（精密仪器及机械专业论文）基于DSP的FBG波长解调仪的研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

基于d s p 的f b g 波长解调仪的研制 摘要 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的种新1 q 传感技 术。光纤光栅制作方法的成熟使得光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g 窖c h t j n g ，f b g ) 传感j “泛应用于j ：稃 技术领域中对温度和戍变的高精度测母。波欧解调技术是f b g 传感器在i ：程技术领域应用的关键技 术，也是f b g 传感技术实辟j 化的重点年雉点之一，因此设计实h j 化的波长解调系统具有重要的意义。 本文系统阐述了f b g 的传感原理，对国内外f b g 波长解调技术的现状进行了深入的分析，在 此基础上提出并实现了一种基于可调谐法珀( f a b 妒p e r o t ，f 口) 滤波器的f b g 波长解调系统设计方 案。由于可调谐f p 滤波器输入输出特性具有1 # 线性，且随时间，温度发生变化，因而系统中加入 透射烈、热稳定标准具和参考光栅对其进行实时标定。在一个扫描周期中，标准具透射等间隔的波 峰，通过测量每个扫描周期标准具的输出波峰，即可对可调谐f - p 滤波器进行标定。 系统使娟d s p 作为主控处理器，输出扫描驱动信号作用予可调谐f - p 滤波器，对其输出光信号 的波长进行选通，并对传感通道和标准具通道的反射波峰进行采样。对采到的原始信号进行巴特沃 思数字滤波，并采用质心法查询反射波峰的布拉格波长，以提高波长检测精度。最后通过u s b 2 o 高速串行口将处理结果传送给p c 机，由p c 机进行进一步处理，并显示传感光栅、标准具和可调谐 f p 滤波器扫描控制信号的曲线。 文章首先从理论上分析论证了该解调系统的技术方案，设计了相应的光学同路，拟定了系统的 性能指标。然后详细设计了基于1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a 、d a 、u s b 2 o 、内存扩展等处理器接口电路 以及扫描驱动电路和p 接收模块信号调理电路，详细设计了基于d s p 的硬什驱动软什、波长信号 处理软件，并分别在d s p 和p c 机上编写了应用软件。最后对设计的解调系统软、硬件进行调试和 试验验证，并对试验结果进行分析。试验襄明，本解调系统结构简单，解调效果好，数据稳定可靠， 达到实际应川的精度要求。 关键词：d s p ；光纤布拉格光栅：波长解调；法布里珀罗滤波 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o ff b g 硷v e l e n g t h 烈t e r r o g a t o rb a s e do nd s p a b s t r a c t f i b e r 叩石cs e i l s j l l gi san e wt e c l l l l i q i l e ，w i l i c hi sd e w l o p e dr a p i d l yw i 也n 】畦d e v e l 印m e n to f f f b e ro 两c c o m m l m i c 掘o n 如m e1 9 7 0 s ，r h en 均t u r e dt n a n u f a c t i | r eo ff b g ( f i b e rb r a g g ( j r a t i n g ) i m k e si t 诵d e l yu s e d j l lt l l e e n g m e e r i n gd o 嘲j i l f b rl l i g h f e s o i u t i o n 协m p e m m r ea n d s 自f a i nm e 勰m 窃n e n t w h v c l g 吐l d 砌。酗撕o n i s t h e k e y t e c h i q u e 妇妣l 雄s c a l e 聊1 1 c 撕o no f f b gs e n s 慨弧嚣e 锄e t j so f 蓼e 砒 s i 嘶f i c a n c et od e v e l o pap m c 石c a lf b gw a v e l e n g c hd c l l l o d l l l 撕o ns y s t e 皿 1 1 l i sm e s i sd e s c m e d 血e 研n c i p l eo ff b gs e i l s 纽g ，a n da m l 弦e dav a r i e t yo f w a l e n g t hd e m o d u l t i o n 妣 1 1 l i q u e sr e p 他湖倒v e 缸t 1 1 ew o r l d a i la p p r o c ho ff b g 帅v e l e r i g 出i n t e r m g a d o nb a s e do nf 即一t f ( f i b e rf a b r y p e r o tt 1 m a b kf i l t e r ) w 私p r o p o s e da