（精密仪器及机械专业论文）基于时分复用的FBG传感技术研究及信号处理系统设计.pdf

东南大学硕士学位论文 基于时分复用的f b g 传感技术研究及信号处理系统设计 摘要 光纤传感测量技术是一项先进的测量技术，可实现快速、稳定、可靠及高精度的测 量，正成为当前传感技术领域研究的一大热点，在工程领域具有很好的应用前景。光纤 光栅传感器具有体积小、灵敏度高、损耗低、动态范围大、抗干扰能力强、绝缘性能好、 长期可靠性强以及便于实现分布式多点测量等优点。经过几十年的发展，光纤光栅传感 技术已经被应用于如桥梁施工检测、地下矿井安全监测、电力系统温度控制以及医学应 用等诸多领域，并取得了许多成果。随着光纤光栅传感技术的不断发展与完善，光纤光 栅传感器及其传感网络系统将会得到更广泛的应用。 本文主要以光纤光栅的传感技术、解调技术及其传感网络分复用技术为研究对象， 概括介绍了光纤光栅传感技术的发展现状，深入研究了光纤布拉格光栅传感的基本原理 和理论模型，并系统阐述了各种光纤光栅的解调技术及其传感网络复用技术。本文设计 了一套f b g 解调系统的整体方案，建立了一个以马赫一泽德干涉仪为解调核心、时分复 用的分布式传感网络，详细地分析了马赫一泽德干涉仪的相位调制方法及其解调方法。 通过a r m 9 微控制器控制d a 模块输出高性能的扫描信号来控制压电陶瓷，使得马赫一 泽德干涉仪的参考臂上光纤长度发生改变，实现对传感信号进行调制。然后，通过光电 转换得到微弱的电信号，采用高精度的运放对信号进行放大，并使用高速a d 转换器对 信号进行了采样。同时，在软件上实现了对采样数据的滤波处理，通过建立数据库来保 存数据，并编写了嵌入式系统外围的相关芯片的流接口驱动程序。 关键词：时分复用，马赫一泽德干涉仪，f b g ， a r m ，w i n c e 东南丈学硕士学位论文 r e s e a r c ho ff b g s e n s i n gt e c h n o l o g ya n ds i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e md e s i g nb a s e d o nt d m a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rs e n s i n gm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sa na d v a n c e dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , i tc a l lr e a l i z ef a s t ，s t a b l e ，r e l i a b l ea n dh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ，n o wi sb e c o m i n ga m a j o r h o t s p o to ft h ec u r r e n ts e n s o r i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hf i e l d ，i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sh a s g o o dp r o s p e c t s f i b e rg r a t i n gs e n s o r 谢t hm a n ya d v a n t a g e sa ss m a l ls i z e ，h i g hs e n s i t i v i t y , l o w l o s s ，w i d ed y n a m i cr a n g e ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , g o o di n s u l a t i o np e r f o r m a n c e ，l o n g - t e r m r e l i a b i l i t ya n dt of a c i l i t a t et h er e a l i z a t i o no fd i s t r i b u t e dm u l t i p o i n tm e a s u r e m e n t ，e t c a f t e r d e c a d e so fd e v e l o p m e n t ，f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d ss u c h a s b r i d g e c o n s t r u c t i o n t e s t i n g ，u n d e r g r o u n d m i n e s a f e t ym o n i t o r i n g ，p o w e rs y s t e m s t e m p e r a t u r ec o n t r o la n dm e d i c a la p p l i c a t i o n sa n ds oo n ，a n da c h i e