（电工理论与新技术专业论文）啁啾光栅门式起重机索力检测系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 机软件，使用者可以方便的在p c 机上对其工作状态进行监控和数据调 用。 关键词：啁啾光栅，光强比值，索力检测 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i b e ro p t i c a lg r a t i n gs e n s o ri sas e n s o rw h i c hi sm a d eb a s e do ng r a t i n g w a v e l e n g t h ss e n s i t i v et ot e m p e r a t u r ea n ds t r a i n i na d d i t i o nt ot r a d i t i o n a le l e c t r i c s e n s o r sf u n c t i o n , i ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so fa n t i - e 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 ， 诵d em e a s u r e m e n tr a n g e ，l a r g e l yd y n a m i cr a n g e ，a n dg o o ds t a b i l i t y t h e ya 托晰d e l y u s e di nc o m p o s i t em a t e r i a la n dc o n c r e t et om o n i t o rt h e i rs t r u c t u r e s ，a n da l s ou s e di n t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , p e t r o l e u mc o n t r o l l i n g ，a n dc h e m i c a li n d u s t r y f i b e rc h i r p e dg r a t i n g ，f c g , s e n s o r su s i n gr e f l e c t e dl i # ti n t e n s i t ya st h e m o d u l a t e ds i g n a l ，h a v ea d v a n t a g e so fc o s ta n ds p e e dc o m p a r e dt of i b e rb r a g gg r a t i n g s e n s o r sw h ou s ew a v e l e n g t ha st h em o d u l a t e ds i g n a l ，a n dh a v e b e e nu s e di nv i b r a t i o n a n ds t r e s sm e a s u r e m e n t t of c g i n t e n s i t yd e m o d u l a t i o n , f l u c t u a t i o no fo u t p u tp o w e r f r o ml i g h ts o u r c ea n dp o w e ra t t e n u a t i o no ft h ev i b r a t i o n sg e n e r a t e db yb e n d i n gi n t r a n s m i s s i o na r em a j o rd i s t u r b a n c e s ，p a r t i c u l a r l yi nt h em e a s u r e m e n to fa no b j e c t w h o s ec h a n g ei ss l o w a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i 印a li nc o n t a i n e rc r a n ew e i g h i n g ，am e t h o d b a s e do nr a t i oo fl i g h ti n t e n s i t yi si n t r o d u c e dt oi m p r o v ef c gl i g h ti n t e n s i t y d e m o d u l a t i o n ，e l i m i n a t i n gs o m em a i nd i s t r u b sw h e nf c gi s u s e dt om e a s u r e s t e a d y - s t a t es i g n a l s ，a n db r o a d e n i n gt h ea p p l i c a t i o no ff c gs e n s