基于dsp的fbg和光纤fp传感器通用解调系统研究.pdf

中文摘要 i 摘 要 随着我国基础设施建设速度加快，人们对于结构的健康监测也越来越关注。 常规的监测方法越来越不能满足长期健康测量的要求，因而国内外科研人员都将 目光投向光纤传感器。在众多的光纤传感器中，由于 fbg传感器具有波长编码， 易复用的优点，光纤 f-p 传感器具有静态测量精度高，制作简单、成本低的特 点，而成为实际结构健康监测中使用广泛的两种传感器。在一个大型的工程中， 往往需要综合使用这两种传感器，然而在研究和工程应用中解调装置往往都是针 对其中的一种传感器研制开发的。所以为了节约解调系统成本，提高系统的集成 度、可靠性，增加易用性，有必要研制一套通用的解调系统，来实现对光纤 f-p 和 fbg传感器的解调。 论文首先系统地分析了光纤 fbg 和 f-p 传感器技术特点和各种解调方法的原 理，并在此基础上提出了以可调光纤 f-p滤波器为基础的通用解调方案。 接着，针对可调光纤 f-p 滤波器的非理想性能的影响，理论分析了设置波长 参考的必要性，指出了设置单波长参考的不足，提出通过增加光纤 f-p 滤波器扫 描电压的幅值将单波长参考变成双波长参考的新方法，并设计了基于恒温 fbg 的 波长参考装置。根据设计的系统光路方案，分析了系统对可调光纤 f-p 滤波器、 宽带光源、探测器等主要光学部件参数的要求，选择了具体的部件。 然后，根据传感输出的模拟信号的特点设计了模拟信号的调理电路；在分析 了可调光纤 f-p 滤波器的驱动信号产生方式的基础上，选择了由 dsp 软件产生、 da 输出的驱动信号发生电路方案，保证了双通道数据采集的时间一致性；完成 了以 dsp(tms320vc5416)为核心的数字电路的设计，主要包括 ad、da、 cpld、flash、hpi 接口等功能单元电路。 在硬件设计的基础上，还设计了上位 pc 机和 dsp 的软件系统，两者之间通 过串口进行信息的交换。用 c+ builder 编制了上位机的程序，完成了通过串口 通讯来控制 dsp 的动作，实现数据的可视化输出、数据的存储和查询等功能； dsp 部分的程序能够实现数据的高速单次和连续采集和处理的功能，并具备和上 位机通讯的能力。 最后，分别利用光纤 fbg 和 f-p 传感器进行了解调实验，通过对 fbg 的实 验发现双波长参考可以提高测量的精度，实验结果表明所设计的系统能够对两种 传感器正常解调，实现了预期的目的。 关键词：光纤 fbg 传感器，光纤 f-p 传感器，可调光纤 f-p 滤波器，通用解调系统 英文摘要 iii abstract with the development of infrastructures in china, health monitoring of those structures has become a hot point. as fiber optical sensors have more advantages over traditional ones, they have been studied widely. there are two typical ones, fiber bragg grating (fbg) sensor and fiber fabry-perot (f-p) sensor. fbg sensor is often needed due to its wavelength-decoded characteristic and multiplexing ability, while fiber f-p sensor is utilized due to the advantages of high measurement accuracy, low cost and insensitivity of temperature fluctuation. different interrogation units have been developed according to different sensing principle of those sensors at present. in many practical complicated sensing systems, those two types of fiber sensors may be both wanted, therefore a set of general demodulation system for those two sensors is demanded. the purpose of this thesis is to study a general demodulation method for fbg and fiber f-p sensors, and design relevant demodulation system. the main points of the thesis are as follows: firstly, the technology characteristics of fbg and fiber