（光学工程专业论文）便携式大量程光纤bragg光栅解调系统研究.pdf

摘要 近年来光纤光栅( f b 6 ) 在传感领域的应用研究日益得到人们的关注，其中光 纤光栅波长解调是光纤光栅传感器得到应用推广的关键之一。尽管已提出多种波 长解调方法，然而真正得到实际应用的仍然较少，因此针对实际应用要求开发相 应的光纤光栅波长解调系统具有较高的实用价值，同时也会对光纤光栅传感技术 的发展和应用推广起着重要的促进作用。基于这一思想，本文针对建筑结构现场 监测的要求，设计开发了一套便携式大量程光纤光栅波长解调系统，解调系统具 有测量范围宽、结构简单、成本低等优点。本论文的主要工作如下： 1 设计了光纤光栅波长解调系统的光纤系统部分。解调系统基于无源比例解调 方法，光源使用基于掺铒光纤的a s e 光源，线性滤波器采用基于熔融拉锥技术的 波分复用器，设计了波分复用器的性能参数，要求线性工作范围在7 n m 以上；利 用光功率计、可调谐激光器对波分复用器的分光特性进行了性能测试，实验表明 此波分复用器可实现大于1 0 n m 范围的波长检测，输出光信号的分光比与光纤光 栅波长具有良好的线性关系。 2 将光衰减器用作解调系统的光调制器，解决了解调系统光信号的调制问题。 调制频率可达4 k h z ，设计了光衰减器的驱动电路，调制频率为2 k h z 。 3 设计了光信号检测部分。基于锁相放大技术实现了光信号的检测，设计了专 用的正交矢量型锁相放大器，消除了双路锁相放大相位差的影响，直接提取到信 号的幅度信息，有效降低了系统误差：利用带有2 4 位一a 高精度a d 的单片机 a d u c 8 4 7 实现数据采集、数据处理及外设控制，利用液晶模块实时显示光纤光栅 波长信息，并通过u s b 接口实现数据存储；开发了单片机及其外设的驱动程序， 采用软件实现两路信号的增益补偿，实现了解调系统可视化与智能化。 4 对光纤光栅解调系统进行了性能测试实验。实验结果表明光纤光栅的波长与 应变具有良好的线性对应关系，能够较好的跟踪光纤光栅的波长位移，线性拟和 度达9 9 3 ，解调系统应变测量误差为7 9 2 ，馆：对光纤光栅解调系统的测量误差 进行了分析，详细讨论了误差来源，并针对些误差源给出了相应的解决方法。 关键词：光纤b r a g g 光栅；波长解调；波分复用器；锁相放大； a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) i ns e n s ef i e l da t t r a c t s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s , t h ef b gw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ni so n eo f m o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yw h i c he x t e n d st h ea p p l i c a t i o no ff b g s e n s o r t h o u g h m a n ym e t h o d so fw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o nh a v eb e e np r e s e n t e d ，l e s so ft h e ma r e a p p l i e di np r a c t i c e s ot h a ti t i sm u c hv a l u a b l et od e v e l o pt h ef b g w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt o p r a c t i c a la p p l i c a t i o nd e m a n d ，w h i c hc a na l s o d e v e l o pa n de x t e n dt h ea p p l i c a t i o no f f b gs e n s o r b a s e do nt h i si d e a , ap o r t a b l ef b g w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ns y s t e mw i t hl a r g em e a s u r e m e n tr a n g ea c c o r d i n gt ot h e d e m a n do fa r e h i t e c t u r es t r u c t u r ei n s p e c t i o ni si n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e 。