【正文】 電二極管、PIN 光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。 壓電陶瓷的調制及參數計算 為了實現信號的交流測量，需要在光纖馬赫－曾德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（PZT）上來實現。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，能實現微米級的位移量。壓電陶瓷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。前者的放大倍數為 100，其作用是產生 0~1000 V 的高壓電源，用于驅動 PZT，實現光纖馬赫－曾德干涉儀的調制；而后者的放大倍數為 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 產生應變或對光纖干涉儀作光程調節(jié)。光纖馬赫－曾德干涉儀調制的深度首先取決于 PZT 上光纖纏繞的圈數，其次取決于調制信號的幅度。如果把調制幅度設置在一階貝塞爾函數的第一個極點上，得到調制幅度的值為 rad。光纖馬赫－曾德干涉儀被調制臂光纖的伸長量為： （）式中，為 FBG 反射光的中心波長，為光纖的有效折射率， PZT的調制幅度C =。PZT 驅動信號的幅度V 由下式計算得到： 　 　 （）式中，為光纖在 PZT 管上纏繞的圈數，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，對應于實驗中所采用的 PZT 管，(OD)=5 nm。由式（）得光纖Bragg光柵中心波長的變化量為： （）但在本課題中，由于檢測信號的時間比較短，實驗室的溫度幾乎不變，故在檢測時可以忽略溫度對測量的影響，而光纖Bragg光柵應變變化量為： （）式中，為壓電陶瓷PZT的壓電系數。由式（）可知，示波器中檢測到的電壓信號與壓電陶瓷PZT產生的應變成線性關系。 反饋放大電路的電路設計反饋放大模塊，電阻均為10，電容采用100181。 反饋放大電路的作用因為非平衡MZ干涉儀易受外界環(huán)境影響，設計反饋放大電路的目的則是為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保在波長的解調過程中誤差達到最小狀態(tài)。 信號處理模塊的設計系統(tǒng)中光纖馬赫－曾德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，相位測量是本系統(tǒng)信號處理的基本要求。下面將對后續(xù)的信號處理模塊進行具體分析和設計，以實現光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號解調。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)、光程匹配差動干涉法(Pathmatched Differential Interferometry)、相位生成載波法。而相位生成載波解調技術容易實現，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。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。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。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相位生成載波調制。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。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。角頻率為的正弦波驅動 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： （）式中，、為常數，且=，1為干涉條紋可見度，正比于激光器輸出光功率；C 為相位調制幅度；為載波角頻率；包括兩部分：一是由 FBG 波長變化引入的相位變化，記為；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。從另一方面來看，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。鎖定放大器的構成原理如圖 所示。信號通道的作用是先把伴有噪聲的輸入信號放大，并經選放初步減小噪聲。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。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。它所運用基本原理是信號的相關處理。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。式()表明，解調電路的輸出正比于相位調制信號，故該方案實現了相位調制信號的檢測。偽外差解調法(Pseudoheterodyne Demodulation)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。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。 本章小結本章主要進行了光纖Bragg光柵應變測量系統(tǒng)的方案設計。從而證明了光纖Bragg光柵應變測量系統(tǒng)的可行性。 。