i l dd 哪0 1 1 s 台砒c d t h e 伽t p u t “t i l ef i 甲1 下i sn o l l l i n e 缸 如i 协卸u t ，柚di sc h a n g e d 、v i t ht i m e 锄ds u 订d 岫d 协gt a 坤m 胛，s om er e s u l t so f t h ei n t e 力o 呈芦虹o na r e c t l 柚g e f i l l _ 1 b l v e 吐l i sp r o b l e 啦w ea d d e d 锄a b r f ( a t h e m l a le 像l r e 五姗c ef i l t 盱) a n dar e f 旨印 f b gt om e 证t g a 6 0 ns y s t c m 笛a na c c 哪t er e f h c l l c c w h e n 射m i n 岛血ea e r f0 u 讧m t sas e to f w a v c p e a l ( sw 油f c d 啪v e l 朗g mi n 缸住l ，a n dm e r e b yl h en 彻h n e a rf f p - 邗c 孤b ec a b f a t e de 、唧p 硎0 d d s pp i 踟ls i g n a lp r o c e s s o r ) w 舔u s e d 豁t h em a j 】lc o 咖l 伽峨w 硫hs e n d s 锄m gv o l 协g et o d f i v en l ef f p - t f a 1 1 d “a l s op t 刑伽塔s i g l l a lg a m e r i i i g 柚dp | 嗍s i i l gs y n c b 吼i o l 强l y0 n 曲忙s e n s i r i g c k 删l 锄dt 峙c a l i b 璃t i 日gc h 锄e 1 b u t t 薯孙蛐r 吐ld i g i t a l 丘l l e r i n g 越dc 黜i dw a v ep e a k 出t e c 矗o nw e 辟 l l s e dt oi i n p f o v ef h ew a v e l c r l g md e ! t e c n o na c c u r a c y - t h er 髂u l t sw e r et r ：m s f 打r e dt 0l h eh o s tl ct h m u g h u s b 2 。0i n t e r l c ei nh i g hs p e e dm o d e m 幢h o s tp ci sr e s p o m i b i ef o t 吐忙1 a t e rd a t ap r o c 嘲i n ga r i dp l o t i i 喀 n 砖c u n ，o f s i 鄹眦sr e n e 曲 d b y f b gs 吼s o f s 如d 岫a e 陋 a t 伍鸡t h e 诧a s i b m t yo f 廿艟w a v e 】e l l g mi n t 咖铲6 0 ns c h e n l ew 私卸址y s e d ，a n dt h ec o n s p o r 曲n g c 咄甜o i lo f 啊b e ro p t i c 纠s l e mw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h e i la l lt l l e 撇l o gc i r c u j t s ，d i 舀t a lc j r c l l i t s ， i n t e ：而c e s 柚dd s 王r c l a l e dc i r c l l i 俗w e r ea c c 唧l i s h e d s o 最w a 坤f 打t l l ek m i w a 出 v c ls i g n a lp f o c 髂s i l l g f u n c 6 锄ds o o n w 觞w t t b o m f o r d s pa i l d t h e h o s t p c a “觞t ，t l l ee 印嘶删w 勰m a d c t o p f o v e t 砖 e 丘b c ta n dp c d b r n 娜c eo f f b cw h o l es y s t e | 乱nw 豁p r o v e db ye x i ，e 曲n e mm a t 吐l j sw a v e l e n g mi r l t e r g a t i o n s y s c e mi ss u c c e s s na n db 笛g ( o dp e f f 曲m a n c e h i g hr e s o i u t l o n 矗n d 昏o o dr e p e 融8 b 私t yc a i lb ea c b i e v e db y s i n 事l ec o 蚯g u 删0 1 1 1 ( e y w o r d s ：d s p ；f i b e rb r a g gg m 石1 1 9 ( f b g ) ；w a v e l c l l g md 咖o d u l 咖n ；f a b 口p 州f n t e 血g u 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：辄日 期：划p 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日期：丛旦：i ? 