（物理电子学专业论文）复用型fbg传感器解调系统的研究与设计.pdf

摘要 光纤光栅是目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无游器件之一，在光纤通信、光纤 传感等领域得到了广泛应用，其中光纤b r a g g 光栅传感器是光纤传感器领域的典范。随着光 纤光栅应用，f b g 制作方法不断改善以及丁艺不断提高，f b 6 传感器实用化的另一关键技术 传感信息的解调变得越来越突出。 本文致力于开发一种复用型光纤b r a g g 光栅传感器波长解调系统，属于应用性研究，为 以后进一步研究小型化、无线化波长解调系统提供理论依据和技术基础。 从耦合模理论推导出光纤b r a g g 光栅方程，根据该方程介绍了光纤b r a g g 光栅传感原理。 文中分析了多种典型的波长或波长偏移量解调技术，结合窄带光源法与可调谐f _ p 滤波法优 点提出了该波长解调方案，可r 作丁扫描和锁定两种模式f 。经过多次改进之后，完成了解 调系统的搭建，该系统能够达到1 t s t r a i n 的静态应变分辨率和3 3 h e 4 h z 动态分辨率。 该解调系统设备简单、成本低、复用性强、具有较高的动静态分辨率，并且所有波长信 号都被转换为电信号，对于工业自动化或智能化十分方便。因此，该系统所用技术是一种理 想的波k 解调技术。能够满足某些t ：程应用的场合。 关键字：光纤b r a g g 光栅，传感器，可调谐光纤f - p 滤波器，解调，分辨率 a b s t r a c t f i b e rg r a t i n gi so n eo ft h em o s tp o t e n t i a la n dt y p i c a lo p t i c a lp a s s i v ec o m p o n t s ，w h i c hi s e m p l o y e dw i d e l yi nt h ef i e l d so f f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，f i b e rs e n s o r a n ds oo n f i b e rb r a g gg r a t i n g s f f l l s o r i sa t y p eo f f i b e rs e n s o r s a s t h ea p p l y i n go f f i b e r g r a t i n g ，t h e m e t h o da n d t e c h n i c so f f i b e r b r a g gg r a t i n g sm a k i n gw 如i m p r o v e db e t t e r s o m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sf o c u s e do nt h e i n t e r r o g a t i o no fs e n s i n gs i g n a l ，w h i c hi so t h e rk e yt e c h n o l o g yo ff i b e rg r a t i n gs e n s o r i n a p p l i c a t i o n t h i sp a p e rt h a tb e l o n g st oa p p l y i n gr e s e a r c hi sd e v o t e dt od e v e l o paw a v e l e n g t hi n t e r r o g a t i n g s y s t e mo fm u l t i p l e x e df i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s o u rr e s e a r c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a la n d t e c h n i c a li n f o r m a t i o nf o rt h em i n ia n dw i r e l e s si n t e r r o g a t i n gs y s t e mi nt h ef u t u r e t h et h e o r yo fs e n s i n gw i t hf i b e rb r a g gg r a t i n gs e o s o ri si n t r o d u c e db a s e do nt h eb r a g ge q u a t i o n t h a tw s sc o n c l u d e df r o mc o u p l i n gm o d et h e o r y i nt h i sp a p e r , s o m et y p i c a lw a v e l e n g t ho r w a v e l e n g t hs h i t ti n t e r r o g a t i