毕业设计论文-光纤布拉格光栅应变测量系统研究

重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 编号 毕业设计（论文） 题目 光纤布拉格光栅应变测量系统研究 二级学院电子信息及其自动化学院 专业测控技术与仪器 班级测控技术与仪器（一）班 学生姓名龙广学号 11007030119 指导教师鲁进职称讲师 时间 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 目录 摘要.I Abstract.II 1 章 绪论.1 11 课题研究背景及意义.1 引言.1 111 光纤光栅的发展动态. 2 112 光纤光栅传感系统的研究意义.5 12 光纤光栅传感器应用的发展现状. 7 1.2.1 国外研究现状.7 1.2.2 国内研究现状.8 13 课题研究内容.9 2 章 光纤布拉格光栅应变测量系统的设计. 10 21 光纤光栅应变测量系统的结构. 10 22 传感头的设计.12 221 光纤布拉格光栅的耦合模理论分析.12 222 光纤布拉格光栅的应变测量原理.13 23 光纤光栅应变测量系统解调模块的设计.14 231 光纤光栅传感系统解调方案.15 2. 32 边缘滤波法.15 233 被动解调法.16 234 可调光纤 F-P 滤波器解调法.16 235 可调谐窄带激光器扫描法.17 236 锁模调制法.18 237 环型反射器法. 19 238 非平衡 M-Z 光纤干涉仪解调.20 24 光纤马赫一曾德尔干涉仪系统设计.22 24. 1 光纤马赫一曾德尔干涉仪解调的原理.22 242 光纤马赫-曾德尔干涉仪光纤系统构成.23 243 光纤马赫一曾德尔干涉仪的参数计算.23 244 压电陶瓷的调制及参数计.24 25 后续信号处理模块的设计. 25 251 信号解调的基本原理. 26 2 .52 光纤光栅传感信号的解调.26 2. 6限制光纤马赫一曾德尔干涉仪动态范围的关键因素.27 2. 6. 1 低通滤波器的约束特性. 28 262 有限的载波频率. 28 27 本章小结.29 3 章 系统的实验方案设计.30 31 光纤布拉格光栅应变测量系统实验研究.30 32 系统应变测量实验研究. 30 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 32. 1 应变加载的实现. 31 322 测量数据的处理. 31 33 本章小结.32 4 章 实验系统分析.33 41 测量系统误差分析.33 411 系统误差来源. 33 412 系统温度补偿的分析. 33 413 光纤布拉格光栅的温度特性.33 4. 14 温度补偿的实现. 34 42 实验分析.34 421 系统应变测量实验分析. 34 422 相位生成载波解调系统实验分析.35 43 本章小结.35 5 章 结论.37 致谢.38 参考文献.39 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 I 摘要 本文以光纤布拉格光栅应变测量系统的设计和实验研究为目的，在对国内外 研究现状进行了深入分析的基础上，归纳了当前光纤光栅传感器的发展趋势及在 实际应用中需要解决的几个主要问题，并针对光纤布拉格光栅应变测量系统的实 际需要，对光纤光栅应变测量系统的各个环节进行了研究。 首先，论文从光纤布拉格光栅应变测量系统的理论模型入手，着重对光纤光 栅应变传感特性进行了系统的分析，论证了光纤布拉格光栅作为传感头用于应变 测量的优越性；在分析比较了常见的信号解调技术的优缺点基础上，提出应用光 纤马赫-曾德尔干涉仪与相位生成载波调制解调技术相结合的方法来实现光纤光 栅传感信号的解调，通过详细的理论分析论证了系统方案的可行性；并指出了限 制光纤马赫-曾德尔干涉仪动态范围上限的关键因素。 其次，对光纤布拉格光栅应变测量系统进行了实验方案设计。通过光纤布拉 格光栅应变特性的测试实验，验证了光纤布拉格光栅中心反射波长与应变的线性 关系：对应变测量系统进行了实验方案设计和仿真实验研究，证明了系统所设计 的解调方案能够实现系统的高精度测量。 最后，对实验系统进行了分析。基于光纤光栅的温度晌应特性，提出用一个 参考光栅来进行光纤光栅应变测量温度补偿的设计方案，并详细推导了其补偿原 理，证明了该方法的可行性；此外，系统在进行温度补偿的同时也消除了外界干 扰对应变测量的影响。 