（检测技术与自动化装置专业论文）光纤布拉格光栅解调技术研究.pdf

沈阳j 亡业大学硕十学位论文 摘要 光纤光栅是近几年来光纤通信技术中继掺铒光纤放大器之后的又一项重大突破，现 已经被大量应用于光通信、光纤传感和光信号传感等领域。并且随着光纤光栅写入技术 的不断完善，应用成果日益增多，光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具代表的光纤 无源器件之一。 基于光纤光栅的传感器是通过外界参量对其布拉格中心波长的调制来获取传感信 息，是一种波长调制型的传感器。在现有技术条件下，光纤光栅的波长解调技术是目前 研究的热点和难点。光纤光栅传感器大量应用于实际的关键问题是开发高精度、低价格 的解调仪器。 本文通过对光纤光栅匹配解调原理的研究，以a t 8 9 s 5 2 为核心处理芯片，提出了一 种基于单片机技术的光纤布拉格光栅匹配解调方案。利用单片机控制步进电机对匹配光 纤光栅施加应力，与传感光纤光栅匹配，从而达到对外界物理量变化的测量，最终实现 解调的目的。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了光纤光栅的基本机理与主要特性，系统研究了光纤光栅传感原理。 ( 2 ) 概述了现有各种典型的解调方法，并分析了各自优缺点。在光纤光栅匹配原 理研究的基础上，结合实际提出了一种基于单片机的光纤光栅匹配解调方案，并建立了 解调实验系统。 ( 3 ) 对解调方案硬件系统中的光路和电路进行了参数选择和设计，并对软件系统 进行了设计。 ( 4 ) 将设计豹匹配解调系统方案应用于应力测量，进行了传感和解调实验研究， 并对实验结果进行了处理和分析，验证了所提出的光纤光栅解调方案的可行性。 ( 5 ) 在理论分析与实验研究的基础上总结该方案的优点与缺点，并提出了改进意 见。 关键词；光纤布拉格光栅，应力传感，解调，单片机，步进电机 一些堑塑垫塑些塑塑塑垫查婴窒 t 1 1 er e s e a r c ho nd e m o d u l a t i o n7 i ? e c h n o i o g yo f f i b e r b r a g gg r a t i n g a b s t r 2 l c t f i b e fb r a g gg r a t i n gi sac r i t i c a l b r c a k t k d u g ha f t e ra d u i t e r a t ee rf i b e ra m p l i f i e ri n r e c e n t l yy e a r s ni s 、i d e l ya p p l i e di n 胁e rc o r i l i l l u n i c a t i o n ，f i b c rs e n s i n ga 1 1 dl i g h ts i 粤1 a l s e n s i n gf i e l d s w i t ht h ed e v e l 叩m e n to f 、讯t e i nt e c l h l o l o g ) ，o f 邱e rg f a t i n g ，i 馏印p l i c a t i o n s m o ma i l dm o r e ，舶e rg r a “n gi so n eo ft h cm o s tr a p i d i yd e v e l o p m e ma 1 1 dm o s t r c p r e s e n t a t i v c f i b e rr e a c t i v ed e v i c e s s e l l s o rb 觞e do nf i b e rb r a g gg r a t i n gj saw a v e l e n g 幽m o d u j a t j o ns e n s o r ，聃血i c ho b t a i n s s e n s i n gi n f o n n a t i o nt h r o u g hm o d u l a t i o no fb r a g gc e n t e rw a v e l e n 舒hb yo u t s i d ep a r a m e t e r s i nm ec u r r c n t l yt e c l l l l i c a lc o n d i t i o n ，t h ew a v e l e n g t l ld e m o d u l a t i o nt e c t u l o l o g yo f f i b e r b r a g g ( 油t i n gi sac r i t i c a la i l dd i f f i c u l tp r o b l e mi nr e c e n tr e s e a r c h d e v e l o p i n gh i 曲p r e c i s ea 1 1 di o w p r i c ed e m o d u l a t i o ni n s t m m e n ti st h ek e yp r o b l e mf o rf i b e rb 豫g gg r a t i n g 、v i d e l ya p p l i e di n p r a c t i c e w i mt h er e s e a r c ho ff i b e rb r a g g g r a t i n gm a t c