n gm e t h o d sw e r ea n a l y z e d m a k i n gu s eo ft h ea d v a n t a g eo f n a r r o w b a n dl a m p h o u s ea n dt u n a b l ef - pf i l t er w ee s t a b l i s h e dt h ei n t e r r o g a t i n gs c h e m et h a tc a n w o r ki nt w om o d e s t h ei n t e r r o g a t i n gs y s t e ms e t u pw a sa c c o m p l i s h e db ys e v e r a li m p r o v e m e n t s a s t a t i cs t r a i nr e s o l u t i o n o f l p s t r a i na n dd y n a m i cr e s o l u t i o no f3 3 n e e 4 h za r e o b t a i n e d t h ei n t e r r o g a t i n gs y s t e mi s s i m p l e ，i n e x p e n s i v e ，m u l t i p l e x e d ，w h i c hc 卸o b t a i ng o o ds t a t i ca n d d y n a m i cr e s o l u t i o n a n da l lw a v e l e n g t hs i g n a l sa r et r a n s f o r m e di n t ov o l t a g es i g n a lt h a tr e a l i z e s c o n v e n i e n t l ya u t o m a t i co rs m a r ti n d u s t r y t h e r e f o r e ，t h et e c h n i q u et h a ti sa d o p t e db yt h es y s t e mi s ap e a e c tw a v e l e n g t hi n t e r r o g a t i n gt e c h n i q u ea n di sc o n t e n tt os o m ee n g i n e e n n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g , s e n s o r , t u n a b l ef i b e rf - pf i l t e r ，i n t e r r o g a t i o n ，r e s o l u t i o n n 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，也不包含为获锝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：杰! 乏乏日期：趟：主：挈 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。 研究生签名；建! 主丕导师签名： 日耐2 鹫 第一章绪论 1 1 光纤光栅 1 1 1 引言 第一章绪论 光纤光栅是由光纤纤芯中折射率变化而形成的。1 9 7 8 年加拿人渥太华通信研究中心的 k 0 h i l l 等人“1 首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏特性( 强激光通过参杂光纤时， 光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化) ，并使用内部驻波写入方法制得第一只光 纤光栅。之后的一段时间，虽然人们对光纤光栅颇感兴趣，但由于内部驻波写入方法的写入 效率很低，且光栅周期受到光源的限制，使得其研究进程相当缓慢。直到1 9 8 9 年美国联合 技术研究中心的g m e l t z 等人o 以准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器输出的2 4 4 n m 紫外光为光源，用全息法在参锗石英光栅上研制出第一只b r a g g 谐振波长位丁通信波段的光 纤光栅，光纤光栅的应用才真正启动起来并得到迅猛发展。由丁它具有许多独特的优点，人 们将其用于光通信的同时，也致力于将其应用于各种物理量的传感”。1 。近年来光纤光栅在 光传感方面的研究已经越来越受到人们的重视，麻用成果日盏增多，使得光纤光栅成为目前 箍有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一”1 。 目前研究应用最多以及使用最为，“泛之一的光纤光栅就是光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g g g r a t i n g ，简称f b g ) ，也称为反射光栅，属短周期光纤光栅。