高速列车车轴温度测试方案设计

清华大学2012届毕业设计说明书摘要近年来我国高速铁路迅猛发展，列车运行速度己经达到了350km/h 。随之可能遇到的各种危险因素出越来越多，其中列车在运行过程中，机车车辆与钢轨的冲击、动力效应和振动，会导数车辆各轴承的发热。当列车轴承磨损和产生缺陷时，不正常发热增大。轻则造成机损影响车辆的正常达行轻则造成疲劳破坏重则直接等致火车发生故障翻车造成巨大的生命和财产损失，严服影响到铁路运输安全。本文在对国内外光纤光栅传感技术及其解调方案进行深入分析的基础上，学习研究了光栅光纤的成栅技术、封装技术和车轴测温有关知识；分析温度与（FBG）产生的信号的关系；并确定了光纤光栅测量火车车轴的总体方案以及宽带光源、光栅传感器，光纤耦合器等技术参数及型号、光纤光栅反射信号的解调技术的探索。重点分析了监测系统的搭建以及相关器件的原理，并在一定条件下对测温方案进行实验验证，为进一步研究打下了基础。关键字：光栅光纤、光纤耦合器、宽带光源、温度监测系统 AbstractThe rapid development of the train speed has been reached 350km / h in China in recent years .Followed is a variety of risk factors that may be encountered more and more, where the train is running, rolling stock and rail impact, dynamic effects and vibration, will lead the number of vehicles bearing the heat.When the train bearing wear and produce defects ,then the unusual heat increases. Ranging from causing engine damage affect the vehicles normal up to the line. The reported cause fatigue failure even eager shaft is directly caused by the train failure overturned. Diego into a huge life and property losses, the impact of strict service to rail transportation security.In-depth analysis on domestic and international fiber grating sensor demodulation scheme based on study and research into the gate of the grating fiber-optic technology. Fiber Fusion Splicer and packaging technology and the knowledge of the axle temperature; analysis of temperature and (FBG) the relationship of the signal; and determine the general scheme of the fiber grating measurement of train axles, as well as broadband light source, grating sensors, fiber optic couplers and other technical parameters and models, signal demodulation of fiber grating technology, exploration, and the corresponding optical path circuit design.Analyzed the structures of the monitoring system and related devices, principles, and under certain conditions, the temperature program experiment laid the foundation for further study.Keywords: grating fiber-optic ,fiber coupler, broadband light source, the temperature monitoring system目录1.