关键词:光纤布拉格光栅;光纤光栅测量系统;应变测量;光纤马赫-曾德 尔干涉仪;信号解调;相位生成载波 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 II Abstract In the thesis，strain measurement system of FBG is designed systemically and researched by experimentBased on analysis of domestic and foreign study actualities on FBG development trend and several main problems of FBG sensor in application are summarizedAnd to meet the need of practical strain measurement system，we research each aspect as design for strain measurement system of FBG First， starting with theoretic model of strain measurement system of FBG， focuses on the systematic analysis of the strain sensing properties of fiber Bragg grating， proves the superiority of the application of FBG as sensor to strainm easurement；on the basis of analyzing advantages and disadvantages of familiar demodulation Techniquesamethodthatcombinesnon-balancedfiberMachZehnder interferometer(FMZI)and phase generated carrier(PGC) modulation and demodulation technique is proposed to realize signal demodulation of FBG sensing system，and the proposed system scheme is testified to be feasible by analyzing detailedty and theoretically As the same time， factors limited the upper limitation of the dynamic range in fiber MachZehnder interferometer is analyzed theoretically Next， experiment scheme of strain measement system of FBG is designedStrain performance of FBG is tested experimentally,which proves that the center wavelength of FBG is linear to strain Experiment scheme design and simulation of strain measurement are made to testify that the demodulation schemed esigned by system can realize the high-accuracy measurement Last， the systemic is analyzed Due to temperature performance of FBG,a reference FBG is adopted to compensate temperatureThe proposed system scheme is testified by deriving the compensation principle detailedly Moreover， this scheme not only realizes temperature compensation but also eliminates the effect of environment fluctuation acting on strain measurement。 Keywords:Fiber Bragg grating；FBG measurement system；Strain measurement； Fiber MachZehnder interferometer； Signal demodulation；Phase generated carrier 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 1 1 章 绪论 11 课题研究背景及意义 引言 近年来，在国防、工业与农业生产、环境保护、生物医学、计量测试、交通 运输、自动控制等领域，对 3S(smart material，smart structure，smart skin) 系统的研究与应用已引起了科学界极大的关注并成为研究热点。其中对应变测量 系统的研究与应用就是重点研究内容之一。 3S 系统 1含义是：把高超的光纤光栅技术、光纤网络、光纤制动仪器有机地 融为一体。利用掩埋或贴附的方法把它们复合到制造现代运载体(如飞机、舰船、 坦克等)或各种建筑体(如桥墩、 大坝、 楼房等)的框架和承力件外蒙皮的复合材料 中，制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏反映的智能传感系统。