（通信与信息系统专业论文）光纤bragg光栅温度压强检测系统研究.pdf

摘要 光纤b r a g g 光栅传感器，作为一种新型传感器，具有抗电磁二l 二扰、绝缘性能 好、抗腐蚀、灵敏度高、体秋小、重量轻、测量范围广等优点，光纤b r a g g 光栅 传感器的测量准确度不受强波动和光损耗的影响，可实现分布式测量系统和波分 复用传感网络。光纤b r a g g 光栅传感器通过光的变化来拾取被测信号，这种传感 器非常适用易燃易爆的石油化工领域。因此，光纤b r a g g 光栅传感器在石油化工 领域具有广泛的应用前景。 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研究的基础上，提 出一种以s t c 8 9 c 5 1 6 r d 单片机为核心处理器，结合可调谐f _ p 腔光滤波技术的光 纤b r a g g 光栅温度压强检测系统方案。 本文首先阐述了光纤b r a g g 光栅传感的基本原理，并对目前常用的解调方法 进行了深入的研究分析。改进了原有的解调方案，设计了以光纤b r a g g 光栅为敏 感器件，采用放大自发辐射光源( a s e ) ，并结合先进的可调谐f - p 腔光滤波技术 构成的光路系统。本论文重点研究和设计了光纤b r a g g 光栅传感器信号检测电路 系统。采用斩波稳零集成运算放大电路i c l 7 6 5 0 ，自行设计了一款高增益、高稳 定和低漂移的放大电路，有效的克服了干扰信号的输入，提高了信号的准确度。 本文基于台湾宏晶科技公司的s t c 8 9 c 5 1 6 r d 微控制器设计了检测系统的控制和 信号处理系统，包括电源电路、复位电路、显示电路及r s 一2 3 2 电路等微控制器 外围扩展电路。本文设计了一种基于压电陶瓷的电信号解调单元，采用了美国模 拟数字公司最新推出的1 6 位d a 转换电路芯片a d 6 6 9 ，有效的提高了系统的扫 描精度。实验表明，本研究设计的光纤b r a g g 光栅温度压强检测系统是一种非常 好的检测方法。 关键词：光纤b r a g g 光栅温度压强可调谐f p 腔检测系统 a bs t r a c t t h e f i b e r - o p t i cb r a 路l i g h tg r i ds p a d saf e e l i n gm 孔h i n e ，勰ak i n do fm a c h i n e t h a ti sn e wt os p r e a d f e e l i n g ，h a v ea n t i - e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ea n di n s u i a t e f u n c t i o nw e i l ，a n t i - c o r r o s i o n ，i n t e i l i g e n td e g eg a o ，s m a l lp h y s i c a lv o i u m ea n d “g h t w e i g h t ，m e a s u r es c o p ew i d e l ye t c a d v a n t a g e ，f i b e r - o p t i cb r a g go n i yt h eg r i ds p r e a d 如a c c u r a t ed e g eo ft h ed i a g m p ho ff e e l i n gm a c h i n et h ei n f l u e n c et h a ti so n i yf r c e f - r o ms t r o n gm o t i o na n de x h a u s t s ，c a nc a i t yo u tt h ed i s t r i b u t et y p ed i a g r a p hs y s t e m a n dw a v et 0f e p l yt 0u s et os p r e a da 佬e l j n gn e t 、v o f k 向rc e n t f i b e ro p t i cl j 曲tg r j d 。s s p r e a d i n gaf e e l i n gm a c h i n ea n dp a s s i n gb a r ev a r i e t yt 0p i c ku pi sm e a s u 陀ds i g n a i ， t h i sk i n do fs p 托a d st h ep e t r o l e u mc h e m i c a le n g i n e e r i n gt h a tt 1 1 e f e e i i n gm a c h i n e a p p l i e se 嬲yr a nv e 叮m u c ha n de a s i l ye x p i o d e s 舱a l m t h e r e f o f e ，t h ef i b e r - o p t i c b r a g gl i g h tg r i ds p r c a d saf c e l i n gm a c h i n et 0h a v ei nt h ep e t m l e