（精密仪器及机械专业论文）基于FBG传感信号解调技术的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 光纤布喇格光栅( f b g ) 传感器以其优异的电气绝缘性以及抗电磁干扰、 抗腐蚀、灵敏度高、体积小、重量轻等优点，被广泛应用于建筑、电力、医 药和化工等多个领域，是目前光纤传感领域的一个研究热点。f b g 传感信号 解调技术的研究又是f b g 传感领域的重点和难点，从而引起人们的广泛关 注。本文以f b g 传感器信号解调技术的研究为主题，对几种解调技术进行了 深入的理论和实验研究。 首先，对国内夕b f b g 传感信号解调技术发展状况进行了综合分析，阐述 了该领域的研究现状，并分析了有关解调方案的优缺点。 其次，系统地阐述了光纤传光的耦合模理论，并在此基础上推导出f b g 的b r a g g 公式、反射率和透射率公式；分析了f b g 的应变、压力和温度传感 器的传感机理。 给出了f b g 匹配滤波动态解调方案的数学模型并对其进行了仿真研究； 实验研究了两种解调方案：一是应用压电陶瓷控制调制f b g 进行信号解调； 二是应用可调谐f p 滤波器对传感f b g 进行信号解调，进一步验证了所给出 的数学模型的正确性，并对实验中出现的问题进行了深入的分析研究。 最后，设计了基于m c s 5 1 单片机控制的f b g 传感器信号解调系统，对 系统中所应用的两种匹配光栅扫描装置进行了深入的实验研究：一是压电陶 瓷扫描，二是步进电机推动悬臂梁扫描。实现了扫描信号值的l e d 显示，并 获得了6 ，7p m v 和1p m j 步的静态测量灵敏度。 关键词光纤布喇格光栅；动态解调；匹配滤波：压电陶瓷；可调q , 皆f a b r y - p e r o t 滤波器 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et oa l li t sm e r i t ，s u c ha se x c e l l e n te l e c t r i ci n s u l a t i o i l ，r e s i s t a n c eo ft h e i n t e r f e r e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i c ，h i g hs e n s i t i v i t y , s m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ， f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o ri sw i d e l yu s e di na r c h i t e c t u r e ，e l e c t r i cp o w e r , m e d i c i n e ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g n o w , i t sb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r to ft h es e n s i n gr e s e a r c h , a m o n gt h i s t h es e n s i n g s i g n a ld e m o d u l a t i o n t e c h n i q u ei st h em o r ei m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp a r t ，a n dg e t sm o r ea t t e n t i o n t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri st h ed e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f t h ef b gs e n s i n gs i g n a l w er e s e a r c h e dm u c ho ns o m ed e m o d u l a t i o nm e t h o d s ， a n da n a l y z e dt h ep h e n o m e n ao f t h ed e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n t f i r s t l y , l e a r n e dt h ed e v e l o p i n gs t a t eo ft h ef b gs e n s i n gd e m o d u l a t i o n t e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a d ，d e s c r i b e di ta n da n a l y z e dt h em e r i ta n d d e f e c to f s o m em e t h o d s e c o n