（通信与信息系统专业论文）智能服装光纤光栅温度解调系统的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ot h ea c a d e m i cd e g r e ec o m m i t t e eo f t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y t h er e s e a r c ho nt e m p e r a t u r ed e m o d u l a t i o ns y s t e mi ns m a r tc l o t h e s b a s e do nf b g i nc a n d i d a c yf o rt h em a s t e r sd e g r e ei n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m b y s o n gh u i c h a o s u p e r v i s o r p r o f m i a oc h a n g y u n s c h o o lo fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ， t i a n ji np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y d e c e m b e r , 2 0 0 9 吣4眦9 9眦2m 7眦7_y 卜 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， 也不包含为获得丞洼王些太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已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： 怨 签字日期：加净乌月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞 洼王些太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： 签字同期：矽p 年弓月f 同 导师签名： 签字日期：沙f 。年；月j r 学位论文主要创新点 一、提出了一种智能服装光纤光栅人体温度信号解调的方法。该方法与传统 的解调方法相比，具有结构简单，信噪比高，分辨率高的特点。同时，减小了由 于f p 滤波器的温漂带来的解调误差。 二、设计了智能服装光纤光栅温度解调系统的光路和电路。 三、提出了一种智能服装光纤光栅温度信号处理算法，该算法具有处理精度 高，计算量小，处理速度快的优点。 摘要 智能服装是电子信息学科、纺织学科及其它相关学科结合与交叉的产物。它 是指对环境条件或因素有感知并能做出响应的服装，不仅能够感知人体外部环境 或内部状态的变化，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化做出反应，具有携 带方便、实时监测等特点。人体温度的测量是感染性和肿瘤等疾病的重要诊断手 段之一。温度智能服装能够实时监测人体的体温。 本文对温度智能服装光纤光栅温度解调系统进行了研究。在分析了光纤光栅 温度传感原理和比较了几种常见的光纤光栅解调方法优缺点的基础上，提出了一 种采用可调$ 皆 f a b r y - p e r o t ( f p ) 滤波器的光纤光栅人体温度信号的解调方法； 设计了光纤光栅温度解调系统的光路，包括光源、分布式光纤光栅传感器、可调 谐f p 滤波器及光电探测器；采用双处理器设计了光纤光栅温度解调系统的电路， 包括主控制器电路、协控制器电路、光电转换调理电路、可调谐f - p 滤波器驱动 电压放大电路、存储器扩展电路、显示电路、复位电路及电源电路；提出了一种 智能服装光纤光栅人体温度信号处理算法，该算法具有计算量小，处理速度快的 优点；搭建了实验平台，通过实验测得该解调系统在传感器灵敏度达到5 0 p n v 。c 以上时，温度检测精度为0 2 ，分辨率为0 1 ，达到了预期设计要求。 本文所研制的人体温度智能服装具有测量准确、携带方便、成本低、实时监 测等优点。它能够及时发现感染性和肿瘤等疾病，女i s a r s 和危害全球的禽流感， 对于保证人体健康尤其是老年人和儿童的健康等方面具有重要意义。在医疗、军 事、体育、航空航天等领域具有广泛应用前景。 