u mc h e m i c a l e n g i n e e r i n gr e a i me x t e n s i v eo fa p p ii e dp r o s p e c t t h i st e x tp u t sf o r w a r di ns p r e a d i n gf c e l i n gt e c h n i q u ea n di t ss o l u t i o nt oa d j u s ta p r o j e c tt oc a r 叫o nt h ef o u n d a t i o nt h a tg o e sd e e pi n t oa 旭s e a r c ht ot h ed o m e s t i ca n d i n t e m a t i o n a in b e ro p t i ci i g h tg r i dak i n do fw i t hs t c 8 9c 5l6i m + l i s ts i i c em a c h i n e f o fc d r ep r o c e s s o r c o m b i n ea na d ju s t a b i ec h 锄b 盯o fx i e f - pt 0o n l yf i l t e rf i b e r - o p t i c b 豫g go fw a v et e c h n i q u el i g h tt h eg r i dt e m p e r a t u 旭p 陀s ss t r o n ge x a m i n a t i o ns y s t e m p r o j e c t n i st e x te l a b o r a t e df i r s tt h a tt h ef i b e r o p t j cb m g gl i g h tg r i ds p r e a d st h e b 硒i c p r i n c i p l eo ff e e i i n g ，a n da d j u s t e dam e t h o dt oc a r r yo nt h o r o u g i lr e s e a r c ha n a i y s i s c u r 他n t l yt 0t h ei nc o m m o nu s es 0 i u t i o n 1 m p r 0 v e d 锄o r i g i n a ls o l u t i o nt 0a d j u s ta p r o j e c t ，d e s i g nw i t h 肋e r - o p t i cb r a g gl i 曲t 鲥df o rs e n s i t i v es p a 旭p a r t ，t h ea d o p t i o n e n l a r g e ss e l g m o v i n gr a d i a t i o nl i g h ts o u r c e ( a s e ) ，a n dc o m b i n eu l ef 0 佗n n e r s a l j u s t a b i ec h a m b e ro fx i ef - pt oo n i yn l t e ral i g h tr o a dt h a tt e c h n i q u ec o n s t i t u t e s s y s t e m t h i st h e s i sp o i n ti s e a i c ha n dd e s i g nf i b e r - o p t i cb r a g gi i g h tt h eg “ds p r e a da f e e l i n gm a c h i n es i g n a ie x a m i n a t i o ne i e c t r i cc i r c u i ts y s t e m t h ea d o p t i o nc u t so n e s t e a d yz e r oi n t e g r a t i o nt h eo p e r a t i o ne n i a r g et h ee i e c t “cc i r c u i ti c l 7 6 5 0a n dd e s i g n e d t h ee l e c t r i cc i r c u i to fe n i a r g i n go fg a oz e n gy i ，t a 儿s t a b l ea n di o wd r i l f tb yo n e s e i c e f r e c t i v e i yo v e r c a m et h ei m p o r t a t i o no fi n t e m 旭n c es i g n a l 锄dm i s e dt h ea c c u m t e d e g 陀eo fs i g n a i 1 1 1 i st e x ta c c o r d i n gt 0t h es t c 8 9c 5l6o ft h et a i w a ng 佗a tc 眄s t a l s c i e n c ea n dt e c h n o i o g yc o m p a n yr