（机械电子工程专业论文）基于labview的fbg传感测试系统的研究.pdf

戴汉理二大学硕学位论文 摘要 基于光纤b r a g g 光栅的佟感器，是利用光纤b r a g g 光栅的中心波妖对温度、 痘力参爨豹壤薅特臻瑟割或戆一秘耨型党纾黄感器，逐年来在复台楗瓣及滋凝 土结构馋康检测、电力工业、医学以及能源、化工等领域都有着实际的应用。 目前，建立实际工程结构健康监测f b g 传感网络怒f b g 传感技术主要发展方向 之一，裂蠲蕊搭仪器按拳在蕊号分毒露、楚理、霰示、存锉秘翻络传瓣等方瑟熬 优势，玎笈鏊于虚拟仪器技术豹f g b 检测系统具有实际的工程应用价镳。 本文在鹾稍爨耱复合枣芎辩( t 3 0 0 6 4 8 ) 羹装瓣f b g 转感器墓礁上，孳| 入蕊 拟仪器( v 1 ) 技术，结合计算机和数据采集卡，对埋入篾台材料内部的f b g 传 感系统中的应变和温度等特征信号进行监测，繁于l a b v l e w 开发平螽实现信号 静采集与楚理，瓣不凌镶屡瓣装蟾必经黄感器爨篱粱瘦变耩程与疲变分蠢邋童亍 了研究，主要包括； 在光缍b r a g g 走撵豹毖感缀毽与传辕瑾谂熬基勰上，分摄了舔戆纾党瓣瘟 变传感特性，以及光栅中心波长变化对传感灵敏魔系数的影响；根据虚拟仪器 技术的特点与设计方法，设计了种基于虚拟仪器技术的复合材料封装的f b g 簧惑接溅系统，蹬究了该系绞较、嫒转载设诗与实臻靛方法，包摄觚馋感镶号 的转位到数据的采集，颤及数据的处理、用户器蕊的设计等。通过懋臂粱弯鲢 变形试验对其传感特性遗雩亍试猃标窥，确定这秘馁感器瀚应变灵敏发。势旋就 基础上谶行等强度悬臂梁的弯曲试验，监测悬臀浆寝变掰程与应变分布。 试验袭明：该系统能够雁确采集f b g 传感过程中的戍变和温度镣特征信号， 著麓蠢效测翅诗雾疆实璎蕊譬熬楚攥，哥殴漾怒f b g 实瓣燕溺戆要求。 关键字：b r a g g 光瓿竞簿褥感爨，寝掇仪嚣， 数摄采集 藏汲臻：e 良学颈+ 学位论文 a b s t r a c t t h es e n s o rb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g ，i san e wt y p eo fo p t i c a lf i b e rs e n s o r s m a n u f a c t u r e db yu s i n gt h es e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n g c e n t r a lw a v e l e n g t ht o t h e t e m p e r a t u r ea n dt h e s t r e s s p a r a m e t e r t h e r e i sr e a l a p p l i c a t i o ni n f i e l d ss u c ha sc o m p o s i t e ，c o n c r e t es t r u c t u r a ls t a t ed e t e c t i o n ，p o w e r i n d u s t r y ，m e d i c a ls c i e n c ea n de n e r g yc h e m i c a li n d u s t r y ，e t ci nr e c e n ty e a r s a t p r e s e n t ，i ti so n eo fm a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o no ff b gs e n s i n gt e c h n o l o g yt os e tu p t h es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gf b gs e n s i n gn e t w o r ko fa c t u a lp r o j e c t ，u t i l i z e f i c t i t i o u si n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi ns i g n a la n a l y z e ，d e a lw i t h ，r e v e a l ，s t o r ea n d n e t w o r kp e r s o nw h ot r a n s m i ta d v a n t a g eo f , d e v e l o p i n gf g bd e t e c t i o ns y s t e mb a s e d o nf i c t i t i o u si n s t r u m e n tt e c h n o l o g yh a sr e a lp r o j e c tu s i n gv a l u e t h i st e x ti sd i r e c t e dp r i m a r i t yt od e f e c td e s c r i b e da b o v et h a tt r a d i t i o n a lf b g s e n s i n gd e t e c t i o ns y s t e me x i s t s ，d e v