关键词：智能服装；光纤b r a g g 光栅；f p 滤波器；波长解调；温度检测 a bs t r a c t s m a r tc l o t hi sc r o s s - p r o d u c t so fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n ，t e x t i l ea i l ds o m eo t l l e r s u b j e c t s ，w h i c hr e f e r st os e n s i n gt h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n ta n dr e s p o n dt oi t w i t h c h a r a c t e r i s t i co fc o n v e n i e n tt ot a k ea n dr e a l - t i m ed e t e c t i n g ，n o to n l yc a ni t p e r c e i v e t h ec h a n g e so fe x t e r n a le n v i r o n m e n to ri n t e r n a lh u m a n b o d y , b u ta l s or e s p o n dt ot h e c h a n g er e a l - t i m eb yt h ef e e d i n g - b a c ks y s t e m t e m p e r a t u r eo fh u m a n b o d yi so n eo f k e ym e t h o d st od e t e c ti n f e c t i v ed i s e a s ea n dt u m o r s ，a n ds n l a r tc l o t hc a nm o m t o r h u m a nt e m p e r a t u r ei nr e a lt i m e i nt h et h e s i s ，f i b e rb r a g g g r a t i n gt e m p e r a t u r ed e m o d u l a t i o ns y s t e mi ns m a r tc l o t h i ss t u d i e d a f t e r a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ff i b e rb r a g gg r a t i n ga n dc o m p a r i n g a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs o m eo t h e rt e c h n i q u e so ff i b e r b r a g gg r a t i n g t e m p e r a t u r ed e m o d u l a t i o n ，an e wt u n a b l ef a b r y - p e r o t ( f p ) f i l t e rm e t h o do ff i b e r g r a t i n gt e m p e r a t u r es i g n a ld e m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c h i sp r e s e n t e d af i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r e i n c l u d e so p t i c a ls o u r c e ，d i s t r i b u t e df i b e r g r a t i n gs e n s o r s ，t u n a b l ef - pf i l t e ra n dp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r s a d o p t i n gd u a l c o r e p r o c e s s o r s ，t h ec i r c u i to ff i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e mi sb u i l t w h i c hi n c l u d e s m a s t e rc o n t r o l l e rc i r c u i t ，a s s o c i a t i o nc o n t r o l l e rc i r c u i t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t r e s e t c i r c u i t ，p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，t u n a b l ef pf i l t e rd r i v ev o l t a g e c i r c u i t , m e m o r ye x p a n s i o nc i r c u i ta n dd i s p l a yc i r c u i t b e