（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式技术的分布式光纤光栅解调系统研究与实现.pdf

武汉理二i ，大学硕+ ：学位论文 摘要 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 ) 传感器传感器自发明以来，已 走过了原理性研究和实验论证阶段，广泛应用于结构健康检测、智能材料、电 力工业、医药和化工等众多领域。如何检测光栅布喇格波长微小偏移是f b g 传 感器实用化所颇临的关键问题。对于微小波长变化，虽然高分辫率光纤光弹分 析仪可以分辨，但这类高档实验室设备价格昂贵，体积庞大，检测速度慢，操 作复杂，不适宜现场或工程应用，且不能真接获得各种应用需要的参量或输出 形式。光纤光栅传感解调技术已成为限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍， 也是光纤光栅传感技术中重要研究方向和亟待解决的关键问题之一。 论文在武汉理工大学光纤传感技术中心前期工作和技术支持基础上，以桥 梁健康状况监测为应用背景，研究了具有分布式、多通道、多点、高速特点的， 基于嵌入式技术的光纤布拉格光栅解调系统的关键技术。主要包括以下几个方 面： 1 研究了光纤布喇格光栅的传感原理，分析了光纤光栅的温度、应变及压 力传感特性以及交叉敏感问题：分析了几种分布式f b g 传感解调系统，并详细 研究了可调谐法布里一珀罗滤波扫描法；介绍了国外几种有代表性的光纤光栅传 感解调器产品。 2 根据桥梁健康状况监测系统的分布式检测要求提出了“嵌入式系统+ p c 机”的分布式设计方案，嵌入式系统采用“a r m 7 + s o c 单片机”的双处理核心 结构，实现商速信号采集和预处理。 3 采用u c o s + l w l p 的嵌入式系统平台，并在本实验室自行设计的开发板 上进行了系统移植，设计了网卡、s i o 、u a 鬣r 等驱动程序。 4 设计了嵌入式系统中关键功能模块、解调算法，以及系统各模块间的通 信协议，实现了基于嵌入式技术的分布式f b g 传感器解调系统。 5 设计开发了上位p c 机端监控服务软件，具有远程监控、数据存储、实 时监测等功能。 6 进行了系统测试，结果表明系统能在2 5 0 h z 扫描频率下同时钡5 量多达 1 8 0 个f b g 传感器，测量分辨率达到1 p m ，基本达到预期设计目标。 关键词：光纤布喇格光栅：法布里珀罗滤波器；信号解调；嵌入式系统；a r m 武汉理r 人学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e1 t sl n v e n t i o n f b gs e n s o rh a s c o m p l e t e dt h e o r e t i cr e s e a r c h a n d e x p e r i m e n td e m o n s t r a t i o n ，a n db e c o m i n gm o r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha s s t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r , i n t e l l i g e n tm a t e r i a l ，e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , m e d i c a la n d c h e m i c a li n d u s t r ya n ds oo n h o wt od e t e c ta n dm e a s u r et h et i n ye x c u r s i o no ft h e w a v e l e n g t hr e f l e c tf r o mt h ef b gs e n s o r s ，i st h em o s tc r u c i a le n g i n e e r i n gr e s e a r c h e s f o rf b gs e n s o r sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s o p t i c a lf i b e rs p o ：i i u l t ia n a l y z e rw i t hh i g h r e s o l v i n gp o w e rc a nd i f f e r e n t i a t et h et i n ye x c u r s i o n ，b u tt h i sk i n do fu p s c a l c b e n c h s c a l ee q u i p m e n ti se x p e n s i v e ，t h ev o l u m ei sh u g e ，t h ee x a m i n a t i o ns p e e di s s l o w , t h eo p e r a t i o ni sc o m p l e x ，n o ts u i t a b l ef o rt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o