i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s c r i b e sf c gr a t i om e t h o do fl i g h ti n t e n s i t ya n dg i v e sat h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，a n di n t r o d u e s t h ed e s i g no fo p t i c a lr o u t ea n dt h ew a yo fh o wt ob u i l d i t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h er e s u l ts h o w sw h e nl i g h ts o u r c ep o w e rc h a n g e si nt h e r a t i oo f3 d b ，t h eo u t p u ts i g n a lc h a n g e sa b o u t1 5 t om a k et h er a t i od e m o d u l a t i o n i n s t r u m e n t ，t h i sd e s i g n eu s e sa na r mp r o c e s s o rf r o ms t m i c r o e l e c t r o n i c sa st h ec o r e o ft h ed e v i c e ，a n dt h i sp a p e ri n t r o d u e st h ed e s i g ni nf u l ld e t a i l si nb o t hh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei n t h ew a yo fm o d u l a r i z a t i o n ；m a k e sap cs o f t w a r ew h i c hc a r ls u p e r v i s e sa n d s a v et h ed a t ab yl a b v i e w ：r e s u l t so fr a t i od e m o d u l a t i o ni n s t r u m e n ti ng a n t r yc r a n e s c a b l et e n s i o nm e a s u r e m e n te x p e r i m e n ta r ea sf o l l o w s ：w h e nt h em e a s u r er a n g ei s0t o 3t o n s ，t h ed e g r e eo fl i n e a rf i tw a s9 9 6 7 ，a n df u l ls c a l ee r r o ro f1 8 2 ，b e t t e rt h a n t h er e s i s t a n c eo fs t r a i ng a u g ew h i c hi si n d c a t e da b o u t3 t h em a i nw o r kih a v ed o n e ： 1 ) d o i n gs t u d ya n dr e s e a r c ho nf i b e rc h i r p e dg r a t i n g , a n dm a k i n ga l li n n o v a t i o n m 武汉理工大学硕士学位论文 i m p r o v eo nt h eo p t i c a lp a t ho ff c gs e n s i n gs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h e c l m r a c t e d s t i c so ff c gs e n s i n gt h e o r y 2 ) a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h em e a s u r i n gs i g n a la n dm e a s u r em e t h o do n t h i sa p p l i c a t i o n ，c h o o s i n gi cw i c hf i tt h ea p p l i c a t i o nw e l l ，o ft h e s em o d u l e s a n dc o m p l e t i n gt h eh a r d w a r ed e s i g n 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i t i o no fh a r d w a r e ，c o m p l e t i n gd e s i g no fe m b e d d e d p a r to fs o f t w a r e b u i l dap cs o