d l y , t h ec o u p l e d - m o d et h e o r yo ft h el i g h tt r a n s m i t t i n gi nf i b e ri s e x p a t i a t e da n db a s e do nw h i c h t h eb r a g gf o r m u l aa n dr e f l e c t i v i t y t r a n s m i s s i o n f o r m u l ai sd e d u c e d w ea l s oa n a l y z e dt h es e n s i n gp r i n c i p l eo ff b gs t r a i n s e n s o r , p r e s ss e n s o ra n dt e m p e r a t u r es e n s o r t h em a t h e m a t i cm o d eo ft h em a t c h e d f i l t e r i n gd y n a m i cd e m o d u l a t i o n m e t h o di sd e d u c e da n ds i m u l a t i o nr e s e a r c hi so p e r a t e d t w od e m o d u l a r i o n m e t h o dw e r ee x p e r i m e n t e d ，t h ef i r s ti st h ef i l t e r i n gf b gi sc o n t r o l l e db ya p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ( p z t ) ；t h es e c o n dm e t h o d i st h a tt h et u n a b l ef a l 竹y p e r o t f i l t e ri su s e dt od e m o d u l a t et h es e n s i n gs i g n a l a l lt h ee x p e r i m e n tw a sv a l i d a t e t h er i g h to ft h em a t h e m a t i cm o d e ，a n dt h em o r ei m p o r t a n ti st h a tw er e s o l v e d t h ee n t i r ep r o b l e mi ne x p e r i m e n t i nt h ee n d ，t h ef b gs e n s i n g s i g n a l d e m o d u l a t i o ns y s t e mw h i c h c o n t r o l i e d b y m c s 一51 s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r w a s d e s i g n e d t w o m a t c h e d f i h e r i n gs e t - u p si nt h es y s t e mw e r ed e e p l ya n a l y z e dw i t he x p e r i m e n t ， i i a b s t r a c t t h ef i r s ti st h ep z ts c a n n i n g a n dt h es e c o n di st h es t e p p i n gm o t o rs c a n n i n g t h em e a s u r er e s u l t sw e r ed i s p l a y e db yal e dd i s p l a ys e t u p ，a n dt h es t a t i c s e n s i t i v i t yo f 6 7p m va n d1p r o s t e pw e r eo b t a i n e d k e y w o r d sf i b e rb r a g gg r a t i n g ；d y n a m i cd e m o d u l a t i o n ；m a t c h e d f i l t e r i n g ； p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ；t u n a b l ef a b r y - p e r o tf i r e r i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于f b g 传感信号解调 技术的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签锄瞬 作者签字4 4 式弘 日期：“年，口月丛臼 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于f b g 传感信号解调技术的研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 作者签名 年解密后适用本授权书。 ) 日期：加“年印月怕 聊戳：p 吼毗朋咖 在彰吖 口 密打 密 保内 保 不框疗 于 应 属 相 文 上 论 以 位 在 学 请 本 ( 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 光纤光栅介绍 1 9 7 8 年，加拿大的ko h i l l 等人在实验中观察到氩离子激光在光纤中相 向传输形成驻波时，在光纤中形成折射率周期分布的光栅【1 】。从此世界上第 一根光纤光栅被制作出来。这种光栅也称作“h i l l 光栅”，在光纤中作为b r a g g 反射器使用。 从1 9 7 8 年到1 9 8 8 年的十年中，对光纤光栅的研究一直集中在加拿大。到 了1 9 8 9 年，m e l t z 发明了紫外侧写入技术【2 】，对光纤光敏性及光纤光栅的研 究才在世界范围内引起了广泛关注。从此，世界各地对光纤光栅的研究迅速 发展起来。光栅的写入方法不断得到改善，光纤的光敏性逐渐提高，一些特 种光栅也相继问世。随着光纤光栅技术的日益成熟，基于光纤光栅的器件也 不断地被开发研制出来，并被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理 等各个领域。 光纤光栅按其周期分布可分为两种，即均匀周期光纤光栅和非均匀周期 光纤光栅。 均匀周期光纤光栅包括光纤布喇格光栅( f b g ) 和长周期光纤光栅 ( l p g ) 。f b g 具有较窄的反射带宽( 约0 1 1n m ) ，其带宽和反射率可根据需要， 通过改变写入条件灵活地调节。因此，这也是应用最广泛的一种光栅。例如 利用光纤成栅技术把相隔一定长度的掺铒光纤两端写入光栅，形成线性腔激 光器 3 - 5 1 。它还可用于分布反馈式激光器以产生稳定的单纵模输 6 , 7 1 ；用于 环形腔激光器中的锁模器件，产生超短光脉冲等 8 , 9 1 ；应用在光通信领域可 用于光纤波分复用、解复用器【l o 1 。栅格周期大于1 0 0 岬1 的均匀周期光栅 称为长周期光纤光栅( l p g ) ，它是一种透射型光栅，应用于应变、温度的测 量【”1 。 非均匀光纤光栅主要是线性啁啾光栅 1 3 j 4 1 ，其它的还有相移光栅”1 、闪 耀光栅【l6 】等。各种光栅根据其不同的特性被广泛应用于各种相关领域。 1 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 光纤光栅传感器在国内外的发展状况 光纤光栅作为传感元件具有其它传感器无可比拟的优点，即感应的信息 用波长编码，而波长这个绝对参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的 影响，这就降低了对光源、光路等的要求，提高了系统的测量精度。此外， 在一根光纤中连续制作多个光栅很容易实现，所制得的光栅阵列轻巧柔软， 可与时分复用和波分复用技术相结合，很适合作为分布式传感元件埋入材料 和结构内部或贴装在其表面，对它们的温度、应变等实现多点监钡, t j t l 7 - 1 9 。在 建筑、航空、航天等领域 2 0 l 的智能结构中具有重大的实用价值。 1 9 8 9 年，m e l t z 首先对光纤光栅温度和应变的传感特性进行了研究，在 1 5 5 0a m 通信波长处，光栅反射波长变化分别为1 1 1 0 - 2n m o c 和 1 2 x 1 0 3n m i t s t r a i n 口1 1 。 后来人们又分析了光纤光栅在受到各方均匀压力时的传感特性，发现波 长随压力变化的灵敏度为3 0 1 0 dn m m p ，在压力达7 0m p 时，波长变化为 o 2 2n m 2 ”，因此，在常温常压下，光纤光栅的压力特性比温度特性小两个 数量级。由于其压力敏感性极小，不能实用。为此，m gx u 等设计了中空 玻璃球压力传感器，在1 3 0 0a m 波长激光照射时，测量灵敏度为2 1 2 1 0 击 m p ，相当于2 7 1 0 。2n m m p ，与裸光纤光栅的压力灵敏度相比提高一个 数量级【2 3 】。于是人们发现合适的封装方式不但可以保护光栅，还可以提高 光栅的测量灵敏度和测量范围，用金属管封装的光纤光栅可以将灵敏度提高 到2 4 4 1 0 。3 m p a t 2 4 1 。 光纤光栅还可应用于加速度传感器，当使用干涉解调方法时，最小可探 测加速度信号约为lm g 4 - 酝 2 5 o 最大的线性范围大约为8g ，对应功率变化 可达2 6d b l 2 6 2 7 1 。 1 3光纤布喇格光栅传感信号解调技术 长久以来，人们提出了多种光纤光栅传感信号的解调方案以取代光谱 仪、单色仪等仪器的直接解调【2 8 1 。下面将系统的介绍一下目前提出的几种 比较实用的解调方案。 2 第1 章绪论 1 3 1匹配滤波技术 利用可调谐f a b r y p e r o t 滤波器( t f p f ) 对f b g 进行解调可以获得非常高 的精度，如图1 1 所示，( a ) 为解调单) j f b g ，( b ) 为分布式解调方案口9 1 。 ( a ) ( b ) 图1 - 1 可调谐f p 滤波解调原理图：( a ) 为解调单个f b g ：( b ) 为分布式解调 f i g 1 - 1d i a g r a mo f t u n a b l ef - p f i l t e r i n gd e m o d u l a t i o n ：( a ) i ss i n g l ef b gd e m o d u l a t i o n , ( b ) i sd i s t r i b u t i o nd e m o d u l a t i o n 宽带光源的光进入系统后，如图( a ) 所示，由f b g 反射进入t f p f 。t f p f 的带宽和f b g 的带宽可比，其自由谱宽( f s r ) l f b g 的带宽要宽的多。利用 一个反馈环路来实现t f p f 的调整，以频率，的抖动调谐信号来控制t f p f 的传 输波长。贝i j t f p f 的输出就会包括基波和频率为f 的谐波。解调多个f b g 时， 如图( b ) 所示，将所有f b g 串于一根光纤上，要求其b r a g g 波长不同，并都在 t f p f 的扫描范围之内。实验显示，本方案可以实现单个f b g 解调分辨率 _ ，；2 ，即第胛个腔( 由反射镜和第n 个光栅构成) 的模式间隔至少应大于 第一个腔模式间隔的一半1 4 8 】。 1 3 5 基于其它类型光纤光栅的解调技术 长周期光纤光栅( l p g ) 具有带宽宽、边缘线性度好的特点，所以很自然 的被提出用来做边缘滤波器来对f b g 进行解调1 4 9 , 5 0 l 。 如图1 1 2 所示的实验方案为rw f a h o n 等人在1 9 9 8 年提出的，该方案获 得了较大的解调范围和较高的分辨率 5 3 2 1 。 从f b g 反射回来的光进入l p g ，l p g 的作用相当于一个边缘滤波器。透 过l p g 的光功率根据其中心波长的位置变化，因为掺铒光纤光源的光谱分布 并不标准，需要一个参考臂来线性化功率和应变的关系，并对光源的波动进 行补偿。f b g 的峰值波长为1 5 1 9n l t l ，l p g 的通带宽度为2 0n i l ，中心波长为 1 5 2 9n n l ，抑制比为2 2d b ，实验显示线性响应为1 8d b n m ，测量范围为1 0 n n l ，相当于1 00 0 0 嶂。以2 0k h z 调制掺铒荧光光源进行高分辨率实验，以 锁相探测器检测l p g 的透射光信号和参考臂的光信号，本方案中以3 3 0 雌 的步长对f b g 进行拉伸。未对光源进行调制时做同样的实验。结果显示，对 光源进行调制后所获得的分辨率和线性度都明显提高，其分辨率可以高达 0 5 i t s 。 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 图1 1 2l p g 边缘滤波解调示意图 f i g 1 - 1 2d i a g r a mo f l p ge d g ef i l t e r i n gd e m o d u l a t i o n 利用光栅的啁啾现象，由于被测量不再是波长的移动量，所以可以去除 温度的影响并实现加速度的测量。方案如图1 1 3 所示1 26 1 。 图1 1 3 啁啾光栅解调方案 f i g 1 - 1 3c h i pg r a t i n gd e m o d u l a t i o ns e t - u p 将f b g 粘贴在悬臂梁的合适位置，悬臂梁的末端粘贴一个质量为m 的质 量块，当质量块以加速度a 振动时，悬臂梁就会发生梯度形变，于是f b g 发 生啁啾，其反射谱被展宽，实验证明啁啾谱的半强度带宽正比于应变梯度， 所以加速度越大，f b g 反射谱越宽，p d 探测到的光功率将越大。由于温度 1 2 第1 章绪论 的变化只影响f b g 反射谱的峰值位置，对啁啾反射谱的谱宽影响非常有限， 所以该方案不必使用任何的温度补偿措施。实验测得的最大线性范围大约为 8g ，对应功率变化2 6 d b 。 1 4 课题研究的主要内容 本文研究的主要方向为光纤b r a g g 光栅传感信号的解调，并对几种解调 方案进行了实验研究，针对实验中出现的一些问题提出了相应的解决方法。 ( 1 ) 采用压电陶瓷调制f b g 方案实现动态解调，设计了光电转换电路， 采用示波器观察检测到的信号； ( 2 ) 利用t f p f 动态解调方案对传感f b g 进行解调，并对该动态解调方案 进行了详细的实验研究； ( 3 ) 对以上两种解调方案进行深入的对比分析研究； ( 4 ) 研究了步进电机驱动悬臂粱的f b g 传感解调方案，对步进电机驱动 的悬臂梁结构进行了设计研究； ( 5 1 设计t f b g 传感的单片机静态解调系统，对解调系统电路进行了详 细的设计和实验研究。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感器原理 光在光栅中的传播符合耦合模理论，这一理论是分析光在波导介质中 传播规律的基础，利用耦合模理论可以正确地分析光在各种不同类型的光 纤光栅中的传播规律，特别是对于均匀周期的b r a g g 光栅，利用耦合模理论 可以地推导出光栅特性的解析表达式，对光栅的反射谱特性进行分析。 