h e dd e m o d u i a t i o n ，am e t h o do fm a t c h e d d e m o d u l a t i o no ff i b e rb m 硌g r a t i n gb a s e do nm i c m c o n t r 0 1 l e rt e c i i l o l o g ) ，i si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r ，a n da t 8 9 s 5 2i su s e d 勰t 1 1 ec e n t m lp r o c e s s i n gc h i p 1 1 1 em a t c h e d 肋e r g r a t i n g ， w l l i c hi sm a t c h e d b ys e n s i n gf i b e r 伊a t i n 舀i sf o r c e db ys t e p b y - s t 印m o t o r 、i t h m i c r o p r o c e s s o rc o n t r 0 1 t h e r e f o r e “r e a l i z c sm e 船u r e m e mo fv a r i e t i e so fo u t s i d ep h y s i c a l p a i 锄e t e r sa n dr e a c h e st h eg o a io fd e m o 血d a t i o ni nt h ee i l d mt h cp a p e rt h em a i nr e s e a r c h c o n t c n t sa sf o l l o w s ： ( 】) n eb a s j c 埘n c i p j ea 1 1 dm a i nc h 黝c 矧s t j c so ff i b c rb r a g gg r a t i n g 辨j n 加d u c e di n m i sp 印e r 1 1 1 et l l e o r yo ff i b e rg r a t i n gs e n s i n gi ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ( 2 ) m a l l yc l a s s i c a lf b gd c m o d u l a t em e t l l o d sa r eo u t l i n e da 1 1 dt h e i ra d v a l l t a 卫e sa n d d i s a d v a l l t a g c s a r ec o m p a r e d 0 nt h eb a s i so fp r i n c i p l er e s e a r c ho nf i b e r g r a t i n gm a t c h ， m a t c h e dd e m o d u l a t i o nm e t h o do f 剜) e rg r a t i n gb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ri sp u tf o r w a r dw i 协 p r a c t i c e a n dt h ed 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 sb u i l t ( 3 ) t h e1 i g h tp a t ha n dc i r c u i to ft h eh a r d w a r es y s t e mo fd e m o d u l a t i o nm e t h o da r e d e s i g i l e da n dc h o s e nf o rp a r a m e t e r s t h es o n w a r cs y s t e mi sd e s i g n e d 沈阳c 业大学硕十学位论文 ( 4 ) t h em a t c h e dd e m o d u l a t i o ns y s t 锄m e t h o di sa p p l i e di nt 王l es 缸e s sm e a s u r e m e n t 1 1 l e s e n s i n g 锄dd e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r cs t u d i e d ，a n dm ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o c e s s e d a l l da i l a l y z e d s oi tv e r i f i e st h cc o r r e c 协e s so f t h i sm e t h o d ( 5 ) o nt h cb a s i so fp h y s i c a la n a l y s i sa 1 1 d “p e r i m e n t a lr e s e a r c l l ，t l l ea d v a l l t a g e sa n d d i s a d v a n 魄- c so f t l l i sm e t h o da 糟s n m 删搦d ，a 1 1 ds o m ei m p v i n gn l e t h o d sa r cp r o p o s e d k e yw o r d s ：f i b e rb m 鼹g r a t i n g ，s t r 鹤ss e n s i n g ，d e m o d u i a t e ，m c u ，s t e p - b y s t e p m o t o r 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：勉嗍丑型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、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。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：薹墨鱼 日期：! z 。! ! ：! ( 沈阳： 业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的目的和意义 传感器技术是当今世界令人瞩目的迅速发展起来的高新技术之一，也是当代科学发 展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。现阶段 传感器和传感技术已经渗入了新技术革命的各个领域，涉及了国民经济的每个部门，进 入了大众生活的各个方面。 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以 光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术，它属于光子与承载信息 传输的导波光子技术的一个领域。目前的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远 远不能满足国民经济的发展需求。与此同时，世界光纤产能过剩已成定局，并持续一段 时间，可以预见，世界光纤业的竞争将加剧。近期的光纤传感技术研究和产业化的特点 是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点。因此，必须要重视光纤传感技术 的研究与开发。 在各种光纤传感器中，近年来的研究热点是光纤光栅传感器( 肋e rg r a t i n gs e n s o r ) 。 光纤光栅传感器之所以如此受到关注是因为它具有其它传感技术无法替代的优点i l 】： ( 1 ) 不受潮湿环境影响，能避免电磁场的干扰，电绝缘性好； ( 2 ) 耐久性好，具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力； ( 3 ) 质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置； ( 4 ) 既可以实现点测量，也可以实现分布式测量； ( 5 ) 测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题； ( 6 ) 检出量是波长信息，因此不受接头损失等因素的影响，对环境干扰不敏感； ( 7 ) 波长编码，可以方便实现绝对测量； ( 8 ) 单根光纤单端检测，可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数； ( 9 ) 信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减； ( 1 0 ) 灵敏度高，精度高。 光纤布拉格光栅解调技术研究 光纤光栅传感器，其传感过程是通过外界参量( 应变、温度等) 对布拉格中心波长 的调制来实现的，属于波长调制型光纤传感器，有着光纤传感器的各种优点。光纤布拉 格光栅( f i b e rb m g gg r a t i n g f b g ) 作为敏感元件的传感器的独特优势在于它是波长 编码的传感器。光纤光栅传感技术中，探测量是以波长来调制的，因而传感器的信号检 测过程是对一个光纤布拉格光栅的反射波长的移动量的解调过程。它与传感过程恰恰正 好相反，光信号检测技术是研究从被调制的光信号中还原出原解调信号的解调技术，还 原得到的信号将比例于被测信号。当被测物理量变化时，光纤光栅的反射波长将会移动， 而且反射波长的移动量与被测量的变化量成线性关系。传感解调系统的实质是一个信息 ( 能量) 转换和传递的检测系统，它能准确，迅速地检测出信号幅度大小并无失真地再 现被测信号随时间地变化过程，待测信息( 动态的或静态的) 不仅要精确待地测量其幅 值，而且须记录和跟踪其整个变化过程1 2 j 。 研究光纤光栅传感器的关键问题就是要研究如何高精度地测量光纤光栅的反射波 长的移动量的问题。用光纤光栅构成的传感系统中应有精密波长变化检测装置。解调技 术是要求精确测量波长漂移的技术，光纤光栅解调传统上一般应用光谱仪、单色仪以及 带有色散元件的c c d 探测器。以上解调系统均具有造价高，体积大，不易携带，不宜 予现场使用的缺点【3 】。为此必须寻求一种高精度，低价格的光纤光栅解调装置。针对这 些问题，人们作了多方面的努力，发展了多种技术用于波长编码的解调1 4 ，乳。 测量波长漂移的技术，对中心波长移位的检测精度直接限制了整个系统的检测精 度。可见其重要性。传统的解调技术在一个面向实际应用的传感器系统中检测光纤光栅 的波长移位是极不现实的，更重要的是它不能直接输出对应于波长变化的电信号。