（信号与信息处理专业论文）基于dsp的光纤bragg光栅温度解调系统的研究.pdf

竺竺篓矍三奎兰：茎竺! 兰：! 丝兰 基于d s p 的光纤b r a g g 光栅解调系统的研究 摘要 电力系统中的电气设备接头发热事故频频发生，严重影响电力系统的经 济效益和安全运行可靠性。因此如何保证各种电力设备在电网中的安全稳定 运行就显得尤为藿要。本文在此基础上提出了一种基于光纤光栅传感技术的 电力设备温度在线监测系统的设计思想。该系统对丁解决目前霞大工平口的安 全分析、本地监控和远程监控具有重大的实际意义。 目前，国内大部分电厂和变电站的在线监测系统多采用基于电信号的传 感器测温系统，这些传感系统部或多或少的存在一些局限性；而传统的光纤 测温系统又存在扫描时间较长的缺点。然而，光纤b r a g g 光栅( f b g ) 由于是 全绝缘、小尺寸的光纤温度传感器，且其具有不受电磁干扰、安全可靠、结 构简单、成本低、安装方便等优点，成了测温系统的最佳选择。 针对目前我国电力设备在线监测系统的形势，本文设计了基于光纤光栅 的电力设备测温在线监测系统的一个单元基于d s p 的f b g 的温度解调 系统。该系统的最大特色是d s p 技术的使用，它使得解调速度和精度育了 很大程度的提高，高性能的实时信号处理以及基于网络的远程、实时监控能 够得以实现。 本文对光纤b r a g g 光栅温度传感器的基本理论及其解调技术进行了系统 的阐述。所研究的主要内容包括：( 1 ) 光纤光栅传感器的基本理论；( 2 ) 分析 比较了光纤光栅的多种解调方法，总结了各方案的优缺点，重点介绍了呵调 谐f p 滤波法的解调原理；( 3 ) d s p 小系统的硬件设计；( 4 ) 为配合实际工作 需要，还设计了l e d 驱动电路、光电转换电路、除法器电路等。 关键词光纤b r a g g 光栅；传感器；解调；d s p 堕尘篓矍三奎兰三兰窒：耋竺丝耋 t h es t u d yo nf i b e rb r a g gg r a t i n gt e m p e r a t u r e d e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nd s p a b s t r a c t i n p o w e rs y s t e m , t h es p l i c e o fe l e c t r i c a l e q u i p m e n to f t e np r e s e n t s o v e r h e a t i n gf a u l t s ，w h i c hi n f l u e n c ee c o n o m i cb e n e f i ta n ds y s t e ms t a b i l i t y s oi t i sv e r y i m p o r t a n tf o ru st oa s s u r es y s t e ms t a b i l i t yo fe l e c t r i c a le q u i p m e n ti n p o w e rs y s t e m 。t h i sp a p e ru s e sf i b e rb r a g gg r a t i n g a st h es e n s o ro fo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mo fe l e c t r i c a le q u i p m e n t t h es y s t e mh a st h es i g n i f i c a n c ef o r t h es a f e t ya n a l y z i n g ，l o c a lm o n i t o r i n ga n dr e m o t em o n i t o r i n gi nt h eg r e a t e n g i n e e r i n g a tp r e s e n t ，t h em a j o r i t yo fe l e c t r i c a lf a c t o r ya n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n a d o p te l e c t r i c a ls i g n a ls e n s o rt om e a s b r et e m p e r a t u r e b u ts o m el o c a l i z a t i o nl i e s i nt h e mm o r eo rl e s s ；t h es c a nt i m el a s t sq u i t eal o n gt i m ei nt r a d i t i o n a lf i b e r t e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e m h o w e v e r , f i b e rb r a g gg r a t i n gi sa ni n s u l a t o ra n d i ss m a l l ，a n di th a st h ea d v a n t a g e so fl o w - p r i c e ，s i m p l e s t r u c t u r e ，s a f e t y , n 0 