s i d e s ，an e wa l g o r i t h mo n f i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r es i g n a lp r o c e s s i n gi s p u tf o r w a r dt o o ，w h i c ht a k e sl i t t l e c o m p u t a t i o na m o u n ta n dw h o s ep r o c e s s i n gs p e e di sf a s t e n o u g h f i n a l l y , a n e x p e r i m e n tp l a t f o r mi sb u i l t ，a n dr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e t e c t i o na c c u r a c yc a na c h i e v e 0 2 。cw i t has e n s i t i v i t yo f5 0 p m 。co fs e n s o r , a n dt h er e s o l u t i o no ft e m p e r a t u r ei s 0 1o c ，a 1 1o fw h i c hs h o wt h a tr e q u i r e m e n th a v eb e e na c h i e v e d w i t ha d v a n t a g e so fh i g hm e a s u r i n g a c c u r a c y , e a s yt oc a r r y , l o wc o s ta n d m o n i t o r i n gi nr e a lt i m e ，t h es m a r tc l o t hi nt h i st h e s i sc a nd e t e c ti n f e c t i o u sd i s e a s ea n d t u m o r s ，s u c ha ss a r sa n db i r df l uw h i c hh a sj e o p a r d i z e dp e o p l eal o t ，w h i c hh e l pa l o ti na s s u r i n gh u m a n h e a l t h ，e s p e c i a l l ye l d e rp e o p l ea n dc h i l d ，a n da l s oh a v eaw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t si nm e d i c a l ，m i l i t a r y , s p o r t s ，a e r o s p a c ea n do t h e rf i e l d s k e yw o r d s ：s m a r tc l o t h ，f i b e r b r a g gg r a t i n g ，f a b r - p e r o tf i l t e r , w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ed e t e c t i o n 目录 第一章引言1 1 1 智能服装的发展现状1 1 2 课题研究目的及意义3 1 3 本文的主要研究内容3 第二章光纤光栅传感原理及其解调方法5 2 1 光纤光栅传感原理及温度传感特性：5 2 1 1 光纤光栅传感原理5 2 1 2 光纤光栅温度传感特性6 2 2 光纤光栅波长解调方法7 2 2 1 直接解调法7 2 2 2 干涉解调法7 2 2 3 滤波解调法9 第三章温度智能服装光纤光栅温度解调系统的总体设计方案1 3 3 1 温度智能服装功能及性能指标1 3 3 2 温度智能服装光纤光栅温度解调系统的总体设计方案1 3 第四章光纤光栅温度解调系统的光路设计1 5 4 1 光源1 5 4 2 分布式光纤光栅传感器1 6 4 3 可调谐f p 滤波器1 7 4 4 光电探测器1 9 第五章光纤光栅温度解调系统的电路设计2 1 5 1 光纤光栅温度解调系统的电路设计方案2 1 5 2 主控制器电路2 2 5 2 1l p c 2 1 0 6 最小系统2 2 5 2 2 主控制器电路设计2 3 5 3 协控制器电路2 4 5 3 1c 8 0 5 1 f 0 6 0 最小系统2 4 5 3 2 协控制器电路设计2 5 5 4 光电转换调理电路2 6 5 5 可调谐f p 滤波器驱动电压放大电路2 7 5 6 存储器扩展电路2 8 5 7 显示电路2 8 5 8 复位电路2 9 5 9 电源电路3 0 第六章光纤光栅人体温度信号的处理算法3 3 6 1 光纤光栅人体温度信号的处理算法流程3 3 6 2 