（通信与信息系统专业论文）基于红外ccd器件的光纤光栅解调系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 光纤光栅是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。由 于它的许多独特的优点，在光纤通信、光纤传感等领域具有广阔的应用前景。 以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器已经成为传感器研究领域中的一大热 点。光纤光栅传感器的解调技术是当前光纤光栅传感技术研究领域的重点和难 点之一，如何设计出能同时满足高分辨率、动态与静态参量结合测量、多点复 用检测且成本不高的波长检测方案己成为光纤光栅传感系统研究的热点，目前 国内不少部门和研究单位对其解调技术进行了很多研究，但是大多数处于实验 室研究阶段，离实用化、工程化和产品化的标准还有相当距离。 本文首先对国内外光纤光栅传感技术的研究现状进行了分析，指出了我国 在该领域所存在的问题，讨论了光纤光栅解调的基本原理，系统分析了光纤布 喇格光栅对温度、应变以及压力的传感机理。分析了常用解调方法的工作机理、 性能和特点，包括滤波法，干涉法，可调谐光源解调法，光栅色散法等。分别给 出了其典型的实验原理图，并对各种解调技术的优点和缺点进行了论述，指出 了信号解调过程中存在的技术难点，为解调系统的设计提供了依据。 接着，本文设计了一种基于红外c c d 器件的光纤光栅解调方案，建立了一 种新型的传感解调实验系统，着重介绍了系统中红外c c d 器件的驱动时序以及 信号处理方法，并用v h d l 语言和m a x + p l u si i 软件进行了仿真测试，对相关时 序进行了整合，设计了数据采集软件，实时监测数据。 组建完该传感解调系统和开发完成数据采集软件后，本文通过温度传感解 调实验进行了验证，实验表明，该传感解调系统达到了预期的目标，其准确性 和可靠性较好，并且在具体项目上验证了该系统应用于工业工程上的可行性， 最后根据实验结果对本论文进行了总结，并对后续工作进行了展望。 关键词：光纤布喇格光栅，光纤传感，红外c c d ，解调系统 武汉理r t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rg r a t i n gi s ak i n d o fo p t i c a lf i b e rp a s s i v ed e v i c e i th a sb e e n d e v e l o p e dq u i c k l ya n dw i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s f o ri t sm a n yu n i q u em e r i t s ，i th a s g r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t i v ei no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n do p t i c a ls e n s o rf i e l d a n ds oo n o p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o r sb a s e do no p t i c a lf i b e rg r a t i n gt e c h n o l o g yh a v e b e c o m et h ef o c u si ns e n s o r ss t u d yf i e l d t h ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eo ft h ef b gi s c u r r e n t l y ac r i t i c a la n dd i f f i c u l t p r o b l e m i n n o w a d a y s h o w t o d e s i g n a h i 曲- s e n s i t i v i t y ，m u l t i p l e x e d - d e t e c t i o na n dl o w - c o s ts y s t e mb e c o m e st h eh o t t o p i ci n t h es t u d yo nf b gs e n s i n gs y s t e m a l t h o u g hal a r g en u m b e ro fr e s e a r c h e r si n d o m e s t i cr e s e a r c hu n i t sh a v eb e e nd o i n gal o to fr e s e a r c ha n di n v e s t i g a t i o n so nt h e d e m o d u l a t i o nm e t h o d so ff b gm o s to ft h er e s e a r c h e sa r es t i l li nt h ep h a s eo fl a b e x p e r i m e n t sa n dh a v en o ty e tm e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep r a c t i c a li n d u s t r i a lm a s s p r o d u c t i o n s f i r s t l y , t h er e c e n td e v e l o p m e n t si n t h ea r e ao ff i b e rg r a t i n gs e n s o r sa r e r e v i e w e d t h ep r o b l e m sa b o u ti ti no u rc o u n t r ya r ea l s oi n d i c a t e d t h eg e n e r a l p r i n c i p l e si nd e m o d u l a t i o no ff b gs e n s i n gs i g n a la r ed i s c u s s e da n dm a i n l yf o c u so n t h e i rp r i n c i p l e s ，p e r f o r m a n c e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s t h em a i nd e m o d u l a t i o nm e t h o d i n c l u d e s ：f i l t e r , i n t e r f e r o m e t e r , t u n a b l el i g h ts o u r c e ，f i b e rg r a t i n gd i s p e r s i o n t e c h n i q u e s t h et y p i c a ls c h e m e sa r ed i s p l a y e da n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dw e a k n e s s e s a r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d m o r e o v e r , t h em a i nt e c h n i c a lp r o b l e m si ns i g n a l d e m o d u l a t i o no ff b gw h i c hp r o v i d e sf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no ft h es y s t e ma r e s u m m a r i z e d t h e n ，an e wf i b e rb r a g gg r a t i n gd e m o d u l a t i o nm e t h o db a s e d o ni n f r a r e dc c di s p u tf o r w a r da n das e n s o rd e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h i s p a p e r n ed r i v e rt i m i n ga n ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d so ft h ei n f r a r e dc c d a r e e m p h a t i ci n t r o d u c e d t h ed r i v e rt i m i n g i ss i m u l a t e db yv h d ll a n g u a g ea n d 【a x + p l u si is o f t w a r e t h ed a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e da n dr e a l - t i m e m o n i t o r i n gd a t ai sr e a l i z e d w h e nt h et e s ts y s t e mi ss e tu pa n dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r ei sa c c o m p l i s h e d ， t e m p e r a t u r ed e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n ti sd o n et ov a l i d a t et h i ss o l u t i o n t h et e s t s i n d i c a t et h a tt h ew h o l es y s t e mh a sa ne x c e l l e n ta c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y t h e f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mu s e di ne n g i n e e r i n gi sv e r i f i e di ns p e c i f i cp r o j e c t s a tl a s t ， s u