该系统对被测体的应 变、温度、应力、老化、裂变等各种物理量进行大面积实时综合测量、诊断和控 制，并通过测量和数据处理系统进行状态分析，同时对各种越限行为及时告警， 必要时采取应急措施。 光纤光栅作为一种新兴的光纤无源器件，是光纤技术进展的产物 2。以光纤 布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称为 FBG)为主的光纤光栅传感器之所以能 够如此受到关注，是因为它除了具有光纤传感器的抗电磁干扰、耐高温、体积小、 灵活方便等优势，还具有其它传感技术无法替代的优点，如其传感信号是以波长 调制的，所以测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等 因素的影；避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题；其复用能力强， 在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入(或粘于)被测结构，可同时得到 几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。因而，光纤光栅在光纤传感器领 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 2 域具有十分广阔的应用前景 3-5。 就目前来说，光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感领域 6。 随着光纤光栅制造技术的不断成熟和商用化，光纤光栅将改革人们在光纤技术应 用中的传统思想，可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器(EDFA)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，从而为人们进入全光信息时代带来了无限生机和希望。 11 1 光纤光栅的发展动态 1978 年，加拿大通信研究中心的 KOHill 等人首次利用窄带 488 nm 的激 光制作光纤 Bragg 光栅。在掺锗的单模光纤中，行波场通过光纤端面的反射在光 纤中形成一个驻波场，光纤中形成了持久的与写入光驻波场空间分布相同的周期 性折射率改变，这种折射率的周期性变化构成了一个 Bragg 光栅。 1989 年，美国联合技术研究中心的 GMeltz 等人发明了光纤 Bragg 光栅的外 写入法，首次利用 244 nm KrF 准分子激光器、采用双光束侧面全息干涉法研制成 功 Bragg 光纤光栅滤波器。 1993 年， Hill 等人提出的相位掩模制造法 7和逐点写入技术使先纤光栅的制 造技术得到重大发展，光纤光栅的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐 步走向实用化。 随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，世界各国掀起了光纤光栅技术研究的热 潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现。到目前为止，人们可以制 造出波长范围从紫外到近红外、峰值反射率从低于百分之一到几乎百分之百、反 射带宽从低于 01 纳米到数纳米的光栅 8。 由于光纤光栅的折射率分布反映了光纤光栅的周期和折射率调制等结构参数， 这些参数决定了光纤光栅的 Bragg 波长、带宽和反射特性等，从而使不同的折射 率调制及不同结构的光纤光栅具有了不同的功能，形成不同的光纤光栅器件。因 此，光纤光栅的类型按其空间周期和折射率分布特征主要发展为以下八种： (1)均匀周期光纤布拉格光栅(uniform Bragg grating)这是最为常见的一种 光纤光栅，其折射率分布如图 1-l(a)所示。它在光纤激光器、光纤传感器、光纤 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 3 波分复用等领域有重要的应用价值。 (2)啁啾光纤光栅(chirped grating)其主要特点是光栅周期非均匀性，其折 射率分布如图 1-1(b)所示。啁啾光栅被广泛应用于 WDM 系统的色散补偿、掺饵的 光纤放大器与光纤激光器的性能优化等方面。 (3)超结构与重叠光纤光栅(superstructure grating)在光栅写入过程中对 写入光源进行调制可以制作出超结构光纤光栅或取样光栅，或在光纤同一个位置 重叠写入多个具有不同中心波长的光栅，这两种光栅在多波长光纤激光器方面有 一定应用价值阶 9-11。 (4)倾斜光纤光栅(tilted grating)主要是光栅平面与光纤轴向有一定的夹 角， 它主要可以用作掺饵光纤放大器的增益平坦滤波器、 光传播模式转换器等 12。 (5)摩尔光纤光栅(moire grating)它是通过在原先写入光栅的位置上再写入 一个光栅得到的，其折射率分布如图 1-1(c)所示。