i t w a r e ，s ou s e i sc a r le a s i l ym o n i t o rt h es t a t u s a n dc o n t r o la n dc a l lt h ed a t a k e y w o r d s ：f i b e rc h i r p e dg r a t i n g ，r a t i oo fl i g h ti n t e n s i t y , c a b l et e n s i o nm e a ：眦m e n t i v 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师舞魁期：螋 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一门热门的传感技术，是随 着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的。光纤传感器是通过光信号的 变化来反应外界物理量、生物量、化学量的变化的。具体地讲是当光在光导纤 维中传播时，表征光的特征量( 例如：振幅、相位、偏振态以及波长等) 会由 于被测参量( 例如：应力、温度、电场、磁场等) 对光纤的作用而发生变化，使得 光波成为被调制的信号光，再通过光探测器与解调器从而获得被测参量的参数。 因为它是一种光学传感器，在传感原理以及方式，信号传输的方法以及探测和 处理等各个方面都与传统的电学传感器完全不同。目前世界上出现了各种各样 的光纤传感技术，并得到了广泛的关注和深入的研究。与电学传感器相比，其 主要特点有：灵敏度高；抗电磁干扰能力强，同时自身也不产生电磁干扰；可 以集传感与传输为一体；能实现传感器复用以及分布式测量：电绝缘性能好， 安全可靠；耐腐蚀，化学性能稳定：传输损耗小：可实现远距离遥控监测；光 纤价格低廉等n 钔。正是这些独特的优点突破了传统传感器在各个领域内应用的 许多限制，从而使传感技术迈出了一大步，给现代检测技术提供了有力的工具。 同时，光纤传感器在军事和国防科技以及关系国泰民生的领域都有着重要的实 用价值。例如：陀螺仪、加速度计、飞机与军舰的结构健康监测、油田防火灾 报警、煤矿瓦斯监测、水坝健康监测等b 1 。 1 2 选题背景及意义 在现代物流运输系统中，港口集装箱门式起重机起着重要的作用。而其钢 索的健康状况是门式起重机的一个重要指标。对门式起重机索力的监控以及对 货物超重报警可以有效地保护吊机，同时也能保障现场工作人员的安全。因此， 准确、稳定且可靠地测量门式起重机索力有着重要的工程意义以及经济意义。 钢丝缆索内部的应力比较复杂，当钢索受到的应力过大或过于集中时极容 易发生锈蚀及断裂k 4 7 1 。门式起重机索力监测是通过一个装置将其转化为压应力 这种间接方式获得的。目前，该装置内部采用的是电阻应变片式传感器，其优 武汉理工大学硕士学位论文 点是精度高，价格适中，贴片工艺成熟。同时其信号解调系统也十分成熟。但 它也有自身的缺点，例如电阻材料特性曲线零漂移严重，耐久性、耐污染性、 耐潮性都较差，并且其传感信号容易受到电磁干扰。它的测量满量程误差，据 国内主流门式起重机企业的使用电阻应变片式传感器的标准，一般在3 左右， 且使用寿命较短一般一年。因此提高传感器测量精度以及使用寿命是一个有待 解决的问题。本文希望通过使用光纤传感技术来提高测量精度与可靠性并控制 索力检测装置设计的整体成本。 光纤应力传感器的种类很多主要有光纤弹光效应压力传感器，基于布里渊 散射的效应分布式传感器，光纤光栅应力传感器等。然而将它们用在此应用上 也存在着一些问题。光纤弹光效应压力传感器需要使用保偏光纤，成本很高同 时安装难度较大，并且灵敏度不高。基于布里渊散射的效应分布式传感器研发 难度大，设备成本高，在本课题应用中，又无需做应力的分布式测量。在其它 的光纤光栅应力传感器中，长周期光栅的光源稳定工作时间太短( 通常只有数 十分钟) 不便于长期测量。布拉格光栅传感器测量精度高( 在本课题应用中的 满量程误差可达到0 7 3 珀1 ) ，并且使用寿命长，但其解调成本仍然较高，准分 布式测量特点无法体现。啁啾光纤光栅( f i b e rc h i r p e dg r a t i n gf c g ) 可以看作是 有数十个具有相邻反射波长的f b g 的叠加，f c g 众多的反射b r a g g 波长比单一 的f b g 宽数十倍，反射光的能量大，所以可以采用强度解调的方法。光强解调 使得其测量的动态性能好，解调速度可以达到1 0 0 kh z 以上，并且其解调系统 的价格也较低，但测量精度不及f b g 。综合考虑后，本课题采用啁啾光栅作为 该应用的检测方式。 然而在啁啾光栅应力测量中存在一个技术难点，即在测量稳态应力时，其 结果易受光源输出光功率波动和传输光路由于震动产生的弯曲衰减的干扰，这 种干扰会使信号产生较大的零点漂移，给测量的重复性提出了严峻的考验。如 果频繁的对零点进行校正，则给实际工程应用带来极大地不便。 本文采用光强比值法对f c g 光强解调进行改进，有效地抑制了光源干扰， 使得f c g 传感器能够克服上述缺点成为门式起重机索力检测较好的选择。 