绪论11.1测量高速列车车轴温度的意义11.2传统车轴温度测量的方法及特点11.3光纤光栅测量的发展概况21.4论文的主要内容及工作22光栅光纤的基本技术42.1光纤的基本结构42.2光栅的成栅技术52.2.1光敏光栅的制备52.2.2成栅的紫外光源5 2.2.3成栅的方法52.3光纤封装7 2.31光线的封装82.3.2封装技术的要求83布拉格光栅的温度传感理论及解调方法93.1光纤布拉格光栅的基本参数93.2光纤光栅测温原理93.2.1光纤布拉格光栅的传输特性93.2.2光纤布拉格光栅的温度特性133.3光纤布拉格光栅解调技术153.3.1干涉解调法153.3.2滤波解调法163.3.3匹配光栅法174温度检测监测系统的设计19 4.1车轴温度检测监测系统组成194.2车轴温度检测监测系统的设计194.3器件的选取204.3.1光纤布拉格光栅204.3.2宽带光源214.3.3光耦合器224.3.4解调仪225测温系统温度传感实验245. 1温度标定实验245.1.1温度标定理论基础245.1.2温度标定的结论分析255.2温度测量315.2.1温度测量的数据采集315.1.2温度数据处理335.3实验结论分析346总结357附录36参考文献38致谢41清华大学2012届毕业设计说明书1.绪论随着我国高速铁路迅猛发展，列车运行速度己经达到了350km/h 。随之可能遇到的各种危险因素出越来越多，所以对列车运行安全提出了史高的要求。列车在运行过程中，机车车辆与钢轨的冲击、动力效应和振动，会导数车辆各轴承的发热，当列车轴承磨损和产生缺陷时，不正常发热增大。轻则造成机损影响车辆的正常达行重则造成疲劳破坏甚直接等致火车发生故障翻车造成巨大的生命和财产损失，严服影响到铁路运输安全。开发研制性能可靠、优良的高速车辆轴温监测系统，对保证行车安全具有报要意义。目前国内外采用的轴温监测装置分为车载接触式测量和地面红外式两大类。我国大部分采用红外式轴温监测系统，但这种方式布局空间大、信息处理繁重、信息传递时间长。耗费大量人力物力。针对这种情况提出了基于光纤布拉格光栅测轴温方法。1.1测量高速列车车轴温度的意义随着中国高铁在高速发展，高铁列车的安全问题在受到越来越多的关注，其中车轴的安全以及行车是车轴的安全检测问题变得越来越重要。车轴是连接列车轮对的关键部件，对列车安全关系重大。轮对是机车与钢轨相接触的部分，由左右两个车轮压装在同一根车轴上组成，其作用是保证机车车辆在钢轨上的运行和转向，承受来自机车车辆的全部静、动载荷，把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给机车车辆各零部件。同时机车的驱动和制动也通过轮对起作用。然而当车轴运行时，车轴温度是其运行状态的很好地反应。机车车辆运行速度的不断提高和载质量的不断增加的同时, 为了降低能耗, 改善乘客的舒适性, 提高列车运行的安全性和运载能力, 在新型高速列车和重载列车的结构设计中, 承载结构所占的质量越来越轻。众所周知，采用轻量化设计的轮对, 由于其动态度的降低, 致使轮轨动作用力增加, 其工作应力水将显著提高, 对车轴疲劳设计的要求越来越高。高速动力车的车体、构架、驱动制动单元、空心轴以及车轴动态刚度对轮轨动作用力使得车轴动应力产热大大增加。所以对车轴进行实施温度监控可以很好地侧面反应列车的车轴的健康状态，并及时应对车轴安全的有些突发情况。1.2传统车轴温度测量的方法及特点1. 模拟温度传感器测温：模拟型温度传感器（热电偶、热敏电阻等）测温时精度较低，同时其抗干扰能力差难以适应列车运行时环境变化、同时多点测量时不便，不能很好地串行通讯等弱点限制了其应用。2红外温度传感器测量：该方法测温灵敏度和准确度都很高，但红外传感器为非接触测量，易受环境温度及周围磁场的干扰，且需人工操作，无法实现在线测量，这就使得不能准确了车轴运行时的实时温度。1.3光纤光栅测量的发展概况光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应3,并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅,直到1989年,美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术10,使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。随着光纤光栅制造技术的不断完善,其应用的成果日益增多,从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化,光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器技术之后的又一重大技术突破4。1993年，Hill等人又提出了相位掩模成栅技术，即利用紫外光垂直照射相位掩模板衍射后的1级衍射光相干形成的周期性明暗干涉条纹对载氢光纤曝光来制作布拉格光栅14。该项技术极大地放宽了对写入激光光源相干性的要求，使得布拉格光栅的制作仅取决于相位光栅周期而与辐射光无关，制作更加容易，有利于大规模成批量的生产。