【正文】 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。 光纖光柵應變特性測試系統(tǒng)如圖 所示。從而證明了光纖布拉格光柵應變測量系統(tǒng)的可行性。 本章小結 主要進行了光纖布拉格光柵應變測量系統(tǒng)的方案設計。而本信號處理系統(tǒng)采用的零差解調方法解調的動態(tài)范圍大、線性度好，并具有測相精度高的優(yōu)點。偽外差解調法 (PseudoheterodyneDemodulation)[30]需要對光源進行調制，而且由于 PZT 的驅動頻率太低， 因 而 只 能 測 量 靜 態(tài) 或 緩 變 信 號 。 式 ()表明，解調電路的輸出正比于相位 調制信號 tD s?cos ，故該方案實現(xiàn)了相清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 33頁 位調制信號的檢測。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提取 ??t? 。它所運用基本原理是信號的相關處理 [29]。因為低通濾波器的等效噪聲帶寬可以做得很窄，所以大部分噪聲濾除，而最終把有用信號檢測出來。相敏檢波 (PSD)的作用是對輸入信號和參考信號進行混頻，輸出和頻及差頻信號。信號通道的作用是先把伴有噪聲的輸入信號放大，并經(jīng)選放初步減小噪聲。鎖定放大器的構成原理如圖 所示。從另一方面來看， ??t?? 又包含直流分量和交流分量，分別對應靜態(tài)分量和動態(tài)分量。 角頻率為 0? 的正弦波驅動 PZT，假設由 PZT 引入的相位調制幅度為 C ，則在光電探測器 PIN 上得到的信號為： ? ?? ?ttCBAI ???? 0c o sc o s ? （ ） 式中， A 、 B 為常數(shù)，且 B =kA， k 1 為干涉條紋可見度， A 正比于激光器輸出光功率；C 為相位調制幅度； 0? 為載波角頻率； ??t? 包括兩部分：一是由 FBG 波長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 引入的相位漂移 )，記為 ??t0? 。 干涉儀的參考臂使用一個相位調制器，它是在圓柱形的壓電陶瓷上繞制光纖組成。下面將具體討論光纖馬赫－曾德爾干涉儀輸出信號的解調方法。由于本測量系統(tǒng)所采用的光源是寬帶 光源，無法對其進行調制，所以選用調制干涉儀的光程差的方式實現(xiàn)相位生成載波調制。調制光源一般采用半導體激光器 (LD)，通過對其輸入電流進行調制來達到調制激光頻率的目的。 所謂的相位生成載波調制，是在被測信號帶寬以外的某一頻帶之外引入大幅度的相位調制，被測信號則位于調制信號的邊帶上，這樣就把外界干擾的影響轉化為對調制信號影響，并且把被測信號的頻帶與低頻干擾的頻帶分開 ，以利于后續(xù)的噪聲分離。而相位生成載波解調技術容易實現(xiàn)，應用靈活方便，并且具有動態(tài)范圍大、測量精度高等優(yōu)點。目前，用于干涉型光纖傳感器的解調方法主要包括：差動延時外差法 (Differential Delay Heterodyning)[26]、光程匹配差動干涉法 (Pathmatched Differential Interferometry)、相位生成載波法 [27,28]。下 面將對后續(xù)的信號處理模塊進行具體分析和設計，以實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號解調。 后續(xù)信號處理模塊的設計 通過前面的討論可以知道，光纖馬赫－曾德爾干涉儀將光纖光柵反射光波長的變化轉化為相位信號的變化，因此，相位測量是本測量系統(tǒng)信號處理的基本要求。則 PZT 驅動信號的幅度為： V = 伏。代入上式計算得到： L? = m? 。下面根據(jù)光纖馬赫－曾德爾干涉儀系統(tǒng)的參數(shù)，計算壓電陶瓷驅動信號的大小。