1 3 国内外光纤应力传感器研究现状和进展 1 3 1 光纤弹光效应压力传感器 光纤弹光效应压力传感器是一种非功能的光强调制传感器。基本工作原理 2 武汉理工大学硕士学位论文 如图1 1 ： 压力， p 1 1 i p 图1 1 光纤压力传感器原理图 光源发出的光，经光纤1 自聚焦透镜g 1 准直为平行光束，再经过起偏p ， 成为偏振方向与压力p 方向成4 5 度角的线偏振光，当压力作用在光弹材料p e m 上时，光弹材料产生折射，改变通过光弹材料的光的偏振态来使经过后的光强 发生变化t t l 。 由于考虑到传感器的稳定运行，在实际应用中常采用双光源、双探头同时 探测的光桥补偿光路。通过这种办法测量的精度和稳定性都有了较大的提高。 在0 至8 兆帕时，精度可以达到0 0 1 兆帕。 1 3 2 光纤光栅应力传感器 光纤光栅应力传感器分为光纤b r a g g 光栅应力传感器、光纤啁啾光栅应力传 感器和基于长周期光栅的温度负载同时测量传感器。它们都是功能型的，即集 传感与传输为一体。其中，光纤b r a g g 光栅可以实现准分布式测量。它们的主要 不同之处是在于光纤b r a g g 光栅是通过波长调制信号来检测应力，而光纤啁啾光 栅是通过光强调制信号来检测应力的，其具体传感原理见第二章。下面介绍基 于长周期光栅的温度负载同时测量传感器。 基于长周期光栅的温度负载同时测量传感器的原理是用长周期光纤光栅 ( l p f g ) 对横向负载不敏感的侧面承载，负载的变化使得损耗峰幅值线性变化 对谐振波长无影响；温度的变化使得谐振波长线性漂移而对幅值无影响。分别 测量谐振波长和幅值的变化就可以得到横向负载与温度的变化i s l , 此外根据高 武汉理工大学硕士学位论文 频c 0 2 激光写入的l p f g 谐振波长的横向负载灵敏度具有较强的方向性及谐振 波长随负载线性漂移的特点，可以形成灵敏度可调的负载传感器 9 1 0 原理是根 据被测负载量的可能大小，选用l p f g 的不同侧面承受横向负载。当负载较大时， 选用谐振波长对负载不太敏感的侧面承受压力；当负载量较小时，选用谐振波 长对负载比较敏感的侧面承受压力。因为这种l p f g 损耗峰值横向负载特性的方 向相关性较弱，并且损耗峰幅值随负载的增长线性减小，因此实际测量中可以 同时测量谐振波长和损耗峰幅值的变化，相互校正，从而提高精度1 1 0 1 。其实验 装置图如下： 图1 2l p f g 应力检测原理图 由于光源要求和其他技术限制，目前国内外还几乎没有商业化产品出现。 1 3 3 基于布里渊散射的分布式光纤应变温度传感器 基于布里渊散射的效应分布式传感器是通过石英光纤应变引起的自发布里 渊散射或者受激布里渊散射的斯托克斯光的频移量发生变化来实现应变测量 的。这两种散射都可以用来作分布式传感器。自发布里渊散射信号较弱，因而 需要较长的检测时间 i l l 。但今年来随着掺铒光纤激光器和放大器的进步，自发 布里渊散射的信号有了显著的提高。受激布里渊散射需要两束反向激光同时注 入，它们间相差布里渊频移。受激布里渊信号幅度强，因此测量时间可以大大 缩短。在自发布里渊散射时，光纤中布里渊散射信号的频移和散射光强与光纤 所处的环境和承受的应力在一定条件下成线性关裂1 2 】： 坷8 = c y r a t + c f 。如 器= 。r a t + 血 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 式中，晚为布里渊频移变化量；占为应变变化量；蝇为布里渊功率变化 4 武汉理工大学硕士学位论文 量；丁为温度变化量；c ，r 为布里渊温度功率分布系数；c 盯为布里渊频移温 度系数；c p 。为布里渊功率应变系数；c h 为布里渊频移应变系数。在功率系数 与频移系数已知的情况下就可一通过式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 求得温度和应变。 目前，基于布里渊散射的分布式光纤光栅传感技术主要有两个研究方案： 一个是基于布里渊光时域反射( b o d t r ) 技术的分布式光纤传感技术；一个是 基于布里渊光时域分析( b o d l a ) 技术的光纤传感技术。国外基于布里渊散射 的分布式光纤应变测量仪已有商业化产品出售，且已经能达到优于l o , u 8 的测量 分辨率和3 m 的空间分辨率，可以应用到工程实践中。但目前国内对于这一传感 技术的研究比较欠缺，还不能自行生产出这种测量仪表n 引。 1 4 国内外光纤光栅解调技术的发展 1 4 1 匹配滤波法： 匹配滤波法是利用一个参考光栅或带通滤波器件，在驱动元件的作用下借助 外差载波技术来跟踪传感光栅的波长变化，通过驱动信号跟踪扫描获取被测应 力或温度，实现参考光栅对传感光栅信号的解调。这种方法又可分为反射型和透 射型1 1 4 1 。反射型解调法的原理如图1 3 所示。传感光栅反射回来的光经耦合器 进入参考光栅，通过驱动元件驱动参考光栅进行扫描，当其反射中心波长与传感 光栅的反射波长匹配时，探测器的输出最大，根据探测器的输出记录此时驱动信 号的大小，便可得到被测量的大小。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的影 响较大，对探测器的要求也较高。