峰值检测算法3 3 6 3f p 滤波器特性曲线拟合3 5 6 4 光纤光栅人体温度信号处理算法的验证3 7 第七章光纤光栅温度解调系统的软件设计4 1 7 1 光纤光栅温度解调系统软件设计方案4 1 7 2l p c 2 1 0 6 a r m 程序设计4 1 7 2 1l p c 2 1 0 6 主程序4 1 7 2 2 数据接收子程序4 1 7 2 3 光纤光栅人体温度信号处理算法子程序4 3 7 2 4 光纤光栅温度计算子程序4 4 7 2 5l c d 显示及键盘控制子程序4 5 7 3c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机程序设计4 7 7 3 1c 8 0 5 1 f 0 6 0 主程序4 7 7 3 2f p 滤波器控制电压输出及数据采集子程序4 8 7 3 3 数据预处理子程序4 8 7 3 4 数据发送子程序4 9 第八章实验及结果分析5 1 8 1 光电转换调理电路实验及结果5 1 8 2 可调谐f p 滤波器及驱动放大电路实验及结果5 3 8 3 温度f b g 参数标定实验及结果5 5 8 4 光纤光栅温度解调系统波长补偿实验及结果5 7 8 5 光纤光栅温度解调系统的波长解调实验及结果5 9 8 6 光纤光栅温度解调系统的温度解调实验及结果6 0 8 7 光纤光栅温度解调系统实验及结果6 l 第九章总结与展望6 3 9 1 总结6 3 9 2 展望6 3 参考文献6 5 硕士期间发表论文和参加科研情况：6 9 致谢7 1 第一章引言 1 1 智能服装的发展现状 第一章引言 随着社会的进步和科技水平的提高，作为与人类生存密切相关的产品 服装已不仅仅只具有御寒、保暖、遮体和视觉美观的功能。智能服装作为服装 产业中的新生力量，将生物技术、信息技术、材料科学与传统的纺织服装工艺 有机地结合在一起，赋予了服装新的生命力。智能服装是新型的纺织材料与电 子技术相结合的产物，是指能随外界变化而感知、感悟并自动产生某些功能的 服装。如温控服装、光敏变色服装、形状记忆服装等。随着通信技术、网络技 术和计算机技术的发展，智能服装又被注入了新鲜血液，可穿着的电子智能服 装将在未来引导新的服装时尚潮流【i ，z 】。 智能服装的研究始于二十世纪八十年代初，最早应用于军事、航空、消防、 潜水等领域。随着技术的发展，其消费人群已经扩展到了一些普通的行业，最 为引人瞩目、也最令人兴奋的是面向医学的智能服装的发展，为保障人类的健 康提供了一种崭新的技术手段。 1 9 9 9 年，美国佐治亚科技研究公司将光纤传感器埋入织物，用于监视使用 者的脉搏、呼吸、体温等。 2 0 0 1 年，芬兰大学等单位研制出一种装备有微型计算机、g p s 及通信装置 的智能服装，可连续监测使用者的体温和心脏跳动情况，当出现异常情况时可 提醒使用者，若使用者无反应则提醒急救中心。 2 0 0 2 年，美国加州生命衬衫公司研制出一种装有6 个传感器的衬衫，该衬 衫能将使用者的身体状况通过随身携带的微型电脑经互联网随时传送给医生， 如图1 1 所示。 幽1 1 生命衬衫 天津工业大学硕士学位论文 2 0 0 3 年，美国佐治亚理工学院将光纤光栅植入衬衣来探测心率的变化，并 根据光纤断裂后光输出信号的变化，来判断士兵受伤的部位和程度，如图1 2 所示。 图1 - 2 可判断受伤部位及程度的智能服装 2 0 0 4 年，俄航天世界报道，芬兰坦佩雷理工大学正在为欧洲航天局研 制一种针对宇航员的智能服装，该智能服装除配备了心脏工作监视器、呼吸频 率传感器和体温传感器外，还增加了心电记录仪、心血管监测仪以及全球定位 系统。 2 0 0 6 年，香港理工大学提出了一种交互式的智能纺织品，该纺织品是以聚 合光子纤维为基础的传感网络，能够感知力、温度、形变等。同年，华中科技 大学研究了一种基于m e m s 的智能服装，该智能服装的功能是通过将柔性传感 器阵列薄膜与纺织品整合的方式来实现的。 2 0 0 7 年，西班牙巴伦西亚科技大学先进通讯和信息技术应用研究所推出一 项智能服装科研项目，将智能纺织物、电子系统与计算机程序等先进技术融为 一体，防治心血管疾病。该智能服装项目由5 个部分组成，每部分都负责消除 一种诱发心血管疾病的危险因素，分别为：心脏活动，旨在刺激保持长期坐姿 者的心脏运动；心脏睡眠，用于改善睡眠质量；心脏松弛，用于抵抗焦虑状态； 心脏平衡，防止肥胖；心脏安全，通过早期诊断防止发病【3 。5 j 。 智能服装已经成为国际上的重点研究课题，国外的一些国家如美国、日本、 德国等已经在面向医学的智能服装研究方面取得了一定成果，但未见其核心技 术的报道。国内的智能服装研究，无论在传感系统、电子电路系统、传感系统 与织物的结合，还是相关信号处理均处于起步阶段，与国外发达国家相比，还 存在着较大的差距。 2 第一章引言 1 2 课题研究目的及意义 本课题研究的目的是实现智能服装对人体温度的实时检测。以光纤光栅作 温度传感器，对人体温度信号的解调方法、解调光路、解调电路及处理算法进 行研究。