【正文】 (2 21212 ????? IIIIP (216) 因 3dB 耦合器的輸出端相移 為 2/? ，故第二個(gè)耦合器的二輸出端相位差為 ? ，則上式中第三項(xiàng)相差一個(gè)符號。光纖干涉儀若采用這樣的 PZT 相位控制器，可以探測小至 的相位變化。在驅(qū)動(dòng)電壓大約 30v，頻率為幾千赫茲范圍內(nèi)， PZT 圓柱直徑 時(shí)，獲得每圈 12rad 的相位延遲。 實(shí)現(xiàn)對光纖縱向應(yīng)變進(jìn) 行調(diào)制的最簡便的方法是，采用一個(gè)空心的 PZT 陶瓷圓柱體，在這個(gè)圓柱體上纏繞一圈或多圈的光纖。其壓電效應(yīng)指在一定方向上對壓電材料施加應(yīng)力，則使相應(yīng)的表面會(huì)產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電元件天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 基本上都是由鋯 (Zr)鈦 (Ti)酸鉛 (Pb)系統(tǒng)材料制成，故簡稱 PZT。 一、零差檢測 此種檢測方式的結(jié)構(gòu)式全光纖的，如圖 28。要做到這一點(diǎn)，常采用壓筒陶瓷（ PZT）調(diào)制器作為移相器，加在干涉儀的參考臂上，產(chǎn)生 2/? 的相位差，當(dāng)有信號時(shí)就在此基礎(chǔ)上移動(dòng)，這種檢測方法屬于零差檢測。當(dāng) ??? n,2,0 ????? 時(shí)， 0min ??ss ，靈敏度最低； 當(dāng) ???? 2 12,23,2 ?????? n時(shí)， 1max 2Iss ?? ，靈敏度最低。 當(dāng) ???? )12(,3, ?????? n時(shí)， 0min ??II ；當(dāng) ??? n2,2,0 ????? 時(shí)， 1max 4III ?? 。 假設(shè)相位調(diào)制量為 ?? ，測量 ?? 大小的方法有兩種：一種光學(xué)方法，看 ?? 變化，看條紋移動(dòng)；另一種是電路方法，測與 ?? 有關(guān)的光電流，得 ?? 。由于光的相位被記錄在光的干涉條紋上，這樣，當(dāng)干涉條紋產(chǎn)生改變時(shí)，暗示著相位也發(fā)生變化， 因此，要解調(diào)出光相位的變化，就可以通過探測干涉條紋的變化而得知。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 圖 27 可調(diào)諧 FP濾波法原理框圖 可調(diào)諧 FP 濾波法可以用于絕對測量和相對測量，也可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測量。 （ 2）可調(diào)諧光纖 FP濾波法 可調(diào)諧光纖 FP濾波法原理：利用 3dB耦合將 FBG的布拉格反射光耦合進(jìn)可調(diào)諧光纖 FP濾光器（ FPF），在 FPF 上加載鋸齒波電壓，這樣，將使其在光柵特征波長的附近進(jìn)行掃描，因此，光柵的特征波長就是 FPF 過零點(diǎn)的輸出波長。 兩路信號經(jīng)放大后相除，輸出為： )]/()[/(/ 0 ???? ????? Brs NMAIII (214) 式（ 214）中， ?B為 FBG 的標(biāo)稱布拉格波長， ??為 FBG 波長偏移。此種方法適合便攜式的波長檢測 ，其結(jié)構(gòu)原理如圖 26 所示。 圖 25 參考波長掃描法示意圖 三、光學(xué)濾波法 光學(xué)濾波解調(diào)的基本原理是，在光纖光 柵的輸出光路中安置濾波器，析出于被測量相應(yīng)天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 的波長偏移。當(dāng)傳感 FBG 和參考 FBG 的中心波長相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)輸出，因此，此時(shí)的參考 FBG 的中心波長就是所需測量值，如圖 25 所示。 。只有滿足 2B effn? ??式的波長遇到 FBG 才會(huì)發(fā)生反射，因此，后向布拉格波長反射光要在探測器上產(chǎn)生強(qiáng)輸出，必須滿足 ?=?B，窄帶光源的光波經(jīng)過可調(diào)諧濾波器，可以使其中心波長鎖定在該種狀態(tài)，此時(shí)，即可測知 ?B。該結(jié)構(gòu)中的光譜分析儀，單色儀和傅里葉變換光譜儀都能滿天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 足實(shí)驗(yàn)要求。符合布拉格波長的光被 FBG 反射后，傳輸光譜中的布拉格波長成分將消失而形成譜谷，這樣，參考 FBG 和傳感 FBG 光譜谷的間距可由光譜分析儀測得，或者測量參考 FBG 譜谷和傳感 FBG 的間距，說明外界 信號（被測物理量）能夠引起布拉格波長的偏移 BB ??? ??? 39。圖 21 所示為光譜分析法結(jié)構(gòu)示意圖，其中，光纖光柵作為傳感頭使用。關(guān)于波長解調(diào)方法有很多，主要有光譜分析法，波長掃描法，光學(xué)濾波法等。其 中非平衡 MZ干涉 解調(diào)法 分辨率高 、 插入損耗少 、 響應(yīng)快 、 成本低 ； 匹配光柵解調(diào)法解調(diào)速度快 、 重復(fù)性好 、 分辨率較高 。近年來 ， 提出 的 光纖光柵解調(diào) 技術(shù) 方法有 ： 強(qiáng)度解調(diào) 、 相位解調(diào) 、 頻率解調(diào) 、 偏振解調(diào) 、 波長解調(diào)等 [18] 。 