no nt h es c e n e ， a n dc a n n o to b t a i nt h ep a r a m e t e ro ro u t p u tf o r md i r e c t l yw h i c ht h ea p p l i c a t i o n s n e e d s t h ef b gs e n s o r sd e m o d u l a t i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i nb a r r i e rt o l i m i ti t sa p p l i c a t i o n s ，a l s ob e c o m et h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h e o p t i c a lf i b e rs e n s o rt e c h n o l o g ya n dt h ek e yp r o b l e mt ob es o l v e d a l t h o u g hai a r g e n u m b e ro fr e s e a r c hu n i t si nd o m e s t i ca n da b r o a dh a v eb e e nd o n eal o to fr e s e a r c h a n di n v e s t i g a t i o n so nt h ed e m o d u l a t i o nm e t h o d so ff b g , m o s to ft h er e s e a r c h e sa r e s t i l li nt h ep h a s eo fl a be x p e r i m e n t sa n dh a v eal o n gw a yt og ot ot h ep r a c t i c a l i n d u s t r i a lm a s sp r o d u c t i o n s w i t ht h ee a r l i e rp e r i o dw o r ka n dt e c h n i c a ls u p p o r to fw u h a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y so p t i c a lf i b e rs e n s o rt e c h n o l o g yr e s e a r c hc e n t e r , a n dt h ea p p l i c a t i o n b a c k g r o u n do f t h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r , t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n o l o g yo f e m b e d d e df b gs e n s o r sd e m o d u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f d i s t r i b u t i o n a l ，m u l t i e h a n n e l ，m u l t i p o i n ta n dh i g hs p e e d 。m a i n l yi n c l u d e sf o l l o w i n g s e v e r a la s p e c t s ： 1 i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo ff b g s e n s o r , a n a l y z e dt h es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c b yt e m p e r a t u r e ，s t r e s s a n dp r e s s u r ea n dt h ec r o s s s e n s i t i v i t yp r o b l e m s o f f b g s ；a n a l y z e ds o m em e t h o d so fd i s t r i b u t e df b gd e m o d u l a t i o ns y s t e ma n dt h e t u n a b l ef pf i l t e rd e m o d u l a t i n gm e t h o di si n t r o d u c e di nd e t a i l ；i n t r o d u c e ds e v e r a l o v e r s e a sr e p r e s e n t a t i v ef b gd e m o d u l a t i n gp r o d u c t s ，w h i c hp r o v i d et h ea c t u a l i l 武汉理j ：入学硕士学位论文 r e f e r e n c e sf o rt h ep a