（电磁场与微波技术专业论文）一种新型的光纤光栅应用传感器.pdf

北京交通大学硕士掌位论文 摘要 现代高技术及制造业对材料和结构的要求越来越高：一方 面是对材料强度与性能的要求，另一方面希望对材料进行检测， 以获取材料及其整体结构、环境状况的信息，从而掌握系统的运 行情况、可靠性乃至剩余寿命。有的还提出了构件的“自我控制 功能，这样的结构具有一定的智能，称之为智能结构。 除了高精度、低成本等常规要求外，智能结构还对传感器提 出了许多特殊的要求，如微型化、高可靠性、分布式多点测量等。 光纤传感器具有体积小、信噪比和灵敏度高等优点并且抗电磁干 扰、绝缘性好、带宽大，可同时作为传感元件和传输媒介，容易 实现多点或分布式测量，因而是最有希望用于智能结构的传感技 术。尤其自光纤b r a g g 光栅( f b g ) 传感器出现以后，在智能结构 中更是得到了广泛的应用。与其他的光纤传感器比较，f b g 具有 线性输出、绝对测量、对环境变化不敏感、可构成传感网、全光 纤化和微型化等优点因而在智能结构中有很好的应用前景 本文将围绕f b g 及其f b g 传感器展开全面的研究。首先详 细地分析f b g 及其应力和温度传感的理论原理，然后分别地介绍 了各种制作f b g 的技术及方法，再具体介绍了各种f b g 传感器 组成结构和特点，最后介绍了一种新型的f b g 应力传感器。 本文在第四章用实验数据详细地介绍了光纤b r a g g 光栅的反 射谱功率与应力的变化成良好的线性关系，并介绍一种用光功率 计测量应力变化的装置，它能够通过测量光纤b r a g g 光栅的反射谱 功率较准确得测出应力。 关键词：光纤b r a g g 光栅( f b g ) ：b r a g g 波长；功率；应力；线性 北京交通大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t m o d e r nh i g ht e c ha n dm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e sr e q u e s t h i g h e ra n dh i g h e rf o rm a t e r i a la n ds t r u c t u r e ：o no n eh a n d i st h er e q u e s tf o rm a t e r i a ls t r e n g t ha n di t sf u n c t i o n ，o n t h eo t h e rist oh o p et oe x a m i n et h em a t e r i a l ，i no r d e rt o o b t a i nt h ei n f o r m a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o no fm a t e r i a la n d i t se n v i r o n m e n t a n dk n o wa b o u tt h eo p e r a t i o n 、r e l i a b i l i t y a n dr e m a i n i n g l i f e s p a n o ft h e s y s t e m s o m e o n e a l s o p u t f o r w a r daf u n e t i o no f ”s e l f c o n t r o l ”c o m p o n e n t s u c h c o n s t r u c t i o nh a sac e r t a i n i n t e l l i g e n c e ， c a l l e dt h e i n t e l l i g e n c e c o n s t r u c t i o n i na d d i t i o nt ot h en o r m a lr e q u e s tf o rh i g ha c c u r a c y ， l o wc o s te t c t h ei n t e l l i g e n c ec o n s t r u c t i o nn e e da1 0 to f s p e c i a lr e q u e s t t ot h es e n s o r s u c ha sm l c r o m a t l o n 、h l g h r e l i a b i l i t ya n dd i s t r i b u t e dm u l t i d o i n tm e a s u r ee t e f i b e r s e n s o rh a s t h ev i r t u eo fn o t o n l y s m a l v 0 1 u m e 、h i g h s i g n a l - t o n o i s e a n d h i g hs e n s i t i v i t y b u ta ls o a n t i e l e c t r o m a g n e t i s m 、b e t t e ri n s u l a t i o n a n dl