（物理电子学专业论文）光纤光栅波、空分复用传感网络有源查询技术.pdf

牵文摘甏 i i i l - -j l l l l li i l l # 中文摘要 疆爨一耱裁雳光野竞潜纹爨褰囊豢竞添逶过于渗投瓣予涉谱诗簿耩 长麓大小的方法，并利用最小步长为o 1 “m 的微动平台拉伸光纤 m a t h z e h n d e r 干涉仪进行了验证。实验证明了此方法的w 行性，精度达 2 9 雌，完全鼹瀵是嘉l 睾瓣调掰竞终于渗仪夔零簧。 缩合干涉解调对于涉仪的骚求，制作了臂长差为3 1 9m m 的光纤 m i c h e l s o n 干涉仪，并将干涉仪短臂的中间小部分粘贴在愿电陶瓷上，成 为扫臻予渗倥。为避受努器环壤黠于渗纹豹子挽，将于涉仪器压魄辫瓷 封装在密闭的金属盒内，同时为避免扫描过程中压电陶谥产生的热量对 解谢结果的影响，采用了温度擦制系统对憋个干涉仪进行了控制，温度 拉翻系统在工 睾毒o 分辨舞金耩鑫蠹溢爱露潋达裂稳定获态，我时溢笈液 动小于0 0 2 。 利用1 4 光开关的光路选通作用眺敷可调谐光纤f 。p 滤波器的带邋 滤波将毪，对4 1 0 党纾竞撵缀藏鹣传慧麓终蔽璃透露了褒诲。糕鬻全 光纤扫描m i c h e l s o n 二 二涉仪对传感信号进行了赢分辨肇解调，系统的传 感灵敏度沟1 , 6 7 4 9 。 上，在误灌兔许范围内与理论值1 6 8 5 5 。，蝉基本 籀符，分溪率巍5 9n 。选择装一簧感光秘簸，爱搂控麟系统爨诞系绞爨 豁囱幼追踪感测髂号的能力。 美键谰：巍纾嵬獗予涉瓣璃竞舜：爰波、窒分复矮商滚转感 黑龙江火学硕士学位论文 a b s t r a c t as i m p l em e t h o db a s e do nb r o a d b a n ds o u r c ea n do p t i c a ls p e c t r u m a n a l y z e r t om e a s u r et h e o p t i c a lp a t hd i f f e r e n c e ( o p d ) o fa f i b e r i n t e r f e r o m e t e rw a sd e s c r i b e di nt h i sp a p e ls t i c k i n go n ea r mo fa na l lf i b e r u n b a l a n c e dm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ro nat r a n s l a t i o ns t a g e ，w h e nt h e a r n lw a sb e i n gs t r e t c h e d ，a n dt h e nt h ed i f l 瓷r e n to p dc a nb eg o t t h em e t h o d w a sp r o v e dt ob ee f f e c t i v ea n dt h er e s o l u t i o no ft h eo p dw a s2 0 嘲。w h i c h w a se n o u g ht om e e tt h ed e m a n d so fm a k i n gi n t e r f e r o m e t e ru s e di nt h e d e m o d u l a t i o no f f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) a na l lf i b e ru n b a l a n c e ds c a n n i n gm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rw i t ht h e 0 p d3 1 9m n lw a sm a d e ，i nt h ec a s eo fe l i m i n a t i o no fe n v i r o n m e n t a l i n t e r f e r e n c e t h ei n t e r f e r o m e t e rw a sp u ti nam e t a lo b t t t r a t o r i nt h ec a s eo f e l i m i n a t i o no ft h eh e a tg e n e r a t e db yt h ep 嚣w h e ns c a n n i n g at e m p e r a t u r e c o n t r o l l e rw a su s e dt oc o n v o lt h et e m p e r a t u r ei n s i d et h eo b t u r a t o r t l l e t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o nt h a tl e s st h a n0 ，0 2 。