基于光纤光栅的光纤传感器，其传感过程是通过外界参量对b r a g g q b ，1 3 , 波长的调制来完成的，属于波长调制型光纤传感器，具有以下明显的优点： 一是抗干扰能力强。这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特 性；另一方面是因为光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起 的干扰，如光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等 都不可能影响传感信号的波长特性。二是传感探头结构简单、尺寸小，适 于各种场合，尤其是智能材料和结构；三是测量结果具有良好的重复性； 四是便于构成各种形式的光纤传感网络；五是可用于对外界参量的绝对测 量；六是光栅的写入工艺己较成熟，便于形成规模化生产。 2 1 光纤光栅传感理论 2 1 1 耦合模理论 耦合模理论可以分析光波导中传播模式之间的耦合现象【5 3 1 。由耦合模 理论可知，当波导中存在折射率周期性扰动时，将导致传播模式之间的耦 合。由麦克斯韦方程得 v x h = j + 专瓴n p ) ( 2 - 1 ) v e = 一专。日) ( 2 - 2 ) 因光波导中不存在自由电荷，故，= 0 。将( 2 1 ) 、( 2 2 ) 两式联立可得绝 缘介质的波动方程 1 4 第2 章光纤光栅传感器原理 v 2 脚脚s 。兰笋+ 弓啪) ( 2 3 ) 考虑到波导介质的非均匀性，其极化强度可以表示为 p ( r ，f ) = e ( r ) - e 。】e p ，f ) + 扰p ，) ( 2 4 ) 将( 2 4 ) 式带入波动方程( 2 3 ) 式，可得 v 2 铲础) 等= 吾) 】 ( 2 s ) 对于e x 和e ：有类似表达式。对t e 模来说，如果略去导模与辐射模之间的 耦合，则有 e y ( r ，) = 吉莓以g ) e y 桫“刖 ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 中m 表示本征模的模序数，c c 代表复共轭，而本征模场满足非微扰 波导的波动方程 ( 吾氓2 抄) ( ，) 材础妙= 。 ( z - 7 ) 式中8 ( r ) = s 。n 2 p ) ，n ( ，) 为介质的折射率。将( 2 - 6 ) 式代入( 2 5 ) 式可得 e 莓 针玎叽旦笋材肛埘，卜+ 三k 警+ 等抄= 吾k 儿， 式( 2 - 8 ) 前三项之和为零，作振幅慢变化近似，即有 l 可d 2 a i p 叫i d a m i ( 2 - 9 ) 将( 2 9 ) x - 代入( 2 - 8 ) 式，可得 譬e 一掣。岫唧，；一去吾碥鼢恸枷，c 配韶z 口一= 一 一。 式中上标( ) 表示向一z 方向传播，上标( + ) 表示向+ z 方向传播。( 2 - 1 0 ) 式为处理 波导中的模式耦合问题的基本方程。 燕山大学工学硕士学位论文 对于周期性皱纹波导，其介电常数微扰可以表示为止p ) = e o a n 2 0 ) ， 因此微扰极化可以表示为 扰( ，f 净a n 2 p 弦。e o ，t ) ( 2 1 1 ) 因a n 2 ( ，) 是标量，由( 2 5 ) 式可知，该周期性结构仅能使t e 模向t e 模耦合或 使t m 模向t m 模耦合，但不能使t e 模向t m 模耦合。 对于t e 模的传播，将( 2 6 ) 式代入( 2 1 1 ) 式和( 2 1 0 ) 式可得 蔓掣。舾忡) 一生生兰。，胁刊一： 一石i e o 可莓l 弘2 沁) e y 跳g 肌釉呐：) 卜1 2 ) 式( 2 1 2 ) 的右边可以看作是引起前向波4 ，( + ) p ( 凡2 一“) 与后向波4 ( 一) p 一姐n 训的 波源。只有满足频率匹配条件和相位匹配条件时才能保证光波的正常传播。 为将第m 个模耦合到第s 个模中，必须使式( 2 - 1 2 ) 中的a n 2 ( 工，z ) e x p ( + i f l 。z ) 包 含有正比于e x p ( - , 8 ，：)e x p ( + 猡，z ) 的项。对于第一种情况，受微扰而同步 驱动的是前向爿f 模，而第二种情况，被驱动的是后向么f 模，因此，模式 耦合的选择是由a n 2 g ，z ) 与z 的关系决定的。 设微扰a n 2x ，：) 的周期为a ，且使肺 z 尻，式中l 是整数。于是 a n 2 g ，：) 可以展开为 础力“嚷岬 ( 竿) z 协 现在( 2 1 2 ) 式的右边含有正比于a ，“e x p i ( 2 l 丌a 一卢，二) 】的一项( j = l ，m = s ) ， 而半一声，z 卢，因此该项能够同步驱动( 2 - 1 2 ) 式左边的振幅 a ，卜je x p ( i f l 。z ) ，将( 2 - 1 3 ) 式代入( 2 - 1 2 ) 式可得 譬= 竽以e 血2 g 牡，嘶棚，e x p i ( 2 l 庀a - 舡) 】4 ) 于是由a n 2 g ，z ) 的第1 个谐波引起的后向波4 一和前向波4 “之间耦合，可 以由下式描述 1 6 第2 章光纤光栅传感器原理 类似地有 式中 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) k = ；i c o e o a l a n 2 g 牡，g ) 出( 2 - 1 7 ) 邸z8s 一号z8 。