这对 于测量结果的记录、存储和显示以及提供给控制回路必要的电信号己达到工业生产过程 自动控制的目的都是极为不利的。要使光纤光栅传感器的优越性能在应用领域得到施 展，必需研究具有高灵敏度、光能利用率高、操作简单、价格低廉和适用于工程应用的 波长位移检测技术。光纤光栅解调技术意义不仅仅在于对现有解调方案的一种补充，更 在于一些重要的应用方面给光纤光栅传感器提供了广阔的用武之地。解调技术的发展将 直接影响到光纤光栅传感器的应用前景，可以说研究光纤光栅解调技术势在必行f 6 。 一2 沈阳t 业大学硕士学位论文 1 2 光纤光栅及解调技术研究现状 1 2 1 光纤光栅的应用 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折 射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅， 其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。这种现象是1 9 7 8 年加拿大通信研 究中心的k o h i l l 及其同事首次从锗掺杂光纤中观察到的。 光纤光栅的主要特征是，它的性能与波长有关，沿其长度方向产生周期性折射率变 化，即在光纤中建立一个布拉格光栅。光栅周期和长度以及折射率调制深度决定着光栅 在宽或窄波长范围内的反射率高低，亦即它能否作为通信波分复用器、激光或传感器应 用中窄带高反射率反射镜或除去光纤放大器中有害激光频率的波长选择滤光器使用。 随着光纤光栅制作技术的日趋成熟，从民用工程结构、航空航天业【1 1 - h 】、船舶航运 业 1 5 】、电力工业、石油化学工业、医学、核工业【1 6 ，17 1 、光纤通信、光纤传感等领域都将 由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，这些广泛应用均具有非常重要的意义。 1 2 2 光纤光栅的分类 根据光纤光栅折射率分布的不同，分为均匀布拉格光栅、线性啁啾光栅、闪耀光栅、 莫尔光栅、1 t a p e r 型光栅、长周期光纤光栅等。 但就目前研究应用的最多以及从其应用特点来看，光纤光栅可分为两大类： 一类是光纤布拉格光栅，也称为反射光栅，属于短周期光栅，周期为几百纳米的数 量级，对于1 5 5 0 n n l 的光通信窗口而言，约为5 5 0 枷。反射光栅的作用，相当于一种波 长可以选择( 通过控制光栅折射率变化周期) 和带宽可以调节( 控制折射率变化周期及 幅度) 窄带反射元件。 另一类为光纤传输光栅，也称光纤长周期光栅。长周期光纤光栅的折射率调制方程 与布拉格光纤光栅相似，不同的是调制周期1 2 2 1 。长周期光纤光栅的周期约为几百微米， 它的工作原理不同于布拉格光纤光栅，是一种透射型光纤光栅，其作用是将导波中某波 段的光波耦合到包层中损耗掉，而不产生反射。相当于一个传输特性( 透射率、带宽、 形状) 可以调节的滤波元件，长周期光纤光栅是一种理想的e d f a 平坦元件【1 8 1 9 1 。 光纤布拉格光栅解调技术研究 在光纤光栅制作方面，加拿大、美国处于领先水平，各种光栅的制作技术已经比较 成熟。近几年国内对光纤光栅的研究也非常活跃，中科院半导体所、武汉理工大学等多 家单位均己成功地制作了光纤光栅。光纤光栅的应用研究也发展很快，但大部分应用研 究仍处于实验室阶段，距实际应用还有一定的差距。 1 2 3 光纤光栅解调技术国内外发展现状 传统的光纤光栅解调方案主要采用单色仪，光谱仪和波长计来进行解调，但是这些 方案的解调设备都有体积大、价格昂贵等缺点，因此新型解调技术的研究得到了国内外 研究机构的极大关注，并提出了一些新的解调方案。 相对于国内来说，国外在解调技术方面的研究要早一些，解调技术的分类方法也比 较多。早在1 9 9 2 年，k e r s e y 等人就提出了一种采用干涉仪解调的高分辨率光纤光栅传 感技术方案，在这以后其他人相继提出新的解调方案。目前，国外以美国的微米光学 ( m i c m no d t i c s ) 公司的光纤光栅传感解调产品做得比较好，其中一种产品采用可调法 布里一珀罗腔作为关键解调元件，其动态范围约3 0 l l r n ，分辨率为l p m ，测量精度5 p m ， 扫描速度5 0 h z ，价格约2 万美元。而另一种产品采用可调激光扫描方法，其动态范围 大于3 0 1 1 l i l ，分辨率为l p m ，测量精度5 p m ，扫描速度1 0 0 h z ，可以同时对四路光纤多 达2 5 6 个布拉格光栅进行轮询，但价格也需要好几万美元 2 啦”。 在国内，从2 0 世纪9 0 年代中后期开展光纤光栅的研究工作。光纤光栅传感器解调 技术的研究主要集中于大学和科研院所，而且绝大多数都处于实验室阶段。以南开大学 光纤中心和武汉理工大学光纤研究中心为代表，以及清华大学、重庆大学、燕山大学都 投入了研究，均取得了一定的成果。并且国内有些单位已经研究出了高精度的解调仪器， 如上海紫栅光电有限公司和武汉理工光科有限公司独立开发和研究解调仪，但国内表现 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，因此国内应加大力度进行研究和生产2 3 洲。但精度高的解调装置价格比较昂贵， 如此高的价格很难在实际工程中得到广泛应用，因此研究开发适于实际工程应用的解调 系统、降低解调系统的成本，是使光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广的关 键问题1 2 5 也8 】。 