【正文】 首先，我要特別感謝我的知道郭謙功老師對我的悉心指導(dǎo)，在我的論文書寫及。這期間凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。本次畢業(yè)設(shè)計是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來最好的檢驗。首先非常感謝學(xué)校開設(shè)這個課題，為本人日后從事計算機(jī)方面的工作提供了經(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ)。（保密論文在解密后遵守此規(guī)定）畢業(yè)設(shè)計（論文）使用授權(quán)聲明本人完全了解濱州學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定。 對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。論文密級：□公開 □保密（___年__月至__年__月）(保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議)作者簽名：_______ 導(dǎo)師簽名：______________年_____月_____日 _______年_____月_____日獨(dú) 創(chuàng) 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(論文)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。盡我所知，除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。另外，我還要感謝寢室的好友，是他們和我一起學(xué)習(xí)，一起歡笑，一起進(jìn)步，我所取得的一切成績都是與他們的鼓勵和幫助分不開的。值此畢業(yè)之際，謹(jǐn)向?qū)熤乱晕抑孕牡母兄x和敬意！其次，我要感謝學(xué)長、學(xué)姐等生活和學(xué)習(xí)上給我的熱情幫助。趙輝老師一直從事著教學(xué)和科研工作，并且對學(xué)生要求嚴(yán)格，強(qiáng)調(diào)理論知識的學(xué)習(xí)，這使我在大學(xué)的學(xué)習(xí)生活中受益匪淺，并將在我今后的學(xué)習(xí)工作中產(chǎn)生深刻的影響。激光,2002,13(4): 420428．[4] [D].大連:大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院, 2007,24(2):4l48 [5] 王丹生，朱宏平．光纖光柵傳感技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．中外公路，(6):3133．[6] , , , et al. Steppedwavelength Opticalfiber Bragg Grating Arrays Fabricated in Line on a Draw Tower. Optics Letters, 1994, 19: 147[7] . Infiber Bragg Grating Sensors. .amp。在不久的將來，我國光纖傳感器領(lǐng)域必將呈現(xiàn)前所未有的燦爛和輝煌。當(dāng)前，我國對光纖傳感器的需求量很大，市場前景十分誘人。希望以后能繼續(xù)研究做出這個測試系統(tǒng)，能對應(yīng)變進(jìn)行真正的測量，并且實(shí)現(xiàn)分布測量。并對信號解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號和PZT驅(qū)動信號發(fā)生器以及A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計與軟件仿真，取得了一定的成果。經(jīng)理論分析，此方法能有效抑制周圍環(huán)境干擾對干涉儀兩臂的相位差產(chǎn)生的隨機(jī)波動，消除了檢測信號的消隱或畸變，提高了干涉儀的測量精度，此外還具有動態(tài)范圍大、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖馬赫－曾德爾干涉儀輸出相位信號的提取。論文對其組成結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行了分析，并根據(jù)系統(tǒng)需要，對光纖馬赫－曾德爾干涉儀及壓電陶瓷調(diào)制部分進(jìn)行了主要參數(shù)的計算，從理論上論證了該解調(diào)方法可以實(shí)現(xiàn)高分辨率動態(tài)應(yīng)變傳感信號的檢測。