f-p sensors are analyzed, and the principles of classical demodulation methods for them are investigated and compared. then a conclusion is drawn that a general demodulation system can be realized based on tunable fiber f-p filter, and the setup of general demodulation system is put forwarded. secondly, as the spectrum measurement precision of tunable fiber f-p filter was affected by its performance defect, a standard wavelength reference is required in the general demodulation system. the wavelength reference theory is then studied, and a single wavelength reference based on thermostatic fbg is presented. further research shows that there is shortage of single wavelength reference, and a new wavelength reference scheme to increase spectrum measurement accuracy is put forwarded. with this scheme, the single wavelength reference can be easily converted to dual wavelength references. therefore, an actual wavelength reference device is designed and manufactured. other main optical components, such as tunable fiber f-p filter, the board band source, the photo detector and so on, are selected to meet the requirements of the designed system. thirdly, analog circuits are designed to condition sensors output signal and the methods of generating periodic driving signal for tunable fiber f-p filter are also 重庆大学硕士学位论文 iv analyzed. in order to sample two channels synchronously, the method of da+dsp signal generating is adopted. the hardware based on dsp (tms320vc5416) system is developed, and peripheral circuits of the dsp system are accomplished including flash, ad, da, etc. in addition, communication interfaces, such as serial interface with pc and hpi interface with host processor, are also developed. fourthly, the software for upper pc and dsp system are written. the main functions of the upper pc software (in c+ builder language) are to send commands to dsp system, receive data form dsp system, and display, store results etc. as for dsp system, the program is used for sampling and processing data with high speed. finally, temperature test of sld driver is carried out, and the results show that sld driver works well. in order to compare the performances of wavelength reference