光纤光栅传感器对温度和应力等物理量进行传感测量，具有较高的灵敏度和测量范围，很多性能比传统的机电类传感器更加稳定，可靠和准确，具有非常广阔的发展前景。目前已有的光纤光栅传感监测技术也存在着一些问题，如现有的光纤光栅传感器主要存在的问题是对多种信号敏感，这对于单一的测温或测应力的系统来说，就要特别注意温度与应力的交叉敏感对测量结果的影响，因此在很多系统中需要设置相应的补偿装置；光纤光栅传感器阵列还需要进一步的研究，对于像桥梁、建筑等大型的工程结构，如何以最少的光纤光栅传感器数量来得到尽可能多的信息，并且如何在一定的周期内对所得到的大量的信息进行存储、分析比较以及快速准确的计算出各种性能指标参数，这成为当前研究的热点和急需解决的问题。1.4论文的主要内容及工作本论文对光纤布拉格光栅车轴温度进行研究。首先学习光纤光栅的成栅测温等技术基础知识然后学习了光纤光栅在工程技术中的封装、埋置等问题，最后在实验室模拟具体问题获得实验数据并对实验的方案进行修正，在查阅大量文献的基础上，本论文主要进行了如下几方面的研究：第一章绪论介绍了本论文研究背景及意义，光纤光栅传感技术测温的发展历史及车轴测温应用现状，介绍了光栅传感器测温的优势。第二章光栅光纤技术主要介绍了光栅光纤的基本结构，并且研究了光栅布拉格光纤的制作技术、光栅光纤的封装。第三章介绍了布拉格光栅的传感理论及解调方法。详细讨论了光纤布拉格光栅测温理论及其温度传感模型，以及目前常用的几种解调方法，不同解调方法的优缺点等。第四章给出了基于光栅光纤测温的车轴温度的测试总体方案，根据测温过程中的问题并对测温方案设计进行改进，并选定系统中的器件。第五章测进行光栅光纤测轴温的方案的模拟实验，并对实验数据和图像进行处理好讨论，根据测温过程中的问题并对实际测温方案设计进行改进。第六章主要对所做工作进行了简单的总结，并指出了系统不足之处，未来的改进方向等。 第 42 页 共 41页 2、光栅光纤的基本技术2.1光纤的基本结构光纤的基本结构包括纤芯、包层、涂敷层(也称保护层)、增强纤维和保护套，如图21所示，它的全称是光导纤维，通常是圆柱形。其中纤芯位于光纤的中心部位，直径约为9um或625um，光主要在这一部分传输。纤芯外面由包层围绕，包层直径约为125um左右。纤芯和包层是光纤的主体，对光波的传输起决定作用。涂敷层、增强纤维和保护套主要起隔离杂光、提高光纤强度和保护作用。光纤按传输模式分为单模光纤和多模光纤；按纤芯折射率分布分为阶跃型光纤和梯度型(也称渐变型)光纤；按偏振态分为保偏光纤和非保偏光纤；按制造材料分为石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤、晶体光纤和特种光纤等。 图表 2.11-光纤纤芯；2-光纤包层；3-塑料涂覆层4-松套管；5-Kevlar（质地牢固质量轻的纤维）；6-聚乙烯护套。 光纤工作原理基于光的全反射现象，即由于纤芯，n1大于包层折射率n2，在光纤端面上，当光线入射角小于一定值(即满足数值孔径要求)时，折射光线在纤芯和包层界面上的入射角妒才会大于发生全反射的临界角，光线才能在光纤内经多次全反射而传递到另一端。因此，光纤能利用全反射原理将以光的形式出现的电磁波能量约束在其纤芯内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的数值孔径NA是表示光纤集光能力的一个参数，式(21)为数值孔径表达式。 (2-1)(2-1)式中的n0为空气折射率；为光纤的孔径角。2.2光栅的成栅技术1978 年,加拿大通信研究中心的K.O.Hill及其合作者首次从掺锗光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氩离子激光器,通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来G.Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅, 1989年,第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。近年来,随光纤光栅的重要性被人们所认识,各种光纤光栅的制作方法层出不穷,这些方法各有其优缺点,下面分别进行评述5。2.2.1光敏光纤的制备采用适当的光源和光纤增敏技术,可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化,如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来, 就成为光纤光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关,如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理,直接用紫外光照射光纤,折射率增加仅为数量级便已经饱和,为了满足高速通信的需要,提高光纤光敏性日益重要,目前光纤增敏方法主要有以下几种: 1.