（通信与信息系统专业论文）高速准分布式光纤光栅应变传感系统复用与解调技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在应变测量领域，现有光纤光栅系统的研究侧重于系统的复用能力与测量精度， 而针对系统应变测量频域带宽与响应速率的研究较少，限制了光纤光栅传感系统在高 速动态应变测试领域的应用。因此，本课题的研究目的是基于光纤光栅传感器设计出 一套能够实现高速准分布式应变测量的传感系统，实现高速动态应变的实时监测。 在分析光纤光栅传感器的应变测量原理与光纤光栅传感系统的解调与复用技术的基础上，通过 在时分复用中引入波分复用的方法实现准分布式测量，并结合匹配光栅解调技术，提出一种高速准 分布式光纤光栅应变传感系统复用与解调技术，并完成了系统设计。该方法不采用传统光纤光栅传 感系统所使用的扫描滤波器件或信道选择器件，即可实现基于全光纤复用与解调技术的准分布式应 变测量，降低准分布式光纤光栅传感系统的成本，并且大幅提升系统的响应速率与解调速率，表明 准分布式光纤光栅传感系统在高速应变测量领域具有较大应用潜力。 本文主要围绕系统硬件设计，完成了光路系统设计与印制电路板的设计与调试， 并对整个系统进行了测试与分析。经过测试与分析，本课题设计的系统可以准确地测 量出被测对象所受应变的分布与强度信息。系统对1 0 个信道数据的处理速率为1 0 k h z ， 因此系统最终可以同时检测l o 个信道中5 k h z 以内的动态应变信号，对应变的响应时 间也仅为1 0 0 峪。 关键词：光纤布拉格光栅；时分复用：波分复用；匹配光栅；应变 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t i nt h ef i e l do fs t r a i nm e a s u r e m e n t , m o s to ft h er e p o r t e df i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o rs y s t e m sf o c u s eo nt h em u l t i p l e x i n gc a p a b i l i t ya n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , w h i l et h e s t r a i nm e a s u r e m e n tb a n d w i d t ha n dr e s p o n s er a t ea r en e g l e c t e d ，w h i c hh a sl i m i t e dt h e a p p l i c a t i o no ff b gs e n s o rs y s t e mi nh i g hs p e e dd y n a m i cs t r a i nm e a s u r c “m e n t t h ep u r p o s e o ft h i sp a p e ri st od e s i g na nu l t r a - f a s tq u a s i - d i s t r i b u t e ds t r a i nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n f b gs e n s o r , w h i c hc a nm o n i t o rh i 曲s p e e dd y n a m i cs t r a i ni nr e a lt i m e f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nt h es t r a i nm e a s u r i n gp r i n c i p l e ，t h ed e m o d u l a t i o n a n dm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi nt h ef b gs a i l s o rs y s t e m ，a nu l t r a - f a s tq u a s i - d i s t r i b u t e df b g s t r a i ns e n s o r s y s t e m d e m o d u l a t i o na n d m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y i sa c h i e v e d b y s i m u l t a n e o u s l yu s i n gt h et i m ed i v i s i o nm u l f i p l e x i n g ( t d m ) t e c h n o l o g y , t h ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g y , a n dt h ec o m b i n a t i o no fm a t c h e dg r a t i n g d e m o d u l a t i o nm e t h o d w i