沈阳工业大学硕十学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 本文的研究内容是设计一套以单片机为核心处理芯片的光纤光栅匹配解调系统实 验装置，对中心波长为1 5 5 0 r l i l l 的光纤光栅进行解调。论文中提出了该方案的原理，然 后对其原理进行了分析论证，并对整套解调系统进行了整体设计。主要研究内容包括： ( 1 ) 对光纤光栅的基本机理和传感原理进行了分析。 ( 2 ) 在分析光纤光栅解调技术原理及其现有解调方法基础上，根据现有实验条件 确定可行的光纤光栅解调技术方案。 ( 3 ) 完成基于单片机的光纤光栅解调匹配系统方案的硬件设计和软件设计。 ( 4 ) 应用此方案对应力传感解调进行实验，并分析实验结果。对解调系统的优缺 点进行了分析总结。 最后，对课题工作进行总结，对后续工作提出展望。 光纤布拉格光栅解调技术研究 2 光纤光栅基本机理及传感原理 1 9 7 8 年加拿大的奥它瓦通信中心的k 舶h i l l 及其他科研人员首次发现掺锗石英光 纤紫外光敏特性一光诱导产生布拉格光栅效益。十余年后，在1 9 8 9 年g e r ym e l t z 又发 展了紫外光侧面写入光敏光栅技术。近年来，对光纤光栅紫外光照射生长动力学、光学 特性和成栅技术的研究都取得了重大进展。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化，专 家们预言，从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次 变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想，可以说光 纤光栅技术是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。 光纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全光信 息时代带来了无限生机和希望f 2 9 ，3 0 1 。 2 1 光纤光栅基本原理 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折 射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅， 其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其结构如图2 1 所示p ”。 c c 蒜蛙翌 n 仁二1 l o 七 图2 1 布拉格光纤光栅结构示意图 f i g 2 1s t m c t u 豫s c h e m a t i co f t h ef b e rb 豫g gg r a c i n g 布拉格光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光( 上图中i i ) 通过 传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带 光( 上图中i r ) ，并沿原传输光纤返回：其余宽带光( 上图中i t ) 则直接透射过去【3 2 l 。 沈阳工业大学硕十学位论文 包层 图2 2 布拉格光纤光栅纤芯折射率变化示意图 f i g 2 2s c h e m a t j co f r e 触c t i v ei n d e xc h 舳g e so f t h e 舳e r b r a g g 鲫i n g 光纤光栅主要特征是：它的性能与波长有关，沿其长度方向产生周期性折射率变化， 即在光纤中建立一个布拉格光栅，如图2 2 所示。光栅周期和长度以及折射率调制深度 决定着光栅在宽或窄波长范围内的反射率高低，亦即它能否作为通信波分复用器、激光 或传感器应用中窄带高反射率反射镜或除去光纤放大器中有害激光频率的波长选择滤 光器使用。 2 2 光纤光栅传感原理 光栅布拉格方程九= 2 n 讲a 的微分形式为： 旯昂= 2 n 够a + 2 抑玎人 ( 2 1 ) 其中瑰矿为光纤光栅的折射率，人为光栅常数。光纤光栅的反射或透射峰的波长与 光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅 的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，因此， 温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，它们构成了其它各种 物理量传感的基础，其它各种物理量的传感都是以光纤光栅的应变温度传感为基础间接 衍生出来的。 2 2 1 光纤光栅应变传感模型 应力影响布拉格波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。为了简化推导，设 光纤仅受轴向应力作用( 即横向拉伸光纤光栅) ，忽略温度和其它均匀压力场的影响， 则轴向应变引起的栅距改变量为3 3 】： 光纤布拉格光栅解调技术研究 a = a z( 2 2 ) 有效折射率的变化可以由弹光系数矩阵和应变张量矩阵8 0 表示为3 4 】： 6 ( 1 ，h 咿) 2 = 0 s ( f = l ，2 ，3 ) ( 2 3 ) j = l 其中滓l ，2 ，3 分别代表x ，y ，z 轴方向。 