其静态应变可达0 4 个微应变，动态应变( 大于 3 h z 时) 可达0 0 1 个微应变，静态轴向应变分辨率约为1 个微应变每赫兹 1 5 1 。针 对这一问题，有人提出了透射型的测量方案，即在接收透射光的位置上放置光电 探测器，通过监测透射光强( 透射光强最小时) 得到传感光栅中心反射波长，该方法 克服了测量微弱光强信号的局限性。分布式传感系统的透射式原理如图( 1 4 ) 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 一 删盯 l 碍口岬 幽呶l 二_ ，飘 - i | i i | i 、= 图 i ia谝 l 岍l1 r 、 u u 聊 控 - - 蜃器囊 魄 制 1 一芗瞰旷嘲 磊 眩d 电 积 剥一 压 l 三；光孵t 栅 厂习in t 五】臼膏 图1 3 反射型解调法的原理图图1 4 分布式传感系统的透射式原理图 1 4 2 边缘滤波法 在1 5 2 0 - 1 5 6 0n m 的波长范围内，耦合器的效率与波长基本呈线性关系，利用 这一特殊传输特性可以测量光纤光栅的波长变化。测量系统如图1 5 所示。 光 图1 5 边缘滤波原理图 器 输 出 传感光栅反射回来的光进入耦合器，其出射光分为两束，在同一坐标系下，这 两束光的功率与入射光的功率关系形x 。两束出射光通过光电探测器变成电信 号，经处理后消除光功率变化的影响，最后得到波长的变化量。这种方法后续 的电子处理电路极为简单，但由于受器件传输特性的影响，测量的分辨率较低， 动态应变测量响应速度也不超过1 0 0 h z ，这为测量分辨率要求不是很高的场合提 供了一种结构简单，性价比很高的测量方案u 6 1 7 l 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 3 非平衡的光纤m a c h z e h n d e r 千涉法 从光栅反射回来的光送人一非平衡的光纤m a e h - z e h n d e r 干涉仪，干涉计两 臂绕在压电圆筒上，再用从探测器发出的低频信号驱动压电圆筒来抵消低频相 位漂移伊( f ) 。当应变作用与光栅上时，其反射波长移动对m z 干涉仪来说相当 于一个波长可调的光源，光波长变化，输出相位变化为： 删= 孚m 一孕少如 3 ) 乃f1 1 ) 根据上式可以得出其相位变化与波长变化成线性关系，通过检测相位变化 就能求出波长变化。由于非平衡的光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪受环境因素干扰非 常大，所以只能用于大于1 0 0 h z 的动态应变测量，此时s 变为和s i n r o t 。有人 提出了双光栅漂移补偿干涉法测量波长移动来克服这一缺点，这样可以测量低 至1 h z 的准静态应变1 8 1 9 1 。 非平衡的光纤m a c h - z e h n d e r 干涉测量法在大于l o o h z 的频率下可以达 0 6 n 6 勉的动态应变分辨率。同时也能用在光纤光栅复用网络中解调波长移 动。然而它不能用来测量波长绝对值，也不能测静态应变。 1 4 4 扫描光纤f p 干涉探测法 扫描光纤f p 干涉法。光纤光栅的反射光被送入可调谐的光纤f p ( f f p ) 滤波器。将锯齿波电压加在f f p 上，使其在光纤光栅波长附近扫描，f f p 输出 的过零点就在光纤光栅的峰值波长上，此时f f p 所加的电压就反应了光栅的波 长。扫描f f p 法可以测量波长绝对值，既可测量动态波长移动，也能测量静态 波长移动。应变测量分辨率可以达到1 个微应变，并且能够用于复用光纤光栅 传感器阵列，目前是一种广泛使用的光纤光栅波长信号解调技术。其缺点是解 调速度较慢2 0 2 1 1 。 1 5 本人完成的主要工作与论文安排 本人所做的主要工作为： 根据啁啾光栅传感原理对整个啁啾光栅传感系统的光路进行了创新性 的改进和设计。 7 武汉理工大学硕士学位论文 根据集装箱门吊索力的测量信号特点以及测量方法，针对性地选择了各 个模块的i c 并完成了解调系统的硬件设计。 根据硬件部分的组成，完成了嵌入式系统和上位机的软件。 本文的创新点是首次将啁啾光栅传感技术应用到起重机索力检测中；采用 光强比值法进行f c g 传感技术进行了创新性的改进。 本文的安排如下： 第一章提出了本课题研究的意义与背景，综述了光纤应力传感器的特点以 及国内外的发展现状，并简单回顾了光纤光栅传感器的几种常用解调方法。 第二章主要描述了光强比值法的光路设计以及其理论分析，并介绍了门式 起重机索力检测的传感体的结构以及检测方法。 第三章主要介绍光强比值解调仪表的主要硬件电路设计，包括光源控制模 块、光接收模块、采样模块、处理器、电源模块、通信以及显示模块的设计。 第四章主要介绍了嵌入式下位机软件设计以及上位机软件的设计 第五章首先通过实验验证了光强比值法对光源波动的抗干扰能力，之后给 出了在门式起重机索力检测模拟实验中的试验结果及分析 第六章总结与展望，对本文的工作进行了简单总结，并对下一步要进行的 研究工作进行了展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章f c g 光强比值的光路设计 2 1f c g 的光学原理 光纤光栅通过改变光纤纤心处的折射率，产生周期性的调制而形成的。