t h o u tt h es c a n n i n gf i l t e r so rt h ec h a n n e ls e l e c t i o nd e v i c e su s e di n t h et r a d i t i o n a lf b gs e n s o rs y s t e m s ，a na l lo p t i c a lm u l t i p l e x i n ga n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e i sr e a l i z e di nt h eq u a s i d i s t r i b u t e ds t r a i nm e a s u r e m e n t t h i ss c h e m ec a nr e d u c et h ec o s to f q u a s i d i s t r i b u t e df b gs e n s o rs y s t e m a n dg r e a t l yi m p r o v et h ed e m o d u l a t i o nr a t ea n d r e s p o n s er a t e ，w h i c hr e v e a l st h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n so fq u a s i - d i s t r i b u t e df b gs e n s o r s y s t e mi nt h ef i e l do f h i g hs p e e ds t r a i nm e a s u r e m e n t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m t h ed e s i g no ft h eo p t i c a l s y s t e ma n dp r i n t e dc i r c u i ta r ec o m p l e t e d , a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e mi s a n a l y z e d t h cs t r a i nd i s t r i b u t i o na n di n t e n s i t yo ft h et a r g e to b j e c tc a nb es u c c e s s f u l l y m e a s u r e di no u rp r o p o s e du l t r a - f a s tq u a s i - d i s t r i b u t e df b gs t r a i ns e n s o rs y s t e m t h e d e m o d u l a t i o nr a t ei s10k h zf o rloc h a n n e l sa f t e rd a t ap r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，t h es y s t e m c o u l ds i m u l t a n e o u sd e t e c tt h ed y n a m i cs t r a i ns i g n a ll e s st h a n5 - k h z 谢mlo o 螂r e s p o n s e t i m ef o r10c h a n n e l s k e y w o r d s ：f b g ；t d m ；w d m ；m a t c h e dg r a t i n g ；s t r a i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景与目的 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k 0 h i l l 等人利用驻波法，用氩离子激光器在锗硅 光纤上制作出世界上首条光纤光栅【i 】，开创了光纤光栅这一新的研究领域。随后，横向 全息成栅技术【2 】与相位掩模法【3 】等光纤光栅制作技术的产生，进一步促进了光纤光栅的 研究与发展，尤其是能够批量生产光纤光栅的相位掩模法的诞生，使光纤光栅成为光 纤通信领域与传感技术领域的研究热点，让光纤光栅真正走向了实用化。 光纤光栅具有体积小、质量轻、速度快、灵敏度高、抗电磁干扰、复用能力强及 可实现超远距离测控等诸多优点，因此被广泛应用于半导体激光器的选频【4 】【5 1 ，光纤激 光器反射镜6 】【7 】，掺铒光纤放大器增益平坦【8 1 及降喇9 】，密集波分复用器d w d m ( d e n s e 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 ) 系统波分复用【1 0 1 ，光通信系统的色散补偿1 1 】【1 2 1 ，铁 路系统的计轴【1 3 】与高速列车定位【1 4 1 ，各种大型结构应变与温度的准分布式测量【1 5 】【1 6 】 等诸多领域。经过三十多年的发展，光纤光栅已成为光通信系统的重要组成部分与传 感技术领域的主流发展方向之一。 