v e dm a n yr e s u l t s w i t ht h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to ft h ef i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y , f i b e r g r a t i n gs e n s o r sa n di t ss e n s o rn e t w o r ks y s t e mw i l lb em o r ew i d e l ya p p l i e d i nt h i sp a p e r , w em a i n l yf o c u so nt h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ss e n s i n gt e c h n o l o g y , d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya n di t ss e n s o rn e t w o r km u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y , g e n e r a li n t r o d u c e t h ed e v e l o p m e n to ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y , i n - d e p t hs t u d yo ft h ef i b e r b r a g gg r a t i n gs e n s o r sb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h e o r e t i c a lm o d e l s ，a n ds y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d t h ev a r i o u sd e m o d u l a t i o no ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n ga n di t ss e n s o rn e t w o r km u l t i p l e x i n g t e c h n o l o g y t h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h ef b g d e m o d u l a t i o ni sd e s i g n e d ，am a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e rf o rd e m o d u l a t i o nc o r e ，t i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n go ft h ed i s t r i b u t e ds e n s o r s n e t w o r ki ss e tu pa n dt h em a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rp h a s em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n m e t h o di sd e t a i l e da n a l i z e d t h r o u g ha r m 9m i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o lo fd am o d u l eo u t p u t h i g h - p e r f o r m a n c es c a n n i n gs i g n a l s t oc o n t r o lt h e p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，m a k e s t h e m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rr e f e r e n c ea l t n sf i b e rl e n g t hc h a n g e ，r e a l i z et h es e n s o rs i g n a l m o d u l a t i o n t h e n ，t h r o u g ht h ep h o t o e l e c t r i c c o n v e r s i o n g e t aw e a k s i g n a l ，a d o p t h i g h p r e c i s i o no p e r a t i o n a la m p l i f i e rf o rs i g n a la m p l i f i c a t i o n ，u s eh i g h - s p e e da