d + t h et i n yc o n t r o l i e rd e s i g n e dc o n t r o la n ds i g n a l o fe x a m i n a t i o ns y s t e mt oh a n d i es y s t e m ，j n c l u d i n gt h ep o w e re i e c t r i cc i r c u i t ，旭s e t e l e c t r i cc i r c u i t 明ds h o wt h a tt h et i n yc o n t r 0 i i e ro u t e rc i r c l e s ，s u c ha se l e c t r i cc j r c u i t a n de l e c t “cc i r c u i tr s 2 3 2 e t c e x p a n d se i e c t r i cc i r c u i t t h i st e x td e s i g n e d lk i n d a c c o r d i n gt op r c s s t h es o l u t i o nt e l e c o m m u n i c a t i o no fe l e c t r i c i t yp o r c e l a i n a n d c e 豫m i c st 0a d iu s tu n i t ，a d o p t e dt h eu n i t e ds t a t e st oi m i t a t en u m b e rc o m p a n i e st o l a t e l yr e i e a s eo fl6d s i ac o n v e r s i o nt h ee l e c t r i cc i r c u i tc h i pa d 6 6 9 ，e 舵c t i v e i yr a i s e d t h es c a n n i n ga c c u r a c yo fs y s t e m t h ee x p e r i m e n te x p 托s s e st h a tn b e r - o p t i cb r a g g d e s i g n i n gt h i sr e s e a r c hi i g h tg r i dt e m p e r a t u r e sp r e s s i n gs t r o n ge x a m l n a t i o ns y s t c m l s ak i n do fv e d ，n i c ee x a m i n a t i o nm e t h o d k e yw o r d ：f i b e r - o p t i cb m g gg r j d t c m p e m t u r e p 咒s s u r ca d j u s t a b l ef - p c h a m b e re x a m i n a t i o ns y s t e m 第一章绪沦 1 1引言 第一章绪论 世界经济快速发展，人们渴望了解更多的信息。新技术的出现已将人们带入 了信息时代。2 0 世纪7 0 年代初，世界上第一根有实用价值的光纤出现了，光纤 领域经过3 0 年的快速发展n 】。光纤技术迅速成熟，现在光纤已经成为理想的信 息传输介质，大容量高速光纤传输系统已成为构成现代信息社会的支柱和重要基 础。 光纤传感技术与光纤通信技术一样，在过去的3 0 年里也得到了快速的发展。 传感器是人们获取外界信息的主要方式，传感技术已经成为当今核心技术之一 瞄1 。光纤传感器已成为传感领域中一个非常重要的传感器件，它与普通的机械、 电子类传感器相比，它具有重量轻、体积小、寿命长、功率低、耐腐蚀性强、灵 敏度i 岛、抗电磁干扰和环境耐受力强等优点。近年来发展起来的这种光纤传感技 术非常适用于分布式测量、复用等方面，因此光纤传感技术的发展空间非常广阔。 光纤传感技术日趋成熟，光纤传感器的价格不断下降，产品质量逐渐提高，具有 大规模商品化的趋势。目前，已经研制出了加速度光纤传感器、压力光纤传感器、 压强光纤传感器、声音光纤传感器、振动光纤传感器、温度光纤传感器、角速度 光纤传感器和应变光纤传感器等数十种，其中部分传感器已经实现了商品化口1 。 当前，世界各国研究应用最多使用最为广泛的要属光纤b r a g g 光栅，它是光 纤光栅的一种。光纤b r a g g 光栅光纤连接方便、损耗低，还具有可靠性高，光谱 特性好的特点，光纤b r a g g 光栅采用波长编码方式，因为光源功率的波动、耦合 损耗等都不会影响波长的变化h ，。 1 2 光纤光栅的分类 光纤光栅经过3 0 年的发展，人们制作出了不同结构的光纤光栅，种类繁多， 特性各异。其结构主要体现在光纤光栅空间周期分布及折射率调制深度分布是否 均匀。因此，可以把光纤光栅分为均匀周期光纤光栅和非均匀周期光纤光栅两大 基本类型啼1 。其中一些典型光纤光栅的折射率分布如图卜1 所示。 第一章绪论 函f 幽龇心龇 西，-)南一 巾j 山l 幽龇 南一 m 肛心业 图卜l 典型光纤光栅的折射率分布 ( a ) 均匀光纤光栅( b ) 啁啾光纤光栅( c ) 高斯变迹光栅( d ) 相移光栅 ( e ) 升余弦变迹光栅( f ) 取样光纤光栅 。 