使得本文所研制的智能服装能够测量、记录、显示人体温度，并对异 常的人体温度发出报警。 智能服装在健康与医疗应用领域具有特殊的优越性。本文所研制的温度智 能服装具有测量准确、携带方便、成本低、实时监测的优点。他能够及时发现 感染性和肿瘤等疾病，如s a r s 和危害全球的禽流感，对于保证人体健康尤其 是老年人和儿童的健康等方面具有重要意义。在医疗、军事、体育、航空航天 等领域具有广泛应用前景。在此基础上，还可以将人体生理参数测量系统进一 步完善，实现人们只要穿上智能服装衣，就能将呼吸、心跳、心电图等生理信 号记录和输出，提供实时的医疗警讯，具有更广泛的应用价值。 1 3 本文的主要t i i ：究内容 本文在对智能服装的国内外发展现状进行了深入分析的基础上，以光纤光 栅为研究对象，对温度解调系统的设计进行了研究，主要内容如下： 1 、分析了光纤光栅的传感原理及其温度传感特性。 2 、在分析比较了几种常见的光纤光栅解调方法优缺点的基础上，提出了一 种采用可调谐f p 滤波器的光纤光栅人体温度信号的解调方法。可调谐f - p 滤 波器的控制电压和透射波长的关系受温度漂移、压电陶瓷的滞后性和蠕动性的 影响很大。针对这一问题，本文提出了用参考光栅来进行光纤光栅传感阵列温 度补偿的设计方案并设计了光路。 3 、设计了光纤光栅温度解调系统的电路。采用a r m 与单片机双处理器解 调方案。a r m 芯片l p c 2 1 0 6 作为主控制器，完成了对单片机的控制，实现了 光纤光栅人体温度信号的处理算法。单片机c 8 0 5 1 f 0 6 0 作为协处理器，实现了 温度信号的采集。 4 、提出了一种智能服装光纤光栅人体温度信号的处理算法，该算法具有计 算量小，处理速度快的优点。 5 、搭建了光纤光栅温度解调系统的实验平台，测试光纤光栅温度解调电路 的各个功能模块，并确定了该解调系统的性能指标。 天津r t 业大学硕士学位论文 第二章光纤光栅传感原理及其解调方法 第二章光纤光栅传感原理及其解调方法 2 1 光纤光栅传感原理及温度传感特性 2 1 1 光纤光栅传感原理 光纤光栅广泛应用于温度、应变、压力及动态电磁场等的测量，测量的基 本原理是光纤光栅的中心波长总是随着外界环境参数的变化而变化。光纤光栅 是一种灵敏的光纤器件，当有紫外光照射时，光纤纤芯折射率沿轴向呈周期性 变化【6 。8 】。在满足布拉格光栅条件的波长上发生全反射，而其余波长的光被透射 过去，其传感原理图如图2 1 所示。 反射光谱 光纤 以= 2 7 锄a 光栅包层纤芯 图2 1 光纤光栅传感原理图 当宽带光波在光纤光栅中传输时，入射光波在特定的波长上被反射回来， 起到了光波选择反射镜的作用，其余的透射光波则几乎不受影响的继续传播。 光纤光栅的反射波和透射波光谱主要取决于光栅的周期人和反向耦合模的有效 折射率刀，任何使这两个参量发生改变的物理量都将引起反射波和透射波的漂 移2 1 ，即有 五= 2 人 ( 2 - 1 ) 其中，以为光纤光栅的中心反射波长，人为光纤光栅的周期，z 是光纤 光栅的有效折射率。可见，光纤光栅的反射波长与光纤光栅的周期人以及纤芯 的折射率，z 有关，只有满足布拉格条件的光波才能被反射回来。 当光纤光栅受到轴向应力或温度变化的影响时，刀和人就会发生变化，导 致符合布拉格条件的反射波长也发生移位，即九。通过检测光纤光栅中心反 天津工业大学硕+ 学位论文 射波长的变化以，便可获知外界应力和温度的变化。应变和温度是光纤光栅 能够被直接测量出的两个基本物理量，它们构成了其他各种物理传感测量的基 础。其他各种物理传感量的测量都是以光纤光栅的应变、温度传感为基础而间 接衍生出来的。 2 1 2 光纤光栅温度传感特性 当光纤光栅所处的环境温度发生变化时，与之相对应的光纤光栅中心波长 如也发生漂移，即以。这是由于光纤材料的热光效应使光纤折射率咒发生变 化，热胀冷缩效应致使栅距人发生变化，从而引起光纤光栅反射波的中心波长 发生变化，温度变化引起的光纤光栅反射波长移动可表示为 等= ( ”晏) 丁 ( 2 - 2 ) 式中，蠡= 1 7 锄= ，z 丁就是光纤的热光系数，描述光纤折射率随温度 的变化关系；a ，= a 八a a t 为光纤的热膨胀系数，描述光栅的栅距随温度的变 化关系。当温度发生变化时，光纤光栅的中心波长会随之变化。因此可以将光 纤光栅制作成温度传感器去测量外界的温度的变化。通过测量光纤光栅反射波 长的移动，便可以确定环境温度t 。光纤光栅传感系统原理框图如图2 2 所示。 臣圃 图2 2 光纤光栅传感系统原理框图 光源发出的光通过光路直接进入传感器，传感光栅在温度场的作用下，对 光波进行调制。带有温度场信息的调制光波被传感光栅反射回来，进入解调器 并输出解调信号。由于输出的信号包含了外界温度场的信息，因而从解调信号 中可以获得温度变化的情况【1 4 - 18 1 。 6 第二章光纤光栅传感原理及其解调方法 2 2 光纤光栅波长解调方法 光纤光栅传感信号检测过程是一个解调过程，它与传感过程正好相反。