schemes, single wavelength and dual wavelength references, fbg temperature sensing experiment is carried out. it shows that measurement accuracy of dual wavelength reference is higher than that of the single one. measuring experiments are also done on fiber f-p sensor with general demodulation system. all results demonstrated the feasibility of the general demodulation system, and it indicates a potential possibility of using the system in practical engineering applications. keywords: fbg sensor, fiber f-p sensor, tunable fiber f-p filte, general demodulation system. 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 近年来，大型的民用基础设施(桥梁、大坝、隧道、公路、铁路)的结构形式 与功能日趋复杂，其安全性、耐久性问题正日益受到关注。因为大型基础设施的 安全事故会造成难以估量的生命及财产损失，甚至危害当地的社会稳定和经济发 展，所以人们此提出了在对这些设施在施工阶段和服役期进行监测的要求。在施 工期间，监测的对象包括重要的结构设计参数，几何形状，应力水平，动力特性 以及温度变化等。监测系统所提供的信息不仅可以使设计人员及时地修正理论设 计参数，保证施工控制预测的可靠性；同时能够及时的发现并避免这些民用基础 设施在施工过程中出现超出设计范围的参数(如变形、应力等)的情况，保证结构 的安全施工。在进入运营阶段后，对设施的健康状况进行连续的、实时的、长期 的监测，并为将来对其损伤状况的评估提供依据，以便及时采取相应的维护措 施，最大限度地延长基础设施的使用寿命，为运营和管理提供依据1-37。 要获取这些大型基础设施的状态信息，就必须使用高效、可靠的传感器。作 为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器因其独特的优点而受到人们的重 视。它具有抗电磁干扰、结缘性好、径小质轻、便于复用等优点成为了工程界研 究的热点46。但是在光纤传感器发明之初，由于光器件的价格昂贵，从而只在 传统的电学传感器不便应用的场合下才使用这种传感器。随着 internet 技术的推 广和快速发展，光通讯产业也迅猛发展，从而带动了光器件价格的快速下降，光 纤传感系统正越来越多地发挥着巨大的作用。光纤传感器技术起步于上个世纪 70 年代末4-6，是一种通过测量光纤内传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振态等 特性变化，得出待测量的一种新型传感器技术。经过 20 多年时间的发展，光纤 传感器技术已经有了长足的进步，目前已成功研制了种类繁多的光纤传感器。而 光纤布拉格光栅(fbg)传感器和光纤珐珀(f-p)传感器因其内在的优点在实际工程 中应用广泛，从而成为两种重要的光纤传感器7。 1.2 fbg 传感技术特点及其应用现状 1.2.1 fbg传感器技术特点 自 1978 年光纤光栅问世以来，尤其是 1989 年侧面干涉写入技术和 1991 年 相位掩模写入技术发明后，光纤光栅在通信和传感两大领域得到了大量应用。使 得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具代表性的光纤无源器件之一579 10。 fbg 是一种反射式光纤光栅，它是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，将呈空间周期 重庆大学硕士学位论文 2 性的强紫外激光照射掺杂光纤，从而使掺杂光纤的纤芯形成折射率沿轴向周期性 分布制成的。根据布拉格衍射原理，当多种波长的光束由光纤内入射到 fbg 上 时，只有某一个波长的光被反射并沿原路返回，其余所有波长的光都基本无损失 地穿过 fbg 继续传输，如图 1.1 所示。被反射的那一个波长称为布拉格波长b， 它由 fbg 的栅距及有效折射率决定。与传统的强度调制和相位调制的光纤传感器 相比，波长调制型的光纤光栅传感器有如下优点9-11： (1)抗干扰能力强。因为普通传输光纤不会影响光波的光谱特性(忽略光纤的 非线性效应)；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏的干扰， 例如，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影 响传感信号的光谱特性。