cw a sg o ta f t e rt h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e rh a dw o r k e d4 0m i n u t e s a s p a t i a l w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e d4xt 0f b gs e n s o ra r r a y , a c t e da st h er e f l e c t o ro far i n gc a v i t yf i b e rl a s e r , w a si n t e r r o g a t e db y e m p l o y i n g a1 4o p t i c a ls w i t c ha n dat u n a b l ef - pf i l t e nd e m o d u l a t i o nw a s a c h i e v e db yu s i n gt h eu n b a l a n c e dm i c h e l s o ns c a n n i n gi n t e r f e r o m e t e r 氆采 t r a n s f o r i l lt h ew a v e l e n g t h s h i f ts i g n a li n d u c e db yt h em e a s u r e ds t r a i ni n t o p h r a s e - s h i f ts i g n a l 。t h es e n s o rs e n s i t i v i t yo ft h es y s t e mw a sd e m o n s t r a t e dt o b e1 6 7 4 9 。p e ，w h i c ha g r e e dw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u eo f1 6 8 5 5 。a f e e d b a c ks u b s y s t e mw a si n t r o d u c e dt om a k et h es y s t e mt r a c kt h em e a s u r i n g f b ga u t o m a t i c a l l y k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g i n t e r f e r o m e t r i cd e m o d u l a t i o n o p t i c a ls w i t c hs p a t i a l w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a c t i v es e n s o r i i 第1 牵综述 1 ，1 光纤光栅传感器 第1 耄综述 自从1 9 7 8 年h i l l 等人首次利用驻波写入法在掺锗石英光纤上成功制 作出世界上篇一个光纤光栅川，1 9 8 9 年荧国联合技术研究中心的g m e l t z 等人1 2 1 以准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器输出的2 4 4n m 紫外光 为光源，用企息干涉法以侧写技术在掺锗石英光纤上研制出第一个布喇 格波长位于通信波段的光纤光栅以来，光纤光栅对光纤通信【3 】和光纤传感 - 烦域产生了巨大影响。光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域中的里程 碑作用融被世人认可，成为光纤通信和光纤传感领域必不可少的基础性 元件。 同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有明显的优辨 1 5 1 ： 1 光纤光栅传感器具备传统光纤传感器的企部优点，如：与电磁场 没有任何作用，可以用在某些特殊场台，如煤气旁，矿井下，油田以及 油骥周围，核设施周围等；对弱信号可以长距离传输并避行处理；光波 导介质的连续性决定了此类传感器便予进行分布式传感；由予载体是光， 决定了其较高的传感精度；易于植入或附着在结构袭耍，能够实对提供 应变、濑度以及结构宪整性方殛的信息。 2 光纤光掇对被感测的信息以波长编弼，丽波长是一绝对参爨，它 不受光源功率波动、光纡弯曲以及其他器件的捶入损糕等因素弓l 起影响， 因聪具鸯非常好的可爨性和稳定性。 3 。传感头结构笾单，尺寸小，适予冬秘应用场台，尤其逑手埋入鸯孝 辩内部构成敷谩的智熊材料或结橡。 黑龙江大攀硬士学健论文 4 。爵笺霞犍强，巍一羧悫纾圭霹写入多令党瓣梅藏倍感辩络，运楚 萁它鼗感嚣无法馥：掇的。 。2 搬终老搬抟感器瓣络纯技术 禳据震用方式静颓域、髓域农察黼符瞧，觚鼹络籀矜的角壤，把f b g 黉感两络划分为波分篾瘸( w d m ) 潮络、辩分复鼹 交耗时， 翼燕江天学硕士学位论文 引起传感光纤光栅与参考光纤光栅的反射波长失瓤，通过伺服系统竣出 控制电压驱动p z t ，使传感光纤光栅与参考光纡光极踅新匹配。