經(jīng)過對參考光柵補(bǔ)償溫度誤差基本原理的詳細(xì)推導(dǎo)，證明了光纖光柵作為傳感頭用于應(yīng)變測量的優(yōu)越性。5 結(jié)論與展望 結(jié)論本論文主要對光纖布拉格光柵的應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并對方案的可行性進(jìn)行了詳細(xì)的論證，具體工作如下：(1) 對光纖Bragg光柵傳感器的原理進(jìn)行了分析 通過對光纖Bragg光柵應(yīng)力、溫度特性的分析，同時，通過實(shí)驗說明了光纖光柵作為應(yīng)變傳感器有很好的線性輸出。首先，進(jìn)行了光纖布拉格光柵應(yīng)變特性的測試實(shí)驗，驗證了光纖布拉格光柵中心反射波長與應(yīng)變的線性關(guān)系。本系統(tǒng)就選用ADC0809來作為A/D轉(zhuǎn)換的主要芯片，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，滿足系統(tǒng)的要求。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 仿真波形 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與仿真ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。 正弦波發(fā)生電路正弦波的頻率由R、C 決定，R=R2=R3，C=C1=C2。所以下面對正弦信號發(fā)生器進(jìn)行仿真，采用的是文氏震蕩正弦發(fā)生器。當(dāng)調(diào)整參考信號的相位差，使相位差為零時，同步檢測器的輸出信號只與被測信號的幅度有關(guān)，因而可以實(shí)現(xiàn)幅度檢測的要求。 鎖定放大器的仿真電路，待測信號為100HZ的正弦信號。 信號解調(diào)模塊的設(shè)計與仿真本測量系統(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。 nm/mm。（a）(b) 應(yīng)變作用下的光柵反射譜及中心波長調(diào)節(jié)調(diào)諧裝置，懸臂梁自由端位移相隔 2 mm ，測試光纖光柵的反射譜中心波長值，共測試 14 個點(diǎn)，光柵的 Bragg 波長與懸臂梁自由端位移的變化關(guān)系如圖45所示，可見它們呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。 光纖光柵懸臂梁調(diào)節(jié)技術(shù)原理圖懸臂梁長度為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，對應(yīng)每個調(diào)諧位置，測試光纖光柵的反射譜。鋼片的彎曲將對光纖光柵產(chǎn)生拉伸和壓縮作用，從而使光柵的中心波長發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對光纖光柵的波長調(diào)諧。懸臂梁材料采用鋼性彈片，鋼片的恢復(fù)性很好，厚度h =。實(shí)驗所用的光纖光柵是采用相位掩模法在摻鍺光敏光纖中寫入的，光纖光柵Bragg波長為1550 nm 左右，反射率大于 90%， nm。其中，匹配液的作用是減少光纖端面的光反射。主要由平坦ASE光纖寬帶光源(型號：ASE100)、光纖耦合器、FC連接器、光譜分析儀OSA(型號：IQS5250B)和折射率匹配IMG組成。4 系統(tǒng)的硬件仿真與實(shí)驗 光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實(shí)驗本節(jié)主要描述了光纖布拉格光柵測量應(yīng)變的實(shí)驗研究情況，來驗證理論分析的正確性。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；對光纖布拉格光柵測量系統(tǒng)解調(diào)模塊所采用的光纖馬赫－曾德爾干涉儀及相位生成載波信號解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和推導(dǎo)。結(jié)合實(shí)驗的具體情況，零差法的原理相對簡單，對電路的設(shè)計制作要求較低，并在一些情況下可以用反饋電路直接對溫度波動等環(huán)境干擾進(jìn)行補(bǔ)償。合成外差解調(diào)法(Syntheticheterodyne Demodulation)[31]的性能取決于兩個本振信號的初相位是否精確匹配以及PLL 的測相精度。綜合比較相位生成載波的各種解調(diào)方法，我們發(fā)現(xiàn)，主動零差解調(diào)法(Active Homodyne Demodulation)[35]采用反饋的方法對低頻干擾進(jìn)行補(bǔ)償，并且也不適于多路復(fù)用，因此一般只在實(shí)驗室中使用；另外，主動零差法測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號時誤差較大。