由于剪切力为零，所以毛= 岛= 氏= o ，应变张量矩阵可用轴向应变表示为 弹光矩阵为 q = 卜v 占：一v 巳一v t o o o r ( 2 4 ) 2 e l 弓2 只： o e 2 置， 置： 0 oo o0 只2 oo0 异2 o00 只l ooo o 匕 00 oo p “ o o0 o 匕 其中p i 。，p 2 ：，为弹光系数；v 是纤芯材料的泊松比，对于各向同性材料有 匕= ( # ，一吃) 2 。所以只需考虑弹光张量中i ，j = 1 ，2 ，3 的矩阵元，此时弹光张量简 化为： 将式( 2 4 ) ，式( 2 6 ) 代入式( 2 _ 3 ) 得到： f 【只：一v ( e 。+ 只：) 】占。 只：一v ( 只。+ 只：) 】占： ：一2 嵋：) 】乞 一8 ( 2 6 ) x 方向 y 方向 ( 2 7 ) z 方向 i b r n ，。，l = i l 上 沈阳工业大学硕+ 学位论文 沿z 方向传播的光波所感受到的折射率变化为： 锄够= 一扣( 古k ，2 一扣- v ( 黝k ( 2 8 ) 定义有效弹光系数p 。为： = 譬阮- v ( 黝】 ( 2 9 ) 将式( 2 2 ) ，( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 代入式( 2 1 ) 得到应变灵敏度k 为： t = 等厶一t e 汜 布拉格光纤光栅的二阶应变灵敏度k 为： 耻等彳_ ( 1 吲2 脚： c z 因此，由应力引起的布拉格中心反射波长变化表示为： 砧= ( k 乃+ 圭k 自喝 ( 2 1 2 ) 对于掺锗石英光纤，只i = o 1 2 l ，只：= o 2 7 ，v = o 1 7 ，n - 1 4 6 ，所以p 。z 0 2 2 ，估算 出x 。“o 7 8 。当光纤光栅受到允许张力的1 时，二阶灵敏度略去引起的误差不超过 0 5 ，因此实际应用中省略二阶灵敏度，应变量与布拉格波长呈线性关系。 若沿光纤轴向施加拉力f ，则产生的轴向应变为： 铲嚣 ( 2 1 3 ) 其中：e 为光纤的杨氏模量，s 为光纤的横截面积。 由上式可知，光纤轴向应变与轴向施加应力成正比，而轴向应变与光栅中心波长漂 移成正比。 光纤布拉格光栅解调技术研究 由光纤光栅的布拉格方程可知，光纤光栅的布拉格反射波长决定于单模光纤的有效 折射率i l c l f 和光栅周期 ，当光纤光栅受到一个纵向( 沿光纤方向) 的应变作用或周围 的温度发生改变，从而引起n e f f 和a 的变化，即引起光纤光栅的布拉格波长发生位移， 实现对光纤光栅的调谐。通过测定这种布拉格波长的位移，来确定外界引起布拉格波长 漂移的因素( 外部的温度变化或应变量) 的大小【3 5 】。 2 2 2 光纤光栅温度传感模型 与外加应力相似，外界温度的改变同样是引起光纤布拉格波长的漂移的一个重要要 素。从物理现象的本质来看，引起波长漂移的原因主要有三个方面：其一，光纤的热膨 胀效应：其二，光纤的热光效应；其三，光纤内部由热应力引起的弹光效应。由光纤光 栅的布拉格方程九= 2 n 婀a ，可得到当温度发生变化时，其布拉格方程变分形式为3 6 】： 如= 2 玎咿a + 2 n 盯a ( 2 1 4 ) 结合应力传感特性可得到光纤光栅的温度灵敏度系数的完整表达式为： 怒= 去卜孚( ：咖诎4 托“ m k 表示波导效应引起的布拉格波长漂移系数。 可以明显看出，当材料确定以后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上唯一与材料 系数相关的常数，这就从理论上保证了作为温度传感器可以得到良好的线性输出。 2 2 3 光纤光栅应变和温度交叉传感模型 在分析应变响应机理和温度响应机理时，我们都是假定温度不变和没有外界应力作 用的情况下得出的结论。但在很多情况下，应变和温度是同时作用的，它们之间的耦合 作用对光纤b r a g g 光栅中心波长的影响在精度要求比较高的场合下就不能忽略了。因此 我们有必要对应变和温度的交叉敏感机理进行一下研究。此时光纤b r a g g 光栅中心波长 就是应变和温度的函数，其表达关系式为： 厶；( s ，7 ) ( 2 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 展开泰勒级数得： 沈阳工业大学硕十学位论文 以；厂0 ，丁) ：厂( 岛，瓦) + 掣g 一岛) + 掣仃一瓦) 攀乒h 弦一瓦) 2 1 7 + 旦2 掣( s 一) 2 + 旦2 掣p 一瓦) 2 + 一 式晓吼础掣巩；掣嘞；掣嘞； o e o t0 8 d l 一 忽略应变和温度的二阶灵敏度及其它的高阶项，将上面几个式子代入式( 2 1 7 ) 中得： 九= 以。+ 口，g 一岛) + 田p 一瓦) + 口。g 一氏弦一瓦) ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中口；即为温度不变时应变与波长变化关系的系数；口，为应变不变时温度 与波长变化关系的系数；口。为应变和温度共同作用时与波长变化关系的系数。为估测 应变和温度的交叉敏感作用对光纤b r a g g 光栅中心波长的影响大小，令系数k 为： 置= 掣揣 汜 口g 婶一占o j + 口r v loj 则k 值越大表明应变和温度的交叉敏感作用越大，k 值越小说明应变和温度的交叉 敏感作用越小。