【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過(guò)的材料。均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。度測(cè)量的交叉敏感特性。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(lái)實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)，纖光柵應(yīng)變測(cè)量溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案。檢波參考信號(hào)和PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(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，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

　　

【正文】 被引入一個(gè)增量： 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 33頁(yè) ??????? ? ?????????? B MZBB MZMZ LnLn 22 2 （ ） 式中， ?? 為應(yīng)變－頻移分辨率 ， ?? 為應(yīng)變變化量， B?? 為應(yīng)變引入的波長(zhǎng)變化量。對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變有： tLn BB MZMZ ???? s in2 2 ?????? （ ） (2)光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x光纖系統(tǒng)構(gòu)成 光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x由兩個(gè)臂即兩根單模光纖組成，因此需要一個(gè)分光器件和一個(gè)合光器件。實(shí)用的光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的分光器件和合光器件是由兩個(gè)分光比為 50%:50%的光纖定向耦合器構(gòu)成，成為全光纖化的干涉儀，以提高其抗干擾的 能力和良好的條紋對(duì)比度。信號(hào)處理需要對(duì)光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x進(jìn)行調(diào)制以實(shí)現(xiàn)兩臂的光程差不為零，可以把光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的一臂纏繞在壓電陶瓷上，通過(guò)壓電陶瓷的脹縮來(lái)改變光纖的長(zhǎng)度。 (3)光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的參數(shù)計(jì)算 光纖干涉儀是本系統(tǒng)的重要解調(diào)器件，因此，有必要根據(jù)測(cè)量的具體要求對(duì)其構(gòu)成和主要參數(shù)計(jì)算進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。 由式 ()可以看出：系統(tǒng)測(cè)量的分辨率與光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x兩臂的光程差成正比關(guān)系。 MZL? 越大，相位測(cè)量的分辨率越高，相應(yīng)地應(yīng)變測(cè)量的分辨 率也就越高，但是測(cè)量的范圍就越小。而且，光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x兩臂的長(zhǎng)度是不可能無(wú)限增大的，主要受兩個(gè)因素的制約：一是光纖光柵反射光的譜寬；二是測(cè)量范圍。因此，需要根據(jù)測(cè)量的具體要求來(lái)選擇合適的參數(shù)。 FMZI 兩臂的最大長(zhǎng)度差由下式確定： effnlL?? （ ） 式中， efn 為光纖的有效折射率， l 為 FBG 反射光的譜寬所決定的相干 長(zhǎng)度： ???? 2Bl （ ） 把 B? =1550 nm， ?? =.3 nm 代入上式計(jì)算得到： ?l 8mm。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 共 33頁(yè) 普通單模光纖的有效折射率為 ，則光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x兩臂的長(zhǎng)度差 L?最大只能為 mm。由于光纖端面處理和光纖焊接很難保 證光纖長(zhǎng)度的精確性，因此，在制作光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x時(shí)，只能以這個(gè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，盡可能把其臂長(zhǎng)差控制在這個(gè)范圍內(nèi)。至于干涉儀臂長(zhǎng)差的實(shí)際大小，只能通過(guò)標(biāo)定來(lái)確定。 (4)壓電陶瓷的調(diào)制及參數(shù)計(jì)算 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交流測(cè)量，需要在光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的一臂引入調(diào)制，本系統(tǒng)采用將干涉儀的一臂纏繞在壓電陶瓷上來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面主要介紹壓電陶瓷的工作原理并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。 