p e r sr e s e a r c hw o r k 2 ，a c c o r d i n gt ot h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mf r a m e w o r kb a s e do i lt h e i n t e m e tt e c h n o l o g y , t h es c h e m eo f e m b e d d e ds y s t e m + p cc o m p u t e r ”w a sa d o p t e d i nt h i sp a p e r , d o u b l ep r o c e s s i n gc o l es t r u c t u r eo fa r m 7a n ds o cm c u a r eu s e di n t h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n dt h ep a p e ra n a l y z e da n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ef r o mt h eo v e r a l l 3 a d o p t e dt h eu c o s + l w l pe m b e d d e dp l a t f o r m ，t r a n s p l a n t e d i to nt ot h e e x p e r i m e n tb o a r dd e s i g n e di nt h el a b o r a t o r y , a n dd e s i g n e dt h ed r i v e ro fn e t w o r k a d a p t e r , s 1 0 ，u a r te t c 4 d e s i g n e dt h ee s s e n t i a lf u n c t i o nm o d u l ei n t h es y s t e m ，t h ed e m o d u l a t i o n a l g o r i t h m a s w e l l 嬲t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l b e t w e e ns o m em o d u l e s i m p l e m e n t e d t h ed i s t r i b u t e df b gs e n s o rd e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h e e m b e d d e dt e c h n o l o g y 5 d e s i g n e da n dd e v e l o p e dam o n i t o r i n gs e r v i c es o f t w a r er u no np c ，w h i c hh a s t h ef u n c t i o no f l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n g ，d a t as t o r a g e ，r e a l i t i m em o n i t o r i n ge t c 6 p e r f o r m e das y s t e mt e s t t h es y s t e mc a l lw o r ka t2 5 0 h za n ds u r v e y 18 0 f b gs e n s o f sa to n et i m e t h ep r e c i s i o no ft h es u r v e yi st p m ，i ta c h i e v e dt h e a n t i c i p a t e dd e s i g ng o a la p p r o x i m a t e l y k e yw o r d s ：f b g ；f - pf i l t e r ；s i g n a ld e m o d u l a t i o n ；e m b e d d e ds y s t e m ；a r m l u 武汉理一【大学硕士学位论交 1 1 引言 第1 章绪论 随着国民经济的飞速发展，我国公路建设取得了令人瞩目的巨大成就，很 多省市以高等级公路为主骨架四通八达的公路网已初步形成。桥梁是公路的重 要组成部分，姿态各异的城市立交桥、气势宏阔的跨江大桥逐渐增多，连绵逶 迤的跨海大桥工程也正蓄势待发。它们的使用期限长达几十年，甚至：百年。 桥梁建成通车以后，在其服役过程中，由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效 应和材料老化，车辆荷载增大或交通量剧增，桥梁伸缩缝损坏或桥砸不平整对 桥梁结构带来的不利影响等等灾变因素的祸合作用，结构不可避免地会产生损 伤累积和抗力衰减，从而造成抵抗自然灾变能力的下降，甚至弓1 发突发事故 例如1 9 9 9 年重庆虹桥坍塌事故；2 0 0 0 年台湾高屏大桥断裂：2 0 0 1 年四j i 雌寅 南门大桥坍塌事故；1 9 9 4 年的汉城汉江圣水大桥坍塌事故；2 0 0 3 年发生在葡萄 牙的桥梁坍塌事故等。