实际情况下我们可以通过判断k 值的大小来决定是否需要考虑应变和温 度的交叉敏感作用。 2 3 本章小结 本章首先介绍了光纤光栅的发展历程及其发展前景，然后对光纤光栅的基本机理从 理论上进行了分析，最后提出了光纤光栅的传感原理，以及对光纤光栅的应变，温度， 应变和温度的交叉敏感特性进行了分析。 光纤布拉格光栅解调技术研究 3 光纤光栅解调方法分类 温度和应力是直接影响光纤光栅布拉格波长的主要物理量，受这两个物理量作用 时，热光效应和弹光效应将引起纤芯折射率变化。热膨胀以及机械拉伸将影响光栅常数， 从而引起布拉格波长漂移，因此观察光纤光栅的波长漂移量便可判断待测量大小。如何 检测传感光栅布拉格波长的微小偏移，是这类传感器实用化面临的关键技术。光纤光栅 解调系统的成本通常占整个传感系统成本的绝大部分，它的检测精度也往往决定着整个 系统的传感精度。因此如何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 的关键。对波长信号解调传统上采用光谱仪，单色仪以及波长计，但这些解调系统存在 造价高，体积大等缺点。为此，人们相继提出了许多结构简单，更为实用的解调方法， 国内外的学者都致力于这方面的研究。 3 1 直接解调法 光纤光栅解调的直接方法是采用光谱仪，单色仪和波长计来检测波长的偏移，这些 仪器体积大，价格高，不易携带，仅适合于实验室使用。由于光谱仪能直接读取光的波 长，因此根据光谱仪得到的传感光纤光栅反射光的波长变化就能检测被测物理量( 应力、 温度等) 的大小，这是最为直接解调方法【3 7 】。如图3 1 所示： 图3 1 光谱仪法波长解调检测示意图 f i g 3 1s c h e m a l i co f w a v e l e n g l t id e m o d u l a t i o n 孤dt e s tw i l hs p e c t r u md e v i c e 3 2 滤波解调法 3 2 1 匹配滤波法 这类方法从光栅分布上可分为单点匹配f b g 解调和分布式匹配f b g 解调，工作方 式分为反射式和透射式吣39 1 。 沈r 1 工业大学硕十学位论文 匹配滤波法是利用其他的f b g 或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪f b g 的波长变化，然后通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度，可使用与测量 f b g 相匹配的f b g 进行信号解调。 反射型原理是：测量f b g 的反射光入射到接收f b g 上，若与接受f b g 的反射波 长一致，则被反射到探测器上；通过p z t 驱动接受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，同时对探测器也提出了较高的要求。针对这一问题，d a v i s 等提出了透 射型方法。该方案与反射型的区别在于：前者的光电探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。王海平等人根据此方法提出双光纤b r a g g 光栅解调方法对可能试验的 方案进行了对比【柏】。 匹配滤波法具有系统结构简单，造价低廉，精度高和信噪比高等优点。缺点：其一， 光路中需使用较多的耦合器，使系统光损耗较大；其二，要求两个光栅严格匹配，受参 考光栅应变量的限制，传感光栅的测量范围不能很大；其三，驱动元件的响应速度有限。 3 2 2 线陛边带滤波法 1 9 9 2 1 9 9 4 年，由m e l l esm 等和d a i sma 等人提出的线性边带滤波解调法【4 l ，4 2 1 ， 如图3 2 所示。宽带光源发出的光经耦合器1 进入f b g 阵列，其反射光再经耦合器l 进入耦合器2 分成等强度的两束光，一路经与波长有关的滤波器滤波后探测放大，其滤 波公式为： f 以) = 彳以一厶) ( 3 1 ) 其中a 为线性滤波器的斜率，厶为零输出波长，即f ( 厶) = o 时的输出波长。另一 路直接进入探测器放大成为参考光，两放大器的输出经除法器相除，得到与光纤光栅中 心波长有关的输出值。 该方法消除了光源波动和各处附加损耗对信号的影响，能有效抑制噪声，且体积可 做得很小，但是系统的分辨率由滤波器的滤波曲线斜率决定，因此分辨率相对其它解调 系统不高，动态应变测量响应速度也不超过1 0 0 h z 。 光纤布拉格光栅解调技术研究 探测器放大器 图3 2 线性边带滤波器解调法示意图 f i g 3 2s c h e m a t i co f d e m o d u l a t i o nw i l hl i n e a rw e b b i n gf i i t c r 3 2 3 可调谐法布里一珀罗滤波法 1 9 9 3 年，由a d k e r s e y 等人提出可调光纤f p 滤波器( f f p ) 解调法【4 3 】。对单个光 栅采用闭环模式，对复用系统的光栅使用扫描模式，如图3 3 所示。宽带光源发出的光 经隔离器进入传感光栅阵列，反射光信号经耦合器到达可调谐f p 滤波器，f p 滤波器 工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在压电元件上调整腔间隔，使其窄通带在一定范围 内扫描。当它与传感光栅的布拉格波长相匹配时，则让传感光栅反射的信号通过。因此， 可由f p 滤波器驱动电压透射波长关系测得光纤光栅反射峰位置。