光 信号检测是从调制的光信号中还原出原调制信号，该信号与被测信号成一定的 比例关系。分布式光纤光栅传感的优点在于其传感信号是波长变化量，通过对 波长移动的检测即可知道相应参数变化的情况。当光通过光纤光栅传感器时， 满足布拉格条件的入射光波将被反射回来，其反射光进入解调器后即可得至l j # l - 界场变化的参数。 、如何检测出每个传感光栅布拉格波长的微小偏移量，是实现光纤光栅传感 器温度检测的关键技术。目前，光纤光栅解调方法主要有直接解调法，干涉解 调法，滤波解调法等。 7 2 2 1 直接解调法 光纤光栅直接解调法是采用单色仪或光谱仪或波长计来检测波长的偏移， 其原理图如图2 3 所示。直接解调法结构简单，能直接读取光的波长，但该方 法所使用的仪器也存在着如下缺点：1 、价格偏高，不适用于普通用户。2 、精 度低，不能满足高精度测量要求。3 、体积大，携带不方便，不适用于户外现场 检测。4 、扫描速度慢，不适用于实时性要求较高的场合【1 9 2 0 1 。 2 2 2 干涉解调法 图2 3 直接解调法原理图 光纤光栅干涉解调法有非平衡马赫一曾德干涉仪法和非平衡扫描迈克尔逊 干涉仪法。 1 、非平衡马赫一曾德干涉仪法 非平衡马赫一曾德干涉仪法是一种参量转换解调法，该方法将传感光栅波 长的偏移量转化为相位变化量来进行检测，其原理图如图2 4 所示。 天津工业大学硕士学位论文 耦合器 传感光栅 图2 _ 4 非平衡马赫一曾德干涉仪解调法原理图 输出( a c l ) b ) 宽带光源发出的光经耦合器后进入光纤光栅传感阵列，反射后经过一个1 2 的耦合器进入不等臂长的马赫一曾德干涉仪 2 1 - 2 6 】。干涉仪把传感光栅反射波 中心长的偏移量转化为相位的变化量并对其进行检测。非平衡马赫一曾德干涉 仪的两臂有光程差( o p d - - n d ) ，当光纤光栅的反射波长变化旯时，马赫一曾 德干涉仪输出的相位变化为 a t ：i ) = - 2 万n d a a 允2 ( 2 3 ) 式中，n 是光纤的有效折射率，d 是干涉仪两臂的长度差，五是f b g 反射 光的中心波长。从式( 2 3 ) 可以看出a o 与力之间呈线性关系，通过检测输出相 位的变化量a c l ) ，便可确定光纤光栅波长变化量旯 4 0 4 2 1 。 非平衡马赫一曾德干涉仪检测方法的优点是分辨率高，具有低于纳米级的 应变分辨率。该方法的缺点是非平衡马赫一曾德干涉仪受外界环境干扰较大， 仅适于检测动态应变，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光纤光栅的波长偏移，不适合采用波分复用的分布式系 统。 2 、非平衡扫描迈克尔逊干涉仪法 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪法是利用非平衡波长扫描迈克尔逊干涉仪对传 感光栅的反射谱进行波长解码【2 7 3 0 1 。用相位计来检测由于波长漂移所引起的干 涉仪两臂间相位差的变化，从而检测出作用在传感光栅上的应变。非平衡扫描 迈克尔逊干涉仪解调法原理图如图2 5 所示。 第二章光纤光栅传感原理及其解凋方法 图2 5 非平衡扫描迈克尔逊干涉解调法原理图 来自光纤光栅传感阵列的光波进入干涉仪的短臂，压电陶瓷在锯齿波信号 的驱动下，非平衡扫描迈克尔逊干涉仪的输出信号经探测器接收后变为电信号， 经过处理后与压电陶瓷的驱动信号分别作为待测信号和参考信号一起输入相位 计【3 。调整驱动电压的幅值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，此时相位计所显示的值与施加在传感光栅上待测应变信号 的大小有关。 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪法的优点是能够提供较宽的带宽，具有高解析 度的解调能力，缺点在于只能测量动态应变，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 2 3 滤波解调法 光纤光栅滤波解调法有匹配滤波法、线性边带滤波法和可调谐f p 滤波法。 1 、匹配滤波法 匹配滤波法是指对于传感阵列中的每一个光栅，在接收端都有一个特性完 全一致的光栅组成“传感一接收”匹配光栅对，从接收光栅就可了解传感光栅 的情况。匹配滤波法按工作方式可以分为反射方式和透射方式 2 8 1 。 匹配滤波法的反射方式原理图如图2 6 所示。宽带脉冲信号经耦合器进入 传感阵列，各个光栅反射信号又经各耦合器送到匹配光栅。匹配光栅都平行固 定在同一压电陶瓷上，当压电陶瓷受锯齿波扫描电压的驱动时，匹配光栅都发 生周期应变。如果驱动电压的幅度足够大，就能保证每个周期里各光栅对匹配 一次1 3 2 3 4 j 。当某个匹配光栅与相应传感光栅匹配时，光电探测器输出最大光强。 根据每个匹配光栅的波长与压电陶瓷驱动电压的关系就可确定相应传感光栅的 波长偏移量。 天津l 业大学硕+ 学位论文 图2 6 匹配滤波法反射方式原理图 匹配滤波法的透射方式原理图如图2 7 所示，其解调方式与反射方式类似。 