a r g eb a n d w i d t h b e i n gu s e d a ss e n s o ra n dt r a n s m i t t i n gm e d i u ma tt h es a m e t i m e ，i t i sm o r ee a s yt or e a l i z em u l t i p o i n to rd i s t r i b u t e d m e a s u r e ，s oi ti st h em o s th o p e f u ls e n s et e c h n i q u et ob eu s e d t oi n t e l l i g e n c ec o n s t r u c t i o n p a r t i c u l a r l ya f t e rt h ec o m i n g o ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) s e n s o r ，t h ef b gs e n s o rh a s b e e nu s e dm o r ew i l d l yi ni n t e l l i g e n c e c o n s t r u c t i o n ， c o m p a r e dw i t ho t h e rf i b e rs e n s o r ，t h ef b gs e n s o r h a st h e v i r t u eo f1 i n e a ro u t p u t a b s 0 1 u t em e a s u r e ，n o s e n s i t i v et o t h ee n v i r o n m e n t ，c a nb e i n gu s e dt om a k eu po fs e n s en e t w o r k 、 a 1 1 o p t i c a l n e t w o r ka n dm i c r o m a t i o ne t c s o i th a s g o o d a p p l y i n gp e r s p e c t i v e i n i n t e l l i g e n c ec o n s t r u c t i o n i nt h is p a p e r w ep r e s e n tac o m p r e h e n s l v es t u d y o nt h e f b ga n df b gs e n o r f i r s t l yt h ea u t h o ra n a l y z e sc a r e f u l l yt h e f b ga n di t ss t r e s sa n dt e m p e r a t u r e s e n s e t h e o r y ，t h e n i n t r o d u c ea 11k i n d so ft e c h n i q u ea n dm e t h o do fm a k i n gf b g s e p a r a t e l ya n d t h e ni n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r o fa 11k i n d so ff b gs e n s o r ，a tl a s ti n t r o d u e ean e wf b g 2 北京交通大掌硕士学位论文 s t r e s ss e n s o r t h i s p a p e rd e s e r i b e st h eg o o d 1 i n e a rr e l a t i o n s h i po f r e f l e c t i n gs p e c t r u mp o w e ro ff i b e rg r a g gg r a t i n g si nd e t a i l w it hs t r e s ss h o w m a i n l yb y t h e e x p e r i m e n t a l d a t ai nt h e f o u r t hc h a p t e r ，i ta l s oi n t r o d u c e sai n s t r u m e n tw h i c hc a n m e a s u r et h ev a t i a t i o no fs t r e s sw i t ho p t i c a lp o w e rm e t e r ， i tc a nm e a s u r et h es t r e s s p r e c i s e l yb ym e a s u r i n g t h e r e f l e c t i n gs p e c t r u mp o w e ro ff i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g ) ；g r a t i n gb r a g gw a v e l e n g t h p o w e r ； s t r e s s ：l i n e a r 3 北京交通大掌硕士掌位论文 第一章光纤光栅基本原理 光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o hi l l 及其合作者首次从掺 锗光纤中观察到了光子诱导光栅。