掺入光敏性杂质,如: 锗、锡、硼等；2.多种掺杂(主要是B/Ge共掺)；3. 高压低温氢气扩散处理；4.刷火。2.2.2成栅的紫外光源光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的锗吸收峰附近,因此除驻波法用488nm可见光外,成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹,所以成栅光源的空间相干性特别重要。目前,主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频A r 离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等,根据实验结果,窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm 和244nm 两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量, 可在光敏性较弱的光纤上写入光栅并实现光纤光栅在线制作11。2.2.3成栅方法光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法, 成栅条件苛刻, 成品率低, 使用受到限制。目前主要的成栅有下列几种。（1） 横向干涉法此方法是利用双光束干涉生成干涉条纹，然后对光纤曝光以形成光纤光栅。有多种方法可产生干涉条纹，其中最早应用的是全息相干法，是一种横向写入制作FBG的方法，图2.9是其工作装置示意图。它的结构与M-Z干涉仪相似，入射紫外光波的长是244nm，经分光镜分两束，经全反射后相交在光纤上，产生干涉场，正弦分布相间的干涉条纹形成25。经过一定时间，于光纤纤芯内生成和干涉条纹相同折射率分布的变化，于是正弦分布的体光栅被写入。这种方法的好处是：纵向驻波法对反射波长有限制，这种写入光栅的方法打破了这种限制，各波段都能被合理利用。操作方法简便，中心波的改变通过改变两束光的夹角或者旋转光纤放置来实现，而且若是将光纤以一定弧度放置在相干场中，就可得到Chirped型光纤光栅。不足是：这种方法对光源的空间相干性与时间相干性要求很高；要想获得准确的中心发射波长，对光路调整的精度要求很高；全息相干法需有一定的曝光时间，光路在该时间内必须有良好的防振性能，主要是为了避免波长量级的扰动造成光路的错位，对相干效果有不好的影响。 图2.9 全息干涉法制作光纤光栅原理图（2） 相位掩膜成栅技术相位掩膜成栅技术图2.10所示。使用一个相位掩膜器（相位母版）是这种方法的关键，该掩膜器是在石英硅衬底上刻周期为的相位光栅，全息曝光或者电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术可以制成。对衍射光束进行分离可以用相位掩膜器26。理想的相位掩膜器可以使相位光栅的零级衍射为零，正负级衍射最大。因此，当相位掩膜器接受紫外光垂直照射时，紧靠掩膜器后面（微米数量级）即获得节距为/2的光栅衍射的图样，于是在位于掩膜器之后的紫外光敏光纤上生成节距为/2的光纤布拉格光栅。图2.10 相位母板制作光纤光栅原理图入射光波长对相位掩膜光栅衍射图样周期没有影响，相位掩膜光栅与相位光栅的节距有关，所以这种方法对光源相干性要求不高，于是可提高光栅的质量与成栅的效率。这种方法的不足之处是制作掩膜比较复杂。低相干光源和相位掩膜版制作光纤光栅也是非常重要的方法，光栅耦合截面的控制还可以通过相位掩膜与扫描曝光技术相结合来实现，来制成特殊结构的光栅。该方法有利的缩减了光纤光栅的制作过程，所以它有很好的发展前景。（3） 逐点写入法此类写入光栅条纹的方法是通过光束经柱面镜聚焦形成细长条后在光纤侧面上的曝光。逐点写入光栅条纹的意思是写入一个光栅条纹后，光纤以纳米级精度移动一个光栅的节距。它可以用在光纤拉制进程中，用激光脉冲一个个输入，达到规模化生产，不过这种方法有一定的技术难度，而且对传动机构和电机的精度要求非常高。2.3光纤封装231光纤封装本次研究所用到的传输光纤上的光栅都是经过封装的。虽然裸FBG的线性关系良好，但其热灵敏度不高，并且容易折断，所以要对其进行封装。在车轴测温中，为了防止外部应力对FBG的影响，封装形式是在FBG上套上金属管。比如使用毛细钢管进行封装，还有的是在金属管内部粘上一个热膨胀率高的基底，然后再将FBG粘在基底上25。但是毛细钢管直径太小，不利于灌胶，而将FBG粘在基底上则是利用基底的热膨胀来压迫FBG，但是这样的方法使得FBG受到的热膨胀不均匀。本论文使用的是一种新型的封装形式，可以避免以上两种封装的缺点。即将FBG用环氧树脂胶封装于三根钢条之间，并在三根钢条之外套上金属管。对FBG传感器采取适当的封装技术，有重要的现实意义：（1)保护FBG传感器普通单模光纤的主要构成材料是二氧化硅，外径为125pm，因此制作在其上的裸FBG特别脆弱，抗剪能力很差。