m m a r i z et h ed i s s e r t a t i o na n da n t i c i p a t et h ef u t u r er e s e a r c hw o r k sb a s e do nt h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f a g ) ，f i b e ro p t i c a ls e n s i n g ，i n f r a r e dc c d ，d e m o d u l a t i o n s y s t e m n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师 墼：型6 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自从1 9 7 8 年k 0 h i l l 等人首次报道了用离子激光器在锗硅光纤上用驻波 持续曝光制作成第一个光纤光栅一光纤布喇格光栅( i n f i b e rb r a g g g r a t i n g ，f b g ) 以来n 2 1 ，光纤布喇格光栅的研究和应用引起了各国学者的广泛关 注。f b g 可用在光纤通信系统中的关键无源器件，比如波分复用器、光纤激光器、 光放大器中的泵浦反射镜、增益均衡器和色散补偿器件等口4 1 。f b g 在传感领域 中也具有十分广泛的应用，特别是用于一些重要物理参数( 如应变、温度、压力、 超声波、加速度、强磁场等) 的准分布式测量哺3 ，相比于以往的各种光纤传感器， f b g 具有以下许多优点： ( i ) f b g 传感器常常是通过探测信号波长的漂移量来测量被测参数的变化， 它对发光光源的照明强度变化不敏感，因此f b g 实现的是一种绝对测量的方法。 ( 2 ) f b g 的制作比较方便，不需要改变光纤的半径和纤芯半径等几何结构， 只是对纤芯的折射率分布做些改变。 ( 3 ) 因为光纤结构小，所以f b g 非常适合用于一些要求传感探头尺寸要求比 较小的场合，比如测量复合材料的应变分布、人体的温度分布等。 ( 4 ) f b g 可以大规模低成本的生产，在今后的发展过程中，势必会对电传感 器形成较大的竞争力。 ( 5 ) f b g 传感器可以采用在其他光纤传感器中广泛采用的复用技术，比如波 分复用( w d m ) 技术、空分复用( s d m ) 技术、时分复用( t d m ) 技术等，应用这些技术， f b g 可以更方便的应用于准分布式传感系统中。 迄今为止，f b g 作为传感器的一个最重要的用途就是埋入复合材料或结构中 来实现材料、结构内部应变分布的实时监测。在未来的材料科学和结构工程科 学中，结合了光纤传感技术和人工智能技术，并且可以自我监测、自我维护、 自我维修的新型智能结构必将独领风骚陋1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 光纤光栅的发展动态 光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布喇格光栅。自从加拿大通信研究中心 的h ill 等人n 1 在1 9 7 8 年首次利用驻波法在掺锗光纤中研制出世界上第一个永久 性的可实现反向模式间耦合的光纤光栅一光纤布喇格光栅以来，对光纤光栅的 研究与应用得到了很大的发展。驻波法又称内部写入法，该方法写入的光纤光 栅的反射率可达9 0 以上，反射带宽可小于2 0 0 m h z ，但是由于需要特制的掺锗 光纤，且要求掺锗量高，芯径小，因此其实用性受到限制。 1 9 8 8 年美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人口1 ，提出了用两束相 干紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布喇格光栅的横向全息成 栅技术，相对于内部写入法，该方法又称为外侧写入法。与h i l l 提出的驻波写 入法相比，m e l t z 的横向全息成栅技术是一个很大的进步，通过选择激光波长或 改变两束相干光之间的夹角可以在任何感兴趣的可用波段写入光纤布喇格光 栅，使制作的光纤布喇格光栅具有潜在的使用价值。但是，这种写入法对光源 和周围环境的稳定性要求较高，并且对光源的相干长度要求很严格，因此实用 起来比较困难。 1 9 9 3 年，h i l l 等人又提出了紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光 氢载光纤写入光纤布喇格光栅的相位掩模法，这使得光纤光栅真正走向实用化 和产业化，该方法的一个很大的优点是写入光栅的周期仅仅取决于相位光栅周 期而与辐射光的波长无关，因此这种方法对激光光源的相干性要求大大降低， 使采用低相干光源写入光纤光栅成为可能。相位掩模法是目前为止最成熟的光 纤布拉格光栅写入方法，该方法大大降低了写入装置的复杂程度，简化了光纤 光栅的写入过程，并且对周围环境要求大大降低，这使得大规模批量生产光纤 光栅成为可能，极大的推动了光纤光栅的发展及其在光纤通信和传感领域中的 应用。 