由壓電堆疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器 (PZT)是高精度微位移器件，能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的位移量。在光學(xué)干涉方面，主要利用其逆壓電效應(yīng)，給 PZT 施加一定的電壓，PZT 即產(chǎn)生微米量級(jí)的位移，使連接在其上的光學(xué)元件也產(chǎn)生相應(yīng)的空間位置變化。 PZT 由專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)電源是高壓直流功率放大器。系統(tǒng)采用的高壓放大器包括兩個(gè)模塊：高壓放大模塊和低壓放大模塊。前者的放大倍數(shù)為 100，其作用是產(chǎn)生 0~1000 V 的高壓電源，用于驅(qū)動(dòng) PZT，實(shí)現(xiàn)光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的調(diào)制；而后者的放大倍數(shù)為 10，輸出 20~120 V 的電壓，用于驅(qū)動(dòng)預(yù)加載閉環(huán)壓電陶瓷管，可以使 FBG 產(chǎn)生應(yīng)變或?qū)饫w干涉儀作光程調(diào)節(jié)。壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由 信號(hào)發(fā)生器提供。光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x調(diào)制的深度首先取決于 PZT 上光纖纏繞的圈數(shù)，其次取決于調(diào)制信號(hào)的幅度。調(diào)制信號(hào)的幅度大小與一階和二階貝塞爾函數(shù)有關(guān) [25]。經(jīng)分析知，在貝塞爾函數(shù)的極點(diǎn)附近，函數(shù)變化比較緩慢。這樣，在這些極點(diǎn)附近，由調(diào)制信號(hào)幅度波動(dòng)引入的誤差最小。所以，可以把調(diào)制信號(hào)的幅度設(shè)在貝塞爾函數(shù)的極點(diǎn)上。如果把調(diào)制幅度設(shè)置在一階貝塞爾函數(shù)的第一個(gè)極點(diǎn)上，得到調(diào)制幅度的值為 rad。下面根據(jù)光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x系統(tǒng)的參數(shù)，計(jì)算壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小。 光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x被調(diào)制臂 光纖的伸長(zhǎng)量為： effBnCL ??2?? （ ） 式中， B? 為 FBG 反射光的中心波長(zhǎng)， B? =1550 nm； efn 為光纖的有效折射率，efn =； C =。代入上式計(jì)算得到： L? = m? 。 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度 V 由下式計(jì)算得到： 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 33頁(yè) ? ?ODm CV B?? ? ? （ ） 式中， m 為光纖在 PZT 管上纏繞的圈數(shù)，在本系統(tǒng)中 m =10； (OD)為 PZT 管在 1 伏電壓作用下直徑的變化量，對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中所采用的 PZT 管， ? (OD)=5 nm。則 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度為： V = 伏。另外，考慮到光纖在 PZT 管上纏繞時(shí)會(huì)有松動(dòng)，且實(shí)驗(yàn)中選用的 PZT 管只有在正電壓時(shí)膨脹，所以還應(yīng)在正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)上加一個(gè)直流偏置，保證調(diào)制部分正常工作。 后續(xù)信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) 通過(guò)前面的討論可以知道，光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x將光纖光柵反射光波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)化為相位信號(hào)的變化，因此，相位測(cè)量是本測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理的基本要求。而且，光纖傳感器的信號(hào)處理會(huì)直接影響到測(cè)量的分辨率、精度和動(dòng)態(tài)范圍。下 面將對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理模塊進(jìn)行具體分析和設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)。 (1)信號(hào)解調(diào)的基本原理 對(duì)于光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x輸出的相位信號(hào)，如果直接測(cè)量相位，那么有兩個(gè)問(wèn)題將限制系統(tǒng)的性能：一是直接測(cè)相位意味著直流檢測(cè)，信號(hào)處理易受電路漂移的影響；二是對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量而言，系統(tǒng)受到環(huán)境的干擾時(shí)被測(cè)相位會(huì)產(chǎn)生漂移及信號(hào)衰落現(xiàn)象，從而引入測(cè)量誤差。