如果在光纤的同一位置写入多 个不同的 Bragg 光栅则会产生多个反射峰，可做成梳状滤波器用于复用解复用 系统中，还可用在多波长光纤激光器和多参量测量传感系统中 13。 (6)Taper 型光纤光栅(taper grating)这是一种切趾光栅，它的周期均匀， 但折射率随一定的函数关系变化， 正弦型 Taper 光栅的折射率分布如图 1-1(d)所 示。Taper 型光纤光栅可构成各种滤波器、波长变换器和光插分复用器。 (7)相移光纤光栅(phase-shifted grating)主要通过在制作过程中引入光栅 相移得到，其折射率分布如图 1-1(e)所示。这种光栅在光通信中特别是在多通道 光波系统中，可被用来选择通道 14-15。 (8)长周期光纤光栅(long-period grating)长周期光纤光栅在带阻滤波器、 宽带掺饵光纤放大器的增益平坦、高灵敏度传感器等方面有重要的应用背景。 从大量的文献资料分析可以看出，当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际 应用中需要解决的问题主要有： (1)光源 光纤 Bragg 光栅传感器需要大功率宽带光源或可调谐光源。目前一 般采用的侧面发光二极管(ELED)功率较低，而激光二极管(LD)的带宽则较窄。 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 4 图 1-1各种光栅折射率的变化 Fig.1-1The refractive index modulation of various FBG (2)光纤光栅基本性质的研究包括光纤材料光敏本质的机理；光纤光栅灵敏 度、动态范围的提高途径；光纤光栅增敏和去敏的可能方式；交叉敏感的解决途 径。 （3） 光栅传感器的制作与封装光纤光栅作为传感功能器件， 其反射率不稳定， 会严重影响整个传感系统的性能。因此，制作稳定的光纤光栅，及对封装技术的 研究，是实现可靠传感的重要因素。 (4)信号解调 光纤 Bragg 光栅用作传感时是波长编码的，要获得原来的传感 量，就需要从测得的光信号中检测出布拉格波长的漂移，实现信号的解调。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。可以说，解调系统是光纤光栅传感系统的核心。而目前， 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 5 实验中一般采用的光谱分析仪价格昂贵、体积大，尤其是不能输出与被测物理量 成正比的电信号。因此，在实用中必须开发出高效低成本的信号解调系统。 (5)多路复用传感器阵列研究如上所述， 传感系统中解调模块的成本在整个成 本中的比例非常高，如果用同一解调模块对多个传感光栅进行解调，即在系统中 复用多个传感光栅，则每个传感探头上的平均成本就能大大降低。而且多点传感 系统的体积也能明显减小。因此，实现多参数、多变量同时测量的智能化遥测是 发展的重点。 112 光纤光栅传感系统的研究意义 近二十年来，我国经济的快速发展为建筑业的发展带来了契机，大型结构如 桥梁、高层建筑、大坝、核电站等工程建设进入了前所未有的高潮时期。建筑结 构的多样化和复杂化，带来了建筑结构工程科研、设计、施工、监理和管理水平 的全面提升，也带动和促进了相关产业的发展。同时，其安全可靠性己成为当今 社会普遍关注的重大问题 16。因为如果不能及时发现这些重要结构在服役期内的 损伤位置及其对整个结构的危害性，其灾难性后果不仅会造成无法估量的经济损 失，还会严重危及到人们的生命财产安全。结构监测的前提是从结构中提取能反 映结构特征的参数。最能反映结构局部特征，便于结构安全评价与损伤定位的是 应变信号，应变是材料与结构的重要物理特性，是重要工程结构健康监测最为重 要的参数之一。因此，对大型结构应变，进行长期、实时、在线监测，具有十分 重要的意义。 目前，对结构的应变检测主要采用常规的检测手段，即电类传感测量技术， 如电阻应变片、钢弦计等，它们虽在大型工程结构的施工质量控制及竣工验收中 得到广泛应用，但就对结构的长期、实时、在线监测而言，则存在着根本不足。 传统的电阻应变片传感元件的性能虽然在不断的提高，作为钢结构的短期应变 测量，还是能满足工程要求的，但其受环境影响较大，如电磁干扰、潮湿、化学 腐蚀等都会使其零点发生长期漂移，因此长期应变测试的结果会严重失真。在 混凝土应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地 使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 6 度和稳定性也较好。由于钢弦丝长期处于张紧状态，蠕变现象十分严重，国产钢 弦应变传感器的正常使用期为 3 年左右。总之，上述常规的电类传感检测手段存 在传感元件寿命短、测量易受环境影响、不能进行分布测量等缺点，因而均不能 实现对重大工程结构安全状态的长期监测。已广泛研究的光纤微弯传感器始终 存在一些难以克服的缺点，如受光强影响大、光纤弯曲损耗和连接损耗大。同时， 这种传感器的数据采集系统采用的是光时域反射技术，由于该技术的空间分辨率 决定于光纤对背散射光信号进行偏振分析的时间分辨率，这一局限性导致光纤微 弯传感器的空间分辨率不可能很高。