【正文】 明書 第 10 頁 共 33頁 ? ? ? ? ? ?? ?? ? TPPs u beeB B ????????? ??????? 11 （ ） 從以上分析可以看出無論是應變還是溫度，通過檢測光纖光柵波長的漂移量或帶寬變化量，可以推測出待測物理場的狀態(tài)。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引起的折射率改變效應相比很小，例如式（ ）所示波長為 1550nm 的光纖光柵，其溫度敏感性僅為 Cnm0/ ,如果 FBG 的布拉格波長要達到 1nm的移動，則溫度需要變化 100 C0 。不考慮波導效應，將式（ ）對溫度 T 求導，可得： ???????? ?????????? TnTnT e ffe ffB 2? （ ） 式（ ）兩邊分別除上式兩端，可得 TTTnn e ffe ffB B ????????? ????????? 11?? （ ） 令 Tnn effeff??? 1? （ ） T????? 1? （ ） ? 稱為光纖的熱光系數(shù)； ? 稱為光纖的熱膨脹系數(shù)，從而可得： ? ? TBB ???? ???? （ ） 對于常用的石英光纖，熱膨脹系數(shù) C06 / ???? ， C06 / ???? 。這就是我們通常只考慮光纖光柵縱向應變傳感的原因 [23]。若進一步考慮波導效應，在相同的應力作用下，縱向應變較前一種情況增加 ? ? 5/1 ?? ?? 倍，所以波導效應將顯著的多，而波導效應與彈光效應正好相反，即減小光柵的橫 向應變靈敏度。若從應力靈敏度的角度來看，縱向拉伸的應力靈敏度約為橫向應力的 倍。1??? （ ） 對于石英光纖， 39。 均勻橫向應力下的光纖光柵傳感特性分析 在彈光效應下，當光柵只受到橫向壓力且不存在剪力時，與上節(jié)軸向應力下的傳感分析方法一樣，橫向應力導致的光柵折射率變化為： ? ?ye ffe ffe ff pppnnn ??? ?????? ?????? 1112122 212 （ ） 令 ? ??????? ???? 121112239。由式（ ）和（ ），可得： ? ?xxeBB Pd ???? ????? （ ） 上式為光纖 Bragg 光柵軸向應變下的波長變化數(shù)學表達式，它是處理光纖光柵應變清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 33頁 傳感的基本關系式。 不考慮波導效應，即不考慮光纖徑向變形對折射率的影響，只考慮軸向變形的彈光效應，光纖在軸向彈性形變下的折射率變化如下； ? ?? ?xe ffe ffe ff pppnnn ??12111222 ????? （ ） 式中 ? ?2,11 ?ipi 是單模光纖的彈光常數(shù)，即縱向應變分別導致的縱向和橫向折射率變化；? 是泊松比。 均勻軸向應力下的光纖光柵傳感特性分析 對于光纖 Bragg 光柵方程式（ ）兩邊微分并移項 可得： 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 33頁 ??????? e ffe ffB nn 22? （ ） 將式（ ）兩端分別除以式（ ）兩邊項，得 ??????? effeffBB nn?? （ ） 從式（ ）可以看出，凡是能夠?qū)е鹿饫w光柵有效折射率變化或者光柵周期變化的物理量都能引起波長的變化。目前已有的基于光纖 Bragg 光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接的利用應變或溫度改變光柵中心波長，達到測試被測物理量的目的。其引起的光纖 Bragg 光柵波長的飄移克表示為： ? ? ? ? TpeBB ?????? ????? 1 （ ） 式中： ? 為光纖布拉格光柵軸向應變， T? 為溫度變化量， ep 為有效彈光系數(shù)， ? 、 ? 分別為光纖布拉格光柵的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。 從式（ ）這個方程可以看出任何能夠改變光柵有效折射率或光柵周期的物理量都能改變光柵中心波長。從麥克斯韋經(jīng)典方程出發(fā)，結合光纖耦合模理論，利用光纖光柵傳輸模式的正交關系，得到布拉格光柵反射波長的基本表達式為： ?? effB n2? （ ） 式中， B? 為光柵的中心反射波長， efn 為纖芯的有效折射率， ? 為 光柵的周期。光纖光柵被廣泛應用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理等各個領域。 第五章對 論文的成果與不足進行分析， 同時對 今后的發(fā)展前景進行了展望 。