其光栅周期在亚微米量级，对 于1 5 5 5 0 n m 光通信窗口而言，约为5 5 0 n m 。这类光栅的光学特性由光纤中前向和后向导模 之间的耦合所决定。如图1 1 所示。在光纤中传输的光经过f b g 时会发生正向传输的纤芯 基模到反向传输的纤芯基模的耦合，这是由光纤中传输的模式之间发生耦合的相位匹配条件 决定的，所以短周期光纤光栅也被称为反射型光纤光栅。反射光栅的作爿| l 相当于一种波长可 选( 通过控制其周期) 和宽带可调( 控制光栅强度) 的窄带反射元件。 图1 1 光纤b r a g g 光栅对入射光的反射 东南大学硕十学位论文 1 1 2 光纤光栅的制作方法 自从1 9 8 9 年横向全息写入法出现至今，人们对光纤光栅制作的研究己取得b 跃进展， 从所采用的光纤、写入光栅使用的光源以及具体的制作方法等都有了全面的研究。目前普遍 采用的光纤光栅的制作方法主要有：全息干涉法、相位掩模法、逐点写入法。 ( 1 ) 全息干涉法 全息干涉法是最早用于横向写入制作光纤光栅的一种方法，图1 2 是制作装置示意图。 入射紫外光经分光镜分为两束，经全反射后相交于光纤上，产生干涉场，形成正弦分布明暗 相问的干涉条纹。光纤经过一定时间的照射，在纤芯内部引起和干涉条纹相同分布的折射率 变化，从而在光纤上写入正弦分布的体光栅。干涉条纹间距由两束光的夹角决定： d = 州2 s i n 0 通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光 栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源的相干性及周围环境有较高的要求。这种光 图1 2 全息干涉法制作b r a g g 光栅示意图 栅制造方法采用多脉冲曝光技术。光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动或温度漂移 的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。 ( 2 ) 相位掩模法 相位法是目前使用最多、最有利丁| 商业化的一种高效方法。制作不同类型的光纤光栅， 需要使用不同的模板。总体上来说是：用均匀周期相位掩模板写出均匀周期的b r a g g 光栅； 用非均匀周期掩模板写出啁啾光栅；用长周期振幅掩模板写出长周期光栅；将长周期光栅模 2 第一章绪论 板1 r 均匀周期光栅模板叠合起来可写取样光栅，用光谱仪观察发现，所写光栅透射谱的分布 丁对应长周期光栅透射谱分布一致，只不过某些仿置出现周期分布的b r a g 硌反射而己，相对 于整体谱线而言，该结构呈精细分布，冈此有人又称之为超结构光栅：用聚焦强光照射均匀 周期光栅，使得局部相位出现阶跃变化，便是相移光栅。 相位掩模写入法总体上可以分为两类，如图1 3 所示，它们的使用方法各不相同，对相 位掩模板的工艺要求也有高低之别，但都是为了产生高质管的干涉场，以便有效地实现光栅 抉淤 图1 3 相何掩模写入法原理示意图 的制作。垂直入射时，将用电子束曝光刻好的图形掩膜( 此相位掩膜板具有压制零级、增强 一级衍射的功能) 置于裸光纤上，紫外光经过掩膜相仿调制后利用一级衍射光相干在光纤上 形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的光栅；斜入射时利用零级与一级衍射光相干，得 到的光纤光栅周期与相位掩模光栅一致。 相位掩模法不依赖于入射光波长，只与相位掩模光栅的周期有关，因此，对光源的相干 性要求不高，易于得到准确的光纤光栅周期。然而相位掩膜板的制作复杂，必须严格控制相 位掩模光栅的刻蚀深度和占空比，并且一块掩模板一般情况f 只能制作同定周期的光纤光 栅。但是由于它大大简化了光纤光栅的制作过稃，已经成为现在最有前途、使用最，“泛的一 种方法。 ( 3 ) 逐点写入法 如图1 4 所示，此方法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通 计算机 程控精密移动平台 图1 4 逐点写入法实验装置图 3 东南大学硕j 学位论文 过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最人的灵活性，对光栅 的耦合截面可以任意进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可 以制作出极短的高反射率光纤光栅，但是写入光束必须聚焦到很密集的一点，因此这一技术 主要适用于长周期光栅的写入。它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技 术，写入效率低，不能用于批量生产。目前，由于各种精密移动平台的研制，这种长周期光 纤光栅写入方法也正在越来越多的被采用。 1 1 3 光纤光栅的应用 光纤光栅制作简单、性能稳定可靠、体积小、易丁集成，又因为它本身是一段光纤，所 以易与其他光纤器件、系统连接耦合损耗小。它为整个光纤应用注入了新的元素。在光纤 激光器、光纤通信以及光纤传感等高新技术领域中都有十分，“泛的应用。