目前，周期为几十至几百微米的能实现同向模式间耦合的长周期光纤光栅 ( 1 0 n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ，l p f g ) 得到了人们越来越广泛的关注，实际上能 实现正向模式间耦合的周期较长的光纤光栅在2 0 世纪9 0 年代就已出现，它被 用于实现多模光纤中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换，然而现在通常 意义上的纤芯基模耦合到同向传输的包层模的长周期光纤光栅是由a t & t 贝尔实 验室的a m v e n g s a r k a r 等人于1 9 9 6 年用紫外光通过振幅掩模板照射氢载硅锗 2 武汉理工大学硕士学位论文 光纤首先研制而成的，这标志着长周期光纤光栅的诞生。1 9 9 6 年b h a t i a 等人呻3 详细研究了长周期光纤光栅的各种特性，提出了其在通信与传感领域中应用。 t e r d o g a n 于1 9 9 7 年相继在j o fl i g h t w a v et e c h n o l o g y 和j o p t s o c a m a 发表两篇论文从模式耦合的角度深入研究了长周期光纤光栅的光谱特性，从而 奠定了长周期光纤光栅的理论基础。 自从k 0 h i l l 等人于1 9 7 8 年首次研制出世界上第一个光纤光栅一光纤布喇 格光栅以来，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞速发 展。在光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅的基础上人们先后研制出一些具有特 殊结构的光纤光栅，可以相信，随着研究的深入和应用的需要，光纤光栅必将 在通信、传感及其相关领域获得进一步的发展和更加广泛的应用。 1 3 课题研究的背景及意义 随着光纤通信技术的发展，光纤通信中的一些技术逐渐为传感领域中的应 用提供了技术平台，光纤光栅就是其中之一。以光纤光栅技术为基础的光纤光 栅传感器正成为传感器研究领域中的又一大热点。 目前，对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面呻3 ： ( 1 ) 对具有高灵敏度、高分辨率，且能同时感测应变和温度变化的传感器研 究； ( 2 ) 对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发低成 本、小型化、可靠且灵敏度高的探测技术； ( 3 ) 光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术和传感 器网络技术。常见的光纤光栅传感器有：基本光栅传感器，啁啾光栅传感器， 长周期光栅传感器，b r a g g 光栅传感器和多轴温度和应变光栅传感器。 在国外，美国的m i c r oo p t i c 公司已经生产出商用的基于嵌入式的分布式 光纤光栅解调器，采用可调f p 腔滤波法，扫描带宽约5 0 n m ，分辨率为l p m ， 测量精度5 p m ，扫描速度2 5 0 h z 。这种仪器把传感信号采集、处理、分析、显 示、存储等功能都集中于一个嵌入式体系结构中，功能较全、测量准确度高、 扫描频率高，而且可以同时对多点进行测量，但是其价格昂贵，高达5 万美元， 制约了其应用范围，尤其在组成大型集中的结构健康监测控制系统需要多解调 器时，不利于系统升级和功能扩展。 3 武汉理工大学硕士学位论文 在国内，虽然做了大量基于上述方案的基础研究工作，但是具有多通道、 多点、高速，在性能上能够与国外同类产品相比较的光纤光栅传感解调器产品 几乎还没有出现，而且技术与世界先进水平还存在很大差距。 应用领域期盼具有专用目的和功能的光纤光栅传感解调器和应用系统，国 外为数不多的企业开始提供光纤光栅解调器，国内的解调器市场目前仍处在起 步阶段，但高速发展的社会经济和日益旺盛的技术需求，显示出光纤光栅传感 解调器和应用系统广阔的市场潜力。正因为这样，本论文开发基于红外c c d 器 件的光纤光栅解调系统，以满足光纤光栅传感解调的要求，进而扩大光纤光栅 传感器的应用范围。 1 4 本课题研究的内容 本课题就光纤布喇格光栅传感解调技术进行了一些探讨，主要内容包括： 1 介绍了光纤布喇格光栅传感的原理、理论模型以及传感特性。 2 研究了光纤光栅解调技术，并分析了各种技术的优点和缺点。 3 重点围绕光纤光栅解调技术，提出了基于红外c c d 器件的光纤光栅解调 系统，根据系统要求研究了红外c c d 器件的驱动时序以及信号处理方法，并对 相关时序进行了相关仿真和整合。 4 开发了操作简单的数据采集软件，并以温度为被测对象进行了相关实验， 验证了系统的线性度和准确性，此外，还在实际工程上进行了实地监测，效果 良好。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感理论和信号解调技术 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作 用引起折射率的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在 纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许 多性能独特的光纤无源器件，例如，光纤反馈腔，光纤激光器，m i c h e l l o n 干涉 仪型、m a c h - z p h n d e r 干涉仪型和f a b r y p e r o t 干涉仪型的光纤滤波器，光纤色 散补偿器等。此外，利用光纤光栅还可制成用于检测应力、应变、温度等诸多 参量的光纤传感器和各种光纤传感网。 