寬帶光源發(fā)出的寬譜光波，經 3dB耦合器照射到光纖光柵上，滿足Bragg條件的光波被反射回來，經光纖耦合器進入非平衡馬赫曾德干涉儀中。實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。懸臂梁材料采用鋼性彈片，鋼片的恢復性很好，厚度h =。鋼片的彎曲將對光纖光柵產生拉伸和壓縮作用，從而使光柵的中心波長發(fā)生變化。 光纖光柵懸臂梁調節(jié)技術原理圖 光纖光柵應變特性測試系統(tǒng)懸臂梁長度為15 cm，光纖光柵粘貼在距固定端3 cm 處，調節(jié)螺旋器，改變自由端位移量，對應每個調諧位置，測試光纖光柵的反射譜。（a）(b) 應變作用下的光柵反射譜及中心波長調節(jié)調諧裝置， mm ，測試光纖光柵的反射譜中心波長值，共測試 14 個點，光柵的 Bragg 波長與懸臂梁自由端位移的變化關系如圖45所示，可見它們呈現出良好的線性關系。 nm/mm。而理論值和實驗值之間的誤差可能來自于實驗過程中操作的不規(guī)范性以及溫度的微弱變化等等，由于在本科的學習中，研究領域比較窄，希望在以后的進一步研究中，規(guī)范實驗操作，同時考慮到溫度這一因素，將可能的誤差達到最小狀態(tài)。所以下面對正弦信號發(fā)生器進行仿真，采用的是文氏震蕩正弦發(fā)生器。 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。 仿真波形的起振波 仿真波形此正弦波發(fā)生電路為光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的正弦信號，保證了信號源的穩(wěn)定。 鎖定放大器的仿真電路，待測信號為100HZ的正弦信號。當調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，因而可以實現幅度檢測的要求。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。 A/D 轉換器的仿真 本章小結本章主要進行了光纖Bragg光柵應變測量系統(tǒng)的硬件仿真與實驗。5 結論與展望 結論本論文主要對光纖Bragg光柵的應變測量系統(tǒng)進行了深入的研究，并對方案的可行性進行了詳細的論證，具體工作如下：（1）對光纖Bragg光柵傳感器的原理進行了分析 通過對光纖Bragg光柵應力、溫度特性的分析，同時，通過實驗說明了光纖光柵作為應變傳感器有很好的線性輸出。 （2）構建了光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)論文構建了FBG應變監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的每一部分進行了詳細的介紹與分析，包括光源、光電探測器、壓電陶瓷PZT的選取，以及反饋放大電路的設計，為下一步的硬件研究提供了幫助。論文對其組成結構、工作原理進行了分析，并根據系統(tǒng)需要，對光纖馬赫－曾德爾干涉儀及壓電陶瓷調制部分進行了主要參數的計算，從理論上論證了該解調方法可以實現高分辨率動態(tài)應變傳感信號的檢測。并對信號解調部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號和PZT驅動信號發(fā)生器以及A/D轉換電路進行了硬件設計與軟件仿真，取得了一定的成果。但由于本人水平有限，論文中所介紹的光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)難免存在一些不足之處，而隨著我國設計和制作水平的不斷提高以及光柵市場需求以及發(fā)展空間潛力的逐步增大，光纖光柵必將得到更加廣泛的應用。（1）在未來的硬件實驗過程考慮到溫度對光纖Bragg光柵的影響；（2）進一步優(yōu)化系統(tǒng)結構，縮小系統(tǒng)體積，增強系統(tǒng)模塊化設計；（3）專門用于傳感的特殊光纖光柵的制作及其封裝技術的改進；（4）高靈敏度解調裝置的研制以及利用波分復用，時分復用和空分復用等技術實現分布式傳感網絡的構建。參考文獻[1] 光纖光柵與光纖傳感技術[J].光學技術,1998,7(4):7074[2] , , , et al. Fiber Grating Sensors. Journal of Lightwave Technology. 1997, 9: 7679[3] 姜德生,[J].,2002,13(4):420428[4] [D].大連:大連理工大學土木水利學院, 2007,24(2):4l48 [5] 王丹生，朱宏平．光纖光柵傳感技術在橋梁結構健康監(jiān)測中的應用[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。在此論文即將完成之際，向所有關心我、幫助我的人表示最誠摯的謝意。更重要的是他還給予了我信任和信心。也將是我一生中最寶貴的財富。在這兒也要感謝我的家人，他們是我精神的支柱。據我所知，除文中已經注明引用的內容外，本論文（設計）不包含其他個人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設計）授權使用說明本論文（設計）作者完全了解**學院有關保留、使用畢業(yè)論文（設計）的規(guī)定，學校有權保留論文（設計）并向相關部門送交論文（設計）的電子版和紙質版。學校可以公布論文（設計）的全部或部分內容。 ：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它第42頁 共38頁