另外，背散射不能够提供光纤偏振的所有信 息，固定传感器的位置时需要很长的光纤且不能随意布置，因此它也是制约这种 传感器应用推广的障碍。通过国内外同行的大量研究和实践，已将应变测量锁定 在光纤光栅传感技术上。 传感器的嵌入带来诸多好处。首先，在结构件的制作过程中，通过这些嵌入 的传感器能够实时地监测诸如温度、压力、粘滞性、固化程度和残余应变等过程 参数，从而实现制作过程的优化和控制。其次，在结构件制作好并用于某种应用 后，同样是这些传感器还能够使应用在不间断运行的情况下对结构件的受力、损 伤等情况进行动态监测，从而及时地发现故障点、故障程度并采取相应的处理措 施。 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： (1)光纤光栅具有体积小、重量轻、强度高和弯曲性能好等特点，适于大面积 对各手中形状的物体进行实时监测。 (2)光纤具有细柔韧的特点， 使得它容易掩埋或贴附到各种材料中形成光纤神 经网络。 (3)具有比其它传感器高得多的灵敏度， 一旦形成智能材料， 便可以对各种监 测对象进行高精度的自诊断和自治愈功能。 (4)抗干扰能力强，一方面因为普通的光纤传输不会影响传输光波的频率特 性；另一方面是因为光源光强的起伏、光纤微弯效应等引起的随机起伏以及耦合 损耗等都不可能影响传感信号的波长特性。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。 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 7 总之，光纤布拉格光栅除了具有光纤传感器的特点外，其波长编码特性使其 感测结果不受光源功率波动及光的偏振态的变化的影响，并且便于利用复用(波 分、时分、空分等)技术实现对应变的准分布式多点测量。这在现代高科技及工业 的发展诸如建筑结构、航空航天、水坝桥梁、强场探测等领域的智能结构中具有 重大的实用价值。 12 光纤光栅传感器应用的发展现状 由于光纤光栅传感器自身具备许多其它传感技术无法替代的优点，所以自其 出现以来引起了世界各国的广泛重视，并且已经取得了持续和快速的发展。光纤 光栅传感器已经在地球动力学、航天船舶、民用工程结构、电力工业、医学及化 学传感等多个领域获得了应用。 1.2.1 国外研究现状 光纤光栅传惑器的种类很多，由于应变测量的广泛性，光纤光栅应变传感器 自然成为目前研究的热点。应用光纤光栅应变传感器最多的领域之一当数桥梁的 安全监测。自 1993 年加拿大卡尔加里的 Beddington Trail 大桥首先使用了光纤 光栅进行应力测量并用此方法长期监测桥梁结构以来，国外先进发达国家都用光 纤光栅传感技术作为桥梁长期安全监测的首选技术。如美国新墨西哥 Las Cruces 的 I 一 10 桥梁工程用了 67 个光纤光栅传感器贴在桥下的钢梁上测量桥上车辆运 动引起的形变应变，传感器可探测经过桥梁的重型卡车和超重卡车数，也可探测 动态荷载引起的结构响应，此工程也可将传感器嚣于关键的强应力位置来验明结 构的损坏和退化， 了解桥梁对交通响应的长期变化； 佛蒙特大学的 fuhr 和 Huston 领导的研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛蒙特钢构架大桥，测量 数据传输到中心计算机进行分析并发布到万维网(WWW)上；德国的 Meissner 等人 将布拉格光栅埋入德累斯顿附近 A4 高速公路上一座跨度 72 米的预应力水泥大桥 的混凝土棱柱中，测量荷载下的基本线性响应 17。在其它一些发达国家也有光纤 光栅传感器用于桥梁监测的例子，均取得了良好的效果，并有力地推动了桥梁工 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 8 程科学的发展。 光纤光栅传感器用于大型工程结构的健康监测目前仍处于探索阶段，其研究 时间较短。早期研究主要集中于光纤传感技术用于混凝土结构的健康监测 (Mendezetal，1989)，后来日本、美国和瑞士科学家将该技术扩展到桩柱、地基、 桥梁、大坝、隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量或监测，从而开辟 了光纤光栅传感器用于大型工程结构健康监测的新领域。 Pietro 等详细探讨了光纤布拉格光栅传感器的原理、检测方法、应变与温度 信号分离方法，并开发出了可以用于岩石、隧道变形测量和地震监测的光纤地震 检波器、光纤地震仪等。Udd 等用光纤布拉格光栅传感器对桥梁变形的测试研究 表明，光纤布拉格光栅传感器不仅可以测出运动中车辆的重量，而且可以监测车 辆的行驶速度，甚至可以检测出桥上行人所引起的微弱应变 18。 1.2.2 国内研究现状 国内光纤光栅传感器的研究开发相对国外落后一些，上世纪九十年代初期， 清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展传感光纤光栅的研究。尽 管进行了大量理论和实验研究，现阶段大部分光纤光栅传感器的研究还只局限在 实验室范围，且大多数使用的是现成的通讯用布拉格光栅，很少使用传感专用的 布拉格光栅。