2 1 光纤布喇格光栅的理论模型 光纤布喇格光栅( f b g ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 的原理是由于光纤芯区折射 率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长发生相应的模式耦合，使 得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图2 1 是一个折射率分布模型。 图2 1 光纤光栅折射率分布示意图 这只是一个简化图形，实际上光敏折射率改变的分布将由照射光的光强分 布决定。对于整个光纤曝光区域，可由下列表达式给出折射率分布的一般描述： n ( r ，伊，z ) = n l 1 + f ( r ，驴，z ) ，1 2 ，z 3 5 h s 口1 口1shs 口2 ( 2 1 ) h 口： 武汉理工大学硕士学位论文 式中f ( r ，驴，z ) 为光致折射率变化函数，具有如下特性： f ( ，妒，z ) ；a n ( r , e , z ) 甩1 酬一= i a n m a z f ( r ，驴，z ) = 00 ) 式中a ，为光纤纤芯半径；a ，为光纤包层半径；相应的以，为纤芯初始折射率；n ：为 包层折射率；a n ( r ，垆，z ) 为光致折射率的变化；，l 。，为折射率变化的最大量。因 为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的，l ，一般指空气的折射率，式中之 所以出现，和妒坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构n 0 j 。 在式( 2 1 ) 中隐含了以下两条假设：第一，光纤为理想的阶跃型光纤，并且 折射率沿轴向均匀分布；第二，光纤包层为纯石英，由紫外光引起的折射率变 化极其微弱，可以忽略不计。这两点假设都有实际意义，因为目前实际用于制 作光纤光栅的光纤，多数采用改进化学汽相沉积法( m c v d ) 制成，且使纤芯重掺 锗以提高光纤的紫外光敏性，这就使得实际的折射率分布很接近于理想阶跃型， 因此采用理想阶跃型光纤模型不会引入与实际情况相差很大的误差。此外，光 纤包层一般为纯石英，虽然它对紫外光波也有一定的吸收作用，但很难引起折 射率的变化，而且即使折射率有微弱变化，也可由调整血的相对值来获得补偿， 因此完全可以忽略包层的影响。 为了给出f ( r ，驴，z ) 的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行 详尽的分析。目前采用的各种光纤光栅写入方法中，紫外光在光纤纤芯区沿z 向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波 型和非均匀方波型。从目前的实际应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折 射率调制沿z 轴的渐变性、折射率调制在横截面上的非均匀分布等，它们分别 可以采用对光栅传播常数k ，修正与z 相关的渐变函数驴( z ) ，以及采用血( ，) 代表 折射率调制来描述。为了更全面的描述光致折射率的变化函数，可以直接采用 傅立叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解，基于这些考虑， 可以采用下列一般性函数来描述光致折射率变化： 6 武汉理工大学硕士学位论文 竹删一等盹螂) 奎一s q 吲砌z 】 ( 2 _ 2 ) 式中只( ，驴，z ) 表示由于纤芯对紫外光的吸收作用而造成的光纤横向截面曝光不 均匀性，或其它因素造成的光栅轴向折射率调制不均匀性，并有 i g ( r ，妒，z ) i= i ，这些不均匀性将会影响到传输光波的偏振及色散特性； 七。= 幼人为光栅的传播常数；a 为光栅周期；q 为非正弦分布( 如方波分布) 时 进行傅立叶展开得到的谐波阶数，它将导致高阶布喇格波长的反向耦合；a 。为 展开系数；驴0 ) 为表示周期非均匀性的渐变函数。正因为9 0 ) 的渐变性，我们 可以将它看作一个“准周期”函数，对包含有驴0 ) 的非正弦分布也进行类似于 周期函数的傅立叶展开。 结合公式( 2 一1 ) 和( 2 2 ) ，可以得到光栅区的实际折射率分布为 咒( ，驴，z ) = ，l ，+ ，l r ( ，驴，z ) 口gc o s ( k 。q + 妒( z ) ) z 】 ( 2 3 ) 口- 一 该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它给出了光纤光栅的理论模型， 是分析光纤光栅特性的基础n 0 l 。 2 2 光纤布喇格光栅的传感原理 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、应变或压力的信息，这就是用光纤光栅测量温度、 应变和压力的基本原理。与此同时，由于光纤光栅同时对温度、应变和压力敏 感，因此如何区分温度、应变和压力信号是光纤光栅的传感器在实际应用中必 须解决的一个问题。根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤b r a g g 光栅中传输 时，产生模式耦合，满足b r a g g 条件的光被反射： 九b | 2 n 嚼a ( 2 4 ) 式中：甩够为光纤纤芯区有效折射率，a 为光纤布喇格光栅的周期，当入射波波 7 武汉理工大学硕十学位论文 长满足b r a g g 条件时，峰值反射率为： 仁) = t a n h 2 ( 眺) ( 2 5 ) 式中：l 为光纤光栅的长度，q 为基模横向耦合系数。 