光纤光栅在传感领域主要应用于应变与温度的准分布式测量，尤其是在钢轨、桥 梁、船舶、风机叶片与混凝土建筑等大型复合材料或结构内部应变或温度的实时监测 5 】【i 丌。在这些应用中，光纤光栅传感器相对于其它类型传感器有不可比拟的优点。首 先，相对于基于电测量与传输的应变片与温度传感器，光纤光栅传感器有抗电磁干扰 与传输距离长等显著优点。此外，为实现大型复合材料或结构内部应变的监测，需要 在其内部大量敷设传感器，这对于传感器的尺寸与复用能力要求较高，光纤光栅传感 器在这两方面也有非常大的优势。将光纤光栅传感技术应用于材料科学与结构工程科 学中，可以实现大型结构的实时监控，便于维护与预警，降低意外事故的发生，减少 人民生命财产损失。在应变测量领域，现有的光纤光栅系统的研究侧重于系统的复用 能力与测量精度，而针对系统应变测量频域带宽与系统响应速率的研究较少，限制了 光纤光栅传感系统在高速动态应变测试领域的应用。 因此，本课题的研究目的是结合光纤光栅传感的技术优势设计出一套能够实现高 速准分布式应变测量的传感系统，实现高速动态应变的实时监测。 1 2 国内外研究现状 光纤光栅传感技术应用于应变测量的研究兴起于上世纪末，经过二十多年的发展， 其解调与复用技术日益成熟，在国内外多有报道。 m a h as u l e i m a n 等通过自混合干涉原理实现的单个光栅8 8 h z 动态应变的测量【1 3 1 ： c h u a n gk u o - c h i h 等利用光强解调技术在原理上验证了4 0 k h z 频率内的动态应变测量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的可行性【l9 】。武汉理工大学李维来等提出一种基于波长检测的光纤光栅列车计轴系统 应用于铁路轨道计轴，系统解调速率低于2 0 h z 2 0 1 。哈尔滨工业大学与香港理工大学余 有龙等利用光开关与非平衡迈克耳孙干涉仪研制出一套无源式光纤光栅空、时分复合 复用传感系统，实现了4 0 h z 以内的应变响应速率【2 l 】。浙江大学舒睿俊等利用温控光纤 布拉格光栅解调原理，实现单个通道3 2 k h z 的动态应变测量田】，证明了光纤光栅传感 系统测量较高频率动态应变的可行性。浙江大学黄雪峰等在光纤光栅传感系统中引入 密集波分复用器( d w d m ) 器件实现边缘滤波解调法测量汽轮机叶片频率，实现了单 个信道3 k h z 频率范围以内的动态应变信号频率测量【2 3 】。 已报导的光纤光栅复用系统中，绝大多数都采用了光开关、f p ( f a b r y - p c r o t ) 腔、 波分复用器、干涉仪、动态匹配光栅等扫描滤波或信道选择器件，极大地限制了系统 的响应速率与被测信号的频率检测范围。本课题的首要研究目标是提高准分布式光纤 光栅传感系统的解调速率，实现较高频率动态应变信号的强度或频率的测量，大幅提 升光纤光栅传感系统的响应速率，扩大光纤光栅传感系统在高频振动信号检测( 叶片、 振动台与飞机机翼等) 方面的应用。 1 3 主要工作与结构安排 1 3 1 本课题主要工作 本课题的主要工作包括理论分析与设计，以及以硬件为主的系统实现与测量两个 方面。首先，对光纤光栅系统的复用与解调原理进行仔细分析，总结不同方案的优缺 点，确定符合于本课题要求的复用与解调方法。然后在此基础上从系统光路与电路两 个方面设计与优化光栅传感系统，设计出一套能够实现高速动态信号测量的准分布式 光纤光栅测试系统。最后对所设计系统进行调试与应变信号的测量，对系统原理进行 验证与优化。通过对传感光栅进行静态加载应变信号实验，测试了系统的响应速率与 解调速率，验证了整个方案的可行性。 1 3 2 本文结构安排 本文采用自上而下的论述方式，以原理分析、系统设计与实现及系统测试的顺序 组织全文，文章各章节内容安排如下： 第一章：绪论，分析光纤光栅传感器相比于传统电传感器的优势，介绍光纤光栅 传感系统的应用领域与应用前景。分析已报导光纤光栅传感系统的优缺点，提出本课 题的设计目标：提高准分布式光纤光栅传感系统的响应速率与解调速率。最后阐述本 课题的主要工作与本文的结构安排。 第二章：光纤光栅应变传感器，首先介绍光纤应变传感器原理及分类，分析各种 光纤传感器的应用范围与优缺点，详细介绍光纤布拉格光栅f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 传感器的工作原理与应变测量原理。然后介绍光纤光栅传感系统的基本结构与每个模 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 块的功能。最后对光纤光栅传感系统的解调与复用技术进行简略地分析，介绍每种技 术的原理、器件关键参数、适用范围、优缺点等。 第三章：高速应变测试系统总体设计，在介绍光纤光栅传感系统的基本设计指标 的基础上，从匹配光栅解调原理与时分复用技术两方面深入阐述系统的实现原理，并 给出了系统的光路设计原理图与硬件电路总体设计。 第四章：高速应变测试系统软硬件设计，从系统的光路设计、电路设计、软件设 计等三方面阐述本课题的设计思路与实现方法。首先介绍系统的光路设计框图，并分 析与确定了每一个光器件的作用、性能要求与型号。然后从硬件电路的器件选型、电 路原理图设计、印制电路板设计等方面描述本课题的硬件电路设计思想。