光纖光柵解調(diào)理論 光纖光柵傳感器以其耐腐蝕 、 抗電磁干擾 、 傳輸損耗小 、 體積小 、 質(zhì)量輕 , 便于復(fù)用等 獨(dú)特優(yōu)勢 已經(jīng)成為目前光纖 光柵 傳感器系統(tǒng)的研究熱點(diǎn) 。 （ 2） 軸向應(yīng)變對布拉格光纖光柵的影響 在溫度恒定條件下 ， 應(yīng)變 不僅會(huì) 改變 Brrag 光纖光柵的光柵常數(shù) ， 同時(shí)彈光效應(yīng) 導(dǎo)致 FBG折射率發(fā)生 改變 ， 兩者分別表示為： ??????? llz （ 24） 3 1 2 1 1 1 2[ ( ) ]2e ffe ff xn P P Pn ? ???? ? ? （ 25） 式（ 25） 中 ， 11P 和 12P 為 彈光系數(shù) ， ν 為泊松比 ， 因而 有 ： ? ?1BezB P? ??? ?＝－ （ 26） 通過 變換表達(dá)方式 可以 得到應(yīng)變靈敏度： zBBepS ?? ????? )1(ε （ 27） 式（ 27） 中 ， pe為材料 的彈光系數(shù) ， 可表示 成 ： ? ?? ?121112221 PPPnP e f fe ??? ? （ 28） 對純?nèi)廴谑?來說 ， 11 ? 、 12 ? 、 ?? 、 ? ， 可得 出 光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)為： 。 式（ 21） 可以 簡化為： TBB ?? ??? )( ???? （ 22） 由（ 22）式 可以 得到溫度靈敏度： TS B B????? ? ??? )(T （ 23） 式（ 23） 中， T?????? 1? 為 光纖的熱膨脹系數(shù) ，Tnn effeff ???? 1?為 熱光系數(shù) ， 一般情況下天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 ???? 。 光纖光柵的傳感特性 光纖光柵作為傳感 裝置 ， 當(dāng)待測物理量發(fā)生 改變 時(shí) ， 其光譜也將發(fā)生相應(yīng)的 改變 （如圖23所示） ， 反射譜的中心波長 產(chǎn)生 了漂移 ， 通過 檢測 波長漂移 量 ， 就可以 推算 待測物理量的變化。目前市面上，光柵種類眾多，其中布拉格光柵（ FBG）最為常見，周期為 101μm 左右。 經(jīng)光電轉(zhuǎn) 換的電信號 再 通過 A/D 轉(zhuǎn)換 ，將模擬信號轉(zhuǎn)換 成 數(shù)字信號 ， 利用電信號處理 模塊 對光柵 相位 信息進(jìn)行解碼。 （ 2） 解調(diào)模塊 光纖光柵傳感 系統(tǒng) 的信號解調(diào) 包括 光信號處理和電信號處理兩部分 。 為了 達(dá)到 分布式傳感 系統(tǒng) 中多點(diǎn)多參量的測量 要求 ， 寬帶光源必須 具備 頻譜范圍較寬的穩(wěn)定輸出 ， 并 且具有較強(qiáng)的能量輸出 能力 。光源提供整個(gè)系統(tǒng)所需的光能量，光柵傳感器監(jiān)測外界物理量的變化，信號解調(diào)模塊解調(diào)經(jīng)外界信號調(diào)制后的光波，提取待測物理量信息 [17]。這樣，對光纖光柵的反射譜和透射譜的變化進(jìn)行檢測，就可以獲得待測物理量的相關(guān)信息。 本章節(jié)主要介紹光纖光柵傳感系統(tǒng)中的傳感理論及解調(diào)理論。這種關(guān)系實(shí)質(zhì)上是將外界信號加載到傳輸?shù)墓獠ㄖ?，屬于調(diào)制部分，然后從調(diào)制后的光波中提取所需信號并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，屬于解調(diào)部分。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 第 二章 纖光柵傳感器系統(tǒng)理論分析 光柵折射率、柵距等會(huì)受到應(yīng)變、溫度、壓強(qiáng)等外界環(huán)境變化的影響而發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光柵的諸多特征參量，頻率、強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位等產(chǎn)生變化。 。 。 、技術(shù)方法。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 本論文的主要內(nèi)容為： 第一章 簡要概述 光纖 光柵 傳感器的發(fā)展 和 應(yīng)用 ， 以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí) ， 為以后的理論和實(shí)驗(yàn)研究提供了前提。 利用 LabVIEW 數(shù)據(jù)處理軟件對采集信號進(jìn)行解調(diào) ， 有效的降低了噪聲的引入 ， 提高了檢測精度 。 論文的主要內(nèi)容 光纖光柵傳感器 由于 具有可靠性好 、 抗電磁干擾 、 靈活方便 、 復(fù)用性強(qiáng) 、 能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)分布式測量 、 形成各傳感網(wǎng)絡(luò)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) ， 而廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域 。 