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。 (2)光纤光栅是自参考的，可以进行绝对测量(在对光纤光栅进行标定后)，不 必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。 (3)传感探头结构简单、尺寸小(其外径与光纤本身等同)，适用于各种场合， 尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完 整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度进行连续实时监测。 (4)fbg 复用能力强，可以应用波分复用(wdm)、时分复用(tdm)、空分复用 (sdm)等复用技术，也可以综合使用各种复用方法，便于构成各种形式的光纤传 感网络，进行大面积的多点测量。 (5)光栅的写入工艺较成熟，便于形成规模生产(商品化)，从而使得整个系统 成本较低。 1.2.2 fbg在民用基础设施监测中的应用 民用基础设施的结构监测是 fbg 传感器最活跃的领域之一。fbg 传感器可 broad band light source spectro- meter mb21 , , m21 , , b b fbg (a) (b) 图 1.1 fbg传感器 (a)fbg原理图 (b)fbg测量系统 fig.1.1 fbg sensor (a) fbg theory graph (b) fbg demodulation system 1 绪 论 3 以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形 状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个 fbg传感器可以 串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行 远程控制。国外都做的大量的研究工作，取得的实用化的进展，国内也在这方面 做了许多工作，取得了一定的成果。国内外的 fbg在结构健康监测中的应用实例 如下表所示3712-20。 表 1.1 国内外 fbg在结构健康监测中的应用实例 tab.1.1 application examples of fbg used in structure health monitoring 设施 时间 应用状况 加拿大的 beddington trail大 桥 1993 使用了 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支 撑的钢增强杆和碳纤维复合筋上，对系统进行监测。 新墨西哥州的 i-10 桥 1999 美国的海军研究中心在桥的健康监测系统中使用了 60 个 fbg传感器，实现了动态和静态应变测量。 德国的一高速 公路的混凝土桥 1997 将 fbg 应用在高速公路的混凝土桥上。测量载荷 下的线性响应，并且与常规仪器的测试结果做比较。 美国的 waterbury大桥 1997 在美国的 waterbury 大桥的面板上埋入 8 个 fbg 传 感器，研究人员对埋入工业进行了探索，验证了方法的 可行性。 瑞士 luzzone 大坝 瑞士联邦材料测试和研究实验室将光纤光栅传感器 安装在 luzzone 大坝中，对大坝进行安全监测。 美国一 座全复合材料 大桥 1997 大桥的复合材料在制作过程中埋入了光纤光栅传感 器， 通过互联网可以有规律地监视桥梁的荷载响应和跟 踪连接绳索的长期性能。 瑞典 winterhur stock 桥 1997 在桥的两根索上布置了 fbg 传感器和标准应变 计，实验数据表明两者结果是吻合的。 美国 horsetail falls桥 1999 在桥的复合材料加固过程中设置了 28 个 fbg，以 备两年监测之用。 铁路 2003 h. y. tam.等人将 fbg 应用于铁路和桥梁的监测 中，他们在铁路轨道中安装 fbg 去在线探测火车的速 度、质量等。 香港的 tsingma 大桥 香港的 tsingma 大桥应变、温度监测中采用了 fbg 并且和传统的电应变计作比较，将 40 个 fbg 分成三路 安装在大桥的不同位置，试验表明这两种传感器测量结 果非常一致。 重庆大学硕士学位论文 4 续上表： 黑龙江呼兰河 大桥 2001 预应力箱形梁的施工过程中成功地布设了 12 个 fbg 应变传感器与 3 个温度传感器。布设的传感器监测 了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程，以及箱形梁 静载试验的钢筋应变增量与分布；大桥建成后，利用布 设的 fbg 应变和温度传感器对呼兰河大桥进行了阶段 性运营监测，监测了车辆荷载下的应变历程和大桥温度 变化过程。监测结果表明埋入的 fbg 可以方便地监测 汽车的流量及其可能的疲劳损伤，为桥梁结构的健康诊 断提供依据。 广东从化良口 大桥 2002 开展了对预应力梁中预应力钢绞线的变形监测，探 索了 fbg 在实际工程中的测试方法，并对测量中各种 因素的影响进行分析。 