最后介绍系 统所使用的可编程器件f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 与a r m 内的程序设计 思路。 第五章：高速应变测试系统的搭建与测试，介绍系统的实验环境，并进行了静态 加载应力实验与系统解调速率与响应速率实验，对实验结果进行了详细分析，提出了 系统的优化方案 本文最后部分为结论、致谢、参考文献、附录和攻读硕士学位期间发表的论文及 专利。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章光纤应变传感系统 光纤由高纯硅或塑料加少量能改变光纤特性的掺杂成份组成，其结构为细长圆柱， 分内外两层，内层为折射率较高的纤芯，外层为折射率较低的包层。此外，为保护光 纤，在光纤外一般有树脂涂层以提高光纤的抗弯曲能力与抗拉能力。光纤应变传感器 是在光纤的基础上加工而成，因此具有光纤质轻、灵敏度高、损耗极低、信号传输速 度快、传输容量大与抗电磁干扰等诸多优点。本章将简单介绍光纤应变传感器的分类 与光纤光栅传感器的原理，并对光纤光栅传感系统的基本原理与结构进行分析。 2 1 光纤传感器的分类 光纤应变传感器根据传感原理的不同，大致可分为干涉式光纤传感器、布里渊光 时域反射传感器与光纤光栅传感器三类。 2 1 1 干涉式光纤传感器 干涉式光纤传感器通过测量光在两条光路上的传输路径长度或折射率的变化解调 出应变信息，即通过光的干涉原理解调包含在光波相位中的被测应变信息。干涉式光 纤传感器的基本原理为：光源发出的光经过光耦合器分为相位相同的两束光，分别注 入测量光路与参考光路，然后通过一个光耦合器耦合为一路光信号，最终进入干涉仪 进行干涉检测。被测应变只作用于测量光路，因此两路光信号在通过测量光路与参考 光路后的相位不再相同，经过耦合后发生干涉。通过测量干涉光强的变化，便可以得 到作用于测量光路的应变信息f 2 4 】【2 5 】。 干涉式光纤传感器灵敏度极高，但需要高精度的干涉仪配合使用，系统成本较高， 因此应用领域有限，基于此原理的传感设备有干涉式光纤水听器与光纤陀螺等。 2 1 2 布里渊光时域反射传感器 基于布里渊散射原理的光时域反射传感器的基本原理是：将一个光功率大而频谱 窄的光脉冲注入光纤中，由于光纤内部结构不均匀，光脉冲群速度发生改变，在频域 内发布里渊频率飘移，布里渊频率飘移的大小可以反映光纤所受到的温度与应变变化。 布里渊光时域反射传感器基于光时域反射o t d r ( o p t i c a lt i m ed o m a i n r e f l e c t o m e t e r ) 技术：在发送端检测瑞利散射或布里渊散射形成的背向光，背向散射光 的光强大小反映瑞利散射或布里渊散射所引入的损耗，背向散射光与输入光脉冲的时 延差反映产生瑞利散射或布里渊散射的位置。由于温度或应变的改变都可以改变布里 渊散射的大小，因此通过测量布里渊散射的分布便可以得到温度或应变分布信息【2 6 1 。 目前，布里渊光时域反射传感器的空间位置分辨率为o 2 米，应变测量精度可以达 到1 0 雌【z 丌，这一应变测量精度较低，不适用于大型结构的应变测量，而且布里渊光时 域反射传感器本身的造价高昂，工程成本很高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1 3 光纤光栅传感器 光纤光栅传感器的中心波长能够被外部参量所调制，是一种波长调制型光传感器。 光纤光栅是在光纤上利用光纤的光敏性【2 8 1 【2 9 1 在纤芯内形成一个窄带滤波器或反射器， 使得通过光栅的光在某个特定波长( 中心波长) 处产生反射或透射。当光栅受外部应 变或温度参量作用时，中心波长被调制发生飘移。因此通过测量光纤光栅中心波长的 飘移就可以得到光栅所受应变或温度信息。光纤光栅传感器的主要优点是检测的波长 编码线性特性好，重复性强。而且由于光纤光栅的插入损耗低且具有很窄的反射或透 射波长，因此可以在一条光纤光栅上级联多个光栅实现复用【3 0 1 。 光纤光栅传感器曾被认为是理想的传感器【3 1 】【3 2 1 ，适用于动态与静态参量的检测， 因其是波长调制类型，测量信息为光栅波长编码的绝对量，可以使传感器实现自校准。 光纤光栅波长检测的优点是光信号的频率特性基本不受传输光纤的影响，从本质上消 除了光强变化对传感信息检测的干扰。尤其是在光纤传感系统中，光源光强变化、光 纤弯曲损耗与环形器耦合器等带来的插入损耗都会引入光信号光强的变化，这个因素 曾经长期限制其它光纤传感器的发展。但这个因素与光纤光栅传感器的波长特性无任 何关联，因此光纤光栅传感系统与其它光纤传感系统相比有很高的稳定性与较低的系 统成本，且复用能力更强，因此更适用于大型结构应变检测或高速动态应变测量。 根据光纤光栅周期的大小，可以将光纤光栅分为光纤布拉格光栅( 周期小于1 岫， 反射型) 与长周期光纤光栅( 周期大于数十微米，透射型) 。光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g g g r a t i n g ，f b g ) 的灵敏度比长周期光纤光栅的灵敏度低，但其复用能力更强，因此更适 用于分布式应变测量。 2 2f b g 传感器的工作原理 2 2 1f b g 传感器基本原理 f b g 是利用光纤的光敏特性，将光纤置于呈空间干涉条纹分布的紫外光照射下， 形成折射率永久周期性变化的空间相位光栅。