一8 0q i s ) 式中。称为耦合系数。( 2 1 5 ) 式和( 2 - 1 6 ) 式即为周期性波导中传播的前向模 和后向模的耦合模方程。由于这两个模式满足 丢眇h ；门= 。( 2 - 1 9 ， 说明这两个导波模携带的功率是守恒的。 图2 1 为光纤b r a g g 光栅结构示意图，光栅的长度为三。为方便起见，令 4 ，一= 爿，4 ，( + ) = b 。振幅为b ( 0 ) 的光从z = o 处入射到光纤b r a g g 光栅， 、b ( x 。 皿：i i u ： ； a ( z ) o 一； ii ， 图2 1 光纤光栅结构示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f f b g 在z = l 边界处后向波的振幅为0 ，假设光纤光栅折射率分布为严格的正弦函 数形式，即 栉( z ) = 万+ a n ( z ) = 万+ 6 n s i n ( 2 ，r z )( 2 - 2 0 ) 而光栅的耦合系数则为实数，k = k 。= ( 死o n q ) 1 2 。，式中是与剩余的纤芯 中模式能量相关的系数，此处可近似为”* 一v ，根口为光纤的瞄。则求 解( 2 - 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 式可得 1 7 华 华 一p 0 卜， 0 4 。， = = 譬譬 燕山大学工学硕士学位论文 喇e 忙= 刖币两面i k 而 e , 9 0 瓦z 苫五两8 i 1 1 l l s ( z 一上) ( 2 - 2 1 ) b ( z k 一啦= 口( 。( _ 互巧i j i i e z - 9 f o z _ 忑i ；五瓦豆j ( 2 2 2 ) ( a o ) s i n h s ( z 一工) 】+ 心c o s h p ( z 一工娜 式中s = ( 盯一筇2 ) 必，因此由( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 两式可得光纤光栅反射率的表 达式为 r=万而r：瓦sinh虿：(sl而)sinhsc o s h ( k 2 筇2 ) ( 2 2 3 - a )郇22 ( 观) + 22 ( 乩) 、17、7 r = 万r i ：s i n 而：( s l ) ( 2 出。，所 以可以近似认为反射谱功率分布如下 b o ) = s o 。皿0 )( 3 7 ) s ( k ) 由方程( 3 - 1 ) 给出，则传感f b g 反射到滤波f b g 的光功率就是式( 3 7 ) 在全波段上的积分，即 p = e 1 。o 切 = p ( k ) r q 胁 ( 3 8 ) 设2 8 f 为滤波f b g 的b r a g g 波长，则滤波f b g 的透射光功率为 p n ，) = 1 。o f “) 砒( 3 - 9 ) 计算得 p ) = s ( 2 b s ) r s r r 盎 卜南d 刊以若弦【+ 以卢l 出m 2 + 如2j j 、。 设出= 越 = 出。，则上式可简化为 阳吣忍盖卟知卜z 钏限 第3 章光纤布喇格光栅传感动态解调技术研究 都) r s r f 盖出s 【卜孚】 ( 3 - 1 2 ) 此时，光电二极管所得功率最小，如图3 5 所示。图中，两条实线谱线 为两个f b g 完全匹配时的示意图。虚线和点划线为调匍j f b o 在不匾 b r a g g 波 长处的反射谱。透过传感f b g 的光功率为反射谱与透射谱谱形相交后，反 射谱剩余的部分。由图可知，当两个f b g 完全匹配时，反射功率最小，此 时对应光电二极管输出电压的最小值。 1 0 9 08 o 7 0 6 篓0 s 0 4 03 0 2 0 1 0 1 5 4 91 5 4 921 5 4 9 41 5 4 961 5 4 981 5 5 01 5 5 0 21 5 5 0 4 1 5 5 0 61 5 5 081 5 5 l 波长( r a n ) 图3 - 5 传感f b gb m g g 波长移动示意图 f i g 3 - 5s c h e m eo f t h em o v i n go f t h es e n s i n gf b gb r a g gw a v e l e n g t h 如图3 6 所示为调制f b g 扫描传感f b g 的仿真图，设扫描范围为2n n l ， f b g 的中心波长为1 5 5 0n _ r n ，反射率为0 9 ，该图为扫描频率为5h z 时的扫描 结果，纵坐标为仿真函数计算的结果，为功率的相对值。可见每扫描一次 对应一个功率的极值。 燕山大学工学硕士学位论文 1 6 0 1 4 0 1 2 0 器 嚣瑚 雷 8 0 6 0 4 0 00 10 20 30 4050607080 91 时间( s ) 图3 - 6 扫描仿真示意图 f i g 3 - 6s i m u l a t i o nd i a g r a mo f t h es c a n n i n g 3 1 2 压电陶瓷调制装置特性分析 利用压电陶瓷( p z t ) 的电致伸缩特性，实现电压控铝i j f b g 的b r a g g 波长移 动，以达至u f b g 的匹配滤波的目的，可以获得较好的性能【2 9 1 。