1.3 光纤 f-p 传感技术特点及其应用现状 1.3.1 光纤 f-p 传感器技术特点 光纤 f-p 传感器的核心部分是一个 f-p 腔。图 1.2 为光纤 f-p 传感器的结构 示意图：将两根(单模)光纤的端面加工 为镜面作为反射面，使两光纤端面严格 平行、同轴，形成一个腔长为l的密封 光纤 f-p 腔。入射的光在腔内发生多光 束干涉21，当外界发生变化而使得腔长 发生变化时，反射光的参数将发生变 化，通过测量这些参数的变化就可以将 传感量解调出来。这种传感器制作简 单、成本低、可靠性好，静态应变精度 高，温度稳定性好。并且 f-p 腔完全密封，可以防水、耐腐蚀，可以在混凝土结 构的高湿度、高碱性的施工及使用期等恶劣环境中保持长期稳定性。其在各种大 型结构如桥梁、土木建筑、高速公路，建筑等领域都有着良好的应用前景722。 1.3.2 光纤 f-p 传感器在民用基础设施监测中的应用 (1) 国外研究现状24-27 国外用于结构应变监测光纤 f-p应变传感技术的基础研究始于 1983年。1995 年以后，美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大、韩国等国家逐渐开始把这一 图 1.2 f-p传感器结构 fig.1.2 structure of fiber f-p sensor 1 绪 论 5 技术推向应用；到目前为止，已经在很多重要的高层建筑、大坝和桥梁等结构上 实现了在线实时自动监测，并实现了在线远程监测与安全预警，取得了良好的效 果。 美国在结构应变监测光纤 f-p 应变传感技术研究项目上的投入最多、参与的 研究与工程技术人员也最多，其中以佛蒙特(vermont)大学、texas a&m university、海军实验研究中心、弗吉尼亚(virginia)理工学院、加利佛尼亚 (california)州立大学、斯坦福(stanford)大学等的研究及应用成果较为突出。 加拿大的飞索(fiso)公司在结构应变监测光纤传感技术研究上做出了不俗的成 绩；最近已经被长期从事岩土工程测量的罗特斯特(rocktest)公司控股，目前开始 把相关产品推向中国市场。roctest 公司研制的白光光纤 f-p 应变传感器用于桥梁 结构中的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、断裂发生与发展等内部状态监 测，并取得较好的测试结果，后来又对传感器的设计作了一些改进，分别设计了 不带温度补偿和带温度补偿的两种传感器结构。 韩国的 sangyong 研究中心与国家现代科技研究所合作，先后用光纤干涉传 感器、光纤 f-p 传感器进行了混凝土与钢桁梁实验桥的模拟应用研究，并最终应 用在实际桥梁上。在位于汉城附近的汉江上最大的跨度的 sungsan 桥上，选择安 装了光纤 f-p传感器，达到了 0.12微应变的分辨力，并能进行动静态测试。 (2) 国内应用现状728-29 从 90 年代开始，我国就开始了光纤传感技术方面的应用研究，其中光纤 f-p 应变传感是非常普遍并且很重要的一个方面。重庆大学、燕山大学、四川大学、 清华大学，哈尔滨工业大学等各高等院校在这方面纷纷投入大量的研发力量，已 经在将光纤 f-p 传感器应用于桥梁、公路等的健康监测方面进行了大量的理论研 究，取得了较好的效果。重庆大学的研究人员在 f-p 传感器的应用方面做出了深 入的研究并投入到实际的桥梁公路监测当中去，已成功运用于重庆的红槽坊公路 立交桥、马桑溪长江大桥、大佛寺长江大桥、高家花园长江大桥的健康监测和宜 昌长江大桥路面铺装材料环道试验等一系列重大课题中。四川大学的刘浩吾等人 将光纤 f-p 应变传感器应用于混凝土试验方面的研究。哈尔滨工业大学的相关人 员27也将 f-p 应变传感器用于土木建筑方面的应变监测做了初步的工作；对基于 白光干涉的光纤 f -p 应变传感器原理进行了分析；对其用于土木工程健康监测的 安装工艺、温度补偿技术进行了研究，提出了工程应用中尚存的问题。 1.4 课题的意义及其主要研究内容 1.4.1 课题的意义 如上所述，我国基础设施建设速度加大，建设速度加快，其中各种各样的问 重庆大学硕士学位论文 6 题也暴露出来，人们对于结构的健康检测也越来越关注。常规的监测方法越来越 不能满足长期健康测量的要求；因而国内外都将目光投向光纤传感器。fbg 传感 器具有波长编码，易复用优点，可进行动态测量的优点；而光纤 f-p 传感器传感 器则具有静态测量高精度，较低的成本，制作简单的特点；所以这两种传感器应 用得较为广泛。目前研制究解调装置都是针对其中的一种传感器研制开发的，但 是大型结构的应变监测测点数量多，不同的测点对动态响应和测量精度的要求不 同；监测中经常会出现既需要高精度静态应变测量，又需要高速动态测量的情 况。这样在一个健康监测系统中往往需要分别配置 fbg 和光纤 f-p 传感器两套测 量系统，既增加了监测系统的整体造价，又给整体系统的集成和融合带来困难， 降低了稳定性。另外，考虑到结构健康监测是传感器技术和土木工程的交叉研究 领域，这种复杂的光学系统配置会给土木工程领域的工程技术人员带来极大的不 便，也制约了这一研究方向的发展和结构健康监测技术的推广。