不同之处在于将匹配光栅按顺序制作在同一根光纤上，这样只需要一个光电探 钡0 器。 图2 7 匹配滤波法透射方式原理图 匹配滤波法避开了现场使用体积较大、价格昂贵的光谱分析仪，简单灵巧， 分辨率较高，可快速确定多点应变情况，尤其适用现场快速动态监测。但该方 法也存在着不足之处。对反射方式而言，该方法结构简单，造价低廉，静态应 变分辨力可达0 4 腭，动态应变达0 0 1n 6 勉，但信号光经过多个耦合器进入 解调光栅，导致系统信噪比降低。而对透射方式，其信号光利用率高，分辨力 达0 1 胪，但多个压电陶瓷使跟踪控制复杂，系统的非线性误差较大【2 5 2 7 1 。 2 、线性边带滤波法 线性滤波法的原理图如图2 8 所示。宽带光源发出的光经耦合器1 进入f b g 阵列，其反射光通过耦合器l 再进入耦合器2 ，将其分成等强度的两束光，一 第二章光纤光栅传感原理及其解调方法 束光在进入光电探测器之前首先进入一个光滤波器，另一束光不通过光滤波器 直接进入一个同样的光电探测器。两个光电探测器的输出信号经过放大后通过 模拟除法器，消除了由于光源光分布不均匀、连接处的损耗、传输过程中的微 弯效应、光源的功率起伏等引起的光强度变化带来的影响 2 8 , 3 0 】。 滤波器方程的线性化模型可以用式( 2 4 ) 来表示。 f ( 兄) = 彳( 五一九) ( 2 4 ) 式中，彳为线性滤波器的斜率，厶为零输出波长，即f ( 见) = 0 时的输出波 长。 图2 8 线性边带滤波器解调法原理图 线性边带滤波法的优点是消除了由于光源波动和各处附加损耗的原因对信 号产生的影响，能有效抑制噪声，且体积可做得很小。该方法的缺点是分辨率 由滤波器的滤波率决定，因此分辨率相对其它解调系统不高，动态应变测量响 应速度也不高。 3 、可调谐f p 滤波法 可调谐法f p 滤波法原理图如图2 。9 所示。宽带光源发出的光经耦合器进 入传感光栅阵列，反射后又经耦合器送到可调谐f p 滤波器。锯齿波电压加在 压电陶瓷上调节f p 腔的腔长，从而改变f p 滤波器的导通频带。当f p 腔的 透射波长与f b g 的反射波长重合时，有且仅有一个光纤光栅的反射光通过f p 滤波器进入到光电探测器，此时光电探测器输出光强最大【2 3 之6 1 。它将这个光纤 光栅的反射光信号转换成电信号，其峰值对应于从这一光纤光栅反射回的中心 波- v x ：。 忙 一懦一 一惩茸 尝。 圊 天津上业大学硕士学位论文 图2 9 可调谐f p 滤波法示意图 可调谐f p 滤波法的优点是具有较宽的调谐范围，大大提高了测量范围和 传感f b g 复用个数，结构简单，信噪比高。该方法的缺点是可调谐f p 滤波器 响应速度慢，具有迟滞性和非线性，这样会给光纤光栅解调带来误差。 第三章温度智能服装光纤光栅温度解调系统的总体设计方案 第三章温度智能服装光纤光栅温度解调系统的总体设计方案 3 1 温度智能服装功能及性能指标 本文所设计的温度智能服装能够实时检测人体温度，通过对人体腋下、前 胸、后背的温度检测计算最终的人体温度显示值。当检测的人体温度值超出正 常人体温度范围时，发出报警信号。温度智能服装功能示意如图3 1 所示。 图3 - 1 温度智能服装功能示意图 温度智能服装的主要性能指标如下： 1 、温度检测范围：3 5 4 2 。 2 、温度分辨率：0 1 。 3 、温度检测精度：4 - 0 2 。 4 、温度采样频率：1 h z 。 3 2 温度智能服装光纤光栅温度解调系统的总体设计方案 温度智能服装光纤光栅温度解调系统组成如图3 2 所示。该解调系统分为 光路和电路两部分。光路部分由光源、分布式光纤光栅传感器、可调谐f p 滤 波器及光电探测器组成。电路为图3 2 中所示的光纤光栅温度解调电路，该电 路完成了对f p 滤波器的驱动、对光信号的采样及对人体温度信号的处理。 天津：j 二业大学硕士学位论文 图3 2 温度智能服装光纤光栅温度解调系统组成图 电压 将经过特殊封装后的传感光栅织入衣服的两个腋下，左右前胸及后背，用 于测量人体的体温。光纤光栅横向围绕织入衣服的指定部位，左前胸的光纤光 栅传感器作为传感部分光路的入口，右前胸作为光路的末端。宽带光源发出的 光直接射入可调谐f p 滤波器，在扫描控制电压的作用下可调谐f p 滤波器输 出与之对应波长的光信号。这束光经耦合器1 分成两路。其中一路经耦合器2 进入传感光栅，测量人体体温。另一路经耦合器3 进入参考光栅，用于对f p 滤波器进行实时校准。传感光栅和参考光栅的反射光分别通过光电探测器转换 为电信号，由光纤光栅温度解调电路对该电信号进行数字信号处理，解调出传 感光栅的反射波长，从而计算出人体体温值。 该系统所使用的光纤光栅解调法为可调谐f p 滤波器法。根据前一章的介 绍可知，每种解调方法都各有优缺点，如直接解调法能够直接读出波长，操作 简单，但体积大，价格昂贵，仅适合于实验室使用。干涉解调法具有响应速度 快、分辨率高的优点，但它极易受环境干扰，因此只适用于检测动态变量。