所以，可以把調制信號的幅度設在貝塞爾函數(shù)的極點上。經(jīng)分析知，在貝塞爾函數(shù)的極點附近，函數(shù)變化比較緩慢。光纖馬赫－曾德爾干涉儀調制的深度首先取決于 PZT 上光纖纏繞的圈數(shù)，其次取決于調制信號的幅度。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，用于驅動 PZT，實現(xiàn)光纖馬赫－曾德爾干涉儀的調制；而后者的放大倍數(shù)為 10，輸出 20~120 V 的電壓，用于驅動預加載閉環(huán)壓電陶瓷管，可以使 FBG 產(chǎn)生應變或對光纖干涉儀作光程調節(jié)。 PZT 由專用的驅動電源來驅動，該驅動電源是高壓直流功率放大器。 由壓電堆疊結構構成的壓電陶瓷微位移驅動器 (PZT)是高精度微位移器件，能實現(xiàn)微米級的位移量。 (4)壓電陶瓷的調制及參數(shù)計算 為了實現(xiàn)信號的交流測量，需要在光纖馬赫－曾德爾干涉儀的一臂引入調制，本系統(tǒng)采用將干涉儀的一臂纏繞在壓電陶瓷上來實現(xiàn)。由于光纖端面處理和光纖焊接很難保 證光纖長度的精確性，因此，在制作光纖馬赫－曾德爾干涉儀時，只能以這個數(shù)據(jù)為標準，盡可能把其臂長差控制在這個范圍內。 FMZI 兩臂的最大長度差由下式確定： 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 長度： ???? 2Bl （ ） 把 B? =1550 nm， ?? =.3 nm 代入上式計算得到： ?l 8mm。而且，光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩臂的長度是不可能無限增大的，主要受兩個因素的制約：一是光纖光柵反射光的譜寬；二是測量范圍。 由式 ()可以看出：系統(tǒng)測量的分辨率與光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩臂的光程差成正比關系。信號處理需要對光纖馬赫－曾德爾干涉儀進行調制以實現(xiàn)兩臂的光程差不為零，可以把光纖馬赫－曾德爾干涉儀的一臂纏繞在壓電陶瓷上，通過壓電陶瓷的脹縮來改變光纖的長度。對動態(tài)應變有： tLn BB MZMZ ???? s in2 2 ?????? （ ） (2)光纖馬赫－曾德爾干涉儀光纖系統(tǒng)構成 光纖馬赫－曾德爾干涉儀由兩個臂即兩根單模光纖組成，因此需要一個分光器件和一個合光器件。這種情況下，光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩路光信號的相位差為 BMZMZ Ln?? ??? 2 （ ） 式中， n 為光纖的有效折射率， MZL? 是干涉儀兩臂的長度差， B? 是 FBG 反射的中心波長。 (1)光纖馬赫－曾德爾干涉儀解調的原理 攜帶著被測量信息的光波入射到光纖馬赫－曾德爾干涉儀，經(jīng)兩臂后輸出的光束疊加將產(chǎn)生干涉效應。對于靜態(tài)或準靜態(tài)測量而言，可以通過補償?shù)姆椒▉硖岣呔取? 雖然光纖馬赫－曾德爾干涉儀的制作比較復雜，測量靜態(tài)或準靜態(tài)信號時誤差比較大，但是其兩個臂都使用光纖，且光的分路與合路也都是用 3dB 光纖耦合器，因此體積小，且機械性能穩(wěn)定；而且，采用干涉法來檢測波長的移位，具有極高的檢測靈敏度；系統(tǒng)測量分辨率高、動態(tài)性能好、易實現(xiàn)多路復用，具有寬帶寬、高解析度的解調能力。為此，國內外發(fā)展了多種技術用于波長編碼的解調。因此在解調系統(tǒng)中，光路系統(tǒng)所對應的檢測就可以是光的強度檢測、相位檢測、頻率檢測、偏振態(tài)檢測等。 光纖光柵傳感解調系統(tǒng)包括光電探測和信號處理兩部分。光纖光柵解調系統(tǒng)的成本通常占整個傳感系統(tǒng)成本的絕大部分，它的檢測精度也往往決定著整個系統(tǒng)的傳感精度。 ? 是很方便的，由此實現(xiàn)了用參考光柵來補償溫度擾動對應測量的影響。由于鎖相放大器輸出信號時經(jīng)過 A/D 轉換輸入到計算機進行處理的，所以實現(xiàn)RrBB VVVV 39。39。BV 、 39。B? 、 39。r? 分別是測量光柵和參考光柵波長飄移后的布拉格波長值。11 （ ） 式中， 39。由式 ()可得應變量的表達式為： ???????? ????? TKK TBBBg ??? 1 （ ） 為了消除溫度擾動對應變量的影響，采用一個參考光柵來進行 溫度補償，該參考光柵被置于測量光柵陣列相同的溫度場中，但不受應變的作用，則參考光柵中心波長相對變化量為： TKTrr ???? B?? （ ） 由于光柵的溫度靈敏度僅與刻制光柵的光纖材料有關，所以刻制在相同光纖上的測量光是與參考光柵的溫度靈敏度是一樣的，因此把式 ()代入式 ()中，可得： ???????? ?????????? ???? rrBBgr rB Bg KK ????????? 39。鎖定放大器的輸出電壓是經(jīng)計算機處理的，因此把測量光柵和參考光柵的信號都解調出來以后，可以直接從測量光柵解調結果中減去參考光柵解調結果，由此實現(xiàn)了用參考光柵來補償溫度擾動對應變測量的影響。 溫度補償?shù)膶崿F(xiàn) 已有研究證明，光纖光柵對應變和溫度都是敏感的，但溫度產(chǎn)生的熱效應和應變產(chǎn)生的力效應可認為是相互獨立的 [24]。綜合考慮三者的性能和價格以及系統(tǒng)的需要， 我們選用帶有內置前放和尾纖的高靈敏度 PIN 光電二極管。對于本系統(tǒng)測量的應變量而言，最高頻率約為幾百赫茲左右；再考慮到光纖馬赫－曾德爾干涉儀上的調制信號為 1 KHz 左右，因此，探測器的帶寬達到千赫茲量級即可。本系統(tǒng)采用的光源的額定輸 出功率為 dBm，光譜寬度為 82 nm(假設光功率平均分布在這段光譜范圍內 )，選用的光纖光柵的帶寬為 nm。 (3)光電探測器 光電探測器用來把光輻射量轉換為電量 (電壓或電流 )。根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，本系統(tǒng)采用 FC(面接觸 )型接頭和分光比 50%∶ 50%的 2 2 耦合器，即通常所說的 3dB 光纖耦合器進行連接，以方便實驗和調試。 。因功率越大，信號越易檢測。因譜寬越窄，相干時間越短，選取譜寬較寬的光源有利于提高系統(tǒng)分辨率，但增加了系統(tǒng)的調節(jié)難度。 (1)光源 光纖布拉格光柵對應變的敏感反映在其反射光中心波長的變化上，其窄帶反射光在一定的波長范圍內變動。 考慮到現(xiàn)在光通訊業(yè)的迅速發(fā)展給科研實驗提供了許多商用器件，所以盡可能的采用光通訊中普遍使用的器件對于實驗和 應用而言都是非常有利的。相敏檢波之后輸出的信號經(jīng)過 A/D 轉換輸入到計算機。因為光纖光柵波長漂移與干涉輸出的附加相移呈線性關系，所以干涉儀可用來對光纖光柵傳感信號進行相位解調。本文設計的光纖光柵測量系統(tǒng)結構如圖 所示。解調模塊由傳感模塊以外的部分組成。傳感模塊由光源 、光纖和光纖光柵組成。 本章小結 本章首先介紹了光纖布拉格光柵的軸向、橫向應力和溫度的傳感特性分析，并且分析了光纖布拉格光柵應變、溫度測量的交叉敏感問題。對于建筑物這類以應變監(jiān)測為主的結構，用光纖 Bragg 光柵作為應變傳感器時必須考慮如何提出溫度的影響。 光纖 Bragg 光柵應變、溫度測量的交叉敏感 由式（ ）可以看出光纖光柵對溫度和應變是交叉敏感的，因此測量其中一個量時，將不可避免地受到另一個量的影響，更無法實現(xiàn)溫度、應變同時測量。若用 sub? 表示基底材料的熱膨脹系數(shù)，則此時 FBG 的 Bragg 波長相對偏移量與溫度及應力的關系可表示為： 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說