因此，针对现有 的 fbg 和光纤 f-p 传感器的特点，研究一套二者通用的解调系统，在结构健康监 测领域具有重要的现实意义和潜在的应用价值。 1.4.2 课题的主要内容 基于上述原因，论文开展了一下几个方面的研究工作： (1)分析国内外现有的的 fbg 和光纤 f-p 传感器解调方案，并从中寻找共同 点，提出了对 fbg和光纤 f-p传感器都可以解调的通用方案。 (2)理论上研究了波长参考对实际解调的影响，提出了设置波长参考的必要性 并设计了具体的装置；并对方案中核心器件“可调光纤 f-p 滤波器”的原理做了分 析和探讨。 (3)根据系统需求，选择性能参数合适的器件构建了实际的解调系统；并设计 制作了外围的数据采集、控制电路和以 dsp为核心的信号处理电路。 (4)针对系统硬件的特点，编制 dsp 解调软件、dsp 和上位机通信软件和上 位机的控制、显示、处理和存储等软件，系统实现了自动测量或者手动测量的功 能。 (5)利用研制的通用解调系统分别对 fbg 和光纤 f-p 传感器进行了解调验 证，取得理想的实验结果。 2 fbg和光纤 f-p传感器通用解调系统方案设计 7 2 fbg和光纤 f-p传感器通用解调方案设计 绪论部分提出了工程实践中开发通用解调系统的必要性，本章将对 fbg和光 纤 f-p 传感器常用的解调方案进行分析，以期望能够找出共性点，从而找到一个 通用解调的方案，达到课题目的。 2.1 fbg 传感原理及其解调理论 2.1.1 fbg的传感原理 fbg 传感原理如图 1.1 所示，根据 bragg 衍射原理，当宽带光源发出的光入 射到 fbg 中去，fbg 将把以 bragg 波长为中心的窄带光谱范围内的光反射回 来。bragg波长 b 由 fbg的栅距及有效折射率 eff n决定30： = effb n2 (2.1) 因此fbg可以被看作窄带滤波器，滤波器的中心波长就是bragg波长。当fbg 受到应变、温度等因素使fbg的栅距或有效折射率 eff n 产生变化时，被fbg反 射的bragg波长 b 亦产生相应变化。在受应力作用时fbg会由于光栅周期的伸 缩及弹光效应引起波长的改变。而温度则是由热膨胀效应和热光效应对fbg的 bragg波长产生影响。而且热效应和力效应是相互独立，则由式(2.1)有： += effeffb nn22 (2.2) 或可以表示为： + = eff eff b n n (2.3) (1) 温度灵敏度 不考虑应力对fbg的影响，温度变化既引起fbg的周期的变化，又引起 光纤有效折射率的变化。 t bb +=)(/ (2.4) 其中，为光纤材料的热膨胀系数；为热光系数。对典型的石英有温度系数 6 1067. 6 1 。对于中心波长为1550nm的光栅，其温度敏感性为10.34pm/。 (2) 应变灵敏度 当光纤光栅受到应变时，一方面由于光纤沿轴向和径向的伸缩，导致周期的 改变；另一方面光纤的轴向和径向的伸缩还会引起弹光效应，它会使光纤的折射 重庆大学硕士学位论文 8 率发生变化，从而使bragg波长 b 变化，如果光纤光栅施加的应变是均匀的且各 向同性的，那么其波长偏移量为： )1 (/ ebb p= (2.5) e p 为有效弹光系数，对典型的石英单模光纤 e p 0.22，对于中心波长为1550nm 的光栅，其应变敏感性为1.2pm/。 由上面可知fbg波长位移分别与温度、应力两方面变动分别呈线性关系，且 温度、应力引起的fbg波长位移可以线性叠加。fbg的峰值波长的移动反映了 温度或者应变的变动，从而可以得到传感量的信息。准确、可靠地检测出fbg反 射波长就成为科研的重点，是实现其传感应用的关键。因此许多波长解调方案被 提了出来，一般可分为被动探测、主动探测以及其它方法。比较典型的有以下几 种方案531-36。 2.1.2 fbg常用解调方法 (1) 线性波长依赖装置解调法 图2.1是使用波长依赖的装置(耦合器和滤波器)的解调方案。bragg波长变动 将会引起探测能量的变动，所以通过探测能量的变动就可以对fbg进行解调。系 统中波长依赖的耦合器是一种特殊的装置，它双端输出的耦合比是随着波长不同 而变化的。图中所示的方案是宽带光源进耦合器后进入传感光栅，光栅反射回来 的光经过波长依赖的耦合器分成两路，这两路输出的光能分别被探测，并且计算 两路输出的比值，然后通过波长依赖耦合器输出特性就可以推出波长的信息。此 种解调是非常简单的，属于被动解调方案，已经有熟化的产品，但是此法的分辨 力较低，实际上这种解调方案没有利用到fbg传感器的优点波长编码。这个方 案不适用于复用的fbg的解调，所以有其局限性。 图 2.1 线性波长依赖装置解调法 fig.2.1 linearly wavelength-dependent device method 2 fbg和光纤 f-p传感器通用解调系统方案设计 9 (2) ccd光谱仪解调法 图2.2表示的一种被动解调方案。fbg传感网络反射回来的光通过光栅元件 分光，将不同光谱成分投射到不同光敏元上，不同的光敏元对应着不同的光谱波 长，这样就可以很简单地探测出不同的fbg的中心波长。