w h i c hi s c h a r a c t e r i z e db yl a r g em e a s u r e m e n tr a n g e ，s i m p l ys t r u c t u r ea n dl o wc o s t t h em a i n c o n t e n t so f t h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ef i b e rs y s t e mp a r to ff b g w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d t h e d e m o d u l a t i o ns y s t e mi sb a s e do np a s s i v ep r o p o r t i o nd e m o d u l a t i o nm e t h o d , a s el i g h t s o a r c eb a s e do ne r b i u m d o p e df i b e ri sa d o p t e da sl i g h ts o u r c e ，w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) b a s e do nf u s e dt a p e rt e c h n o l o g yi su s e da sl i n e a rf i l t e r , a n dt h e p a r a m e t e r so fw d m a r ed e s i g n e d ，w h i c hd e s i r em o r et h a n7 n ml i n e a rw o r kr a n g e ； t h ep e r f o r m a n c et e s ta b o u tw d m s p l i r i n gr a t i oi sd o n ew i t ho p t i c a lp o w e rm e t e ra n d t u n a b l el a s e r , t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tw d mc a l la c h i e v em o r et h a nl o n m w a v e l e n g t hm e a s u r e m e n t ，m e a n w h i l e ，t h es p l i t t i n gr a t i oo fo p t i c a ls i g n a la n df b g w a v e l e n g t hh a v ef a v o r a b l el i n e a rr e l a t i o n 2 t h eo p t i c a la t t e n u a t i o ni su s e da so p t i c a lm o d u l a t o ro fd e m o d u l a t i o ns y s t e m ， w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo fo p t i c a lm o d u l a t i o n t h em o d u l a t i o n f r e q u e n c yc a n a c h i e v e4 k h z , t h ed r i v e rc i r c u i ti sd e s i g n e d ，a n dt h em o d u l a t i o nf r e q u e n c yi s2 k h z 3 o p t i c a ls i g 蒯m e a s u r e m e n tp a r ti sd e s i g n e d o p t i c a ls i g n a lm e a s u r e m e n ti s a c h i e v e db a s e do nl o c k - i nt e c h n o l o g y , s p e c i a lo r t h o g o n a lv e c t o rl o c k - i na m p l i f i e ri s d e s i g n e d ，t h ei n f l u e n c ec a u s e db yt h ep h a s ed i f f e r e n c eo fd o u b l el o c k i na m p l i f i e r si s e l i m i n a t e d ，a n dt h ea m p l i t u d ei sd e t e c t dd i r e c t l y ，w h i c hr e d u c e st h es y s t e me r r o r ；, t h e m i c r o c o n t r o l l e ra d u c 8 4 7w i t h2 4 - b i tb a dc o m p l e t e sd a t ac o l l e c t i o n , d a t a p r o c e s s i n ga n dp e r i p h e r a lc o n t r o l l i n g ，l c di su s e dt od i s p l a yt h er e a l - t i m ef b g w a v e l e n g t hi n f o r m a t i o n ，a n dd