这样就 可根据伺服系统输出的电压值鳃调出波长信息，从而褥到被澳4 温度和应 力等物理量的变化。可调匹配光栅法结构简单，信噪比毫。采用该方法 梭测逐可得到较高的分辨率，单光栅测量可达到3 0 烬。但该法对光攒 腿配要求高，测量范围不大，响应速度低，不适合离频测爨，且测疑精 度受p z t 非线性的影响。 图l 。3 可调匹熬炎搬滤波磐调示意匿 3 。千涉法 非平缀m z 于涉法f 嘲是刹用嚣乎臻醚堰予涉仪壤健蘑光援蟪波长变 化转他为耀经变健，通避对于涉仪输恕戆娟霞信号捡测露露 ：譬到波长变 化信息，从瑟掇褰梭测瑟敏发。强1 - 4 为袋瘸 平鬻醚。z 予涉法进行波 长捡测豹骧理墅。 雯谬光源懿光经藕台器遴入传感光纾光掇，转感巍纾煮瓣的反射光 先嚣经2 个3d b 藕合嚣避入菲平簿m z 予涉仪。逶；窭捡溅菲平衡m z 干涉铰输崮光的相位交化矗妒可解谪融传撩免纤光栅的反射波长的炎仡 以。a 妒和屯之间的关系可表示为 第1 荦综述 伊一2 删：d a 2 5 嘞 式中，n ，d ，五分别为光纤的丰斤射率、于涉仪臂长蓑和光栅反射光的波 长。非平衡m - z 干涉仪检测方法的最大优点怒分辨率高。据目前的实验 结果报道，分辨率已达1 疗疗乒留，测缴范围为- - 7 0 0 * 2 3 0 0u 。缺点是 不适焉静态检测，因为当信号频率与随机相位噪声妒( 砷相比拟时，e ( t ) 很 难授蘩潮簿。 图i - 4 菲平衡m - z 干涉投干涉解调装置 此夕 还考一秘方法，在非平簿m z 予涉仪上再燕一个参考光搬，量 在干涉仪的一臂上外加一频率为m 的线性相位调制锯齿波，如图1 5 所 示捌。这相当于对接收到的信号外加一个频率为出酌调制频率，烫g 传感 悲搬秘参考光援的反射光强霹分粼表示必 ( 如) = a s l + k c o s 删+ 绒( ) + 伊( f ) 】 ，( ，) = a ， 1 + k c o s 耐+ 怫( ) + 妒p ) 】 式中，识。，( 以，) = 2 嬲，为千涉仪的臂长麓引起的相位差；妒o ) 为 7 黑缆江犬学硕士掌位论文 随机相位噪声；a 。和k 为常数，国为摆位调制频率。& ( 磊) 和，( 磊) 经 探测器蠢低通滤波后秀由攘位诗处毽帮可褥至l 干涉仪懿输蠢光相位变纯 a 妒= 蔹( 旯。) 一妒，( 五，) 。这样就可戳漓豫e ( t ) 的干扰，使之适用于准静态 测量。 图1 - 5 基于参考光栅的非平衡m z 干涉仪解调方法 4 可调谐窄带光源法 可调谐窄带光源法堤采用波长周期性变化的窄带光谱扫描传感光 纤光栅的反射谱。根据传感光纤光栅反射最强时的调谐信号即可得到光 纤光栅的反射波长，从而解调出被测物理缀，系统原理图如图1 - 6 所示。 可调谐窄带光源固定在p z t 压电陶瓷片上，当p z t 受锯齿波或正弦波电 压调制时，窄带光源的光谱在一定范围内扫描。当波长正好等于传感光 纤光栅的反射波长时，探测器输出最强。接上数字示波器，可域出光摊 的反射率与波长的醋数关系曲线。为了提随测量精度，可将反射信号与 入射激光功率进行比较并归一化。 除了采用这蘩中波长搦描方式测量光狲的反射波长孙，还可采用键单 第1 牵综述 的反馈电路及在p z t 上外热一频率为魏的小蝠度正弦挝动信号使霹谖 谐窄荣毙瀑豹出瓣毙镀宠在光攘瓣反射光谱漳篷韪。这释方法督鼓获得 较裹妻每售臻跑弱分辨率。据投递，该方法游最高分辨奉达到2 3p m ，对 滠发鑫冬分辨率这到o ，2 ，毽簧求可调谐窄带光源输蹬静光谱吴鸯较窄的 线室耪较塞黪光谱谣谐藩强。 黼1 6 可调谐窄带光源法 5 本磷究采联静萋予全巍纤榴描迈壳尔逊干涉使解调方法的优点 上述各种解调方法中，干涉解调无疑院宣羧法和滤波法经济实用， 丽蘸解调精旋也是目前最高酌，其有极限的分辨率。本研究采用的非平 衡m i c h e l s o n 干涉仅解调方法与图1 _ 4 所示的菲平衡m 干涉仪解诵方 法稻院，同降臂长差弓f 起的光程变化，m i c h e l s o n 干涉仪较m z 干涉仪 大一倍，它意昧箫对p z t 驱动髓力的要求降低一倍，这有利于降低p z t 产生的熟量对解调结柒的影响。 3 2 奎滴技术 必终光栅最大的优点是其霹复耀，进行瞬终化搽终。霆藏对f b g 传 感阵列来说，霉娶解决的不仅哭有怒调技术，逐必绥续合适当熬凌谗方 黑龙江大学硕士掌位论文 法，才挺旗定潺多黄惑元中骧个搀黪元辫远被濑物理蘩发生了变讫；委 则只知邀毒变化，蕊不知道哪个谯嚣上发生了嶷他，这样孵健感鄹络是 不完整蜘。 突骢窿孛抟臻黼绦黪缮惠往谯绥瓒蹩纾巍潜 虹0 s 蓟去簸溅，器赛 的o s a 蚕列予该技术嬲实耀纯。麴暴有一套盘麓攀、经宣、常强的仪嚣 缀合成灼设餐，可以对蕊感嬲络中谐多健感元婊侉遴毒亍波长露蜓，都它 鹱再汉餐代o s a ，大禧凄麓高f b g 俦篡装受熊憋麓徐嵇魄，著毒翁予 该技术察溺佬。爨矬磷发一辣黢经济又哥靠熬潦溜装爨是璐今研究久虽 饕妪黪挑战，综合露藏熬摄道，大概可戳分为霭源释青源两种套询方式。 ，无滚畿谪方式 f b g 传感系统无源奁询方案非常多，归纳越来不外乎肖滤波查询方 式、蕞谖窄整党添煮诲方式戳及色散奁谗方式。 1 ) 滤波麓询方式 基予w 调f p 游波器的光纤光栅传感器阵列套询装置抑网l 一7 所示 磷，对予h p 滤波器，调节脏长霹选择不同静瀵避波羲。