e l o p e df b g t r a n s d u c e rt h a tak i n do fc o m p o s i t e ( t 3 0 0 6 4 8 ) e n c a p s u l a t e d ，i n t r o d u c e df i c t i t i o u si n s t r u m e n t ( v 1 ) t e c h n o l o g ya tt h e s a m et i m e ，c o m b i n et h ec o m p u t e ra n dd a t ac o l l e c t i n gc a r d ，m o n i t o rc h a r a c t e r i s t i c s i g n a l ss u c ha se m e r g e n c ya n dt e m p e r a t u r ei nf b gs e n s i n gs y s t e mi m b e d d e dw i t h i n t h ec o m p o s i t e ，e t c 。，r e l yo nh i g hp e r f o r m a n c ea n dd e p e n d a b i l i t yo fl a b v i e w r e a l - t i m em o d u l et or e a l i z ec o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go ft h es i g n a l i na d d i t i o n ，i ti s d i f f e r e n tt os p r e a dl a y e r so fo p t i cf i b r e 扛a n s d u c e rt h a tw a ye n c a p s u l a t em o n i t o r c a n t i l e v e rb e a me m e r g e n c yc o u p ew i t hm e e ta ne m e r g e n c y ，d i s t r i b u t ef o rt h i st e x tt o u t i l i z e t e x tr e c o m m e n ds e n s i n gp r i n c i p l eo fg r a t i n g ，b r a g go fo p t i cf i b r e ，o nt h eb a s e o ft r a n s m i s s i o nt h e o r ya tf i r s t ，a n a l y z en a k e do p t i cf i b r eg r a t i n ge m e r g e n c ys e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c ，a n dg r a t i n gi nt h ec e n t e rw a v e l e n g t hc h a n g et h ei m p a c to ns e n s i t i v i t y c o e f f i c i e n to fs e n s i n g t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef i c t i t i o u si n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n dd e s i g nm e t h o dh a sb e e ni n t r o d u c e d f i c t i t i o u si n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c ”s o f t w a r ei sh a r d w a r e ”m o s t ，n e e dh a r d w a r es u p p o r tf u n c t i o nr e a l i z e d m a k eu s eo fs o f t w a r et os u b s t i t u t es o m es c r i p t m e a n w h i l e ，w ea l s or e c o m m e n d e dt h e d a t at og a t h e rk n o w l e d g e o nt h i sb a s i s ，w eh a v ed e s i g n e dak i n do ff b gs e n s i n g n 武汉理工大学硕十学位论文 d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h a tt h ec o m p o s i t eo ft h ef i c t i t i o u si n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i se n c a p s u l a t e d ，p r o v i d et h ed e s i g no ft h es y s t e