a t as t o r a g ei sa c h i e v e dt h r o u g ht h eu s bi n t e r f a c e ；t h e d r i v e rf o rm i c r o c o n t r o l l e ra n di t sp e r i p h e r a li sd e v e l o p e d ，g a i nc o m p e n s a t i o ni s n a c h i e v e db ys o f t w a r em e t h o d , w h i c hm a k e sd e m o d u l a t i o ns y s t e mv i s i b l ea n d i n t e l l i g e n t i a l 4 t h ep e r f o r m a n c et e s te x p e r i m e n t so f t h i sf b gd e m o d u l a t i o ns y s t e ma r ed o n e ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tf b gw a v e l e n g t ha n ds t r a i nh a v ef a v o r i t el i n e a rr e l a t i o n , t h es y s t e mc a nd e t e c tt h ew a v e l e n g t hs h i f t ，t h el i n e a rc o n s i s t e n c yc a nr e a c h9 9 3 ， a n dd e m o d u l a t i o ns y s t e me i t o l i s7 9 2 p c ；t h em e a s u r e m e n te l t o fs o a r c eo ff b g d e m o d u l a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d ，t h ee l t o l s o u r c ei sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h ew a y s t os o l v es o m eo f e r r o ra r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n ；w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ；l o c k - i na m p l i f i e r ； l u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫连盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：谚云砉囊 签字日期：矽口6 年，月牙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 五云象叶 签字日期：腑1 月宕日 导师躲趸，l 孰根 签字日期：? 一一多年，月孑日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在二十世纪后半 叶至今的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。在信息传输领域， 光纤以其低损耗、宽带宽等特性，已经成为现代通信网络中的最佳传输媒质；在 传感领域，基于光纤技术的传感器以其本质安全，不受电磁干扰，灵敏度高、重 量轻、能埋入工程结构等特点在传感领域备受关注并得到广泛应用，己成为传感 技术发展的主流方向之一。 在光纤技术迅猛发展的时代，光纤光栅的出现与发展备受人们的关注。1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k 0 h i1 1 等人意外观察到掺锗光纤的光敏性，并采用驻 波干涉法制成了世界上第一个光纤光栅【”。1 9 8 8 年美国东哈特福德联合技术研究 中心的m e l t z 等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术1 2 j ，与h i l l 的驻波写 入法相比，这项技术有效地提高了光纤光栅的写入效率，但是这种写入方法对光 源和周围环境的稳定性要求较高，且对光源的相干长度要求严格，因此实用性不 强。1 9 9 3 年h il l 等人提出了相位掩模写入技术【3 】，利用紫外激光经过相位掩模 衍射后的1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光栅。相位掩膜法是到目 前为止最成熟的光纤布拉格光栅写入法，该方法降低了写入装置的复杂程度，对 周围环境的要求大大降低，为光纤光栅的商品化生产提供了强有力的技术支持。 在研究写入技术的同时，人们也对光纤光敏性作了大量的研究，其中1 9 9 0 年h a n d 和r u s s e l 提出的色心模型f 4 j 颇具影响。