这些突发事故不仅造成r 重大的人员伤亡和财产损失， 而且造成了不良的社会影响。虽然在一骥事故发生前出现了结构开裂、桥盯下 沉以及漏洞等征兆，但是由于缺乏有效的结构健康监测手段和必要的灾害预警 体系，所以无法避免事故的发生。鉴于此种情况，已建成使用的许多结构和设 施急需采用有效的手段来监测和评估其安全、修复和控制损伤，而新建的结构 和设施也应该开始增设长期的“健康监测”系统，来确傈结构和设施的使用安 全。因而，对桥梁结构进行健康监测就盈得尤其重要。 如何及时、准确地评价桥梁的健康状况，越来越引起人们的关注。对桥梁 实旌监测是诊断桥粱健康状况的主要手段。桥梁结构的应变状况是评价桥梁 健康状况的主要性能指标。对桥梁结构应变检测的传统方法是电检测法，在桥 梁的某个部位上外粘电阻应交片来测量应变。它所依据的原理是将应变片组成 桥式结构来感应被测体应变的变化，并转换成需要的电量，以利用应变变化d s 与应变片的电阻变化a r 之间的关系a r = a a e ( “为应变率) 进行检测。传统的 无损检测技术还包括射线检测法、核子激活法、电阻计、离子渗透、超声波、 武汉理i ：大学硕士学位沦文 检测温度法、谐振频率法以及在混凝土中埋入铁质颗粒的电磁辐射仿真法等， 这些方法都存在不问程度的缺陷，容易受环境的影响，检测精度和准确度不高， 检测过程比较复杂，不能实现对桥梁结构健康状况的实时长期监测。 现代光纤传感技术和计算机及其网络技术的快速发展，使桥梁健康状况的 实时监测变为现实，有效的实时监测可以大大减少桥梁的保养维修费用，延长 桥梁的使用寿命，确保桥梁的安全通行，避免熏大事故的发生。如果利用光纤 传感技术和计算机技术实现对桥梁结构健康状况进行实时准确的检测成为日前 国内外研究的热点。 1 2 光纤光曩传毒器扮特点 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型传感技术。自从1 9 7 8 年 k 0 h i l l 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界 ：第一只光纤光栅以 来，由于它具有许多独特的优点，人们将其用于光通信的间时也致力子将疑应 用于各种物理量的传感。光纤光栅是利用掺杂( 如锗、磷等) 光纤的光敏性，通过 某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿 轴方向周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅【3 i 。随着光 纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增多，使得光纤光栅成为f 1 前最 有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。 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 ，短周期光纤光栅，也称反射 光栅，文中无特殊说明时，光纤光栅指光纤布拉格光栅) 跫最普遍的一种光纤 光栅，其光栅周期与折射率调制深度均为常数，光栅波矢方向与光纤轴向一致， 是一种性能优越的窄带反射滤波无源光子器件。 光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布喇格反射波中心波长的调 制来获取传感信息的，其属于一种波长凋制型光纤传感器，具有以下明显的特 点l h 2 l ： 1 ) 可靠性好、抗干扰能力强。光纤光栅将被探测信息调制在波长中( 波长 编码) ，波长是绝对不变的参量，这样波长检测就不受光纤连接器、藕 合器或光源等的光强波动和损耗的影响； 2 ) 测量精度高。精确的透射和反射特征( 小误差) 使其更加准确的反映了 武汉理l ：夫学硕士学侮论文 待测信息的变化； 3 ) 传感头结构简单、尺i j 小，重量轻、柔韧性好适于各种应用场合，尤 其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构： 4 ) 抗电磁干扰、抗高温、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作，使用寿命 长，易实现信号的远距离传输； 5 ) 对多个物理量敏感，可以用来测量多个物理量，包括应交、应力、温度、 振动、压力、电压以及一些化学量，其应用领域非常的广泛； 6 ) 便于复用，测量点多，测量范围大，具备分布式传感测量的能力。光纤 光栅传感器这种波长编码特性及可复用性，可以在同。根光纤上制作多 个光栅，并利用多路复用技术来编址，构成f b g 传感器阵列，从丽实 现分布式的传感网络，可对大型工程逆行分布式测量，提取相关的信号， 进行状态分析，达到示警以及故障诊断的目的。 7 ) 光纤光栅的写入工艺已较成熟，便于形成大批鬃生7 “。 光纤光栅传感器是一种极有发展前途的传感器，与普通的电检测应变传感 器相比， - 分适用于桥梁等结构健康状况的实对监测。光纤光栅传感器已成为 新代智能传感技术的研究热点。 1 3 光纤光蠢传基鬻的瘟用 目前国际t 光纤传感的研究重点之就是大力推进光纤光栅传感器的实用 化。其标志之一就是国际光纤传感会议 5 i ( o f s 。