dc o n v e r t e r s a m p l e st h es i g n a l a tt h es a n l et i m e ，s a m p l e d d a t af i l t e r i n gt r e a t m e n th a sb e e nr e a l i z e di n s o f t w a r e ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fad a t a b a s et os t o r ed a t aa n dp r o g r a mt h es t r e a m i n g d r i v e ro ft h er e l e v a n te m b e d d e ds y s t e mp e r i p h e r a li n t e r f a c ec h i p k e y w o r d s ：t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ，f b g ( f i b e rb r a g g g r a t i n g ) ，a r m ，w i n c e i i 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：圣鳖 日期 硼￥| 7 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 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盟导师签研究生签名：生竺芏 导师签期：塑耻7 第一章绪论 1 课题的背景和意义 第一章绪论 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成员。光纤传 感是以光波为载体，光纤为媒介，来测量外界被测物理量的变化情况。 相比于传统的传感器，光纤传感器的特点主要有： l 、与其它传感器相比，具有很高的灵敏度。 2 、频带宽，动态范围大。 3 、传感探头结构简单、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。 4 、可用相似的技术构成传感不同物理量的传感器，如压力、温度、加速度、位移等。 5 、可复用性强，采用多个光纤光栅传感器，可以构成分布式光纤传感网络。 6 、可靠性好、抗干扰能力强，光纤不会影响光波的频率特性，因而基于光纤的传感器具有很高 的可靠性和稳定性。 在众多的光纤传感技术中，分布式光纤温度传感器系统是光纤传感领域研究的热点之一，温度 是工程技术和科研中十分重要的物理量，因此人们一直在不断研究和发展温度测量技术。在近几十 年的时间里，分布式光纤温度传感技术迅速的发展起来，它是一种用于实时测量空间温度场的光纤 传感系统。 在传统的温度测量系统中大多用热敏电阻、光学高温计等温度传感器，但在某些特殊的工业环 境下，如易燃易爆、高电压、大电流、强电磁干扰等，这些主要靠电信号作为传输媒介的温度传感 器就无能为力了。光纤分布式温度传感器具有防燃、防爆、耐腐蚀和抗电磁干扰等一系列优点。所 以，在些应用环境非常恶劣的领域，光纤传感系统对比于传统传感系统的优势非常的明显。近几 年，分布式光纤温度传感系统，在这些领域中得到了广泛的应用。例如，在油井测量环境中，由于 井下环境非常的恶劣，充满着高腐蚀性的物质，一般传感器很容易被腐蚀而失去作用，光纤传感器 正因为拥有了很强的抗腐蚀能力，使其能在井下长期的生存下去，从而保证了对油井深处各项参数 的实时监测。光纤光栅传感器在航空航天工业中，也有着非常重要的应用。现代航天工业对材料的 要求非常的严格，使用先进的复合材料来制造航空航天结构是一个必然的趋势。与金属材料相比， 先进的复合材料更能抗疲劳、重量更轻、强度一重量比更好、能够制作复杂的形状、而且抗腐蚀， 而在复合材料结构的制造过程中很容易埋入光纤光栅传感器，实现飞行器运行过程中机载传感系统 的实时健康和性能监视，这可以减少飞行器重量、缩短检查时间、降低维护成本，从而改善其性能。 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 应变和温度的光纤光栅传感器网络。 此外，光纤传感器具各的一系列特性，使其可以应用于要求各不相同的各种场合，如煤矿、隧 道的温度自动报警控制系统；油库、危险品仓库、大型客机、货轮等的温度自动检测报警控制系统； 智能大厦、输油管道等在线动态检测和火灾报警。 就我们国内而言，由于前期的不够重视，光纤传感技术发展比较缓慢，在光纤传感的很多关键 技术上，还没有取得重大的突破，与国外还是存在着很大的差距。我们很多的工程检测设备还是依 赖于从国外进口，所以从工程上来研究一个光纤传感系统的实现，对推动我们国内相关检测技术产 业的发展具有积极的意义。 1 东南大学硕上学位论文 近年来，随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式处理器功能得到了显著的调高，嵌入式系统也广 泛应用于各种对可移动性要求很高的行业。其中a r m 系列处理器以其处理速度快、超低功耗、应用 前景广泛和价格低廉等优点，深受广大用户的欢迎。