FBG传感器在安放到车轴轴瓦的过程中，需要承受线棒的安装过程和列车运行带来的考验。这些问题都有可能会给脆弱的光FBG带来损害，事先给FBG做封装进行保护可以抵御恶劣工作环境带来的损害。（2）温度增敏裸FBG对温度变化灵敏度大约为10pm/摄氏度，可以满足大多数测温场合应用，在某些需要高灵敏度传感的场合往往不能满足需要。为了准确测得温度的微小变化，需要提高FBG温度传感器的温度灵敏度。采用恰当的封装方法可以实现FBG的温度增敏。232封装技术的要求作为车轴测温用的FBG温度传感器，其封装要考虑很多因素的影响，对此，封装有以下要求：(1)存活率高。保证在植入车轴轴瓦过程中不会断裂，可以经受住列车运行过程中过程中带来的各种考验，并且能够在长期运行过程中不开裂。(2)保持裸栅的优点。FBG传感器较之传统传感器最大的优点是具有稳定性、重复性和再现性，封装后的FBG必须尽可能保持住这些优点。(3)温度增敏。对温度的灵敏度要比裸栅有所提高。这就要求选择高热膨胀系数的材料作为基底进行封装。(4)工艺性。设计的传感器应尽量做到结构简单，易于加工生产，传感器的各项性能指标要易于控制，达到对传感器一致性和重复性的要求，易形成批量。基于以上几点，可以选择耐温等级高且导热好的的材料对FBG进行封装埋置在车轴轴瓦内。这样可保证光纤传感器可在温等级-50-515间正常工作，这样就可以保证在车轴运行温度变化范围内传感器一直保持较高的灵敏度。3光栅光纤温度的传感理论及解调方法3.1光纤布拉格光栅的基本参数a)反射率：FBG反射光谱中反射峰值的功率与入射光功率的比值；b)中心波长：FBG反射光谱中最大反射率对应峰值波长；C)3dB带宽：FBG反射光谱中反射峰值功率下降3dB对应的波长范围；d)边模抑制比：FBG主峰的反射率与最高次峰的反射率的比值；e)光栅长度：折射率调制部分的长度。3.2光纤光栅测温原理3.21光纤布拉格光栅的传输特性光纤布拉格光栅的形成结果可简单的认为仅是对光纤导模有效折射率的一种微扰，其折射率分布可以描述为： （2-3）式中纤芯折射率的微扰；A(z)切趾函数；纤芯折射率的最大变化量，即折射率的调制深度；V是与折射率调制有关的条纹可见度，通常视光栅的反射率强弱在O5l之间取值；光栅的啁啾。均匀FBG就是切趾函数等于l时的情况。切趾光栅的周期是均匀的，只是每个光栅空间周期上的折射率分布不再相等。根据耦合模理论，在单模FBG中，模式耦合主要发生在正向和反向传输的光场之间，其耦合方程可以表示为： （2-4）这就是描述光纤布拉格光栅传输特性的耦合模方程，因光纤光栅处于（-L/2，L/2）内，故边界条件为R(-L/2)=I，S(L/2)=O。下面对均匀FBG和切趾FBG的理论模型推导都源于对式(24)的求解。式中：1)正向光场复振幅R为R(z)=A(z)exp(iz- /2)，负向光场复振幅S为S(z)=B(z)exp(-iz- /2)，A(z)、B(z)分别是正向、反向光场的缓变振幅。2)为直流“dc”自耦合系数，定义为。式中失谐量，与z无关，定义为,其中，传播常数，定义为，为入射波长，为布拉格波长，定义为，是时的波长。：直流“dc”耦合系数，对于单模反射光栅，可写成。：由于光栅周期啁啾化引入的耦合项，定义为。3)K是交流“AC”耦合系数，对于单模反射光栅，可写成。对于均匀FBG，=常数，所以其直流自耦合系数和交流耦合系数K均为常量即与Z无关，方程组(2-4)简化为一阶常系数微分方程组且存在解析解。通过求解该方程组可得到均匀FBG的反射系数、反射光谱r、透射光谱T，分别为： (2-5) (2-6) (2-7)图表 3.1均匀光栅的反射谱和透射谱 对于切趾FBG，常数，所以其直流自耦合系数和交流耦合系数k均与z有关。方程组(2-4)不存在解析解，需采用数值解。有两种方法可以求得光栅的反射系数。1)龙格一库塔法。龙格一库塔法是一种直接求解微分方程组的方法。定义一个本地反射系数，则：，将方程组(24)代入得到关于的Riccati方程 (2-8)边界条件：=0用龙格一库塔法可得切趾光栅的反射系数，进而可得反射谱r。图3.2所示的光栅反射谱是用matlab提供的ode45函数作出的数值模拟。其中参数取值如下：光纤有效折射率145，光栅长度lOmm，折射率调制深度5e-4，高斯切趾函数为A(z)=exp一lO()。 图表 3.2龙格-库塔法模拟均匀FBG和高斯切趾FBG反射谱2)传输矩阵分析。传输矩阵分析法主要用来分析非均匀光栅，该方法将非均匀光栅分成M小段，每小段可近似看成均匀光栅，整个光栅可看成一系列均匀光栅级联而成，将各均匀小段具有解析形式的22传输矩阵F连乘得到一个描述整个光栅的22传输矩阵，。这种方法也称PU(piecewiseuniform)法。定义足和S分别为经过第f小段均匀光栅的正向和反向光场的复振幅，则描述第i小段均匀光栅的传输矩阵F满足如下关系：式中，这里k、是第f小段均匀光栅的交流，“AC”耦合 (2-9) (2-10)悉数、直流“dc”自耦合系数、长度。