【正文】 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。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。因此，本系統(tǒng)采用此方法實(shí)現(xiàn)相位信號(hào)的解調(diào)。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。 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。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。將光電探測(cè)器輸出電壓送給PZT則形成相位反饋的閉環(huán)控制，即在干涉儀兩臂正交（）時(shí)，如果外界影響，使得工作點(diǎn)偏離正交點(diǎn)，偏移為，那么，為保持兩臂相位差仍為，應(yīng)使得反饋相位滿(mǎn)足： （）即反饋系統(tǒng)要使，即為使系統(tǒng)靈敏度達(dá)到最高，干涉儀的相位差保持在，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。f。 反饋放大電路的設(shè)計(jì) 反饋放大電路的電路設(shè)計(jì)，即為光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反饋放大電路。由式（）和式（）得光纖Bragg光柵的應(yīng)變量與PZT振動(dòng)幅度的關(guān)系： （）由式（）、式（）和式（）得知最后測(cè)得的電壓值為： ()其中，和均為常數(shù)。則 PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度為：=。實(shí)驗(yàn)中采用的光纖光柵中心波長(zhǎng) =1550 nm，有效折射率=： =。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。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)極點(diǎn)上。壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器提供。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。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[24]。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。綜合考慮三者的性能和價(jià)格以及系統(tǒng)的需要，我們選用帶有內(nèi)置前放和尾纖的高靈敏度 PIN 光電二極管。對(duì)于本系統(tǒng)測(cè)量的應(yīng)變量而言，最高頻率約為幾百赫茲左右；再考慮到光纖馬赫－曾德干涉儀上的調(diào)制信號(hào)為 1 KHz 左右，因此，探測(cè)器的帶寬達(dá)到千赫茲量級(jí)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(shè)光功率平均分布在這段光譜范圍內(nèi))，選用的光纖光柵的帶寬為 nm。其作用是將包含固體表面速度特征信息的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。在光纖馬赫－曾德干涉儀中，光耦合器起著分束與混合光信號(hào)的雙重作用，使光干涉得以實(shí)現(xiàn)。 光器件的互連 本系統(tǒng)是利用光纖Bragg光柵的反射光來(lái)測(cè)量應(yīng)變的，因此需要將光源、光纖光柵和解調(diào)信號(hào)用的光纖非平衡MZ干涉解調(diào)系統(tǒng)互連。因功率越大，信號(hào)越易檢測(cè)。因譜寬越窄，相干時(shí)間越短，還有利于提高系統(tǒng)的分辨率，故選取譜寬較寬的光源。 光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件選擇 系統(tǒng)光源的選擇光纖Bragg光柵對(duì)應(yīng)變的敏感反映在其反射光中心波長(zhǎng)的變化上，其窄帶反射光在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)變動(dòng)。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： （）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(zhǎng)變化量，由此可看出，利用MZ干涉儀解調(diào)光纖光柵波長(zhǎng)編碼時(shí)，通過(guò)選擇合適的光程差，當(dāng)光纖光柵反射光中心波長(zhǎng)移動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于注入干涉儀的光頻（波長(zhǎng)）發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)引起相位差的變化。如果兩路光的光程完全一致的話，干涉信號(hào)始終為干涉極大，為了使干涉信號(hào)隨所需的被測(cè)量而變化，必須使兩路光的光程差不為零。光纖偏振控制器用來(lái)控制參考臂中傳播的參考光的偏振態(tài)，使參考光和信號(hào)光的偏振態(tài)相互匹配，因?yàn)閭鬏敼馄駪B(tài)對(duì)于相干光通信和光纖干涉儀以及干涉型光纖傳感器的影響非常明顯。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[30]。 非平衡馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x －曾德?tīng)柛缮鎯x解調(diào)的結(jié)構(gòu)非平衡馬赫－： 光纖馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖光纖馬赫－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。干涉輸出信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后與壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別作為待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)一起輸入相敏檢波。 光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖本文設(shè)計(jì)的光纖Bragg光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。3 光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在前兩章中分別介紹了光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究背景、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及光纖Bragg光柵的傳感原理與特性，為本章進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 本章小結(jié)本章從兩個(gè)方面對(duì)目前使用最廣泛的光纖光柵傳感器——光纖Bragg光柵進(jìn)行了研究。對(duì)于建筑物這類(lèi)以應(yīng)變監(jiān)測(cè)為主的結(jié)構(gòu)，用光纖Bragg光柵作為應(yīng)變傳感器時(shí)必須考慮如何提出溫度的影響。