基于a r m 的嵌入式处理系统的开发得到众多软 硬件厂商的支持。本系统就是在以a r m 处理器作为硬件核心的基础上，设计了相关的系统和软件。 1 2 国内外研究动向 国外对光纤传感器的研究主要集中在美国、英国、日本、德国等发达国家。1 9 8 9 年，w w m o r e y 等人在发展紫外光侧面写入光敏光栅技术n 的同时，首次对光纤光栅的温度和应变传感特性进行了 研究，得到了光栅反射波长温度和应变的灵敏度心1 。阵列传感器也是光纤光栅十分重要的应用之一， 目前国外已经开展了广泛而深入的研究，取得了很多重要的研究成果。1 9 9 3 年，a d k e r s e y 等人 利用可调谐法布里一珀罗滤波器检测的方法来实现光纤光栅波分复用传感1 。采用匹配光栅解调的 方法也可以实现光纤光栅分布式传感，这种方法要求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，采用这种方法可以实现波分和时分复用传感系统。 a d k e r s e y 等人还利用非平衡马赫一泽德干涉仪检测的方法来实现光纤光栅时分复用传感。1 9 9 6 年，y j r a o 等人将波分、时分和多路复用技术相结合，组成光纤光栅传感网络，实现了对应力的 分布式测量h 1 。r a oz e n g 等人利用光纤布拉格光栅和非本征光纤法布里一珀罗干涉腔等与其他传感 器结合，实现了温度一静态应变一振动一横向负载四参数的同时测量哺。2 0 0 2 年，y o k a t o 等人应用 机械微弯法制作的长周期光栅实现了分布式压力传感哺1 。 近年来，光纤光栅准分子单脉冲在线写入法的成功，给以上的光纤光栅分布式传感系统提出了 新的挑战。由于批量生产的光纤光栅一般具有几乎相同的中心反射波长和较低的反射率，因此必须 采取新的技术实现分布式测量。针对这种情况，m a r kf r o g g a t t 等人采用快速傅立叶变换光谱的方 法，利用一根光纤中的多个中心波长几乎相同的弱光栅来实现对静态应变的分布式测量，取得了较 好的实验效果。目前这方面研究已经成为光纤光栅传感研究的热点，许多重要的研究成果正不断出 现。 我国对光纤传感器的研究起步也比较早，与先进国家相差在几年之内，但发展缓慢。近几年来， 国内在光纤光栅传感器方面的研究工作也取得了一定成果，其中一部分已经转化为产品，如上海紫 珊光电技术有限公司、哈尔滨工业大学、南开大学及黑龙江大学等。但与先进国家相比，还有一定 的差距。 光纤光栅传感系统的研究面临的技术问题主要有： 1 、光纤光栅的制造。虽然目前光纤光栅的制造技术得到了很大的提高，但如何保持光纤光栅的 时间稳定性，还需要进行进一步的研究。 2 、多点分布、分离和处理技术，分布式传感系统必须具备传感功能和寻址功能。 3 、在一些应用环境中，被测信号既有低频的大信号，又有高频的小信号，解调系统需要具有静 态与动态信号的解调能力。 4 、数据处理技术。由于采用网络化传感技术，数据处理功能应能及时准确地反映出待测点的变 化，以及推测出其变化趋势，实现实时测量与监控。 5 、光纤光栅解调系统的成本在整个传感系统中占有很大的比重，寻求兼顾带宽、解调速度、解 调精度、性价比高的解调方法是实现光纤光栅传感系统实用化的重要途径。 2 第一章绪论 1 3 论文的主要内容 本论文共分为七章，各章节的安排如下： 第一章为绪论，介绍本课题的研究背景和意义，并详细介绍各个章节的安排。 第二章讲述了光纤布拉格光栅的解调系统原理，包括光纤光栅的传感原理、f b g 传感信号的解 调方法以及分布式f b g 传感信号的复用技术。 第三章为f b g 解调系统的设计，论证了光纤布拉格光栅传感系统的整体解调方案，并对主要的 光路器件进行了详细的说明，着重介绍了马赫一泽德干涉仪的调制与解调方法。 第四章为系统硬件设计，重点描述了a r m 核心处理器的功能、输出扫描控制信号产生、数据 采集及信号放大部分内容。 第五章为w i n c e 系统的移植，介绍了w i n d o w sc e 嵌入式操作系统及其定制和移植，并详细说 明了各个主要的配置文件在系统映像生成中的作用。 第六章为系统软件设计，描述了系统的整体软件方案，介绍了流接口驱动程序开发，设计了相 应的流接口驱动程序，并做了数据的分析和用数据库对数据进行了存储。 第七章为总结。 3 东南大学硕上学位论文 第二章光纤布拉格光栅解调系统原理 光纤布拉格光栅( f b g ) 以其独有的优越性在传感领域的应用越来越广泛。与其他传统类型的传感 器件相比，光纤传感器具有可靠性好、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等特点。 光纤光栅测量温度、应变和压力的基本原理是：温度、应变和压力的变化会引起光纤光栅的栅 距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透 射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变或压力信息。 2 1 光纤布拉格光栅传感原理 光纤的光敏性是指光纤的折射率在紫外光的照射下，随着光强发生变化的特性。光纤的这种折 射率变化具有稳定性，可以保持永久性不变。