e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，s oa r ep a r t i c u l a r l ys u i tf o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u r e ， s t r a i na n ds t r e s s i nv i e wo fe x i s t i n go n l i n ei n s p e c t i o ns i t u a t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n ti n 0 1 1 1 c o u n t r y , w ed e s i g n e df b gd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nd s pa so n ep a r to f e l e c t r i ce q u i p m e n tt e m p e r a t u r eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m t h ea d o 。p t i o no fd s p m a k e st h es y s t e mi m p l e m e n tt h es p e e da n da c c u r a c yo fd e m o d u l a t i o n ，t h er e a l t i m es i g n a ld i s p o s eo fh i g h - c a p a b i l i t ya n dr e m o t er e a l - t i m em o n i t o r i n gb a s e do n n e t w o r k t h eb a s i ct h e o r ya n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rf b gs e n s o rh a v eb e e n d i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sa r t i c l e t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ：t h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e o ff i b e rg r a t i n gs e n s o r ；c o n t r a s ta n a l y s i so fm u l t i p l e - d e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g i e sa n dt h ef pf i l t e rd e m o d u l a t i o ni si n t r o d u c e di nd e t a i l ；t h ed e s i g no f d e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nd s ps y s t e m i no r d e rt oc h i m ew i t hp r a c t i c a l w o r k w eh a v ea l s o d e s i g n e d ad r i v ec i r c u i tf o rl e da n dp h o t o e l e c t r i c - i i ! 竺至矍二苎兰二兰竺：兰竺鎏三 k e y w o r d s f i b e rb r a g gg r a t i n g ；s e n s o r s ；d e m o d u l a t i o n ；d s p 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的光纤b r a g g 光栅 温度解调系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期f 日j 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全出本人承担。 作者签名：曰励日期：2 0 0 6 年3 月1 3r 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的光纤b r a g g 光栅温度解调系统的研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期l 日j 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制于段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密臼。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 0 6 年3 月1 3 日 日期：2 0 0 6 年3 月1 3 日 叮胗。牛 磊孙 汤饮 砻垂 “墨 哈尔泞理t 大学t 学砀卜学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着国家对电力行业投入的进一步加大和城刚改造的进一步深入，电力电 缆的作用在明显加大。