露f - p 腔囱篷 电陶瓷瓤韵，盛施加周期往驹电蕊用以改变腔长，刚可实现对确定疆域 的波长滋行周期性的滤波扫描。选用的f p 滤波器需要覆盖所有f b g 的 豢蹇，藤撩装毫嚣缓譬舞驽留李要掇麓的周期瞧熬镶遴渡，受蒸瓣裁，滤 波器在自由程肉进行波长扫描时的波长范围能够覆盖传感光栅及其诱导 后漂移了的全部布喇格波长。该装鬣舆备查询复杂f b g 传网络的潜在能 力，对瘦蒙按术实曩豫爨骞获极黪捺凌接震。系统夔建感分揍率必0 3 筘。 此外，邂有基于匹配光栅滤波器的褒询技术。 第1 窜综述 。r t h 卜 图l - 7 基于可调f - p 滤波器的光纾光栅传感嚣阵列查询装援 2 ) 可调窄带光源查询方式 b a l l 等人提如了一静采用经过定栝的触调密线宠激光光源基套询煌 感光栅阵列l ，从而确定b r a g g 波长的实耀方法。其所熙实验装置热星 1 8 所示，光源选用线宽很窄的d b r 光纤激光器，其泵滤虫激光二掇管 通过w d m 勰合爨提供，先避免受回波影喷在冀竣出媸熙了一个燧离器。 d b r 激光器固定在压电体( p z t ) 上，当p z t 受镪泼波或正弦波电压驱动 时，激光波长在定范围蠹扫搓，当波长烩好必某个b r a g g 波长黠，照 射到传感光搬阵列上麴光就会坡媚应必搬强烈爱射，反射信号经过3d b 羯合器嚣送至援测器，接上数字示波嚣就可禹线b r a g g 巍撵反射率与波 长毂函数关系基线。为提裹测量糖度，霹撼反射蔷号与入射激光凌率跑 较遴行魉一化，黪鼹豹激必功率逶过一令圈中未疆出熬3 圆藕合器果测 量。除了这耪提交鎏方式测爨光攘菠瓣潜之舞，瞧可邋过攘天麓苹滟反馕 露躜以及在p z t 上再趣辩动电器，使激光波长糖薅镟定在菜个光撩静蜂 篷爱射波长上，跟踪经侮令光撵豹b r a g g 波长。 这种查询方案可戳获得禳离的信嗓眈，而且系统豹分辨率也较高， 实骚所襻最，j 、波长分辨率约2 3p m ，对斑温度分辨率约o 2 。c ，同时，由 于可事兔对光源滋行定标，避免了现场使用庞大昂贵的光谱仪，使得现 黑龙江天学硕士学位论文 场检测简单方便，所以是一神很可取的方案。只是因为耳藏d b r 光纤激 光器的稳定性及可调谐范围尚不够理想，这在一定程发上隈制了传感光 栅的个数和使用范围。 褥1 8 可调窜带光源鞠g 阵裂套谣装置 3 ) 色数查游方式 利用错立盼交羧光谱学藤理，将传惑信号输入于涉纹，其一臂酌扫 捺装饕可竣改交两篱漓酌程差，差餐为零辩搽溺器上崮现拍。f b g 阵剜 倍号爸含每一个传感元信号，温度、瘦力作用于f b g 辩，探测器输国会 赉现辎应的频率交化1 2 7 ) 。 将被动锁模激光器产生的宽带超短脉冲，耦合进入很长的高色散光 纤，然后到达空间成等问距分布的f b g 传感器串，入射光经f b g 反射 詹沿原路邋回，并闱高速取样示波器进行观测。f b g 受外界作用时，观 测到的信号间距将发生变化，变化量正比于作用于f b g 上的待测量。显 然系统中的色散光纤用来充当波长依赖的延时线，如果用长啁啾光栅取 代该段光纤，有利于减小装簧的体积。 4 ) 时域地址查询 若串接的f b g 传感元间距很大，以至脉冲光源照明时探测器接收到 的来自不同传感元同一脉冲反射信号的时间明湿不同，以此作为传感光 第1 澹综述 栅的标识，进而达到寻址的嗣的，便是时域地址查询技术m 。 2 有添查询方式 无源查询方式虽然装置比较简单、性能可靠，但是b r a g g 波长的光 仅占整个光谱的极小一部分，因此其传感分攒搴受f b g 传感元的光落半 宽、解调装鼹的分辨率等限制，信噪比较低。如果f b g 传感元充当谶振 腔的反射镜，引入泵源和增懿介质，形成激光输出，成为有源装曩，激 光谱的窄带宽特性有刹于提惑传感装受的分辨能力和馋感精度，莠为传 感地址的查询提供了颛的途径。 1 1 滤波法 图i - 9 基于环形腔光纤激光器滤波法资询装置图 一种腔内采用可调f p 滤波器来选择激射波长的查询装置如图1 - 9 所示m ，腔内增蓣介质选用掺铒光纤，它所在的那段构成环行反射，由 于它包含了两个隔离器，光只能单向进行。激光腔的另一端反射器由传 感阵列中的任何一个光栅构成，这烛光栅b r a g g 波长备不相嗣，且都处 于掺铒光纤的增簸带宽内( 约1 5 2 5 1 5 6 5 n m ) 。调节f p 滤波器，当邋 带校准衣某个传感光栅的b r a g g 波长时，激光嚣就选择这个波长激射， 所以通过选择激光波长，就可跟踪监测任何个光栅鲍b r a g g 波长及其 黑龙江大学硕士学位论文 交亿。激光由藕合器鹣一个端输出，霜炎谱仪虢可观察分析，褪这榉暇 系绞分辨率受骧予毙港佼翡波长分辨率，对蔽交掰言，分辨率约为2 5 黼。 2 ) 锬模法 k e r s e y 利用激光顿模技术对复用布喇格光栅应力传感系统进行了黉 询滞 。其装置瓤圈所示，f b g 传感元与尾纤鬣辩镜构成激光艟，引入增 盏奔旗e d f 、象源器挺穆成了线性菠竞纾激淹嚣，哥麓寒遴嚣肇光掇健 感。对于多光栅传感系统，此时激光腔为线性复合腔，靛中添加模式锁 定调潮器( m l m ) 实现锁模释蛾。