由于透射谱是反射谱 与f p 滤波器透射谱的卷积，能使带宽增加，分辨力减小。为此，在扫描电压上加一个 小的抖动电压，可大大提高系统的分辨力。输出经混频器和低通滤波器后测量抖动频率， 在信号为零时，所测值为光栅的反射峰值波长。 此解调方法具有高灵敏度、光能利用率高、操作简单和f f p 调谐范围很宽，系统稳 定性好等优点。适合用于工程应用的波长位移检测技术，但是高精细度的f f p 成本较高， 且滤波损耗较大。因此在保证精度要求下通过某些技术降低系统成本是此方法实用化的 关键。 曾经有人报道过用光纤f p 滤波器解调检测光纤b r a g g 光栅( f b g ) b r a g g 波长移 动量( 删，系统对静态物理量测量结果的相关系数为o 9 9 6 ，对于时变物理量的测量分辨 力为l o 9 雌( 微应变) 。 沈阳r 业大学硕十学位论文 图3 3 可调光纤f - p 滤波器示意图 f i g 3 3s c h e m a t i co f t h et u n a b l ef i b e rf pf i l t e r 3 3 干涉解调法 3 3 1 非平衡马赫一曾德干涉仪法 1 9 9 2 年，由a d k - e r s e y 等人提出，如图3 4 所示。宽带光源( b b s ) 发出的光经过 耦合器入射到传感光纤光栅，其反射光经另一耦合器进入不等臂长的m a c h z e h i 试c r 干 涉仪( 两臂光程差为n d ) ，干涉仪把传感光栅的中心反射波长偏移量转化为相位变化量 来检测。当f b g 的反射波长变化a 九时，m z i ( 马赫一曾德干涉仪) 输出的相位变化为： o ( 九) = 一2 万n d 九r( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中，n 是光纤的有效折射率，d 是干涉仪两臂的长度差，九是f b g 反射光 的中心波长，故由探测器测知m 便可得到f b g 波长变化量，从而探知被测外界物理 量的大小。非平衡m z 干涉法实质是利用非平衡m z 干涉仪将传感光栅的波长变化转 化为相位变化，通过对于涉仪输出的相位信号检测即可得到波长变化信息，从而提高检 测灵敏度。 非平衡马赫一曾德干涉仪检测方法的最大优点是分辨率高，具有低于纳米级的应变 分辨率。该方法虽然能够提供宽带宽，高解析度的解调能力，但随机相移使得该方法局 限于测量动态应变。由于非平衡马赫一曾德干涉仪受环境干扰较大，所以不适合于绝对 应变的测量。且干涉仪相位变化范围决定其测量范围非常有限，并会出现绝对波长测量 的损耗，不适用静态检测。 光纤布拉格光栅解调技术研究 图3 4 非平衡m z 干涉仪解调系统示意图 f g 3 4d j a g r a mo f i m b a l a n c em zi n t e m r o m e t e rd e m o d u l a t i o ns y s t e m 3 3 2 非平衡扫描迈克耳逊干涉仪法 此干涉法分辨率高，一般能够达到微应变甚至更小的数量级。可利用非平衡波长扫 描迈克耳逊干涉仪对传感光栅的反射谱进行波长解码，用相位计观测波长漂移引起干涉 仪两臂间相位差的变化，进而监测作用在传感光栅上的应变。迈克耳逊干涉解调法的实 验装置如图3 5 所示【4 6 j 。 图3 5 迈克耳逊干涉仪解调示意图 f i g 3 5s c h e m a l i co f m i c h e l s o ni n t e m m m e t e r d e m o d u l a t i o n 沈阳工业大学硕士学侥论文 自传感光栅的光波进入非平衡扫描迈克耳逊干涉仪( 短臂缠绕在受锯齿波信号驱动 的压电陶瓷上) 时，其输出信号经探测器接收后变为电信号，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交的大小有关。 3 4 可调光源解调法 3 4 1 可调窄带激光器扫描法 此方法通过调谐窄线宽激光器的波长来主动扫描传感f b g 的反射谱4 7 1 。如图3 6 所示。激光器固定在压电体( p z t ) 上，当p z t 受锯齿波或正弦波电压驱动时，激光波 长在一定范围内扫描，当波长恰好为某个布拉格波长时，照射到传感光栅阵列上的光就 会被相应光栅强烈反射。反射信号经过3 d b 耦合器后送到探测器，探测器输出最强。此 时由p z t 的电压一波长关系即可获得传感f b g 的中心反射波长的变化，接上数字示波 器就可以画出布拉格光栅反射率与波长的函数关系曲线。为提高测量精度，把反射信号 与入射激光功率比较进行归一化，所用的激光功率通过3 d b 耦合器来测量。除了这种扫 描方式测量光栅反射谱之外，也可通过加入简单的反射回路以及在p z t 上再加抖动电 压，使激光波长精确锁定在某个光栅的峰值反射率波长上，跟踪任何一个光栅的布拉格 波长。实验所得最小波长分辨力约2 3 p m ，对应温度分辨力约o 2 。最近报道了窄带激 光器程控调谐扫描的波长检测方案，系统的温度检测分辨力高于0 2 ，对应的波长分 辨力优于2 p m 【4 剐。 图3 6 可调谐窄带光源法波长解调示意图 f i g 3 6s c h e m a t i co f t i l n a b l en a n d w b 锄dl j g h t - s o u r c ed e m o d u l a t i o n 光纤布拉格光栅解调技术研究 该方法可获得很高的信噪比和分辨力，显著提高了传感f b o 的光功率。