光纤布拉格光栅是利用石英光纤的紫外光敏性，通过 某些工艺方法( 通常是向g e 磁芯光纤照射2 4 0 n m 左右的紫外线) ，使外界入射的光子和纤芯内的掺 杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿光纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间 相位光栅盯1 。光纤光栅结构如图2 1 所示。 入射光 卜一一一一一 反射光 图2 1 光纤光栅示意图 透射光瑚习尤 一一一 光纤光栅必须满足相位匹配条件： ，) # 届一压= a p = 竿 、 ( 2 1 ) a 是光栅周期，届、屈为耦合模的传播常数，前向传播为正，后向传播为负，a p 为耦合模的 传播常数差。根据人的长短不同，周期性的光纤光栅可以分为短周期和长周期两类光纤光栅。对于 短周期的光纤光栅，当广谱光波( 宽带) 在其中传播时，两个反向传播的芯模( 导模) l p o 之间产 生能量耦合，形成特定波长为九的反射波。对于前向传播的l p o l 模届= p o ，对于后向传播的l p o l 模屈号一p o l ，两耦合模的传播常数差筇= 2 p o l ，将这种光栅称为布拉格光栅( f i b e rb r a g g g r a t i n g ，f b g ) 。光纤光栅中光波的传输特性如图2 - 2 所示： 4 第二章光纤布拉格光栅解调原理 图2 2 光纤光栅中光波的传输特性 当有光入射时，f b g 能够反射波长满足布拉格发射条件的特定波长的光。f b g 返回的窄带光波的 中心波长为以( 也称为布拉格波长) 为拍1 ： 如= 2 人 ( 2 2 ) 反射光带宽阮( 半峰值宽度) 为： 6 k = 如 ( 2 - 3 ) 反射率k 为： k = 鼬2 ( 掣4 ， 上式中，是纤芯的有效折射率，l 为光栅长度，瓦为纤芯折射率起伏，碍为纤芯折射率。 f b g 中光波的光谱特性如图2 - 3 所示： 入入 图2 3f b g 中光波的光谱特性 由式( 2 2 ) 可知，光栅的中心波长位移可以表示为： 如= 2 a + 2 人 ( 2 5 ) 布拉格波长取决于光栅周期和纤芯的有效折射率，任何使这两个参量发生改变的物理量都将引 起光栅布拉格波长的改变，通过检测光栅布拉格波长的变化就能够测出物理量的变化。应变和温度 都能够导致人和刀发生变化，当光栅受到外界应变作用时，光栅的拉伸会导致光栅周期人的变化， 同时光弹效应会导致光栅折射率变化，r ；当光栅受到外界温度影响时，由于材料热膨胀，会使光 栅周期人发生变化，同时折射率也会随着温度而变化，以上的变化都将导致布拉格波长漂移。通过 对应变的测量还可以实现对其它物理量的测量，如位移、振动、电磁场等。波长的漂移与应变和温 度的关系如下： 5 东南大学硕士学位论文 掣：( 1 一见) g + ( 口+ 孝) 丁 式中，a z 是轴向应变，a t 是温度差，p c 是有效弹光系数， 和热光系数。波长的漂移与应变、温度的关系可以近似表示为： ( 2 - 6 ) 口和善分别是光纤的热膨胀系数 竺：k a s + k r a t ( 2 7 ) 如 式中，疋，坼分别为应变、温度灵敏系数。由式( 2 7 ) 可知，f b g 的反射波长与温度和应变 都有比较好的线性关系，通过检测反射波长的变化就能够计算出对应的温度和应变的变化。这个就 是f b g 传感器测量温度和应变的基本原理。 2 2 f b 6 传感信号解调方法 光纤光栅传感器的信号解调技术就是精确测量信号偏移的技术，而传感系统中被测物理量所引 起的波长偏移通常作为整个光纤光栅传感系统的输入信号，因此，如何测量布拉格光栅波长的微小 变化成为整个光纤光栅传感系统的关键问题。 对光纤光栅传感器的波长变化最直接的检测方法就是用光谱仪检测输出光的以。但是受到分 辨率等因素的影响，传统的如以衍射光栅为基础的光谱仪分辨率低，不能满足要求。但高精度的光 谱仪价格又相当的昂贵，且体积庞大，不适合于户外的现场检测。此外，用光谱仪无法直接获得对 应所测参量的大小。为此，发展了多种技术用于光纤光栅传感信号的解调。归纳起来，解调技术主 要有以下几种方法：匹配光栅调谐滤波法、边缘滤波法、马赫一泽德干涉仪法、可调光纤法布里一 珀罗腔法、锁模调制法、可调窄带光源检测法等。 下面对这些方法做简单的介绍。 l - 匹配光栅调谐滤波法 匹配光栅调谐滤波法是利用一个参考光栅，在驱动元件的作用下跟踪传感光栅的波长变化，使 得参考光栅的反射波长在某个时刻或某段时间内和传感光栅的反射波长一致，实现参考光栅对传感 光栅信号的解调。如 虱2 - 4 所示为匹配光栅调谐滤波法 9 1 。宽带光源发出的光经第一个耦合器进入传 感光栅，从传感光栅反射后形成的窄带光波经第二个耦合器到达可调谐滤波参考光栅。经参考光栅 反射后，再经第二个耦合器到达光电探测器转换为电信号。该传感方法结构简单、造价低廉，测试 结果不受光源谱线包络可能存在的精细结构叠加的影响。该方法的不足之处在于：由于信号光经过多 个耦合器到达解调光栅，信号的衰减比较厉害，最终导致系统信噪比下降。 i 考f b g 图2 4匹配光栅调谐滤波法示意图 6 第二章光纤布拉格光栅解调原理 2 边缘滤波法 根据波分耦合器的传输特性【10 1 ，在1 5 2 0 1 5 6 0 n m 的波长范围内，耦合器的效率与波k 基本呈线 性关系，因而可以利用该特性来测量波长的变化。