1 9 9 3 年，l e m a i r e 等人提出了简单 而有效的方法一低温高压载氢技术【5 】。这是继在光纤内掺杂离子使其内在的提高 光纤的光敏性之后，首次通过外在方式成功的提高光纤光敏性的范例。该技术可 使光纤的光敏性提高近两个数量级，同时亦可大幅度降低光纤光栅的制作成本， 为在普通光纤上制作高反射率的光纤光栅提供了技术保证。 写入技术和光纤增敏技术两方面的深入研究使得光纤光栅在上个世纪9 0 年 代后期成功地实现批量生产和商业化，人们研究的重点开始转向它在光纤传感和 光纤通信领域中的应用研究。在通信领域，光纤光栅可以用作光纤滤波器、色散 补偿器、光纤激光器等，可以预见基于光纤光栅的全光纤通信网有望在不久的将 来进入实用化。在传感领域，光纤光栅可以实现温度、应变、磁场、电流等单参 数的测量，可以利用光纤光栅传感器实现多参数测量，最典型的是温度一应变双 参数的测量，同时光纤光栅还可以实现毫米级的空问分辨率的应变分布式测量。 由于光纤光栅传感器具备诸多其它类型光纤传感器无法比拟的优点，非常适 第一章绪论 于埋入建筑材料用于建筑结构的应力监测，因此光纤光栅在建筑结构监测中的应 用研究受到人们的重视。光纤光栅传感器的波长解调技术是通过光纤光栅传感器 获知待测信息的关键，因此深入研究解调技术，开发出实用的光纤光栅解调系统 可以大力推进光纤光栅传感器的实用化进程。 1 2 光纤光栅传感技术及发展现状 1 2 1 光纤光栅的分类 根据折射率在光纤轴向分布的形式，即光纤光栅空间周期分布及折射率调制 深度分布是否均匀，通常可将光纤光栅分为均匀光栅和非均匀光栅两大基本类 型。前者的栅格周期与折射率调制深度均为常数，而后者的栅格周期与折射率调 制深度二者必有其中之一不为常数。 ( 一) 均匀光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数 的一类光纤光栅。这类光纤光栅的典型代表有光纤b r a g g 光栅、长周期光栅、和 闪耀光纤光栅等。 1 、光纤b r a g g 光栅( f b g ) 6 1 ：又称短周期光栅，栅格周期一般为o 5l am 量 级，折射率调制深度一般为l o l o ，能量祸合发生在两个反向传输的模场中， 这种光纤光栅具有较窄的反射带宽( 1 0 “n m ) 和较高的反射率( 1 0 0 ) ，其 反射带宽和反射率可以根据需要，通过改变写入条件而加以灵活地调节，这是最 早发展起来的一类光纤光栅，目前在光纤通讯和光纤传感领域广泛应用。 2 、长周期光纤光栅( l p g ) 7 1 ：光栅的周期在数百个微米量级，它是将前向 导波模耦合到不同级次的包层模之中去，其作用相当于一种波长可选择的滤波元 件。长周期光栅的工作原理是通过选择一定的光栅周期，使得基模与一个前向传 播的包层模满足相位匹配条件人= 2 万，( 届一废) ，从而发生祸合，使光在包层中 因吸收和散射而损耗掉。由于耦合发生在前向导波模之间，长周期光栅是一种传 输型光栅，没有背向反射。它是作为e d f a 增益平坦滤波器的较佳方案。 3 、闪耀光纤布拉格光栅【8 l ( b l a z e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) ：这类光栅的周 期与折射率调制深度均为常数，但其光栅波矢方向与光纤轴线方向不一致，这种 光栅不但能引起反向导波模耦合，而且还能将基模耦合到包层模中损耗掉。基于 闪耀光纤布拉格光栅的包层模耦合形成的宽带损耗特性，可将其用于掺铒光纤放 大器( e d f a ) 的增益平坦。 ( 二) 非均匀光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为 常数，或者栅格周期和折射率调制深度均不为常数。从栅格周期与折射率调制深 度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光 第一章绪论 栅以及非均匀特种光纤光栅等。 l 、啁啾光纤光栅( c h i r pg r a t i n g ) 【9 】：栅格周期沿轴向变化的光栅。最常 用的啁啾光纤光栅是线性啁啾光纤光栅，这种光栅的纤芯折射率沿轴向呈线性单 调变化。由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，因此线性啁啾光纤光栅能 够形成很大的反射带宽和稳定色散，其宽度足以覆盖整个脉冲的谱宽，从而被广 泛应用于波分复用( w d m ) 通信系统的色散补偿。 2 、非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤布拉格或啁啾光纤光 栅的栅格周期或折射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的啁啾光纤光 栅。典型的有如下几种： 相移光纤光栅l j 0 】：在均匀周期光纤光栅的某些特定空间位置处弓f 入相移， 破坏光纤光栅折射率分布的连续性而形成的光栅。 莫尔光纤光栅【1 1 】：采用两组具有微小周期差异的紫外条纹对光纤同一位置 进行二次暴光所得到的光栅。其光谱特征是在反射带中开一个很窄的投射窗口， 它实际相当于一个2 4 相移光栅。 t a p e r e d 光栅【1 2 】：采用特定的函数形式对光纤布拉格光栅的折射率调制 深度进行调制而形成的光栅。