（光学工程专业论文）基于光纤环形激光器的fbg动态应变传感系统.pdf

摘要 摘要 在实际的工程技术领域，振动测量方面的问题关系到大型工程结构的安全性， 而目前常用的电磁类加速度传感器难以满足复用、抗电磁干扰等要求。光纤b r a g g 光栅( f b g ) 传感器除了具有传统的电磁类传感器的功能，还具有灵敏度高，易 于复用，不受电磁干扰，抗腐蚀等特点，因此研究f b g 振动传感技术具有十分重 要的意义。 本论文提出了振动测量方案，并对方案进行了理论分析及实验研究。论文主 要内容包括： 1 简要介绍了光纤传感器的特点和分类，以及国内外光纤传感器的研究及发 展现状。概述了f b g 的基本特性，传感原理，和常用的解调方法，并详细分析了 各种解调方法的优缺点。概况了振动传感器的应用领域和f b g 振动传感器的研究 现状。 2 设计了一种基于f - p 标准具解调和m u s i c 算法的f b g 动态应变传感系统。 从泵浦波长，谐振腔以及增益介质等方面分析了激光器的设计原理，最终得到一 种适合系统的激光器设计方案，并设计了相应的系统的解调方案，并在传感f b g 相对应的地方设置了参考f b g ，校准传感f b g 受到的动态应变，并使用了m u s i c 算法对系统的信号进行分析，提高了动态应变分辨率。 3 设计了基于m z 干涉仪解调和矢量分解谱估计算法的f b g 动态应变传感 系统。采用了干涉解调的方法，并且从干涉解调仪对光源的要求，如稳定性，边 模抑制比，线宽，频率漂移四个方面分析了光纤环形激光器的性能。为了补偿m z 干涉仪的漂移和校准传感f b g 受到的动态应变，系统设计了参考f b g ，并采用了 矢量分解谱估计算法很好的抑制了白噪声，极大的提高了系统的动态应变分辨率。 关键词：光纤b r a g g 光栅( f b g ) ，动态应变，光纤环形激光器，m u s i c 算法，矢 量分解谱估计算法 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gf i e l d s ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ti s s u e sr e l a t e dt ot h e s a f e t yo fl a r g ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，w h e r e a st h ee l e c t r o m a g n e t i ca c c e l e r a t i o ns e n s o r s w h i c ha r ec o m m o n l yu s e dn o wa r ed i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，s u c ha s m u l t i j i l e x i n ga n df r e ef r o me l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o r sn o to n l yh a v et h et r a d i t i o n a lf u n c t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i ct y p es e n s o rb u ta l s o h a v eh i g h s e n s i t i v i t y , e a s y t o m u l t i p l e x ，f r e ef r o me l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h er e s e a r c ho nf b gv i b r a t i o n t e c h n o l o g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e av i b r a t i o nm e a s u r e m e n tp r o g r a mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra n da n a l y z e df r o m t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l t h em a i nw o r kc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc l a s s i f i c a t i o no ff i b e ro p t i cs e n s o r s ，a sw d la sd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lf i b e ro p t i cs e n s o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a