f b g 的基本光学参数有反射率、透射率、 中心波长与反射带宽等。根据耦合模理论，f b g 的反射率尺为【3 3 】 尺：_ 冀坚丛堕巡生 ( 2 1 ) 一! l + c o s h 2 ( k ) 2 一( 善+ ) 2 k 在均匀周期f b g ( 无啁啾效应) 中交流耦合系数k 、光栅长度l 与自耦合系数毒+ 均为 常数。f b g 的透射率丁与反射率尺相关： t = l r( 2 2 ) f b g 的中，t l , 波长丸是f b g 应用中最关心的问题，它可表示为【3 3 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ， 厶= 2 人= 2 吻亏 ( 2 3 ) 式中，n e f f 为光纤的有效折射率，在折射率均匀分布的普通单模f b g 中，其值约等于纤 芯折射率；人为光纤光栅栅格的周期，三为光栅长度，为光栅周期数。由式2 3 可知， f b g 的中心波长与光栅周期和反射耦合模有效折射率成正比，任何使这两个参量变化 的因素都能引起光栅中心波长的飘移，这是f b g 应用于传感测量的基本原理。 此外，f b g 的反射带宽九也是f b g 传感系统的一个重要参量，取谐振波长两侧 反射率第一次为零时的波长间距为九，其表达式为【3 3 】 厶：；l b s a n , 扩 n e f f ( 2 _ 4 ) 式中，以为f b g 中心波长，s 为折射率调制的条纹可见度，细矿为直流有效折射率变 化，n o y 9 光纤的有效折射率，三为光栅长度。 2 2 2f b g 传感器应变传感原理 根据式2 3 知，光栅周期与光纤纤芯有效折射率是影响f b g 中心波长的两个因素。 对于f b g 而言，应变与温度的改变都会导致光栅周期与纤芯有效折射率，因此在f b g 传感系统中都必须考虑这两个因素的影响。应变与温度对f b g 中心波长的影响可表示 为【3 4 】： 竺= ( 1 一p ) s z + ( 口 + 口。) 丁 ?、 ( 2 5 ) ，、 一， f 见= 争p 1 2 叫p t i + p 1 2 ) 】1 、 二 式中，厶为f b g 中心波长，仇为有效弹光常数，n o y g 纤芯有效折射率，p j j 与p 1 2 为 弹光系数，v 为泊松比，乞为轴向应变，口 为光纤热膨胀系数，口。为热光系数，r 为 温度变化量。 式2 5 中第一项为应变对中心波长的影响。相关研究表明，对于中心波长为1 5 5 0 r i m 的普通锗硅光纤，或1 2 p m 炉 3 4 1 ，即1 炉的轴向应变会使f b g 中心波长飘移约 1 2 p r o 。其中，在光纤光栅的轴向弹性区间内，中心波长飘移与应变的相关系数约为 o 9 9 。式2 5 的第二项表示温度对中心波长的影响，对于中心波长为1 5 5 0 r i m 的普通锗 硅光纤，+ 口。= 1 3 7 p m ( 2 【川，并且两者的线性度大约在0 9 9 左右。 通过对公式2 5 的分析可知，光纤光栅中心波长的飘移都是应变与温度共同作用 的结果，即应变与温度的交叉敏感。因此对于f b g 应变传感系统，需要对温度进行标 定，以实现对应变的精确测量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3f b g 传感系统的基本结构 一般f b g 传感系统都采用复用技术，其基本架构如图2 1 所示。光源发出的光信 号通过环形器进入复用单元进行复用，然后进入f b g 阵列，被应变或温度调制。f b g 反射的光信号通过复用单元与环形器后进入解调单元进行解调，最后进入数据采集与 处理单元分析处理，得到待测应变或温度信息。图2 1 中每个组成部分功能如下： 图2 1f b g 传感系统的基本结构 1 光源 f b g 传感系统的光源一般可分为两种：宽带光源与波长连续可调激光器。宽带光 源的输出功率可到达数十毫瓦以上，但是输出波长范围一般为数十纳米，因此宽带光 源中每个单位波长的功率较小，要求系统光路插入损耗较低，且光电放大性能要求较 高。而波长连续可调激光器的输出波长可调范围虽然较大，但实际输出为一个波长较 窄的光脉冲，因此其单位波长的功率较高，对系统光路的插入损耗要求不高。但是波 长连续可调激光器需要控制光源扫描整个波长范围，因此信道切换时间较大，不适用 于高速分布式传感系统。 2 环形器 一般f b g 传感系统都需要环形器或耦合器，以实现光路的调整。有的系统也根据 需要有多个环形器或耦合器，但是这样会导致插入损耗的增加，在实际运用中要尽量 减少其数量。 3 复用单元 为提高f b g 传感系统的多点监测能力，降低单个光栅的测量成本，需要引入多种 复用技术( 时分复用、波长复用、空分复用等) 。 4 光栅阵列 光纤光栅是f b g 传感系统的信息转换单元，它的作用是使光信号被应变或温度调 制。为提高光栅的稳定性，提高系统的可重复性，一般需要对光栅做退火处理【3 5 1 。 5 解调单元 解调单元是f b g 传感系统的核心模块，也是现在的研究热点，其性能优劣直接决 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 定系统性能的优劣。已报导的解调技术包括边缘滤波器法、可调谐滤波器法、干涉仪 扫描法等，每种方法各有所长，适用于不同传感应用。 