目前，用于干涉型光纖傳感器的解調(diào)方法主要包括：差動(dòng)延時(shí)外差法 (Differential Delay Heterodyning)[26]、光程匹配差動(dòng)干涉法 (Pathmatched Differential Interferometry)、相位生成載波法 [27,28]。前兩種方法不適于多路復(fù)用信號(hào)的解調(diào)，并且對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成與光源等的要求都比較苛刻。而相位生成載波解調(diào)技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用靈活方便，并且具有動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)采用此方法實(shí)現(xiàn)相位信號(hào)的解調(diào)。 所謂的相位生成載波調(diào)制，是在被測(cè)信號(hào)帶寬以外的某一頻帶之外引入大幅度的相位調(diào)制，被測(cè)信號(hào)則位于調(diào)制信號(hào)的邊帶上，這樣就把外界干擾的影響轉(zhuǎn)化為對(duì)調(diào)制信號(hào)影響，并且把被測(cè)信號(hào)的頻帶與低頻干擾的頻帶分開(kāi) ，以利于后續(xù)的噪聲分離。相位生成載波調(diào)制的形成可以通過(guò)兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是調(diào)制光源，二是調(diào)制干涉儀的光程差。調(diào)制光源一般采用半導(dǎo)體激光器 (LD)，通過(guò)對(duì)其輸入電流進(jìn)行調(diào)制來(lái)達(dá)到調(diào)制激光頻率的目的。調(diào)制干涉儀的光程差是在兩臂等長(zhǎng)的光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的一臂用數(shù)匝光纖纏繞壓電陶瓷 (PZT)元件，把載波信號(hào)加到 PZT 上，利用 PZT 元件在載波信號(hào)清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 33頁(yè) 的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，引起干涉儀一臂光纖長(zhǎng)度、折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致最后輸出光波相位差隨載波信號(hào)有規(guī)律的變化，從而實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制。由于本測(cè)量系統(tǒng)所采用的光源是寬帶 光源，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，所以選用調(diào)制干涉儀的光程差的方式實(shí)現(xiàn)相位生成載波調(diào)制。 研究能抑制干涉儀輸出衰落問(wèn)題的檢測(cè)技術(shù)是十分突出的問(wèn)題，也是本文設(shè)計(jì)的光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變測(cè)量的關(guān)鍵。下面將具體討論光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x輸出信號(hào)的解調(diào)方法。 (2)光纖光柵傳感信號(hào)的調(diào)制 當(dāng)應(yīng)變作用在 FBG 上時(shí)，反射光的中心波長(zhǎng)發(fā)生改變，兩路光的相位差將被引入一個(gè)增量，如式 ()所示。 干涉儀的參考臂使用一個(gè)相位調(diào)制器，它是在圓柱形的壓電陶瓷上繞制光纖組成。當(dāng)壓電圓柱受到調(diào)制電壓作用時(shí)，柱體就會(huì)在調(diào)制電壓的作 用下產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，引起干涉儀參考臂的光纖長(zhǎng)度、折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉儀輸出光波的相位差隨調(diào)制信號(hào)有規(guī)律地變化，從而實(shí)現(xiàn)了相位載波調(diào)制。 角頻率為 0? 的正弦波驅(qū)動(dòng) PZT，假設(shè)由 PZT 引入的相位調(diào)制幅度為 C ，則在光電探測(cè)器 PIN 上得到的信號(hào)為： ? ?? ?ttCBAI ???? 0c o sc o s ? （ ） 式中， A 、 B 為常數(shù)，且 B =kA， k 1 為干涉條紋可見(jiàn)度， A 正比于激光器輸出光功率；C 為相位調(diào)制幅度； 0? 為載波角頻率； ??t? 包括兩部分：一是由 FBG 波長(zhǎng)變化引入的相位變化，記為 ??t?? ；二是 FMZI 固有的相位差 (包含周?chē)? 環(huán)境擾動(dòng) 引入的相位漂移 )，記為 ??t0? 。即： ? ? ? ? ? ?ttt 0????? ? 。從另一方面來(lái)看， ??t?? 又包含直流分量和交流分量，分別對(duì)應(yīng)靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量。 相角 ??t?? 包含頻率為 s? ，幅度為 D 的待檢測(cè)信號(hào)和環(huán)境引起的隨機(jī)相位漂移??t? ，即 ? ? ? ?ttDt s ?? ??? c o s （ ） 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 33頁(yè) (3)光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào) 如圖 所示，本測(cè)量系統(tǒng)采用的解調(diào)方法的核心部分是鎖定放大器實(shí)現(xiàn)的相敏檢波。鎖定放大器的構(gòu)成原理如圖 所示。它由信號(hào)通道、參考通道以及相敏檢波和低通濾波器三大部分組成。