并且基于光纖光柵的溫度響應特性，提出用一個參考光柵來進行光纖光柵應變測量溫度補償?shù)脑O計方案，并詳細推導了其補償原理，證明了該方法的可行性； 第四章 進行了光纖布拉格光柵應變特性實驗，驗證了 光纖 Bragg 光柵波長變化是與軸向應變呈線性關系的 。 詳細分析了光纖布拉格光柵測量系統(tǒng)的原理。 第二章 研究了光纖布拉格光柵的傳感器原理，分析了均勻軸向、橫向應力下的光纖光柵傳感特性，光纖布拉格光柵溫度傳感特性，以及光纖布拉格光柵應變、溫度測量的交叉敏感 特性。 課題研究內(nèi)容及結構安排 本論文對光纖布拉格光柵測量的基本原理和傳感原理進行了 分析；對近年來報道的光纖光柵傳感系統(tǒng)信號解調(diào)的方法進行研究和比較，提出利用光纖馬赫－曾德爾干涉儀進行應變測量，并用相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行信號解調(diào)的測量系統(tǒng)。國家 20xx 年遠景規(guī)劃和“十五”計劃己將傳感器列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國加入世界貿(mào)易組織，清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 33頁 市場需求和發(fā)展空間的潛力非常巨大，其中光纖傳感器將占有相當大的比例，這預示我國在光纖傳感器領域?qū)⒊霈F(xiàn)一場激烈的競爭和挑戰(zhàn)。但與發(fā)達國家相比，我國的研究水平還有很大的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè) 化方面，大多數(shù)傳感器品種仍處于實驗室研制階段，不能投入批量生產(chǎn)和工程化應用 [2021]。目前已有許多單位在這一領域開展工作，如清華大學、華中理工大學、武漢理工大學、重慶大學、核工業(yè)總公司九院、電子工業(yè)部 1426 所等。西歐各國的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研究與開發(fā)和市場競爭，其中包括英國的標準電訊公司、法國 的湯姆遜公司和德國的西門子 公司等 [1820]。日本在 80 年代便制定了“光控系統(tǒng)應用計劃”，該計劃旨在將光纖傳感器用于大型電廠，以解決強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中的信息測量、傳輸和生產(chǎn)過程的控制。調(diào)查結果表明，美國光纖傳感器的研究開發(fā)重點己向民用 領域轉移，民用光纖傳感器的產(chǎn)量已大大超過軍用傳感器。Wilcox 公司、 Accuflber公司、 Fidberdy． Elamies 公司、 EOTcc 公司、 Optical 技術公司等。 如運用光纖傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù)，監(jiān)測橋梁和重要建筑物的應力變化，檢測肉類和食品的細菌和病毒等。 光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 美國是研究光纖傳感器起步最早，水平最高的國家，在軍事和民用領域的應用方面，其進展都十分迅速。 總之，光纖布拉格光柵除了具有光纖傳感器的特點外，其波長編碼特性使其感測結果不受光源功率波動及光的偏振態(tài)的變化的影響，并且便于利用復用 (波分、時分、空清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 33頁 分等 )技術實現(xiàn)對應變的準分布式多點測量。 (4)抗干擾能力強，一方面因為普通的光纖傳輸不會影響傳輸光波的頻率特性；另一方面是因為光源光強的起伏、光纖微彎效應等引起的隨機起伏以及耦合損耗等都不可能影響傳感信號的波長特性。 (2)光纖具有細柔韌的特點，使得它容易掩埋或貼附到各種材料中形成光纖神經(jīng)網(wǎng)絡。其次，在結構件制作好并用于某種應用后，同樣是這些傳感器還能夠使應用在不間斷運行的情況下對結構件的受力、損傷等情況進行動態(tài)監(jiān)測，從而及時地發(fā)現(xiàn)故障點、故障程度并采取相應的處理措施。 傳感器的嵌入帶來諸多好處。另外，背散射不能夠提供光纖偏振的所有信息，固定傳感器的位置時需要很長的光纖且不能隨意布置，因此它也是制約這 種傳感器應用推廣的障礙。③已廣泛研究的光纖微彎傳感器始終存在一些難以克服的缺點，如受光強影響大、光纖彎曲損耗和連接損耗大。由于鋼弦絲長期處于張緊狀態(tài)，蠕變現(xiàn)象十分嚴重，國產(chǎn)鋼弦應變傳感器的正常使用期為 3 年左右。