理 電 路信 號 發(fā) 生 器 計 算 機 2 2 耦 合 器 3 3 耦 合 器 F B G 1 F B G 2 振 動 臺 1振 動 臺 2 圖 36 光纖光柵解調系統(tǒng)原理圖 工作原理： 從寬帶光源發(fā)出的光經隔離器和耦合器后，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 經過一個3dB 耦合器 進 入到可調諧 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， 輸出的光經過 2*2 3*3 耦合器后 轉變?yōu)殡娦盘?到達 檢 測器， 通過對電信號的測量可 間接 得到波長的漂第 3章 光纖光柵振動解調系統(tǒng)的設計 21 移量 [6]。 系統(tǒng)解調原理 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。所以設計的光纖光柵波長解調系統(tǒng)應能實時、快速的反映波長的漂移。本文設計的光纖光柵波長解調系統(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 的光纖連接構成 [7]。 2 2 耦 合 器 3 3 耦 合 器ILL + Δ LI 1I 2I 3 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： 1 11 12 iT i??? ???? （ 31） 兩段長度不等的光纖傳輸矩陣為： 2 exp 001iT ????? ???? （ 32） 式中 ? ?2n= Lt?? ? ??——兩段光纖的相位差； L? ——MZ 干涉儀的臂長差。 33 耦合器的傳輸矩陣 3T 為 [8]： 3221 e x p e x p331 2 2e x p 1 e x p33322e x p e x p 133iiT i iii??????????? ???? （ 33） 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 22 當系統(tǒng)輸入 10inE ???????時，非平衡 MZ 干涉儀的兩段長度不等的光纖輸出可表示為： 1 2 1e x p12o u t iniE T T E i ????? ? ? ? ???? （ 34） 將上式結 果第 2 行補 0 后左乘 3T 可得光纖 MZ 干涉儀的輸出： 123222 e xp e xp1 e xp e xp333 e xp1 2 2 1 1 2 2e xp 1 e xp 0 e xp e xp3 3 3 33 2 622 2e xp e xp 1e xp333outi i iiiE iE E i i i i iiEii ii??? ??? ? ? ???? ??????????????? ?????? ??? ? ? ? ? ? ??????? ?????? ?????? ??? ? ??????????? （ 35） 由上式可得理想狀態(tài)下光纖 MZ 干涉儀的輸出光強為： ? ?12321 sin31 1 sin321 sin3outo u t o u t o u t o u toutII E E II??????????? ? ??????? ???? ??? ? ? ? ? ????? ???? ??? ? ??????? （ 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， 1 2 3I I I??， 1 2 3 inI I I I? ? ?[9]。而實際情況中 ,應對輸出系數(shù)做出修正，輸出修正式為： 1 1 1 1 2sin 3outI I A B ????? ? ? ? ????? （ 37） ? ?2 2 2 2 s inoutI I A B ?? ? ? ? （ 38） 3 3 3 3 2sin 3outI I A B ????? ? ? ? ????? （ 39） 因為三個端口的 A， B 系數(shù)變化是同比的，所以又有： 1 1 3 1 3/a A A B B? ? ? ， 2 2 3 2 3/a A A B B? ? ? （ 310） 由上式可知 ， 1 1 3A aA? ， 2 2 3A aA? ， 1 1 3B aB? ， 2 2 3B aB? ，代入得 [10]: 1 1 3 1 3 2sin 3I a A a B ????? ? ? ????? （ 311） ? ?2 2 3 2 3 s inI a A a B ?? ? ? （ 312） 第 3章 光纖光柵振動解調系統(tǒng)的設計 23 對上式解方程得： ? ?1 2 2 1312sin sin33 c o s 3a I a IAaa???????? ? ? ?????????????? （ 313） 1 2 2 13123 sin 6a I a IBaa ???????????? （ 314） 整理得： ? ?? ?1 2 2 13122 1 3 ta n1 3 ta na I a IIaa??? ? ???? （ 315） ? ?1 2 2 1 1 2 32 1 3 12t a n 3a I a I a a Ia a I I? ???? ? （ 316） ? ?1 2 2 1 1 2 32 1 3 12a r c ta n 3a I a I a a Ia a I I? ?????? ????? （ 317） 由非平衡 MZ 干涉儀兩段光纖的相位差公式 2nL?? ???? 可得 [11]： ? ? 22d nLd ? ???? ??? （ 318） 由以上公式可以看出，測出 1a ， 2a ， 1I ， 2I ， 3I 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。 光路設計 在光纖光柵解調系統(tǒng)中，如果我們所選用的光學器件或設備合理的話，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。下面將對解調系統(tǒng)中光路部分主要器件的設計進行介紹。 寬帶光源 寬帶光源是指在一個較寬波長范圍內都發(fā)光的光源，在光纖光柵傳感中有著較為廣泛的應用。摻餌光纖的放大自發(fā)輻射 光源相比于 超輻射發(fā)光二極燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 24 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