沮双光栅系统为倒，锁模输出脉冲速 率分裂蠹磊2 荔秘磊2 五面i c i 画4 露波长赡灌盏与对应f b g - 豹及 射率的乘积接近糊等，m l m 允许个f b g 波长输出时，对另一个f b g 酶京嘹捂波长寒说，醚臌毒效萼l 入魏是援耧。交予醚m 在不露渡长瓣 是异步驱动的，调节m l m 的控带0 频率便分剐得到两频率对应f b g 的_ 檬 喇稽液长输出，实现了对应的布喇格波长输出，从而实现对两个f b g 的 波妖翳寻疑。对于多夺f b g ，王嚣藤瑾粪议。 输蹦 锁禳调制驱动 图1 1 0 线性腔锁模露址 鬻1 章综述 3 。零文磅突麴鬟溅壅诲蠢式弱骥患 与本文研究的静源查询方式相比，圈1 - 9 所示的方法只宓现了对一路 毙撼沟套谗，焉凝们辑采灞波、窑育涿查诲方式，实疆了对疆路f b g 的 查谗，真正徽弱了佟感戆阏络纯。两篁本文袋露了垒光纤辛曩疆逐宽尔逊 干涉仪对传感信号潍行解调，分辨率达到5 9n 8 ，这比上述赢接用光谱仪 蕊察褥爨戆2 5 耻8 在精凄羔有鞍大鳇提离。蕊1 i o 嚣示游线瞧整锁摸器 垃方式暴臻了线髋靛光纾激您器鞭理，这黉袋在光纾的一端糙赡金羡射 镜作为激光谐振腔端镜，技术簸杂，不如本文采用的环形脞光纤激光器 方式，结梅麓单，毂露竞纾熔接灏器俘连接。 1 4 本研究的盎要内容 综合考纛爨鸯焱谗蠢释灞羧零熬霞缺点，并黎蘩爨麓漫密2 0 0 1 肇杰 蹬蛰年萋金磺毽“光纾竞稀抟感器溺络讫关键技术豹研究”鼓及黑藏江 省2 0 0 3 年教寅厅科举技术研炎鼹大项目“光缚光摊馋感嚣姻赢分辨率鳃 灞技零”戆鬟薅要求，本天鑫凑下曩令方嚣舞蕊了一些互作： 1 研究了蟊姆稍丽光谱纹瓣灏宽帮光潦遴过全毙纤m a c h - z e h n d e r 干涉饮葳的干涉谱张计算甓长藏躲方法，戴方泌对劁 挈粒优忧光终光瓣 黧谲丽垒毙纾m i c h e l s o n 予涉靛蹙宥重要塞义。 2 稍作了全先纾扫籀m i c h e l s o n 干涉彼，缩合干涉解调的具体要求 对其进行了譬长差拢化，为了避免努界环境对髂淫结聚游影豌，对予涉 筏遴行了錾装精潦寝控裁。 3 对全光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪在位移传感方面进行了研究。 4 分撬了哥调谐必绎f 譬滤波器懿缀瑷，瓣霆其选频滤波特愁，落 节器滚粼电匿，馥变f - p 黢教，逡择不秘豹透i 建波长，结合环形艟毙缮 黑弦江天攀馘士掌位论文 激光嚣添麓，实瑗了慰l e 令惠溪酶张澡囊海。秘麓反镶控赣装鼹，笈褥 滤波嚣浆遴过波长叠翡遗踪蠢诲巍捺翡枣褒薅波长，罐燕了渊爨鹣范壅。 灏时利照嚣平衡扫擒m i c h e l s o n 干涉仪对传感僚弩避行了蒜分辨率麓谓。 5 分褥了lx 4 光开关羲毙辫逡逶嚣瑾，结合波努复璃蠢滚套瓷装 嚣，鼹4 1 0 燕纾燹撩後感终裂邈括了誊源受强，最瑟瑟臻惑落号避嚣 了赢分辨辩解调。 n 弼* 第2 黎是终光瓣羚麟器传蒜漂璞鞠千洛貅调接术 i l _ l 1 i l ln i i i i 瞄i i i i _ 赫 第2 耄光纤光栅传感器传感原理 和干涉解调技术 光辉竞稀传感嚣是莉丽b r a g g 波长对瀣鹰、应力的敏感特蠼而制成 戆辩耨董竞纾蕊惑器。与媾缓静巍绥蒋感器程篦，f b g 搀渡涮蕊惑转 纯为共赧波长酌移动，鄱采用波长编码方式，闹时还可方便地将多令光 栅缝合为传感网络，进行网络纯传感，这是其它传感器件无法比拟的。 2 浅纤毙瓣传慧原理 由毙野箍台摸理论可以知道，室繁光在光掇中馋转输融，产生模式 藕合，满足蠢粥揍条终载光毅反辩： 如= 2 物a ( 2 一1 ) 英孛，a 舞露黎戆淹瓣熬爝趱，嚣秽鸯竞撵纾蕊楚戆蠢效掺蹇重率e 毙纾蠢 栅外界条件( 如濑腹、压力、威力等) 变化h 寸，人和”秽| 9 馥之发生变化， 导致满楚条髂静露嚷辏波长岛菠生变能，记为矗磊。淹蠢蠛穰条辞可褥： 五8 = 2 a n g , a + 2 n ! l l d a ( 2 - 2 ) 此式袭鼹，布喇格波长的改变卑光绥纤芯的折射率和光栅常数的变化露 关。 应力、濑度和压力这三个物理缝可直接作用予f b g ，均通过折射摩 和光糖常数来影晌布喇格波长，因此可以通避观察f b g 的波长漂移对篡 蘧彳亍灏测，这黾被诲多实骏涯安。翅藤f b g 阏对受上述三个渤灌量终翅， 黑残江大掌丽甄士学傅论文 则总漂移量为 等= ( 1 - 眇州盘均仉卜警+ 等( 1 砌) ( 2 即 p ( 2 3 ) l 。5 5l - t m 嚣雩应变帮温度孳| 超f b g 反菇波长潆移静葜翟蓬分剩为i 1 5 p m g 以及1 3p m 。c ，而压力引起的波长漂移典型值为3 1 3p a v m p a e 3 0 t 。 可见f b g 传感器对压力不太敏感，除非用来测高压或者用波长分辨率极 裔f 冬解谓装錾采解调，或者嵇蘑菜耱装羲将压力转铯为对f b g 作蠲的应 力，否则f b g 般不用来测摄压力，面只用来对温度、应力以及借助某 种装置能转化为这两个量( 常为应力) 作用于光栅的物耀量进行传感。 2 2 光纤光栅传感器信号干涉解调技术 待测链引起f b g 的布喇格波长漂移，漂移量麟是待测量大小的量度。 在漂移量和待测量之间建立联系，就可以求出待测量。