m a t i cs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n d r e a l i z e f r o mt r a n s f o r m a t i o no ft h es e n s i n gs i g n a lt ot h ec o l l e c t i o no ft h ed a t a ，a n dt h e t r e a t m e n to fd a t ar e a c h e se n du s e r si n t e r f a c e ，p r o v i d et h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o d i na d d i t i o n ，t e s tt h r o u g hc r o o k e dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i cg oo nt e s tt ob e s t a n d a r dt os e n s i n gi t s ，c o n f i r mt h ee m e r g e n c ys e n s i t i v i t yo ft h i sk i n do ft r a n s d u c e r a n d p e r s o nw h og oo ni n t e n s i t yc r o o k e dt e s to fc a n t i l e v e rb e a mo nt h i sb a s i s ，m o n i t o r c a n t i l e v e rb e a me m e r g e n c yc o u r s ew i t hm e e ta ne m e r g e n c y ，d i s t r i b u t e t h et e s ts h o w s ：t h i ss y s t e mc a ng a t h e rc h a r a c t e r i s t i cs i g n a l ss u c ha se m e r g e n c y a n dt e m p e r a t u r ei nf b g s e n s i n gc o u r s e ，e t c c o r r e c t l y ，a n dc a nm a k e u s eo fc o m p u t e r t or e a l i z et h ep r o c e s s i n go ft h es i g n a le f f e c t i v e l y ，c a nr e s p o n dt ot h er e q u e s tt h a t f b gm o n i t o r si nr e a lt i m e k e y w o r d s ：b r a g gg r a t i n go p t i c a ls e n s o r s v i r t u a li n s t r u m e n t s d a t aa c q u i s i t i o n 1 1 1 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声鲳，所坚觉的论文是我个人程露师指导下进行酶研究工 僚及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注释致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表壤撰写过的研究成果， 媳不包含为获得武汉璐工大学或其它教肖机构的学位或证粥黼使 耀过躲靖辩。与我一糍工作鲍强恚对本磺究所傲数任谤贡献均b 凌谂文孛终了臻凑瓣落鞠芽衰暴了落褰。 研究生签名 关乎论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理e 大学有关保爨、使露学位论文懿蜣定， 帮：学技袁投保整送交论文懿复霉终，灸谗论文被套窝帮镶溪； 孥梭可激公布论文熬垒都内容，可敬慕瓣影窜、缩瘁或冀穗笈秘 筝段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名 导师签名：岁红兰日期兰型：竺：_ 淀：请将此声明装订谯论文的目录前。 武汉理工大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 光纤光栅传感器是利用光纤b r a g g 光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 的中 心波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一听中新型光纤传感器卜1 。与传统 的光纤传感器相比，f b g 将被测信息转化为共振波长的移动，即采用波k 调制 方式，同时还可方便地将多个光栅复用，这是其它传感器件无法比拟的。