（光学工程专业论文）基于神经网络的光纤光栅传感补偿技术研究.pdf

， 【 i i c l a s s i f l e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho n o ff b gp a r t i f i c o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y r e s s u r ese n s o rba s e do n c i a ln e u r a ln e t w o c a n d i d a t e ：z h a n gs h u a i s u p e r v is o r ：x uw e is e n i o re n g i n e e r a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：o p t i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：绍彬 日期：少如年今月，6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：形，中 日期： 2 0 1 p 年乡月，参日 导师( 签字) ：夕岔牛 扣，口年歹月，6 日 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 光纤光栅是近年来发展极为迅速的光纤无源器件，已经成为传感技术的 主流方向之一，其中对温度和应力传感是最为主要和直接的应用。由于光栅 对于温度和应力都是敏感的，当它用于传感测量时，很难分辨出温度和应力 所分别引起的被测量的变化，目前已经提出的解决方案中大部分需要多个解 调光源，不仅增加了成本，而且给光纤光栅传感器的实际应用带来不便，因 此有效解决光纤光栅的交叉敏感性问题显得尤为必要，人工神经网络能够通 过自我学习提供一种正确的“算法”，对光纤光栅传感器的输出数据进行二次 处理和补偿，实现光纤光栅传感器对温度和应力的区分测量。 本文以光纤光栅为研究对象，对光纤光栅的结构和传感原理进行了深入 分析，提出了解决光栅交叉敏感性问题的具体方法。使用b p 和径向基网络 算法对光纤光栅传感器的压力实验数据进行处理，主要内容包括b p 和径向 基网络原理介绍、函数选取、网络搭建、仿真实验。 本文主要介绍了光纤光栅温度和应力传感原理，从理论出发叙述了应变 和温度影响所产生的交叉敏感性问题，针对现有解决方案的不足，提出了采 用神经网络算法对该问题的解决。 本文采用两种神经网络算法，分别是b p 和径向基算法，其中b p 神经网 络采用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法应用于光纤光栅传感器，实现了压力补偿， 仿真结果证明在b p 网络得到最优解的条件下，可有效的实现应力补偿的功 能，由于b p 算法可以使网络权值收敛到一个最终解，但它并不能保证所求 为误差平面的全局最优解，当不能得到全局最优解时造成的后果就是补偿精 度的下降，因此径向基网络采用了广义径向基结构针对温度进行补偿，仿真 结果证明径向基神经网络可以有效的对光纤光栅传感器实验数据进行温度补 偿的功能。 关键词：光纤光栅；b p 神经网络；径向基神经网络；光纤光栅实验 哈尔滨工程大学硕士学位论文 置i i i 每宣i i i i i i i i i i ；i i i i i 昌宣；j i i i 宣篁i 宣 a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g sa d v a n c i n gr a p i d l yi nf i b e ro p t i cp a s s i v ed e v i c ei n r e c e n ty e a r s ，i th a sb e c o m em a i nd i r e c t i o no fs e n s i n gt e c h n o l o g y t e m p e r a t u r e f i e l da n ds t r e s ss e n s o ri sm a i na p p l i c a t i o nf i e l d s b e c a u s eo ft h ef b gi sv e r y s e n s i t i v ef o rt e m p e r a t u r ea n ds t r e s s w h e ni tu s ef o rs u r v e y ，i ti ss od i f f i c u l t yt o d i s t i n g u i s hb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n ds t r e s s si n f l u e n c ef b g sr e f l e c t i o nw a v e l e n g t h n o wt h ec u r r e n t l ys o l u t i o nh a v et ou s em a n yo fd e m o d u l a t el i g h t n o