由公式( 2 - - 4 ) 可知，布喇格波长是随着a 和咒讲而改变的，因此布喇格波长 对于外界力、热负荷极为敏感。应变和压力影响布喇格波长是由于光栅周期的 伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响布喇格波长是由于热膨胀效应和热光效 应引起的。a 和，l 析在受到外界环境的影响( 温度、应力、压力) 时将分别产生血析 和人的变化，符合b r a g g 条件的波长将发生九的变化，对式( 2 4 ) 微分可知： d a b = 2 如研a + 2 以酊矗a ( 2 6 ) 式( 2 4 ) 除式( 2 6 ) 可得： d a b咖晡d a 一= 一- 一 九b n 哂 a ( 2 7 ) 从公式( 2 7 ) 中可以看出，当以盯或a 改变时，f b g 的中心反射波长会相应 改变。 入射光潜 卜 _ _ 一 反射光谱 7 _ - _ _ _ - 1 卜 a 透射光谱 卜 入射光谱反射光谱透射光谱 发射光谱的 波长移动 图2 2 光纤布喇格光栅传感原理 如图2 2 所示，当外界的温度或应变等改变时，都会导致光纤b r a g g 光栅 的忍酊或人的改变。因此通过对光纤b r a g g 光栅的中心反射波长的检测，可获知 8 武汉理工大学硕士学位论文 结构的应变、温度等外界条件的变化，这就是光纤b r a g g 光栅的传感原理。这 种传感器最大的优点是光纤应变与b r a g g 波长存在一一对应的关系，这就使精 确测量应变成为可能，同时也避免了电源的干扰( 电力系统有意的或意外的中 断) ，而这正是其它传感器的缺点( 通常它们只能测量小应变并且需要特殊的解 调装置才能进行精确测量) 1 2 t1 3 1 。 2 3 光纤布喇格光栅的传输及传感特性 光纤布喇格光栅可以广泛用于应变、温度、压力等的测量。测量的基本原理 是光纤布喇格光栅的中心波长总是随着外界环境参数的变化而变化，在这一节 中将分别介绍几种物理参数的传感测量方法1 。 2 3 1 光纤光栅的应变特性 光纤布喇格光栅的波长漂移k 和它所受的纵向应变s 的关系如式( 2 8 ) 所示，即 九b s = 九b 0 一p 。、) a e 式中，p 。是光纤的弹光系数，一般由式( 2 - - 9 ) 确定，即 几一了n 2 一，( p 。，一】 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中，p ，。和p ，：是光纤的光学应力张量分量；，是泊松系数。对于在硅光纤中写 入的f b g 测量灵敏度，1 9 8 9 年m o e r y 等人n 钔实验测得波长为8 0 0 n m 的f b g 波长 灵敏度约为0 6 4 p m e ，1 9 9 5 年r a o 等人实验测得波长1 5 5 朋的f b g 波长灵 敏度约为1 1 5 p m l u e 。由于加速度、超声波、力等物理量都可以转化为应变来 测量，所以在测量这些参数时式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 仍然适用。 2 3 2 光纤光栅的温度特性 设温度变化为r ，与之相对应的f b g 中心波长的变化a 口r 可由式( 2 1 0 ) 给出，即 9 武汉理t 大学硕+ 学位论文 a a b t ；九( 1 + 亭) 丁 ( 2 1 0 ) 式中，亭是光纤的热光系数。1 9 8 9 年，对在硅光纤上写出的波长为8 0 0 n m 的f b g ， m o r e y n 4 1 等人实验测得其波长一温度灵敏度为6 8 p m ；1 9 9 5 年，对在硅光纤 上写出的波长为1 5 5 0 n m 的f b g ，r a o 等人测得其波长一温度灵敏度为1 3p m 。c 。 表2 1 给出了不同f b g 波长一应变和波长一温度灵敏度。 表2 1 不同波长f b g 应变温度灵敏度 波长( um )应变灵敏度( p m u )温度灵敏度( p m 。c ) 0 8 30 6 46 8 1 311 0 1 5 51 21 3 2 3 3 光纤光栅的压力特性 假设压力变化为a p ，则与之相对应的f b g 中心波长的变化k 由式( 2 1 1 ) 给出，即 一a a b e 。堂堂；4 坠+ _ 1 一o n ) a p ( 2 1 1 ) 九。 n a、a8 pn8 p 。 由于光纤受压会使得光纤直径发生微量变化，这种变化又会使得光传输延迟 发生微量变化，但这种变化相比于光纤折射率和物理长度的变化常常是可以忽 略的。1 9 7 9 年，h o c k e r n 朝等人给出了光纤长度变化的计算关系式( 2 1 2 a ) 。1 9 9 2 年，m o r e y 等人给出了计算折射率变化的计算关系式( 2 1 2 b ) ，即 a l ：一o - 2 v ) p( 2 1 2 a ) 一= 一一 6r l ， le a n ；塑( 1 2 v ) ( 2 j d 。：+ ( 2 - 1 2 b ) 咒2 e 、 7 式中，e 是光纤的杨氏模量。考虑到缸l = a a ，平均周期一压力关系和折射 率一压力关系分别由式( 2 1 3 a ) 和式( 2 1 3 b ) 给出，即 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 三坠；一( 1 - 2 v ) ( 2 - - 1 3 a ) 一= 一一 a ， a8 pe 三堕：旦二( 1 一知) ( 2 p 。