通 常情况下折射率的变化大小范围在1 0 巧至l o 弓之间。根据光栅周期与折射率沿轴 向的不同分布，可以将它们分类为均匀光栅、啁啾光栅、m o d e 光栅、变迹光栅 等。根据光纤光栅的周期长短又可将之分为短周期光栅与长周期光栅，前者周 期一般在零点几个纳米左右，后者的周期一般为几百微米。在这些光栅中，光 学周期沿光栅轴向分布为非均匀的光栅称之为啁啾光栅。如果光栅周期是线性 递增或递减的称为线性啁啾光栅，若是非线性递增或递减的则称为非线性啁啾 光栅。其中线性啁啾光栅在实际运用中比较常见，本课题采用的也是线性啁啾 光栅。线面分析它的光学原理。 由于f c g 的光学周期沿光栅轴向是逐渐线性变大( 小) 的一种光纤光栅，所 以可以把f c g 看作是数个反射波长递增或递减的f b 6 的叠加1 7 | 0 现以光学周期 沿轴向变小的情况为例进行讨论。f b g 反射g g 波长将在光栅尾部反射，长波长 的部分会相应的在前端反射。不同波长的光波对应与不同的小段光栅反射，使 光程随波长而单调递增或递减。所以，宽光谱光进入光纤并经过f c g 反射后， 出来的是有一定带宽范围的发射谱，这就是线性f c g 光学原理。示意图如图2 1 1 2 2 1 ： 名1 名2 图2 1 线性f c g 光学原理 f c g 的几何周期与f b g 的几何周期都较小，f c g 的反射光谱宽一般为数个 纳米，f b g 的反射光谱一般为0 2 r i m 左右。然而对与光强解调来说，光谱宽为 0 2 r i m 的光功率太小，实现精确测量较困难。数个1 1 1 1 1 宽的光谱强度则大了许多 9 武汉理工大学硕士学位论文 可以实现光强解调，其光谱如下。下文所说的反射光强即为反射光谱的总面积 的光功率。 山n2 t 嘲1 7 ：訇 匿!l 雀 1 7 0i _ fj | 1l i l | 一 i 1 2 孵m l 铷田r _1 r 呻1 铺n 圜圜固圜圈 图2 2 线性啁啾光栅的光谱图 2 2f c g 的传感原理 f c g 的传感原理与b r a g g 传感原理基本相同，当2 个f c g 光谱反响重叠时 在外界物理量的作用下除了引入波长变化外，还引起光谱的展宽( 光强变化) 2 扣。 因此两者都可以作为反映物理量变化的工具。 应变和压力通过改变光栅周期的长短以及弹光效应引起光纤光栅的波长变 换。而温度是通过热膨胀与热光效应来改变光栅波长。光栅的周期a 和光纤纤 心纤心区有效折射率在受到外界温度和应力影响下将分别产生a a 和衄一的 变化，也就引起了光纤光栅反射波长的相应变化。因此在实际应用中必须区分 温度和应变信号。 2 2 1 辅向应力特性 当光纤光栅仅受轴向应力作用，环境温度和径向压力保持恒定时，光栅栅 距的改变可用下式表示： a a = a ( 2 1 ) 式中q 为考察点处的轴向应变。此外由于弹光效应的存在使得b r a g g 光栅 折射率发生变化： ：一望坠掣毛 ( 2 2 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 式中弓为p o e k e l 系数，y 是p o i s s o n 比。又定义弹光系数 n = 一立堕掣趔e ( 2 3 ) 2 。 于是可以得到： 垃= 一p e s ( 2 - 4 ) 于是可得到当两者共同作用时波长变化为： 气= ( 1 - p e ) g , , 2 b ( 2 - 5 ) ( 注：在实际应用中可以忽略二阶应变对光栅灵敏度带来的影响) 对于石英光纤来说p e = 0 2 2 ，于是有： 她= 0 7 8 6 。2 b ( 2 6 ) 从上式中可以发现波长变化量与外界轴向应变g 。成线性对应关系。通过波 长变化即可方便的求出轴向应变。 2 2 2 温度特性 由于热膨胀效应和热光效应的存在，f b g 的波长将受到温度影响。假设 b r a g g 光栅处受到的应力和压力保持不变，环境温度变化丁时，由热膨胀效应 使b r a g g 光栅伸缩从而改变了光栅周期，其变化关系可以表示为： a a = a t a a( 2 7 ) 其中口为材料的热膨胀系数。对于掺锗石英光纤，口= 5 5 x 1 0 - 7 c 。 而热效应会引起光栅区域的折射率发生变化，关系如下： a n , = a 聪 ( 2 - 8 ) 其中孝为热光系数，反映折射率随温度的变化率。所以b r a g g 光栅的温度灵 敏度可以表示为： 厨= 尘至：口+ 孝 ( 2 9 ) 2 如 。 在本课题研究中忽略了光纤光栅温度、应变的交叉特性以及横向压力特性 带来的影响。根据有关文献可知这种近似带来的误差是可以允许的粥。 2 3 光强比值的应用 光强比值在光纤传感技术的发展中并不是一种新的技术。在基于拉曼散射 的分布式光纤温度传感器中，当高功率的光脉冲注入光纤后，光线中会产生后 武汉理工大学硕士学位论文 向散射光，其中沿轴向的后向散射光功率最强。这其中包括瑞利光，拉曼和布 里渊反斯托克斯光( 其波长比入射波长短) 和拉曼和布里渊斯托克斯光( 其波 长比入射波长长) 等分量。其中瑞利后向散射光与输入光的波长相同，拉曼光 离瑞利光频4 0 0 c m 1 波数 3 0 1 0 反斯托科斯散射光对温度敏感，其强度受温度调 制；而斯托克斯散射光基本与温度无关。