1 、均匀周期光纤光栅 栅格周期沿纤芯轴向均匀，并且折射率调制深度为常数的光纤光栅属于均匀 周期光纤光栅。若从波矢方向的差异和光栅周期的长短等方面考虑，均匀周期光 纤光栅主要包括光纤b r a g g 光栅、长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅哺1 。 ( 1 ) 光纤b r a g g 光栅 光纤b r a g g 光栅是目前应用最广泛的一种光栅，也是最早发展起来的。此类 光栅的栅格周期一般为1 0 2 硼量级，光纤b r a g g 光栅的反射带宽较窄，但反射率 较高，这种光栅结构简单，对温度和应变灵敏度高，这种光栅广泛应用到光纤传 感及光纤通信领域盯1 。 ( 2 ) 长周期光纤光栅 长周期光纤光栅的栅格周期比b r a g g 光栅的栅格周期长很多，能达到几百微 米n 1 。当外界温度和应变等环境条件改变时，这个宽带峰也随之改变，因此，长 周期光纤光栅是一种理想的传感元件。 ( 3 ) 倾斜光纤光栅 倾斜光纤光栅的周期与折射率调制深度均为常数，这种光栅的波矢方向与光 栅的轴线方向有一个角度，这种光栅能将基模耦合到包层中辐射掉。 2 第一章绪论 2 、非均匀周期光纤光栅 栅格周期沿光纤轴向不均匀的光栅称为非均匀周期光纤光栅，这种光栅折射 率调制深度不为常数。非均匀周期光纤光栅主要包括：啁啾光纤光栅、相移光纤 光栅、变迹光纤光栅。 ( 1 ) 啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅的栅格间距可以根据光纤轴向不断变化，栅格周期和反射波长 一一对应，所以啁啾光栅的反射谱较宽。啁啾光纤光栅能产生稳定的反射带宽， 它被广泛的应用于宽带滤波器及光纤b r a g g 光栅解调系统阻1 。 ( 2 ) 相移光纤光栅 相移光纤光栅足在均匀周期光栅的某些位置发生相位跳变。通过相移可以在 反射谱中产生一个缺口，缺口的深度与相移靠近光栅中部位置的距离成反比，许 多窄带通滤波器就是利用相移光纤光栅来制作的“叫。 ( 3 ) 变迹光纤光栅 如果光纤光栅的折射率调制深度在光纤轴向上呈现变迹函数，则称之为变迹 光纤光栅，常用双曲正切函数、高斯函数和升余弦函数等都是变迹函数n 列。 1 3 本文的主要内容 本课题来源于天津市高等学校科技发展基金计划项目( 编号2 0 0 8 0 7 1 5 ) 。 光纤光栅作为一种新型的传感器，由于光纤光栅传感器与其它传感器相比具 有体积小、带宽范围大、极化不敏感、波长选择性好、不受非线性效应的影响、 附加损耗小、耦合性好等优点，而且光纤光栅制作工艺越来越成熟，生产成本低 也越来越低，因此，光纤光栅传感器在建筑、电力、航空航天、医药和石油化工 等多个领域得到广泛的应j j 3 。埔】。 本文将从光纤光栅传感技术的基本理论出发，对现有的光纤光栅传感器解调 技术进行研究总结，对一种以微控制器为电信号处理核心，结合可调谐光纤f - p 腔的光纤b r a g g 光栅温度压强检测系统进行详细的研究，对光纤b r a g g 光栅传感 器的原理、解调方法、系统光路设计及电信号处理系统的硬件及软件设计等进行 研究。实现对光纤b r a g g 光栅反射中心波长偏移的测量，达到对光纤b r a g g 光栅 传感信号解调的日的n 们本文主要工作安排如下： 第一章绪论。介绍光纤光栅的发展、分类及本文的主要内容。 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法。首先介绍光纤b r a g g 光栅的 传感原理，然后介绍口前常h j 的解调方法，分析了不同解调方法的优缺点等。 3 第一章绪论 第三章监测系统方案研究，本章从光纤b r a g g 光栅传温度压强监测系统的 产生背景、系统的功能进行阐述，提出了一种基于微控制器和可调谐f p 腔滤波 技术的光纤b r a g g 光栅传温度压强监测方案，对监测系统总体设计方案进行分析 研究。 第四章光纤b r a g g 光栅温度压强监测系统设计。在这一章中详细阐述了监测 系统的光路系统设计、光电转换系统设计、电信号处理系统设计及系统软件程序 流程。 第五章实验数据及性能分析。这部分内容详细讲解数据处理方法，并对系 统进行实验，通过实验数据对光纤b r a g g 光栅温度压强监测系统进行性能分析， 最后分析系统误差产生的原因。 第六章结束语。这一章主要对本文所做工作进行简单的总结，并提出检测 系统的改进方案等。 4 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 2 1 光纤b r a g g 光栅的基本结构及传感原理 光纤b r a g g 光栅足利用增敏光纤的光敏效应，使单模光纤纤芯折射率在芯区 长度方向上产生周期性，基本结构如图2 1 所示。当激光照射掺杂光纤时，光纤 的折射率与光强呈现出线性变化的关系。通过这种方式就可以在纤芯内形成了一 个窄带的滤波器或反射器，来改变和控制光在光纤中的传播路径n 7 1 。 斩辱 韦变化部分 图2 一l 光纤b r a g g 光栅基本结构 光纤b r a g g 光栅是目前使用最多最常见的一种光纤光栅，光纤b r a g g 光栅折 射率调制深度与周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线同向璩1 。