光纤光栅的一个重 要应用是使各种全光纤器件，如光纤激光器【6 】、光纤调制器f 7 1 ，光纤波分复用和解复用器口1 、 光纤滤波器、光纤光栅色散补偿器【9 】，掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益谱进行平坦化“”等 的研制得到很好的发展。同时也可将各种全光栅器件集成在一根光纤里，形成诸多集成犁光 纤通信系统，将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如同电子问路中没有电子器件，传统光 学系统中没有镜片一样难以令人相信。 与光纤通信技术相对应，光纤传感技术也为光纤光栅提供了广阔的用武之她。早在1 9 7 8 年，第一只光敏光栅诞生之时，h i l l 等人就对它的温度和应力特性进行分析，指出了它在温 度、应力、应变等方面的传感潜力。随着光纤光栅技术的发展，目前人们己从单点到网络、 从单参量到多参量对之进行全面研究并获得许多很有价值的实验成果。另外，在同一根光纤 上可制作多个光栅，不同根光纤之间以适当方式连接起来，借助波分、时分、空分以及复合 复用信号处理技术形成传感网络，对待测量进行准分布传感，这突显其优点，也是其他传感 器不可取代的。 下面给出光纤光栅的在通信、传感领域的一些具体应用： l 、光纤激光器 与半导体激光器相比，光纤激光器具有较高的光功率输出，较低的相对强度噪声( r i n ) ， 极窄的线宽以及较宽的调谐范围。光纤激光器的输出功率可达2 0 m w 以上，其r i n 极小。 光纤激光器的线宽可做到小于2 5 k h z ，显然优于线宽i o m h z 的分布反馈激光器。通过对光 栅加纵向拉伸力，改变温度很容易对光纤光栅实现调谐，而且调谐范嗣可达5 0 n m ，远大于 4 第一章绪论 半导体激光器( 1 2 n m ) 。 图1 5 示出了两种光纤光栅激光器的结构，( a ) 为分布b r a g g 反射( d i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r s ，d b r ) 光纤光栅激光器，它利用一对b r a g g 波长相等的均匀光纤光栅构成谐振腔； ( b ) 为分布反馈( d i s t r i b m e df e e db a c k d f b ) 光纤光栅激光器，它是利用直接在稀十掺杂光纤 ( e i ) f ) 写入的均匀光栅构成谐振腔。 图1 5 光纾光纤激光器原理图( a ) 分布b r a g g 反射激光器( b ) 分布反馈激光器 2 、光纤滤波器 光谱滤波是光纤光栅最基本的特点。光纤b r a g g 光栅可用作基本的窄带带阻滤波器构成 上、下载滤波器以及波分复用、解复用器；将光栅与环形器几个端口中输入、输出以外的第 三个端口连接便构成基于环形器的滤波器；一个3 d b 耦合器同侧的两个端口与男一个3 d b 耦合器同侧的两端口经光栅串接起来构成m a c h - z e h n d e r 于涉滤波器；一对相同周期的b r a g g 光栅可构成f a b r y p c r o t 干涉仪型的光纤滤波器。 3 、色散补偿器 众所周知，色散是限制超高速光通信容昔的主要冈素，虽已有不少色散补偿的方法，但 光纤啁啾光栅色散补偿器是最有效的补偿方法。啁啾光栅为折射率调制幅度不变，而周期沿 光栅轴向变化的光栅。图1 6 示出了用啁啾b r a g g 光栅进行色散补偿的原理图，经过一段普 光输入 光输m 图i 6 啁啾光纤b r a g g 光栅用丁：色散补偿的示意图 东南大学硕十学位论文 通单模光纤传输后发生展宽的光脉冲，在啁啾光栅的不同反射点有不同的反射波长，经过啁 啾光栅反射后，走过不同的距离，这样就对已经展宽的分鼋之间产生时延差，只要设计好相 应的啁啾分布即可实现色散的补偿。 4 、光纤光栅传感器1 1 2 , 1 3 , t 4 1 光纤光栅传感技术的发展和实用化受到通信领域应用需求的推动，其主要原因是，光纤 光栅传感器具有其它传感器无法比拟的优点，例如，抗电磁干扰、尺寸小、重最轻、耐温性 好( 工作温度上限可达4 0 0 0 c - 6 0 0 0 c ) ，复用能力强、传输距离远、耐腐蚀、高灵敏度等等， 但是光纤光栅的制造成本和可能性、以及波长偏移争的检测一直制约着它的大规模应用。随 着通信技术的迅速发展，对丁：光纤光栅的需求急剧增加，同时，光纤光栅的制造技术也日益 成熟和可靠，这些因素促进了光纤光栅的成批晕生产的出现，也使光纤光栅传感器的制作成 本大幅下降，可靠性得到提高，使光纤光栅开始走向实用化。 光纤光栅传感器的应用前景是十分广阔的，早在1 9 8 8 年，就成功地在航空、航天领域 中用于有效的无损检测技术，同时，光纤光栅传感器也可应用丁化学、r 业、电力、水电、 船舶、煤矿等领域。最近，应用的焦点集中到了民用 程领域，目的在于开发可在混凝十组 件和结构中，例如建筑物、桥梁、水坝、高速公路，机场跑道等，测定其结构的完整性和内 部应变状态的可能技术，从而建立灵巧、智能的结构。 