根据需要，通过改变其调制函数及有关参数可以控 制其反射谱的形状，t a p e r e d 光栅可以用于光纤通信系统中的色散补偿及多波长 激光器的制作。 超结构光纤光栅【1 3 l ( s u p e r s t r u c t u r ef i b e rg r a t i n g ) ：利用方波函数对 光纤布拉格光栅或啁啾光纤光栅的折射率分布进行调制而形成的光栅。这种光栅 的反射谱具有一组分立的反射峰。 1 2 2 光纤光栅传感器的特点 光纤b r a g g 光栅，啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅等均可用作传感器，其中 光纤b r a g g 光栅传感器是目前应用研究最多的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器 是波长编码的，而波长是绝对不变的参量，不存在多值函数问题。光纤传感器原 理主要包括强度型、干涉型以及布拉格光栅型三种，三种光纤传感器的定性比较 如表1 - 1 所示，通过对比可见，光纤光栅传感器与传统的基于电学量的传感器比 较，光纤光栅传感器具有如下明显的优点： 表1 - 1 三种光纤传感器的定性比较 指标 强度型干涉型光栅 精度 低较高高 加工工艺简单 复杂较复杂 成本低高 较低 第一章绪论 技术成熟性成熟较成熟成熟 可否分布测量可以不可以 嵌入性可以较难很好 线性度般一般很好 变形能力 好 差好 性能稳定较好较好好 耐久性好较好好 监测参数 多 少 多 响应频率带宽宽 窄 宽 信号解调设备简单复杂复杂 1 不受潮湿环境影响，能避免电磁场的干扰，电绝缘性好，耐久性好，具 有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力； 2 传感探头结构简单、尺寸小，测量空间分辨率高，适于各种应用场合， 尤其适合于埋入材料内部构成智能材料和结构； 3 可复用性强，采用波分复用技术构成分布式光纤光栅传感器阵列，可以 构建分布式光纤传感网络，从而进行大面积的多点测量； 4 波长编码，可以方便实现绝对测量，同时不受接头损失、光沿程损失等 因素的影响，对环境干扰不敏感； 5 灵敏度高，精度高，频带宽，输出线性范围宽，在1 0 0 0 0 微应变范围内 波长移动与应变有良好的线性关系。 6 光纤光栅的写入工艺日趋成熟，便于形成大批量生产。 除了上述优点外，1 9 9 4 年，a l a v i e 等人将布拉格光栅传感器埋入碳纤 维复合材料测其应变的实验表明在o 2 0 0 0 # 旧循环3 2 0 0 0 0 次后，光纤传感 器仍没有出现劣化现象；1 9 9 6 年，m o r e y 通过加速老化实验认为光纤布拉格 光栅存活寿命大于2 5 年，上述这些优点都是其它传感器无法比拟的。 1 2 3 光纤光栅传感技术的应用概况 自1 9 8 9 年m o r e y 首次报道将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅在传感方面的 应用受到了世界范围内的广泛重视，并且已经取得了持续而快速的发展f 】，目 前的研究已发展到实际工程应用阶段。主要应用领域包括桥梁、建筑、航海、航 天、机械、医疗、矿业等，事实证明光纤光栅传感器具有广阔的应用前景。 民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。基础结构的状 态，力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关 4 第一章绪论 重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感 器既可以贴在现存结构的表面也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测 量，监视结构缺陷的形成和生长。因此在民用工程应用领域，光纤光栅传感器成 为结构监测中最具发展潜力的传感器之一。 1 9 9 3 年r a y m o n dm d e m o d u l a t i o n s 等人首先开始了光纤光栅传感器在桥梁 的实际监测应用【l ”。加拿大卡尔加里市建造的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥采用了三 种预应力筋：传统钢筋，碳纤复合拉索，碳纤拉杆。为了完成三种预应力筋的性 能对比，r a y m o n dm d e m o d u l a t i o n s 等人在这些预应力筋上布置了1 6 个光纤光栅 传感器，实现结构应力状态的长期监测。1 9 9 7 年在加拿大w i n n i p e g 建造的跨度最 大的使用碳纤加强筋的t a y l o r 大桥安装有6 6 个光纤光栅传感器，并通过电话线路 实现了远程监测【1 6 1 。1 9 9 9 年，在美国新墨西哥l a sc r u c e s1 0 号州际高速公路 的一座钢结构桥梁上，安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上 使用光纤光栅传感器最多的纪录，这座桥梁于1 9 7 0 年建成，已经出现了许多疲劳 裂纹，光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数，而且可以测量车 辆的速度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏， 了解桥梁对交通响应的长期变化。