【正文】 2/????? ????? rsF （ ） 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 38 頁(yè) 即反饋系統(tǒng)要使 0???? F?? ，即為 使系統(tǒng)靈敏度達(dá)到最高， 干涉儀 的 相位差保持在 2/? ，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)中 光纖馬赫－曾德干涉儀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)。 信號(hào)解調(diào)的分析與研究 對(duì)于光纖馬赫－曾德干涉儀輸出的相位信號(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)、光程匹配差動(dòng)干涉法 (Pathmatched Differential Interferometry)、相位生成載波法。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)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)所采用中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 38 頁(yè) 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。 光纖光柵傳感信號(hào)的調(diào)制研究 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 (包含周圍 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 （ ） 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 共 38 頁(yè) 光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)分析 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。 濾 波相 敏檢 波低 通濾 波整 形 移 相 器A . C A . CP S DD . C輸 入 信 號(hào)i ( t ) 前 放 選 放輸 出參 考 信 號(hào)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)。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 共 38 頁(yè) 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)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 (Pseudoheterodyne Demodulation)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)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) 本章主要進(jìn)行 了光纖 Bragg 光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。重點(diǎn)從光纖 Bragg 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，對(duì)光纖 Bragg 光柵測(cè)量系統(tǒng)解調(diào)模塊所采用的光纖馬赫－曾德干涉儀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 Bragg 光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的可行性。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 共 38 頁(yè) 4 系統(tǒng)的硬件仿真與實(shí)驗(yàn) 光纖 Bragg 光柵應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn) 本節(jié)主要描述了光纖 Bragg 光柵測(cè)量應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)情況，來(lái)驗(yàn)證理論分析的正確性。 光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖 所示。主要由超寬帶光源 (型號(hào)： ASE100，光譜范圍： 15281600nm )、光纖耦合器、 FC 連接器、非平衡馬赫 曾德干涉儀、示波器組成。寬帶光源發(fā)出的寬譜光波，經(jīng) 3dB 耦合器照射到光纖光柵上，滿足 Bragg 條件的光波被反射回來(lái)，經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入非平衡馬赫 曾德干涉儀中。光纖光柵的調(diào)諧方法采用懸臂梁線性調(diào)諧技術(shù)，實(shí)驗(yàn)中傳感光纖光柵用紫外膠粘貼于懸臂梁上，通過(guò)調(diào)諧懸臂梁模擬待測(cè)傳感量的變化。實(shí)驗(yàn)所用的光纖光柵是采用相位掩模法在摻鍺光敏光纖中寫(xiě)入的，光纖光柵 Bragg 波長(zhǎng)為 1550 nm 左右，反射率 大于 90%， 3dB 帶寬為 nm。 寬 帶 光 源非 平 衡 M Z 干 涉 儀 示 波 器 3 d B 耦 合 器貼 在 懸 梁 臂 上 的 F B G 圖 光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)試系統(tǒng)原理圖 懸臂梁調(diào)諧技術(shù)的基本原理如圖 所示。懸臂梁材料采用鋼性彈片，鋼片的恢復(fù)性很好，厚度 h =。光纖光柵粘貼在懸臂梁的固定端附近，對(duì)梁的自由端施加力使之產(chǎn)生位移，由自由端的位移產(chǎn)生應(yīng)力，使鋼片發(fā)生應(yīng)變。鋼片的彎曲將對(duì)光纖光柵產(chǎn)生拉伸和壓縮作用，從而使光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。此裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)靈活，重復(fù)性好。 