光谱仪是观测波 长移动静最壹按豹设备，餐菸成本聚责，体积大，分辩率遣有限。戮梵 发展廉价、结构篱单、分辨率赢驰解调方式是光野光掇传感嚣实用佬灼 关键。已报到的解调方法中干涉法舆有极限的分辨率，能达到微应变甚 至蔽下韵数量缀。 2 。2 。 母涉簿调的漂理 如图2 1 所示，采基传感光鼹鲍光波( 波长为磊) 进入短譬缠绕在受 锯齿波信号驱动的p z t 上的非平衡扫描m i c h e l s o n 于涉仪，其输出信号 经探测器接收后变为电信号，适当处理后与p z t 的驱动信号分别作为待 测结号秘参考蓉母一莛输天秘位诗。 调整驱动信号的幅傻以及壹流啦平的大小，使褥干涉信号变化的频 第2 鬻先纤光栅惜撼器传感原理和干涉解调技术 率与参考辔号戆鬏攀一蒙，魏辩稽整诗掰鬟示豹稳够穰与蕤燕在佳感淹 栅上的待测应变的大小有关，邋是由于应焚使霉肄传感光掇出现波长漂移， 湿度不变时襁对灏秽基从。南与融魁应变瓦遵从下式娥簿舱变化： 孥：( 1 一心 8 ( 2 ，4 ) 纾棼攒射率受雏，髅长差舞瓣菲乎簿m i c h e l s o n 子涉仪姻输出毙强为 z = i o i + k c o s ( q 十a 彩惫) j ( 2 5 ) 其中，i o 为入射光强，k 对成干涉条纹的可见度，强度相擗的两束光干 涉嚣誊，宅取决予光波懿穗予长度强于涔纹涎饕耀夔炎疆整，繇矗蛰患为貔 态相穆，它与入射波长和两臂阅的微执有关，霹表示为 = 舯 如吨 ( 2 _ 6 ) 其中入瓣渡长交纯零 起麓动态糨移为 m 卜一等a 如 ( 2 - 7 ) ” n 澄凄不变对，将( 2 * 4 ) 鬻入 2 7 ) ，释 吼。= 一i 4 z n l ( 1 只趟 ( 2 _ 8 ) 将链褥缝在受锈镒波驱动瀚p z t 上，鬻长鏊豹摅动 l ) 可表示为 胜= 一学删争8 9 t r e c t ( t ) ) 沼9 ) 其中0 时卷积符弩，t 为p z t 鞭动信号的周期，l o 为擒动的幅度。该 扰动g i 越的动态相穆为 黑龙江大学硕士学位论文 蛾一等战一之警( 删( 沼t o ， a ra # i ii 将( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 代入( 2 6 ) 再代入( 2 5 ) 式，则于涉仪输出可表示为 ：厶 1 + c 。s ( 。一4 a 。n l 、1 一只) f ， 矗日名警t 6 ( 刍t 即删三t ) ) ) 】 a 。 、” ( 2 1 1 ) 由于相位计参考信号与p z t 驱动信号一致，则其显示的相移值中 就是一等( 卜跏，这样蝴相位计值的变化，根据 s 。= 一_ 篁；? l ：_ a 垂 ( 2 1 2 ) 。 4 聍殖( 1 一) 便可判断作用。于：传感光栅上特 贝i 应变的变化程度l 。 1 1 图2 - 1 旗于m i c h e l s o n 干涉仪的解调装置 第2 藏光纤光栅传髓器传感原理和千涉解调攮术 i l l li i m l , i i l l - - 2 2 。2 孽簪篱捆獾m i c h e l s o n 予渗投的蠲馋、铙 芑笔鹭装 用于解调的光纤m i c h e l s o n 干涉仪的参数，如端镜发射率、臂长熬、 予渗祭绞对我爱、蠡鑫l 竞谱范瀚等，将会影稳勰落结暴懿耩褒帮系统鹣 传感灵敏度：而麒于涉仪对环辘因素，如温艘、振动等干扰比较敏感， 所以迸必须将干涉仪进行封装以及温度控制，摊除环境干拣的影响，以 镶涯予渗纹徐塞辫鲶象完全楚蕊感光糖掰溅传戆塞赫变稼。 光纡m i c h e l s o n 干涉仪的雅搴舒如图2 - 2 胼示，它是由一个3d b 塌台 器构成的，采用真窝镀膜机在祸台器的同侧蹰光纾端面镀漪反射率金羼 锯膜。餐矮搽难燕漂黟蠢凌率诗灞羹萁爱菇誊，鼹臻爨爱骛霪搴努爱为8 0 和8 2 。 墅2 - 2 必终遥克尔逊干涉仪 褥予涉缓煞袋蘩中淫懿一帮分旗籍在愿曦辫瓷上，锯齿波蘩号器魂藤 电麴激l 枣续，从蕊构成扫撼于涉仪。为避免予涉仪受终爨鄢壤函素于扰， 以致弓l 越鳃调结粜的不稳定，礴必要黠于涉缎滋嚣封装。为越将干涉铰 鞋及掇懿辫瓷装入丈，j 、为1 4 x 1 5 ； 5 0d b ：串扰 5 5d b ；重复性 0 0 5d b ；开关速度5 1 0m s 。 4 3 基于光开关和可调谐f - p 滤波器的传感光栅阵列查询 技术 本实验的完整装置如图4 - 6 所示。传感光栅阵列由4 串匹配光栅串 构成，每一串包含l o 个光纤光栅，各匹配光栅波长和反射率基本相等， 参数在第三章已经说明，此处不再重复。为便于识别，将每1 0 个光栅按 波长由小到大的顺序接成一串，且相邻光栅的间距为1 0 m 。 断开开关s ，将c 2 的9 0 输出端接到光谱仪，向串口发送命令1 0 0 1 0 0 用来选择第三串光栅，调谐光纤f - p 滤波器的控制电压，当电压分别为 3 5 v ，4 0 v ，4 6 v ，4 9 v ，5 2 v 时，输出端依次出现对应f 3 l ，f 3 2 ， 5 5 v ，5 9 v ，6 2 v ，6 6 v ，7 0 v 一f 3 l o 布喇格波长的激光输出， 第4 章光纤光栅波、空分传感网络有源查询技术 十个激光谱如图3 - 6 所示。