：+ p 。) ( 2 - - 1 3 b ) n0 1 2 e 、 7、1。117 将式( 2 1 3 a ) 和式( 2 1 3 b ) 代入式( 2 一1 1 ) ，可以得到波长一压力灵敏度关 系为： k 一一t o - 2 v ) + 嘉( 1 一知) ( 2 p 1 2 + p 1 1 ) 】凹 ( 2 - 1 4 ) 1 9 9 3 年，x u 等人在7 0 m p a 的压力范围内，对于波长为1 5 5 u n 的掺锗f b g ， 测得其aa b e a p 约为一3 x 1 0 。3n m m p an 引。1 9 9 6 年，x u 等人又报道了可以将f b g 压力传感器埋入中空的玻璃管内，通过机械放大作用来提高f b g 的压力灵敏度。 2 0 0 3 年，x i a o m e il i u 等人报道了一种水凝胶涂敷层的单模光纤布喇格光栅传 感器，该传感器用一种可膨胀的聚合物材料水凝胶作为传感物质，在受到应力 时，应力会使水凝胶发生化学变化，从而改变了光纤布喇格光栅的直径，引起 光栅谐振波长发生漂移来达到进行测量的目的。 2 4 光纤光栅传感器的信号解调技术 在f b g 波长编码的解调过程中，一般使用的是光谱仪、单色仪等仪器，但 这些仪器价格偏高，精度低，扫描速度慢，并且体积大，不便携带，不利于传 感系统实用化，此外，用光谱仪无法直接获得所测参量的大小。因此他们一般 在f b g 的制作过程中用于测量f b g 的光学特性，而不用于实际探测系统中f b g 波长漂移量的测量。为此，国内外发展了多种技术用于波长编码的解调，归纳 起来，主要有以下几种类型：滤波法，干涉法，可调谐光源解调法，光栅色散 法等。 2 4 1 滤波法 2 4 1 1 边缘滤波法 m a d a v i s 等人乜们利用波分耦合器在1 5 2 0 1 5 6 0 n m 的波长范围内，耦合器 武汉理工大学硕士学位论文 的效率与波长基本呈线性关系的特殊传输特性来测量光纤光栅的波长变化，边 缘滤波法测量系统原理如图2 3 所示。 输出 图2 3 利用边缘滤波器测量f b g 波长示意图 来自传感f b g 的布喇格反射光经3 d b 耦合器分为两路，分路比为m n ，其中 路光经光谱透过率为线性函数f ) 的滤光器后作为信号光，。被光电探测器1 接收；另一路作为参考光，直接被探测器2 接收。 设边缘滤波器的传输函数为： f ( a ) = a ( z 一九) ( 2 1 5 ) 式中：a 表示边缘滤波器的斜率，九为零输出( f ( a ) = 0 ) 波长。 两路信号经放大器放大后相除，消除光功率变化的影响，最后得到波长的变 化量输出为： i - - - i s z 一删肋阮一九+ ( 衫力】 ( 2 1 6 ) 式中：九为f b g 的自然伸长状态下的b r a g g 波长；a a 为f b g 的波长偏移。 边缘滤波法的优点是消除了光源波动的影响，输出信号与波长偏移量成线 性关系，结构简单，性价比较高，但由于受器件传输特性的影响而导致分辨率 较低，因此适用于一些对测量分辨率要求不高的场合船。 2 4 1 2 匹配光栅滤波法 匹配滤波法是利用另一个f b g ( 参考光栅) ，在驱动元件的作用下借助外差载 波技术来跟踪f b g ( 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，从而实现参考光栅对传感光栅信号 的解调方法。如图2 4 所示，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一致时，光被反射而没有透射，通过测量最大 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 反射功率或最小透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，驱动元件的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乜2 1 。 参考= ) 匕栅 图2 4 匹配光栅滤波解调示意图 匹配光栅法的优点是结构简单、造价低廉，而且对最终检测的反射光光强无 绝对要求，所以各类强度噪声都不会对输出结果有影响。但这种方法也有不足 之处：一是要求两个光栅严格匹配；二是受参考光栅应变量的限制，传感光栅的 测量范围不能很大；三是其精度受光源稳定性和外界干扰的限制，同时对探测 器也提出了较高的要求。 2 4 1 3 可调谐法布里- t q 罗腔滤波器法 f p 腔可以作为一个窄带滤波器。在一定波长范围内，若以平行光入射到 f p 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。a d k e r s e y 等人利用f p 腔的这个特性对f b g 传感器的反射波长进行检测。 隔离器定向耦合器 f b g 图2 5 可调谐f p 腔解调原理图 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 5 所示，从宽带光源发出的光经隔离器、定向耦合器传送到f b g 传 感器，f b g 传感器反射回的光经过一个3 d b 耦合器引入到可调谐f p 腔中。可 调谐f p 腔的结构如图2 6 所示。 