式()的信號首先經(jīng)過隔直電容濾除直流信號，得到： （）解調(diào)電路的輸出為 （）式中，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)。由光電探測器輸出光強(qiáng)信號的展開可以看到，信號包含了載波的各次諧波分量，同時各次諧波附近包含了由被測信號引入的邊帶。鎖定放大器的功能是僅僅檢測出輸出信號以及與輸入信號同頻(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。低通濾波器則是濾除和頻信號成分，僅使差頻信號成分輸出。參考通道的作用是提供一個與輸入信號同相的方波或正弦波，它也可以是從通道輸入信號中分出來的一路信號。它由信號通道、參考通道以及相敏檢波和低通濾波器三大部分組成。 相角包含頻率為，幅度為D的待檢測信號和環(huán)境引起的隨機(jī)相位漂移，即 （）(3)光纖光柵傳感信號的解調(diào) 如圖 所示，本測量系統(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。即：。當(dāng)壓電圓柱受到調(diào)制電壓作用時，柱體就會在調(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)制信號有規(guī)律地變化，從而實(shí)現(xiàn)了相位載波調(diào)制。(2)光纖光柵傳感信號的調(diào)制 當(dāng)應(yīng)變作用在 FBG 上時，反射光的中心波長發(fā)生改變，兩路光的相位差將被引入一個增量，如式()所示。研究能抑制干涉儀輸出衰落問題的檢測技術(shù)是十分突出的問題，也是本文設(shè)計的光纖光柵測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變測量的關(guān)鍵。調(diào)制干涉儀的光程差是在兩臂等長的光纖馬赫－曾德爾干涉儀的一臂用數(shù)匝光纖纏繞壓電陶瓷(PZT)元件，把載波信號加到 PZT 上，利用PZT 元件在載波信號的驅(qū)動下產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，引起干涉儀一臂光纖長度、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有規(guī)律的變化，從而實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制。相位生成載波調(diào)制的形成可以通過兩種途徑來實(shí)現(xiàn)：一是調(diào)制光源，二是調(diào)制干涉儀的光程差。因此，本系統(tǒng)采用此方法實(shí)現(xiàn)相位信號的解調(diào)。前兩種方法不適于多路復(fù)用信號的解調(diào)，并且對系統(tǒng)的構(gòu)成與光源等的要求都比較苛刻。(1)信號解調(diào)的基本原理 對于光纖馬赫－曾德爾干涉儀輸出的相位信號，如果直接測量相位，那么有兩個問題將限制系統(tǒng)的性能：一是直接測相位意味著直流檢測，信號處理易受電路漂移的影響；二是對于動態(tài)測量而言，系統(tǒng)受到環(huán)境的干擾時被測相位會產(chǎn)生漂移及信號衰落現(xiàn)象，從而引入測量誤差。而且，光纖傳感器的信號處理會直接影響到測量的分辨率、精度和動態(tài)范圍。另外，考慮到光纖在 PZT 管上纏繞時會有松動，且實(shí)驗中選用的 PZT 管只有在正電壓時膨脹，所以還應(yīng)在正弦驅(qū)動信號上加一個直流偏置，保證調(diào)制部分正常工作。PZT 驅(qū)動信號的幅度V 由下式計算得到： 　 　 （）式中，為光纖在 PZT 管上纏繞的圈數(shù)，在本系統(tǒng)中 =10；(OD)為 PZT管在 1 伏電壓作用下直徑的變化量，對應(yīng)于實(shí)驗中所采用的 PZT 管，(OD)=5 nm。光纖馬赫－曾德爾干涉儀被調(diào)制臂光纖的伸長量為： （）式中，為 FBG 反射光的中心波長， =1550 nm；為光纖的有效折射率，=；C =。如果把調(diào)制幅度設(shè)置在一階貝塞爾函數(shù)的第一個極點(diǎn)上，得到調(diào)制幅度的值為 rad。這樣，在這些極點(diǎn)附近，由調(diào)制信號幅度波動引入的誤差最小。調(diào)制信號的幅度大小與一階和二階貝塞爾函數(shù)有關(guān)[25]。壓電陶瓷管的驅(qū)動信號由信號發(fā)生器提供。系統(tǒng)采用的高壓放大器包括兩個模塊：高壓放大模塊和低壓放大模塊。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。