首先由于电缆的生产质最、运行荦f 亏调它水甲以及r j 阿 国内还没有行之有效的在线监测电力电缆温度装置等因素，使得我国电缆的平 均故障率远远高于欧美等国。其次由于电缆本身的特殊性，其附件( 终端、中 问接头等) 需在电缆敷设完成后现场安装，因此，在整条电缆系统中，附件( 尤 其足中间接头部分) 是绝缘性能最为薄弱，也是电缆故障最为集中的部位。在 绝大多数情况下，故障的发生总是伴随热传递，这样会导致接头温度的升高， 温度的升高会引起接头接触电阻增加，当温度升高到一定程度时，导体接头融 化将导致电力系统断路或者接地短路，以至事故的发生。冈此如何有效地监 视电力电缆的运行情况，成为日前研究的一个节要倮题6 。槲电力系统枣故统 计表明9 0 的事故是由电气设备接头发热所引起。电力设备接失发热事故频频 发生，严重影响电力系统的经济效益和安全返 j 的u j 靠性。此矗：延 j 的t 乜力 设备中，对一次设备的电气接头温度在线监测是目前保证系统安伞、靠远行 的重要措施之一。 而f b g 具有良好的温度特性，即随着温度的变化，其中心波长发生偏 移，并且中心波长的偏移量与温度的变化量具有良好的线形天系，硅向动见。 f b g 的波长偏移即为温度变化的外在反映。并且它具有抗周围环境干扰能力更 强，在线测量得到的数值更精确，能及时发现电力设备内在的隐患，可使设备 的重大故障提前发现，很大程度上降低了因故障而造成的经济损失。因此f b g 测温传感器成为合适的选择。 本文的主要目的是提出一种基于光纤光栅传感器的电力设备温度在线监测 系统的设计思想。而用光纤光栅作为传感器柬删罐外界物删 # 的饮心技小址1 感信号的解调，所以本文主要设计了基于d s p 的f b g 的解调系统。但目前而 占，国内对光纤光栅传感器的研究还主要在岛校和 研院所，毡奉l 足处j 理 论研究和实验阶段，而且研究的重点也主要集中在物理特性方面，应用性的研 究成果很少。因此设计开发出一种高精度高速度的并且价格低廉的光纤光栅波 长解调系统，对于实现光纤光栅传感器的推广和使用，具有重大的意义。 略尔泞理t 大学t 学够 学位论史 鉴于以上，该课题不论是从在理论研究还是从实际应用上来看都有重大的 现实意义和实用价值。 1 2 国内外在线监测系统的现状 目前，国内大部分电厂和变电站均采用基于电信号传感器的测温系统。其 中，红外测温为非接触测量，易受环境及周围的电磁场下扰，且需人工操作， 无法实现在线测量；电子的温度传感器易受电磁干扰：机械的温度传感器受环 境的影响也比较大，以上几种监测方法的测鼍效果鄙不是很理想。丽传统的光 纤测温系统又存在扫描时间较长的缺点，即使如此在国内也并不多见。目i j 在 江苏省田湾核电站的2 2 0 k v 电力电缆采用基于喇曼散射原理的光纤测温系 统，该系统是由德国l i o s 公司提供，系统主要由传输光纤、控制器、后台计 算机等组成，监测长约1 3 k m 的电力电缆温度，但该系统价格昂贵。文献 【3 卜【7 】为国外的f b g s 在电力系统中的典型应用。 1 3 光纤光栅概论 用光进行传递信息，这种通信方式可谓由来已久。早期 要是视觉通信， 如烽火台、灯语、旗语等。现在的光通信指的是运用光作为载体而传送信息的 所有通信方式的总称。其中，最主要的是以光纤作为媒质来传送信息光纤通 信。 早在1 9 世纪，科学家们在研究中发现光波在光导纤维中传播遵从的基本 原理是全内反射，这一原理的发现为光纤光学奠定了基础。2 0 世纪初， h a n s e l l 和l a m m 等人成功研制出了无包层的玻璃纤维t g ! ，几十年后，人们发现 了今日的普通光纤的基本结构，即在裸光纤外包裹一层保护层，不仅对光导纤 维起保护作用，还明显地改善光纤的光学性能“。随着光纤结构的完善和对其 光学性能的进一步了解，开辟了新的光学分支光纤光学。 初期的光纤，由于制作工艺以及石英材料的纯度等因素的影响，传输损耗 非常大。直到2 0 世纪6 0 年代中期，优质光纤损耗仍然高达】0 0 0 d b k m ，只能 用于短距离传输( 主要用于医学中传像) 。1 9 6 6 年7 月，出生f 上海的英籍华人 高锟( k c k a o ) 博士就光纤传输的前景发表了一篇具有重大历史意义的论文l ， 指出光导纤维的高损耗不是玻璃纤维本身固有的，而是由材料中所含杂质引起 的：并且还预言，只要能设法降低玻璃纤维中的杂质和改进工艺，就可使光纤 2 哈尔滨理t 大学丁学碗卜学位论文 的损耗从1 0 0 0 d b k m 降低到2 0 d b k m ，甚至更小。 1 9 7 0 年，美国康宁( c o m i n g ) 玻璃有限公司的三名科研人员马瑞尔、卡普 隆、凯克成功地制成了世界上第一根传输损耗低至2 0 d b k m 的光纤，同年该公 司又使砷化铝镓( g a a i a s ) 半导体激光器在室温下连续运行，这二项关键技术的 重大突破，使光纤通信开始由理想变为可能。1 9 7 4 年，美国贝尔研究所发明了 使光纤传输损耗降低到l d b k m 的低损耗光纤制作法c v d 法( 汽相沉积 法) ；1 9 7 7 年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达l o 年 左右( 1 0 0 万小时) 的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器；而到1 9 7 9 年，通信光纤在1 5 5 0 r i m 附近的传输损耗己经降到o 2 d b k m “2 的水平。