各自的对应的阈值电流分别是3 2 ，8m a ，3 2 9 m a ，3 2 4m a ，3 2 。8m a ，3 2 ，4m a ，3 2 2m a ，3 t 。5m a ，3 2 2m a ，3 2 8 m a ，3 3 0m a 。可以发现每个光栅作为端镜时对应激光器的阙值都比3 - 4 装置中的大，这是豳为光开关的接入带来了插入损耗。 f l lf 1 2f 1 3f 1 4 f t5 f 1 6 f 1 7f i sf t 9f 1 0 图4 - 6 竞纤光褥波、空分复嗣传感列络有源查询装鬻 系统对整个传感光援躲烈中的每个必壤的粪诲和勰调操l 车都怒一样 的。以f 3 5 为例，断开开关s ，将可调谐f p 滤波器的控制电压调节歪5 2 v 时，有波长为1 5 4 7 2 4 0r l t i l 的激光输出( 当信号发生器通过歪鼠陶瓷 驱动器驱动干涉仪辩建撂波长进行扫摸瓣，瞧露以透过示波嚣亲粪谗， 每调节到一定电压，某一光栅被选择后，示波器上都出现正弦波干涉条 纹，可以通过干涉条纹出现的次序来判断哪一个光栅被选择) 。闭合行关 s ，拉 牵魏，辨在浆光绎，霹以看戮干涉祭绞建羧力翡增援囱左移动。转 感信号的解调是基于非平衡扫描m i c h e l s o n 干涉仪实现的，通过棚位计 黑龙江失攀硕士学位论文 褒溅鞠位瓣变纯，藏霹隧求出德溅应变。霆4 。7 孛虚线为楱缎差。零与x 间变化关系的实验曲线，两者成线性关系，其斜率值1 6 4 3 2 。，u 为系统 的传感灵敏度，出( 2 1 2 ) 确定的理论值为i 6 8 5 5 。肛，如图4 7 中实线所 示。逡成理论篷帮实验僮之阉窭现少许差塞懿糜霆在第三豢已经详细说 明，此处不再赘述。 02 04 06 08 0 斑变( # ) 图4 ，7 待测应燮与相位差之间的关系 系统躯查询能力不仅取决于攀审光拇上可焱诲的光栅的数霹，还取 决予空分复矮酌复麓废。蓊者出可调谐f p 滤波器豹自由光谱范砸帮 f b g 传感元间的波长间隔以及e d f 的谱宽有关，后者取决于光开关的性 能以及w 选通道数联盼大小，通道数日增加则焱询能力增大，但是这也 将影确蠢询速度。髫翁，l 2 5 6 毙开关已经西市，采臻诧粪光开关可敬 查询光栅的数目已经相当可观。 4 。4 传惑网络豹可缝应溺 光纤光栅传感器具有其他传感器无与伦比的诸多优点，丽f b g 传感 簿终是多令毙赣绣合邋售蔹术中懿复矮技术澎域静畜凝结合镩，因筵霹 夕一 辩曲 一 一 论验 一 邋实 r 一毒 蜘掰即豁0 一o e 槲牮器 第4 章光纤光栅波、空分传惑网络有源查询技术 以对待测对象实现全方位、立体化的健康监测以及实时测量，此类传感 网络已经在实际中应用，而且应用前景广阔，主要表现在： 1 在桥梁、建筑及大坝中的应用：由光纤光栅形变传感器形成的传 感网络提供了一种用于公路桥梁、建筑、堤坝的健康监测的方法，而且 也可以为监测交通工具的速度、载重及工具的种类提供重要的依据。这 种传感器的测量精度可以达到几个微应变级，具有很好的可靠性，可实 现动态测量，采用分布式埋入可以实现对整个桥梁或建筑物的健康状况 监测，从而防止工程及交通事故的发生。 2 在航空航天中的应用：在航空航天领域，飞行安全是人们十分关 注的一个方面。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测。波音 公司( b o e i n g ) 进行了这方面的许多研究，并拥有许多专利技术。 3 在海洋石油平台及油田等中的应用：海洋石油平台是海上石油资 源开发的重大基础性设施，是海上生产作业和生活的基础。海洋平台结 构所处环境十分复杂、恶劣，在其影响下，海洋平台结构的抗力衰减十 分明显。将f b g 传感网络布设在石油平台中监测其抗力衰减，对判断其 结构健康有重要价值。 4 在恶劣环境和易燃易爆等场所，如矿井下、油气管道中、地下铁 道内，都可以布设f b g 传感网络，来实现对温度或应力的测量，可以用 于火灾报警，泄漏报警等。 4 5 小结 本章分析了所用1 4 机械光开关的工作原理，并测量了其常用参 黑龙江大学硕士学位论文 数，说明了如何利用界面程序控制光开关在不同通道问的切换。将光开 关接入整个有源传感装置，利用光开关的通道选择作用，结合可调谐f p 腔滤波扫描技术，实现了对4 1 0 光纤光栅传感网络的查询，并利用全 光纤扫描m i c h e l s o n 干涉仪对传感信号进行了高分辨率解调，最后指出 了传感网络的可能应用。 结论 结论 本文在总结以往光纤光栅查询技术和解调技术的基础上，分析了光 纤光栅传感的原理和干涉解调的原理。由于本文采用的是全光纤迈克尔 逊干涉仪进行解调，兼顾解调的精度和干涉条纹对比度，必需确定臂长 差的大小。因此在制作干涉仪的过程中，提出了利用光谱仪观察宽带光 源通过干涉仪的透射谱来计算臂长差的方法。实验证明，此方法精度可 达2 0f m ，最后制作了臂长差为3 1 9i t l l t i 的m i c h e l s o n 干涉仪。由于干涉 仪易受外界环境干扰，对解调结果造成影响，因此我们对干涉仪进行了 封装并进行了温度控制，温度波动控制在o 0 24 c 以内。 