图3.3所示的光栅反射谱图是根据传输矩阵分析法编写程序作出的数值模拟。其中参数取值如下：光纤有效折射率145，光栅长度10ram，折射率调制深度5e-4，光栅所分段数50，高斯切趾函数为A(z)=exp一10()。322光纤布拉格光栅的温度特性根据光栅方程式可以看出，任何或改变的过程都将引起光栅布拉格波长的移位，即 （2-11）光纤光栅周围温度场的变化对光栅周期和有效折射率均有影响，进而使得布拉格波长出现漂移。从物理本质看，外界温度变化引起波长移位的原因主要有3个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应。假设温度变化为T，则式(21 1)展开得 （2-12）式(212)中的是由热光效应引起的有效折射率变化，光纤的热光系数。式(2-12)中的()是由热膨胀引起的弹光效应，可由光纤的介电抗常量的变化量求得。根据存在热应力时的广义胡克定律知，温度变化引起的应变状态为（ ）=（ 0 0 ），a是光纤的线性热膨胀系数。利用介电渗透性张量的变化量 (m=1，2，3，4，5，6)与应变(m=l，2，3，4，5，6)的关系式及，可以推导出（，式中是光纤的弹光系数，b是光纤的介电抗渗张量，上面的推导利用了光线的各向同性。 式（2-12）中是由热膨胀效应引起的光栅周期变化，是光纤的线性热膨胀系数。综上可得温度变化丁时引起的波长移位为：进一步可得光栅光纤温度灵敏度系数的表达式 （2-13）当温度变化不大时，一般认为考和a均为常数；又因式(213)qb的其它参数都与光纤的材料有关，所以当光纤材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上为一与材料系数相关的常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器可以得到很好的输出线性。因为波导效应本身对波长漂移的影响较弹光效应小很多，故在分析光纤光栅温度灵敏度系数时可以完全忽略波导效应产生的影响。常温下，对于掺锗石英光纤有，=0.55 */，=83*/95*/， =14469， =0121，=0.270，所以光栅温度灵敏度系数的理论值约为847/967/，且热光效应在温度变化引起的波长移位中占主导地位。3 3光纤布拉格光栅解调技术光纤光栅解调技术的核心在于检测光纤光栅的波长信息，这是光纤光栅传感器实用化面临的关键问题。为此研究人员提出了多种解决方案，目前主要有干涉解调法、滤波解调法和时域解调法等。3.3.1干涉解调法宽带光源发出的光经过耦合器后进入传感布拉格光栅，反射回来的光经过另一个耦合器后进入不等臂长的MZ干涉仪(其光程差为nd)，M-Z干涉仪把布拉格光栅中心波长的变化转换为相位的变化，当入射到M-Z干涉仪的光波长发生变化时，输出相位的变化为，因此通过检测的大小就能得到传感布拉格光栅的中心波长的变化情况，从而获知外界物理量的变化情况。如图3.4所示。 图表 3.4M-Z干涉法为了抵消直流零点漂移，系统中引入了相移补偿反馈系统驱动PZT，但由于PZT位移存在着非线性，所以要实现精确的补偿是比较困难的。非平衡MZ干涉法解调精度极高，但受环境干扰较大，仅适用于检测动态应变，不适合检测静态应变，并且测量范围受限制，只能结合时分复用技术来实现多个波长解调，不适合采用波分复用分布式系统。332滤波解调法1992年Melle等人提出一种线性边缘滤波器解调系统，又称为分束非平衡滤波法。边缘滤波器输出光强的变化量与波长漂移量成正比，滤波函数为： (2-14)式中A为边缘滤波器的斜率，为输入边缘滤波器的光波波长，为边缘滤波器的截止波长。如图3.5所示为边缘滤波器的滤波原理。将从传感光栅反射回的光信号分成两束，一束直接送入光电探测器作为参考信号，得到参考光强信号为： (2-15)另一束通过边缘滤波器再送入光电探测器，得到的信号光强为： (2-16) 图表3.5边缘滤波器的滤波原理经滤波后两光强相除，得到： （2-17）其结果即包含波长变化的信息。式中为信号光强，为参考光强，R为传感光栅的反射率，为传感光栅反射谱高斯函数的频谱宽度。图3.6为边缘滤波器解调法的光路结构图，这种方法是基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好的线性输出。其优点在于通过两光强相除能够有效地抑制光源输出功率的起伏、光学器件连接干扰和光纤微弯干扰等。不利的因素。 图表3.6滤波器解调法 并且该系统成本较低，使用方便，能够很好的测量动态信号。其不足之处是边缘滤波器的准直和稳定性会影响到系统的测量精度，不具有好的便携性，并且该系统亦无法消除因耦合器分光比的起伏变化、光纤中的双折射等因素对测量结果的影响，测量分辨率不是很高。333 可调谐光纤滤波法可调谐光纤F-P(Fabry-Perot)滤波法的解调原理如图3.7所示。宽带光源发出的光信号经3dB耦合器耦合后，入射到光纤中，入射光遇到传感光纤光栅后一部分光被反射回来。