其测量原理如图2 5 所示，宽带光源发出的光被传 感光栅反射回来后进入耦合器，耦合器的出射光分为两束( 这两束光的功率与入射光的功率在同一 坐标系下形如x ) ，两束出射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 后得到波长的变化量。这种方法的电子处理电路极为简单，但由于受器件传输特性的影响测量分辨 率较低。该方法对于一些对测量分辨率要求不是很高的场合提供了一种很合适的测量方案。 图2 5 边缘滤波法示意图 3 马赫泽德干涉仪法 光纤马赫一泽德干涉仪u 小1 2 1 具有灵敏度高、易实现多路复用的特点，它对信号的解调是通过测 量干涉信号相位的变化来实现的。其原理如图2 - 6 所示。宽带光源发出的光，经过脉冲调制器的调制， 变成了脉冲光信号，该信号再经过耦合器传输给f b g 传感阵列，经过传感阵列反射的光通过马赫一泽 德干涉仪，形成干涉信号被光电探测器探测到。但马赫一泽德干涉仪容易受干扰的影响，产生测量 的误差。针对这个问题的解决方案是对它的一臂进行解调，使得接收到的信号为交流信号，而被测 量的信息被载波在该交流信号上，避免了直流检测。 对于马赫一泽德干涉法而言，检测的精度是非常的高的。w e i s 等人用这种方案获得在频率大于 1 0 h z 的情况下，测得的应变的分辨力为2 加胁。 黼榴儿f b g l 图2 - 6 马赫泽德干涉仪法示意图 4 可调谐f - v i 虑波器法 可调谐滤波器法是通过检测光栅反射光波长的微小漂移来实现测量各种变量的，其解调系统的 原理如图2 7 所示n 引。宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅阵列后，被各光栅反射，又经过 耦合器进入f p 滤波器。f _ p 滤波器工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在其中的压电元件上调节腔 7 东南大学硕上学位论文 的间隔，使其窄通带在一定的范围内扫描。在凋谐控制信号的作用下，光纤f p 滤波器的导通频带扫 描整个光栅反射光光谱。由于光纤f p 滤波器的导通频带很窄，当光纤f p 滤波器的导通中心波长与 某一光纤光栅的布拉格波长相等时，有且仅有一个光纤光栅的反射光通过光纤f p 滤波器进入到光电 探测器，光电探测器将这一光纤光栅的反射光变换成电信号，这个信号的峰顶对应于从这一光纤光 栅反射回的波长。但是这样分辨率不高，原因在于f p 滤波器的通带与f b g 卷积作用时观察峰谱线展 宽，影响了可探测的最小可分辨的布拉格波长漂移。为此，给f p 滤波器加上一个抖动电压，并将抖 动信号同光电探测器输出信号通过一个混频器混频，再经过低通滤波器得到f b g 阵列输出各光谱分量 的微分响应，并在每一个布拉格波长处产生过零点，通过检测过零点的位置移动来获得布拉格波长 的移动，这样可以大大提高系统的分辨力。 f - p 滤波器的调谐范围很宽，可以实现多传感器的解调，成本适中，精度较高，在实际系统中有 着非常好的应用前景。但由于光路中含有非光纤元件，因而滤波损失较大，同时f - p 滤波器的重复性 不是很好，并且高精度的f _ p 滤波器成本太高。 图2 7 可调谐f p 解调系统示意图 5 锁模调制法 1 9 9 3 年，a d k e r s e y 等人提出了一种以锁模光纤激光器作为光源的光纤光栅传感系统n 劓。多个 光纤光栅、一个宽带反射器和相同的增益介质构成了共轴激光腔这里，有多少个光纤光栅就有多少 个激光腔体。特别是在该腔中加入了锁模调制器( m l m ) ，如声光调制器等。腔中泵浦光由耦合器输入， 两端反射器由宽带反射镜( 出镜) 和光纤光栅构成。改变调制器的频率，可以将激光器锁定在不同的 模式下，形成强烈的激光脉冲，使激光器输出不同谱线的激光，从而寻址不同的光纤光栅，测量出 外界扰动引起的波长变化，实现各传感元件之间的波分复用。在有两个传感光栅的情况下，锁模工 作方式必须满足：光纤增益和光栅反射率在两个b r a g g 波长上大致相等。只有这样，才能在激射一种 波长时同时抑制另一种波长。该方案并未从根本上解决纵模模式噪声及纵模间跳跃干扰的问题，并 且锁模结构降低了系统的分辨率和动态测量能力。 6 可调窄带光源检测法 b e ll 等人提出了一种经过定标的可调窄线宽激光光源来查询传感光栅阵列，从而确定布拉格波 长的实用方法。其实验装置如图2 8 所示。光源选用线宽很窄的d b r 光纤激光器，其泵浦由激光二极 管通过w d m 耦合器提供。为避免受回波的影响，在其输出端用了一个隔离器。d b r 激光器固定在压电 体上，当压电体受锯齿波或正弦波电压驱动时，激光波长在一定范围内扫描。当波长恰好为某个f b g 的布拉格波长时，照射到传感光栅阵列上的光就会被相应的光栅强烈反射。反射信号进过3 d b 耦合器 后送到探测器，接上数字示波器就可以画出布拉格光栅反射率与波长的函数关系曲线。为提高测量 精度，可把反射信号的功率与入射激光功率比较进行归一化，所用的激光功率通过一个图中为画出 8 第_ 二章光纤布拉格光栅解调原理 的3 d b 耦合器来测量。除了这种扫描方式之外，也可通过加入简单的反馈回路以及在p z t 上在加抖动 电压，使激光波长精确锁定在某个光栅的峰值反射率的波长上，跟踪任何一个光栅的布拉格波长来 测量光栅反射谱。 