随着光 纤传输损耗的不断下降，光纤的应用己从最初的的传像功能逐步扩展到通信和 传感领域。 光纤传感器技术是利用光纤作为载光的媒介和调制光的调制器，对光的某 一性质根据被测物理量的变化而被调制，并检测出来的技术。而光纤光栅传感 技术源于1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g m e l t z 等人用全息干涉法以侧写 技术在掺锗石英光纤上研制出第一个布喇格波长位于通信波段的光纤光栅“”， 该项技术不但促进了全光纤通信技术的发展，而且在光纤传感领域另辟出新的 重要分支光纤光栅传感。但光纤光栅的发明源于光纤光敏特性的研究。 1 9 7 8 年加拿大渥太华通信研究中心的k o h i l l 等人第一次报道了用氩离子激光 器产生的二束可见光在光纤芯中曝光而产生干涉图样，从而可以形成折射率周 期交化的光纤光栅( f i b e r b r a g gg r a t i n g ) ，缩写为f b g 。 f b g s 在传感网络应用中与传统的传感器相比具有非常明显的技术优势， 其中最重要的就是f b g s 是数字式的，其传感过程是通过外界参量对布喇格中 心波长的调制来获取传感信息的，这是一种波长调制型传感器，所以与普通机 械、电子类传感器相比，光纤传感器具有以下优点“”： ( 1 ) 抗干扰能力强。不受电磁场作用的影响，又具有很高的绝缘特性，这 在电力工业高压传感中有着广泛的应用前景。光源强度的起伏、光纤微弯效应 引起的随机起伏以及祸合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性。 ( 2 ) 光纤光栅是自参考的。可对外界参量进行绝对测量( 在对光纤光栅进行 标定后) 和动态相对测量，不像基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参 考。 ( 3 ) 传感探头结构简单、尺寸小( 其外径与光纤等同) ，适于多种应用场 合，尤其足智能材料和结构。 ( 4 ) 便于构成各种形式的光纤传感网络。光波导介质的连续性决定了该类 哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 传感器便于进行分布式传感，可进行大面积的多点测量。 ( 5 ) 测量结果具有良好的重复性。 ( 6 ) 测量精度高。 ( 7 ) 该类传感器的信息载体足光，不会像电磁传感器那样产生危险火花， 它可以用在特殊场合对某些物理量进行安全地监测，如煤气旁、矿井下、油田 及油罐周围。 ( 8 ) 光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产( 商品化) 。 1 4 光纤光栅分类 根据周期性结构不同，光纤光栅可分为周期性和非周期性光纤光栅两大 类。周期性光纤光栅也叫均匀光纤光栅，又可分为短周期光纤光栅( 又称白喇 格，周期一般为零点几个t u n ) 和长周期光纤光栅( 又称传输光栅，栅周期在 1 0 0 m 以上) 。非周期性光纤光栅又称为啁啾光纤光栅( c f b g ) ，又可分为线性 c h i r p e d 光栅、t a p e r 型光栅、m o d e 型光栅和b l a z e d 型光栅等类型。 周期性光栅是指光栅的光学周期( 光栅的有效折射率与折射率调制周期的 乘积) 沿光纤轴向保持不变的光栅，它具有接近于l 的峰值反射率以及窄带的 反射带宽。非周期光纤光栅是指光栅的光学周期沿光栅轴向变化的一类光栅， 它的反射谱一般较宽，同时随着周期变化方式的不同，可人为设计产生所需的 反射及透射波形。非周期结构一般由周期结构经某种方式演变而来。周期结构 器件制造简单，其特性受到限制；非周期结构制造困难，其特性容易满足各种 要求。 此外，根据成栅机理的差别，传感用的光纤光栅( 主要指f b g ) 又可分为i 型、型、i a 型和i i a 型4 类，也有人称i i a 型为i i l 型光纤光栅。根据掺入 元素的不同，可分为掺锗石英光纤、掺硼锗光纤和掺锡锗光纤。根据结构的对 称性可分为对称光栅和倾斜光栅。根据传输模的耦合方式可分为导模之间的耦 合光栅、导模与包层模问的耦合光栅、包层模与辐射模间的祸合光栅。但就目 i i i 研究应用最多以及从其应用特点来看，光纤光栅可分为两大类：一类是光纤 稚喇格光栅，也称为反射光栅，属于短周期光栅，周期为几百n i n 数量级；另 一类是传输光栅，也称为长周期光纤光栅，周期约为几百u m 。 睁尔涫理丁大学t 学妒 学位论文 1 5 光纤光栅制作 光纤光栅写入技术获得了不断突破，人们可以根据不同的需要柬选择不同 的光栅写入技术，这样就为应用光纤光栅创造了有利的条件。由于本课题采用 f b g ，所以在本论文中只详细介绍周期性光纤光栅的部分制作方法。 目静，制作周期性光纤光栅的方法大致可分为4 类：纵向驻波于涉法、双 光束全息干涉横向写入法、点光源写入法、位相母板复制法。 1 5 1 纵向驻波干涉法 这是加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人首次发现光纤光敏性的方法。它 利用注入光纤的入射光和从光纤另一端面返回的反射光在光纤内形成驻波，经 过一定时日j 曝光后使光纤芯的折射率形成周期性分布而制成光纤光栅。