②在混凝土應力的測試中，短期觀測可使用電阻應清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 33頁 變片式的應變磚，而工程中更多地使用振弦式應變傳感器。 目前，對結構的應變檢測主要采用常規(guī)的檢測手段，即電類傳感測量技術，如電阻應變片、鋼弦計等，它們雖在大型工程結構的施工質(zhì)量控制及竣工驗收中得到廣泛應用，但就對結構的長期 、實時、在線監(jiān)測而言，則存在著根本不足。最能反映結構局部特征，便于結構安全評價與損傷定位的是應變信號，應變是材料與結構的重要物理特性，是重要工程結構健康監(jiān)測最為重要的參數(shù)之一。因為如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些重要結構在服役期內(nèi)的損傷位置及其對整個結構的危害性，其災難性后果不僅會造成無法估量的經(jīng)濟損失，還會嚴重危及到人們的生命財產(chǎn)安全。建筑結構的多樣化和復雜化，帶來了建筑結構工程科研、設計、施工、監(jiān)理和管理水平的全面提升，也帶動和促進了相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 由于光 纖傳感器應用的廣泛 性及其廣闊的市場，其研究和開發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視，各發(fā)達國家更是競相研究開發(fā)并引起了激烈的競爭。日益增多的應用成果表明，光纖光柵已成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無源器 件之一 [13,14]。隨著光纖光柵寫入技術和傳感器封裝技術的不斷完善，一些光纖光柵傳感器己開始規(guī)模化生產(chǎn)。當外界環(huán)境改變時，由于熱光效應、彈光效應、法拉第效應等的作用導致 Bragg 中心波長發(fā)生漂移，測量此波長的漂移量就可檢測外界清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 33頁 溫度，應力，磁場等的變化，還可間接測量加速度、振動、濃度、液位、電流、電壓等物理量。 1978 年加拿大渥太華通信研究中心的 等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光 敏效應 [11]，從而導致了一種所謂光纖光柵的新型光纖無源器件的出現(xiàn)。光纖光柵技術使得全光纖器件的研制和集成成為可能，從而為人們進入全光信息時代帶來了無限生機和希望。 就目前來說，光纖光柵的應用主要集中在光纖通信領域和光纖傳感領域。以光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating，簡稱為 FBG)為主的光纖光柵傳感器之所以能夠如此受到關注，是因為它除了具有光纖傳感器的抗電磁干擾、耐高溫、體積小、靈活方便等優(yōu)勢，還具有其它傳感 技術無法替代的優(yōu)點，如其傳感信號是以波長調(diào)制的，所以測量信號不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測器老化等因素的影響；避免了干涉型光纖傳感器相位測量模糊不清等問題；其復用能力強，在一根光纖上串接多個布拉格光柵，把光纖嵌入 (或粘于 )被測結構，可同時得到幾個測量目標的信息，并可實現(xiàn)準分布式測量。隨著光纖光柵制造技術的不斷完善，其應用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領域都將由于光纖光柵的實用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術是光纖技術中繼摻餌光纖放大器 (EDFA)技術之后的又一重大技術 突破 [13]。 關鍵詞： 光纖布拉格光柵，光纖馬赫－曾德爾干涉儀，信號解調(diào) Building monitoring technology research based on fiber Bragg grating 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 33頁 Abstract The purpose of this paper is the strain measurement system design and experimental studies in the monitoring of building,on the basis of indepth analysis of the research status,summed up the the development trend of the fiber Bragg grati