to n l yt o i n c r e a s et h ec o s t so fd e m o d u l a t e ，b u ta l s ob r i n gs op l a g u e st of b g sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s o i tn e c e s s a r yt or e s o l v ec r o s ss e n s i t i v i t yi nf b gs e e mt ov e r y i m p o r t a n t a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc a np r o v i d ea r i t h m e t i c i ns e l f - l e a r n i n g s e c o n dt op r o c e s sa n dc o m p e n s a t et h e o u t p u td a t ao ff b g ，t oa c h i e v ef b g d i f f e r e n t i a t es u r v e yt h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s s t h i st e x to b j e c to fs t u d yi sf b g ，a n a l y s ei nd e p t ht h ef b g ss t r u c t u r ea n d s e n s o r st h e o r y ，t op r o p o s et h es p e c i f i cw a y st or e s o l v ec r o s ss e n s i t i v i t yi nf b g u s eb pa n dr b fn e u r a ln e t w o r ka r i t h m e t i ct oh a n d l et h ep r e s s u r ee x p e r i m e n t a l d a t ao ff b g t h ep r i m a r yc o v e r a g et oi n v o l v eb pa n dr b fn e t w o r kp r i n c i p l e ， f u n c t i o n , n e t w o r ks e tu pa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t h i st e x tm a i ni n t r o d u c t i o nf b gt e m p e r a t u r ea n ds t r e s ss e n s i t i v et h e o r y ，t o r e l a t et h ei n f l u e n c eo fs t r e s sa n dt e m p e r a t u r ef o rc r o s ss e n s i t i v i t yi nf b g ，t oa i m a ti n s u f f i c i e n to fc u r r e n t l ys o l u t i o n t op r o p o s ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt or e s o l v e t h i sp r o b l e m t h i st e x tt ou s et w on e u r a ln e t w o r ka r i t h m e t i c ，b o t hb pa n dr b f b pu s e l e v e n b e r g - m a r q u a r d t a r i t h m e t i c a p p l i c a t i o nf b g s e n s o r t oa c h i e v ep r e s s u r e c o m p e n s a t e s i m u l a t i or e s u l tp r o v ew h e nb pg e t t h eo p t i m u mr e l a t i o n ，i t c a l le f f e c t i v ep r e s s u r ec o m p e n s a t e sf u n c t i o n d u et ob pa r i t h m e t i cc a l lg e ta c o n s t r i n g e n c yu l t i m a t es o l u t i o n , b u ti tc a n tg u a r a n t e eo v e r a l le r r o rs u r f a c e w h e n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i tc a l l tg e to v e r a l lo p t i m u mr