驻波干 涉法制作光纤光栅的优点是装置较简单，缺点是b r a g g 反射波长仅由写入光波 长决定，而且写入效率低，光栅很长( h i l l 的实验中光栅长为l m ) 。 1 5 2 位相母板复制法 这种方法是将光敏光纤贴近位相光栅母扳，利用位相光栅母板近场行j 射所 产生的干涉条纹在光纤中形成折射率的周期性扰动，从而形成光纤光栅。 用 位相母板复制法制作光纤光栅的优点是：工艺简单，鼋复性好，成品率高。便 于大规模生产；光栅周期与曝光用的光源波长无关。缺点是母板制作成本较 高，一块母板只能制作一种固定周期的光纤光栅，但用光学系统放大或拉伸光 纤的办法也可制作周期稍有不同的光栅。 1 5 3 双光束全息干涉横向写入法 该法是1 9 8 9 年美国东哈特福德联合技术研究中心的g m e l t z 等人首先实 现的。将- d , 段掺锗光敏裸光纤在两束相干紫外光束交叠区域所形成的干涉场 中曝光，引起纤芯折射率的周期性扰动，从而形成光栅。与纵向驻波于涉法相 比，该写入法写入效率大大提高，并且可以通过改变两干涉光束之日j 的央角束 调整光栅的周期，易于获得所希望的b r a g g 反射波长。但这种方法也有其缺 点：一是对光源的相干性要求较高。是对系统的稳定件要求较高。 略尔泞理t 大学丁学面卜学伊论史 1 5 4 点光源写入法 这种方法是利用一点光源，沿光纤长度方向等日j 距地曝光，使光纤芯的折 射率形成周期性分饰而制成光纤光栅。这种方法的优点是灵活性高，周期容易 控制，可以制作变迹光栅：对光源的相干性没有要求。缺点是由于需要亚微米 f b 】隔的精确控制，难度较大，而且受光点几何尺寸限制，光栅周期不能太小， 适于写入长周期光栅。 此外还有非周期光纤光栅，其制作方法主要有：两次曝光法；光纤弯曲 法：锥形光纤法；应力梯度法：c h r i p 光栅的全息于涉法等。近年柬，围内外 还报道了一些新的光纤光栅制作方法：直接写入法，存线成栅法光纤刻槽护 伸法。微透镜阵列法，用聚焦二氧化碳激光器写入长周期光纤光栅法，移动甲 台法，用聚焦离子束写入光纤光栅等。 1 6 光纤光栅传感器的应用 由于f b g 有许多独特的优点，使得许多光学功能得以实现，极大地拓宽 了光纤技术的应用范围。主要有“”。：民用工程结构中的应用；航空航天业中 的应用；船舶航运业中的应用；电力工业中的应用；石油化学工业中的应用； 医学中的应用；核工业等领域的应用。由于本文所设计的系统足针对电力设备 故障监测的，故只略介绍光纤光栅传感器在电力工业中的应用。 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，普通的电炎传感器足无法使用 的。若要实现高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等的温度和 位移等参数的实时测量，就需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且 是无源器件，所以光纤光栅传感器是实现这些测量的最佳选择。另外还有的电 力设备处于荒山野岭、沙漠荒原中，使用分布式光纤光栅传感系统的遥测能力 可以极大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中具有非常好 的应用前景。 利用法拉第效应的光纤传感器己被用于配电工业中高电压下的丈i 乜流测 量，但是由于线性双折射、温度和振动所引起的问题，限制了返一技术的应 用。一种替代的方法是用常规电流转换器、压电元件和光纤光栅组成的综合系 统对大电流进行问接测量。l q a m m o n 等人演示了用光纤光栅传感器测爱高压变 压器的绕组温度，长期监测的精度己达到3 c 。德国西门子公司正在将光纤 光栅传感器用于气冷涡轮发电机定子温度的测量。o g a w a 等人在3 0 k m 长的电 咛尔淳理t 大学丁学绚 学付论史 缆上布置了1 0 个光纤光概，光纤光栅贴在金属板上，金属板固定在电缆上， 荷载变化引起的电缆应变经金属板传入光纤光栅，用波分复用技术对光栅反射 信号进行解调。s m a r tf i b r el t d 准备制造复合材料叶片，在制造过程中将光纤 光栅传感器埋入复合材料中，对风力涡轮发电机进行长期地实时实地监测。在 此应用中，光纤光栅传感器可克服电类传感器受电磁下扰，怕雷上等缺点。 鉴于以上原因，且国外已有研究表明，f b g s 能以良好的性能进行电力设 备温度的在线监测。 1 7 光纤光栅传感技术的研究进展 近年来，对光纤光栅的研究取得了重大进展，主要集中于光纤光栅的紫外 光照射生长动力学、光学特性和成栅技术的研究，且光栅的制备技术h 趋成 熟，现阶段则主要集中于非均匀周期的光纤光栅的制作、光纤光栅光学特性及 其在光通信及光纤传感中的应用研究。在光通信方面，根据特定的光栅结构可 以制成满足各种光纤通信要求的有源和无源器件；在传感技术方向生要应用_ 二 先进的智能传感系统。 在未来光通信及光纤传感领域中，光纤光栅波长调谐方法的探索及调谐技 术的开发将是热点课题之一。目 ；i 光纤光栅的调谐方法有电磁调谐，热调谐， 应力调谐、光控调谐等，压强、声波、化学等调谐方法部不成熟r 调：皆范围 很小。在光纤光栅调谐特性的研究中探索新的调谐方法、获得宽的调渚范围及 消除环境温度的影响一直是人们致力解决的重点问题。近年柬利用压电陶瓷进 行波长调谐技术取得了很大进展，能达到4 5 r i m 的波长凋谐范围，但该实验设 备复杂，成本昂贵；利用具有较大热膨胀系数的高分子材料作为衬底，在 肚1 0 0 。c 。