经传感光纤光栅反射回来的光进入可调谐窄带光纤F-P滤波器，调整压电陶瓷的驱动电压，此时滤波器的F-P腔长就会发生改变，从而导致F-P滤波器的通频带的改变31。光纤珐布里珀罗（F-P）滤波器在调谐信号的作用下，它的通频带可扫描经传感光纤光栅反射回来的光的光谱。由于Fabry-Perot(F-P)腔相当于一个窄带滤波器，在一定的波长范围内，当光纤F-P滤波器的导通中心波长与某一传感光栅的布拉格波长相等时，此时只有被该传感光纤光栅反射回来的光能够通过光纤F-P滤波器，并进入到光电探测器中，光电探测器实现光电转换，将入射的光信号变换成电信号，该信号的峰值对应于与光纤F-P滤波器的导通中心波长相匹配的光纤光栅反射回的光信号的波长。 图3.7 基于F-P滤波器的解调原理图本论文中所使用的解调仪为4通道设计，图3.8为多通道光纤光栅解调仪的结构示意图。 图3.8四通道光纤光栅解调仪结构示意图 首先，ASE光源发出的宽带光经过F-P滤波器，由于不同的扫描电压对应的窄带光的中心波长不同，在扫描电压的作用下，窄带光通过F-P滤波器，其中被F-P滤波器透射的光经耦合器的分光作用后，形成多个可与测量通道相连接的光路，光电探测器将4个测量通道的反射光进行光电转换后可得到相对应的反射谱22。这些反射谱均为电压信号，它们被分别放大并进行滤波后传输到信号采集模块，信号采集模块连接到计算机后，由计算机对信号进行处理和计算，从而解调出被测传感器的感应信息。4、温度检测监测系统的设计4.1车轴温度检测监测系统组成本文介绍一种新的分布式光纤布拉格光栅测温方法，即利用光纤布拉格光栅温度传感器测量车轴温度，通过测量漂移中心波长计算相应温度，中心波长与温度之间呈线性关系。分布式光纤传感系统是一种可从整体上对与被测对象有关物理量的变化位置进行监控的传感器网络。通过对分布式光纤传感器、执行结构、信号处理系统、传输系统和控制系统的结合，可形成一个智能结构22。目前，分布式光纤传感系统主要有拉曼型、布里渊型和光纤布拉格光栅三种。本文应用的是分布式光纤布拉格光栅。根据系统总体功能，模拟整个系统的构成如下图所示。系统中的模拟热源为电烙铁的发热芯，将发热芯跟光栅粘贴到一起，通过对其通电产生的热量作为热源，模拟车轴的温度变化。4.2车轴温度检测监测系统总的设计由前文所述，FBG能方便地使多点分布式测量，另外利用光开关或光分路器还可以把光路分成多路，每增加一路，测温点数就会扩大一倍。因此， FBG测温系统采用分布式测量，所测的温度点数是非常可观的。测温系统采用一分四的光开关，如果每根光纤上串接18个FBG，那么就可以测量共计72点的温度，可以满足多节车厢车轴测温需要。整个系统由宽带光源、耦合器、光开关、FBG测温传感器、波长解调仪以及数据处理计算机组成。系统总结构图如图41所示。图表 4.1车轴温度检测监测系统总的设计由宽带光源发出的光经3dB耦合器，再经过光开关照射到不同的光纤中。每根光纤上串接18个FBG，宽带光功率照射到每个FBG上，所选用的每个FBG的反射中心波长不同，这些峰值波长不同的窄波长分布的反射光功率再经光开光和3dB耦合器进入波长解调仪。由波长解调仪分别求解出各FBG反射光功率的峰值波长。FBG的折光率分布周期随温度而变，一方面是由于光纤基体热膨胀引起的，另一方面是由热光效应引起的。折光率分布周期随温度的变化，宏观上表现为FBG的反射光功率中心波长随温度的变化。因此波长解调仪解调出来的各FBG中心波长实际上表示该FBG暴露的温度场中温度状态。波长解调仪实际就是温度测量仪，由于一根光纤上串接的FBG用的是不同的基础波长，因此，各FBG具有不同中心波长的反射光功率会不互相影响地反射回到波长解调仪。波长解调仪将所获得的波长信号通过USB送到计算机系统中，运用计算机作为测温系统的信息管理，查询各路温度传感网络的各温度点的信息。各测温点的FBG通过不同的反射峰值波长编码，并通过布设时的标定，即可通过计算机编程获得火车运行时各温度点的温度信息。计算机不仅可以直观的显示各测温点的温度信息，而且可以大容量地存储各温度测试点的历史数据，并且可以分别获得各温度点的温度变化曲线，为车轴的监控和维修提供依据。每根光纤上的FBG可以复用20个甚至更多，光开关可以使测试系统连接不同的光纤线路，可连接4、8、16、32路，进行分时测量，切换时间可利用解调系统单片机编程控制，这里设定切换时间。我们设计的测温系统由一个4路光开关、每路光纤连接18个测温FBG，共72个测温点可以基本满足4个车厢车轴测温,各FBG埋设在车轴工作温度最热点处。4.3 器件选择4.3.1.光纤布拉格光栅本次使用的光纤是北京博纳盈创的BNYC-FBG-T10光纤传感器，并且在单根光纤上连续写入多个标准光栅，无熔接点，增加了抗拉强度，满足了长距离测量或多点测量的需要，可提高测量系统的可靠性及稳定性。BNYC-FBG-T10封装后的光纤光栅中心波长为15101590nm，工作温度为-35400。