t u si sd e s c r i b e db r i e f l y t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ff b qs e n s i n gp r i n c i p l e s ，a n dc x ) m m o nd e m o d u l a t i o n m e t h o d sa leo v e r v i e w e d ，a n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd e m o d u l a t i o n m e t h o d sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ea p p l i c a t i o n so fv i b r a t es e n s o r sa n df b gv i b r a t e s e n s o rs t a t u si ss u m m a r i z e d 2 af b gs e n s o rs y s t e mw i t hf pe t a l o nd e m o d u l a t i o na n dm u s i ca l g o r i t h mf o r d y n a m i cs t r a i nm e a s u r e m e n ti sd e s i g n e d t h el a s e rd e s i g np r i n c i p l e sa r ea n a l y z e df r o m t h ep u m pw a v e l e n g t h ，t h er e s o n a n tc a v i t ya n dg a i nm e d i u m ，u l t i m a t e l yal a s e rw h i c hi s s u i t a b l ef o rs y s t e mi sd e s i g n e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e mi sa l s o d e s i g n e d ac a l i b r a t ef b g w h i c hi su s e dt oc a l i b r a t et h ed y n a m i cs t r a i na p p l i e dt ot h e f b gw a sm o u n t e do nt h eo p p o s i t eo nt h ec a n t i l e v e rb e a md i r e c t l yu n d e r n e a t ht h e s e n s i n gf b gi no r d e rt oi m p r o v et h ed y n a m i cs t r a i nr e s o l u t i o n ，t h em u s i ca l g o r i t h mi s u s e dt oa n a l y z et h es y s t e ms i g n a l 3 af b gs e n s o rs y s t e mw i 1m zi n t e r f e r o m e t e rd e m o d u l a t i o na n de i g e n v e c t o r s p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o df o rd y n a m i cs t r a i nm e a s u r e m e n ti sd e s i g n e d t h ei n t e r f e r e n c e d e m o d u l a t i o nm e t h o di su s e d ，a n dt h el i g h ts o u r c ei sd e s i g n e dw h i c hi sd e p e n d e do nt h e r e q u i r e m e n t so fi n t e r f e r o m e t e rd e m o d u l a t i o ni n s t r u m e n t t h ep e r f o r m a n c eo ff i b e rr i n g i l a b s l r a c t l a s e ri sr e s e a r c h e df r o ms t a b i l i t y , s i d e - m o d es u p p r e s s i o nr a t i o ，l i n e w i d t ha n df r e q u e n c y d r i f t t h er e f e r e n c ef b gi su s e dt oe l i m i n a t et h es l o wd r i f to ft h em zi n t e r f e