e l a t i o nt h ec o n s e q u e n c e si st od e c l i n eo fc o m p e n s a t e p r e c i s i o n s oi 氇ft oa d o p tb r o a ds e n s er b fa r c h i t e c t u r et od i r e c ta tt e m p e r a t u r e t oe a r l yo u tc o m p e n s a t e ，s i m u l a t i o nr e s u l tp r o v er b fn e t w o r km a yi ne f f e c tf o r f b gs e n s o re x p e r i m e n t a ld a t at oe x e c u t e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e sf u n c t i o n k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g s ；b pn e u r a ln e t w o r k ；r b fn e u r a ln e t w o r k ； f i b e rb r a g gg r a t i n g se x p e r i m e n t s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 光纤光栅概述2 1 - 3 光纤光栅传感器的应用3 l - 3 1 光纤光栅传感器国外研究状况3 1 3 2 光纤光栅传感器国内研究状况5 1 4 光纤光栅传感信号解调技术的研究概述。5 1 5 光纤光栅智能结构的神经网络处理概况6 1 5 1 神经网络在光纤光栅传感系统中的应用7 1 5 2 神经网络在光纤光栅传感系统中的优势8 1 6 本文的工作8 第2 章光纤光栅传感器的理论基础1 0 2 1 光纤光栅的结构1 0 2 2 光纤光栅的传感原理1 2 2 2 1 光纤光栅的温度传感原理1 2 2 2 2 光纤光栅的应变传感原理1 2 2 3 应变、温度交叉敏感问题解决方法1 4 2 4 本章小结1 5 第3 章神经网络模型与学习规则1 6 3 1 神经网络概述1 6 3 1 1 神经网络模型1 7 3 1 2 典型前馈型网络模型1 9 3 2b p 网络模型2 0 3 2 1b p 网络基本结构2 0 3 2 2b p 网络学习规则2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 径向基网络模型2 2 3 3 1 径向基网络基本结构2 2 3 3 2 径向基网络学习规则2 5 3 4 本章小结2 5 第4 章基于光纤光栅实验数据的神经网络优化2 7 4 1 基于光纤光栅实验数据的b p 网络优化。2 7 4 1 1b p 网络创建函数的选取2 7 4 1 2b p 网络学习函数的选取2 7 4 1 3b p 网络传递函数的选取及仿真实验2 9 4 1 4b p 网络训练函数的选取及仿真实验3 0 4 2 基于光纤光栅实验数据的径向基网络优化3 3 4 2 1 径向基网络创建函数的选取及仿真实验3 3 4 2 2 函数扩展速度s p r e a d 的选取及仿真实验3 6 4 3 本章小结3 8 第5 章神经网络在光纤光栅补偿技术中的应用3 9 5 1 光纤光栅实验3 9 5 2 基于b p 网络的光纤光栅压力补偿4 0 5 2 1b p 网络训练设计4 0 5 2 2 仿真实验与结果分析4 l 5 3 基于径向基网络的光纤光栅温度补偿4 3 5 3 1b p 网络实现温度补偿的不足4 4 5 3 2 径向基网络针对b p 网络的改进4 7 5 3 3 仿真实验与结果分析4 8 5 4 本章小结4 9 结论5 0 参考文献5 2 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果5 6 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 致j 射5 7 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 光纤传感是- i - j 正在迅猛发展的新兴技术，是2 0 世纪的重大发明之一。 极大的推动了人类社会的发展和进步，光纤传感的优势在于抗电磁干扰、电 绝缘本质安全、耐腐蚀、测量精度高、结构简单体积小、外形可变、测量对 象广泛、传输频带较宽、便于复用，便于成网、能应用于工程结构等特点， 在传感领域备受关注，并得到了广泛应用，它以成为传感技术发展的主流方 向之一f l 】。 光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经过光纤送入调制区，在调制 区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强 度、频率、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光 纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。