参数/Parameter规格/Specifications光纤温度参数温度分辨率（）0.1温度范围（）-30+400光通道数116空间分辨率（m）2-0.25定位精度(m)1响应时间(s)10 表4.1光纤数据参数4.3.2 宽带光源光源是将电流信号变换为光功率信号，即实现电光转换的光学器件，它输出的光功率信号能够方便地在光纤中进行传输33。目前，在光纤光栅传感系统中，常用的光源主要有：半导体发光二极管LED、半导体激光器LD、分布反馈半导体激光器DFB放大自发辐射光源ASE和其他掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。 本论文使用的光源是北京朗普达光电科技有限公司生产的LPT-101面发光二极管。SLED光源是专为传感、光纤陀螺、实验室等特殊应用领域设计的超宽带光源34。其相对于一般的宽带光源具有输出功率高、覆盖光谱范围宽、发光强大高、温度特性好等特点。该产品具有台式（供实验室应用）和模块式（供工程应用）。光源核心器件采用3dB带宽达40nm以上的特殊高输出功率SLED，经过独特的电路整合，可以在一个设备内放置多只SLED来达到输出谱线的平坦化。为了保证输出功率和谱线的稳定，独特的温度控制ATC电路和自动功率控制APC电路可通过控制面发光二极管SLED的输出来实现。通过调节自动功率控制APC电路，可在一定范围内调节面发光二极管SLED的输出功率。简便和智能的操作与远程控制。型号LPT-101光源的光谱范围较宽，为800-1600nm，具有高功率稳定性和光谱平坦度。图4.2 型号LPT-101光源4.3.3 耦合器为了满足两个光学器件之间的光信号传输，可以利用连接器和熔接的方法将两段光纤连接起来。但是在很多应用中，需要连接的不只是仪器的两个端头。用来连接3个或者更多连接点的器件称为耦合器。耦合器能够实现输入光信号的两路或多路输出，也可以实现两路或更多路输入光信号的一路输出。在耦合器的每条支路中，光信号的分配比例可以相同，也可以不同。图4.3 定向耦合器工作原理目前应用较多的耦合器大部分都是对光的方向敏感。如上图所示，从左边端口1进入的光在图中右边的两个端口之间分开；然后，由于耦合器的几何特性，如果光从右上边的端口2输入，理论上讲所有的光都将进入左边的端口1，而不会进入右边下面的端口3。大多数耦合器实际上是双向的，也就说，它们可以沿两个方向中的任一方向传输光。这就是光纤耦合器的方向性和双向性18。方向性就是指光从一端入射，只能从另一端出射；而双向性是指光从哪边端口入射都可以。图4.4 实验中所用耦合器实物图4.3.4 解调仪光纤布拉格光栅FBG的传感信号为波长调制，分布式传感器中光栅的位置的辨别和布拉格波长移动的检测以及实现传感光栅布拉格波长的微小偏移的检测是光纤布拉格光栅传感器实用化面临的关键问题15。本论文使用的光纤解调仪是自行研制的，基于光纤珐布里-珀罗滤波法，其测量的稳定性小于2pm。实验中所用解调仪如4.5图，为自行研制。该解调仪的扫描频率为1Hz，实验中所用的每根光纤可允许通过波分复用技术串接大于40个的FBG传感器，同时也可随时扩展到16个光学通道。由于是基于光纤珐布里-珀罗滤波器的解调技术，该解调仪非常适合长期监测使用。它的工作温度为0200，储存温度为-5200，外型尺寸为220168140mm。与此同时，该解调仪还是一款设计非常精巧的仪器，重量只有两公斤，使用很方便，尤其适合用于野外测试。宽带光源发出的光信号经3dB耦合器耦合后，入射到光纤中，入射光遇到传感光纤光栅后一部分光被反射回来。经传感光纤光栅反射回来的光进入可调谐窄带光纤F-P滤波器，调整压电陶瓷的驱动电压，此时滤波器的F-P腔长就会发生改变，从而导致F-P滤波器的通频带的改变13。光纤珐布里珀罗（F-P）滤波器在信号的作用下，它的通频带可扫描经传感光纤光栅反射回来的光的光谱。 图4.5 实验中所用解调仪 5.测温系统温度传感实验为了确保设计方案的可行性，在实验室进行了模拟实验，但由于实验条件有限测量温度（10-70）和普通重车车轴温度基本一致(50-80)但与高速列车车轴温度（50-140）有一定差别。首先搭建试验所需光路，宽带光源发出的光经耦合器到达传感光栅，传感光栅的反射光经耦合器传给光解调仪再传到pc上。图5.1实验图5.1 温度标定实验由于采用的光纤以及其光栅写入工艺的差别，光纤光栅的温度敏感特性会有所不同，因此用作温度传感器的光纤光栅必须经过温度传感标定才能精确确定其温度传感灵敏度。5.1.1 温度标定理论基础因为一般光纤光栅的温度系数较小，单独使用它作为温度传感元件，灵敏度不高，所以需要将光纤光栅进行增敏封装。封装后的光纤光栅反射波长随温度的变化关系为： （4.1）式中为光纤材料的弹光系数。令 （4.2） 则上式可简化为 （4.3）通过此式可以知道波长的变量与温度的变量呈线性关系，只要探测出波长的变量就可以得到温度的变量12。本实验利用FB71L防爆干燥箱作为热源标定传感器探头的温度灵敏度。智能控温仪PID控温具有自整定，温度偏差修正，超温报警，定时等功能，或预设温度曲线控制分八段控温，可任意选用。其可设置的温度范围为室温+10+300，