1 2 光纤b r a g g 光栅传感器的研究现状 随着密集波分复用( d w d m ) 技术、掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术和光时分复用( o t d r ) 技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向 全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动f ，光纤光栅传感器作为传感器家族中年轻的一员， 以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方丽独一无二的优势，并且通过各种复用技术，能大大 降低系统的成本，复用型光纤光栅传感器在民用结构、航天航空业、石油化工业、核工业等 行业中都得到了广泛的运用，已迅速成长为年成交额超过1 0 亿美金，并预计将于2 0 1 0 年拥 有超过5 0 亿美金市场的产业【1 ”。其中，光纤b r a g g 光栅传感器是这一行业的代表。 1 2 1 光纤b r a g g 光栅传感器的应用状况 ( 1 ) 智能材料中的应用 智能材料的提出和研究已有相当长的一段时间，为业内人士所熟悉。智能材料是指将敏 6 第一章绪论 感元件嵌入被测构件机体和材辩中，从而在构 件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、 故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多 种材料的有效结合是关键问题之一，尤其是实 现与纺织材料的自动化编织。美国南膏罗来那 州立大学、佛吉尼可e 理工大学和费城纺织学院 都在此方面进行了大量工作。图1 7 展示了一 件智能背心【1 6 1 ，为智能型服装的商业化解决 图1 7 智能背心 了一难题。 ( 2 ) 民用结构中的应用 光纤b r a g g 光栅传感器的复用阵列可广泛地戍用丁民用结构中，包括桥梁、水坝、管线、 隧道、矿场、核存储容器、天然气压力罐、建筑物、道路等。传感器可外加于结构表面或嵌 入混凝七结构中。 在民用建筑领域嵌入式传感器的戍用可分为二个方面，即( 1 ) 结构检测和损坏检测： ( 2 ) 实验应力分析：( 3 ) 系统和服务设施的管理和控制。 ( 3 ) 航空航天业中的应用 美国国家航空和宇宙航行局对f b g 传感的应用q f 常重视，他们在航天飞机x 一3 3 上安装 了测鼍鹿变和温度的f b g 传感网络，对航天b 机进行实时的健康检测。在德国，自1 9 9 6 年开始，戴姆斯一奔驰研究中心和戴姆斯奔驰宇航空中客车及宇航研究院共同研究用f b g 传感器开发自适应机翼。 ( 4 ) 其他一些应用 除上述应用外，光纤b r a g g 光栅传感器还在例如： 业检测【、光( 纤) 层析成像分析 技术o c t 1 们、光纤陀螺及惯性导航系引1 6 1 等领域都得到了“泛的应用。 1 2 2 光纤b r a g g 光栅传感器研究的主要方向 当前，世界上光纤b r a g g 传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与虑用开发随 着光纤b r a g g 光栅制作技术的日趋成熟，对f b g 传感器实用化的开发成为整个领域发展的 热点和关键。由于f b g 传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技 术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此f b g 传感技术的原理性研究 7 东南大学硕上学位论文 仍处于相当重要的位置。由于f b g 传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本 己得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些f b g 传感器具 有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知 的。当前的原理性研究另一热点集中分布式传感系统开发。 f b g 型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。 目前成熟的f b g 制作工艺己可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用， 完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。本项目正是根据这一发展趋势提出的， 目的在于开发精度高、复用能力强、成本低的波长解调系统。 1 2 3 光纤b r a g g 光栅传感器饵调系统的概况 f b g 传感信息的解调，传统上一般戍用光谱仪、单色仪，以上解调系统均造价高，体 积大，不易携带，不宣于现场使用，为解决上述问题，人 f 艉出了许多解调方法，如可调窄 带光源法”“、c c d 空间光谱成像法、非平衡马赫一曾特尔( m - z ) 于涉法“2 ”等方法。 