r o m e t e r a n dc a l i b r a t et h ed y n a m i cs t r a i na p p l i e dt ot h ef b gd u et ot h ee x c e l l e n tw h i t e n o i s e s u p p r e s s i o nc a p a b i l i t y o fe i g e n v e c t o rm e t h o du s e d ，t h es y s t e m d y n a m i c s t r a i n r e s o l u t i o ni sg r e a t l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，d y n a m i cs t r a i n ，f i b e rr i n gl a s e r , m u s i ca l g o r i t h m ， e i g e n v e e t o rs p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 皇生日期：m 年6 月乡日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：童垫 导师签名：亟鞋 日期： 加o 年6 月多日 第一章绪论 第一章绪论 传感技术是获取信息的主要技术途径，能在人达不到的地方或对人有害的地 方，起到人的耳目的作用，还能超越人的生理极限，获得人的感官所感受不到的 外界信息，光纤传感器作为传感器家族新成员以其优异的性能倍受青睐。光纤传 感技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种以光作为信号载体，通过光纤来传送信 号的新型传感技术【l 删，是光导纤维和光纤通信技术迅速发展的产物。 目前，国际上光纤传感领域的发展可分为两个方向：原理性研究和应用开发。 原理性研究主要集中于光纤光栅传感器和分布式传感系统两大类，由于光纤传感 技术距商业化还有一定距离，所以光纤传感器的原理性研究仍然十分重要。伴随 着光纤技术的日渐成熟，光纤传感器的实用化也逐渐成为光纤传感领域的热点， 已经非常成熟且被广泛使用的传统的机电传感技术对光纤传感器的挑战可想而 知。 世界上第一个光纤传感器是用来检测光网络状态、性能和噪音的，随着技术 的不断进步，应用也拓展到了国防和国民经济生活的各个领域，在巨大的市场需 求下，各国加强研发，用途也日益广泛。光纤传感技术在智能材料和结构，土木 结构监测，生物医学等方面是最具竞争力的测量手段。光纤传感器与电类传感器 有本质区别，最主要的原因在于光纤与金属导线之间有根本区别，使得其传感灵 敏度比传统传感器高很多，并且能够在高温，强腐蚀性掣3 】很多特殊环境下使用。 1 1 光纤传感器的特点与分类 1 。1 1 光纤传感器的特点 传统的电类传感器是将被测量转变为可测的电信号，系统图如图1 1 所示，光 纤传感器则是将被测量转变为可测的光信号，如图1 2 所示。以光纤类传感器为例， 光发送器发出的光经光纤传送至敏感元件，光的某一性质受到被测量的调制，已 调光通过光纤耦合器到光接收器，光信号转变为电信号，经信号处理得到被测量。 光纤中传输的光波的特征参量如振幅，相位，波长，偏振态，模式等都会受 到外界环境因素的影响，从而发生相应的物理量的变化，通过测量特征参量的变 电子科技大学硕士学位论文 化实现对外界相应环境参量的感知，因此光纤传感器适用于加速度，速度，应变， 振动，温度，湿度，电场，磁场等7 0 多个物理量的测型4 】。 图1 1 传统传感器工作原理示意图 图l - 2 光纤传感器工作原理不意图 经过多年的发展，光纤传感器在工业，军事，科研等方面占据了重要地位， 由于光纤本身的特点使得光纤传感器具有许多传统传感器所不具备的优点1 ，5 7 1 ， 如：传输损耗小，耐腐蚀，容量大，抗电磁干扰，灵敏度高，保密性好，易于组 网等。 1 1 2 光纤传感器的分类 1 1 2 1 按照光纤在传感系统中的功能分类 光纤传感包括对被测量的感知和传输两种功能。感知，实质就是被测量对光 纤中传播的光波实施调制，即被测量按照一定的变化规律使光纤中传输的光波的 物理特征参量，如强度，相位，偏振态和频率等发生变化，测量这些特征参量的 变化即为“感知 被测量的变化。传输，实质就是解调，即光纤将受被测量调制 的光波传输到光接受器进行检测，将被测量从光波中提取出来并按需要进行数据 处理。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即被测量如何调制光 纤中的光波参量的调制技术以及如何从已被调制的光波中提取被测量的解调技 术。根据调制区与光纤的关系，可将光纤传感器分为两大类 8 i o 】：功能型光纤传感 器和非功能型光纤传感器。 2 第一章绪论 ( 1 ) 功能型( 也叫本征型或内调制型) ：采用对外界信息具有敏感能力和检 测能力的光纤( 或特殊光纤) 作传感元件，将“传”和“感”合为一体，被测量对光纤内 传输的光进行调制，常采用多模光纤。