可获得1 5 n m 的波长调谐范围，由于热调谐易受环境温度于扰，故 其应用范围大受限制。 光纤光栅可以用于应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高的灵 敏度和测量范围，适应于高温、高压和危险性环境等，可靠性高。在光纤昔1 ： 个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变 化，即实现分布式光纤传感，该技术可在智能和灵巧结构中实现对各种传感量 的准分布式测量。南开大学现代光学研究所在光纤光栅传感技术方面做了大量 的工作，武汉理工大学光纤光栅传感网络的研究一直位于前列。 随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，专家们预膏。从j 匕纤通赏、光纤 传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。光纤光 坠堡堡矍三奎兰三兰至! ：兰竺兰兰 栅的出现将改变人们在光纤技术应用中的传统设计思想，可以说光纤光栅技术 是继掺饵光纤放大器( e d f a ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的黾程碑。光纤 光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全 光信息时代带来了希望。 1 8 本课题的来源 本课题源于黑龙江省自然科学基金项目：“利用光纤光栅进行电气绝缘检 测故障的基础研究”。课题编号：f 0 3 1 5 。 1 9 本章小结 本章首先简述了选题的背景和研究意义以及国内外在线监测系统的现状； 简要回顾了光纤光栅的发展历史；与其他类别的光栅相比，光纤光栅的优点； 介绍了光栅的用途、分类及制作方法；概括了当前国际上研究光纤光栅的最新 成果；最后对本论文的来源、主要内容作了介绍。 哈尔演理t 大学t 学毋 学位论文 第2 章光纤b r a g g 光栅传感理论 光纤光栅传感器是波长调制型传感器，是以光纤光栅做敏感元件的一种新 型的功能型光纤传感器，它对波长敏感而对光强不敏感，因此，其对光波的波 动、光波的极化和传输损耗都不敏感，具有其他类型的光纤传感器无可比拟的 优点。而且随着光纤光栅制造技术的进步和性能的逐步改善以及应用研究成果 的不断涌现。光纤光栅传感器在传感器领域中会处于越来越重要的地位，已成 为当前光纤传感器的研究热点。 2 1 光纤b r a g g 光栅传感原理及结构 外界物理量无论是温度，还是应变( 压力) 的变化都会引起光纤光栅栅距和 折射率的变化，从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤光 栅的反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变( 压力) 信息，这就 是用光纤光栅测量温度、应变( 压力) 的基本原理。由于光纤光栅同时对温度、 应变和压力敏感，因此如何建立f b g 的理论模型，以及在此模型的基础上如 何区分温度和应变( 压力) 信号是光纤光栅传感器在实际应用中必须解决的一个 问题。 2 1 1 光纤b r a g g 光栅的传感原理 f b g 实际就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。如图 2 1 所示。 | n 意巨三丑扪 图2 - i 光纤b r a g g 光栅的结构 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo f f i b e rb r a 鹅g r a t i n g 宽带光源发出的光传输到b r a g g 光栅处时，由于周期性的折射率扰动仅会 对很窄的一小段光谱产生影响，入射光将会在相应的频率上被反射，其余的透 射光谱则不受影响，这样光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反 哈尔滨理工大学_ 学硕士学位论文 射现象的解释，最先由威廉b r a g g 爵士提出，因而这种光栅被称为b r a g g 光 栅，反射条件被称为b r a g g 条件。所反射窄带光的中心波长如( 即布拉格波长) 由光栅常数决定，光栅常数即为光栅纤芯的折射率调制周期a 和光栅的有效折 射率，幻，它们满足模式耦合理论的一级近似相位匹配条件： 以= 2 n , g a 式中 a d 一反射的中心波长，n m ； a 光栅周期，n m ； h 盯一纤芯的有效折射率。 肚勘 式中b 紫外光源波长； 口两相干光束间的夹角。 对( 9 - 1 ) 式两端取微分可得 v 五口= 2 v n 盯a + 2 疗咿v a 从式中可以看出，当外界的温度、应力等参量发生改变时，将会导致光纤 光栅的人或口的变化，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外 界参量的变化。 当只考虑环境温度的变化对光纤光栅的影响时，光纤光栅中心反射波长的 变化为” 垒鱼；( 口+ f ) r0 - 4 ) 九 其中口= z 1 等，为光纤的热膨胀系数；f = i 1 ，骞为光纤的热光系数由 此可见，光纤光栅周围温度的变化可以由光纤光栅布拉格波长的变化来反映， 即 以= 岛r ( 2 - 5 ) 式中缸一温度系数； a t 温度的改变量； ， m 。布拉格波长改变量。 由此可见，光纤光栅的布拉格波长的变化量与温度的变化量具有良好的 线性关系。 