表1 is m 1 2 5 系列产品的性能参数 s p e c i f i c a t i o n s 5 0 03 0 0 2 0 0 n u m b e ro f o p t i c a l 42l c h a n n e l s t y p i c a ln u m b e ro f f b g 4 02 52 5 s e n s o r s c h a n n e l w a v e l e n g t hr a n g e 1 5 1 0 1 5 9 0 a m1 5 2 0 1 5 7 0 舯1 5 2 0 1 5 7 0 n m a e e u r a e y ip m ，p m 1 0p m s t a b i l i t y1p m 2 p m 5p m r e p e a t a b i l i t y 0 2p m1p m 2 p m d y n a m i cr a n g e 6 0d b 4 0 d b4 0 d b s c a nf r e q u e n c y1h z1h z 1h z 美国是f b g 传感器研究最早、技术水平最高的国家，以军用为主要目标，斯坦福大学 海军研究室、动力系统公司、s p e c i k i eb a b e e k & w i l c o x 公司、f i b e r d y n a m i c s 公司、e o t e c 公司、o p t r a 公司在研制与开发f b g 传感器方面都享有盛名。欧荚等国中，应该特别提出的 8 第一章绪论 就是美国m i c r o n o p t l c s 公司的f b g i s 波跃解调仪是这一领域先进技术的代表。表1 1 表示了m 1 c r o n o p t i c s 公司s m 1 2 5 系列产品的性能参数1 2 ”。 日本、法国、德国、意大利等国都投入了相当大的力量研制和开发f b g 传感器，其中 日本的科研成果转化为商品的速度较快。 国内的传感技术与欧美等国相比，还存在着很大的差距，特别是波长解调技术设备方面。 很多高校和研究所都是做一些理论或实验性的研究，其中有一部份使用的是光谱仪或国外现 成的波长解调产品。生产波长解调系统的产家就更是寥寥无几，其中北京的品熬、上海紫珊 是国内这一行业的代表，但与国外产品有着一定的差距，处丁：初步阶段。还不能大规模地实 现f b g 传感器产品的产业化。因此，国内绝大部分r 稃中都是采用国外产品。 1 3 本课题的意义 上文中已经提到，目前国际上f b g 传感器的研究重点之一就是大力推进f b g 传感器的 实用化。每年由美国光学 ：程师学会( o s a ) 主办的光纤传感国际会议( o f s ) 及时报道着光 纤光栅传感领域的最新进展，并对光纤光栅传感及其相应技术进行有益的研讨。 f b g 传感器是光纤光栅传感器的代表。也是这一领域研究的最热、最有前途的一个方 面，因此，一般意义上的光纤光栅传感器就是指f b g 传感器。它在民用结构、航天航空业、 石油化工业、核工业等行业中都得到了广泛的运用。然而，在f b 6 传感器系统中存在两个关 键技术，一是f b g 传感头的设计与制作。二二是波长或波长偏移量的检测。随着光栅制作方法 的不断改善以及工艺的不断提高，能够制得性能很可靠的f b g 传感头，第二项技术变得越来 越突出。 从f b g 传感器发展方向以及国内外的差距来看，设计开发一种高精度的分布式多f b g 传感器波长或波长偏移量解调系统，使其直接获得标志传感最的信号与数据，进而对其他机 电系统进行控制，实现f b g 传感器的广泛应用，成为当前的迫切需要。 综上所述。无论是从发展趋势来看，还是科研开发角度，乃至市场分析角度来看，光纤 b r a g g 光栅传感器波长或波长偏移晕解调器的研制有着重大意义和远大前景。 本课题就是为了研制精度高自动化程度高，解调速度快，及具有一定复用度的f b 6 传感器波长解调系统。为f b g 传感器的研究提供有效的工具，同时，为以后进一步研究小型 化、无线化波长解调系统提供理论依据和技术基础。 9 东南大学硕十学位论文 1 4 本论文的主要内容 一、首先介绍了现有光纤光栅的分类和光纤光栅的制作方法，总结了光纤光栅在光纤 通信和传感领域中的应用以及光纤光栅传感器的应用。指出了近期光纤b r a g g 光栅传感器研 究方向，比较了国内外f b g 波长解调设备的斧距，明确了本课题研究的意义。 二、系统阐述了光纤b r a g g 光栅传感器l ：作原理，完整地研究、比较了各种波长解调方 法的优缺点，最后确定我们的解调方案。 三、从理论和光谱两个方面给出了解调方案的原理，选取合适的光学元件，完成光路的 搭建，稳压源、可调谐f - p 滤波器的驱动电路、光电探测电路的制作与调试构建整个数据 采集系统。 四，结合解调软件，测试该系统性能，给出实验结果与分析。 五，描述下一步的1 = 作展望。 0 第一章f b g 传感技术的原理及解调方法 第二章光纤b r a g g 光栅传感技术的原理及解调方法 2 1 光纤b r a g g 光栅传感原理 2 ll 引言 耦合模理论是分析光在波导介质中传播规律的基础，光在光栅中的传播符合这一理论。 利用耦合模理论我们可以正确地分析光在各种不同类犁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，利用耦合模理论还可以精确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。