6 数据采集处理单元与控制单元 这部分是系统的电域处理部分，数据采集处理单元将解调单元输出的信号还原为 光栅波长的飘移，进而通过运算得到被测应变或温度信息。控制单元则是协调系统每 个模块的工作，视系统结构不同而不同。 2 4f b g 传感系统的解调与复用 f b g 系统中，解调与复用技术是两个关键技术之一：解调方法决定系统的测量精 度与测量速率等，复用技术决定系统的分布式测量能力。 2 4 1f b g 传感系统解调方式 传感系统的本质是一个信息转换与检测系统，其关键技术是解调，即信息转换过 程。传感系统要求能够准确、实时地检测出被测信息某一参量( 幅度、相位、频率等) 的变化情况。在光纤光栅传感系统领域中，主要的解调方案有强度解调、相位解调、 频率解调、波长解调等。每一种解调技术都各有所长，适合于不同测量需要。其中， 波长解调对包含被测信息的波长编码进行检测，对光纤连接器插入损耗、耦合器插入 耗损、光源输出功率起伏等不敏感。f b g 波长解调技术主要有：边缘滤波器法、可调 谐滤波器法、干涉仪扫描法等。 1 边缘滤波器法 边缘滤波器法利用输入中心波长飘移量与输出光功率变化呈线性关系的原理，通 过测量输出光功率的变化得到被测应变或温度信息【3 6 】【3 7 1 。这种方法基于光强检测，适 用于动态与静态信息测量，在较高精度的测量中是一个比较理想的解调方法。但这种 方法需要每个信道配备一个边缘滤波器与两个光电探测器，组成的分布式传感系统结 构较为复杂，成本也较高。 2 可调谐滤波法 利用f - p 剧3 引、声光可调谐滤波器【3 9 】与动态匹配光栅等光滤波器【4 0 】【4 l 】，跟踪传感 光栅中心波长的变化，实现波长解调。当滤波器光谱与光栅匹配时，对应波长的光信 号通过滤波器，其余波长的光信号被滤除。通过检测滤波器输出光功率的大小，再结 合已知的滤波器光谱，可以得到传感光栅的中心波长变化。可调谐滤波法中，扫描周 期反比于采样间隔，因此系统分辨率受返回信号的信噪比、滤波器与传感光栅带宽限 制。此外受可调谐滤波器机械结构扫描周期的限制，扫描速率较低，系统解调速率不 高。 3 干涉仪扫描法 干涉仪扫描法中，干涉仪的作用是将波长飘移转换为相位变化，当传感光栅受应 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 变或温度作用时，干涉仪中的光程被调制，通过检测干涉仪输出端光信号的相位变化， 可以得到传感光栅的波长飘移信剧4 2 】【4 3 】。此方法的分辨率较高，但是受干涉仪相位对 温度敏感的限制，不适用于准静态检测。 2 4 2f b g 传感系统复用技术 在很多传感测量应用中，单个点的传感测量己无法满足实际需求，很多应用都需 要分布式多点测量。并且复用技术可以通过共享光源、解调器、电处理系统等大幅降 低单个传感器的测量成本，提升f b g 传感系统的性价比，提高f b g 传感系统相对于 其它非光学传感系统的竞争力。 随着光纤复用技术的发展，f b g 传感系统的复用技术也日益丰富与成熟，目前报 道的有波分复用w d m ( 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 ) 、时分复用t d m ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 与空分复用s d m ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 及混合复用技 术，其中w d m 技术是目前普遍应用的复用方法，混合复用技术是f b g 传感系统的研 究热点f 删f 4 5 】。 1 波分复用 在给定的光源波长范围内，给每个f b g 传感器分配一个唯一的波长编码，并在两 个相邻波长间保留一定的波长间隔防止信道串扰，通过f b g 传感器中心波长的大小来 区分信道。波分复用的优点是传感光栅的物理间距与波长分辨率，即系统解调的分辨 率无关。但是波分复用中信道数量严重依赖于光源光谱宽度。波分复用原理简单，因 此很多f b g 传感系统都采用了这种复用方式p , 6 ) t 4 7 1 。 2 时分复用 时分复用系统中，两相邻光栅反射脉冲的时间间隔与光信号通过两个光栅的光程 差成正比，两个光栅物理间隔越大，其反射脉冲在时域上的间隔也越大。根据光信号 在不同光栅所在的光路中的传输延时，就可以区分不同的光信道【4 8 】【4 9 1 。时分复用中， 两个相邻光栅的物理间隔越小，其对应的两个相邻反射脉冲的时间间隔越小，系统的 复用能力越强，但是对后端处理部分的要求也越高。时分复用与波分复用结合，可以 显著提高光栅传感系统的复用能力1 5 0 】1 5 l 】。 3 空分复用 空分复用是利用多信道光开关，实现光栅传感器的二维空间分布【5 2 】。空分复用一 般都需要结合w d m 或者t d m ，实现更大规模的传感复用【5 3 】【5 4 1 。由于引入了信道切 换速率不高的光开关( 信道切换时间仅在m s 量级) ，空分复用系统的解调速率或响应 时间受到限制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章高速应变测试系统总体设计 f b g 传感技术经过多年的发展，技术已基本成熟，目前f b g 传感系统的研究热点 是系统的实用化、低成本化与其它更多的潜在应用。