hi i l 的早期光纤是采用4 8 8 n m 可见光波长的氢离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光 辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来me l t z 等人利用高强度紫 外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中 产生折射率调制或相位光栅，1 9 8 9 年，第一支布拉格谐振波长位 于通信波段的光纤光栅研制成功。从此以后由于光栅具有许多优 点，因而在光纤通信、光线传感等领域具有广阔的应用前景。随 着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增长，是的光 纤光栅已成为目前最有发展前途，最具代表性的光纤无源器件之 一。光纤光栅的出现，使许多复杂的全光纤通信和传感网成为可 能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。 光纤光栅是利用光纡材料的光敏性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滤光器或反射镜， 利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无怨器件。例如利用光 纤光栅的窄带高反射特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增 益介质即可制成光纤激光器；用光纤光栅作为激光二极管的外腔 反射器，可以构成外腔可调谐激光二极管：利用光纤光栅可构成 m i e h e l s o n 干涉仪型、m a t h z e h n d e r 干涉仪型和f a b r y p e r o t 干 涉仪型三种类型的光纤滤波器；利用闪耀型光纤光栅可以制成光 纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅可以制成光纤色散补偿器等 等。此外，利用光纤光栅还可以制成用于应力、应变、温度、等 诸多参量检测的光纤传感器和各种简单和复杂的光线传感网。 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 a g g 中心波长的调制来实现的，属于波长调制型传感器，它具有 北京交通a k , 掌硕士学位论文 以下明显优点：一是抗干扰能力强。这一方面是因为普通传输光 线不会影响光波的频率特性；另一方面光纤光栅传感器系统从本 质上排出了各种光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、 光纤微弯效应引起的随即起伏、偶合损耗都不可能影响传感信号 的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和 稳定性。二是传感探头结构简单，尺寸小，适于各种应用场合， 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。五是可利用于对外界参量的 绝对测量；六是光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产。 光纤光栅由于具有以上诸多优点，因而具有广泛应用，但是它也 存在不足之处，例如，对波长位移检测需要用较复杂的技术和较 昂贵的仪器和光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其 检测的分辨率和动态范围也受一定限制等。 1 2 光纤光栅耦合波理论 对于纤芯折射率变化较大的光纤光栅入射光波和散射光波在 光栅区域的柑互作用也较强，为此，我们采用藕合波理论来进一 步讨论光波与光纤光栅的相互作用。 由折射率分布及波动方程 n 2 ( ：) = 9 1 2 d f + 2 珈盯c o s ( 竿z ) ( 1 2 1 ) 、 v 2 y + n 2 ( z ) k 0 2 妒= 0 ( 1 2 2 ) 这里，不要求善 0 ( 1 2 1 4 ) 于是方程( 1 2 3 ) 的通解可写为 r 彳( z ) = c l p 。把4 7 + c 2 p 一“2 ( 1 2 15 ) 图1 2 1 光纤光栅坐标系统 9 u 喇 叫 叫 掣掣 北京交通大掌硕士掌位论文 在图1 2 1 所示的坐标系中，透射布拉格散射的初始条件为 爿( o ) = a o ；b ( 0 ) = 0 ( 1 2 1 6 ) 由此可确定c l ，和c 2 为 c 1 ：a a _ o c 一：鱼 这样，求得光纤光栅内入射波和散射波的振幅为 ( 1 2 17 ) la ( z ) = a oc o s ( 4 0 ：仃，z ) 叫厣0 s i n ( 厩) 眶艇1 2 1 这个结果表明，在入射光波和散射光波与光纤光栅的相互作用过 程中，两个波的功率发生周期性的交换，如果 4 0 ：盯，l o = ( 2 七十1 ) 詈， k = o ，1 ，2 ，- ( 1 2 1 9 ) 则入射光波的全部光功率转换成散射光波。