可 调谐f - p 滤波器法结构简单，信噪比高，可得到较高的分辨率，但响应速度低， 不适合高频测量。由于人体体温变化不是个高频信号，因此对体温信号的采样 频率要求不高。基于这样的特点，可以采取可调谐f p 滤波器法降3 6 1 。 由于可调谐f p 滤波器的扫描控制电压与透射波长的关系受温漂、压电陶 瓷滞后性和蠕动性的影响很大，直接由光电探测器的输出信号来读取光信号的 波长信息难以实现高精度的波长检测。因此，该系统使用多个参考光栅对可调 谐f p 滤波器进行实时校准，提高了波长检测的精度。 第四章光纤光栅温度解调系统的光路设计 第四章光纤光栅温度解调系统的光路设计 光纤光栅温度解调系统的光路包括光源、分布式光纤光栅传感器、可调谐 f p 滤波器及光电探测器。 4 1 光源 光源的作用如同电源在电路中的作用，光源的稳定性和准确度在很大程度 上决定了光纤光栅传感器的准确度。目前，光纤光栅传感系统中常用的光源主 要有超辐射发光二极管s l e d 、半导体激光器l d 、半导体分布反馈激光器d f b 和放大自发辐射a s e 光源等。 温度智能服装光纤光栅温度解调系统采用的是超辐射发光二极管，它具有 单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点。超辐射发光二极管是 具有内增益的非相干光发射器件。这种光源兼具半导体激光器输出高功率和发 光二极管输出宽光谱的特点。它的优点是相干长度短，降低了由光纤圈中的瑞 利背向散射和非线性光克尔效应引起的噪声，有较高的输出功率和较小的光束 发散角，提高了耦合入尾纤的功率和系统的信噪比。正是由于超辐射发光二极 管的这些特有性能使其成为光纤光栅解调系统的标准光源。 本文选用深圳众望达光电有限公司生产的z l s s l e d 宽带光源，外形如图 4 1 所示。中心波长为1 5 4 5 n m ，光输出功率典型值为ll m w ，输出功率稳定性 为4 - 0 0 1 d b ，返回损耗为4 5 d b ，温度稳定性达0 0 5 。该超辐射发光二极管光 源是专为o c t 、传感、测试测量应用设计的，使用时电流和温度被精确控制， 从而达到较高的功率和光谱稳定性。 图4 1z l s s l e d 宽带光源 1 5 天津工业大学硕七学位论文 4 2 分布式光纤光栅传感器 在医学应用中，传统的温度检测方法是选用热电偶或热敏电阻作为温度传 感器。随着医学的发展和科学的进步，使用高频电流、微波和激光进行热疗法 代替外科手术越来越受到医学界的关注，超声波输出的增大和密度的拓宽成为 医疗应用的一种趋势。于此同时高频电流、微波、超声波等对人体温度检测的 精确度带来了巨大的影响。因此，光纤光栅作为温度传感器在医学中的应用得 到了人们广泛的关注。 本文选用光纤光栅作为人体温度传感器，外形如图4 2 所示。光纤光栅是 利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，将其做成波长选择反射 器和带阻滤波器。光纤光栅作为温度传感器具有以下几个优点：第一，光纤光 栅传感器是现今能够做到最小的传感器，这在医学应用中是非常有意义的；第 二，光纤光栅传感器安全系数高，对人体组织的伤害非常小，足以避免对正常 医疗过程的干扰；第三，光纤光栅传感器抗干扰能力强，灵敏度高，动态范围 大，能够实现对人体温度的精确测量；第四，光纤光栅做温度传感器无需光纤 连接器、机械装配、研磨工艺和对准工艺，易于制作灵巧结构的光纤传感器网 络。 图4 2 光纤光栅传感器 由于人体温度检测需要获得一个具有一定跨度范围的温度场的信息，使用 传统的单点移动式或者由多个单点组成的准分布式传感方式不仅耗时，而且布 线也很困难，其性价比很低，使用分布式光纤光栅温度传感器显然可以有效提 高检测效率。 本文使用了同项目组成员增敏封装后的光纤光栅温度传感器。使用不饱和 聚酯树脂，过氧化甲乙酮，环烷酸钴液三种化合物混合而成的聚合物对光纤光 第四章光纤光栅温度解调系统的光路设计 栅进行封装。这种聚合物具有大热膨胀系数，固化时间短，防水性好等特点， 能够大大提高光纤光栅温度灵敏度系数。 4 3 可调谐f p 滤波器 可调谐f p 滤波器是光纤光栅温度解调系统的重要组成部分，其外形如图 4 3 所示。可调谐f p 滤波器可以看作是一个窄带滤波器。宽带光入射到f p 滤 波器，只有满足相干条件的某些特定波长的光才能被透射过去，起到了光波选 择的作用。 图4 3 可调谐f p 滤波器 f p 腔是可调谐f p 滤波器的重要组成部件，其结构图如图4 4 所示。构成 f p 腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个在其背面贴有一个压电陶瓷 ( p z t ) 。压电陶瓷能够将电能转换为机械能。当有控制电压施加在压电陶瓷上 时，它将发生形变，从而改变f p 腔的腔长，使透过f p 腔的光的波长发生变 化。 压电体 图4 _ 4 可调谐f p 腔结构 探测器 在光纤光栅传感中，可调谐f p 滤波器作为解