所以应用斯托克斯光与反斯托克斯光 强比值即可获得待测的环境温度。在拉曼光时域反射( r o t d r ) 应用中，使用 光强比值可以消除一些非温度因素对测量的影响，如光在传播中的衰减、微弯 效应带来的衰减、注入脉冲光功率的变化等。这里给出其理论计算公式，关于 中间推导过程可查阅文献【3 1 l r ( z ) = 乞z , = ( 屹v ) 4 e x p ( 咖j k r ) ( 2 1 0 ) 其中e ( r ) 为待测温度函数，l 为反斯托克斯散射光强，为斯托克斯散射 光强，为反斯托克斯光频率，u 为斯托克斯光频率，为瑞利散射光频率，h 为普朗克常量，k 为波尔滋曼常数，丁为绝对温度。 2 4f c g 光强比值原理 传感栅部分仍使用传统的f c g 测应力的方法。具体为将两个谱形基本一致 的啁啾光栅串联在一起，两个都作为传感光栅，粘贴于作为传力预元件的弹性 体正反两面上，在弹性体表面垂直方向上加载载荷，啁啾光栅的光谱会由于应 力作用发生移动，移动的方式是：受轴向拉应力的向长波长方向移动，受轴向 压应力的向短波长方向移动。两光栅合成的反射谱带宽就会增加，相应的光强 也会随之呈线性增加，于是可以利用探测器检测反射光强的变化，并进行相应 得标定，实现对应力变化的测量。这样可以将传感信号响应提高一倍，同时又 能有校的消除了温度带来的干扰。 s e n s i n gf c 0 ss e n s i 眦jf c 0 $ f l t a l i o n a f fs b a t el o a d - c a n y i n gs t a t e 图2 3 传感栅工作原理 1 2 t e 惦i r ef c 0w a v e s h a p em o v e st o r i o h t 武汉理工大学硕士学位论文 但是，依据啁啾传感器的原理，如果直接探测传感光路输出的光强，会存 在问题：抗干扰能力差。这是因为影响光强的因素非常多，而且很不容易控制。 例如：光源光功率的波动，传输光路受到干扰，自然环境对光学器件产生的影 响，等等。这就往往导致光强解调的精度不高，产生较大的误差，甚至出现信 号被干扰湮没的情况。 从上述对光强解调的分析可以看出，影响光强解调精度的最主要的问题处 在光路部分。因此现在是从光路部分寻求突破，找到改进的办法。改进的光路 如图2 4 所示，令传感光栅反射光强 i = = k p s ( 2 1 1 ) 式2 1 1 中，p 为宽带光源的光强密度( w m ) ，k 为与光功率相关的波动系数， s 为传感光栅的反射谱包络面积。 l ，； 图2 4 光强比值解调原理图 则传感光路探测器p i n l 和参考光路探测器p i n 2 的入射光强分别为： k 龋 4 吾k p s 庀 器 ( 2 1 2 ) l 2 蹦 蹦 ，r ，j、l 武汉理工大学硕士学位论文 式2 1 2 中，s 化为参考光栅的反射谱的包络面积。 将i p i n l 与i p i n 2 作比值运算，得到目标函数： 叫妒鲁= 蒡 ( 2 1 3 ) 显然，从上式2 1 3 中可以看出，目标函数r f 【x ) 是一个与光功率波动k 无关的 函数，并且与传感光栅反射谱的包络面积呈线性关系。而由啁啾光栅的传感原 理可知，传感光栅的包络面积变化与所检测的应力应变变化成正比。因此，可 以利用目标函数来实现光参量的准确调制，然后通过标定实现应力应变的精确 的计量检测。在实际应用中，为提高传感器的灵敏度并防止3 号栅光谱包络漂 移出传感栅光谱包络，可将参考栅的反射光谱做得窄一些，而将传感栅的反射 光谱做得宽一些，它们的中心波长基本一致。这样对应同样大小的应变输出将 比较大，同时也会有较大的耐温漂范围( 1 对应1 0 p m 的波长漂移) 。这里给处 一种可行的方案：将传感栅的反射谱做成2 n m 宽，参考栅的光谱做成l r u n 宽， 中心波长都为1 31 0 r i m 。 2 5 门式起重机索力检测的传感头设计 2 5 1 门式起重机索力检测的方法 在门式起重机索力检测应用中，实际检测的物理量是吊机钢缆上的索力。 对于这种应用，直接检测是较难实现的，而工程中用的最多的是间接法测量。 通过图2 5 具体介绍。 i , e e d e e l l 碰e 髓 图2 5 间接法测拉力机械原理图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 传感体通过固定器固定后被至于虎口夹中。虎口夹通过两个固定夹将钢绳 固定。在钢绳与传感体之间有一圆柱体，它钢绳上的力传导给传感体，同时也 能使压力固定集中在一点上，便于提高测量的精度。 当钢绳松弛时，没有压力加在圆柱体上。所以这时传感体也不受力。当钢 绳被拉而绷紧时，钢绳凸起处就有一压力通过中间的圆柱体加在传感体上。这 时就产生了传感信号。这种方法是通过测量正压力的办法来检测钢绳拉力的， 所以称为间接法测量。 2 52 门式起重机检测的传感体设计 根据虎口夹的实际结构，我们将传感体设计成等强度梁的形式如图： 图2 6 间接法测拉力的传感探头结构 其尺寸为$ c m x 3 c m x 2 c m 。而只有中问2 c m 被设计成等强度粱。