随着光纤光栅理论和应用研究的日渐深入，人们已经编辑出一 些应用软件，可以很方便地利用这些软件对各种不同光纤光栅的传输特性迸行数值模拟，其 中比较常用的有f i b e ro p t i c a lg r a t i n gs i m u l a t o r 【2 ”、i f og r a t i n g p 6 i 等。 2 1 2 光纤b r a g g 光栅的耦合模理论汹捌 光饭征光升甲明1 专措剃俘付台祸台偎埋佑，咀域 厦阴麦兄新_ 节刀杵刀 v x 拈几；( n p )讲 v e = - 昙( 从)研 由于光波导中没有自由电荷，j = 0 ，将以上两式合并可得绝缘介质的波动方稃 v 2 啪) = 心学+ 芬枷) 而波导介质的极化强度可以表示为； p ( r ，t ) = 【s ( ，) 一6 0 e ( r ，f ) + p 徽扰( ，r ) 在直角坐标系中则有： v 2 b 喇，) 等= 蓐( r ，f ) 】，v 2 b 一胆( 7 ) 矛2 争【& 扰( r ，f ) 】， ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 对于巨和e 有类似表达式对于t e 模来说如果略去导模和辐射模之间的耦合则 髟( ) = 丢爿。( z ) 矽( 工) e 慨) + c c ( 2 6 ) 其中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： ( 等一成灿卅批帕 眩， 式中f ( ，) = c o n 2 ( r ) ，其中珂( ，) 为介质的折射率将( 2 6 ) 式代入( 2 5 ) 式可得 e 善睁料+ 等耐肿叫沙 泣。， + 兰( ：识警+ 挚) 砂俨小阢；等r ， 结台慢变化振幅近似 2 ) ( 2 2 2 - b ) ( 2 2 3 ) 其中以为b r a g g 反射中心波长胛为光栅的有效折射率，a 为光栅的周期。此时光纤光 栅的反射率最大，为r ( 厶) = t a n h 2 ( 正) 。 2 1 3 光纤b r a g g 光栅温度和应变传感基本原理 当一束光进入f b g 时，它能对波长满足b r a g g 反射条件的入射光发生反射。这种反射 睑7 也 似 甜麓带彻臻射光谱畴镬射蹙潜 佃聃孵啪哪嘞h 妇蛔砷黼岬袖耐b 蛐坤枷 图2 2f b g 传感原理图 是一种窄带反射，其反射谱在b r a g g 波长处出现。由耦合模理论可知砧= 2 n 甜a ，b r a g g 1 4 第一二章f b g 传感技术的原理及解调方法 波长随光纤光栅有效折射率疗够和周期a 而改变。光栅传感是基于光栅有效折射率和周期受 外界条件影响而使反射波长漂移的原理进行传感测犀的。温度导致反射波长变化是由于光纤 的热膨胀效应和热光效应。而廊变影响反射波长变化是由于光栅的弹光效应和光栅周期变化 【”。其原理图如图2 2 所示。 将b r a g g 反射中心波长五日视为温度r 和应变占的函数，则九对t 和占展开成泰勒级数 为： 枞r 一喇十珈锐。仉2 雌+ a 烈。s 士羔+ a 蔫+ - d o a 誓 扣矛0 2 a + a 争l 叫灿扣釉赳。n 当r 与占不是很大时，略去( a t ) 2 与( 占) 2 和二次方以上的高次项，以及( 2 2 4 ) 式中 蝴聪变妒1 微口1 而0 a 夸古鲁和p 古。等 分别为纤芯的热膨胀系数，热光系数和有效弹光系数，则( 2 2 4 ) 式可以近似为： 以( r ，f ) = ( 口+ f ) 疗 r + ( 1 一p o ) n 酊a s = k 7 a t + k 。a ( 2 2 5 ) 式中k t ，量，分别为f g g 的温度和鹿变相应灵敏系数，可以经过理论计算或实验测量锝到。 因此，只要得到b m g g 反射中心波长的偏移量，根据( 2 2 5 ) 式的对应关系获得温度或应变 的改变量，实现传感目的。f b g 传感器装置基本原理如图2 3 所示。 图2 3f b g 传感器基本原理 2 2 光纤b r a g g 光栅传感器的解调方案 由上一小节分析可知，用f b 6 构成的传感系统，传感量主要是以波长的微小偏移为载体， 东南人学硕十学位论文 所以传感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。对f b 6 的理论分析l 和实验研究”。 表明，f b g 的温度和应变灵敏度很小。在b r a g g 波长为1 5 0 0 n m 时，典型的温度和应变灵敏 度分别为o 0 1l n m o c 和0 0 0 1 2 n m f l e 。为了达到1 0 c 和l o z 的测量精度，对中心波长 偏移厶的测量精度应优于0 o l n m 的鼋级。因此，再一次表明f b g 传感器中波长解调设备 是整个系统关键技术之一。 人们提出了许多f b g 传感器波长解调方法，如光谱仪检测法、滤波法、可调窄带光源 法“”、c c d 空间光谱成像法1 、非平衡马赫一曾特尔( m z ) 干涉法等方法，这些方法 各有不同的优缺点和适用范围。 