光纤b r a g g 光 栅的折射率调制周期( 光栅周期) 一般约为0 5 1um ；并且折射率调制分布以正 弦型均匀分布为主，如图2 2 所示。 n ：酬赫 互 一l o l 2 图2 2 光纤b r a g g 光栅折射率分布 光栅纤：卷的折射表达式为 ( z ) = 恸+ 锄c 。s ( 筹办( 一考 z 争 ( 2 1 ) 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 式( 2 1 ) 中n 表示光致折射率变化的最人值，即折射率调制深度；仇圹表示纤 芯的有效折射率；人表示折射率变化的周期即光栅的周期，也称栅距；l 表示光 栅长度，即传感测量区9 。 光纤b r a g g 光栅可以看成是一个性能优异的窄带滤波器或反射器，光源发出 宽带光，入射到光纤b r a g g 光栅后，产生模式耦合，光纤b r a g g 光栅将满足相位 匹配条件的入射光反射回去，不满足相位匹配条件的入射光都被透射出去瞳。这 样入射光波就被分为反射光波和透射光波两部分，如图2 3 ( a ) 和( b ) 所示。 图2 3 光纤b r a g g 光栅反射谱与透射谱 ( a ) 反射谱( b ) 透身j 谱 光纤b r a g g 光栅的传感光路如图2 4 所示。 入射光宽带光源 _ - 反射光 ( b ) 透射光 图2 4 光纤b r a g g 光栅的传感光路图 光栅b r a g g 光栅波长的移动可寿示蜘： 如= 2 a ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中：如为b r a g g 波长的漂移； 为纤芯的有效折射率； 人为光栅栅距或调制周期： 式( 2 2 ) 表明，光纤b r a g g 光栅的反射波中心波长的漂移九，随纤芯的有 效折射率锄和调制周期人的变化而改变乜。 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 2 1 1温度传感原理 温度对光纤b r a g g 光栅的影响有两个方面，一方面是温度的热膨胀效应，使 光纤b r a g g 光栅中长，从而改变了光栅常数；另一方面热光效应也使得光栅区域 的折射率发生变化瞳副。一定温度变化范围内，热膨胀效应与温度变化量t 的关 系可表示为： 竺= 枷 人 ( 2 4 ) 热光效应均与温度变化量t 的关系可表示为： 丝= 一上堕坐t = 一一- ：l 一，、i d 矿打 ( 2 5 ) 从式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 中可知，光栅栅距的变化人和纤芯的有效折射率的变化 均与温度变化量t 成正比【2 驯。其中，a 为光纤材料的膨胀系数；v 为光纤的归 一化频率。温度变化引起的热光效应是光纤b r a g g 光栅波长变化主要因素，它占 热漂移的9 5 左右，记为 二= 一上盟坐 7 d 矿刀 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中毛称之为热光系数【2 4 1 。在忽略其它因素影响时温度对光纤b r a g g 光 栅波长漂移以的总影响可表示为： 气= 丸 + 孝) 醢r = 辟r ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中口为光纤b r a g g 光栅的热膨胀系数；善为光纤b r a g g 光栅的热光系 数，为温度t 引起的波长变化的灵敏度系数。式( 2 7 ) 表明光纤b r a g g 光栅的 b r a g g 波长与其温度成线性关系啪1 。 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 2 1 3 压力传感原理 如果作用于光栅的应力不是各向同性的，则反射光的波长变化量就与偏振有 关，设沿x 和y 方向的应力作用引起光纤b r a g g 光栅的b r a g g 波长的变化分别为 k 和如，则有 如= 屯乞一吻每 月。乞+ 丑：( 乞+ 勺) ( 2 8 ) 锄= 屯乞一略争 只。勺+ 只：( 乞+ ) ( 2 9 ) 假如只给光栅施加侧向的压力，即e = 0 ，可得 么= 一略每( 露l + 鼻2 勺) ( 2 一l o ) = 一，2 每( 日。勺+ 只2 q ) ( 2 1 1 ) 其中，x ，y 表示光纤横截面坐标，z 表示光纤光栅轴向坐标。p 。和p 。：为有效弹 光系数。由式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 可知，对于非啁啾的光栅，压力会使它分成两个 栅格周期相同，但反射波中心波长不相同的次级的光栅，假如两束反射光的相位 相差几2 ，则原光栅的中心波长会完全消失，会出现两个分离的反射峰，施加的 压力的大小决定两个峰值的距离踮吨 。 2 2 光纤b r a g g 光栅解调方法 在实际工程项日中，根据选择一利i f 蔺足需要的解调方法是至关重要的。常用 的解调方法有光谱仪解调法、非平衡m a c h z e h n d e r 干涉法、匹配解调法、被动 解调法、环形反射器的光纤光栅激光传感器阵列法、可调谐激光器法、声光可调 谐滤波器法、可调谐f p 腔法。 