l l ，o f s 一1 2 ，o f s 一1 3 等) 等大型国 际会 义上均注意发表光纤传感器实用化的文章，并有特邀报告( 如光纤光栅的应 用例) ；有的则有光纤传感实用化的专题会。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1 4 j 。 基于f b g 传感器作为植入式传感器用在智能结构中，柬实时检测负载、应变、 温度、振动等其它参量。如图l _ l ，f b g 传感器已经在以下j l 个领域中得到广泛 的应用m 1 ： 1 ) 民用结构中的应用：基础结构的状态、力学参数的铡量对于桥梁、犬坝、 隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变， 可以预知局部载荷的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可 以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。 武汉理1 一大学硕士学位论文 2 1 航空航天业中的应用：在航空航天领域，飞行安全是十分值得关注的 个方面。光纤光栅传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高等优点，将光纤光栅 埋入飞行器或者发射塔结构中，组成分布式智能传感网络，可以对飞行器及发 射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监洲。 3 ) 医学应用：目前广泛用于医学的绝大多数传感器都是电气有源传感器， 因此不适合大量的医学领域，尤其在高频i 微波领域，即超声波及与高温手术有 关的激光辐射环境。由于传感头的局部发热和存在蓿金属导体以及导体中电流 与电压的电磁干扰，导致错误的读数。但由于光纤传感器是介电体，故它可以 克服这魑问题。 4 1 石油化工业中的应用：砭油化( 业属于易燃易爆的领域，电类传感器用 于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传 感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域里应用。 5 ) 其它方面的应用：光纤光褥传感器对电磁场及电流不敏感，而且可以构 成分布传感网络，因此可以应用于一些传统的电传感器所不能应用的领域，如 油叭然气及煤田等用于探测储量及地层情况等。 相信随着应用的增加，制作成本也将迅速下降，必将导致光纤光栅传感器 应用于更多的新领域。 圈1 1 光纤光鼍传摩解请器应周 武汉理j ：大学硕士学位论文 1 4 课题研究背景及意义 目前，对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面| 8 ： 1 ) 对具有高灵敏度、商分辨率，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，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，惆啾光栅传感嚣。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i u i 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 瞪滤波法，扫描带宽约5 0 n t o ，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、碌 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，而且同时可以对多点进行测量5 1 2 个点，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。 而在国内，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橱传感艉调器和应用系统，圜 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。随着嵌入式技术的快速发展，国内对基于 嵌入式技术的光纤光栅的解调技术的研究兴起，设计开发种基于嵌入式技术 的、多通道多点的、高速商精度的、适合于桥梁健康监测的分布式f b g 传感解 调系统成为当前的迫切需要。 武汉理】大学硕 ：学位论文 1 5 课题研究主要内容 本论文的饪务重点是实现基于实时嵌入式技术的多通道多点、高速商精度、 适合于桥梁健康监测分布式测量的、自适应的光纤光栅解调器，丽绕这一研究 主题，从理论、技术、设计和程序实现上来对分布于桥梁内的f b g 传感器进行 高速高精度测量、分布式多点同时测量、远程实时监测和低成本高性能实现等 问题展：r f = 研究工作。主要完成以下几个方面的工作： t 。学习研究嵌入式处理器体系结构，了解嵌入式的硬件体系，以及外设硬 件结构。