它 率先引入虛擬儀表概念 ， 用戶可通過人機(jī)界面直接控制自行開發(fā)儀器 ， 可以實(shí)現(xiàn) ：信號分析 、 信號截取 、 數(shù)值運(yùn)算 、 機(jī)器視覺 、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 、 聲音震動(dòng)分析 、 邏輯運(yùn)算等 諸多功能 [16]。 LabVIEW 是基于 G語言的革命性的圖形化開發(fā)語言 ， 用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制 、 數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá) 。 Origin 是美國 Microcal 公司開發(fā)的數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件 ， 它可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序 、 平滑 、 微分 、 積分以及線性和非線性擬合 ， 此外 ， 還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制各種二維 、 三維坐標(biāo)圖形 [14]。 這些軟件功能豐 富 ， 可滿足科技工作中的眾多需要 ， 但使用這些軟件需要具備一定的矩陣知識(shí)和計(jì)算機(jī)編程知識(shí) ， 并熟悉其中大量的命令和函數(shù)。 為了確保數(shù)據(jù)安全可靠 ，還配備數(shù)據(jù)安全保密的技術(shù)。數(shù)據(jù)處理的方式主要有四種：（ 1）根據(jù)處理設(shè)備的結(jié)果方式不同可以分為聯(lián)機(jī)處理和脫機(jī)處理；（ 2）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間分配方式不同可以分為實(shí)時(shí)處理、分時(shí)處理和批處理方式；（ 3）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的空間分配方式不同可以分為分 布處理和集中處天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 理；（ 4）根據(jù)計(jì)算機(jī)中央處理器的工作方式不同可以分為交互式處理、單道作業(yè)處理和多道作業(yè)處理。 描述處理設(shè)備要包括工作方式、結(jié)果方式和數(shù)據(jù)時(shí)間 /空間分布方式，因此，不用的數(shù)據(jù)處理方式對應(yīng)著不同的硬件和軟件。數(shù)據(jù)處理是自動(dòng)控制和系統(tǒng)工程 的基本環(huán)節(jié) ， 貫穿于社會(huì)生活和社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域 。 數(shù)據(jù)經(jīng)過 闡釋 并賦予一定的意義后 ， 便成為信息 。 數(shù)據(jù)是對事實(shí) 、 概念或指令的一種表 現(xiàn) 形式 ， 可由人工或 者 自動(dòng)化裝置進(jìn)行處理 。 光纖光柵傳感器的性能與其穩(wěn)定性和可 靠性密切相關(guān) ， 隨著基礎(chǔ)技術(shù)的成熟 、 元器件性能的更加完善 ， 光纖光柵傳感器將得到更廣泛的應(yīng)用。 (2)開展對采用復(fù)用技術(shù)的光纖光柵傳感器系統(tǒng)的研究 ， 特別是將其與微機(jī)相結(jié)合而組成光纖遙測系統(tǒng)來進(jìn)行多參數(shù)測量與控制 。 利用光纖光柵傳感器 的 抗輻射性能 ， 可 以 對核工業(yè)周圍 的 環(huán)境進(jìn)行必要的監(jiān)測。 德國 西門子公司 通過 對光纖光柵傳感器進(jìn)行特殊處理 ， 可 用于對發(fā)電機(jī)定子電流 、 溫度進(jìn)行測量 。 在生物醫(yī)學(xué)方面 ， 南洋理工大學(xué) 的 生物工程研究中心研制 成 的壓力傳感器被新加坡 中心 醫(yī)院用于外科校正 ， 用 來幫助醫(yī)生監(jiān)測 病 患者的健康狀況 。在石油化工方面 ， 中國石油大學(xué) 通過建立 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò) ， 實(shí)現(xiàn) 對井下油氣采集環(huán)境 的實(shí)時(shí)監(jiān)測 。 北京地鐵穿越施工中 ， 利用 光纖光柵靜力水準(zhǔn)傳感器 ， 對施工實(shí)時(shí)監(jiān)測 ，保證了施工質(zhì)量 。 從上世紀(jì) 70 年代末光纖光柵傳感器誕生以來 ， 便由于其具有的防爆 、 防火 、 損耗低 、 精度高 、 重量輕 、 體積小 、 壽命 長 、 復(fù)用性好 、 性價(jià)比高 、 抗電磁干擾 、 響應(yīng)速度快 、 動(dòng)態(tài)范圍大 、 頻帶范圍寬 、 易組成遙測網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢而被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域 [13]。 3℃，響應(yīng)時(shí)間為 2s。普通型光纖溫度傳感器在 10～ 300℃范圍，精度為177。 目前，國外光纖溫