信號(hào)通道的作用是先把伴有噪聲的輸入信號(hào)放大，并經(jīng)選放初步減小噪聲。參考通道的作用是提供一個(gè)與輸入信號(hào)同相的方波或正弦波，它也可以是從通道輸入信號(hào)中分出來(lái)的一路信號(hào)。相敏檢波 (PSD)的作用是對(duì)輸入信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出和頻及差頻信號(hào)。低通濾 波器則是濾除和頻信號(hào)成分，僅使差頻信號(hào)成分輸出。因?yàn)榈屯V波器的等效噪聲帶寬可以做得很窄，所以大部分噪聲濾除，而最終把有用信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。 鎖定放大器的功能是僅僅檢測(cè)出輸出信號(hào)以及與輸入信號(hào)同頻 (也可以不同頻 )同相的那些噪聲成分，所以能使噪聲幅度大大降低。它所運(yùn)用基本原理是信號(hào)的相關(guān)處理 [29]。 圖 鎖定放大器的構(gòu)成原理圖 由光電探測(cè)器輸出光強(qiáng)信號(hào)的展開(kāi)可以看到，信號(hào)包含了載波 0? 的各次諧波分量，同時(shí)各次諧波附近包含了由被測(cè)信號(hào)引入的邊帶。而相敏檢波可以提取 某一階次諧波的相位，因此可以用相敏檢波來(lái)提取 ??t? 。 式 ()的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)隔直電容濾除直流信號(hào)，得到： ? ?? ?ttCBI ??? 0c o sc o s ? （ ） 解調(diào)電路的輸出為 tNDKBV sD ?c o s20 ? （ ） 式中， DK 為解調(diào)電路的增益系數(shù) ,N 為與系統(tǒng)有關(guān)的參數(shù) 。 式 ()表明，解調(diào)電路的輸出正比于相位 調(diào)制信號(hào) tD s?cos ，故該方案實(shí)現(xiàn)了相清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 33頁(yè) 位調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)。 綜合比較相位生成載波的各種解調(diào)方法，我們發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)零差解調(diào)法 (Active Homodyne Demodulation)[35]采用反饋的方法對(duì)低頻干擾進(jìn)行補(bǔ)償，并且也不適于多路復(fù)用，因此一般只在實(shí)驗(yàn)室中使用；另外，主動(dòng)零差法測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)時(shí)誤差較大。偽外差解調(diào)法 (PseudoheterodyneDemodulation)[30]需要對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，而且由于 PZT 的驅(qū)動(dòng)頻率太低， 因 而 只 能 測(cè) 量 靜 態(tài) 或 緩 變 信 號(hào) 。 合 成 外 差 解 調(diào) 法 (Syntheticheterodyne Demodulation)[31]的性能取決于兩個(gè)本振信號(hào)的初相位是否精確匹配以及 PLL 的測(cè)相精度。而本信號(hào)處理系統(tǒng)采用的零差解調(diào)方法解調(diào)的動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好，并具有測(cè)相精度高的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體情況，零差法的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)電路的設(shè)計(jì)制作要求較低，并在一些情況下可以用反饋電路直接對(duì)溫度波動(dòng)等環(huán)境干擾進(jìn)行補(bǔ)償。 本章小結(jié) 主要進(jìn)行了光纖布拉格光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。重點(diǎn)從光纖布拉格光柵的應(yīng)變傳感機(jī)理出發(fā)，建立了光纖光柵應(yīng)變傳感的 理論模型，進(jìn)而證明了系統(tǒng)采用光纖布拉格光柵作為傳感頭的可行性；對(duì)光纖布拉格光柵測(cè)量系統(tǒng)解調(diào)模塊所采用的光纖馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x及相位生成載波信號(hào)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和推導(dǎo)。從而證明了光纖布拉格光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的可行性。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 33頁(yè) 4 系統(tǒng)的硬件仿真與實(shí)驗(yàn) 光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn) 本節(jié)主要描述了光纖布拉格光柵測(cè)量應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)研究情況，來(lái)驗(yàn)證理論分析的正確性。 光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)試系統(tǒng)如圖 所示。主要由平坦 ASE 光纖寬帶光源 (型號(hào)：ASE100)、光纖耦合器、 FC 連接器、光譜分析儀 OSA(型號(hào)： IQS5250B)和折射率匹配 IMG組成。寬帶光源發(fā)出的寬譜光波，經(jīng) 3dB 耦合器照射到