如串行通信接口、i i c 总线、l c d 控制器、r t l 8 0 1 9 网卡及驱动等： 2 分析研究嵌入式操作系统，学习嵌入式软件设计方法；学习嵌入式编程 技术，并在选用的嵌入式处理器上移植操作系统u c o s 1 i 和l w l p 网络协议栈： 3 奄阅各种有关f b g 传感器解调技术资料，学习研究f b g 传感器工作原 理，以及解调系统中硬件组成结构； 4 研究和设计基于嵌入式技术的分布式f b g 传感信号解调系统，以及系 统中信号采集、扫描控制、数据处理、数据传输等各个环节的技术方案，并实 现之； 5 学习网络通信技术、t c p i p 通信协议，s o c k e t 编程技术，并探讨适台 远程实时监测的数据快速传递的通信方式，实现系统之间的数据交换： 6 在a r m 7 处理器上多任务编程，包括b o o t l o a d e r 程序，以及信号采集、 扫描控制、数据处理、数据传输等模块； 7 学习w i n d o w s 环境编程，采用多线狸编程技术，用v c 设计远程监控 系统终端软件，对传感数据进行处理、存储和显示，实现实时监测结构健康状 况和历史数据查询。 武汉理1 ：大学硕士学位论文 第2 章光纤光蕾传感蠢及其解谓技术 随着1 9 7 8 年世界上第一只光纤光栅的研制成功，就以其许多独特的优点， 光纤布拉格光栅( f b g ) 在传感领域的应用越来越引起人们的重视。同其它类喇的 传感器件相比，光纤传感器具有可靠性好、抗电磁干扰、耐腐蚀、能在复杂的 化学环境下工作等特点。此外，其波长编码特性及其可复用性更是其它类型传 感器所无法比拟的。对光纤光栅的波长编码信号进行解调，是实现光纤光栅传 感应用的关键。 外界物理量无论是温度，还是应变的变化都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、应变信息，这就是爆光纤光 栅测量温度、应变的基本原理。由于光纤光栅同时对温度、应变和压力敏感， 因此如何建立光纤布喇格光栅的理论模型，以及在此模型的基础上如何区分温 度和应变信号是光纤光栅传感器在实际应用中必须解决的个问题。 本章主要研究光纤光栅传感理论模型，温度、应变的传感机理以及对温度 和应变传感信号的解调方法。 2 1f b g 传薯备俺露纛理 光纤布拉格光栅传感原理如图2 1 所示。 根据光纤耦合模理论1 1 0 1 1 ，12 1 ，当宽带光注入光纤光栅时，产生模式耦含， 满足布喇格条件的光被反射，这就是光纤稚拉格光栅的荃本二【：作原理。光纤布 喇格光栅的反射光波中心波长b 为： l 82 2 ，2 孵八( 2 一1 ) 其a 为布喇格光栅的周期，n 靠为光栅区的有效折射率。 武汉理1 。犬学硕士学位论文 纤薜 厂、 丛盐 入射潜 f b g 透射谗 ， f b g 反射谱 圈2 1 光纤光疆示意图 目前已有的光纤布拉格光栅的写入技术主要有：相位掩模技术、振幅掩模技 术、点点写入技术和全息成栅技术1 1 3 1 等，其中最简单、可靠的方法是相位掩模 技术。 2 1 2h | g 传毒原理 由于光纤光栅的栅距a 是沿光纤轴向分布的，因此在外界激励影响如温度或 应力等的改变，光纤将产生轴向应变和折射率变化，栅距亦随之变化a 。将式 ( 2 一1 ) 微分可得波长变化为： a 2 b22 a n 。t r a + 2 n 够a a ( 2 2 ) 由上式可知，当纤芯有效折射率1 1 c 口和光栅周期a 改变时，光栅中心反射波长会相 应的改变；而当外界因素发生改变时，都会导致光纤句喇格光栅的a 和m 仃的改变， 这就是f b g 的基本传感原理f 1 5 , 6 1 。 和n e f r 的改变可以从光栅的反射光谱中检测出 来。通过对光栅布喇格波长微小偏移的检测，可以测定光栅受激励程度。 2 1 3f b g 的温度传特性 温度影响1 8 1 b r a g g 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。 武汉理1 。大学硕士学位论文 假设均匀压力场和轴向应力场保持恒定，当温度发生变化( t ) 时，方面由 热膨胀效应引起的光栅周期变化为： a = 口a a t ( 2 3 ) 式中q 为光纤的热膨胀系数。 另方面由热光效应引起的有效折射率变化为： a n e f f = 孝行a t ( 2 4 ) 式中i 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率它t 导热漂移量的9 5 冉一 右，可以表示成： 声：一上堡塑一d v 7 d vd t ( 2 5 ) 式中v 为光纤的归一化频率。 所以温度对光纤光栅波长漂移的总影响为： _ a 2 一b ： + 4 ) a t ( 2 6 ) a , e f b g 的温度灵敏度为 坼：等：口+ f ( 2 - 7 ) 。 ，五口 。 对掺锗石英光纤，常温1 f e n 5 5 1 0 4 ， 取6 6 7 1 0 击，由此估算出常 温f f b g 的温度灵敏度为7 2 2 x 1 0 6 。由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，备种 光纤的膨胀系数碰和热光系数有较大差别，因此温度灵敏度的差别也很大。、与温 度变化不大时，般都认为l 是一个常数， l i t b r a g g 波长的变化与温度之间有较 好的线性关系，但尾实际上t 是温度的函数。 应力影响b r a g g 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的吣2 0 1 。 假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。方丽 武汉理工人学硕士学位论文 _ 2 占： ( 2 8 ) a 、7 其中，为考察点处轴向应变。 