下面主要介紹壓電陶瓷的工作原理并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求進(jìn)行參數(shù)計算。至于干涉儀臂長差的實(shí)際大小，只能通過標(biāo)定來確定。 普通單模光纖的有效折射率為 ，則光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩臂的長度差最大只能為 mm。因此，需要根據(jù)測量的具體要求來選擇合適的參數(shù)。越大，相位測量的分辨率越高，相應(yīng)地應(yīng)變測量的分辨率也就越高，但是測量的范圍就越小。(3)光纖馬赫－曾德爾干涉儀的參數(shù)計算 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)測量的具體要求對其構(gòu)成和主要參數(shù)計算進(jìn)行分析和設(shè)計。實(shí)用的光纖馬赫－曾德爾干涉儀的分光器件和合光器件是由兩個分光比為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比度。當(dāng)應(yīng)變作用在 FBG 上時，反射光的中心波長發(fā)生改變，兩路光的相位差將被引入一個增量： （）式中，為應(yīng)變－頻移分辨率，為應(yīng)變變化量，為應(yīng)變引入的波長變化量。如果兩路光的光程完全一致的話，干涉信號始終為干涉極大，為了使干涉信號隨所需的被測量而變化，必須使兩路光的光程差不為零。因此，本系統(tǒng)采用光纖馬赫－曾德爾干涉儀(FMZI)來測量光纖光柵反射光的波長變化。這種方法特別適合于高分辨率動態(tài)應(yīng)變傳感信號的檢測。以下是對這些方法的簡要評述。測量波長變化量的經(jīng)典方法是直接采用光譜分析儀、單色儀測量波長的變化，但這些儀器價格昂貴，體積大，不便攜帶，不利于傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。在光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)中，溫度或應(yīng)變引起 Bragg 反射波長的移動，光的基本性能都可能受到調(diào)制。因此，如何對光纖光柵的波長編碼信號進(jìn)行解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感的關(guān)鍵。 光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)解調(diào)模塊的設(shè)計 光纖M—Z干涉儀系統(tǒng)設(shè)計光纖布拉格光柵作為波長調(diào)制型傳感器，其被測信息轉(zhuǎn)化為特征波長的移動，要獲得原來的傳感量，就需要從測得的光信號中檢測出布拉格波長的漂移，實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號的解調(diào)。、與原始波長、分別對應(yīng)于鎖相放大器的輸出電壓、和，所以被測應(yīng)變量正比于。具體理論推導(dǎo)如下： （）式中，、分別是測量光柵的布拉格中心波長原始值和飄移量，、分別是光柵的靈敏度和溫度靈敏度。本系統(tǒng)中我們采用一個參考光柵來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，該參考光柵被置于與測量光柵陣列相同的溫度場中，但不受應(yīng)變的作用，由于光纖光柵對應(yīng)變和溫度的響應(yīng)都是線性的，所以從信號解調(diào)方面看兩者是沒有區(qū)別的，都是對應(yīng)著鎖向放大器的輸出電壓，不同的只是解調(diào)出來的信號代表的意義，因此參考光柵的信號處理原理和方法與測量光柵是完全一致的。本文設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測量的關(guān)鍵是傳感頭及信號解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，因此下面將就這兩方面做詳細(xì)的介紹和分析。常見的能用于中心波長 1550 nm 附近光纖光柵傳感系統(tǒng)的探測器主要有：PN 光電二極管、PIN 光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。因此，選用的探測器的靈敏度應(yīng)該在 nW 量級。選擇光電探測器主要取決于兩個參數(shù)：一是探測器的靈敏度，二是探測器的帶寬。在光纖馬赫－曾德爾干涉儀中，光耦合器起著分束與混合光信號的雙重作用，使光干涉得以實(shí)現(xiàn)。(2)光器件的互連 本系統(tǒng)是利用光纖光柵的反射光來測量應(yīng)變的，因此需要