本实验中， 将f b g 和压电陶瓷结合在一起，信号发生器电路控制压电陶瓷的伸缩，实 现f b g 不同频率的波长扫描。如图3 - 8 所示为将f b g 和p z t 粘贴在一起的照 片。为了将压电陶瓷的应变完全施加至i j f b g 上，将两个有机玻璃支架粘贴 在p z t 的两端，两支架表面保持水平并在同一平面内，中间两边缘相距稍大 于1 0m l t l 。 由于压电陶瓷的伸长量有限，实验证明在0 2 0 0 v 电压范围内，光栅不 会被拉断。但是为了更好的保护f b g ，有必要先将f b g 与合适的弹性材料 粘贴在一起，然后再粘贴在有机玻璃支架上。 将f b g 粘贴在支架表面时要注意几点：一是尽量使光栅与压电陶瓷的 轴线平行。这就要求在压电陶瓷与有机玻璃支架粘贴时做到压电陶瓷的轴 线与支架表面尽量保持平行：二是必须要给f b g 施加预应力以防止压电陶 3 0 第3 章光纤布喇格光栅传感动态解调技术研究 图3 8 压电陶瓷调制装置 f i g 3 - 8p z t m o d u l a t i o ns e t - u p 瓷对f b g 进行拉伸时产生啁啾。 如图3 9 所示为压电陶瓷施加9 0v ，1 0h z - - 角波扫描电压时光谱仪所观 测到的光谱图，图中可见f b g 的波长扫描范围约为0 4n t n 。由于光谱仪扫描 速度远小于压电陶瓷的扫描速度( 实验中约为5s 完成一次扫描) ，所以光谱仪 在对特定波段的一次扫描过程中，会多次遇到反复移动的调制f b g 的反射 2 嘶n o v1 3 ”：4 1 匣夏磊；= = ：- ；互赢_ 赢而- a ：f i n ，d s p 匿萎旧墨圜 ： i 气孙 ：、 、 、 ，1 f v k v v ； i 燕山大学工学硕士学位论文 锄n w l 3 1 1 ：, 1 3 自：f i xd s p c ：f i x 僻 1 5 dr e $ ：0 1 mp l 9m o d e ：p e 鳅乱b ：2 s p i p l ：# t f f 0 ： 雌 ，、 z x 二：z 玉二翻j ” 、 “弋：厂r 。秽1 1 5 5 1 嘶砷1 5 5 2 明t i f f 圜圜 0 r a v )1 5 5 2 1 t i l l 圈 图3 1 01 0 0 v ，1 0 h z 信号扫描光谱图 f i g 3 - 1 0s c a n n i n gs p e c t r u mo f t h e1 0 0v a 0h zs i g n a l 狮脚1 3 1 5 ：3 4 a ：f i d s p c f i g p 5 t d b d睚s ：0 1 mp l sr 雠：p 刚 日t d 6 ：2s 咿l ；棚 i i鹾i 。r 盯 怖锄 i心 腓 删 ii ； ； vi i 一删 1 弱1 明m1 5 5 2 明r i l l 圜圜 b 铂r w 巾1 5 5 3 m 圈 图3 1 1 调制f b g 扫描滤波f b o 光谱图 f i g 3 - 11s p e c t r u mo f t h em o d u l a t i n gf b g s g a l l 5f i l t e r i n gf b g 3 2 第3 章光纤布喇格光栅传感动态解调技术研究 谱，于是得到如图3 9 所示的扫描结果。图3 1 0 为增加扫描电压峰值n l o ov 时的光谱图。此时f b g 的扫描光谱范围约为0 6n n l ，对应f b g 的应变大约为 o 5u 。 实验选择f b g 的b r a g g 波长必须满足扫描条件，即滤波f b g 的b r a g g 波长 必须在调错t j f b g 的扫描范围内。如图3 1 1 所示为调带t j f b g 对滤波f b g 进行扫 描所得光谱图，由图可知，当两f b g 完全匹配时，扫描谱出现一个低谷， 与不匹配时所接收到的光功率相差大于5d b 。此位置对应调制f b g 扫描波长 范围的中间位置。 3 1 3 实验结果分析 实验中，以三角波信号调制压电陶瓷，三角波电压信号幅值为1 0 0v ， 调整三角波扫描信号的频率，使压电陶瓷工作在不同的扫描频率下，对滤 波f b g 进行扫描。如图3 1 2 所示，为施加3h z 扫描信号时，示波器显示的信 号。在压电陶瓷正向扫描和反向扫描中各出现一个极小值，信号峰峰值约 为2 0 m v 。 