如果按照功能来分，光纤传感器 基本上可以分为传感型( 或称功能型) 和传光型( 或称非功能型) 两大类。 传感型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤或光纤结 构作为传感元件，将“传”和“感”结合到一体的传感器。在这类传感器中，光 纤不仅作为光的传输介质，而且还利用光纤( 特殊光纤) 在外界因素的作用 下，其光学特征( 如光强、相位、偏振态等) 变化来实现“感觉”功能，是真 正的全光纤连续传感器，得到了广泛的应用【2 】。传光型光纤传感器，光纤仅 作为传播光的介质，而对外界信息的“感觉”功能由其它传感元件来完成。从 第十五届光纤传感会议的统计可以看出，温度和应变的测量仍是光纤传感研 究的主要部分，分别占1 7 2 和2 3 ，其次是光纤陀螺和电力设备传感等。 在测量技术方面，光纤光栅技术占4 4 2 是主要研究方向，其次是散射测量 技术和相干技术，分别占光纤传感测量技术的1 0 和1 1 1 。从中可以看出， 光纤传感技术尤其是光纤光栅传感技术，无论从理论角度还是应用角度都有 很大的研究空间。特别在应用研究方面，主要集中在光纤光栅传感器信号的 解调技术，光纤光栅交叉敏感技术以及光纤光栅分布式组网传感应用等方面。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i 宣i 葺萱宣i ；置昌暑宣i 置；i ；昌萱宣i i 暑宣i 毫im l i ；暑毒暑宣i 鼍i 罩i 置i 宣葺；i 薯 1 2 光纤光栅概述 光纤光栅是近年来发展极为迅速的光纤无源器件，已经成为传感技术的 主流方向之一，光纤光栅继承了光纤在通信和传感领域的诸多优点，给相关 领域带来了迅猛的发展，基于光纤光栅传感特性的固有优势，能够设计和制 作出大量基于光纤光栅的新型光有源无源器件和智能传感器p 】。 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人在实验室利用4 8 8 n l n 氢离 子激光器在掺锗光纤产生驻波干涉条纹，导致光纤的折射率沿轴向产生周期 性变化，这就是世界上第一只永久性的，可实现反向模式间耦合的光纤光栅 即光纤布拉格光栅，开创了光纤光栅研究与应用的先河。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 等人实现了光纤布拉格光栅的u v 激光侧 面写入技术，克服了驻波干涉法的缺点，用两束相干紫外光形成的干涉条纹 侧面曝光载氢光纤制作，成功制出了第一只外写入的光纤布拉格光栅，大大 提高了光栅写入效率。紫外侧写入技术问世后，世界各国对光纤光栅及其应 用的研究迅速开展起来，光纤光栅的制作以及光纤敏化技术不断得到发展。 1 9 9 3 年，h i l l l 与l e l n a i r e 分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。 这两项技术相结合极大的降低了光纤光栅的制作成本与制作工艺，使得光纤 光栅的批量化生产成为可能，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究 的热潮。1 9 9 7 年后，光栅进入大规模发展阶段，光栅在制作长度、封装、啁 啾度等方面都有了飞速发展【4 】。 随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，各种基于光纤光栅的有源、无源器 件也不断涌现。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。当前，光纤光栅研究的主 要内容有三个： ( 1 ) 光栅的写入技术，尤其是非周期光栅的写入技术，主要集中在新型写 入技术、新的写入波长、一些掺杂光纤的光敏性及它的应用和测试手段等方 面的研究。 ( 2 ) 多参量、多用途传感器的开发，新型传感材料和传感技术的开发。 2 ， 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 光纤光栅传感器的实际应用研究，主要集中在光通信和光纤传感器的 领域，包括传感网络技术、封装技术、温度补偿技术等【5 】。 1 3 光纤光栅传感器的应用 作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感 技术的研究应用近年来受到普遍关注，应力、应变、温度等外界环境的变化 将引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅 的谐振波长发生变化，因此光纤布拉格光栅是性能优良的敏感元件，测量光 栅谐振波长的变化就能获得周围环境参量的变化【6 】。与传统的电子或者机械 传感器相比，光纤布拉格光栅传感器具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁 干扰、可靠性高、成本低、体积小、可埋入智能结构等一系列优点，特别适 用于强磁场和辐射性、腐蚀性或危险性大的环境r 7 】。 1 3 1 光纤光栅传感器国外研究状况 在国外，光纤光栅传感器在民用工程结构、航空航天业、电力工业、石 油化工业、医学、核工业等方面得到了比较广泛的应用。 