厂、 l 誓 _ u f l h 厂、 l 2 探测器 图2 6 可调谐f p 腔结构示意图 从光纤入射的光经透镜l 1 ，变成平行光入射到f p 腔，出射光经透镜l 2 汇聚到探测器上。构成f p 腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个可移动且 背面贴有一个压电陶瓷( p z t ) 。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f p 腔的腔长，使透过f p 腔的光的波长发生改变。若f p 腔 的透射波长与f b g 的反射波长重合，则探测器能探测到最大光强，此时给压电 陶瓷施加的电压v 就代表了f b g 的反射波长雎钔。 利用压电陶瓷构成的可调谐f p 腔测量光纤光栅传感器的反射波长，可以 直接将波长信号转换成电信号，并且具有体积小、价格低等优点，是一种较好 的检测光纤光栅波长的方案。在设计f p 腔时，需要综合考虑测量范围和测量 精度，适当设计两镜面距离和镜面反射率，以满足设计要求，在设计过程中存 在的难点主要有以下两点：一是光纤直径小于9 刚，很难保证多光束干涉；二 是光纤需要移动扫描，很难保证高精度平行。 2 4 2 干涉法 2 4 2 1 非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉法 在1 9 9 2 年，a d k e r s e y 等人提出了非平衡m a c h - - z e h n d e r 干涉，其原理如 图2 7 所示。当一定中心波长的光波通过非平衡光纤干涉仪时，将产生与波长 成反比的相位差，借此可测得相应的光波长。图2 7 示出了用非平衡 m a c h - z e h n d e r 光纤干涉仪检测波长移位的原理图。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 非平衡m a c h z e h n d e r 干涉法 宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送到m - - z 干涉 仪，其输出光强为： ，( a ) = 彳 1 + b c o s 陟( a ) + 妒p ) 丑( 2 - - 1 7 ) 式中a ，b 为常系数，妒 ) = 锄d 九，是干涉仪两臂的相位差，垆o ) 为随 机相位差，为噪声，由反射光波长移位a a 口7 1 起的干涉仪相位差变化为： 毗；一等魄一一i 2 ：r o d 抄( 2 - - 1 8 ) 人n人s 亭；去芸( 2 - - 1 9 ， 式中：如为应变变化量，亭为应变一移频分辨率，对于动态应变则有： 蛳卜吲一耐( 2 - - 2 0 ) 非平衡m a c h z e h n d e r 干涉法的优点是分辨率高，缺点是该方法仅适合进 行相对测量，而不能用于绝对测量，其局限性还在于m a c h z e h n d e r 光纤干涉 仪在测量中容易受到周围随机干扰的影响，引起干涉仪信号臂和参考臂的相位 产生随机漂移，这种相位漂移将会引起检测信号的消隐或畸变，从而直接影响 到干涉仪的测量精度凹引。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 2 非平衡m i c h e is o f t 干涉仪解调 如图2 8 所示，来自传感光栅的光波进入非平衡扫描迈克尔逊干涉仪，其 短臂缠绕在受锯齿波信号驱动的压电陶瓷上，输出信号经探测器接收后转变为 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，此时相位计所显示的值与施加在传感光栅上的待测 应变的大小有关。若对光源信号进行脉冲调制，用时分复用技术对接收信号进 行处理，那么该系统具备查询和解调光纤光栅网络信号的能力引。 、 图2 8 非平衡迈克尔逊干涉法 此方法的优点是在良好的环境条件下可以达到较高的精度，其缺点是影响系 统精度的因素较多，如要求压电陶瓷和锯齿波信号的频率必须一致，干涉仪两 臂的长度差和相位计的读数精度都会影响系统的传感分辨率，如果要监测动态 应变还需要详细分析相位随时间变化的规律。 2 4 3 可调谐光源解调法 该方法是用窄带可调谐光输入光纤光栅，并周期性的扫描其输出波长以扫 描光纤光栅的反射光谱，由每次扫描反射光最强时的l d 扫描电压即可得知相应 的波长值a 。，该方法的研究热点是：窄带可调谐光源，其中包括可调谐外腔、半 导体激光器和可调谐光纤激光器。图2 9 给出了可调谐激光器用于温度测量的 原理图。其中工作于9 8 0 n m 波长的钛宝石激光器作为泵浦光源由波分复用器( w d m ) 和带有光栅的传感光纤相连。w d m 的另一端焊接有5 m m 长的掺铒光纤，其输出端 为镀银反射镜，此反射镜和光纤光栅形成谐振腔，当泵浦光输入时就形成激光 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 振荡，于是光栅对反射光有选择性，而银反射镜则为宽带反射镜，所以只有波 长是九的光起振。当外界的温度场作用于光栅时，其中心波长发生漂移，使激 光器输出波长改变，实现了波长谐振。 图2 9 用光纤激光器作为调谐光源的温度传感器 采用光纤激光器构成的有源光纤激光器，其最大优点是显著提高了输出波长 如的光功率，与一般宽带光源相比，传感信号的信噪比有了极大的提高，为波 长移位的检测提供了良好的基础，便于采用低价的检测器件。 2 4 4 光栅色散法 该系统引入一个标准的色散光栅，不同波长的光束经同一