图2 8 可调窄带光源解调系统 这种窄带光源宽带检测的方案与上面所讨论的宽谱光源方案相比可以获得很高的信噪比，而且 系统的分辨率很高，但是目前d b r 光纤激光器的稳定性及可调谐范围尚不够理想，在一定程度上限制 了传感光栅的个数和使用范围。 2 3 分布式f b g 传感信号复用技术 f b g 传感器实用化的一个关键技术就是多传感器的解调检测方法，目前适用于f b g 传感器网络 的解调技术主要有三类：时分复用和波分复用和空分复用1 1 5 】。 ( 1 ) 时分复用 时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 是通过测量光脉冲返回到探测系统的时间来识别一 根光纤上的多个f b g 传感器的。采用t d l v l 技术，光源按脉冲方式工作，在串接复用的情况下，光源 发出一个短脉冲后，经过每一个传感光栅反射后的信号，时域上都有不同的延迟。波长检测系统能 收到多个光脉冲，每个都对应不同的时延和不同的传感光栅。根据时延值就可以区分不同的传感光 栅。在t d m 系统中，每个f b g 传感器的中心波长都是一样的，同时要求每个f b g 传感器都有一个比 较低的反射率，这样可以保证透过前面f b g 的光到达下游的f b g 传感器时仍然存在足够的光功率。 这种方法的优势在于制作的传感器用的f b g 的成本比较低。对于f b g 铝o 造商来说制作中心波长一致 的f b g 和反射率低的f b g 相对比较容易，且成本低。 t d m 系统可以在同一根光纤上间隔一定距离复用相同中心反射波长的多个f b g ，从而避免了网 络中各传感器抢夺有限的频带资源的问题。所以t d m 系统可复用的f b g 数量是可观的，且由于采用 串联拓扑，功率利用效率也很高。但在实际系统中，必须权衡考虑传感器采样频率与光源到探测系 统的距离。也就是说，在发送下一个光脉冲时，必须保证上一个光脉冲已经从最远的传感器返回。 f b g 传感器之间的距离必须大于一个特定值以便能清晰的辨别相邻的f b g 。 ( 2 ) 波分复用 波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 也是在f b g 传感网络领域被广泛采用的技 术之一。波分复用( w d m ) 就是把不同波长的信号复用在一根光纤上传输，从而提高了光纤带宽资 源的利用率。显然这种方式的频谱利用率主要决定于：携带信息的光源的线宽和峰值波长的间隔大 小；其次是波分复用器件的性能。w d m 是通过波长来辨别各个f b g 传感器的，这样就要求各个f b g 9 东南人学硕士学位论文 传感器的中心波长不能相同，必须存在一定的差值。分布式f b g 传感器是将传感光纤沿场分布，采 用独特的监测技术，感知光纤传输路径上待测场( 如应力、温度、压力等) 的空间分布和随时间变 化的信息，而产生中心波长的改变。 波分复用网络属于串联拓扑结构，网络中的f b g 各占据不同的频带资源。由于各频率成分所携 带的光源功率可以被充分利用，功率利用效率很高。同时，波分复用系统的信噪比很高。但是受到 光源带宽的影响，可复用的f b g 数目受到限制。 ( 3 ) 空分复用 空分复用( s p a i a ld i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，s d m ) 是另一种常用的光纤光栅传感器复用技术。每 个传感光栅都单独分配一个传输通道，利用光开关，每次选通一个通道。需测量哪个光栅的特性， 就将相应的通道接通。在s d m 网络中，由于所有的传感器都共享筒一套后端解调设备，所有的传感 器都应具有相同或相似的特征。s d m 网络采用并行拓扑结构，相对于t d m 和w d m 这样的串联拓 扑结构，能够轻松的实现传感器独立工作和传感器的可互换性，并且能够获得更好的信噪比。 由以上介绍可知，s d m 的优点是：由于采用并行拓扑，各传感器独立工作，互不影响，因此串 音效应很小，信噪比高。同时，复用能力不受系统频带资源的限制。缺点是功率利用效低下。 2 4 小结 本章介绍了光纤布拉格光栅的传感原理，列举了多种光纤光栅传感信号的解调方法，并介绍了 几个主流的光纤光栅传感网络的分复用技术。 l o 第三章f b g 解调系统设计 第三章f b g 解调系统设计 在充分了解了布拉格光栅的传感原理和一些复用方法后，我们开始对光纤光栅传感解调系统的 设计。首先要确定解调方案，综合比较了各种解调方法之后，从解调系统的功能与系统设计要求的 实际出发，最终确定了基于时分复用的m z 干涉仪解调方法。 3 1 解调系统整体方案设计 在第二章中所述的几种解调方法中，利用马赫一泽德干涉仪法对光纤光栅传感器进行解调的方 法，光能利用率高，具有灵敏度高，体积小，操作简单，适用于工程应用的特点，是一种较好的解 调方法。而且该方法非常适合与运用于时分复用系统，所以在解调方案的选择上就采用了马赫一泽 德干涉仪法。 整个f b 6 分布式解调系统的光路结构如图3 - 1 所示。 