这种方法综合使用了波 分复用和空分复用的原理，速度很快，复用能力很强，由于ccd具有很高的光 效率，所以即使入射光的能量很弱也能够获得很高的信噪比，但是解调的分辨力 受光敏元的间距的影响。 (3)可调光纤f-p滤波器解调法 如图2.3所示，这是一种主动解调方案。可调谐光纤f-p滤波器可以看作窄 带光滤波器，当它受到扫描电压驱动时，其中透射光的中心波长会变化，实现一 图 2.2 ccd光谱仪解调法 fig. 2.2 ccd spectrometer method 图 2.3 可调 f-p滤波器解调法 fig. 2.3 tunable f-p filter method 重庆大学硕士学位论文 10 个自由光谱范围的光谱扫描。如图所示的方案中，被复用的fbg传感器反射回来 的光通过可调光纤f-p滤波器，当滤波器输出的中心波长与fbg中心波长重合时 输出信号出现最大值，这样可以测定各个传感器中心波长的值，这是一个简单而 典型的波分(wdm)复用的方案。 (4)非平衡mz干涉仪解调法 非平衡mz干涉仪解调法是一种主动解调方案，滤波解调法虽然比较简 单，但很难进一步提高其传感精度。而相干解调法却具有较高的精度，用这种方 法解调可以大大提高传感分辨率。但是这种方案对扰动很敏感的的，比如环境温 度变化，甚至是空气扰动，所以需要一个参考光栅来消除外界因素的影响。带参 考光栅的非平衡mz干涉仪解调法原理图如图2.4 所示，在这个方案中使用了伪 外差探测方法。宽带光源发出的光经过非平衡m-z 干涉仪后，分别通过耦合器入 射到传感光栅和参考光栅中去，bragg 波长漂移被转化为相位变化。在非平衡m- z 干涉仪的一个臂上施加一个频率为的线性扫描电压，则传感器用fbg和参考 用fbg的输出为： )()(cos1 0 ttkii ssss += (2.6) )()(cos1 0 ttkii rrrr += (2.7) sss nd/2)(=为传感用fbg的中心波长的光在非平衡干涉仪中的相位差，nd 是干涉仪中的光程差。)( rr 是相应的参考fbg中心波长的光在干涉仪中的相位 差。)(t是随机相位噪声。上述两路光通过滤波器后，由电路得到两者的相位 差，因为外界的扰动对两者的输出光强的作用是一样的，从而外界的扰动被消除 图 2.4 非平衡 mz 干涉仪解调法 fig.2.4 unbalanced m-z interferometer method 2 fbg和光纤 f-p传感器通用解调系统方案设计 11 了。因此，得到了传感用fbg的相位，通过对此相位变化的测量可以得到应变或 者温度的值。结果表明，该装置具有优于 hz/10-3 的应变测量分辨率。 此外，科研人员也提出了其它的解调方法比如：基于光纤fourier光谱仪、超 声滤波器、michelson干涉仪、匹配fbg、波长可调光源、频率调制等的方法。 2.2 光纤 f-p 传感原理及其解调理论 2.2.1 光纤 f-p 传感原理 上一章介绍了光纤f-p传感器结构图，入射光在f-p腔内产生多光束干涉， 当两个反射面的反射率相同时，其反射光强为2137： )( cos21 )cos1 (2 )( )( 2 )( ir i rr r i + = (2.8) 式中r是f-p腔两端面的反射率，)( )( i i为入射光强，为相邻两反射光或透射 光之间在无穷远处的相位差。考虑到两端面之间的介质为空气，在单模光纤中， 入射光可以近似为垂直入射，这样可以简化为 l4 ，l为f-p腔的腔长，为光 波长。因此(2.8)式可以改写为： )( ) 4 cos(21 ) 4 cos(1 (2 )( )( 2 )( ir i l rr l r i + = (2.9) 由公式(2.9)可以看出当一束光入射到光纤f-p传感器中被调制后，传感器反 射光中包含有f-p腔腔长l的信息，通过对反射光进行处理可以求出f-p腔的腔长 l。如果将传感器安装到所要测量的对象上，被测对象发生的变化会引起传感器 的腔长发生变化，测出腔长的相对变化量，可得到被测对象的应变为： t ll 0 = (2.10) 其中 0 l为初始腔长，t为传感器的灵敏长度。 光纤f-p传感器的输出信号是反射光，传感器输入输出光纤合并为一个；这 样，光纤f-p传感器安装到所测结构上的工艺比较简单。同时光纤f-p传感器还 具有体积小，结构简单的优点，因而它在大型建筑设施的安全监测市场中具有广 阔的应用前景和推广价值737-38。 2.2.2 光纤 f-p 传感器常见解调方法 根据光纤f-p传感器调制/解调方案的不同，常见光纤f-p传感器可以分为强 度型和相位型两大类。 重庆大学硕士学位论文 12 (1) 强度型光纤f-p传感解调39-41 典型的强度型光纤f-p传感器解调系统一般是采用激光作为系统光源的， 如图2.5所示，它主要包括光源、光隔离器、光纤耦合器、f-p传感器、光电探 测器和数据处理等几部分。从(2.9)式可以看出，当输入光的波长和强度 )(i i恒 定时，传感器反射光强 )(r i是腔长l的周期函数，特别当反射率r很小时，其输 出光强和腔长近似成余弦关系。如图2.6所示，当f-p腔腔长l等于4的奇数 倍时，输出信号达到极大值 (如b点)；当f-p腔腔长l 等于4的偶数倍时，输出 信号达到极小值(如a点)。 