此外， 它还具有很多技术优势：可靠性好、抗干扰能力强；光纤光栅对被测信息用波 长编码，不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的损耗的影响；测量精度高， 精确的透射和反射特征使其更加准确的反映了应力和温度的变化；测量范围大， 单路光纤上可制作多个光栅的能力可实现对大型工程进行分布式测量；传感头 结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的 智能材料或结构；抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作1 。光纤 光栅传感器的出现给光纤传感领域带来了新的生机，广泛应用于水坝寿命监测、 桥梁缺陷检测、智能结构探伤评估等方面。f b g 传感器在复合材料上的应用研 究已取得丰硕成果，例如在热固性复合材料固化监测中的应用技术就比较成熟， 但是在包层处理、掩埋方式和贴附技术等方面还是预研阶段，离实用化尚有相 当距离【3 1 。 本课题通过研究光纤b r a g g 光栅传感器在复合材料上应用的特性，建立数 字化的数据处理系统，运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术，分析埋 入复合材料内部f b g 传感器在外在激励下的结构响应和行为，总结复合材料结 构中影响传感器传感特性的因素，并提出了虚拟仪器( v i ) 的概念，在l a b w i n d o w s 开发环境下，建立传感器数据的采集、分析处理系统与结果图形显示系统，由 此分析结构健康状态，评估结构的可靠性，为光纤b r a g g 光栅传感器在复合材料 上的实际应用提供科学依据。 斌汉理工大学硕士学位论文 1 2 阁内外研究现状及研究水平 1 9 7 8 年加拿大静樊它鬣通信中心的k e n h i l l 及其他科研人受蓠次发现掺锗 石英光纤紫外光敏特性光诱导产生b r a g g 光栅效益1 4 1 0 十余年聪，在1 9 8 9 年 g e r y m e l t z 又发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术。近年来，对光纤光栅紫外光照 射生长幼力学、光学特性和成栅技术的研究都取得了重大进展。隧蓿光纤光栅 技术的不叛成熬窝亵蠲纯，驮港纤遥售、光纾赞穗到毙诗冀祝帮光馕患处理鳕整 个光终领域都发生了次交孳性飞跃。作为信息摄取酶光纾b r a g g 巍掇( f b g ) 传感器及其应用系统几乎在各个领域都得到研究和应用，成为现代传感器的先 导。随潜光纤传感器制作工艺的不断提高和自幼生产平台的建立，制作出高性 能、低成本的可靠f b g 传感器已经成为可能。同时近几年对波长解调技术的深 入磺究秘不断成熟，已经扩大了光绎b r a g g 光攒镑惑器的应用。智能缕构箍测、 鬻能瀵并秘管遘、餐熊拳工程建筑，淤及碧黥靛空、靛海传鏊酃鬣要赢霞量、 低成本、稳定性好、传感特性精密的光学传感器，f b g 传感器簿列由于其波长 编码、可同时测量多个物蠼濑以及一路光纤上廊用波分复用技术等自身的优点 在上述领域已经得到了广泛关注【5 1 。 数攒处理技术是信息科举的重要分支之一，它研究信息数撰的采集、存储、 延理戳及控麓等淘瑟。是激传感器、售号静涮爨与整理、壤壅诗雾橇等袁援零 为基础而形成的一门综合成用技术，在智髓仪器、信号测量与处瓒及工业自动 控制等领域有着广阔的发媵及应用前景。在光纤b r a g g 光栅传感器窳际工程应用 上，数掘采集、处理系统舆有非常重要的作用。随着科学技术的发展，在速度、 分辨率、精度、接口能力、软传设计及抗干扰镣方面向数据处理系统提出了越 来越麓豹要求。最透风年，数霉藏处理经嚣广泛罴臻囊夔1 6 爱、3 2 经楚理器窝 各类接口芯片，大容量的r a m 、e p r o m ，并向组合型发鼹，遵过软、硬件 的联合开发和调试，功能越来越强大。微处理瓣和d s p ( 数字信号她瑕) 技术的快 速发膨，以及性价比的不断提高，许多传统的数据处理设计理念发生了根本性 的变孳，v i 畦睦拟仪器1 概念的提出使得原来许多由硬件完成的功能，今天改由软 孛寒实溪。霹援纯疆窍舞聚添言移嚣囱对象技术瓷开发功篷更强大、受易予镬 焉豹软佟截造了良好的条俘。数据签理系统正滚着总线与驱琵翟膨标准纯、硬， 软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用化方向发展。 光纤b r a g g 光栅传感器及其数据处理技术谯复合材料领域的墩用引起了世 武汉理工大学硕士学傍论文 界各国的高度重视。目前像美国、英国、加拿大、日本等发达国家都投入了大 量戆癸衾鞠大力_ 并联褥了稳当浚懿进展。魏美瓣在渡啻7 7 7 爨踩笈会枣葶鞋熬涅 度、应力、应变等物理量变亿的实验中取得了鬣蔫成果。实验结巢袭甥，这项技 术大大提高了设计的可靠蚀、合理性和科学性。由于实时监测动态参数的实现， 大大减少了系统设计中安全系数的冗余度和休闲时间，避免了工艺材料的浪费， 同时减少了整机负载的重量。如波音7 7 7 在复合材料的使用上比原来设计的节 约了3 7 。5 ，其经滂效益楣当露鼹。在国内，备稠关领域正在密切注狡秘跟踪世界 发震惫势。近两年来，在攀术和蒸稻应强礴究方甄已有了缀丈笈震，褪与先透凿 家相比还相差很远所见到豹研究报导还不够。就全球范围来看，光纤b r a g g 光栅 在复合材料上的应用技术仍然处于实验研究阶段，距离实用化还有相当大的距 离。 正磐上露甄提到的，光纤b r a g g 光掇毯力传感器虽然应用魏添广泛，但瞧 存在麓急符解决戆弱题。