换句话说，布拉格衍 射可以有百分之百的效率，而微扰理论不能得到这个结果。功率 转换的量值取决于耦合强度孝和光栅长度工。如果 ( 2 ) 反射布拉格衍射 ( 1 2 2 0 ) ( 1 2 2 1 ) 在反射情况下，入射波和散射波的传输方向相反，即屈；和 屈反号，则 1 0 舭 等 一 。 镐 小 班 厄 悱 北京交通大学硕士掌位论文 毗 弛h j - 一厮啄1 一 得 妻 ( 1 2 2 2 ) ( 1 2 2 3 ) ( 1 2 2 4 ) ( 1 2 2 5 ) ( 1 2 2 6 ) 于是得到光纤光栅内入射波和反射散射波的振幅为 k ) = + 1 j 1 托 1 + 尘 一0 z s l o ( 1 2 2 7 ) 旧叫j - 昔t 鲁一一妾一- 为了便于对结果进行比较，表1 2 1 列出有关光纤光栅 蛐 南一 n ，一， 一l 枷 f ，i l 一! 竺! ! 三一 o ，鹳f 驰 1 0 ；种z l e 叶 l l - i 1 , 1 51 1 l4 - 种 f - l 棚x i 一- x l 一 “酆 f 甜l k 冲 x l l ” 1 0 一l i “ i ，l 舢 t g g -l x 1 0 s 1 $ 1 i 啦5 儿t o x 】口d 臼，晰舞甓直蓖i l l 凶l 一- 舢”_ 表1 2 1 光纤光栅相关参数 o x 3 w ”珥 x x x 拇抖晴 l l 拇* n n l k斟”佛 “l 赫舳” k l “ a i r , , 京交通大掌硕士掌位论文 的典型参数，利用表1 2 1 所给出的参数及式( 1 2 1 8 ) ，( 1 2 2 7 ) ，分 别给出了在透射和反射情况下散射波与入射波在光纤光栅内振幅 的变化情况，如图1 2 2 和图1 2 3 所示。 比较解( 1 2 18 ) 和( 1 2 2 7 ) ，由图1 2 2 和图1 2 3 中，我们可 以看到布拉格透射和反射情况之间的区别。在透射情况下，光功 率在两个波之间“振荡”。如果适当地选择光纤光栅的长度，就可 使能量完全转换。在反射情况下，两个波之间无光功率振荡，如 图1 2 3 所示，入射波振幅和反射波振幅两条曲线几乎是重合的。 如果光栅长度足够长，能量就能由入射波完全转换到反射波。进 一步增加光栅长度也不会有更 萎 萋 ； 二 毛鲜毛一t 童t z 嗡 图1 2 2 透射散射波与入射波振幅在光纤光栅中变化的情况 南f f 克i t 生础一 图1 2 3 反射散射波与入射波振幅在光纤光栅中的变化情况 大的影响。在这种情况下，光栅长度的调整完全不是临界的，只 2 北京交通大掌硕士掌位论文 要光栅长度足够长，总会达到光功率完全转换的结果。因而，通 过控制光栅强度和光栅长度，目前光纤光栅的反射率可从o 1 做 到9 9 。当满足止i 弧( 够2 ( 1 3 1 ) 代2 历焉i 面百西忑而 j “7 印。u r ：素坠熟当k z 筇：，( 1 3 2 ) 印乙k 2c o s 。( q l ) 丁= 谚面面两s 2 吒丽面 ( 1 3 3 ) 卜面丽面面i 丐而 u 1 刘 式中，上为光栅长度，k 为耦合系数，a 为光栅周期， 够= 卢一p 疗a ，= 2 m 驴2 为模传播常数，甩盯为等效折射率， 五为自由空间工作波长，p 为一整数， s = ( k 2 一妒2 ) 2 o = ( 够2 一k 2 ) 2 ( 1 3 4 ) 当波长匹配时，即够= 0 时，r 取最大值。对于一阶场，p = 1 ， r 一= t a n h 2 ( 碰) ( 1 3 5 ) 对于单模光纤为 r 一= 鼬2 喙】 ( 1 1 36 ) 北京交通大掌硕士掌位论文 ：t a n h 2 【_ _ 7 r a n l ( 1 3 7 ) - 4 , b 由波长匹配条件卵= 0 可推出b r a g g 光栅方程 如= 2 n 盯a ( 1 3 8 ) 再由反射带宽的定义：r ( 五，上) = 月( 如，三) 可求出两个旯值，并迸 一步给出b r a g g 反射半值全宽( f w h m ) r ? 一 如： 。、怜z + 半) 2 ( 1 3 9 ) v l ”0 至此，我们给出了f b g 反射率r ，b r a g g 波长和线宽等几 个重要参数，它们对光栅的制作及应用均有重要意义。显见，光 栅长度、折射率起伏a n 、及b r a g g 波长厶都对反射率和线宽有 影响，在制作和应用时需综合考虑。 1 4 光纤光栅的应力灵敏度和温度灵敏度 1 4 1 光纤光栅的应力灵敏度 当外界参量( 如温度、应变等) 发生变化时，将光纤光栅的 折射率h 和光栅常数a 发生影响，这时b r a g g 光栅方程式( 1 _ 3 8 ) 可写成 五8 = 2 a a n 酊+ 2 珂a a ( 1 4 1 ) 由此可导出f b g 作为传感器时的灵敏度系数。先推导应力灵敏 度，为简化推导，设光纤光栅仅受轴相应力作用，忽略温度及其 它参量的影响。利用相对介电抗渗张量岛介电常量5 。的已知关系 岛= 1 s = l 2 口 ( 1 4 2 ) 北京交通大掌硕- & - 掌位论文 可知尾= 【】 。 