民用工程领域中应用光纤光栅传感器最多的是为桥梁的安全监测。基础 结构的状态，力学参数的测量对于桥梁、隧道、大坝、高层建筑和运动场馆 的维护是至关重要的。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，又可以 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变化。另 外，多个光纤光栅传感器构成一个传感器网络对结构进行分布式检测。传感 信号传送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中光纤光栅传感器成为结 构监测技术中最理想的方法之一。1 9 9 3 年，加拿大卡尔加里附近的 b e d d i n g t o n t r a l l 大桥使用1 6 个光纤光栅传感器贴在复合材料筋上，对桥梁结 构进行长期监测，是使用光纤光栅传感器进行测量的最早的桥梁之一。1 9 9 9 年夏，在美国新墨西哥l a s c r u e e s l o 号州际高速公路的一座桥梁上，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。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测温度、 压力、振动、起落架状态、燃料液位、机翼和方向舵的位置等，使用的传感 器超过1 0 0 个。因此传感器的重量和尺寸显得尤为重要。光纤光栅传感器从 重量轻和尺寸小的优点来看，几乎其它传感器无法与之相比。美国国家航空和 宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机x 3 3 上安装 了测量温度和应变的光纤光栅传感网络，对航天飞机的健康状态进行实时的 监测【8 】。 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，一般电类传感器无法使用。很 多情况下需要测量的地方处在高压中，如高压开关的在线监测、测量时需要 传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件，光纤光栅传感器 是进行高压条件下测量的首选器件。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应 用前景很好。第十一届光纤传感会议上，h a m m o n 等人演示了用光纤光栅传 感器测量高压变压器的绕组温度，实验显示长期监测的精度已达3 1 r j + 3 0 c 。德 国西门子公司将光纤光栅传感器应用在气冷涡轮发电机定子温度的测量。他 们用环氧树脂将光纤光栅埋入定子中，测量范围从2 0o c 到1 6 0o c ，测量精度 小于1o c 。在日本，o g a w a t s 】等人在3 0 k i n 长的电缆上放置了l o 个光纤光栅， 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 金属板传到光纤光栅进行测量【8 1 。 石化工业中属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油气、 油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非 常适合在石油化工领域里应用。永久连续的井下传感有利于油田的管理、优 化和发展。目前只有少数的油井使用了永久连续井下油田监控系统，而且主 要是电类传感器，高温操作和长期稳定性的要求限制了电类传感器的使用。 挪威的o p t o p l a n 开发了用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。美 国的c i d r a 公司和英国的s m a r tf i b e r 公司都在将光纤光栅传感技术用于海 洋石油平台的结构监测。 医学检查中小尺寸传感器是非常有意义的。光纤光栅传感器是当今最小 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的传感器，光纤光栅传感器能够以最小的伤害方式对人体组织功能进行内部 测量，提供有关压力、温度和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人 体组织的损害非常小，避免了对正常医疗过程的干扰。一种光纤光栅阵列温 度传感器用来测量超声波、温度和压力场，内部实地研究病变组织的超声和 热性质，传感器的分辨率为0 1o c ，精度为士0 2o c ，测量范围为3 0o c 6 0o cc s 。 1 3 2 光纤光栅传感器国内研究状况 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，与发达国家相比， 在商品化和产业化方面还有相当的差距，尤其是工程应用方面还处在初级阶 段。哈尔滨工业大学研制出针对结构表面监测的光纤光栅应变传感器和两种 光纤光栅温度传感器，于2 0 0 3 年4 月将光纤光栅应用于松花江斜拉桥，监测 桥梁和索塔的温度场及其变化、把握桥梁的实际应力状态并评价桥梁的运行 安全状况【9 】。