由式（）可以看出Bragg波長(zhǎng)的漂移不是應(yīng)變和溫度單獨(dú)作用時(shí)引起波長(zhǎng)漂移量的簡(jiǎn)單疊加，還存在力學(xué)和熱學(xué)量的相互作用，這也是交叉敏感度系數(shù)存在的意義[29]。當(dāng)只考慮這兩個(gè)物理量時(shí)，則光柵的中心反射波長(zhǎng)可表示為 （）對(duì)式（）泰勒展開(kāi)后，可以發(fā)現(xiàn)，引起光柵Bragg波長(zhǎng)漂移的不僅僅是、還有它們的交叉項(xiàng)及高階項(xiàng)。根據(jù)這個(gè)特性，人們已研制出了多種光纖光柵傳感器。直接用光纖光柵作為傳感元件，不易獲得高的溫度分辨率，因此，為了提高溫度靈敏度，可將裸光纖光柵置于熱膨脹系數(shù)高的材料中[28]。但是光纖光柵本身的溫度靈敏度非常低，隨著溫度的變化，因熱膨脹引起的光柵周期改變與熱光效應(yīng)引起的折射率改變效應(yīng)相比很小，例如式（）所示波長(zhǎng)為1550nm的光纖光柵。當(dāng)光纖光柵中心波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，由式（）可以計(jì)算光纖光柵的理論溫度靈敏度系數(shù)： （）但是由于摻鍺成分和摻雜濃度不同，各種光柵的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)會(huì)有所差別[27]。不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，對(duì)式（）對(duì)溫度T求導(dǎo)，可得： 　 （）式（）兩邊分別除上式兩端，可得Bragg波長(zhǎng)的變化量為 　 （）令 　 （） 　　 （）稱(chēng)為光纖的熱光系數(shù)；稱(chēng)為光纖的熱膨脹系數(shù)，結(jié)合熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)可得： （）令+，稱(chēng)之為光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)。這就是我們通常只考慮光纖光柵縱向應(yīng)變傳感的原因[26]。若進(jìn)一步考慮波導(dǎo)效應(yīng)，在相同的應(yīng)力作用下，縱向應(yīng)變較前一種情況增加倍，所以波導(dǎo)效應(yīng)將顯著的多，而波導(dǎo)效應(yīng)與彈光效應(yīng)正好相反，即減小光柵的橫向應(yīng)變靈敏度。若從應(yīng)力靈敏度的角度來(lái)看。式中為軸向微應(yīng)變，由式（）可以計(jì)算光纖光柵的理論應(yīng)變靈敏系數(shù)，例如，當(dāng)光纖光柵中心波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，光纖光柵的軸向理論應(yīng)變靈敏度為： （）可以看出，當(dāng)光纖光柵的材料一旦確定后，光纖光柵應(yīng)變靈敏度基本上為常數(shù)，這就從理論上保證了光纖光柵作為應(yīng)變傳感器有很好的線性輸出。所以光纖Bragg光柵產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，周期和有效折射率同時(shí)發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖Bragg波長(zhǎng)發(fā)生的相對(duì)變化為： 　 （）令 （）稱(chēng)為光纖的有效彈光系數(shù)，對(duì)于石英光纖。在彈性范圍內(nèi)，光柵Bragg光柵為均勻周期變化，所以有 　　　 （）其中，為軸向應(yīng)變。其中，表示光纖在應(yīng)力作用下的彈性形變，為光柵的彈光效應(yīng)。鑒于此，充分研究光纖Bragg光柵的應(yīng)變與溫度傳感特性、靈敏度誤差、應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)以及應(yīng)變與溫度的耦合效應(yīng)是研究開(kāi)發(fā)光纖Bragg光柵傳感器的基礎(chǔ)。理論上只要測(cè)出兩組波長(zhǎng)變化量就可以同時(shí)計(jì)算出應(yīng)變和溫度的變化量。當(dāng)同時(shí)考慮應(yīng)變與溫度時(shí)，彈光效應(yīng)與熱光效應(yīng)共同引起折射率的改變，應(yīng)變和熱膨脹共同引起光柵周期的改變[22]。在只考慮光纖受到軸向壓力的情況下，應(yīng)力對(duì)光纖光柵的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：彈光效應(yīng)使折射率改變，應(yīng)變效應(yīng)使光柵周期改變。當(dāng)光波傳輸通過(guò)光纖Bragg光柵時(shí)，滿(mǎn)足布拉格條件的光波將被反射回來(lái)，這樣入射光就分成透射光和反射光。光纖光柵起到了光波選頻的作用，反射的條件稱(chēng)為布拉格條件。（a）所示，當(dāng)光波傳輸通過(guò)光纖Bragg光柵時(shí)，入射光就會(huì)分成兩部分：透射光波矢和反射光波矢。 光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)及傳感原理分析（a）光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)示意圖（b）光纖Bragg光柵入射譜、反射譜和透射譜 光纖光柵折射率分布及反射透射特性光纖光柵的最基本原理是相位匹配條件： （）、是正、反向傳輸常數(shù)，是光纖光柵的周期，光纖的周期可通過(guò)兩相干紫外光束的相對(duì)角度而得到調(diào)整，通過(guò)這種方法，就可以制作出不同反射波長(zhǎng)的布拉格光柵，目前已有的布拉格光柵寫(xiě)入技術(shù)有：相位掩模技術(shù)、振幅掩模技術(shù)、逐點(diǎn)寫(xiě)入技術(shù)和全息成柵技術(shù)、在線寫(xiě)入技術(shù)等，這些技術(shù)中廣泛應(yīng)用的相位掩模技術(shù)[18]。（7）相移光纖光柵（phaseshifted grating）：主要通過(guò)在制作過(guò)程中引入光柵相移得到，這種光柵在光通信中特別是在多通道光波系統(tǒng)中，可被用來(lái)選擇通道。如果在光纖的同一位置寫(xiě)入多個(gè)不同的Bragg光柵則會(huì)產(chǎn)生多個(gè)反射峰，可做成梳狀濾波器用于復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)中，還可用在多波長(zhǎng)光纖激光器和多參量測(cè)量傳感系統(tǒng)中。（4）傾斜光纖光柵（tilted grating）:主要是光柵平面與光纖軸向有一定的夾角，它主要可以用作摻餌光纖放大器的增益平坦濾波器、光傳播模式轉(zhuǎn)換器等。啁啾光纖光柵被廣泛應(yīng)用于WDM系統(tǒng)的色散補(bǔ)償、摻餌的光纖放大器與光纖激光器的性能優(yōu)化等方面。它在光纖激光器、光纖傳感器、光纖波分復(fù)用等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。 光纖光柵的類(lèi)型及其特點(diǎn)由于光纖光柵的折射率分布反映了光纖光柵的周期和折射率分布調(diào)制等結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)決定了光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)、帶寬和反射特性等，從而使不同的折射率調(diào)制及不同結(jié)構(gòu)的光纖光柵具有了不同的功能，形成不同