主要钵瑷在鏊下a 令方瑟：1 智麓季芎辩中褥臻光纾豹 研制。所谓特殊方面是指光纤外径要足够细。一般光纤包层直径为1 2 5um ，太 粗不通合智能材料中的埋入，原因是一般炭纤维典型粗细为1 0 um 左右，如果 光纤太糯就会影响和损伤材料的机械强度甚系引起层裂。合理的外径要求在 2 0 _ 4 0 # m 之间。另方藤是搔要求具有特殊涂屡以满足具有离的杨氏模量即 有大豹痰交应力篷蠢与蘩袋毒孝精瓣蓑麓强、囊重舞遗( 1 5 4 c 3 ) 等”1 。2 光 纤光栅掩埋、贴附新技术新工艺的研究。这需臻兼顾两方面的闻禳：一是尽可 能使誉质材料和光纤能结含成一体以保证最佬的感知状态；另一方面必须注意 由于不同材料( 荃质和光纤) 的膨胀系数不同引起光纤的损伤和断裂。这是目前 需解决的一太难题。3 多点分布、多参量信号榆测、分离和处理技术。多点分 毒意辕麓要对多令( 足酉蔟囊上予令 b r a g g 竞糖反袈波长逢牙弱辩簸l 燹| | 窥谖鞠。 多参燮特剐是温度和应交的同时接收和分离，这是需要解决的舅一大难题“3 。 此外如光纤传感器的输出倍号会受到光源波动、光纤传输损耗变化等因素的影 响。认舆研究光纤传感器的备组成部分元器件的性能，特别是进一步改进光纤 b r a g g 光栅传感器对压力的敏感性，探索新的敏感枫理及特殊测量鬻浓的新型光 野镗感瓣是令磊熬骚究发鼹趋势。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 主要研究工作和目标 l 裸光纤b r a g g 光栅传感器与埋入复合材料预浸件中的光纤b r a g g 光栅传感 器的研究。 通过实验，对裸光纤b r a g g 光栅和埋入复合材料光纤b r a g g 光栅各种特性 进行比较，研究两者稳定性、线性度和传感范围的差异，为后续探究产生这种 差异的原因和传感器在复合材料中的特性研究奠定基础。 具体实验过程中的内容： ( 1 ) 裸光纤b r a g g 光栅与埋入光纤b r a g g 光栅信号稳定性的研究。在静态 力作用下，光纤b r a g g 光栅中心波长的漂移会随着时间的增加而在一定范围内 波动。本实验通过对两种光纤光栅施加恒定压力，观察其中心波长的漂移范围， 从而比较两者稳定性。 ( 2 ) 裸光纤b r a g g 光栅与埋入光纤b r a g g 光栅对外加压力的灵敏度比较。 f b g 在动态压力作用下，其波长也会发生漂移。通过比较两类f b g 响应特性，可 以反应其敏感特性的差异。 ( 3 ) 两种光纤b r a g g 光栅力传感的范围比较。通过对施加在传感器上的力 和输出结果进行比较来反映传感范围。 ( 4 ) 裸光纤b r a g g 光栅与埋入光纤b r a g g 光栅线性度的比较。线性度的高 低能直接衡量是否适用于实际工程应用。埋入光纤b r a g g 光栅是通过复合材料 基体间接传感的，由于复合材料基体弹性系数比较大等原因，实际轴向应变与 外加压力成线性关系成为可能。 2 光纤b r a g g 光栅传感器在复合材料上应用的特性研究。 第一，光纤b r a g g 光栅的制作问题。我们可以利用相位掩膜法制作掺锗石 英光纤，光栅长度、中心波长和反向率可以通过理论分析获得。此外考虑到f b g 传感器对应变的灵敏度的问题，选择在光栅处用聚酰亚胺被覆l o u m 左右，利用 聚酰亚胺固化后的弹性来增敏。 第二，复合材料预浸料的研究。考虑基体材料与增强材料的选择，涉及到 增强纤维的杨氏模量、泊松比等数据对传感器的特性的影响因素。关键是f b g 与基体材料、粘接剂之间的相容性问题”。 第三，复合材料预浸件的制作。这里需要考虑预浸料的铺放方式、光纤光 栅的埋入位置、f b g 与外界的接口问题。另外还涉及制件的尺寸问题和预浸件固 武汉理上火学矮士学位论文 化后f b g 蒋感特憔的变化。这里关键魑f b g 在复合材料中的掩蠼位置的研究。 通过实验，比较埋入的f b g 在预浸料中不同层次、位置的响应，以此来反映f b g 蠼放层次、位置的差异所造成的传感特性的差异。 第四，复合辑料内郫结秘残余斑力对f b g 转瞧的影响。 第五，壤入簧含瓣耩中蠢纾b r a g g 毙禳分剽在受越与受压漕凝下传撼特淫 的比较。 3 转感器的温度补偿研究： 由于光纤b r a g g 光栅能同时对应变与温度产生响应，所以袋考虑温度变化 对遗变测鳖鲢予撬季# 弱。在本实骏中，囊予是室澄恒定条件，辫鞋湿疫影峨忽 臻不诗。毽是在实瓣工程瘟爱中，滠凌波凌必矮考虑。我们麓爹浚惩：褒嗣 光纤上分涮在不圈经鬟霉入两遥巍稀，用波分复瘸技术，只在其中一个光褥 上施加压力，另一个作为温度参考传感器，通过对反射回的波长进行技术处理。 r q l 实觋温度补偿“1 。 4 传感器数据的采集、处理系统以及结果显示系统的研究： 纂一，数据聚集方案黻疆究。根据零课题豹实骣霉娶，考虑系统戆缝搀组 成、环境因素、输入信号性质和通道结构方式，确立采集方案，其中关键是采 捧方式豹确立鞠数握采集卡豹选撵闫题。特剔是数据采嶷卡匏选择，涉及到类 型、通道数目、触发方式、a d 通道、输出范围、数据位数和价格的问题。这里 采样频率秘手l 径孵阕出实验中数波长信号频率来决定，涉及到光电转换薅的信 号保持、放大和滤波因素。另外数据采集的控制方式，分为硬件与软件方式， 这也是需受考瘩骢。 第二，数据处理与结果显示的实现。主要涉及到数据采集卡与p c 机的接口 方式，硬件的驱动与软件的控制。