2 2 1 光谱仪解调法 光谱仪解调法是传统的解调方法，也足最直接的检测方法。其原理如图2 5 所示，宽带光源经耦合器输入到光纤b r a g g 光栅，光栅反射回的光经耦合器回到 光谱仪进行检测恤钔。这利方法的优点是结构简单，易于操作，经久耐用。但这利- 方法具有一定的缺点：1 、光谱仪价格昂贵。2 、测量精度较低，不满足高精度测 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 量。3 、扫描速度较慢，不适用于实时性要求高的场合。4 、光谱仪体积较大，只 适用有固定场合。所以光谱仪解调法仅适于实验室使用。 图2 5 光谱仪解调法 2 2 2 非平衡m a c h z e h n d e r 干涉法 宽带光源发出的光经过耦合器后进入光纤b r a g g 光栅，光栅将满足条件的光 反射回来进入不等臂长的m a c h z e h n d e r ( 简称，m z ) 干涉仪，m z 干涉仪把b r a g g 光栅中心波长的变化转换为相位的变化，通过检测相位的变化，可以得到b r a g g 光栅中心波长的变化。m z 干涉仪解调法原理如图2 6 所示。非平衡干涉法解调 精度极i 岛，但系统稳定性差，受环境干扰大，不能进行静态应变的测试，只能用 于检测动态应变，只能采用时分复用技术实现多波长解调乜引。 2 2 3 匹配解调法 图2 - 6m z 干涉解调法 匹配解调法采尉两个参数完全相同的光纤b r a g g 光栅，一个足传感光栅，一 个是参考光栅。被测量应力、温度的变化使得传感光纤的反射波与参考光栅的反 射波长失配，通过伺服系统控制参考光纤b r a g g 光栅，使参考光纤b r a g g 光栅与 9 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 传感光纤b r a g g 光栅重新匹配。根据伺服系统输出加在压电陶瓷( p z t ) 上的电 压值解调出波长信息，从而获得被测应力和温度的变化，光纤b r a g g 光栅匹配解 调法原理如图2 7 所示。这种解调方法有两种工作方式，一种是反射式，宽带光 源发出的光经耦合器送到传感光纤b r a g g 光栅，部分光被反射进入与其参数完全 相同的参考光纤b r a g g 光栅，并测量反射光的光强b 训。通过调节参考光纤b r a g g 光栅的反射中心波长，可以收到最大光强，由此狱得传感光纤b r a g g 光栅的中心 反射波长；另一利- 是透射式，宽带光源发出的光经耦合器送到传感光纤b r a g g 光 栅，部分光被反射进入与其参数完全相同的参考光纤b r a g g 光栅，并测量反射光 的光强。通过调节参考光纤b r a g g 光栅的反射中心波长，可以收到最小光强d 。 由此获传感光纤b r a g g 光栅的中心波长。 匹配光栅法最大的优点是结构简单，对反射光强要求不高，有较强的抗噪声 能力。这种方法的缺点是两光栅不可能完全匹配；测量变化频率不能过高；如果 进行传感器阵列测量，这利方法成本太高。 2 2 4 被动解调法 图2 7 光纤b r a g g 光栅匹配解调法 由宽带光源发出光谱信号，光谱信号经过耦合器进入到光纤b r a g g 光栅，一 部分被透射出去，一部分光经光栅反射回去。再经过耦合器后，信号送入电路系 统口别。被动解调系统示意图，如图2 8 所示。图中线性滤波器的光谱透过率与其 波长成线性关系： f ( 五) = 彳( 名一元) ( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，a 表示线性滤波器的斜率：凡表示零输入波长。如果光纤b r a g g 光栅反射的窄带光谱满足中心波长如与峰宽为名的高斯函数，则由两路光信号 光强的比值如厶就可以很方便地检测出五的值口引。 i o 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 被动解调法的优点是信号处理系统简单，能消除光强变化的影响。这种方法 的不足之处是分辨率较低，系统耦合器的分柬比变化、光纤双折射及滤波器非线 性都会影响测量精度。 图2 8 被动解调系统示意图 2 2 5 环形反射器的光纤光栅激光传感器阵列法 环形反射器的光纤光栅激光传感器阵列法解调系统，如图2 9 所示。 将一个可调谐f p 滤波器加入到环形光纤激光器中，就可以制成一种基于环 形反射器光纤光栅激光传感器阵列。在掺铒环形反射器中加入光隔离器后，环形 反射器只能沿一个方向工作，由一个不同光纤b r a g g 光栅波长阵列光栅中的一个 构成反射1 。当某一支光纤b r a g g 光栅波长与滤波器的带通一致时，激光器会发 出激光，因此，可以用扫描滤波器来完成对光纤b r a g g 光栅波长的测量。 这种方法采用了高功率信号，在系统中加入了可调谐f - p 滤波器，激光器的 输出相比于线性调制信号在扫描范围内呈现非线性。同时，这种方法测量分辨率 低，如果需要更高的分辨率，需采用更高分辨率的二二涉仪。 棒饵光纤j 竹a t 填块聚澜 图2 9 环形反射器的光纤光栅激光传感器阵列法解调系统 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 2 2 6 可调谐激光器法 采用窄带可调谐光输入到光纤光栅中，同时进行周期性的扫描，这样就构成 了可调谐激光器法。