矿 东南大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种新型传感技 术，以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号。作为光波传输媒介，光纤具有一系 列独特的、其它媒介难以比拟的优点。光纤工作频带宽、动态范围大，是一种优良的低损耗传输线； 在一定条件下，光纤容易接受被测量的加载，是一种优良的敏感元件，灵敏度高；光纤本身不带电， 因而抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣环境下使用；光纤体 小质轻，易弯曲，可以做成任意形状，适应任意空间布局，嵌入各种材料( 包括水泥和聚合物为基 础的复合材料) 中：同时，由于光信号的带宽较宽，使用波分复用技术的光纤易于实现分布式传感。 所以光纤传感技术己成为当今世界传感技术的研究热点。 光纤布拉格光栅( f i b c rb r a g gg m t i i l g ，f b g ) 传感是一种目前得到蓬勃发展的光纤传感技术。 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人首次观察掺锗光纤的光敏性，并采用驻波干涉法制成了 世界上第一个光纤光栅。这种方法写入效率低，并且光栅周期完全取决于入射光的波长，因此并未 引起人们的广泛关注。光纤光栅的研究度过了相对沉寂的十年，1 9 8 9 年美国东哈特福德联合技术研 究中心的g m e k 等人用2 “n m 紫外光横向侧面曝光法成功地制成了光纤光栅，克服了驻波干涉 法的缺点，从而在世界范围内掀起了光纤光栅的研究高潮。此后不久又出现了更加有效的相位掩模 法闭和光纤光栅的在线写入法l i j ，光纤光栅制作方法的成熟推动了光纤光栅应用技术的发展，使得光 纤光栅广泛应用于工程技术领域中对温度和应变的高精度测量。 近几年来，随着我国国民经济的迅速发展，城市与工业基础工程建设发展迅猛。各种重大工程 结构如高层建筑、超高层建筑、铁路、公路、桥梁、水坝、港口、航道、输电、输油网络系统等层 出不穷，对这些大型工程的健康诊断和安全监测嘲一直是国内外工程领域广泛关注的重要课题。几 乎所有大型工程结构都要采取措施进行温度、应变控制，减小结构内部温度梯度，防止裂缝，确保 安全。及时、准确地获取结构内部的湿度和应变信息成为大型工程安全运行的关键。在光纤传感器 出现并实用化之前，常规工程监测技术多以点位式、电测电传方式为主。这些技术存在着许多问题， 如测点物性的影响、耐久性及稳定性差、易受强电磁场干扰、难以构成分布式测量系统等，因此传 统的测量手段不能全面、方便地对工程结构的健康状况进行监测。基于f b g 的光纤应变和温度传感 器是一种极具代表性的新兴传感机理和传感结构。它是通过对在光纤内写入的光栅反射或透射光谱 布拉格波长的检测，实现被铡结构的应变和温度量值的测量。可广泛应用于对大坝、桥粱、矿井等 大型工程结构中的应力、应变、温度参数以及对结构徐变、裂逢、整体性等结构参数的实时在线监 测，可实现对工程结构内多目标信息的监控和提取，对于保证结构的可靠性、安全性、稳定性具有 举足轻重的作用。它的出现和应用己引起人们的高度重视，并被应用于一些试验工程的监测。 1 2 国内外发展现状 近l o 多年来f b g 传感器的实用化得到了快速的发展，由于f b g 传感器被证实能对多种物理变 量进行测量，其应用覆盖了民用工程结构、航空航天、船舶航运、电力工业、石油，化学工业、医 学、核工业等各个重要领域【4 】。这些重大工程结构的健康诊断和安全监测一直是国内外= 程领域广 泛关注的重要研究课题。 第一章绪论 美国是研究光纤传感器起步最早，水平最高的国家。在早期，他们的研究和开发主要集中于军 事应用方面，包括：用于水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感嚣、光纤陀螺、用于核 辐射检测的光纤传感器等。这些研究分别由军方和国家宇航局( n a s a ) 的有关部门负责，并得到 许多大公司的资助。近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点己向民用领域转移，民 用光纤传感器的产量己大大超过军用传感器。如运用光纤传感器监测电力系统的电流，电压、温度 等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的很多大 学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经 费开展光纤传感器的研究与开发。各国的科研机构和大型企业积极参与光纤传感器的研发和市场竞 争，主要包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。在他们的努力之下， 不少光纤传感器系统已经实用化。加拿大多伦多航空研究院光纤灵巧结构实验室和安大略e 1 e c n d p h o t o l l i c s 公司将他们研制的f b g 传感器及其解调系统用于1 9 9 3 年建成通车的加拿大b e d d i n g t o n t 阻n 大桥的应力监测p j 。