珂+ ， ：【】_ 一单 ( 1 _ 4 3 ) 玎e f tn 。盯 式中疗。是某一方向上光纤的折射率，现在这是应力作用的方向， 故可甭”玎代，再利用纵向应变表达式8 ：= a l l ，则式( 1 4 1 ) 如_ 2 a 一掣 去”2 v ：上言a c 0 ( 1 4 4 ) 2 。= 乙巳 ( m ，胛= 1 , 2 ，6 )( 1 4 5 ) 式中只n 为材料的光弹系数，再考虑到式( 1 4 3 ) n n a ( 1 n 2 够) = ( 只1 一v 2 只2 一均只3 ) 占： ( 1 4 6 ) 式中v 2 ，是p o i s s o n 比，且有 s，=三二：；占： 。4 7 ， 由此得因外力轴相应力而引起的b r a g g 波长厶的相对变化 孥：一坠上( ) 屿 如 2 、n 2 。 = 一( 1 一只r ) 占： ( 1 4 8 ) 耻孚冉 北京交通大掌硕士掌位论文 ：掣( b 叱只：飞晶) 上 ( 1 4 9 ) 是光纤光栅应变灵敏度系数。对于石英光纤，可取 峨以2 0 7 8 占： f 1 ，4 1 0 1 含有光栅的光纤所允许施加张力的典型值达到1 应变，也有用 到超过5 应变的。这时光纤易断。实验表明：厶如和占z 的线 性关系很好，和式( 1 4 1o ) 的计算值很接近。 1 4 2 光纤光栅的应力灵敏度 对于温度变化，根据热光效应，用类似的方法也可以获得光 纤光栅的温度灵敏度系数。 等咄+ 亡) ( 务v ) 罢a l ”口 d = 啦+ 7 ) a t f 1 4 1 1 1 式中口是光纤材料的热膨胀系数，是热一一光系数，矿是光纤 的归一化频率。由于口 a a ，因此在一段光纤上制作两个不同周期的光栅是可行 北京交通大掌硕士学位论文 的) 。通过解方程组可同时得到温度和应力，实现温度和应力的同时 测量。因为短周期光栅对应力敏感系数更高，而长周期光栅对温度 的敏感系数更高，两者之间影响较小，这就比一般的双矩阵方法更 容易实现。 隔离器耥合器 烦周期光栅 图3 3 ，l应力温度双参量测量系统框图 由于温度与应力的变化均会引起f b g 反射光中心波长的改 变，因而在应力测量中，首先要解决的问题是如何测量波长的变化， 其次要解决的问题是如何区分温度与应力变化引入的波长变化 量。测量波长变化的比较经典的方法是直接采用光谱仪测量波长 的变化，但这种方法有3 个局限：一是精度低，不能满足应力测量的 要求；二是仪器体积大，不适于现场应用；三是价格高。另种可 以多通道地测量波长的变化的仪器是多波长计，但这种仪器价格 昂贵，较适于实验室使用。针对波长测量问题，常用的解决方法有： 匹配滤波器法，干涉法，边缘滤波器法，可调谐光源法。温度与应力 的区分方法有两大类：一是参考f b g 方法，二是其他对温度与应 力敏感的传感器与f b g 的组台测量方法。 3 4 波长变化的测量 3 4 1 匹配滤波器法 这类方法利用其他的f b g 或带通滤光器件，在驱动元件( 通常 是压电陶瓷p z - r ) 的作用下跟踪f b g 的波长变化，然后通过测量驱 z i p 京交通大掌硕士掌位论文 动元件的驱动信号来获取被测应力或温度。 ( 1 ) 使用倾斜f b g 作解调器测量波长变化 该方法的关键是采用了倾斜f b g 作为解调器。倾斜f b g 的 折射率“条纹”是倾斜的。在特定的制造条件下，倾斜f b g 将有 两个波长的反射光。该系统采用了一个双光栅的传感器。其 中一个光栅粘接于玻璃管内，只对温度敏感；而另一个则同时对温 度和应力敏感。在没有应用作用时，两个光栅的波长变化是一致的， 这样得到的反射光只是一个窄带波长的光。当施加应力时，两个光 栅的中心波长变得不一致，反射回来的光是两个窄带的光。传感器 的反射光入射到倾斜f b g 上，利用p z t 驱动倾斜f b g 进行扫描， 有应力作用时光电接收器接收到的信号如图3 4 1 所示。瓦代表 了倾斜f b g 两个模之间的波长差，是确定不变的，相当于提供了一 个测量的比对基准。通过测量t 与瓦的比值即可得到应力的大 小。该方法应力测量的分辨率为1 0 ue ，测量范围为1 8 0 0u e 。 该测量方法简单易行，但测量精度受反射光光谱外型变化和时间 间隔测量精度的影响。此外，倾斜f b g 的两个模的波长差限制了 测量的范围。 焉 、企厂_ 、厂厂一 a 靠 图34 1有应力作用时在倾斜f b g 上扫描得到的信号 f i g 3 4 1 p h o t o d i o d es i g n a l sw h e ns t r a i ni sa p p l i e d t ot h ef b g sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 北京交通大掌硕士掌位论文 ( 2 ) 使用与测量f b g 相匹配的普通f b g 进行信号解调 这种方法又可以分成反射型和透射型两类。前者的原理如： 测量f b g 的反射光入射到接收f b g 上，若与接收f b g 的反射光波 长一致，则被反射到探测器上。通过p z t 驱动接收f b g 进行扫描， 根据探测器的输出记录此时驱动信号的大小，就可以得到被测量 的大小。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的限制，对探测器 也提出了较高的要求。