另d - 面弹光效应使得光纤光栅折射率发生变化 恸：蔓监要坠型e ，) ( 2 - 9 ) 式两端同时除以r l e f o j 得 a n f f ：一竿2 鼻：一v ( 弓十只：) 乞 (2一l。)n e f f 2 ”一 其 p i j o 。1 ，2 ) 为p o c k e l 系数，v 是p 0 c k e l 比。定义有效弹光系数p 。为： 只= ! 姿 鼻：一v ( 罡，+ 只：) 】 ( 2 1 1 ) 硅纤介质p c = 0 2 2 。所以式( 2 一1 0 ) 可以表示为： 垃：一只一( 2 一1 2 ) 一 因此，这两种作用的总贡献为： 华：( 1 - e ) t 13)a , 8 对于石英光纤，可取 孕：o 7 8 t ( 2 _ 1 4 ) 由h 可方便地求出外界应力：。实际应用中是很小的量，可以引入应变量的 l x l 0 ，即雌( 微应变) 作为应变度量单位。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5 应变的，但容易折断光纤。 o 武汉理【：大学硕一 ：学位论文 当压力( 对光纤的横向作用力) 变化p 时，光纤光栅的反射波长也会发生 变化1 2 1 , 2 2 i ，可表示示成 一a 2 b ：正坠+ ! 塑l a p 九 。aa p 行a p f 2 1 5 1 又因为 aa 一 ( 1 2v ) 丽一一f ( 2 一1 6 ) n o 盯n a e f f p = 篆3 ( 1 砌糍：墉) ( 2 - 1 7 ) n - ( 2 1 6 ) 、( 2 - 1 7 ) 代入( 2 - 1 5 ) 得 等_ 【_ t 1 - 2 v 誓2 名e - - 2 v ) ( 2 耵引】舻 郴) 2 1 6 应力、温度翔压力对波长的交叉影响 应力、温度和压力这三个物理量可以直接作用 i f b g ，均通过折射率和光栅 常数来影响光栅的布拉格反射波长，因此可以通过戏察f b g 的波长漂移而对其进 行监测，这己被许多实验所证实。如果f b g n 时受t 述三个物理量的作用， 则总的漂移量为： 等- ( 1 _ p ) p 舭m 一半+ 篆( 1 _ 2 v 糍：峨料 ( 2 一1 9 ) 1 5 5 时应变和温度引起的f b g 反射波长漂移的典型值为1 15 p m 1 t e 4 f l 1 3 p m 。c ，而压力引起的波长漂移典型值为3 1 3 p m m p a 。可见f b g 传感器对j 一力 武汉理1 人学硕十学位论文 刁i 太敏感，除非用来测量高压或者波长分辨率极高的解调装置，或借助某种装 置将压力转化为对f b g 的应力，否则f b g 一般不用来测压力，而只用来对温度、 应力以及借助某种装置能转化为这两个量( 常为应力) 作用于光栅的物理爨进行 传感。 假设温度变化范围不大，即在温度变化范围内材料的弹光系数和泊松比是 常数，可以得到应变一温度交叉灵敏度为： k = 麓= 掣 将式( 2 7 ) 和( 2 1 3 ) 代入( 2 2 0 ) ，得到： = ( 1 - 只百a 2 b + 2 8 等笋 ( 2 2 0 ) k r 。2 ( 口+ 善1 一c ) 一2 p , f 】五月= 【k r k 。一2 只f 】丑。 r 2 2 1 ) 由此可以得出： ( 1 ) 忽略光纤光栅的应变一温度交叉灵敏度对测量结果的影响不大。 ( 2 ) n 量范围越小，忽略交叉灵敏度所引起的应变和温度误差越小。 ( 3 ) 相对于温度误差，忽略交叉灵敏度所引起的应变误差是很小的。 综上所述，如果忽略交叉灵敏度的影响，温度、应变、压力共同作用引起 的b r a g g 波长的变化可以表示为： 丑8 = k r + k 。+ k p 】五日 ( 2 2 2 ) 其它物理量无论直接或间接作用_ 光栅，只要影响光纤光栅格栅间光程 就可以被光纤光栅所感测2 引。 2 2 分布式n i g 解涓系统 在实际工程应用中，光纤光栅传感信号解调系统1 2 7 , 2 8 1 通常可分为两部分： 一部分为光信号处理，跟踪分析传感光栅中心反射波长的变化，完成光信号波 长信息到电参量的转化；另一部分为电信号处理，完成对电参量的运算处理， 形成数据信息，并提取外界信息并以人们熟悉的形式输出显示。其中，光信号 武汉理l 人学硕士学位论文 处理是其核心部分，很大程度上决定了解调系统的分辨率、可靠性和成本。 目前，在光信号处理部分，当b r a g g 波长为13 0 0 1 5 0 0 r i m 时，典型的温度 和应变灵敏度为0 ，0 1 1 n m c 。和0 0 0 1 3 n m ，t e 。为了达到1 和1 0 r t e 的测量精度， 对于中心波长的位移h 的测量精度应优于o o l n l n 的量级【2 ”。因此b 的测量 精度直接限制了褴个系统的检测精度，h 的检测技术也就成为光纤光栅传感 的关键技术之一。 a x b 的检测技术，传统上。般应用光谱仪、单色仪以及带有色散元件的c c d 探测器。这种技术所使用的设备均造价高，体积大，不易携带，不宜于现场使 用。为解决上述问题，人们提出了许多新的解调技术和方法1 2 9 1 ，如非平衡马赫， 曾德干涉仪法，可调谐光纤法布里一珀罗( f p ：f a b r y p e r o t ) 滤波法，匹配光纤 光栅法，迈克耳孙干涉仪解调法等。以下我们主要研究几种典型的分布式的f b g 传感阵列的解调技术 4 , 2 5 】。 