德国西门子公司正在将光纤光栅传感器用于气冷涡轮发电机定子温度的测 量。法国的c e a l e l l 、e d f 和f r a n 硌t o m e 开发了布拉格光栅变形测量仪，用于核电厂的混凝土 测量【7 j 。n a s a 也计划采用f b g 传感器监测用石墨环氧树脂复合材料制作的航天器液体燃料箱的结 构完整性并己进行了初步试验。 我国在7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前已有上百个单 位在这一领域开展工作，如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九 院等。他们在光纤传感领域进行了大量的研究，取得了很多科研成果，其中部分研究成果具有较高 的实用性。国内近期大力发展基础建设，给光纤光栅传感带来应用空间。使其在商品化、产业化方 面取得较大成果。但与欧美发达国家相比，我国的研究水平还有较大差距，主要还是表现关键器件、 关键技术在实用化和产业化方面远不能满足工程应用的要求，较多的研究停留在实验室阶段，难于 投入批量实际应用，不能满足市场需求。因此，加强光纤光栅传感系统的研究，特别是f b g 波长解 调等关键技术的研究及其实用系统的设计具有十分重要的现实意义。 1 3 光纤光栅传感技术的应用前景 ， 光纤传感技术有这么多显著的特点，从军工到民用都有很广泛的应用，其应用前景非常巨大。 由于光纤传感技术本身所具有的特点，市场应用”主要集中在以下几个方面。 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重要的，通过测量建筑物的分布应交， 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另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个 网络对结构进行分布式检测，传感信号可以传输很长距离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的最重要手段。 航空航天业是一个使用传感器密集的领域。一架飞行器为了监测压力，温度、振动、燃料液位、 起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过1 0 0 个，因此传感器的尺寸和重量 变得非常重要。光纤光栅传感器只有l 根光纤，敏感元件( 光栅) 制作在纤芯中，从尺寸小和重量 轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤光栅传感技术非常重视， 仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的技术专利p j 。 在光纤光栅传感器应用方面，唯一可以和飞行器相提并论的就是船舶了。随着船载控制系统复 杂性的不断增加，要求有越来越多精巧的传感器引入整个船舶。现代船用传感器中多达9 0 是压力 或温度传感器，通过选择适当的封装和衬底材料可以将光纤光栅应变传感器转变成温度和压力传感 器，利用波分和时分复用原理，一个探测系统的光纤光栅传感器数璧可以多达数力个。 2 第一章绪论 电力工业中的设备大都处在强电磁场中，一般电学传感器无法使用。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、高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数 的实时测量，这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积小、而且是无源器件，光纤光 栅传感器是进行这些测量的最佳选择。 石化工业属于易燃易爆的领域，电学传感仪器用于诸如油气罐、油气井、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。 1 4 论文的主要内容 本课题主要从事基于d s p 的光纤布拉格光栅波长解调仪的设计与研究。整个研究重点首先是波 长解调方案的设计和光学器件的选择，然后是系统的软、硬件实现，最后是光路连接和系统测试。 主要内容包括以下凡方面： 1 )查阅资料，研究f b g 传感原理，针对系统要求选择f b g 传感系统的波长解调方案，对解调方 案进行论证。 2 )选择光路中所要用到的光学器件，并按照解调方案配置光路。 3 )基于d s p 的系统硬件设计，主要包括处理器外部扩展电路及存储分配、系统电源与复位电路设 计、可调谐法珀腔滤波驱动电路、光电检测和信号调理电路、高速串行口通信电路等模块的设 计。 4 )基于d s p 的系统软件设计，主要包括软件框架与流程、d s p 硬件初始化、内存分配、f l a s h 引 导以及执行代码优化、d a 扫描驱动模块、a d 采样模块、巴特沃思数字滤波，布拉格波长检测、 u s b 通信模块驱动、串行通信协议以及应用程序的编写。 5 )最后进行系统调试，将光路部分和电路部分整体集成，并连接温度传感器进行传感系统测试， 对测试结果进行数据分析。 