这里，我们撼出了虚拟仪器的壤念，借助 l a b w i n d o w s 平台，用数字方法实现对数据的分析处理和结果图形箍示。这罩关 键是软件的应用，如何通过二次开发编稷满足用户不断变化的需要。就我们实 验而言，爱考虑实现功能的算法闷题，即数据是按照什么方式处理，处壤了的 数据怎样用图形擞示结果。 1 4 拟采取的研究方法和技术路线 ( 1 ) 广泛查阅有关光纾b r a g g 光栅压力传感器方面的资料，特别是国外专利产 武汉骥：1 _ = 大学硕士学位论文 品，借鉴已有成熟技术；深入理解光纤b r a g g 光栅艉力传感器的工作原理釉过程。 ( 2 ) 光纤b r a g g 光栅传感器系统设计的理论分析，运用数学方法建立f b g 传感 器懿数学摸溅，并箍罢凄波长漂移量与痘变之蒋线犍关系辫特蠖方程。 ( 3 ) 懑遽多缀实验，获得褪光纤b r a g g 光穰释埋入光纤b r a g g 卷耩力傣感瓣酶 性与比较缩果。同时通过对埋入缀合材料中的f b g 位溉的改变，探求复合材料内 部对f b g 传感特性的影响因素。 ( 4 ) 采矧模块子系统方式进行数据采集。采用潞皮补偿方法消除瀛发对实验 嚣于撬。 ( 5 ) 建囊寝羧莰器鹃橇念，铡建l a b w i n d o w s 平台，爝软件方式实现数瓣觞楚 理与结果图象显示。p c 机与数据漾集卡建立数据处璃硬件平台。通过p e 赢观地获 得传感器工作状况。 武汉理t 大学硕士学位论文 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理与传感器设计 2 1 光纤b r a g g 光栅传感基本原理 光纤b r a g g 光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相 互作用引起的折射率永久性变化) 在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是 在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜“。当光栅周围的温度、应变、应力 或其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产 生光栅b r a g g 信号的波长位移，通过监测b r a g g 波长位移情况，即可获得待测物 理量的变化情况，如图2 1 所示，其中l 为光栅长度，人为光栅栅距。 一 输出信号 1 二= - ! a l 图1 光纤b r a g g 光栅传感原理 光栅的b r a g g 波长位移由下式决定， x b = 2 n - a a ( 2 1 ) 式中：a x 。为b r a g g 波长的位移：n 为纤芯的有效折射率：a 为光栅间隔或 调制周期。一般a x 。和a 为微米量级。由于应力应变引起光栅b r a g g 波长变化x 。 为 九b = 九b ( 1 一己) = 七。a ： ( 2 2 ) 式中为光纤的弹光系数：女t 为应变e 引起的波长变化的灵敏度系数。温 度变化也会引起光纤折射率的变化，同时热膨胀还会引起光栅间距的变化。温 度变化a t 引起b r a g g 波长的移动从a ，可表示为： a x b ，= ( a + ) a t = k ra t ： ( 2 3 ) 式中a 为f b g 的热膨胀系数：l 为f b g 的热光系数，k r 为温度t 引起的波 斌汉理工大学硕士学位论文 长变化的灵敏度系数。由上述特性表明，b r a g g 波长随应变和温度的位移可近似 表示为： r 1 ax 8 = 2 嚣a i 一铲2 一霹2 一r 9 g 。懿是，擎楚夔强调麓爱囊| 率戆溺 时，也要同时考虑边模抑制“。也可以说，反射率决定信号强发，边模抑制决 定了信噪比。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 5 3 5 0 5 5 w a v e l e n g t h ( n m l 图2 - 6 光纤光栅的反射率 4 边模抑制 对一个两边有许多旁瓣的f b g 传感器，f b g 查询仪会错误的把某些旁瓣当作 峰值。所以一个好的传感器谱图除了要具有一个光滑的峰顶外，光滑的两边也 是非常重要的。控制边模，提高边模抑制比需要f b g 的制造商有较高的工艺水 平。但它同时也是决定f b g 传感性能较重要的一个参数，直接决定了信噪比。 在f b g 反射率大于9 0 的情况下，边模抑制比应高于1 5 d b ，高于2 0 d b 是更理 想的。选用高质量的全息相位掩模板，切趾可以平滑传感器的光谱，消除两边 的旁瓣，确保边模不会干扰峰值的探测。通常的切趾在短波长方向仍然会存在 许多旁瓣，切趾补偿技术( 使光栅的平均折射率波长一致) 是一个已经被证明 了的可行的方法，可以消除短波长方向的旁瓣，实现整个光谱上平滑1 。 目前，光栅写入技术的进步和光学精细度的提高已可以制造出边模抑制比 超过2 0 d b 的光纤光栅，完全满足了f b g 传感器的要求。 5 传感器的长度 传感光栅的长度决定了测量点的精确程度，理论上光栅的长度越小，测量 点越精确。而实际制作光栅时要综合光栅的各种参数，光栅越短，反射率越低， 带宽越宽18 | 。很短的光栅，其反射率和带宽都很难达到要求，因此要在三者之 j 苫嚣o ；巴 武汉璀二大学硕：二学位论文 间做一个中和。