2 2 1 非平衡马謦- 蕾千渗佼群髯羲术 非平衡马赫曾德( m z ：m a c h z e h n d e r ) 。卜涉仪解调系统1 3 0 , 3 2 1 如图2 2 所示， 由三个3 d b 耦合器( c l ，c 2 ，c 3 ) 组成两个波分复用网络( 丸i k ) 及( b h ) ， 用光纤f p 滤波器与m - z 干涉仪组合解调光纤光栅的布拉格波长。p z 1 1 调谐光纤 f - p 滤波器的腔长，使不同光纤光栅的布拉格波长的光波通过它，相对应的光纤 光栅就有布拉格波长的光波反射回来，而其它的光纤光栅没有反射信号。m z 干涉仪的瓶个臂的长度差为1 5 m m ，通过用相位调制器周期性地调节其中的个 臂，探测器探测到的光强就会周期性地变化。当光纤光栅受拉时，光纤光栅反 射的布拉格波长将发生变化，这将导致探测器输出的电信号的位相发生变化， 通过锁相放大器处理后，测量出位相的变化量。利用已知的应力一位相关系，即 可测出光纤光栅所受的应力变化， 其测量分辨率为o 0 9 p m h z 。这个系统汀 容纳2 0 个光纤光栅，每个光纤光栅的测量范围为士5 0 0 牡应力。 图2 3 所示是具有温度补偿功能的应力测量系统。光纤光栅g i 和g 2 由不同直 径但相同材料的光纤制成，g i 的直径为1 3 5 r i m ，g z 的壹径为1 6 5 n m ，它们对温度 变化的敏感性相同而对应力变化的敏感性不同。g i 和g 2 的公称布拉格波长不同， 从g - 和g 2 反射回来的光波经过3 d b 耦合器后到达m - z 干涉仪。 武汉理1 ：大学硕1 ：学位沦文 e 三一 它带光渊 呷一 1 1 涉仪一) 。 = h = _ 二h 二 p m 、3 d b 揣器h h地 ， 童多驯l 图2 2f - p 与m t c h - z e b n d e r - 干涉仪组合的解调技术 m z 干涉仪的两臂长度相差2 m m ，左臂用压电陶瓷( p z t ) 线性地澜节，右 臂上有一个偏振态控制器来协调来自两臂的光波偏振态，以便在汇合时发生于 涉。当线性调节左臂臂长时，m z 干涉仪输出一个强度周期性变化的干涉信号。 当光纤光栅的应变变化时，光纤光栅反射的布拉格波长将会移动，周期性变化 的干涉信号的位相也将发生变化，而且位相的变化量与布拉格波长的移动量成 线性关系。对于图3 中光纤光栅g l 和g 2 首尾相接的情况，探测器探测到的是来自 两个光纤光栅的干涉信号的混频信号。 图2 3m _ c k z e 喇e r 干涉仪解谓的光纤光橱应力检溯技术 两个光纤光栅的直径不同导致了两个干涉信号的位相变化不同，而混频信 号的幅值取决于这两路干涉信号的位相差。我们可以测量出波长移动总量，然 后从信号幅值大小得出应力大小。这个测量系统的测量分辨率在0 6 r i m ，波长变 化范瑚内为1 2 p r o 。 武汉理l 人学硕斗- 学位论文 2 2 2 可调谐激光嚣鳇波长匹配懈渭技术 这类传感系统通过调节光源波长来达到与光纤光栅布拉格波长相匹配的l _ _ l 的，如图2 4 所示【4 “。通过压电陶瓷调节光纤激光器的腔长，相应调节激光器的 输出波长，使之与光纤光栅的布拉格波长帽匹配。光纤激光器是由纤芯为2 6 m 的掺铒光纤制成，光纤中有一对反射率约为9 8 的光纡光栅，这对光纤光栅相距 2 m m 。光纤激光器由波长为9 8 0 n m 的激光：极管抽运，光纤激光器粘在长度为 4 5 c m 的p z t 上，p z t 的最大伸长量为9 0 9 m ，相应可以调节光纤激光器输出波艮 的变化量为2 3 n m 。光纤激光器发出的光经过隔离器和3 d b 耦合器到达光纤光栅 g ，p z t 线性调节光纤激光器的腔长，使其输出波长发生变化。当光纤激光器输 出的波长与光纤光栅反射的布拉格波长相匹配时，光波被光纤光栅反射回来。 反射光波再次经过3 d b 耦合器到达探测器，并输入至分析仪进行分析。把光纤光 栅加热可测量不同温度下的布拉格波长移动爱。解调系统也可以在p z tt 加抖动 电压来提高波长的匹配精度。测量温度的分辨率为0 2 ，相当于2 p m 的波k = 移 动鼙，相对精度达到0 1 o 2 。由于激光器对温度很敏感，所以系统的测镀 精度受温度变化的影响很大。 图2 4 可漏激光器解调技术 2 2 3 光纤光潼长鹰霹螺调技术 如图2 5 所示，图( a ) 是单个光纤光栅传感系统，图( b ) 是四个光纤光栅组成的 波分复用网络测量系统4 ”。这类传感器系统用一个或组光纤光栅作为参考元 武汉理t 大学硕 ：学位论文 件，与另个或一组用于敏感元件的光纤光栅的布拉格波长相匹配，束解调作 为敏感元件的光纤光栅的布拉格波长的移动最。作为参考元件的光纤光栅的公 称布拉格波长与它所解调的作为传感元件的光纤光栅的公称布拉格波长孝h 嗣。 光源发出的光经过3 d b 耦合器，到达作为敏感元件的光纤光栅，满足布拉格条件 的布拉格波长被光纤光栅反射回来，再次经过3 d b 耦合器，到达作为参考元件的 光纤光栅。参考光纤光栅夹持在p z t 上，利用压电陶瓷拉伸光纤光栅，调谐参考 光纤光栅的布拉格波长。当参考光纤光栅中的某一个光纤光栅与相对应的作为 敏感元件的光纤光栅的布拉格波长相匹配时，对应的探测器探测到极大光强， 此时输出p z t 的驱动电压值作为测量结果，从而达到解调光纤光栅布拉格波长的 目的。图2 5 中系统