3 东南大学硕士学位论文 第二章光纤布拉格光栅传感原理 2 1 光纤光栅传感基础 光纤( o p t i cf i b “) ，光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂敷层和护套构成，是一种多层介 质结构的对称柱体光学纤维。纤芯和包层是光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用，涂敷 层和护套用于隔离杂光，提高光纤强度，保护光纤。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技 术的发展而迅速发展起来的一门以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传 感技术。在光的传输过程中，光纤易受到外界环境( 如应力、温度等) 的影响，从而使传输光波的 强度、波长、相位、频率、偏振态等参量发生变化，这种变化实质上是外界信号对光纤中传播的光 波实施调制。在解调区通过监测这些参重的变化可以解算出待测物理变量。 外部信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系，可以 将光纤传感器可分为两大类【l ，一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能进行调制制成的，称为 功能型传感器( f 1 1 1 1 c 6 0 lf i b e r ) ：另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，外部信号通过外加调制装 置对进入光纤中的光波实施调制，称为菲功能型传感器( n o nf u n c t i o m 】f i b 日) 。根据被测物理变量 的不同，光纤传感器可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动，应变、电压、电流、 磁场、化学量、生物量等，目前已经实用的光纤传感器可测量物理变量达7 0 多种。根据封装结构的 不同光纤传感器又可分为表面式和埋入式。 根据外界信号调制的光波的物理特征参量变化情况，可以将光波的调制分为光强度调制、光频 率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制五种类型”。外界信号( 被测量) 通过选频、滤波等 方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调制方式称为光波长调制。 近年来迅速发展起来的光纤光栅滤波技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。 2 2 光纤布拉格光栅传感原理 光纤光栅是利用掺杂( 如锗、磷等) 光纤的光敏性，通过某种方法使外界入射光子和纤芯内掺 杂粒子相互作用导致纤芯轴向折射率的周期性或非周期性永久性变化，从而形成空间的相位光栅j 。 用两个紫外光束形成的空间干涉斑纹照射光纤，这样就在纤芯生成了永久的周期性折射率调制。根 据光纤光栅周期a 的长短不同，周期性光纤光栅分为短周期光纤光栅、长周期光纤光栅两类。短周 期光纤光栅就是光纤布拉格光栅其反射光的中心波长就称为布拉格波长。布拉格波长会随外界温 度或者应变的影响而变化，这是其工作的基本原理。对其它各种物理变量的传感都是在对应变和温 度的传感的基础卜衍生出来的，例如基于f b g 传感器的应变传感功能结合辅助敏感元件的使用f b g 传感器即可用来传感压强、流量、位移等物理参量。 光纤布拉格光栅传感的基本原理是：宽带光信号经过光栅时，入射光能在相应频率上被反射回 来，其余光谱1 i 受影响，这样光纤布拉格光栅就起到光波选择反射镜的作用。当光栅周围的待测物 理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光纤布拉格光栅反射波长的位移， 通过检测并计算布拉格波长的位移郎可获得待测物理量的变化，如图2 1 示。 4 笺三兰垄堑查丝塑垄塑堡壁垦翌 根据模式耦合理论，f b g 的反射波长可由以下方程表示为： 乃= 2 。a 反射光带宽( 半峰值带宽) 为： 一眵( 卅” = 叫：等) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中a 为光栅周期哆咿为反向耦合模的有效折射率，三为光栅长度，t 为纤芯折射率起伏， 啊为纤芯折射率，由于光栅周期a 是是沿光纤轴向分布的，因此在外界信号如温度场、应变场的作 用下，光纤将产生轴向应变和折射率变化7 0 ，光栅周期亦随之变化a a ，式2 】进行微分得： 乃2 2 从+ 2 人勺 ( 2 4 ) 由弹性力学可知，光纤光栅中心波长丸随温度和轴向应变的变化可表示为： ， 以= 五 1 一f ! 乒 a ：一( a + a ：) 气+ 如( 口+ 善) 丁 ( 2 5 ) l一 j 式2 5 中毛为轴向应变，a i 和p 1 2 为光纤材料的光弹性系数，为光纤材料的泊松比，口为 光纤的热膨胀系数，舌为热光系数，r 为温度变化量，对于锗硅光纤，把材料的各特性参数代入 如= 厶( 1 一只) 厶+ 乃( 口+ 善) ，( 2 6 ) 光栅周期a 或有效折射率”改变时，f b g 反射中心波长会产生相应的移动，因而任何使这两 个参量发生改变的物理过程都将引起f b g 反射波长的偏移。