当每次扫描反射光最强时，根据半导体激光器的扫描电压的 大小，就可以知道相应的反射光波长。其系统结构如图2 1 0 所示。 图2 一1 0 可调谐激光器法 可调谐激光器法的关键在于可调谐窄带激光器的精确度。使用可调谐的半导 体激光器和环形腔掺铒光纤激光器作为光源的选择。半导体激光器的光源功率随 时间和波长变化，因此，探测器检测到的光功率也存在起伏。 2 2 7 声光可调谐滤波器法 声光可调谐滤波器( a c o u s t o - o p t i c st u n a b l ef i l t e r ，a o t f ) 是一种由射频 ( r a d i o f r e q u e n c y ，r f ) 驱动频率可调的固态光滤波器嘲1 。a o t f 的波长调谐范围 可宽，可达到几个毫米。声光可调谐滤波器用于分光计、颤动滤波器和跟踪滤波 器等多种工作模式。如果宽带光源或光源组的工作范围足够宽，采用声光可调谐 滤波器可以实现大规模波长复用的光纤b r a g g 光栅阵列。 若采用扫描方式，电压控制振荡器( v 0 1 t a g e c 0 n t r 0 1 l e d0 s c 订l a t o r ，v c o ) 可以在传感波长范围内自由移动，从而实现对声光可调谐滤波器的调节；若采用 锁定方式，系统则通过反馈环来确定光栅波长，如图2 一1 1 所示。对给定的光栅 和声光可调谐滤波器带宽，用于最大化跟踪误差信号的理想频率偏离为： = ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中，是声光可调谐滤波器的带宽啪。通过式( 2 1 4 ) 可知， 频率偏离与滤波传输、光栅反射率和强度噪声无关。 1 2 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法 图2 一1 1 声光可调谐滤波器解调示意图 2 2 8 可调谐f p 腔法 从宽带光源发出的光，经隔离器传送到光纤b r a g g 光栅传感器。光纤b r a g g 光栅的反射光，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 腔内的 压电陶瓷( p z t ) 在驱动电压的作用下进行移动，从而改变可调谐f _ p 腔的腔长。 若f p 腔的透射波长与光纤b r a g g 光栅的反射波长重合，则探测器得到最大光强， 此时从压电陶瓷施加的电压就可以得到相应的光纤b r a g g 光栅的反射波长啪】。可 调谐f p 腔解调系统如图2 1 2 所示。 可调谐f _ p 腔解调法，可以直接将波长信号转换成电信号。用可调谐f - p 腔 解调法构成的系统具有体积小、价格低等优点。可调谐f _ p 腔解调法完全符合本 研究的要求，是系统设计方案中采用的解调方法。 i 宽带光源 +隔离器 ，( 墅、h 州 忡 广k “ 。弛眦限 川一 可调i 盼 f p 滤波器 图2 一1 2 可调谐f - p 腔解调系统 1 3 第_ 章检测系统方案研究 第三章检测系统方案研究 光纤光栅传感技术作为新兴的技术手段，正在人们的生产生活中得到应用， 本研究就是将光纤b r a g g 光栅温度压强的检测系统应用到石油化工原料罐温度 压强监测中去。 3 1 系统研究背景 随着我国经济的快速发展，以石油化工原料为材料的产品越来越多地出现在 我们的生产生活中，石油已经成为影响国计民生的重要能源。目前，石油化工领 域主要采用罐储的方式将石油化工原料存储起来，石油化工原料罐温度压强的监 测已经成为安全、有效存储的关键问题，也是关系我国国民经济可持续发展的重 大课题。 传统温度压强检测方法有人工法、电学法等，这些方法在自动化、精密度、 安全性等方面存在固有缺陷，不适用于石油化工等安全性要求高的易燃易爆场 合。光纤传感器具有本质安全、精密度高的特点，正好克服了传统方法的缺陷。 光纤b r a g g 光栅具有耐高温、抗腐蚀、抗辐射、抗电磁二l 二扰、尺寸小、易于复用 及组网方便的优点，通过一根光纤就可以实现实时、在线、分布式地测量温度、 压力、流量等多个参数。这种传感器非常适用于易燃易爆的环境，如对大型油罐、 运油车等进行安全、连续、精确的动态温度压强监测等。在这种背景下，光纤b r a g g 光栅温度压强监测系统应运而生。 3 2 系统概述 光纤b r a g g 光栅检测系统是一种实时监测石油化工原料罐内温度压强的信 息，并将监测的信息准确及时的现实出来，在异常情况下，能发出报警信号的智 能化监测系统。另外，该系统有良好的人机交互界面，让工作人员及时准确地了 解监测信息，并采取相应的措施。 本系统的应用对象主要是石油化工领域原料罐，该系统可以独立检测一个原 料罐的温度压强信息，也可以拓展组网，实现多个原料罐、多信息的检测。光纤 b r a g g 光栅组网监测系统示意图，如图3 一l 所示。 光纤b r a g g 光栅温度压强监测系统主要由两大部分构成；传感系统和主机系 统。传感系统布置在原料罐内，负责感应原料罐内温度压强的变化，并将测量到 的信息传送给主机系统。主机系统行置在监测室内。负责接收传送来的信息并将 1 4 第三章检测系统方案研究 这些信息及时直观的反映给工作人员。 