国 p g p 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 2 1 2 光纤b r a g g 光栅传感器的结构 光纤光栅传感器的出现给光纤传感领域带来了新的生机，特别适用于特殊 结构的传感网络，其应用请参照1 6 节。光纤光栅传感器的典型结构如图2 2 所示。 图2 2 光纤光栅传感器的典犁的结构 f i g 2 - 2t y p i c a ls 饥l c 眦o f f b g s 图中的光源应为有足够大功率的宽谱光源，以保证光栅反射信号良好的信 噪比，一般可选用s u d 或a s e ，光源的波长也由最初的8 5 0 n n 、1 3 0 0 r i m 发 展到长波段的1 5 5 0 n m 。光源发出的光经3 d b 耦合器入射到光纤光栅中，由于 光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，由光纤光栅反射回的 光信号通过3 d b 光纤定向祸合器送到波长鉴别器或波长分析仪，然后通过光探 测器进行光电转换，最后由计算机做分析、储存，按用户规定的格式在计算机 上显示出被测量大小。当用f b g 做探头测量外界的温度、压力等参量时，光 栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长 的变化推测出外界被测温度或压力等参量。图2 - 2 中的波长鉴别器是波长位移 解调的核心，它包括另一个3 d b 光纤耦合器和薄膜干涉滤光片。从光纤光栅反 射回的光信号通过第一个3 d b 光纤耦合器后，再由第二个3 d b 光纤祸合器一 分为二，其中一部分由光探测器直接转换成电信号，另一部分经干涉滤光片， 再由光探测器转换成电信号，两信号相除即可得出布喇格波长位移量，并表征 哈尔滨理t 大学 学硕卜学位论文 出被测参量。 2 2 光纤b r a g g 光栅传感解调原理 在实际工程应用中，光纤光栅传感信号解调通常可分为两部分：一部分为 光信号处理，完成光信号波长信息到电参量的转化；另一部分为电信号处理， 完成对电参量的运算处理，提取外界信息以人们熟悉的方式显示出来。其中， 对光信号的处理，即对传感光栅反射回来的中心波长进行跟踪分析，在一定程 度上决定了解调系统的分辨率、可靠性和成本，是系统是核心部分。下面介绍 几种常用的波长检测方法。 2 2 1 光谱仪检测法 由于光谱仪能直接读取光的波长，因此根据光谱仪得到的传感光栅反射光 的波长变化就能检测被测物理量( 温度、压力等) 的大小，这也是检测传感器输 出光波长变化的最直接方法，如图2 3 所示。 图2 - 3 光谱仪检测法 f i g 2 3t h em e a 辄锄哪u s i n go p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r 其基本原理”是：将传感探头的输出光经光纤送至分光计，由c c d 探测 器检测不同波长光的光强分布，一旦光波长偏移，光强分布即发生变动，通过 观察光谱仪和计算分析即可算出相应的波长偏移量和它所对应的被测量的变 化。这种方法结构简单、直接。缺点是传统的以色散棱镜或衍射光栅为基础的 光谱仪分辨率较低，无法满足要求；虽高分辨率的光谱仪可以满足要求，但价 格昂贵，体积庞大，结构复杂。携带不便，使用时需反复校准，更重要的是它 不能直接输出对应于波长变化的信号，电力设备在线监测的目的就无法实现， 所以该法多用于实验室，很少用于实地测量。 哈尔滨理t 大学t 学硕+ 学伊论文 2 2 2 匹配光栅法 该方法1 采用两个参数完全相同的光纤光栅，分别作为传感光栅和参考光 栅，在驱动元件的作用下，使得参考光栅的反射波长在某个时刻或某个时间段 内和传感光栅的反射波长变化一致，实现参考光栅对传感光栅的解调。这种方 法又分为反射型和透射型。前者的原理是：若传感f b g 的反射光入射到参考 f b g 上，若与参考f b g 的反射波长一致，则被反射到探测器上，通过p z t 驱 动接收f b g 进行扫描，根据探测器的输出记录此时驱动信号的大小，就可以 得到被测量的大小。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的限制，同时对探 测器及光栅匹配的要求也较高。针对这一问题，d a v i s 等提出了透射型的测量 方案，如图2 - 4 。 图2 4 匹配光栅法解调示意图 f i g 2 - 4d i a g r a m o f m a t c h e ag r a t i n g - p a i r sd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e 透射型和反射型的区别在于：前者的光电探测器不是放在接收反射光的位 置，而是放置于接收透射光的位置，通过监测透射光的有无来确定是否匹配， 从而避免了测量光强微弱的信号。 2 2 3 边缘滤波法 边缘滤波法的测量元件是波分耦合器，根据其传输特性，在 1 5 2 0 - - 1 5 6 0 n m 的波长范围内，耦合器的效率与波长基本呈线性关系，因而可以 利用该特性来测量波长的变化，图2 5 为该法解调示意图。宽带光源发出的光 被传感光栅反射回来后进入耦合器，出射的光分为两束，这两束出射光功率与 入射光功率的关系在同一坐标系下形如x ，两束出射光通过光电探测器转化为 电信号，经过处理后消除光功率变化的影响，最后得到波长的变化量。