引起这两个参量发生改变的物理过程主 要是应变和温度，因此通过对f b g 反射波长进行检测，解调出波长变化以，即可获知结构的温度、 应变等外界条件的变化。 5 第二章光纤布拉格光栅传感原理 由公式2 6 可得，温度变化引起的布拉格波长漂移为【。： 丑= 砧( 口+ 善) r = 足以， ( 2 7 ) 式2 7 中丑为温度变化引起的波长漂移，以为光纤光栅不受应变作用下的中心波长，k 为光 纤光栅相对温度灵敏度系数。在通常情况下，当光纤光栅材料选定后，温度灵敏度系数置保持常数。 对于熔融石英光纤，茁= o 6 9 6 5 ，若光橱的中心波长取为1 3 0 0 唧，可计算出光纤光栅在单位温度变 化引起的波长漂移为9 1 p 州。 由公式2 6 可得，应力应变引起的布拉格波长漂移为： 疋= 以( 1 一弦= 置如毛 ( 2 8 ) 式2 ，8 中丸为应变引起的波长漂移，以为光纤光栅不受应变作用下的中心波长只为光纤的 弹光系数，占为外加轴向应变，足为光纤光栅相对应变灵敏度系数。在通常情况下，当光纤光栅材 料选定后，应变灵敏度系数足保持常数。对于熔融石英光纤，足：o ，7 8 4 ，若光栅的中心波长取为 j 3 0 0 n m ，可计算出光纤光栅单位纵向应变引起的波长漂移为1 0 2 p 耐l 矿， 由上面的公式可知，布拉格波长偏移以与f b g 所受的轴向应变占。和温度变化量r 成线性关 系。只要能够测出以，就可以解算出f b g 的轴向应变和温度变化量。 2 3 光纤布拉格光栅波长解调方法 实际应用中，光纤光栅传感信号解调通常可分为两部分：一部分为光信号处理，完成光信号到 电参量的转换；另一部分为电信号处理，完成对电参量的运算处理。其中，光信号处理，即传感光 栅中心反射波长的跟踪分析，是其核心部分，很大程度上决定了解调系统的分辨率、可靠性和成本。 因此工程实际应用中如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移是光纤布拉格光栅传感器实用化面 临的关键问题。最直接的布拉格波长偏移壁检测方法是光谱分析仪检测法，但是这种仪器体积大、 需要频繁校准、结构复杂、价格昂贵，不适用于工程实际测量。为此，发展了多种技术用于波长的 解调，常用的主要有以下几种类型：匹配滤波法、边缘滤波法、干涉法和可调谐滤波法。 2 3 1 匹配滤波法 匹配滤波法f 1 ”是利用两个参数完全相同的光纤光栅：传感光栅和参考光栅。参考光栅和p z t 压 电陶瓷紧贴在一起。参考光栅在p z t 的调谐作用下使其反射波长跟踪传感光栅的反射波长变化，在 某个时刻和传感光栅的反射波长一致，从而实现参考光栅对传感光栅信号的解调。 图2 2 反射式匹配滤波法解调原理图 6 第二章光纤布拉格光栅传感原理 匹配滤波法分为反射式与投射式两种，图2 2 所示为反射式匹配滤波法原理图。传感光栅的反 射光入射到参考光栅上，当参考光栅反射波长与传感光栅反射波长致时，光被反射而没有透射。 通过测量最大反射功率便可测出传感光栅的波长移动量。当参考光栅和传感光栅反射波长一致时， 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。透射式与反射式的区别在于：光电探测器不是放在接收反射光的位置，而是放置于接收透射 光的位置，通过检测透射光的有无来确定是否匹配，从而避免了测量光强微弱的信号。反射式匹配 滤波法的精度受光源稳定性和外界干扰的限制，对探测器的精度要求较高，而这些问题在透射式匹 配法中是不存在的。另外反射式还比透射式多个光耦合器，光能损耗较大。 2 0 2 干涉解调法 滤波解调法虽然简单，但很难进一步提高传感精度。基于干涉的解调方法却具有较高的精度， 用这种方法可以大大提高传感分辨率。常用的干涉解调法有迈克尔逊干涉法【“】和非平衡m z 干涉法 。迈克尔逊干涉法的原理是将来自传感光栅的波长信号转变为相位信号，再通过测量相位的变化 来确定待测物理量的大小，如图2 3 所示。 图2 3 迈克尔逊干涉法解调原理图 来自传感光栅的光波经3d b 耦合器进入迈克尔逊干涉仪，其短臂缠绕在受锯齿波信号驱动的压 电陶瓷上。光波传输至尾端反射镜后再返回至3 d b 耦合器汇合相干，形成的干涉条纹由探测器接收 变为电信号，适当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。调 整驱动信号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 计的显示值与施加在传感光栅上的待测应变大小有关，这样，就可以据此解算出传感光栅的应变。 3 d 竺竺墨 传感光栅 r 、 。 蛐艴遗一 啪l兰丁 7 第二章光纤布拉格光栅传感原理 1 9 9 2 年，a d k 目y 等人提出非平衡m z 干涉解调法。非平衡m z 干涉法克服了迈克尔逊干 涉法回波干扰的缺点，因而在传感技术领域得到比迈克尔逊干涉解调法更j “泛的应蜊。其原理如图 2 4 所示。宽带光源发出的光波经过3 曲耦合器入射到传感光栅上，被反射后经过另一个3 曲藕合器 分为光强l ：1 的两柬光分别进入非平衡m - z 干涉仪的信号臂光纤和参考臂光纤。崮定中心波长的光 波通过非平衡m - z 干涉仪时，将产生与波长成反比的相位差，这个相位若为： 毋( 五) = 2 砌j 兄砧 ( 2 9 ) 式2 9 中玎d 为光程仪的光样差，允为传感光栅反射波长偏移，厶为传感光栅特征波长。这样 光电探测器出来的光信号经过相位解调后就可以解算出波长变化馕。 