图3 - 1f b g 解调系统光路结构图 在该解调系统中，脉冲光源发出的光，经过一个3 d b 耦合器，进入到传感光栅阵列，经过不同 的时延，脉冲光被反射回来，在时域上形成一系列的脉冲串，这些光脉冲在经过马赫泽德干涉仪， 马赫泽德干涉仪在把这些脉冲光的波长偏移转化为相位变化，通过由a r m 9 系统控制的d a 芯片 的锯齿波输出，来调节马赫一泽德干涉仪参考臂的压电陶瓷上的电压，来形成干涉信号相移变化， 通过光电探测器来实现信号的光电转换，但这样的信号比较的弱，必须进行信号的放大，采用高精 度运放放大的信号输入到a d 采样芯片，经过采样传输到a r m 数据处理系统，最后的数据分析处 理工作就由a r m 系统来完成。 东南大学硕一i j 学位论文 3 2 脉冲光源 光源的作用是将电信号转化为光信号，以便在光纤中传输。由于光纤传感器的工作环境特殊， 要求光源的体积小，便于和光纤耦合。光源发出的光波长应合适，以减少在光纤中传输的能量耗损。 光源要有足够的亮度。在相当多的光纤传感器中还对光源的相干性有一定的要求。此外，要求光源 的稳定性好，能在室温下连续长期工作，还要求光源的噪卢小和使用方便等。目前光纤传感系统中 常用的光源主要有半导体激光器l d 、半导体发光二极管l e d 、放大自发辐射a s e 光源和半导体分 布反馈激光器d f b 等。 半导体激光器刮的体积小，寿命长，驱动简单，效率高，稳定性好，抗干扰能力强，工作电压 低。综合比较各种激光器，半导体激光器更适合作为本系统的光源。 半导体激光器要产生激光，应满足以下三个条件： 第一，半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。受激辐射发光现象是指处于粒子反转分布状 态的大多数电子，在受到外来入射光子激励时同步发射光子的现象，也就是说，受激辐射的光子和 入射电子，不仅波长相同而且相位方向也相同。这样，由弱的入射光激励而得到了强的出射光，起 到了光放大的作用。 第二，仅仅有放大功能还不能形成振荡，必须要有正反馈才行。为了实现光的放大反馈，需要 采用使光来回反射的光学谐振腔。 第三，半导体激光器是利用半导体材料在有源区中受激而发射光的特性而制成的光器件。只有 在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光。 本设计选用的是上海拜安信息科技有限公司生产的m s 3 4 0 0 高速脉冲光源，工作波长为1 5 5 0 n m 。 表3 1 给出了其性能参数。 表3 - 1m s 3 4 0 0 高速脉冲光源性能参数 参数 符号最小值典型值最大值单位 平均输出功率 p o 5 0 m w 峰值输出功率 p p 0 8w 中心波长 入c 1 5 2 0 1 5 5 01 5 7 0n m 3 d b 谱宽 入4啪 脉冲宽度 p u l s e2 01 0 0 0n s 重复频率 f1 0 0k h z 边模抑制比 s m s r 2 0d b 输出功率稳定性 1 工作电压 v 1 7 62 6 0v a c 功耗 p e1 5w 工作温度 t wo4 0 存储温度 t s4 08 0 3 3 1 光干涉的基本条件 两列光波叠加在一起能产生干涉现象，但并非任意两列光波相遇都能产生干涉现象。决定干涉 现象的几个主要因素是：两束光的频率、两束光的振动方向夹角以及两束光之间的相位差。为产生干 涉现象，他们必须满足如下条件，这些条件就是光的相干条件。 1 2 第三章f b g 解调系统设计 ( 1 ) 两束光的频率应当相同 为得到稳定的干涉条纹，两束光的频率是一个非常重要的因素。当两束光的频率相等时，干涉 光强不随时间变化，可以得到稳定的干涉条纹分布。当两束光的频率不相等时，干涉条纹将随着时 间产生移动，且频率相差愈大，条纹移动速度愈快，当频率相差大到一定程度时，肉眼或探测仪器 就将观察不到稳定的条纹分布。因此，为了产生干涉现象，要求两干涉光束的频率尽量相等。 ( 2 ) 两束光波在相遇点有相同的振动方向 当两束光的振动方向相同时，干涉得到极大的加强，此时干涉条纹最清晰。当两束光的振动方 向相反时，不会产生干涉现象。只要两束光波在相遇点所产生的振动不在同一方向，则该点的振动 不是简谐振动，因而不能产生明显的干涉现象。 ( 3 ) 两束光波在相遇点有固定的相位差 若两束光波在相遇点的相位差不固定，随时间做无规则且迅速的变化，由这种变化引起的光强 改变的次数在观测或测量所需的时间间隔t 内几乎是无限大。于是，在该点相遇点只能获得在r 时 间内的平均强度，它与两束光波在该点单独产生的光强度之和没有区别，因而没有干涉现象。 ( 4 ) 两束光在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊 若两束光在相遇点产生的振动的振幅相差悬殊，则该点的合成振动的振幅与振幅大的光波在该 点产生的振动的振幅无实际上的差别，即一束光波的振幅淹没了另一束光波的振幅，因此观测不出 干涉现象。 ( 5 ) 两束光在相遇点的光程差不能太大 实际光源所发出的光波绝非一个无限大的正弦波，而是由一系列有限长的波列组成的。当两束 光波在相遇点的光程差很小时，两束光波中有固定相位差的波列几乎同时作用于一点，所以能产生 清晰的干涉现象。当光程差很大时，一束光波已通过而另一束光波尚未到达，而相应的波束间无重 叠，因而无干涉现象。即两束光波在相遇点的光程差如果大于所用的实际光波的相干长度，则无干 涉现象。 3 3 2 马赫一泽德干涉仪构造 由外界因素引起的光纤中光波的相位变化量，通常是由干涉仪来检测的。