针对这个问题，d a v i s 等提出了透射型的测 量方案，如图3 4 2 所示。该方案与反射型的区别在于：前者的光 电探 图3 4 2 透射型测量系统示意图 f i g 3 4 2 e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rm a t c h e d f i l t e r i n t e r r o g a t i o n o f f i b e r b r a g g g r a t i n g s e n s o r s 测器不是放在接收反射光的位置，而是置于接收透射光的位置，通 过监测透射光的有无来确定是否匹配，从而避免了测量光强微弱 的信号。 ( 3 ) 使用声光调制器进行信号解调 该方法采用了一个可调声光调制器( a o t f ) 作为光学带通滤 4 3 北京交通大掌硕士掌位论文 波器。系统可以在扫描模式和锁定模式下工作。在扫描模式下， 通过p z t 驱动a o t f 扫过整个光谱范围，此时在光电探测器上得到 的结果是f b g 光谱与a o t f 透射光谱在波长域的相关。在锁定模 式下，反馈环路接通，可以跟踪某一个f b g 的波长变化。这样，f b g 波长的变化就与a o t f 的工作频率建立了确定的关系。通过对应 的频率可以得知被测量的大小。在测量周期为1 0 0us 时，测量的 标准偏差为0 4u e 。 3 4 2 使用干涉法进行信号解调 ( 1 ) 改进的干涉仪解调方法 光纤马赫一曾德干涉仪( f m z i ) 具有灵敏度高、易实现多路复用 的优点。f m z i 对信号的解调是通过测量干涉信号相位的变化量来 实现的但这样容易受干扰的影响，产生测量误差。针对这个问题的 解决方案是对f m z i 其中一臂进行调制，使得接收到的信号为交流 信号，而被测的应力信息则载波在该交流信号上，避免了直流检测。 另一种方法应用于迈克尔逊型干涉仪，利用波长稳定的激光对干 涉仪的光程差扰动进行监测，然后进行反馈补偿。 ( 2 ) 使用f p 腔进行解调 由f b g 反射回来的光入射到两个反射镜上，反射镜与光纤的 端面形成了f p 腔。调节这两个f p 腔的腔长，使得两个出射信号 正交。这样由这两个正交的光强信号可以解调出相位信号，从相位 信号的变化可以得到应力的大小。这种方法的信号处理电路相对 简单，但如果入射光波长改变较大的话，两个光强信号的正交性将 会产生较大的偏差，因而测量范围及精度受到限制。该系统的结构 如图3 4 3 所示。 ( 3 ) 迈克尔逊双腔长干涉扫描法 北京交通大掌硕- a e - 掌位论文 对于干涉扫描法而言，波长扫描器件的自由光谱范围决定了 确定测量范围的大小，波长扫描器件的光程差决定了测量的分辨 率。波长扫描器件的自由光谱范围与光程差是互相制约的，因而系 统的测量范围与分辨率也是互相制约的。为了在保持测量分辨率 的前提下扩大测量范围，y j r a o 等提出了一种双腔长( x 2 光程差) 干涉扫描法。该系统通过改变光程差获得两套条纹，利用大光程差 来获得高分辨率，而利用小光程差来确定前者的条纹极数，从而扩 大了测量范围。测量系统结构如图3 4 4 所示。 图3 4 3f p 腔解调原理图 f i g 3 4 3e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rp a s s i v e b r a g gg r a t i n gs e n s o t s 3 4 3 边缘滤波器法 该方法的测量元件是波分耦合器，耦合器的传输特性如图 3 4 5 所示，在1 5 2 01 5 6 0 n m 的波长范围内，耦合器的效率与波长 基本上成线性关系，因而可利用该特性来测量波长的变化。测量系 统如图3 4 6 所示。耦合器出射的光分为两 4 5 北京变通大掌硕士掌位论文 图3 4 4 双腔长( 双光程差) 的结构 f i g 3 4 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es t e p p e d m i c h e l s o nw a v e l e n g t hs c a n n e r 图3 4 5波分耦合器的传输特性 f i g 3 4 5 w a v e l e n g t hd i v i s i o nc o u p l e r t r a n s f e r f u n c t i o ne x h i b i t i n gm o n o t o n i cs p l i t t i n g r a t i o d e p e n d e n c e o n w a v e l e n g t h 束，这两束光的功率与入射光功率的关系如图3 4 6 左下角的小图 所示。两束出射光通过光电探测器变成电信号后经过处理消除光 北京交通大掌硕士掌位论文 功率变化的影响，最后得到波长的变化量。 该方法后续的电子处理电路极为简单，但由于受波分耦合器 传输特性的限制，测量的分辨率较低。但对于某些场合而言，这样的 分辨率已经足够，该方法提供了一种结构简单、性价比较高的测量 方案。 图3 4 6 测量系统结构示意图 f i g 3 4 6d i a g r a mo f s t r a i ns e