光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)試系統(tǒng)如圖 所示。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 光纖光柵懸臂梁調(diào)節(jié)技術(shù)原理圖 圖 光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)試系統(tǒng) 懸臂梁長(zhǎng)度為 15 cm，光纖光柵粘貼在距固定端 3 cm 處，調(diào)節(jié)螺旋器，改變自由端位移量，對(duì)應(yīng)每個(gè)調(diào)諧位置，測(cè)試光纖光柵的反射譜。實(shí)驗(yàn)測(cè)得光纖光柵處于自由狀態(tài)時(shí)的 Bragg 中心波長(zhǎng)為 nm，光譜分析儀測(cè)得的光柵反射譜如圖 (a)所示 ,令自由端位移 時(shí)的光柵反射譜中心波長(zhǎng)如圖 (b)所示，其 Bragg 中心波長(zhǎng)為 nm。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè) 共 38 頁(yè) （ a） (b) 圖 應(yīng)變作用下的光柵 反射譜及中心波長(zhǎng) 調(diào)節(jié)調(diào)諧裝置，懸臂梁自由端位移相隔 mm ，測(cè)試光纖光柵的反射譜中心波長(zhǎng)值，共測(cè)試 14 個(gè)點(diǎn)，光柵的 Bragg 波長(zhǎng)與懸臂梁自由端位移的變化關(guān)系如圖 45 所示，可見(jiàn)它們呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 28 頁(yè) 共 38 頁(yè) 光纖布拉格光柵的調(diào)諧曲線155115520 1 2 3自由端位移量(mm)波長(zhǎng)(nm)中心波長(zhǎng)線性 (中心波長(zhǎng)) 圖 光纖 Bragg 光柵的調(diào)諧曲線 根據(jù)光纖布拉格光柵波長(zhǎng)移動(dòng)與懸梁臂自由端位移關(guān)系理論計(jì)算，取有效彈光系數(shù)為 ，可以得出懸梁臂自由端位移 1mm， Bragg 波長(zhǎng)漂移 。由圖 得到實(shí)際的 Bragg 波長(zhǎng)變化量為 nm/mm。因此，理論值和實(shí)驗(yàn)值基本符合 ，進(jìn)而驗(yàn)證了光纖 Bragg光柵波長(zhǎng)變化是與軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系的，進(jìn)一步說(shuō)明論文設(shè)計(jì)的光纖 Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正確性。 而理論值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差可能來(lái)自于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作的不規(guī)范性以及溫度的微弱變化等等，由于在本科的學(xué)習(xí)中，研究領(lǐng)域比較窄，希望在以后的進(jìn)一步研究中，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)考慮到溫度這一因素，將可能的誤差達(dá)到最小狀態(tài)。 相敏檢波參考信號(hào)和 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真 本課題的測(cè)試系統(tǒng)的相敏檢波參考信號(hào)和 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦信號(hào)。所以下面對(duì)正弦信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行仿真，采用的是文氏震蕩正 弦發(fā)生器。如圖（ ）為正弦波發(fā)生電路。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 正弦波發(fā)生電路 正弦波的頻率由 R、 C 決定， RCf ?2 1? ， R=R2=R3， C=C1=C2。幅度由滑動(dòng)變阻器改變。如 圖 為正弦波的起振波， 圖 為輸出的仿真正弦波。 圖 仿真波形的起振波 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 30 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 仿真波形 此正弦波發(fā)生電路為光纖 Bragg 光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的正弦信號(hào)，保證了信號(hào)源的穩(wěn)定。 信號(hào)解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與仿真 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。 如圖 是鎖定放大器的仿真電路。 圖 鎖定放大器的仿真電路 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 31 頁(yè) 共 38 頁(yè) 如圖 為待測(cè)信號(hào)，待測(cè)信號(hào)為 100HZ 的正弦信號(hào)。 圖 被測(cè)正弦信號(hào) 同步檢測(cè)器的輸出直流信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的幅度有關(guān)，也與被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差有關(guān)。當(dāng)調(diào)整參考信號(hào)的相位差，使相位差為零時(shí)，同步檢測(cè)器的輸出信號(hào)只與被測(cè)信號(hào)的幅度有關(guān)，因而可以實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)的要求。如圖 為輸出的直流信號(hào)。 圖 輸出直流信號(hào) A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與仿真 ADC0809