2 0 0 3 年6 月，同济大学与上海紫珊光电技术有限公司合作，将 自主研发的光纤光栅传感器应用于大桥的动态应变测量，获得了准确可靠的 数据。北京品傲光电科技有限公司的钢结构表面式光纤光栅应变传感器主要 用于测量各种钢结构的表面应变。该传感器可以通过焊接或胶粘的方式安装 于钢结构的表面。国内销售光纤光栅传感器的公司主要有上海波汇通信科技 有限公司、北京品傲光电科技有限公司、上海紫珊光电技术有限公司、北京 路科锐威科技有限公司等。 1 4 光纤光栅传感信号解调技术的研究概述 传感解调系统的实质是一个信息转换和传递的检测系统，它能准确，迅 速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待 测信息( 动态的或静态的) 不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其 整个变化过程【1 0 】。 从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、 相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等【l l 】。这些方案各有所长，适用 于不同传感系统的需求，其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器的损耗以及光源输出 功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛的应用f 1 2 】。 在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器( 或直接) 进入传 感光栅，传感光栅在外场( 如应变场，温度场) 的作用( 静态，准确态和时 变) 下，对光波进行调制，接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射 ( 或投射) ，由连接器( 或直接) 进入接收通道而被探测器接收解调并输出， 由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱 分析及相关变化，即可获得外场信息的细致变化，相比而言，基于反射式的 传感解调系统比较容易实现。 为了能够精确的检测光纤光栅波长漂移，在漂移量与待测量之间建立联 系过程就是定标【1 3 】。定标结果由漂移量大小确定待测量值的技术就是解调， 实验室中最简单的解调方法是使用光谱仪，其优点在于解调精度高，分辨率 可以达到1 p r o 以下。但是光谱仪成本高，体积较大，而且不属于专用光栅解 调仪器( 还需要信号采集分析软件) ，不适合在实际工程中应用。因此在实际 应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性，研发高灵敏度，光能利用率高， 稳定性好，性价比高的新型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，目前， 光纤光栅的解调主要基于以下两种技术：滤波法和干涉、法【u j 。 滤波法和干涉法两类光纤光栅信号解调技术，各有优点和不足。滤波法 结构简单，结合波分复用技术适合多个光纤光栅传感器的串联解调，但是精 度相对较低，传感分辨率在嶂量级，很难进一步提高【1 4 】。干涉法解调的分辨 率可以达到n 6 量级，但是结构相对复杂，而且是单点测量，因此仅限于实验 研究，以上两种信号解调技术不太适合在实际工程中的应用。 1 5 光纤光栅智能结构的神经网络处理概况 光纤光栅传感信号的解调技术使其在针对传感器的分布范围很大，传感 信号之间没有明确的数学关系，计算工作量很大的条件下，进行处理容错性 以及计算精度都不高，不能满足实时监测及控制的需要【l 珂。在不能分析与确 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定系统的传递函数条件下，人工神经网络能够通过自我学习提供一种正确的 “算法，【i 孓- 7 1 。人工神经网络的输出既可以是已经计算好的被感知量，如应力、 应变及温度等，也可以是执行器的控制信号，因此，应用神经网络算法对光 纤光栅智能结构中的传感信号和输出数据进行处理是一种理想的方法0 1 m 9 1 。 1 5 1 神经网络在光纤光栅传感系统中的应用 民用工程中如对温度、应力和其它环境指标的测量是神经网络应用于光 纤光栅传感的研究方向之一l 蚴。随着光纤光栅传感技术的发展与应用，必须 存在一种处理方法对光纤光栅的传感信号进行处理，并产生反馈控制信号。 神经网络算法应用于光纤光栅传感器领域因此应运而生，成为研究的热点。 由于光纤传感技术以及神经网络技术都是近二十年来才发展和应用起来 的新兴技术，而将两者结合起来进行研究是以光纤传感技术的工程实用化为 基础的，因此相关的研究报道，在国外也是近十年才开始提出的。1 9 9 3 年佛 罗里达理工大学的h o w a r dh o u 和g r o s s m a n 针对多模光纤应变传感中，在很 大应变值范围内光斑模式不重复的问题 2 3 1 ，开发了一种利用几个模式的传感 方法，即在标准的单模通信梯度光纤中传播四个模式，并使其在输出端发生 干涉，用多元分段的光电探测器对干涉模式的强度分布进行取样并转换为 电信号。