这样做的 依据是受力区本生较窄，理论上只有圆柱体与梁相切的一点。第二是钢绳上的 拉力较大，一般为吨级以上。即使采用间接法测量，其压力仍然较大。若将整 个传感体都做成等强度梁的形式，则传感体的机械强度将降低，最终使该设计 的可靠性与耐久性降低。在贴光栅时，将两传感栅置于等强度梁的上下正反两 侧，其中一个受拉一个受压。而参考栅，在模拟试验中与传感栅置与同一环境 中，但不周定在传感体上。其受力分析如下： f n m i x h 弱纛瓣 t 图2 7 间接法测拉力的受力分析 武汉理工大学硕士学位论文 其中，f 为钢绳上拉力，k 为所测得的压力，口为钢绳中性线与等强度梁 中性线所成的夹角。下面仍以b r a g g 光栅的传感原理来解释 由2 2 节知b r a g g 波长变化在不考虑温度影响的情况下为 “= o7 峨也( 2 - 1 4 ) 而由图2 7 与材料力学知识知应力 d = 嘉 ( 2 _ 1 5 ) 。2 i 而 “” 其中d = 疋= 4 ，( 疋，茸分别为拉应力与压应力) ，为在此应力下对应的 应变，为正压力，上为等强度粱的长度，e 为杨氏模量，矿为一与零件结构 相关的常数。 又根据图27 知： f = fs i n a( 2 1 6 ) 所以得到： a z ：07 8 1 l f , s i a t z ( 2 1 7 ) 。2 e 从上式可以看出钢绳拉力与波长位移成线性关系，同理也与啁啾光栅光谱 展宽成线性关系。这样就找到了测量量与被测量的关系。在试验中，通过千斤 顶对钢绳加力钢绳绷紧后即会对等强度粱产生压力。产生的信号通过光纤反 射回检测仪表中。 最后整个传感装置以及试验器具如下图： 图2 8 模拟港吊称重的实验平台 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 系统的整体需求分析 本课题的检测对象是钢缆的索力，其性能需求是量程范围为o 至3 吨，总 体误差范围控制在3 以内。而在功能上要完成其仪表显示，数据处理以及与上 位机通信等。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章光强比值仪表的硬件设计 3 1 系统的硬件整体构成 根据系统的功能要求，可将硬件部分用下图示意： 光接收模块 上上 a d 转换采样 卜块吲兰凇嚣 上土 l 显示模块通信模块 图3 1 光强比值仪表的硬件系统框图 从整体系统框图中可以看到，首先由超亮度发光二极管发出宽谱光，注入 光纤后经反射分别由接收单元1 ( 接收传感栅反射光) 与接收单元2 ( 接收参考 栅反射光) 接收到。接收单元将光强变为电压信号输出。接着a d 转换单元将 该模拟电压信号转换成数字信号并送给处理器。处理器对数据进行比值计算后 将其结果显示并送给上位机。 由此，可将整个硬件部分分成几个模块：光源及其控制模块，光接收模块， a d 转换模块，处理器控制模块，电源模块，显示模块及通信模块。 3 2 光源及其控制模块 半导体发光二极管( l e d ) 与超发光半导体发光二极管( s l e d ) 是光纤传 感器中常用最常用的低相干宽谱光源。其中l e d 光谱较宽，而光功率较小。s l e d 不但输出光谱宽而且其输出光功率也比l e d 大一个数量级，适合单模光纤的应 用场合。然而s l e d 的输出光功率以及光谱宽度容易受到温度和电流变化的影 响。此外，作为半导体器件，它必须工作在额定电流以及温度下。因此对s l e d 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 进行恒流恒温控制是十分必要的。 3 2 1 光源的控制原理 s l e d 通常由三部分组成：s l e d 管芯，制冷器t e c ，以及热敏电阻组成。 s l e d 工作时其工作温度会随时间升高。由于其光功率具有负的温度特性，所以 输出光功率会随工作时间逐渐降低。而其中心波长有正的温度特性，所以其中 心波长会随工作时间逐渐向长波长方向漂移。而这两点都对使用其作为光源的 光纤传感系统不利。 一般采用负反馈的方式来对s l e d 进行控制使其稳定运行。具体控制框图 如下t 3 3 1 ： s l e d 处理器 热敏电阻e 刮放大器 h i 习a d 转换 j 上 s l e d 管芯b 爿驱动电路仁 l - 1p i d i 上上 i 二 驱动电路仁t e c 仁 p w m l 图3 2s l e d 控制原理图 由a d 转换器读出热敏电阻电压值。将a d 值送入处理器进行一定的运算， 然后由其生成p w m 波经过温度控制电路进而控制制冷器t e c 。 具体的控制方法大都是采用p i d 控制方式，通过测量值与给定值的比较产 生的误差经p i d 算处理后通过p w m 波方式控制温度驱动电路，以达到控制t e c 的目的。基本算法如下： 上 “( 七) = k e e ( k ) + k , p ( j ) + 髟( 七) 一p ( 七一1 ) 】 ( 3 1 ) i = o 其中e ( k ) 为测量值与给定值的误差；为比例系数、k 为积分系数、髟为 微分控制系数。对于温控系统来说常采用位置式p i d 算法。于是对上式整理可 得： u ( k ) = k p e ( k )