2 3 3 边缘滤波法 边缘滤波法【i ”是利用波分耦合器的特殊传输特性来测量光纤光栅的波长变化。波k 为1 5 2 0 1 5 6 m m 的范围内，波分耦合器的效率与波长基本景线往关系，因而可以利埘该特性来测量波长的变 化，测量系统原理如图2 5 所示。宽带光源发出的光波被传感光栅反射回来后进入3 d b 耦合器，耦 舍器的出射光分为两束( 这两束光的功率与入射光的功率比在同一坐标系f 形如x ) 。这两柬光通过 光电探测器变成电信号，经过处理后消除光功率变化的影响，最后得到波长的变化景。这种方法的 处理电路极为简单，但由于受器件传输特性的影响，测量分辨率较低，为一些对测量分辨率要求不 是很高的场合提供了种结构简单、性能价格比很高的测量方案。 2 3 4 可调谐滤波法 图2 5 边缘滤波法解调原理图 基于可调营f a b r y p e f o t 滤波的波长解调法f l7 】的主要部件是可调凿f a b 妒p 啪t 滤波器，其核心单 元是一个法珀腔i l m 。在一定波长范围内若以平行光入射到法珀腔，则只有满足相干条件的某些特 定波长的光才能发生干涉。产生相干极大。利用法珀腔的这个特性可以对f b g 传感器的反射波长进 行检测，如图2 6 所示。 从光纤入射的光由透镜l l 变成平行光入射到法珀腔，出射光经透镜l 2 汇聚到光电探测器上。 构成法珀腔的两个高反射镜一个固定，另一个可在外力的作用下移动，其背面砧有一个压电陶瓷。 由于压电陶瓷具有很好的电能。机械能转换特性，在外加电压的作用卜可产生形变，因此可用其作为 法珀腔的驱动元件。法珀腔相邻两条出射光线之间的相位差为： 占：2 2 石兰丝：型 旯兄 8 ( 2 1 0 ) 第二二章光纤布拉格光栅传感原理 图2 6 法珀腔结构原理图 式2 1 0 中 为法珀腔折射率， 为两个高反射镜之间的距离，名为入射光波长。可见，相位芳 万是 和允的函数。由于多光束干涉，使得在一定光谱范围内只有某些特定的波k 兄附近出现极人。 给压电陶瓷施加一个扫描电压压电陶瓷产生伸缩，从而改变法珀腔的长度 ，使出射的极人波长五 发生变化，从而实现对波长的连续扫描。 由以上分析可知，通过电控压电陶瓷改变可调谐滤波器中的法珀腔跃度可以改变滤波器的导通 频带。在调谐控制信号的作用下，滤波器的导遗频带扫描鞋个光栅反射光光谱。由于可调谐滤波器 的导通频带很窄，当滤波器的导通中心波跃与某传感光栅的布拉格波长相等时，只有这个传感光 栅的反射光可以通过可调谐滤波器进入到光电探测器。光电探测器将这一光纡光栅的反射光变换成 电信号，电信号的峰值对应子传感光栅的反射波长。此时给压电陶瓷施加的电压v 就对应着传感光 栅的反射波长。通过这种解调方式，此解调系统能以较高频率进行扫描。在可调谐滤波器的每个扫 描周期中，所有f b g 的布拉格波长能得到快速测定。 2 4 本章小结 本章详细分析了光纤布拉格光栅的传感原理，列举并分析了几种常明的波长解调方法。从中可 以看出，匹珂己滤波解调法原理简单，成本低廉，信噪比高，但该法对光栅匹配要求高，响应速度低， 不适合做高频测量；干涉解调法虽然有高带宽、高解析度的解调能力，但随机相移使得该方法局限 丁测量动态应变，不适于对绝对庶变的测避，且干涉仪相位变化范围决定其测量范嗣非常有隈，并 会出现绝对波k 测量的损耗；边缘滤波法则受器件传输特性的影响，测量分辨率较低。与其它几种 解调方法相比，可调谐滤波法光能利用率高，操作简单，适用范用广，具有较宽的调谐范同，可大 人提高测蛙范围，实现较高的分辨率及铡餐精度。此外，还可以在一根光纤上布置多个传感光栅 构成多点传感网络。所以，可调谐滤波法也是本文所选择的波长解调方法。 东南丈学硕士学位论文 第三章波长解调系统方案设计 上一章详细讨论了几种常见的波k 解凋方法，这几种方法备有利弊。与其它几种方法相比，可 调谐滤波法光能利f h 率高，操作简单，适h j 范阐广，具有较宽的调谐范闱，可夫人提高测簧范围， 实现较高的分辨率及测量精度，片h 易f 组成多点f b g 传感网络，所以最终决定采h j w 凋谐滤波法。 下面将分别介绍两种基_ - 可凋谐法珀腔滤波器的解调方案，给出它们的系统连接光路指出这两种 方案的优点和缺陷，对其缺陷说明解决方法，最后给i l j 综合前两种方案优点的第一i 种方案。需要说 明的是，基丁j 可调谐滤波的解调方法，其具体的实现方案有很多种，并不局限丁卜面论述的这乏种。 3 1 波长解调方案一 第一种解调方案是可调谐法珀腔滤波法最基本的解决方案，后面两种方案都是在第一种方案的 基础上衍生出来的，其系统光路连接如图3 1 所示。 s n 光隔离器3 曲藕合嚣 s 一，l 谓r 1 至塑兰辈鍪墨l l 谐i 嚣l 荤 f 售ji l 号卜 面赢r 卜_ 1 圈 图3 1 波长解调方案一 宽带光源发出的宽带光，经过光隔离器和3 d b 耦合器照射在同一根光纤上的多个传感光栅上， 传感光栅反射回的一串窄带波峰经过3 d b 耦合器进入导通频带可调的法珀腔滤波器，调谐控制信号 通过压电陶瓷改变法珀腔的长度来改变可调谐滤波器的导通频带。在调谐控制信号的作_ 【i j 下，滤波 器的导通频带扫描所有传感光栅的反射光谱。如果可调谐滤波器的透射波k 与某个传感光栅的反射 波长重台，则探测器能探测到最大光强此时给可调谐滤波器施加的控制信号电压就对应着该传感 光栅的反射波长。