该方法 的电子处理电路比较简单，但是受到器件传输特性的影响，测量的分辨率比较 低。 图2 5 边缘滤波法解调示意图 f i g 2 5d i a g r a mo f e x i g ef i l t e rd e m o d u l m i o nt e c h n i q u e 2 2 4 非平衡m a c h z e h n d e r 干涉法 该法利用非平衡m z 干涉仪的滤波原理对传感信号的波长变化量转化为 相位变化量进行滤波解调，如图2 - 6 所示。宽带光源发出的光经祸合器入射 到传感光栅上，被反射后进入到不等臂长的m - z 干涉仪。其输出光强为： ，q ) = 4 l + b c o s 砂q ) + 矿( f ) b ( 2 - 6 ) 其中a 、b 为常系数，i c ，q ) = 2 n n d 厶是干涉仪两臂的相位差， f ，( f ) 为随 机相位差，是噪声，通过非平衡m a e h - z e h n d e r 干涉仪把b r a g g 波长漂移转化 为相位变化，由反射光波长位移九引起的干涉仪相位差变化为： 毋匕= 一2 n 。n ：d 6 2 ，：一2 _ a n d f ，西( 2 7 ) 吒 孝= 万1 鲁( 2 - 8 ) 其中昆为应变变化量，f 为应变一移频分辨率。该方法的分辨率高，但是 由于非平衡m z 干涉仪受环境干扰较大，这种方法仅适用于检测动态应变， 而不适合检测静态应变。另外，这种检测方法只能结合时分复用技术来检测多 个布喇格光栅的波长漂移，不适合采用波分复用的分布系统。对于动态则有： 哈尔滨理t 大学t 学够+ 学位论文 船t l - 2 ：苟r o d 蛳m 耐 图2 - 6 非平衡m - z 干涉仪解调示意图 f i g 2 - 6d i a g r a mo f u n b a l a n c lm - zi n t e r f e r o m e t r i cd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e 2 2 5 可调谐窄带光源解调法 ( 2 9 ) 此法的基本原理1 是利用一个波长与f b g 中心反射波长相近，且谱宽小 于b r a g g 反射谱线宽度的可调谐激光源，通过可调谐激光源的输出波长进行光 谱扫描，由每次扫描反射光最强时的l d 扫描电压确定相应的布喇格波长。图 2 7 为一种光纤可调谐激光器用于温度测量的原理图。该种方法可获得很高的 信噪比和分辨率，现场检测简单方便。只是因为目前d b r 光纤激光器的稳定 性及可调谐范围尚不够理想，在一定程度上限制了传感光栅的个数和是使用范 围。 图2 - 7 可调谐窄带光源解调示意图 f i g 2 7d i a g r a mo f t u n a b l en a r r o w - b a n dl i g h ts o u r c ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 2 2 6 可调谐法布里一珀罗滤波器法 2 2 6 1 可调谐法布里一珀罗滤波器 可调谐法布垦一珀罗( f a b r y - p e r o t ，f - p ) 腔作为一个窄带滤波器，在一定 波长范围内，若以平行光入射到f - p 腔，则只有满足相干条件的某些特定波长 的光才能发生干涉，产生相干极大。可调谐f p 腔的结构如图2 8 所示。从光 纤入射的光经透镜l l ，变成平行光入射到f p 腔，出射光经透镜l 2 ，汇聚到 探测器上。构成f - p 腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个可移动且背面贴 有一个压电陶瓷o z t ) 。给压电陶瓷施加一个扫描电压，压电陶瓷产生伸缩， 从而改变f p 腔的腔长，使得透过f p 腔的光的波长发生改变。若f - p 腔的透 射波长与f b g 的反射波长重合，则探测器能探测到最大光强，此时给压电陶 瓷施加的电压u 就代表了f b g 的反射波长1 。 图2 - 8 可调谐f - p 腔结构不意图 f i g 2 _ 8s c h e m a t i co f t h es n l j c n l 陀o f t t m a b l ef p 利用压电陶瓷构成的可调谐f p 腔测量光纤光栅传感器的反射波长，可以 直接将波长信号转换成电信号，并且具有体积小、价格低等优点，是一种很好 的检测光纤光栅波长的方案，也是本系统所要选择的方案，原理如图2 - 9 所 示。 该法可用于绝对测量和相对测量，也可用于动态和静态测量。然而由于f p 腔的光谱曲线不够陡峭，因此被检测信号的频率范围将会受到一定限制。所 以可调谐f - p 滤波器要满足以下几个基本条件： ( 1 ) 每次只允许一条窄带谱通过，谱线的宽度要足够小。 ( 2 ) 在可调f - p 腔的腔长变化范围之内，所有入射光谱都能依次通过。 ( 3 ) 腔长随时间变化的函数关系不宜太复杂，以便于控制f - p 腔的腔长， 进而便于解调出光波长。 ( 4 ) 在实际的光纤f p 应变传感器系统中，宽带光源的出纤功率一般比 ，j 、。 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 图2 - 9 可调谐f - p 滤波器解调示意图 f 螗2 - 9t h ed i a g r a mo f t u n a b l ef - pf i l t e rd e m o d u l a t i o nt e c h