光纤不仅起到传光的作用，而且还利用外 界因素( 弯曲、相变等) 对光纤的作用，造成光纤的光学特性( 光强，相位，偏振态， 频率等) 的变化，从而实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。 优点：结构紧凑，灵敏度高( 可通过增加光纤的长度提高灵敏度) 。 缺点：需要用特殊光纤，成本高。 典型应用：光纤陀螺，光纤水听器等。 ( 2 ) 非功能型( 也叫非本征型) ：利用其它敏感元件感受被测量的变化，光 纤本身不做传感元件，仅起导光作用，只“传”不“感”，常采用单模光纤，光纤不连 续。 优点：容易实现，无需特殊光纤及其他特殊技术，成本低。 缺点：灵敏度较低，适用于对灵敏度要求不太高的场合。 典型应用：目前实用化的传感器大都是非功能性光纤传感器。 1 1 2 2 按光被调制的方式分 ( 1 ) 强度调制型：其一般的结构框图如图1 3 所示，利用被测对象的变化引 起传感元件物理参量的变化，从而导致光强度变化来实现传感测量，是最基础， 最直接，最简单，最早使用并且应用领域最广的一种光纤传感器。一般地，用公 式可以表示为1 0 = f ( i i ，x ，e ，疗) 。其中，l 分别为输入输出光强，x 是被测量， e 是环境参数，以为噪声。可见，传感器的输出光强不但受外界被测量影响，还受 输入光强，环境因素的影响，同时还存在一定的噪声，一般来说，影响强度调制 型光纤传感器的噪声主要是散粒噪声和1 厂噪声。 图1 - 3 强度调制型光纤传感器结构框图 此类光纤传感器对光源的要求是功率稳定，一般采用非相干光源。探测器一 般使用p i n 光电二极管，在o t d r 系统中，会要求使用a p d 型光电二极管，对光 源和探测器的选择也取决于系统的工作波长。 电子科技大学硕士学位论文 优点：结构简单，成本低。 缺点：由于一般采用多模光纤传输信号，其抗干扰能力较差，如外界的扰动， 光源，光电二极管等随温度变化而变化，都会导致输出光强的变化。光纤传输线 路的损耗，连接器的损耗，耦合器的耦合比等都对温度，振动，应变，弯曲等因 素敏感，从而对测量精度产生影响。也就是说，传感器灵敏度和光传输随会时间 出现老化现象，对传感器的长期稳定性有着直接的影响。 应用：利用光纤的微弯损耗，振动膜或液晶的反射光强度的变化，各物质的 吸收特性，物质的荧光辐射或光路的遮断，以及因各种粒子射线或化学、机械的 激励而导致物质发光的现象等来构成温度，振动，气体，压力，位移等各种强度 调制型光纤传感器。 ( 2 ) 相位调制型：是光纤传感技术中最基本的传感技术，被测对象作用于敏 感元件使其折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，采用干涉测量法， 将相位变化转变为强度变化，检测出被测物理量。由于多模光纤不能保持传输光 的空间相干性，因此相位调制型光纤传感器使用单模光纤。 优点：光纤中光的相位对环境很敏感，所以其灵敏度最高。 缺点：易受振动，温度等环境量的影响，产生串音，且光纤的双折射效应也 会对相位测量产生干扰。 应用：利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器，利用电致伸缩的电场、电压 传感器，利用光弹效应的声、压力或振动传感器，以及利用赛格纳克( s a g n a c ) 效 应的光纤陀螺等。 ( 3 ) 偏振态调制型：被测量通过一定方式使光纤中光波的偏振面发生规律性 偏转或发生双折射，导致光的偏振特性发生变化，通过检测偏振态的变化测出外 界被测量。目前能直接改变偏振态的物理量主要是磁场，因此偏振调制型光纤传 感器广泛应用于电磁场的测量中。利用单模光纤中两个互相垂直的模式场，即可 构成参考光和测量光共光路的相位相干检测，也就是一种偏振调制型光纤传感器。 在实际测量中，不能直接测量偏振角，但可以测量光通过另一个检偏器时强度的 变化。 缺点：由于光的偏振态易受振动，温度等的影响，需要有补偿措施，利用被 测量对两个不同偏振方向上的相位影响不同，而在除了被测量之外的其它环境对 其两个方向上的偏振光的相位影响条件相同的条件下，进行差动测量，克服串音 的干扰。 4 第一章绪论 譬购 兰 ：萨妣 偏振光镜 单模光学纤维环 图l _ 4 偏振调制型光纤传感器结构框图 应用：利用光弹效应构成的压力、振动传感器，利用泡克尔效应做成的电场、 电压传感器，利用法拉第效应做成的电流、磁场传感器，以及利用光纤的双折射 性构的成温度、压力、振动等传感器。 ( 4 ) 频率调制型：单色光照射到被测物体上，反射回来的光的频率发生变化， 利用相干解调检测出被测物理量。 应用：利用光致发光的温度传感器，利用拉曼散射构成的气体传感器，可用 来测量气体浓度或监测大气污染，以及利用运动物体反射光和散射光的多普勒效 应的振动，压力，速度，加速度，流速传感器。 ( 5 ) 波长调制型：被测量与光纤相互作用，导致光纤中传输光波长改变，通过 测量波长的变化量来确定被测参量，一般采用宽带光源，用频谱仪解调。 优点：光纤中的波长很稳定，因此可靠性高，抗干扰能力强。 缺点：成本较高，且占用了较宽的信道。 应用：这类传感器的应用主要有光线法珀传感器和光纤光栅传感器，光纤光 栅传感器将在下一节中重点介绍。 