2 0 0 2 年k u n z l e rm a r l e y 等人为美国波特市 i 一8 4 高速公路研制了光纤光栅交通监测系统【”，2 0 0 3 年又推出了第二代交通监 测系统o8 j 。 在我国，已有重庆大学，清华大学，南开大学，天津大学，北方交通大学， 哈尔滨工业大学，吉林大学，武汉理工大学，中科院西安光学精密机械研究所，西 安石油学院，香港理工大学等多所高校研究所开展了研究工作。但在工程应用研 究方面仍属起步阶段，武汉理工大学光纤传感国家工业试验基地研究和使用了光 纤b r a g g 光栅传感器来探测结构的裂纹和健康情况。他们在湖南长沙某混凝土结 构加固的工程中，埋入了光纤b r a g g 光栅传感器对加固的整个过程进行监测，并 且与常规的电类传感器进行了对比；与贵州省交通科学研究所的工程人员合作， 将近2 0 0 个光纤b r a g g 光栅应变、温度传感器构成的桥梁监测系统应用于贵州冷 饭盒大桥的施工以及长期的监测；与相关的投资、设计、建设单位合作，分别在 海口世纪大桥、巴东长江大桥、深圳市民中心大型空间网架屋盖等工程结构上安 装光纤b r a g g 光栅长期安全监测系统，对桥梁的结构应变、温度、索力进行监测 1 1 9 。哈尔滨工业大学的研究小组从工程角度研究了光纤b r a g g 光栅传感器埋入钢 筋混凝土的工艺，并于2 0 0 2 年在呼兰河大桥布置了三个光纤光栅传感器，用来 获取张拉过程中混凝土结构内部的应变变化1 2 0 】。2 0 0 3 年又在主跨3 3 6 米的松花 江斜拉桥利用研制的针对结构表面监测的两种光纤光栅应变传感器和两种光纤 光栅温度传感器实旋局部应变与温度监测，在南塔的横梁与纵梁上布置了3 6 个 第一章绪论 片式封装光纤光栅应变传感器，每一横梁上传感器两面布设，每面9 个【2 ”。2 0 0 3 年6 月，上海紫珊光电技术有限公司与同济大学合作，将自主研发的光纤光栅传 感器应用于上海卢浦大桥的动态应变测量【2 ”。2 0 0 3 年7 月，由武汉理工光科股 份公司生产的y t g w - 1 0 0 b 型光纤光栅应变、温度传感监测系统在海口市世纪大桥 上得到了应用，对主梁的重要控制截面的应变、温度以及斜拉索温度进行监测。 2 0 0 3 年9 月深圳会展中心采用北京品傲光电科技有限公司的产品，利用3 5 0 只 光纤光栅传感器和传感网络分析仪构成的光纤传感系统，成功地完成了施工监 测，并且将继续对其钢结构主体进行长期健康监测1 2 3 1 。香港理工大学研究小组 在香港青马大桥布置光纤光栅传感器进行应变和温度监测【2 4 】。 1 3 光纤光栅传感领域的关键技术 经过多年的发展，光纤光栅传感已经形成了一个技术体系，包括了多项关键 性技术： 1 写入技术 从驻波写入法到全息干涉侧向写入法，发展到最重要的相位掩模技术，从普 通通信光纤到高压载氢技术提高光敏性，直至研制特殊的光敏光纤等，光纤光栅 的写入技术已经比较成熟，然而光纤光栅写入技术在实际应用中尚有不足，研究 耐高温低温、耐高压、防腐蚀的写入技术成为亟待解决的问题【2 5 1 ，经过努力有 一些突破，如在由表面等离子体( s p c v d ) 技术制作的掺n 硅光纤上，利用1 9 3 n m 的 光脉冲写出的f b g ，可在9 0 0 高温下长期工作：采用3 3 4 n mu v 光可实现透过普通 光纤的丙烯酸脂被覆层，直接在纤芯中写入光纤光栅，无须去除被覆层，保证了 写出的光纤光栅具有和原始光纤同样的强度。 2 光纤光栅的谱特性 对光纤光栅的光谱传输特性的研究主要应用祸合模理论，可以定量的获取各 类光纤光栅祸合效率和光谱反射信息，该理论不仅可以对光纤b r a g g 光栅的光谱 进行了细致的分析，而且可以对长周期光栅进行分析。 3 光纤光栅传感模型 主要包括横向应变感测、增敏和去敏的可能方式研究，能同时感测应变和温 度变化的传感器等问题的研究 2 6 1 。对光纤光栅传感器的敏感特性的分析主要借 助弹性理论和光弹性原理方面的理论，利用s i r k i s 的相位一应交一温度模型可以将 f b g 的各类敏感特性用统一的式子表达，极大方便了f b g 的敏感特性分析。 4 光纤光栅的封装 由于裸光纤光栅直径只有1 2 5 。m ，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其 进行保护性的封装，传感器才能延长寿命，交付使用。同时选用不同的封装材料， 6 第一章绪论 可以实现温度减敏和补偿、应力或温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研 究正逐渐受到重视1 2 副。 5 光纤光栅传感信号解调技术 光纤光栅传感器的信号为波长编码，因此传感系统中应有波长参量的检测装 置，采用傅里叶变换光谱仪、光谱仪、单色仪等设备可以实现波长偏移的测量。 但这些仪器价格高且体积大，只适合在实验室中使用，难以推广。因此在实用中 必须要开发出高效低成本的信号解调系统。 1 4 光纤光栅解调技术的发展概况 如何检测光纤光栅b r a g g 波长的微小偏移，是光纤b r a g g 光栅传感器实用化面 临的关键技术之一。