由丁可调谐滤波器的导通频带很窄，仅此一个传感光栅的反射光通过可凋谐滤波 器进入光电探测器，光电探测器将这一传感光栅的反射光变换成电信号，电信号的波峰对应于这个 传感光栅的布拉格波长。在可调谐滤波器的每个扫描周期中，所有传感光栅的布拉格波长能得到快 速测定。任何对f b g 的激励影响，如温度或应变，都将导致这个布拉格波k 的改变。这样只要得 到布拉格波长的偏移量，就可以计算出外界待测物理变量。 但是这种最基本的可调谐f p 滤波解调方案存在一个很大的缺陷，缺陷来源丁系统中的一个重 要部件，可调谐法珀腔滤波器。理想的法珀腔是一个比例传输环节它可将输入的电压信号波形无 畸变地转换为扫描高反射镜的扫描位移输出，所以，理论上说来可调凿法珀腔滤波器应该具有线性 的输入输山关系。但事实j = ，可调谐滤波器的输入、输出关系并不是线性的，而是警一定的非线性， 如图3 2 所示。豳中输入为调谐控制电压( 单位：v ) ，输出为滤波器导通波挺( 单位：i n l l ) 。导致 可调谐滤波器的这种苷线性的具体原因如r ： l o 第三章在线标定的波长解调方案设汁 图3 2 可调谐滤波器的非线性特性 1 ) 实际的法珀腔是一个多阶系统，对许多参数都十分敏感，对于时变的输入信号，法珀腔的扫描 输出因外部动态特性的影响，将出现输入、输出波形之间的畸变，影响其扫描性能。法珀腔自 身的动态特性将给滤波器的扫描动态性能带来误差，影响其动态扫描性能。 2 )同时，滤波器机械结构的力学特性梅对p z t 扫描的动态性能产生较大的影响。滤波器的机械结 构部分构成一个质量、弹性的二阶系统，其动态特性对扫描性能的影响是对输入信号产生传输 畸变，使输出的扫描波形畸变，对于随时问线性变化的输入信号波形而言，这种畸变将使p z t 的扫描位移输出波形不再是线性时变的，引起p z t 扫描的非线性误差。 3 ) 此外，扫描驱动部件( 压电陶瓷) 存在不稳定现象其驱动特性会随时间、温度等发生变化。 综上所述，这种波长解决方案和其它使用光学滤波器的类似解调系统中的存在一个难点，就是 如何使光学滤波器保持稳定，且扫描是线性的，从而完成对传感光栅反射波长的精确解调。 3 2 波长解调方案二 如果在系统中添加一个精确、心定的参考，那么系统获得的数据将不会因滤波器的固有特性随 著时间或温度的变化而变得不可靠，从而可以完成对传感光栅反射波长的精确解调。由此产生的第 二种解调方案如图3 3 所示。 图3 3 波长解调方案之二 基本光路连接和第一种方案一样，只是在方案一的基础上加入一个宽带光源和一个标准具以提 供另一路标准信号。标准具输出若干等间距的波长信号，片j 来对可调谐法珀腔滤波器的输出进行校 准和线性拟合，校准冈温度等影响而引起的波长变化。关于标准具原理的详细介绍见第六章的标准 具标定原理一节。 第三章在线标定的波长解调方案设计 在该方案中，宽带光源l 发出的光信号通过3 d b 耦合器入射剑传感光栅，反射回可调谐f 巾滤 波器，这一部分与第一种解调方案相同。宽带光源2 发出的光信号直接八射到透射型标准具，标准 具输出的等间隔波峰和传感光栅的反射波峰番加起j ，| ，通过可调谐滤波器选定输出波长。这样，可 以通过标准具输出的等问隔波峰对可调谐滤波器的进行标定，进行非线性拟台，从而提高波长解调 的精度。问题是，在标准具的波长导通范嗣内，等间隔输出波峰的起点不容易找到，缺少一个参考 点；而且由于激光二极管比较昂贵，所以两个光源导致该方案成本也坡高。 3 3 波长解调方案三 前两种波长解调方案都存在其一定的问题，第一_ 种方案无法避免滤波器的菲线性，第二种方案 缺少参考点，而且成本较高。因此本文没有采用这两种方案，而是综合了二二者的妖处，克服了他们 的缺陷，设计了第三种波长解调方案。由丁可调谐f p 滤波器的输入输出特性是非线性的，会随时 间、温度发生变化，因而系统获得的数据将随着时间或温度变化而变得不可靠。所以，需要使用 个精确同定的参考对每个扫描周期的测量进行标定，从而完成对f b g 反射波长的精确解调，这就是 在系统中加入标准具和参考光栅的原冈。在一个扫描周期中，标准具透射等问隔的波峰，通过测晕 每个扫描周期标准具的输出波峰，即可对可调谐f a b r y p e r o t 滤波器进行标定；参考光栅反射一个标 准波峰信号，用于确定标准具输出的等间隔波峰的位置。系统光路连接如图3 4 所示。 图3 4 波长解调方案之三 在该解调方案中，宽带光源发出的宽带光直接射入可调谐f 幻r y p 州滤波器，在调谐控制信号 的周期作用下，可调谐滤波器输出与之对应波长的窄带光波，这个周期性扫描的窄波光波经过3 d b 耦合器被分成两个支路。其中一路经过光隔离器和3 d b 耦合器入射到待测传感光栅和参考光栅上。 当入射光扫描到该传感光栅或参考光栅的特征波长时，经光耦台器反射到p 州管( 光屯二极管) ；另 一路光信号经光隔离器和3 d b 耦合器入射到标准具，标准具透射的等间隔波峰进入另一路p 水管， 这一部分的作_ f 是用来对可调谐滤波器进行标定。经过p i n 管光电转换得到的微弱电信号，需要通 过信号凋理电路进行进一步的放人、调理，经过a 仍采样历，由微处理器进行数字滤波、波峰检测 等处理并存储，然后通过高速串行口发送到p c 机，进行后续处理。 第二种解调方案解决了前两种方案存在的问题。同时，标准具和参考光栅组成的标定部分与传 感光栅通过3 d b 耦合器共； i 一个宽带光源，节约了系统成本。 2 第三章在线标定的波长解调方案设计 3 4 光路功能部件的选用 下面针