曰 图3 1 光纤b r a g g 光栅组网监测系统示意图 3 3 系统总体方案 本课题研究的光纤b r a g g 光栅温度压强监测系统采用以微控制器为信号处 理系统的核心，并结合可调谐f p 腔对光纤b r a g g 光栅波长的变化进行解调的设 计方案。根据监测系统各部分不同的功能大致分为三个部分：光路系统、光电转 换系统和电信号处理系统。系统总体设计框图，如图3 2 所示。下面就各部分的 功能进行简单介绍。 图3 2 系统总体设讣框图 1 5 第i 章检测系统方案研究 3 3 1 光路系统 光路系统包括宽带光源、隔离器、耦合器、b r a g g 传感光栅和可调谐f p 腔。 光纤b r a g g 光栅是信息采集终端，用来监测温度压强的变化。宽带光源发出光， 经耦合器后传送到传感光纤，光纤b r a g g 光栅将一部分光被反射回来，反射光谱 中包含温度压强的变化信息。反射光谱经耦合器后传送到可调谐f p 腔中。可调 谐f p 腔足监测系统的重要部分，它就像一个窄带滤波器，符合波长条件的光可 以通过，而其它波长成分的光被阻隔。从而检出所需要的光信号。光路系统示意 图，如图3 3 所示。 3 3 2 光电转换系统 图3 3 光路系统示意图 光电转换系统在整个监测系统中负责将可调谐f p 腔检出来的光信号转换 为电信号。光信号只有转换为电信号才能送入电信号处理系统进行信号分析，信 号处理结果的准确度和精确度，在很大程度上取决于光电转换后的电信号是否失 真。所以，选择合适的光电二极管显得尤为重要。 3 3 3电信号处理系统 电信号处理系统主要完成系统控制、信息接收、信息处理及报警等工作，并 将监测的温度压强信息通过友好的人机交互方式及时准确的传递给工作人员。电 信号处理系统示意图，如图3 4 所示。 电信号处理系统以微控制器为核心，结合放火电路、a d 转换电路、d a 转换 电路以及微控制器相关电路构成的。它是整个监测系统的信号控制处理中心，由 微控制器产生的锯齿波信号，经过d a 转换后，由驱动电路驱动可调谐f p 腔中 的压电陶瓷( p z t ) ，通过改变加在压电陶瓷( p z t ) 上的电压，来调节f p 腔的腔 1 6 第j 章检测系统方案研究 长。当微控制器系统检测到来自光电转换后的信号时，就记录此时压电陶瓷( p z t ) 的驱动电压值，用于计算中心波长。这是因为当作用于光纤b r a g g 光栅传感器的 温度压力等物理量发生变化时，光纤b r a g g 光栅的中心波长相应的发生偏移。监 测系统就是根据中心波长的偏移量来计算温度压强的变化。 燃换冷回冷回 f - p 腔 ：= l 驱动电路l ；ld al - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ 一 图3 4 电信号处理系统示意图 1 7 第四章光纤b r a g g 光栅温度压强榆测系统设计 第四章光纤b r a g g 光栅温度压强检测系统设计 4 1 光路系统设计 4 1 1光源的选择 适合光纤光栅传感系统使用的宽带光源，目前使用最多的主要有发光二极管 ( l e d ) 、超辐射发光二极管( s l e d ) 、放大自发辐射光源( a s e ) 以及可调谐半导体激 光器等。发光二极管( l e d ) 光源发光功率小，从器件到单模光纤的耦合效率很低， 不能满足系统在光功率方面的要求：可调谐半导体激光器实现了宽带光源的作 用，它是利用一个窄带的激光在一定的波长范围内扫描7 1 。这种光源扫描范围达 5 0 n m ，输出光功率可达1 0 m w ，是一种很好的宽带光源，但价格十分昂贵，不太 适合一般的用户；放大自发辐射光源( a s e ) 光源输出光功率高，3 d b 带宽在6 0 咖 以上，非常适合本系统的需要。 放大自发辐射光源( a s e ) 主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激 光器。本系统采用上海拜安信息科技有限公司生产的a s e 宽带光源，该宽带光源 最大输出功率可达1 0 0 m w ；工作带宽可覆盖c - b a n d 或和l b a n d ；在光谱范围 内具有极好的平坦度：采用微处理器控制：l c d 显示等。a s e 宽带光源实物如图 4 1 所示。a s e 宽带光源的性能参数如表4 1 所示。 一 麓酒 图4 1a s e 宽带光源 第四章光纤b r a g g 光栅温度压强检测系统设计 表4 1a s e 宽带光源的性能参数 参数符号最小值典型值最大值单位 输山功率 p o2 0d b m 入c1 5 2 5 1 5 6 5 n m 工作波长入l1 5 7 01 6 0 5n m 入c + l1 5 2 51 6 1 0n m 输山功率稳定性( 1 5 分钟)p o - 1 5 m 0 0 l0 0 2d b 输山功率稳定性( 8 小时)p o _ 8 h 0 0 50 1d b 平坦度 f l0 51 2d b 输出同波损耗 r l4 5d b t e c 稳定度t 10 10 2 t e c 工作范围 t 1 2 02 53 0 工作电压 v 1 7 0 2 2 0 2 6 0v a c 功耗 p c1 5w 工作温度 t wo5 0 存储温度t s一4 08 0 4 1 2 光纤b r a g g 光栅 对于光纤b r a g g 光栅的选择，根据光源的特性以及系统的设计要求，选片j 了