对光纤b r a g g 光栅波长编码的解调过程，传统手段是使用光 谱仪、单色仪等仪器，但一方面光谱仪价格偏高，不适用于普通用户；二是其精 度低，不能满足高精度测量要求；三是其扫描速度慢，不适用于对实时性要求较 高的场合；四是光谱仪体积大，携带不方便，不适用于户外现场检测。此外，用 光谱仪无法直接获得所测参量大小。为此，入们发展了多种技术用于波长编码的 解调，如滤波法、非平衡扫描迈克尔逊干涉法、非平衡舻z 干涉法等。 目前，一些公司生产的光纤光栅解调仪已得到实际应用或用于试验研究，如 m i c r o no p t i c s 公司一直致力于光纤光栅解调装置的研究，从1 9 9 7 成功的开发 出第一台波长查询仪后，最近又推出了s 1 4 2 5 波长查询仪，s 1 4 2 5 是一个大功率、 高速度、多传感器的测量系统，主要为力学传感应用进行改进。国内，上海紫珊 光电技术有限公司成功推出了光纤光栅传感i i 型解调系统，具有可靠性好、采 样频率高、通道多、测点多、兼容性开放性好等优点，可用于土木、医疗、石油 等方面；北京品傲光电科技有限公司推出了p i o i 型光纤光栅传感网络分析仪。 但上述公司大多追求光纤光栅解调的测量精度，价格昂贵，与光谱仪处在同一价 格水平，适合于一些可以不计较成本的应用场合。因此在实用中必须要丌发出高 效低成本的信号解调系统，深入研究b r a g g 波长位移的检测技术，应力求开发使 用方便、稳定性好、价格低、灵敏度高的波长位移检测技术和设备。光纤b r a g g 光栅波长位移检测方法很多，本文基于无源比例解调技术设计了采用全光纤器件 的低成本光纤b r a g g 光栅波长解调系统。 1 5 本课题的提出及研究的意义 传统的电测应变计容易受到腐蚀，在埋入结构内部测量预应力钢绞线的应变 时，需要对其进行必要的保护，这导致应变计和钢绞线之间不能很好地协调变形。 第一章绪论 同时传统的应变测量一般属于相对测量，不能对预应力结构进行长期的监测。而 光纤光栅具有体积小，耐腐性强，抗电磁干扰等优点，其埋入钢绞线后，能与结 构合为一体，对结构的影响很小，能很好地反映结构内部的实际应变。光纤光栅 是利用波长编码对应变进行测量，属绝对测量，可实现对结构的长期健康监测。 国内外已有不少研究人员将光纤b r a g g 光栅传感器应用在建筑结构中的健 康监测，但在预应力筋方面的应用研究报道很少，一是1 9 9 4 年加拿大c a l g a r y 市建成了第一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋组成的桥，在碳纤维中加入光纤 光栅应变传感器，以测碳纤维预应力的损失情况“】；另外一个是1 9 9 5 年d e v r i e s 利用光纤法珀传感器( e f p i ) 对预应力钢筋束的加载情况作了测试试验， 试验中应力超过1 2 0 0 0 肛，光纤传感器与电阻应变片的结果相吻合【2 9 】。而在目 前预应力技术中使用最为广泛的预应力钢绞线的监测方面，由于市面上光纤传感 器应力范围受限，一般不超过3 0 0 0 i 蝠，因此国内外少见有报道，天津大学利用 光纤光栅传感器对预应力钢绞线的应力测量进行了研究f “，断裂试验表明光纤光 栅的断裂应变极限为5 4 5 7 占。随着光纤光栅写入技术、粘贴技术和封装技术的 发展，光纤光栅传感器可用于大量程的应力测量。当前预应力技术正在被广泛地 推广应用，光纤光栅传感器在此领域具有独特的优势和很大的发展潜力，因此针 对该应用领域开发基于光纤光栅传感器的解调系统是非常有意义的研究工作。 国内外许多研究人员提出了多种解调技术，其波长分辨力可以达到p m 量级， 例如马赫曾德尔干涉滤波技术、光纤f p 腔技术和匹配光纤光栅技术等，尽管 这些解调技术实现了很高精度，但是其系统相对复杂，造价颇高。由于建筑监测 应用的特殊性，对光纤光栅解调系统提出了新的要求，光纤光栅解调系统应具有 大的解调范围，要求光纤光栅的测量范围应超过7 0 0 0 9 x ，同时光纤光栅解调系 统应具有高的可靠性、造价低、安装方便、可适应工作现场豹恶劣环境。因而开 发可实现大范围波长测量、造价低的光纤光栅解调系统成为市场的一种需求。 本课题来源于国家自然科学基金6 0 0 7 7 0 2 3 和天津自然科学基金0 1 3 6 0 1 7 1 1 的 后续应用研究。研究目的在于针对建筑监测应用领域设计一种便携式光纤b r a g g 光栅传感解调系统，系统将具有大量程、价格低廉、操作简便、能实时检测显示 光纤光栅的波长信息等特点，从而降低光纤光栅传感解调系统的成本，推进光纤 光栅传感器的发展与应用，研究成果具有较大的应用价值。 1 6 本文的主要工作 开发出高效低成本的信号解调系统是促进光纤b r a g g 光栅传感器实用化的关 键，本文针对这一研究方向开展了解调系统的设计和实验研究。全部内容用八个 章节来描述，各章节内容如下： 第一章绪论 第一章介绍了光纤光栅分类、光纤光栅传感器的特点以及光纤b r a g g 光栅在 国内外工程应用的研究现状；分析了光纤光栅在传感领域的关键技术，介绍了光 纤光栅传感解调技术的发展现状；给出了本论文的研究目标和意义。 第二章基于耦合模理论分析了光纤光栅的光谱特性；详细推导了光纤光栅的 应变传感模型，温度传感模型和压力传感模型，并给出了相应的灵敏度系数；系 统地介绍了光纤光栅解调技术，重点介绍了干涉解调技术、滤波解调技术和时域 解调技术，并分析了各解调技术的解调原理和存在的优势及不足。 