当传感器腔长l的变化在相 邻的极大点和极小值之间 时，传感器的输出光强 )(r i 是传感器腔长l的单值函 数，对于一个确定的传感器 系统，测量出传感器的输出 光强 )(r i，依据式(2.9)就可以求出传感器的腔长；因此，在设计系统时，腔长和 腔长变化范围要合理，确保传感器输出光强和腔长之间的单值性。 上述强度法解调原理简单，但存在如下缺点45： 它要求光源稳定。光源受到到外界环境因素的影响后，会使得输出光强 会变化，从而系统测量的精度会降低。 按照原理，在线性较好、斜率最大的点(如图2.6所示q点)附近可以获得 测量的高灵敏度，这就要求制作时严格控制传感器的初始的腔长误差，这是比 较困难的。 可测量的腔长变化范围比较小。如果变化超出4，需要进行条纹判向和 条纹计数，使得系统复杂。 (2) 相位型光纤f-p传感解调42-44 图 2.6 传感器输出光强与法珀腔长对应关系 fig. 2.6 output intensity versus cavity length isolator coupler signal process f-p sensor matching liquid laser detector 图 2.5 强度调制型光纤法珀传感系统 fig.2.5 system of intensity modulated fiber f-p sensor 2 fbg和光纤 f-p传感器通用解调系统方案设计 13 在光纤f-p传感系统中，如果光源采用宽带光源，那么公式(2.9)中的波长 不再是一个固定的常数值，这时候传感器输出光强)( )( r i不仅仅与f-p腔腔长l 有关，而是f-p腔腔长l和波长的双参数函数。分析传感器反射信号的光谱， (由2.9式可知)在假设宽带光源各波长单色光光强均匀分布、反射率很小的情况 下，一个确定的腔长l的f-p腔有一个确定的、近似余弦关系的光谱分布。当腔 长l和波长满足关系 ) 12(2 2 =ml(m为干涉级次)时，光强)( )( r i取得极大 值(波峰)；当 ml22 2 =(m为干涉级次)时，光强)( )( r i取得极小值(波谷)。当 f-p腔腔长l发生变化时，波峰和波谷的位置和间距也将发生变化，从光谱图上看 就好象传感器输出光谱的波峰在移动(如图2.7所示)。图2.7中横坐标为波长，纵 坐标为归一化光强。利用这种光谱分布和腔长的对应关系，可以通过分析传感器 输出光谱就可以解调出腔长值。即：只要能够得到光谱，就可以实现相位型光纤 f-p传感器系统的解调，因此相位型光纤f-p传感器的解调方法也称为光谱法。 图2.8是解调系统结构图，由宽带光源、隔离器、耦合器、光谱分析装置、信号 处理单元等组成。 m qm+ qm + m 图 2.7 f-p腔输出光强分布随腔长变化（a）腔长为 1 l（b）腔长为 2 l fig. 2.7 output spectrum of f-p sensor (a) 1 ll = (b) 2 ll = isolator coupler signal process f-p sensor matching liquid sld spectrum analyser 图 2.8 波长调制型光纤 fp传感系统 fig2.8 system of phase modulated fiber f-p sensor 重庆大学硕士学位论文 14 利用图2.8的系统测出光谱图以后，一般采用峰值法解调的算法来计算f-p 腔的腔长。如图2.7，两个光强极大处的波长 m 和 qm+ (m和qm+分别为它们所 对应的干涉级次)和腔长l满足如下关系： m m l) 4 1 2 (= (2.11) qm qm l + + =) 4 1 2 ( (2.12) 将式(2.11)、(2.12)连解，消去m求得腔长： )( 2 qmm mqmq l + + = (2.13) 由式(2.13)得到传感器的应变： )( 2 0 l t q t l qmm mqm = = + + (2.14) 式(2.14)不包含光强)( )( i i项，因而光源波动对应变测量结果无影响。这就解 决了强度型光纤f-p传感器存在的问题，有利于提高光纤f-p传感系统的测量精 度和稳定性。相位法解调得到的是f-p腔的绝对腔长，所以国外又将其称为 absolute ef-pi(aefi) 43-44。当然这种方法没有考虑光源作用，实际上高斯型的光 源会对峰值法解调产生影响，引起周期性的误差45-47。 (3) fizeau干涉仪法解调 本方法是基于相关的原理的解调方法38。解调系统的原理如图2.9所示，宽 带光源发出的光被f-p传感器反射回来，通过透镜准直，然后照射到fizeau干涉 仪上，干涉仪透射光被阵列探测器探测。fizeau干涉仪的核心是一个光楔，入射 到其上的光经产生干涉，透射光光强的空间分布跟楔型的厚度有关。光纤f-p传 感器反射光进入fizeau干涉仪干涉后，在楔型厚度和f-p腔长相等的位置会出现 光强的最大值，这是光楔和f-p腔相关的结果；因此通过寻找光强空间分布的最 brand light source couple lens fiber f-p sensor linear ccd array fizeau interferometer 图 2.9 fizeau 干涉原理解调的光纤 f-p传感