【導(dǎo)讀】1．遵守畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的紀(jì)律，按時(shí)參加答疑；2．獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)基本的科研能力；文、圖紙中的文字符號(hào)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)；4．完成相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)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(guān)注。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感器以其耐。空航天等領(lǐng)域也取得了廣泛應(yīng)用。本文主要對(duì)光纖光柵振動(dòng)傳感系。統(tǒng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)討論了基于F-P濾波器的解調(diào)方案。題等方面進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。利用模耦合理論建立了光纖光柵的數(shù)學(xué)模型。相應(yīng)的傳感模型。詳細(xì)介紹了解調(diào)方案的工作原理，對(duì)其中的2×2和3×3耦合器構(gòu)成M-Z. 提供了參考依據(jù)。真，對(duì)所進(jìn)行的理論分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)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(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(diǎn) 在于 結(jié)構(gòu)簡單，適宜 在 實(shí)驗(yàn)室 中 使用。缺點(diǎn)是基本上只有在實(shí)驗(yàn)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(jià)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(jìn)入一波分耦合器，出射光 被 分為兩束，一束 光 直接進(jìn)入處理電路，作為參考 信號(hào) ，另一路則先通過邊緣濾波器再進(jìn)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(hào)，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(hào)與參考第 3章 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 電信號(hào)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(jià)比較高，有良好的線性輸出特性 等優(yōu)點(diǎn) 。但是 因?yàn)?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(duì)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(diào)諧匹 配 液匹 配 液應(yīng) 變 圖 33 匹配光柵法 匹配光柵濾波法 采 用一個(gè)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(dòng)元件的作用下來跟蹤傳感光柵的波長變化，進(jìn)行匹配濾波，然后通過測量驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與外界物理量的對(duì)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(shí) 系統(tǒng)輸出信號(hào)幅度最高。當(dāng)傳感光柵感應(yīng)到外界的溫度或應(yīng)變時(shí)， 中心 反射波長峰值發(fā)生漂移，此時(shí)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(shí)調(diào)節(jié)匹配光柵 FBG2 ，使其反射波長峰值發(fā)生漂燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 移，當(dāng)兩個(gè)光柵的反射波長峰值再次匹配時(shí)，光探測器也相應(yīng)的達(dá)到最大值。 匹配光柵法的優(yōu)點(diǎn) 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(diǎn)是要求兩個(gè)光柵嚴(yán)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(jī)構(gòu)的一些特性會(huì)對(duì)系統(tǒng)解調(diào)精度產(chǎn)生影響。 非 平衡 MachZehnder 干涉法 寬 帶 光 源 3 d B 耦 合 器相 位 補(bǔ) 償 反 饋P D P D相 位 解 調(diào) 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(diào) 原理：寬 帶 光源發(fā)出的光經(jīng)過 3dB 耦合器后 進(jìn)入 傳感光纖光柵， 被光纖光柵反射回來 的光再次進(jìn)入耦合器，其輸出光作為有效輸入光進(jìn)入非平衡 MachZehnder 干涉儀，通過檢測干涉儀的輸出光強(qiáng)就可以實(shí)現(xiàn)解調(diào)目的，得到光柵的波長值。 其 優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是 只適用于測量動(dòng)態(tài)應(yīng)變，不適用于對(duì)靜態(tài)與準(zhǔn)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(huì)產(chǎn)生絕對(duì)波長測量的損耗。 第 3章 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 可調(diào)諧 FP 濾波法 寬 帶 光 源 隔 離 器 耦 合 器可 調(diào) F P 腔P DF B G 1 F B G n可 調(diào) F P 濾 波 器驅(qū) 動(dòng) 電 壓 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(dá) 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(jìn)入可調(diào)諧 F P 腔中，通過不斷改變驅(qū)動(dòng)電壓，改變可調(diào)諧 F P 腔的腔長，當(dāng) F P 腔的透射波長與 FBG 的反射波長一致時(shí)，探測器 將 探測到最大光強(qiáng)，此 時(shí)施加的電壓 便和 FBG 反射波長 一一對(duì)應(yīng) 。 可調(diào)諧 FP 濾波法的優(yōu)點(diǎn)是其精度較高，體積小，價(jià)格低，易于復(fù)用，可以直接輸出對(duì)應(yīng)于波長的電信號(hào)。缺點(diǎn)是掃描頻率不高，不太適合 于 高速率的動(dòng)態(tài)傳感系統(tǒng)。 我的課題是基于 FP 濾波器光纖光柵振動(dòng)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(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的 Bragg 波長的漂移轉(zhuǎn)化為 F—P 濾波器透過光強(qiáng)度的變化來傳感解調(diào)的方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可知該方法能克服相位型光纖振動(dòng)傳感器和匹配光纖光柵振動(dòng)傳感器的一些缺點(diǎn)，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，精確度高，具有較高的實(shí)用價(jià) 值，有望在實(shí)際應(yīng)用中推廣。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)振動(dòng)解調(diào)。 光纖光柵 振動(dòng) 解調(diào)系統(tǒng) 寬 帶 光 源3 d B 耦 合器可 調(diào) F P 腔P D 檢 測 放 大電 路控 制 電 路 采 樣 與 開 關(guān) 量 板 信 號(hào) 處 理 電 路信 號(hào) 發(fā) 生 器 計(jì) 算 機(jī) 2 2 耦 合 器 3 3 耦 合 器 F B G 1 F B G 2 振 動(dòng) 臺(tái) 1振 動(dòng) 臺(tái) 2 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(dòng)臺(tái) 1 或 2 的振動(dòng)，會(huì)造成反射中心波長的漂移，反射光 經(jīng)過一個(gè)3dB 耦合器 進(jìn) 入到可調(diào)諧 FP 腔中 ， 通過不斷改變對(duì) FP 腔施加的電壓來改變 FP 腔的腔長， 進(jìn)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?hào) 到達(dá) 檢 測器， 通過對(duì)電信號(hào)的測量可 間接 得到波長的漂第 3章 光纖光柵振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 移量 [6]。 系統(tǒng)解調(diào)原理 光纖光柵振動(dòng)傳感器是將外界振動(dòng)信號(hào)以光纖光柵中心反射波長的同步漂移進(jìn)行表征的。所以設(shè)計(jì)的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)時(shí)、快速的反映波長的漂移。本文設(shè)計(jì)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(gè) 22 耦合器（耦合比為 1：1）和一個(gè) 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]。 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?yán)碚摽芍?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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 當(dāng)系統(tǒng)輸入 10inE ???????時(shí)，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(jié) 果第 2 行補(bǔ) 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(qiáng)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(shí)， 1 2 3I I I??， 1 2 3 inI I I I? ? ?[9]。而實(shí)際情況中 ,應(yīng)對(duì)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?yàn)槿齻€(gè)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(dòng)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 對(duì)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(shí)現(xiàn)波長的解調(diào)。 光路設(shè)計(jì) 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(hào)在傳輸過程中所受到的干擾也會(huì)減小 ， 從而使接收端的光信號(hào)能夠真實(shí)地反映出傳感光柵處所待測環(huán)境的參量。下面將對(duì)解調(diào)系統(tǒng)中光路部分主要器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 寬帶光源 寬帶光源是指在一個(gè)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)光二極燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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