第三章进行了光纤b r a g g 光栅传感解调系统的总体设计。依据所要设计的光 纤b r a g g 光栅传感解调系统的应用要求，选择了基于无源比例解调原理的解调方 案，对线性滤波器提出了设计要求；分析了输出光信号的特点，确定采用以锁相 放大技术为核心的检测方法，分析了正交矢量型锁相放大器的原理和构成。 第四章设计了光纤光栅解调系统的光纤系统部分。解调系统基于无源比例解 调原理，光源使用基于掺铒光纤的a s e 光源，光信号的调制年u 用光衰减器实现。 调制频率可达4 k h z ，线性滤波器采用基于熔融拉锥技术的波分复用器，对波分 复用器进行了性能测试和分析，并给出了实验结果及分析。 第五章设计了光信号检测系统的硬件部分。基于锁相放大原理设计了正交矢 量型锁相放大器消除了双路锁相放大的相位差的影响，直接提取到信号的幅度 信息，提高了系统测量精度；采用单片机a d u c 8 4 7 控制系统中各功能模块的实 现，设计了单片机与各外设的接口电路和控制方式，实现了数据采集、数掘处理、 实时显示、人机对话和u s b 接口的数据存储，实现了系统的可视化和人性化。 第六章开发了光纤光栅解调系统的软件部分，设计了单片机的主控程序、 l c d 显示程序和u s b 数据传输和存储程序。其中数据处理部分采用软件对硬件 进行增益补偿，进一步提高了系统的测量精度。 第七章对光纤光栅解调系统进行了性能测试及实验分析，利用电测法对等强 度梁标定得到载荷一应变关系，利用光谱仪对光纤光栅传感器标定得到光纤光栅 波长一应变关系；对光纤光栅解调系统的锁相放大电路和整个解调系统进行了测 试，并给出了实验结果与分析；分析了光纤光栅解调系统的误差来源，并针对其 中一部分误差源给出了解决方法。 第八章对本文的工作进行了总结，并提出了下一步工作方向与计划。 9 第二章光纤b r a g g 光栅传感器的工作原理和解调技术 第二章光纤b r a g g 光栅传感器的工作原理和解调技术 2 1 光纤b r a g g 光栅基本原理 光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂( 通常是掺锗) 使 芯层折射率m 比包层折射率n 2 大，从而使光约束在芯层中传播。当芯层折射率 受到周期性调制后，即成为光纤b r a g g 光栅，光纤b r a g g 光栅的基本结构如图 2 - 1 所示。 透射光谱 图2 - l 光纤光栅的结构 耦合模理论是分析光纤光栅的最基本方法，其最突出的优点在于能够诠释光 波在波导中的物理行为。光纤b r a g g 光栅与光场发生的相互作用可由耦合模理论 来分析，一般情况下耦合模方程为： 鼍乒叫彘莩莓足螂c 反一层- 2 船n a ，z ， 浯d 其中a 是光纤b r a g g 光栅周期，4 ，4 为归一化k 阶模与，阶模的复振幅，反，届 为第七和第z 模的传播常数，前向传播为正，后向传播为负，砑为第k 阶与第， 阶模的耦合常数( 所= 1 , 2 ，3 ，) ，由方程( 2 - 1 ) 可知模式( k ，z ) 存在耦合的 必要条件即相位匹配条件： 展一届= 2 m n a ( 2 2 ) 利用耦合模理论对周期性光栅进行分析，即可推导出表征光纤b r a g g 光栅性 能的主要技术指标如下： ( 1 ) 反射率r ： r ：俐2 1 4 ( o ) j ； ；! 掣些：粤了 ( 2 3 ) ( 筇2 ) 2s i n h 2 ( 乩) + s 2c o s h 2 ( 脱) ( 2 ) 反射峰值半宽：由反射带宽定义r ( 旯，工) = 三r ( 以，上) 可求出两个五值， 并迸一步给出b r a g g 反射半宽( f w h m ) 为： o 第二章光纤b r a g g 光栅传感器的工作原理和解调技术 m b 一2 z t c a m 2面(2-4) “ ( 3 ) b r a g g 波长如：光纤光栅中基模光能满足b r a g g 条件的波长。 如= 2 人 ( 2 5 ) 因此当入射波长满足b r a g g 反射条件时，将有部分正向传输的光波耦合到反 向传输模，并沿原光路返回。图2 2 是利用光谱仪检测得到的光纤b r a g g 光栅的 透射光谱和反射光谱，可见光纤光栅的反射具有波长选择性，反射一个峰值波长 为b r a g g 波长的窄带光谱。 图2 2 用光谱仪观察光纤光栅的反射谱和透射谱 2 2 光纤b r a g g 光栅传感模型 对方程( 2 - 5 ) 求微分可得： 砜= 2 a d n 够+ 2 胆酊d a ( 2 6 ) 可见改变光栅周期a 和有效折射率n 咿均可以改变b r a g g 波长，外界待测物理量 通过改变这两个参量即可完成传感信息的波长编码。 2 3 1 光纤b r a g g 光栅传感的应变模型 应变会引起光栅周期的伸缩，同时通过弹光效应引起折射率的变化。假设光 纤光栅仅受轴向应力的作用，温度场和均匀压力场保持恒定，则轴向应变引起光 栅栅距的改变为0 1 j ： a = a - f ( 2 7 ) 有效折射率的变化可以由弹光系数矩阵p 。和应变张量矩阵e ，表示为竭： 兰三兰垄堑呈塑g 堂塑堡堕矍塑三堡璺堡塑坚塑垫查 ( 1 ，n 够) ：= 毒，啊 式中i = 1 , 2 3 分别代表x ，y ，z 方向。 由于剪切应变为零，故毛= 岛- - - - 6 6 = o ，应变