目前现有的光接收器只能直接响应光的强度，不能直接响应光的相位，偏振 态，频率等物理参量，因此光的相位，偏振态，频率调制信号都要转换成强度信 号，才能被光接收器接收，实现检测。 1 2 光纤传感器的研究现状 1 2 1 国外光纤传感器的发展状况 美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发，是世 界上最早研究光纤传感器，也是水平最高的国家。民用方面，将光纤传感器应用 到监测桥梁和建筑物的应力变化，监测电力系统的温度、电流、电压等的变化， 5 电子科技大学硕士学位论文 以及食品的细菌和病毒检测等。军事应用方面，将光纤传感器应用于航空监测， 水下探测，以及核辐射检测等领域。 日本和西欧各国也高度重视并投入了许多经费开展光纤传感器的研究与开 发。8 0 年代，日本为了解决在强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中实现信息测量、 传输和生产过程的控制，制定了“光控系统应用计划”，将光纤传感器用于大型电 厂。9 0 年代，东芝、日本电气等1 5 家公司和研究机构，研究开发出了1 2 种具有 一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业如英国的标准电讯公司、法国 的汤姆逊公司和德国的西门子公司等，都参与了光纤传感器的研究开发和市场竞 争。 1 2 2 国内光纤传感器的发展状况 我国在7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。 国内有众多的研究单位投身其中，如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、 重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1 4 2 6 所等，研究领域涉及温度、电流、 位移、压力、流量等，取得了上百项科研成果，其中相当数量的科研成果具有很 高的实用价值，有的还达到了国际先进水平。我国的研究水平与发达国家的差距 主要表现在商品化和产业化方面，特别是在光纤传感器的共性基础技术、中间试 验技术、生产装备技术等方面更为突出，大多数传感器仍处于实验室研制阶段， 远远不能满足市场需求。与发达国家相比，我国光纤传感器的市场销售额占总的 传感器销售额的比例很低，表现出“研究单位多、生产单位少、研究成果多、商 品化产品少、技术水平高、产品质量低”的状况。以下是最近三年我国科研机构 在这方面的成就： 一、2 0 0 7 年8 月，天津大学李恩邦教授研发出了高灵敏度多模光纤应变传感 器，并申请了4 项国家发明专利。其灵敏度比目前世界上最广泛使用的f b g 传感 器更灵敏，结构也更简单。 二、2 0 0 7 年1 1 月，中国科学院西安分院的“晶体吸收式光纤温度传感器”项 目成果通过了专家鉴定委员会鉴定。该光纤温度传感器基于砷化镓晶体光谱吸收 特性，采用了光纤分光技术和微型光纤准直器，降低了对光源稳定度的要求，有 效地减小了测温探头的体积，测量精度高，响应时间快，使传感器更加实用、稳 定。 三、2 0 0 8 年3 月，电子科技大学饶云江教授团队首次在国际上应用1 5 7 n m 和 6 第一章绪论 飞秒激光微加工技术制作了微纳光纤法珀传感器。该技术有助于研制出目前世界 上体积最小、性能最好的微光纤在线法珀应变传感器，最高工作温度可达8 0 0 。c ， 能够在航空航天、能源工业等环境十分恶劣的极端条件下使用，从而为高温下精 确测量应变提供了可行的方法。 1 3 课题研究内容及意义 本课题的内容集中在f b g 在振动测量领域的应用，在很多情况下，振动会 造成许多危害，如损害精密仪器设备的功能，加重构件的磨损程度，降低零件的 精度和表面质量，因此很有必要对振动进行观测、分析和研究。 本论文的主要内容包括： 1 简要介绍了光纤传感器的特点和分类，以及国内外光纤传感器的研究及发 展现状。概述了f b g 的基本特性，传感原理，和常用的解调方法，并详细分析了 各种解调方法的优缺点以及振动传感器的应用领域和f b g 振动传感器的研究现 状。 2 设计了一种基于f p 标准具解调和m u s i c 算法的f b g 动态应变传感系统。 从泵浦波长，谐振腔以及增益介质等方面分析了激光器的设计原理，最终得到一 种适合系统的激光器设计方案，并设计了相应的系统的解调方案，并在传感f b g 相对应的地方设置了参考f b g ，校准传感f b g 受到的动态应变，并使用了m u s i c 算法对系统的信号进行分析，提高了动态应变分辨率。 3 设计了基于m z 干涉仪解调和矢量分解谱估计算法的f b g 动态应变传感 系统。采用了干涉解调的方法，并且从干涉解调仪对光源的要求，如稳定性，边 模抑制比，线宽，频率漂移四个方面分析了光纤环形激光器的性能。为了补偿m z 干涉仪的漂移和校准传感f b g 受到的动态应变，系统设计了参考f b g ，并采用了 矢量分解谱估计算法很好的抑制了白噪声，极大的提高了系统的动态应变分辨率。