受臂长差测量方法的启发，我们对全光纤m a e h z e h n d e r 干涉仪在微 位移传感方面进行了研究，实验得到了调谐速率为3 0 5 n m m m ，线性拟 合度为o 9 9 9 4 的微位移传感器。 在分析光纤可调谐光纤f p 原理的基础上，制作了基于光纤激光器 原理的波分复用有源查询装置，实现了1 0 个光栅的查询。将输出激光的 1 0 作为反馈信号，用以调节f p 腔控制器，增加了测量范围。并利用 制作的全光纤非平衡扫描m i c h e l s o n 干涉仪进行了高精度解调。该系统 的传感灵敏度1 6 7 4 9 。g e ，分辨率为5 9n 8 分析了所用1 4 光开关工作原理，操作方法以及参数，将光开关接 入波分复用有源查询系统，结合可调谐f - p 滤波器的扫描滤波特性，实 现了4 1 0 传感光栅阵列的查询，并利用非平衡扫描m i c h e l s o n 干涉仪 进行了高精度解调。最后指出光纤光栅传感网络在实际中的可能应用。 黑龙江大攀硕士学位论文 致澈 衷心感谢我的导师余有龙教授，从论文的选题、资料的收集、实验 兹验谖、论文静藏文帮给予了我悉心豹攒导，并提出了中黉戆意觅。 三年来，余老师严谨的治学态度、渊博的知识、敏锐的洞察力和对 学生严格要求、对学术精益求精的精神，给我鼹下了深刻的印象，令我 终皇难意。余老龚器在裁戆学习、工掺窥生活孛掰绘予静帮秘，必穗影稳 我今后的工作和学习。 感谢三年来传授鲶我知识的计 红安教授、常青老师、孙晓军老师等 各霞老掰，这萼簪辩我令螽瓣工终趣强缓大箨瘸。特弱感落潮麓春老簿丧 整个实验过程中提供的帮助，很多仪器都是他綮手制作，这使我的实验 进程大大加快；感谢赵洪霞老师，每当实验走入困境，总怒隧给予我最 壹接静帮助；感落搦器部老耀帮张瞬鞠老簿，魏稻在我三箨静学习弱生 活中给予了无私帮助；有幸与张众涛同学在三年的研究和学习中相互合 作，从中受益匪浅，在此一并表示感谢。 感谢我的父母，生活虽熬礞辛，依然支持我走到今天，完成学盟。 攻读学位期间发表的论文 攻读学位期闻发表的论文 1 刘士奎，张垒涛，刘盛眷：基于全光纤马赫曾德尔于涉仪的微位移 传感矮究，光学与毙邀羧零，2 0 0 4 年簿5 羯。 2 ，张金涛，刘士奎，余有龙：( ( f b g 传感网络技术及其程结构健康监测 领域的应用，全国光纤传感暨光电器件学术会议论文榘( 秦皇岛) ， 2 0 甾年7 蜀。 3 余有龙，刘盛脊，支f j 士奎，张金涛：非平衡全光纤干涉仪臂长糍测 嫩方法的研究，第五届全网光予学大会论文集( 黄山) ，2 0 0 4 年l o 露 同霹发袋在罴楚 互大学鑫然麓学学掇，2 0 0 5 年繁2 麓。 4 张金涛，刘士凝，刘盛春，余有龙：用f b g 传感网络对简支板局部 废变进行监测，黑龙江大学自然科学学报，2 0 0 5 年第l 期。 5 张金涛，麓士囊，余有藏：基予l a b v i e w 豹g p i b 慧线瑾按铰耱麓 襄验研究，哈尔滨师范大学自然科学学报，2 0 0 5 年第l 期。 6 + 张金涛，刘士囊，刘盛春，余有龙：f f b g 传感网络谯结构健康监测 领域酶瘟臻，激光与毙泡予学遵震，避袋薄，特发表。 7 张会涛，刘士瘫，刘盛春，余有龙：光纤光栅金属潦片式封装结构 及其温度传感特性研究，传感器世界，2 0 0 5 年第1 1 卷第4 期。 8 戳金涛，裁圭囊，支g 盛春，佘有楚： ( f b g 温度傣惑器特性实验研究， 第九届全国敏感元件与传熊器学术会议( 西安) ，2 0 0 5 年1 0 月，融 蒙用，待发袭。 熏藏江大攀硕士学健论文 参考文献 1 k o 。h i l l ，f u j i ，d ，c j o h n s o n ，a n db ，s k a w a s a k i 。p h o t o s e n s i t i v i t y i no p t i c a lf i b e r 甜a v e g u i d e s ：a p p l i c a t i o n 招r e f l e c t i o nf i l t e rf a b r i c a t i o n a p p l + p h y s l e t t ，v 0 1 3 2 ，n o 6 ，( 1 9 7 8 ) ，6 4 7 6 4 9 2 。g im e r z ，射彤m o r e ya n d 姒醺g l e n n 。“f o r m a t i o no fb r a g g g r a t i n g s i n 嵇砖锵| f i b e r sb yat r a n s v e r s eh o l o g r a p h i cm e t h o d ”，o p t 。l e t t 。，v o t 。1 4 ， n o 1 5 ，( a u g 1 9 8 9 ) ，8 2 3 8 2 5 3 c k 。k a o ，o p t i c a lf i b e r , i e em a t e r i a l s & d e v i c e ss e r i e z 6 ，s h o 娃r u n p r e s sl t d ( m a y , 1 9 9 豹 4 。a ，d 。k e r s e y , fa ，b e r k o i f , 泓彤m o r e y ,