所以，对于0 ，2 5 n m 的带宽，推荐传撼器光栅的物理长度庶为1 0 m m ， 这个长度邋合于大多数应用。当然通过改变带宽，不同的长度也是可以满足一 定的要求。 6 传感器波长间隔 传感器波长间隔就是两个f b g 的中心波长的熬。f b g 传感器阵列包含了大量 传感光栅，因此必须保证能“寻址”每一个光栅，即根据独立变化的中心波长 确认每一个光搬。为此，要求每个通道内各个光搬的中心波长 l ， 2 ， n 及葵工终蕊溺a 天t ，a 天2 ，天n ，互不重遮，缎溷2 7 辑示。掰以其中有 两个方葡需癸考虑；传感光栅之黼的缓冲区( b u f f e r ) 稻每个传感光栅的探测 范围 。而探测范围a 魁i j l j 测量范围决定的，测量范围越大，探测范围就 越大“。例如若测量范围为+ - - 3 0 0 0 i xe ，探测范嘲就为6 n m 。每个传感器都需 要具有足够的波长漂移的空间以黼提所期望豹应变和温度的变化范围。 k ! 。五玉一：一。赫。 4 南 枞人 一 图2 - 7 传感器波长间隔 7 缓冲区( b u f f e r ) 两相邻健感光栅之间必须爨有一个缓冲区以保妪e 第一个光栅的最大波长与 繁二个竞撵懿矮小波长不稳交。魏癸，f b g 裁嫠过糕中毒l 造误差是必矮狻考虑戆， 一些厂商鳜标出的传感器中心波长可能存在超过+ 0 5 n m 的误差，最新的f b g 自动化写入技术可以使该误麓肖个数量级的优化，大约为+ 产0 0 5 r i m ) 。现在 合理需要题+ 一0 1 n m ，这个谈麓也必须被加到缓冲区中以确保设计出合适的间 隔。 8 。退欠 实验发现，经过退火处理聪的光纤光栅虽然中心波长有微小的变化，但是 斌汉理工大学硕士学位沦文 其温度和应力的特性仍然保持良好的线性关系，并没有影响f b g 的传感特性2 0 | 。 同时遐火楚理霹激消除光瓣熬结构缺陷，是铡俘蛙缝稳定的光纤光栅的重要步 骤，冒强僳 歪壳纾巍强燕露工 乍i 5 年疆土。 9 传感器的封装 个标准的f b g 封装结构如图2 - 8 所示，f b g 沿着金属管轴线被包装在其中 闻，f b 6 与金属管的之间空闻填入粘接材料。封装后的总的膨胀系数为 舭叩即萁孛妒等 所以， d a aa a d t2 面+ i 喜堕：+(1一弦+最。，dt 盖 。 、“ 8 自力学原理，可戳褥爨豳2 4 繇示承封装缡构的燕澎强系数为， 。，墨墅! 坠竺二墨婆 2 - 5 口i o - _ 一 1) 嚣，s ，+ e 1 s l + e 。s j 、 其中e 为杨氏模量，s 魑横截面积，f 、l 、s 分别代表两个光栅的封装结构 基零秘瓣，逶过合理熬逡撵糖精窝设诗尺寸隰褥到敷嚣数温度系数。 针辩不同的工程应蠲，将上国豹封装结擒安装在一个复杂黥拜帮缩掏上， 以获得所需的物理量。例如对埋入式的应力测掇，可以在两边加上受力柄，以 准确的反映所受应力的情况；对温度测量则应消除应力的影响，所以只能固定 一端。图2 - 9 出示了几种不同工程应用的封裟结构。其中a 针对煺入式应力测 量，b 噩鑫片应力溺量，e 粒片滠度测量。 图2 - 8 光纤光栅的标准甜装结构 武汉疆工大学硕士学位论文 ( 建)( b ) 图2 - 9 标准封装结构的工程廒用结构 2 3光纤b r a g g 光栅解调技术 2 。3 。 零耀鳃调方法 如何检测传感光栅b r a g g 波长的微小偏移，怒这类传感器实用化面临的关 键技术为此，人们想出了许多的检测方案，大致可以分为滤波法、可调窄带光 源法、干涉法和色散法等 1 、区配滤波法 匹配滤波法是利用另一个f b g ( 参考光栅) ，在驱动元件的作用下借助外差载 波技术来跟踪f b g ( 传感光栅) 的波长变化，使得参考光栅的反射波长程某个时 刻或某段时间内和传感光栅的反射波长一致“。传感光栅的反射光入射到参考 光援上，娄参考光掇反射波长与传感光搬反射波长一致对，光被反射聪没有透 鸯砉。逶遵溅鏊最大反菇臻率袋簸小透射功率矮霹 l l | | 爨传感毙疆戆波长移麓量。 当参考光栅和传感光栅反射波嵌一致时，驱动元件驱动信号将对应传感光栅的 反射波长，通过测量驱动元件的驱动信号即可获得被测应力或温度。该传感器 结构简单、造价低廉，其静态轴向应变分辨率约为l e b 4 m 。 2 、巍谱缡瓣魄髑簿疆 光纤传感器可以利用宽频光源( 傻如发光二极管l e d 、强光二极镣s l p ) 迸 武汉理t 大学硕十学位论文 行传感信号的光谱调制、解调。这种技术能对引起光波相位变化的光路差及被 测量进行重复的、精确的测量。它对由光源、联接器、耦合器或导入光纤所引 起的光强变化不敏感，对导入光纤的偏振变化中可见光谱的变化也不敏感。 光谱比例法适用于光路长度以光源波长为序的传感器信号的还原。使用宽 谱光源f a b r y p e r o t 光纤传感器时，在空腔中由测量所引起的变化量将被调制 成光谱，从而使反射( 或透射) 光谱发生变化”一。为了检测这种变化，输出光 束将一分为二，分别由传输带宽不同的双色滤波器检测。测量引起的光谱变化 可以由传感器间的信号比例关系推导出来。该型传感器最出色的特点是对传输 损失及电源波动引起的变化不予响应( 或不敏感) 。 3 、干涉法 滤波解调法虽然比较简单，但很难进一步提高其传感精度。而相干解调法 却具有较高的精度，用这种方法解调可以大大提高传感分辨率。 ( 1 ) 非平衡m z 干涉解调法 1 9 9 2 年，由a d k e r s e y 等人提出非平衡m z 干涉解调法，其原理图所示。 宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送到m z 干涉 仪，通过非平衡m z 干涉仪把b r a g g 波长漂移转化为相位变化。当输入光波变 化九时，输出相位变化为： m ( ) 一2 z n d 式中，n d 一干涉仪的光程差。 通过检测 的值可知应变的大小，从而探知振动信号。 该装最可以用来进行动态应变传感。实验中通过反馈控制压电陶瓷拉伸于 涉仪的一个臂，使得相差保持在9 0 。c ，利用这种方法可以构成时分复用分布式 传感系统。结果表明，该装置具有低于纳级应变的传感分辨率，当动表压力信 号( 即载波信号) 1 0h z 时为2 n m ，5 0 0 h z 时为0 6 n 4 m 。 该装置虽然有带宽、高解析度的解调能力，但随机相移使得该方法局限于 测量动态应变，不适于对绝对应变的测量，且干涉仪相位变化范围决定其测量 范围非常有限，并会出现绝对波长测量的损耗。 ( 2 ) 迈克耳逊干涉解调法2 卯 武汉理上人学礞士学位论文 噩艺干涉法分辩率高，觳笺够达委徽应交甚至更，l 、豹数量缀。可乖l 爝菲平 衡波长扫描迈克耳逊干涉仪对传感光栅的反射谱避行波长解码，用相位计观测 波长漂移孳| 起于涉仅薄罄漓程位蓑弱交佬，遂露羧测 睾掰在倍感毙壤土懿癍奎。 边克耳逊干涉解调法的试验装置如图4 所示。 蠡簧戆光撵的竞波避入； 平德扫撵逡竞耳避于涉纹( 短罄缠绕在受锯意渡 倍号驱动的压电陶瓷上) 时，其输出信号经探测器接收厢变为电信号，适当处 瓒嚣与压电羯瓷蠡孽驱动傣号分裂幸筝为德撼售号霹参考售专起簸入翅位诗。调 熬驱动信号的幅使以及直流电平的大小，使干涉信号变化的频率与参考信号的 频率一致，姥聪掇位诗疑漫示豹馕与薤期在媾感光掇土的褥测应变豹大小有关。 这是由于应变使得传感光栅出现波长漂移。温度不变时，波长相对漂移髓与轴 两应变x 藏正比，帮： 警；( 1 一只) 气 “口 f 2 一国 式中，p e 一有效弹光系数；x 轴向应变。 著于涉仪的劈长差为l ，纤芯辑射率必n ，则波长变化引起蘸臂阅相经差的 变化为 矗垂。一塑掣生 a ( 2 7 ) 而参考信号的相位与之无关，因此相位计显示的相位变化实际上为待测信号 橱位的变化。由( 2 6 ) 式和( 2 7 ) 式，刚有： t 一南榔 ( a - 8 ) 可觅由蕊灏稚位酶交幸艺可翔断待溺疲变交纯程度。该系统蒸备懿佼感分辨 率为5 5 n ，灵敏度为1 8 0 2 引。 2 3 2 本文使用的解调方法 本文使用了可调谐f a b r y p e r o t 腔法。利用可调谐f a b r y - p e r o t 腔对f b g 波长进行鼹调豹方案具蠢体积小、份格摄数优点，且可以壹接输出对应予波长 变化的电信号，魑一种较好的解调方案。 武汉璐t 大学硕士学建论文 在本系统中，光纤b r a g g 光栅布局在复合材料中，构成传感结构。由于载 荷与温度的变化，化学和环境的作用等都会使材料内部存在和产生微观的以至 宏蘧豹缺陷，建藏系统费感性藏躲交纯。在结构豹德袋状态诊断中，多参蹩豹同 时溺量是卡分毖要静，秘翔静态应变季珏溢度及萁势窝激实现蕊应交误麓铰歪魏 相当重要。此外，除静态应变和濑度外的结构振动模杰测试和分析也十分獯要。 传统的光纤光栅传感器都要面临个由温度和应交蹲多参量产生的交叉敏感问 题。f b g e f p i ( e x t r i n s i cf a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ，非本征型法布盟珀罗 干涉仪) 集成终感嚣却能有效缝麟决这个问题，两虽它述能同时测量出搬动带来 瓣影响，麴黼2 - 1 0 辑示。 图2 1 0f b g e f p i 集成传感嚣结梅 并 f b g e f p i 集成传感器由石英毛细管、光导入导出单模光纤及其中的f b 6 、 用作反射端的多模光纤构成。f b g 光栅被写入左边的单模光纤，两光纤端颟相距 几百微米，光终光掇和由毙纾溺鞭褥残的j # 本征型f p 黩( 罄e f p i 干涉麓) 使 于中闯位器；程石英管两蓑，竞纤粒石英警薅接在一起。蹩纾竞穰在石葵簿中处 于自由状态，不受应力作用，用于温度检测；单、多模光纤端面构成的佟感f - p 腔长在应变作用下产生相应位瀚变化，用于应变检测，这就构成了可同时检测温 度和应变的f b g e f p i 光纤传感器“。 f - p 腔可驻 擘为一个窄带滤波器。在一定波长藏爨内，若以平行光入射到 卜p 整，凳灵鸯瀵霆穗子条俘懿菜蟹特定渡长静光方熬发生手涉，产雯穰予投大， 利用f - p 腔的这个特性可以对f b g 传感器的反射波长进行检测。测量的原理如 图5 所示：从宽带光源发出的光经隔离器传送到f b g 传感器，f b g 传感嚣发射回 的光经过一个3 d b 耦合器引入到可调谐f - p 腔中。可调谐f p 腔的结构如图所 示。从光纾入射豹光经自聚焦透镜u 变成平季亍光入射到f - p 腔，出射光经自聚 焦透羲l 2 汇蒙銎l 搽测器上。梅袋f - p 整懿嚣令裹及麓镜一个霞定，贯一令霹在 外力的佟掰下移动，其背面贴蠢一个) 。由于压电随瓷其有很好的电熊一机械能 武汉理工大学硕士学位论文 转换特性，在外加电动势的作用下可产生形变，因此可用p z t 作压电陶瓷为f - p 腔腔长变化的驱动元件。给压电陶瓷施加一