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章f b g 传感测量原理 1 9 7 8 年k o h i l l 等人首次报道了用氩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光纤布拉格光栅( i n f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 1 1 】， f b g 的研究和应用引起了广泛的关注，是最先被用来作为传感器，并且也是最优 秀的光纤传感器之一，被广泛应用在光纤传感和光纤通信等领域。随着光纤光栅 的制作工艺越来越可靠，应用范围越来越广，基于光纤光栅的传感器已进入工程 化的使用阶段。 2 1f b g 的特性研究 周期性改变普通光纤的纤芯折射率就构成了结构最简单的均匀光纤布拉格光 栅( f b g ) ，这种f b g 是大部分光纤布拉格光栅的基本组成部分，是最早发展出来 也是应用最广泛的一种的光纤光栅，其传感原理是【1 2 】：纤芯中传播的光在每个光 栅面处发生散射，如果不满足布拉格条件，依次排列的光栅平面反射的光相位将 逐渐变得不同，直到最后相互抵消，满足布拉格条件的光被反射。 布拉格光栅条件是满足能量守恒与动量守恒的一种简单表示形式，能量守恒 要求入射光与反射光频率相同( h c o ，= h c o i ) ，动量守恒要求入射波矢量k 与光栅 波矢量k 之和等于散射波矢量k ，这个关系可以表示为： k + k = 巧 ( 2 1 ) 光栅的波矢量k 幅度大小为2 i t 人，方向与光栅面的法向一致，散射波矢量与 入射波矢量的大小相等，方向相反，因此式2 1 可变为： 2 ( 2 t e n e t ) ：塾 ( 2 2 ) 如。 a 可简化为： 丸= 2 人 ( 2 - 3 ) 即为布拉格条件，其中，以是f b g 反射回来的入射光在自由空间的中心波长， 是光纤纤芯针对自由空间中心波长的折射率，人是f b g 的周期。 由布拉格条件可得 九= 2 ，谤人+ 2 人( 2 - 4 ) 8 第二章f b g 传感测量原理 由式2 4 可知，当f b g 周围的温度，应变等待测物理量发生变化时，将导致 纤芯折射率或周期发生变化，反射的中心波长发生相应的变化，产生布拉格漂移 以，通过检测波长漂移的情况，得到待测物理量的变化情况。在下面两节将具体 讨论温度、应变等对中心波长的影响。 2 1 1f b g 的基本特性 2 1 1 1 反射率与光栅长度的关系 假定均匀光纤布拉格光栅纤芯评价折射率为，沿光纤轴向折射率表示为： n ( z ) = + ，z c o s ( 竺) ( 2 - 5 ) 其中，z 为沿光纤轴向的位移，以为折射率扰动的大小。l a m 和g a r s i d e 通 过模式耦合理论描述了f b g 的反射特性1 3 】，对于一定调制深度和周期的光栅，反 射率r ( i ，兄) 为光栅长度，和波长兄的函数，可以表示为： 姒旯) = 丽面f 丽2 2sin焉h2(丽s1) ( 2 - 6 ) 其中，q 为耦合系数，k = 2 n n o 允为传播常数，后= k z r 2 为失谐波矢量， j 为折射率调制的条纹可见度，且s 2 = q 2 一a k 2 。 若折射率的扰动沿轴向方向上市呈正弦变化，那么耦合系数可以表示为： q ：半mp ( 2 7 ) 其中，m ，为纤芯导模能量，可近似为丸 ( 等) z + ( 今) ：章 z ，zl 矿= ( 2 n 2 ) a ( n ：o 一蠢) u 2 为光纤归一化频率，力。、。分别为纤芯与包层的折射 率，a 为纤芯直径。在f b g 中心波长处，a k = 0 ，反射率的表达式可以表示为： n ( t ，a ) = t a n h 2 ( q ，) ( 2 - 8 ) 由上式可知，反射率会随折射率改变量和光栅长度的增加而增加。反射率越 高，光栅越稳定，噪声对其影响就越小，对解调设备的要求就会越低，降低了系 统的复杂性。 2 1 1 2 光栅有效长度与折射率扰动的关系 由式2 8 可知，在反射率一定的情况下，折射率扰动越大，光栅的长度可以越 短，并且从理论上来说，长度越短，测量的点越精确，带宽越宽。 2 1 。1 3 谱线宽度 9 电子科技大学硕士学位论文 取半峰谱线宽度为光栅线宽 垃：一上堕业丁 n 移d yd t 根据公式砧九 ( 等) 2 + ( 全) 2 ；，折射率扰动增加会加宽谱线带宽，光栅 的长度越短，线宽也会越宽，从理论上来说，f b g 的带宽越小，测量精度越高。 2 1 1 4 边模抑制比 在f b g 用作传感器时，探测光栅峰的时候由于旁瓣的出现会导致多个峰值的 出现，在作为滤波器时，其它波长的光也会受到旁瓣的影响，边模抑制比直接决 定了信噪比，因此需要抑制旁瓣，抑制的方法是将光栅周期写为不均匀的。 2 1 2f b g 温度特性 由式2 3 可知，折射率或周期的改变都将导致中心波长的变化，设温度变化为 a t ，其对中心波长的影响从两方面考虑【1 4 1 ： ( 1 ) 热胀效应 热胀效应导致f b g 伸长，从而改变其光栅周期，用公式可以表示为： 一a a ：a a t ( 2 9 ) 人 其中口为材料的膨胀系数，对于掺锗石英光纤，其值一般为5 5 1 0 - 7 c 。 ( 2 ) 热光效应 热光效应使f b g 的折射率发生变化，用公式可以表示为： 一a n e f f ：一土堕业t ( 2 1 0 ) n 呵n 毋d v 以 由温度变化引起的波长漂移主要取决于热光效应，占热漂移的9 5 左右。 令善：一上塑盟坐为热光系数，对于硅纤，善：6 6 7 x 1 0 - 6 c 。 一 n 。d vd t 。 因此，温度对波长漂移的总影响为 垒当：( 口+ 孝) z ( 2 1 1 ) 可以明显看出，当材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上为与材 料系数相关的常数，从理论上保证f b g 做温度传感器时有很好的线性输出。 2 1 3f b g 应变特性 1 0 第二章f b g 传感测量原理 假设为考察点处轴向应变，同样从两方面考察其对中心波长的影响1 5 1 ： ( 1 ) 机械性拉长 f b g 被机械性拉长从而改变了光栅周期，用公式表示为： x2 弋 ( 2 ) 弹光效应 弹光效应改变了光栅的折射率，用公式可以表示为： ：一型3p 生掣 两端同时除以以咿，可得到： 全堑：一! 丕! 墨! 二：! 墨! 墨! ! 其中，异- 、e , 2 分别是光纤的光学应力张量分量， 光系数： = 韭掣 对于硅纤，= o 2 2 ，将式2 - 1 4 改写为： ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ，是泊松系数，定义有效弹 a n r z ：一q h 研 因此，应变对波长漂移的总影响为： 华：( 1 一r e ) 巳 蚀 表2 1 给出了不同波长f b g 的波长应变和波长温度灵敏度： 表2 1 具有不同中心波长的f b g 传感器的应变和温度灵敏度 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 中心波长应变灵敏度温度灵敏度 0 8 聊 o 6 4p m t z 66 8p m o c 1 3 i z m 1 p m p 6 1 0p m o c 1 5 5 l m 1 2 p m u 8 1 3 p m o c 2 1 4f b g 压力特性 光纤受到压力作用时，光纤直径会发生微量变化，从而导致光传输延迟发生 微量变化，但这种变化相对于光纤折射率和物理长度的变化是可以忽略不计的。 电子科技大学硕士学位论文 设压力变化为a p ，则相应的f b g 中心波长的变化可以表示为： 丝：a ( n a ) ：正坠+ 1 鱼) p ( 2 1 8 ) 无 n a。ad p 刀c o p 1 9 7 9 年，h o c k e r 等人给出了光纤长度变化与压力的计算关系式为【1 6 1 ： a l ：a a ：一( 1 - 2 v ) p( 2 1 9 ) 一= 一= 一一 z 1 7 ， l入e 可得到平均周期压力关系为： 土坠：一一1 - 2 v ( 2 2 0 ) 一一= 一一 lz - z u ， 入d p e 1 9 9 2 年，m o r e y 等人给出了光学折射率变化与压力的计算关系式为1 7 j ： a n n 2 p ( 1 2 v ) ( 2 p 1 2 + n 1 ) 一= = - - - - - - - - - - - - - - - - - = j - 。一 ，l2 e ( 2 2 1 ) 可得到折射率一压力关系为： ! 型：! ：! ! 二兰1 2 1 兰旦2 鱼1 2( 2 2 2 ) nc o p 2 e 其中，e 是光纤的杨氏模量。将式2 2 0 和式2 2 2 代入2 1 8 可得到波长压力 灵敏度关系为： 她：乃 塑尘掣一毕卸 ( 2 - 2 3 ) 2 2f b t 常用的解调技术 解调技术就是利用解调系统对f b g 反射回来的中心波长的微小偏移量进行测 量，直接限制整个系统的测量精度，而设计性能优良的传感系统的关键之一就是 提高测量精度。根据波长漂移量探测器件的工作原理，可将探测方法分为【1 3 】：光 谱仪检测技术、滤波法、干涉法，其中滤波法和干涉法又可细分为很多小类，下 面将具体介绍这几种解调方法的原理。 2 2 1 光谱仪检测技术 通常测量光波长都是使用光谱分析仪，包括单色仪和傅里叶变换光谱仪等， 其波长测量范围宽，传统的光谱分析仪分辨率较低，因此一般不用于实际探测系 统中f b g 波长漂移量的测量，而高分辨率的光谱分析仪虽然可以满足f b g 信号解 调的要求，但由于价格昂贵，不适合工程应用【1 8 】。 1 2 第二章f b g 传感测量原理 2 2 2 滤波法 图2 1 光谱仪检测光纤光栅波长示意图 滤波法是很有效的信号处理方法，采用各种滤波器，抑制不需要的波段的信 号，让需要的信号波段通过，从而实现解调。根据处理信号的方式，可将滤波法 主要分为以下三类： 2 2 2 1 匹配光纤光栅探测法 用一个与传感光栅相匹配的接收光栅去探测传感光栅的波长移动，两个光栅 在相同应变下有相同的中心波长【1 9 】。其原理是将参考光栅贴在由外加扫描电压控 制的压电陶瓷( p z t ) 上，将宽带光源的光入射到传感光栅，在没有外界物理参量 作用的情况下，传感光栅与参考光栅所反射的中心波长相同，光探测器的输出信 号幅度最高，设定此时的信号发生器的固定输出为零电平，当传感光栅受到外界 物理参量作用时，两个光栅所反射的中心波长不相同，探测器的输出信号幅度下 降，扫描器开始工作，加一定的电压到p z t 上，参考光栅所反射的中心波长也将 发生变化，当中心波长重新匹配时，探测器的输出信号幅度又将达到最大值，这 时的扫描电压值就对应一定的物理量。