2 2 1 光谱仪直接测量法 对f b g 传感器的波长偏移最直接的检测方法就是光谱仪( 或单色仪) 检测输出光的 以，装置只需将图2 3 中的波长检测设备换成光谱仪即可。这种方法的优点是结构简单， 适宜于实验室使用。缺点是一般的光谱仪分辨率较低，无法满足要求。虽然高分辨率的光纤 光谱分析仪可以满足要求，但这类光谱仪的价格昂贵( 分辨率为0 o l n m ，精度为0 1 n m 的 光谱仪价格高达数万美元) ，体积庞大，由此构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢同度。不适 于实际应用。更重要的是它不能直接输出对席于波长变化的电信号，这对测簟结果的记录、 存储和显示以及提供给控制同路必要的电信号已达到t 业生产过程自动化控制的目的都是 极为不利的。 2 2 2 滤波法 f b g 传感器滤波解调技术包括多种方式，所采用的滤波器包括传统的体滤波器、可 调声光滤波器、光纤光栅滤波器”、可调光纤p p 滤波器等。滤波解调技术的特点是 实验装置简单，操作方便，其测量分辨率土要取决于滤波器的性能。 一，体滤波器 如图2 4 为采用体滤波器的f b g 传感器解调装置示意图，宽带光源经耦合器进入传感光 栅，其反射光经耦合器被分为两路，其中一路光经滤波后探测放大，另一路光作为参考光商 接进入探测器放大，两路信号同时送入除法器得到输出。这一方法的应变测量范同为 一5 0 0 0 肛一5 0 0 0 p “g ，静态应变分辨率为3 7 5 z s ，实验系统简单、应变测量范围大，但系 1 6 第二章光纤b f 档光栅传感技术的原理及解调方法 统分辨率不高。d a v i s ”1 和z h a n g t ”j 等人用波长依赖的波分复用器( 仰m ) 取代大块的体滤波 器，将应变分辨率提高到5 j 龌，温度分辨率达o 5 0 c 。 图2 4 体滤波法装置图 二、可调声光滤波器 x u 等人可调谐声光滤波器对f b g 的透射谱进行滤波，研究f 的温度传感器特性，测 出光纤光栅的温度灵敏度为- 0 9 5 k - z “c 。这种方法对随机访问有较理想的频敏能力，有很 宽的调谐范围，较适合于动态或准静态应变传感以及复用传感系统。 三、匹配光栅滤波器 这种方法就是用一个与传感f b g 光栅相匹配的接收光栅去跟踪传感光栅的波长变化， 进行匹配滤波，在两个光栅相匹配时，由接收光栅的波长去推知传感光栅的波长。 图2 5 匹配光栅法装置图 图2 5 是用匹配光栅法检测光纤光栅反射波长的原理图，在检测端设置一参考光栅 其光栅常数与传感光栅相同，因此其峰值反射波长与传感光栅相同。将g i 贴于一压电陶 瓷片( p z t ) 上，p 砑由一外加扫描电压控制。当它处于自由态时，由于参考光栅与传感光 栅的峰值反射波长招同，因此光探测器的输出信号幅度最高。此时控制扫描电压信号发生器 使其固定输出为零电平。当传感光栅g s 感应到外界的温度和应变时，峰值反射波长发生偏 移，参考光栅g 。与传感光栅g 5 的峰值反射波长不匹配，光探测器的输出信号下降，此时扫 描器工作，给压电陶瓷施加一定的电压，使之发生形变，从而使参考光栅g i 的峰值反射波 长也发生偏移，当两个光栅的峰值反射波长重新匹配时，光探测器的输出信号重新达到原来 1 7 东南大学硕十+ 学位论文 到原来的最大值，此时的扫描电压就对应一定的外界物理量( 温度或应变) 。 匹配光栅法的优点是结构简单，而且对最终检测的反射光强无绝对的要求，所以各类 强度噪声都不会对输出结构有影响，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；三是由于p z t 的响应速度有 限，这种方法只适用于测量静态或低频的物理鼙。 四、可调谐f 呻滤波器 图2 6 可调谐f - p 滤波解调系统的实验装置图。宽带光源经隔离器进入传感器阵列， 其反射光信号进入可调谐f - p 滤波器中，当f - p 滤波器透射峰与f b g 反射蜂重合时，系统测 量信号最强。 黼i 嘲耐 蛳q 图2 6 可调谐f - p 滤波解调系统的实验装置图 图2 6 a 为单根f b g 传感单元的锁定模式。引入一频率为无高频抖动信号，它使得f - p 滤波器的透射波长被调制( 约0 o l n m ) 。这就使得f b g 的输出信号也被调制。包括基波分量 和谐波分量五。当f b g 的反射信号的波长和f - - p 滤波器的透射峰相一致时，基波幅度为零 基于调制频率的调制分量振幅作为误差信号经积分回路反馈回f _ p 滤波器，从而使得f p 滤波器透射的中心频率锁定在光栅的反射波长厶上。 如果对于复用系统，上述结构就不再适用，必须使用图2 6 b 所示的扫描模式来解调。 由于：扫描电压的作用，调整腔内的镜面距离，而扫出多个反射波长。在这种模式下，虽然可 以把各反射信号经光电探测器直接检测，但分辨率不高。利用通信中常使用的同步解调方式 可将传感阵列输出量的一阶微分信号提取出来，有助丁抑制噪声，人人的提高了解调的分辨 率，可得3 旧的应变分辨率。 可调谐卜p 解调技术可以直接将波长信号转换成电信号，并且结构简单，体积小，复用 能力强等优点。这种方法与匹配光栅法的主要差别是：用可调谐卜p 滤波器代替匹