这些电信号输入到人工神经网络，而神经网络已用一套应变强度值 与相应干涉强度分布数据进行过训练，当感知一个未知的强度分布时，神经 网络就能利用其并行性实时地计算出相应的应变值。2 0 0 7 年7 月西安交通大 学大学电气学院的邵军博士，应用b p 神经网络技术抑制温度对光纤光栅压 力传感器的干扰，从而提高了压力传感器的选择性。以聚合物封装的光纤光栅 传感器为例，当温度从1 9 变化到7 5 。c 时，光纤光栅布拉格波长偏移量是 1 1 3 1 5n n l ，由此导致传感器输出的引用误差经神经网络融合处理后，其值降 为2 ，实现了对压力较为准确的识别。实验结果表明，该方法具有实际应 用前景。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i - m ln lm li ；叠宣盲置暑i 宣昌i i i 暑宣；宣i ；皇 1 5 2 神经网络在光纤光栅传感系统中的优势 光纤光栅传感信号处理中引入神经网络具有如下优势： ( 1 ) 神经网络的模式分类能力，使得对光纤传感信号处理能力大为提高。 避开采用高速性能的图像处理系统的需要，使得二维信号的处理变得更加简 单。 ( 2 ) 由于神经网络的自适应及自组织性，拓宽了光纤传感的应用范围。 使得由于无法建立较准确的模型，以至对光纤传感信号无法处理的情况有了 一条崭新的途径。可以用在线或离线训练神经网络的方式，使神经网络自适 应自组织的针对以前无法处理的，但原理又十分清楚地光纤光栅传感输出信 号分类和处理。 ( 3 ) 由于神经网络的并行性，使得光纤光栅传感阵列信号的处理变得较 为现实。在一定精度范围内，可极大地提高处理速度，避开信号处理只对并 行的、高速计算机的需要。 ( 4 ) 虽然光纤光栅传感智能结构系统的研究目前还处于发展阶段，但是 该技术的潜在应用是无限的。神经网络技术的引入，将极大地支持光纤光栅 智能结构及其系统的发展，使其尽快向系统化，实用化方向迈进。 1 6 本文的工作 光纤光栅对于应力和温度都是敏感的，当光纤光栅用于传感测量时，很 难分辨出应力和温度所分别引起的被测量的变化，因此在实际应用中必须采 取措施进行补偿或区分测量，本文以聚合物封装的光纤光栅传感器为研究对 象，围绕光纤光栅的基本特性和传感机理，对光纤光栅实验数据进行拟合处 理从而实现传感数据补偿的功能，主要内容如下： ( 1 ) 介绍了光纤光栅的发展状况和趋势，着重对光纤光栅传感技术的应 用进行概述，分析了光纤光栅传感解调技术的方法和不足，提出了神经网络 算法对光纤光栅的传感信号和输出数据进行处理的有效性和可行性。 ( 2 ) 从光纤光栅的基本结构和传输理论出发，对光纤光栅的应变和温度 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传感模型进行理论分析，对光纤光栅交叉敏感问题进行了分析，提出b p 和 径向基神经网络算法结合使用可以有效的消除非目标参量的影响。 ( 3 ) 对神经网络算法进行了简要的概述，着重介绍了b p 和径向基神经网 络算法的网络设计、参数设定和实现过程。 ( 4 ) 以光纤光栅压力试验为例，通过b p 神经网络和径向基神经网络结合 使用分别实现了对光纤光栅传感器的压力补偿和温度补偿，实验仿真结果证 明利用径向基神经网络对光纤光栅进行温度补偿，使得光纤光栅测量温度的 误差从1 9 1 5 降低到6 1 3 ，利用b p 神经网络得到最优解的条件下，进行 压力补偿后的测量温度的最大误差为1 7 0 ，基于以上两点可以证明神经网 络算法可以解决光纤光栅的交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感器的理论基础 光纤光栅格栅间光程是温度和应变的函数，本章从理论上分析温度、应 变等传感信号对光纤光栅反射谱的影响。 2 1 光纤光栅的结构 光纤光栅由均匀周期光纤布拉格光栅构成的，在光纤纤芯中写入周期性 的条纹。当宽带光源入射到光纤光栅时，只有满足布拉格条件的波长被反射， 其它波长被透射，一个2 c m 的f b g 是由大约2 万个条纹构成的，所以它的q 值极高，也就是说反射带宽极窄，这样窄的波长特性用于传感就具有了非常 大的优势。均匀周期光纤布拉格光栅结构如图2 1 所示1 2 5 1 ： 厶删 如 乃谢一以 图2 1 均匀周期光纤布喇格光栅结构 光纤光栅在光纤中属于一种无源器件，利用光纤的光敏性制作而成，所 谓光纤的光敏性指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布 发生变化，在纤芯内形成空间相位光栅，光栅会对入射的宽带光进行选择性 反射，产生一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带反射光( 带宽通 常约为0 1 枷5 r i m ) ，此中心波长称之为光纤的中心波长【：6 】。就是在纤芯内形 成一个窄带( 透射或反射) 滤波器或反射镜，因此只对特定的光具有反射和透 射作用。