并且由于p z t 的影响速度有限，所以只适 用于测量静态波长移动或低于1 0 0 h z 的动态波长移动。在实际使用时面临的最大 的问题是p z t 所产生的应变极小，需要机械转换装置来放大应变或干脆使用机械 装置来扫描应变。 优点：结构简单，对最终检测到的反射光强无绝对要求，因此输出结果不会 受到各种强度噪声的影响。 缺点：对两个光栅的匹配程度要求很高，且受参考光栅应变量的限制测量范 围不大。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 2 匹配光栅法解调系统原理图 2 2 2 2 可调谐滤波器检测法 其解调原理是f b g 输出谱和可调滤波器光谱的卷积就是可调滤波器的输出， 当f b g 的输出谱和可调滤波器光谱完全匹配时，可调滤波器的输出为1 ，即达到 了输出最大值，测量这个最大点和可调滤波器相应的波长变化，即可得到f b g 波 长漂移型2 0 1 。最常用的方法是采用f p 滤波器检测法，还有f b g 滤波，声光滤波 等方法。 图2 3 是一个典型的可调f p 滤波系统( f f p ) ，宽带光源发出的光经隔离器 进入f b g 传感器阵列，f b g 反射回来的光经过耦合器进入由； l - ；0 n 扫描电压控制的 可调f p 滤波器，其透射波峰与f b g 中心波长重合时，可由f p 滤波器驱动电压 透射波长关系得到f b g 反射的中心波长。其透射谱是反射谱与可调f p 滤波器透 射谱的卷积，因此带宽增加，分辨率降低。为了提高系统的分辨率，在扫描电压 上加上小的抖动电压。 优点：由于f p 腔的自由光谱范围比f b g 的大，这样就能保证f b g 的反射信 号总能被检测到，探测的灵敏度高，复用传感器的数目多。 缺点：解调的稳定性和可调谐的范围有待提高。和匹配光栅法一样，由于可 调f p 滤波器的扫描需要一定的时间，此方法适用于静态传感。 1 4 第二章f b g 传感测量原理 抖动信号 混合器 图2 3 可调f _ p 滤波器解调系统 2 2 2 3 边缘滤波器法 系统图如2 4 所示，其解调原理是【2 1 1 ，宽带光源发出的光经隔离器，3 d b 耦合 器进入f b g 传感器，反射回来的信号光经过分束器分成等强度的两束，其中一路 直接送入探测器作参考( l ) ，用来补偿光源的强度波动和传播过程中光强不稳定 造成的对被测量的影响，另一束光经线性滤波器送入光电探测器( l ) ，通过测量 两束光强比值来确定f b g 反射光波长变化，用公式可以表示为： 争：么( 五一乃+ 笔) ( 2 2 4 ) 光电探测器 图2 - 4 边缘滤波解调系统 其中，a 是滤波器的梯度，五是边缘滤波器的初始值，九是f b g 中心波长， 电子科技大学硕士学位论文 旯是f b g 的带宽。 从本质上来说，边缘滤波就是通过线性滤波器把波长移动变成光强变化，通 过改变滤波器线性斜率，就可以改变探测灵敏度，但也影响了波长探测的线性范 围。本论文第三章中设计的动态传感系统就是采用边缘滤波法解调，具体解调方 案将在第三章介绍。 优点：结构简单，成本低，能直接测量波长绝对值，同时适用于动态和静态 测量。 缺点：由于f b g 只反射了宽带光源中极少的一部分光，光电探测器接收到的 信号功率很低，因此信噪比低，降低了系统的测量分辨率，并且缩小了测量的动 态范围。可以通过采用精度高且线性程度容易控制的线性滤波器来提高系统的分 辨率。 2 2 3 干涉法 利用光波的相干性，将波长信息编码转换成相位编码，具有很高的精度和分 辨率，适用于高分辨率的动态传感信号检测。常用的有以下三种干涉解调方法 【2 2 2 4 】： 2 2 3 1 非平衡m - z 干涉探测法 1 9 9 2 年，a d k e r s e y 等人提出了非平衡m z 干涉仪跟踪法【2 5 2 6 1 ，系统图如 2 5 所示，其解调原理是宽带光源经耦合器入射到f b g 上，反射光经过耦合器进 入非平衡m z 干涉仪，两臂的光程差为以，光栅由于应变产生的反射光波长的变 化对于m z 干涉仪相当于一个波长可调光源，光波长变化兄，输出的相位变化 矽( 五) ：2 r r _ n d a l ，探测出干涉仪输出相位变化，就可以得知相应的波长变化，从 允 而得知应变的大小。为了抵消直流零漂，在干涉仪中引入了相移补偿反馈系统， 驱动p z t 膨胀，使缠绕在上面的光纤伸长。在本论文的第四章中，系统就是采用 非平衡m - z 干涉解调，具体的解调方案将在第四章介绍。 优点：分辨率高。 缺点：受环境干扰大，所以适用于大于1 0 0 h z 的动态应变测量( 因为环境干 扰变化缓慢) 。为了克服这一缺点，可以采用双光栅漂移补偿干涉法测量波长移动， 能够测量低至1 h z 的准静态应变2 7 1 。 1 6 第二章f b g 传感测量原理 图2 5 非平衡m - z 干涉探测法 2 2 3 2 双腔干涉仪扫描法 1 9 9 6 年，r a