传统f b g 准分布式传感系统都采 用传统扫描滤波或信道选择器件，增加了系统成本，且限制了系统的解调速度与响应 时间。本文采用t d m w d m 与匹配光栅解调结合的技术，设计出一套准分布式高速应 变测试系统，在降低准分布式f b g 传感系统成本的同时大幅提升系统的解调速率，实 现应变的高速准分布式应变测量。本章节将从系统设计指标与系统总体设计入手，详 细介绍本系统的设计思路。 3 1 系统设计指标 f b g 传感系统的性能指标有很多，在系统设计时需要考虑以下参数： 1 测量范围 系统测量范围越大，其应用价值越高。在应变监测应用中，应变测量范围与波长 飘移量的探测范围成正比，f b g 系统的波长飘移量的探测范围通常都在纳米级。波长 测量范围越大，w d m 复用系统的复用能力越弱，在设计时需要折衷考虑。 2 分辨率 系统的应变分辨率决定于系统波长飘移的测量分辨率，这通常与测量范围成反比， 往往不能兼顾，需要根据实际情况进行平衡取舍。 3 复用能力 复用不仅能提高系统多点测量能力，还能进一步降低整个系统的单点测量成本。 f b g 复用技术很多，其中混合复用技术是当前的研究热点。 4 测量速率 在很多应用场合中，应变监测速率也是一个重要的参量。系统测量速率越高，意 味着反应速度越快，这在灾害与故障预警中非常重要。此外，根据采样定理，应变测 量速率更高使得系统可以检测更高频率的应变信号。 5 响应时间与信道切换时间 在分布式光纤传感系统中，响应时间反映了系统对应变的反应速度，而信道切换 时间则是系统在两个信道之间切换所占用的时间。这两个参量的值越小，表明系统对 分布式应变测量的响应速率越快。 6 系统成本 f b g 应变传感系统的应用前景决定于系统成本，要有相比于传统电传感系统更有 竞争力的测量成本才能使f b g 应变传感系统进入商业应用。f b g 系统中，光器件的成 本相比于电器件的成本要高很多，因此在系统设计时需要精简光域部分结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 3 2 光域部分总体设计 高速准分布式光纤光栅应变传感系统原理框图如图3 1 所示。宽带光源 s l e d ( s u p e d u m i n e s 咖tl i g h te m i t t i n gd i o d e s ) 发出的宽带光信号通过环形器l 的“1 端口进入，从环形器1 的“2 端口输出，进入中心波长为ama 伽，a 肋传感 光栅阵列；经过传感光栅反射阵列后，光信号通过环形器l 的“3 ”端口输出，进入环 形器2 ，并从环形器2 的“2 ”端口进入中心波长分别为a2 ，a2 2 ，a2 n 的匹配光 栅阵列解调；解调后的反射光信号通过环形器2 的“3 端口输出，其信号示意图如图 中下部分的光强时间图所示。图中中心波长为ai i 的传感光栅与中心波长为a2 f 的匹 配光栅的参数相同( i - - 1 ，2 ，n ) 。 图3 - i 高速应变测试系统原理框图 图3 1 中，中心波长为aj f 的传感光栅与中心波长为a2 j 的匹配光栅( - - - i ，2 ，n ) 组成一对传感匹配光栅对，即组成一个信道。中心波长为a 的传感光栅反射的传感 光信号经过两个环形器后进入中心波长为 办的匹配光栅解调。在光强尸- 时间t 图中， 不同匹配光栅对的对应光路的输出光强不同。下面将从匹配光栅解调与复用技术两方 面详细介绍系统原理。 3 2 1 匹配光栅 匹配光栅解调的基本原理如图3 2 所示，其中图3 2 a 为基本结构图，图3 2 b 为匹 配光栅解调的光信号示意图。图3 2 a 中，f b g l 为中心波长为a ，的传感光栅，f b g 2 为中心波长为a2 的匹配光栅。宽带光源发出的光信号通过环形器l 进入传感光栅 f b g l ，被反射后通过环形器l 与环形器2 进入匹配光栅f b g 2 ，再次被反射后经环形 器2 进入探测器，得到如得图3 2 b 所示的传感信号s o n 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 a ) 光强p b ) 图3 - 2 匹配光栅解调原理 传感光栅f b g l 与匹配光栅f b g 2 的参数一致，因此当两光栅处于静态时( 温度 相同，且均无应变作用) ，两个光栅的反射谱重叠，探测器接收到的光信号s 砌( 图3 2 b 中阴影部分的面积) 为最大值。当传感光栅与匹配光栅处于不同的温度或应变作用时， 传感光栅的中心反射波长相对于匹配光栅的反射谱发生飘移。而传感光栅的反射光信 号是匹配光栅的输入光信号，只有两个光栅反射谱重叠部分( 图3 2 b 中的阴影部分) 波长内的光信号才能被反射进入探测器，重叠部分的面积正比于探测器接收到的光信 号。当两光栅反射谱的重叠部分增大时，探测器接收到的光信号的功率也增大，反之 亦然。因此可以根据匹配光栅f b g 2 反射光强的变化，检测出传感光栅f b g l 所受到 的应变信息。应变的幅度可以由探测器接收到光强的幅度，根据应变对光栅反射谱的 影响推导出来【5 5 】；而应变的周期与探测器接收的光信号的周期一致 s 6 】。以上结论都建 立在f b g 2 解调特性的线性范围内，当应变信号的动态范围超过f b g 2 的线性解调区 间时，输出信号将不再与输入信号成正比关系。 