光纤光栅的基本传感原理如图2 2 所示： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 周期v纤芯 盒嚣龚善：】i礓i】ijiiii iiii 射光 输入频谱透射谱 入 九b 入 量引起 差异 图2 2 光纤光栅的基本传感原理 由图2 2 可知，光纤光栅传感的基本原理是：当宽带光源照射光纤光栅 时，满足光纤布拉格条件的光被光栅反射回来，其它波长的光被透射过去， 通过测量反射光波长的位移量，就能够得到被测物理量的变化，利用光栅这 一特性能够制造出许多性能独特的光纤光栅传感器器件【2 刀。应变和温度是光 纤光栅能够直接传感测量的最基本的物理量，构成了其它多种物理量传感的 基础。根据这个特性，人们已研制出基于布拉格、啁啾、长周期、超结构等 多种结构的光纤光栅传感器，通过检测光纤光栅波长的漂移量或带宽变化量， 就能够检测出待测物理场的状态 2 8 - 2 9 。 由耦合模理论可知，光纤光栅的中心波长为【，o 】： 如= 2 人 ( 2 - 1 ) 式中，光纤光栅的反射波长是由有效折射率，和光栅周期a 组成【3 l 】，两个参 量变化的任何因素都将引起光纤光栅的反射波长的移动，反射波长的变化量 酏通过b r a g g 条件获得： 以= 2 人+ 2 a ( 2 - 2 ) 式中，光纤光栅受到温度变化和轴向应力的影响时，有效折射率，2 和光栅周 期人都会产生相应的变化，因此引起光纤光栅反射波长的改变，通过检测反 射波长的变化就会得到温度和应变的大小信息，其中温度是通过热光效应和 热膨胀效应影响和人，应力通过弹光效应和光栅周期的伸缩影响，谤和人， 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 这就是光纤光栅测量温度和应变的基本原理。 2 2 光纤光栅的传感原理 光纤布拉格光栅可用于光纤通信系统中的关键无源器件，比如波分复用 器，光纤激光器，光放大器和色散补偿器件，光纤布拉格光栅在传感领域中 也具有十分广泛的应用，特别是用于一些重要的物理参数( 温度，应变，压 力，超声波，加速度，强磁场等) 。 2 2 1 光纤光栅的温度传感原理 光纤光栅当只受到温度变化a t 的影响时，热膨胀效应引起的光栅周期 的a 八的变化为 3 2 1 ； a a = a 人a t ( 2 3 ) 式中，a 为光纤热膨胀系数。 由热光效应引起的有效折射率的变化为m 】： = 孝恸丁 ( 2 - 4 ) 式中，孝为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化，将( 2 3 ) 和( 2 4 ) 代入 ( 2 1 ) 可得： 如= 厶( 口+ f ) 丁= 砗丁 ( 2 - 5 ) 式中，群为光纤光栅的温度灵敏度，它与热膨胀系数a 和热光系数孝有关。 对于掺锗石英光纤，a = 0 5 x 1 0 - 6 ，室温下孝= 7 0 x 1 0 _ 6 ，光纤光栅的温 度灵敏度系数k t = 7 5 x 1 0 。6 o c ，由式( 2 - 5 ) 可知如和r 有着良好的线性关 系，由于光纤光栅中掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤的a 和亭有较大 差别，因此温度灵敏度系数差别会很大。尤其光纤光栅经过封装后，封装材 料会极大地改变光纤光栅的温度传感特性，因此经过封装后的光纤光栅须经 过标定才能用于实际温度测量。 2 2 2 光纤光栅的应变传感原理 光纤光栅受n 多 i - 界应变作用时，光纤光栅自身的光栅周期发生变化，同 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时光弹效应会导致光栅有效折射率变化【捭，6 】。假设光纤光栅仅受轴向应变作 用，温度保持不变，将式( 2 - 2 ) 两边微分，可得轴向应变引起的光栅布拉格波 长变化为： d 如= 2 a d n + 2 n 够d a ( 2 - 6 ) 等= 鲁+ 警 p 7 ， 如 a 线弹性范围内有： _ d a - ：( 2 - 8 ) o e = 人 式中，s 为轴向应变。 当只考虑轴向变形的弹光效应，光纤在轴向弹性变形下的折射率变化如 下： 堕：一霉 p l ：叫a 。+ p ( 2 - 9 ) 劭 2 “f 1 川。 式中，a 。、a ：为弹光常数，即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化， y 为泊松比。 令：见：! 荽 奶：一y ( p n + p 1 2 ) 】，由式( 2 6 ) 、( 2 - 7 ) 、( 2 9 ) 可得 孕：( 1 一见) 占 ( 2 1 0 ) 式中，可知光纤光栅轴向应变下的波长变化为光纤光栅的制作材料确定以后， 光纤光栅应变传感特性系数基本上是一个与材料系数相关的常数，光纤光栅 的中心波长与应变呈现很好的线性关系。 令疋为光纤轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数，由此可得： k 疋2 2 1 一( 2 - 1 1 ) 式中，即为轴向应变和光纤光栅中心波长的数学推导过程，它可以方便的将 哈尔滨工程大学硕士学位论文 波长的变化量推导为应变的变化量。对于普通单模掺锗石英光纤， = 1 4 5 6 ，p l l = 0 1 2 1 ，p 1 2 = 0 2 7 0 ，y = 0 1 7