图3 1 23 h z 三角波扫描信号图 f i g 3 - 1 2g r a p ho f t h es c a n n i n gs i g n a li s3h zt r i a n g l ew a v e 3 3 燕山大学工学硕士学位论文 图3 一1 3 扫描信号为4 h z 时的信号 f i g 3 - 1 3s i g n a lo f t h es c a n n i n gs i g n a li s4h z 图3 1 4 扫描信号为5 h z 时的信号 f i g 3 - 1 4s i g n a lo f t h es c a n n i n gs i g n a li s5i - i z 第3 章光纤布喇格光栅传感动态解调技术研究 图3 1 5 扫描信号为1 0 h z 时的信号 f i g 3 - 1 5s i g n a lo f t h es c a n n i n gs i g n a li s1 0h z 图3 1 6 滤波后3 i - i z 扫描信号图 f 嘻3 - 1 63h zs c a n n i n gs i g n a la f t e rf i l t e r i n g 3 5 燕山大学工学硕士学位论文 图3 1 77 h z 扫描滤波信号 f i g 3 - 1 77h zs c a n n i n gs i g n a la t t e rf i l t e r i n g 增加扫描频率，如图3 1 3 、图3 1 4 和图3 1 5 所示，所得信号的峰值明显 降低。为了减少噪声的影响，在放大电路后面加一个简单低通滤波器，滤 波后的信号如图3 - 1 6 和3 1 7 所示，两图为扫描频率分别为3h z 和7h z 时示波 器所显示的信号谱图。 理论上分析，增加扫描频率，示波器显示信号的峰值不应该有变化。 但实验显示，频率越高，信号峰峰值越小。分析这与压电陶瓷的扫描机制 或者实验装置的反映速度有关。频率越大，两个f b g 完全匹配的时间就越 短，此时单位时间内被转换光功率就越少，示波器显示信号的峰值就越小。 3 2f - p 滤波扫描解调方案 调节光纤f p 滤波器所加电压就可以控制其透射光的频率。如图3 1 8 所 示的实验结构。如果所加电压为一均匀扫描的锯齿波或三角波信号，调节 扫描信号的幅值，使f p 滤波器的扫描范围能够覆盖传感光栅的b r a g g 波长 变化区域，则光电二级管可以接受到周期性的脉冲信号，实现一定范围内 的信号解调。 3 6 第3 章光纤布喇格光栅传感动态解调技术研究 图3 1 8f - p 滤波解调实验装置图 f i g 3 - 1 8 d i a g r a mo f t h e f p f i l t e r d e m o d u l a t i o n e x p e r i m e n ts e t u p 本实验所用f p 滤波器为m i c r o n - o p t i c s 生产的可调谐f p 滤波器。参数如 表3 1 。 表3 1 可调f p 滤波器参数表 t 曲l e3 1p a r a m e t e r st a b l eo f t h ef f p - t f 参数数值 工作波长范围s ，c ，l c + l 波段 可调谐谱范围( f s r ) 8 0p r o 一2 5n m 3 d b 带宽 0 3p m 2 5i m l 偏振损耗 0 2 5 d b 插入损耗 2 5d b 工作温度 2 0 8 0 。c 调制电压 1 2 v 最大可调电压 7 0 v 扫描频率 ， 电压( 、，) 图3 2 0f p 所加电压和波长关系曲线 f i g 3 - 2 0r e l a t i o n s h i pc u r v e o f t h ef - pv o l t a g ea n dw a v e l e n g t h 图3 2 1 1 6 0h z 三角波扫描信号 f i g 3 - 2 11 6 0h zs i g n a lo f t h et r i a n g u l a rw a v es c a n n i n g 6 燕山大学工学硕士学位论文 图3 - 2 2 增加扫描范围和频率的扫描信号 f i g 3 - 2 2s c a n n i n gs i g n a li n c r e a s e ds a n n i n gr a n g e 3 3 结论 f - p 滤波解调方案可以获得非常高的灵敏度和宽的解调范围。实验中， 测量4 0 0h z 的振动信号时，在示波器上观察到优良的信号峰值。但是f p 滤 波器价格昂贵，为了降低系统造价，本文实验了压电陶瓷控制的f b g 解调 方案。由于所用压电陶瓷本身特性所限，测量频率不能太高。选择性能优 良的压电陶瓷可以将测量频率提高到几百h z f 6 3 1 ，此外，放大电路对测量的 影响也是非常明显的。适当的优化电路的放大滤波性能，可以获得更接近 于f p 滤波器的性能。 3 4 本章小结 本章研究了压电陶瓷控制f b g 的扫描特性，在理论上详细阐述了解调 原理，并对解调方案进行了仿真研究。对压电陶瓷扫描和f p 滤波器扫描的 解调方案进行了深入的实验研究，详细分析了实验方法及所得结论，并对 实验中出现的问题加以研究，提出了解决方案。 4 0 第4 章光纤布喇格光栅传感解调系统设计 第4 章光纤布喇格光栅传感解调系统设计 f b g 的波长检测技术是f b g 传感的关键技术，一般应用光谱仪、单色仪 等对传感信号进行解调。这些仪器的突出优点就是解调结果直观，精度高， 实现方便。但这类仪器的价格昂贵，体积庞大，更重要的是它们不能直接输 出对应于波长变化的电信号，这对于测量结果的记录、存储和显示以及提供 给控制回路必要的电信号以达到工业生产过程自动控制的目的都是极为不 利的。本章提出了一种利用单片机对光电检测信号进行处理的解调方案。在 实现