3 2 2 时分复用与波分复用 时分复用基本原理是利用不同的时隙来区分不同的信道，在光纤光栅中则是利用 不同信道中光信号的传输时延来标记不同的信道。光源发出一个时域很窄的宽谱光信 号，通过在光接收端接收到的光信号时延决定所接收的光信号所属信道。在图3 1 中， 传感光栅aj f 与匹配光栅a2 f 组成一组信道c 陆( 卢l ，2 ，n ) ，光栅间距l d 导致s l e d 宽带光源发出的光信号在不同通道c 甚中的传输时间不同。在图3 1 中，光信号在相邻 两个信道传输的时间间隔丁可用以下公式求解： t = 熹 ( 3 - 1 3 ) = 立 ( 1 ) c | n 式中，如为光栅间距，c 为光在真空中的光速，n 为光栅纤芯的等效折射率。 图3 1 中相邻两个光栅的间距如为5 米，即相邻两个信道c m 的光信号的光程差 为幻的四倍。光在真空中的光速为3 x1 0 8 m s ，普通锗硅光纤光栅在1 5 5 0 窗口的等效 折射率为1 4 8 ，由这些参数可以计算得到两相邻信道中光信号的时间间隔r 为9 8 7 n s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 即在光接收端接收到第一个信道的光信号后，隔( i - 1 ) x 9 8 7 n s 的时间间隔，接收到第 f 个信道c h i 的光信号，这与图3 1 中光强只时间t 图中不同信道脉冲信号的时间间隔 一致。 在纯时分复用系统( 每个光栅中心波长相同) 中，尽管不同信道的反射光信号在 时间上可以分离，但由于光栅中心波长的重叠会导致串话产生，这种现象被称为光谱 阴影串话【3 1 1 。光谱阴影串话是因光信号两次通过上游光栅，而产生的下游光栅光谱的 失真。如果这两个光栅的中心波长有微小的偏移，则光谱阴影串话会导致下游光栅的 中心波长飘移更多，而这又会导致更下游的光栅的中心波长飘移更多。 此外，纯时分复用系统中每个光栅的反射率都需要根据光栅数目定制，每个光栅 的反射率都较低，使得不同信道的光信号在到达光接收端时功率在同一量级。纯时分 复用光栅传感系统还对光源的输出功率要求也很高。因此纯时分复用光栅传感系统不 具有实用价值，时分复用一般都需要与其它复用方式结合使用。 时分复用中不同信道光栅中心波长的重叠会引入串话，因此将时分复用与波分复 用结合可以克服这一缺点。在波分复用，每个信道的光栅中心波长不同，可以完美地 解决时分复用的不足，同时也大大降低系统的复杂度。时分复用与波分复用结合，得 到得如图3 1 所示的复用结构：每对匹配光栅对a 以与a a 的中心反射波长相同，不同 匹配光栅对采用不同的波长进行信道编码，通过时分复用方式进行复用。 在图3 1 中，相邻信道的时间间隔丁为9 8 7 n s ，因此需要对光源进行调制。为防止 相邻信道之间出现信道干扰，需要预留一定信道保护间隔，因此光脉冲的宽度应不大 于5 0 n s ，即光源的数据调制脉冲的脉宽应不大于5 0 n s ，且这个数值越小，相邻信道间 的干扰越小。但是光脉冲的宽度越小，解调后每个传感光信号的宽度越小，每个传感 光信号的采样点数越少，对于强度解调型光栅传感系统的应变测量精度影响越大。考 虑到现可以获得的模数转换芯片的最高采样频率为2 0 0 m h z ，系统使用5 0 n s 的数字调 制脉冲对光源进行调制。 3 3 硬件电路总体设计 图3 3 为高速应变测试系统的电路框图，分为模拟电路与数字电路两部分：经过 匹配光栅解调后的光信号由光电探测器p d 转换为电信号，这种光电之后的电信号的幅 度一般都比较小，不能直接采样处理，需要先通过放大电路( a m p ) 进行放大：放大 后的信号通过模数转换芯片( a d c ) 后转换为数字信号，进入数字处理电路处理；由 f p g a 与a r m 处理后得到的应变信息通过相应的接口传送给控制系统。 f p g a a m ph a d 障 - - 酬控制系统l a r m 系统电源 图3 3 系统电路结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第4 章高速应变测试系统软硬件设计 上一章对高速应变测试系统的原理进行了详细阐述，系统主要难点在于高速数字 处理电路的设计与实现。下面将从器件选型，光路与电路设计等方面介绍系统设计方 法与思路。 4 1 光域部分设计 4 1 1 系统光路 系统光路如图4 1 所示，宽带光源发出的宽谱光通过环形器l 的端口“1 与端口 “2 后进入传感光栅阵列；经过传感光栅阵列反射后的光信号通过环形器l 与环形器 2 ，从环形器2 的端口“2 ”进入匹配光栅阵列解调；匹配光栅阵列解调后的反射光信 号通过环形器2 的端口“2 与端口“3 进入电域解调单元解调与处理。 图4 - 1 高速解调系统光路图 传感光栅与匹配光栅放置于相邻位置，因此可以认为温度同时影响传感光栅与匹 配光栅。传感光栅受应变作用，匹配光栅不受应变作用，因此系统可以不考虑温度对 应变测量的影响，直接通过检测解调后光信号的强度得到作用于传感光栅的应变信息。 4 1 2 光器件选型 1 宽带光源 系统基于波分复用原理，因此光源需要使用带宽较宽的光源以提高系统的复用能 力。可选用的宽带光源有超辐射发光二极管s l e d ( s u p c r l u m i n e s c e n tl i g h