但总的来说，通过十多年的研究和开发，光纤光栅传感技术已得到 快速的发展，特别是在光纤光栅传感机理、光纤光栅制各技术、解调技术、信号 检测与处理技术方面具备了相当水平的理论基础和一定的技术水准。为了加快我 国在这个高新技术领域的发展，国家计委通过“光纤传感技术国家重点工业试验 基地” 项目的投入， 引进了光纤光栅制备系统和多通道光纤光栅解调等相关设备， 使我国在传感用光纤光栅的研究方面具备了世界先进水平的物质技术基础，加快 了我国在此领域赶超国际技术的步伐。 经过几年的努力， 在光纤光栅的制备技术、 传感技术和解调技术方面，取得了多项成果。特别是在光纤光栅制各技术的研究 方面，已取得重要进展，其主要技术指标达到国际先进水平。在光纤光栅设备方 面，已成功研制出多点光纤光栅解调的实验装置。武汉理工大学光纤传感技术国 家重点工业性试验基地已研制出了光纤光栅应力、温度、振动、加速度、化学等 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 9 多种传感器。 13 课题研究内容 本论文对光纤布拉格光栅应变测量的基本原理和传感原理进行了分析；对近 年来报道的光纤光栅传感系统信号解调的方法进行研究和比较，提出利用光纤马 赫一曾德尔干涉仪进行应变测量，并用相位生成载波调制解调系统进行信号解调 的应变测量系统。论文主要包括以下几部分内容： 第一章介绍了光纤光栅的发展过程及国内外光纤光栅的应用状况，分析了当 前光纤光栅传感器实用化所需要解决的问题，论述了光纤光栅应变测量系统的研 究意义以及论文的目的和主要内容。 第二章详细分析了光纤布拉格光栅应变测量系统的原理。从光纤布拉格光栅 的应变传感机理出发，进行了光纤光栅应变测量系统传感头的设计；重点对光纤 光栅测量系统解调模块进行设计，提出采用光纤马赫一曾德尔干涉仪及相位生成 载波信号解调技术实现应变传感信号的解调，并进行了详细分析和推导，证明了 系统的可行性；理论分析了限制马赫一曾德尔干涉仪动态范围上限的关键因素以 及能满足不失真信号检测相位生成载波检测信号所必须保留的频带宽度。 第三章进行了光纤布拉格光栅的应变特性测试实验，以及基于光纤马赫一曾 德尔干涉仪的光纤光栅应变传感解调实验：对相位生成载波调制解调过程进行了 仿真实验研究。 第四章对光纤布拉格光栅应变测量系统误差补偿方案及实验结果进行了分 析。 主要介绍应变测量系统温度补偿的原理及相位生成载波解调实验结果的分析， 同时提出对上述存在问题的一些改善和优化措旋。 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 10 2 章 系统设计 21 光纤光栅应变测量系统的结构 光纤光栅应变测量系统从功能上可划分为两个模块，传感模块和解调模块。 传感模块由光源、光纤和光纤光栅组成。其作用在于产生被传感的物理量调制了 的光信号。解调模块由传感模块以外的部分组成。解调模块接收传感模块产生的 光信号，进行光电转换，与调制控制电压并行进行传感信号的提取，再经 AD 转换和计算机的处理，得出传感量值。本文设计的光纤光栅应变测量系统结构如 图 2-1 所示。 图 2-1测量系统原理图 Fig2-l Diagram of measurement system 系统的光路如下：宽带光源发出的光经过一个耦合器照射到具有带阻滤波能 力的光纤光栅传感元上，布拉格波长的光波被光纤光栅反射至一受正弦波信号驱 动的非平衡光纤马赫一曾德尔干涉仪上，干涉仪一臂由 PZT 进行相位调制，可以 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 11 对输入到干涉仪的信号光进行调制，从而实现信号的交流探测。因为光纤光栅波 长漂移与干涉输出的附加相移呈线性关系，所以干涉仪可用来对光纤光栅传感信 号进行相位解调。 系统的电路如下：干涉输出信号经光电转换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敏检波电路。相敏检波之后输出的信号经过 A D 转换输入到计算机。利用数字信号处理技术，可以对信号进行频谱分析和高 低通滤波及后续的处理。考虑到现在光通讯业的迅速发展给科研实验提供了许多 商用器件，所以尽可能的采用光通讯中普遍使用的器件对于实验和应用而言都是 非常有利的。下面就光纤光栅测量系统的主要器件进行简要介绍。 (1)光源 光纤布拉格光栅对应变的敏感反映在其反射光中心波长的变化上， 其窄带反射光在一定的波长范围内变动。因此，光源的选取主要考虑以下因素： 谱宽。因谱宽越窄，相干时间越短，选取谱宽较宽的光源有利于提高系统分辨 率，但增加了系统的调节难度。功率。因功率越大，信号越易检测。本系统采 用 ASE 稳定化光源(型号： ASEl00)， 其波长范围为 15281610 nm， 输出功率 13 50 dBm，长时功率稳定度005dB。 (2)光器件的互连本系统是利用光纤光栅的反射光来测量应变的， 因此需要将 光源、光纤光栅和解调信号用的后续光纤系统互连。根据现有实验条件，本系统 采用 re(面接触)型接头和分光比 50：50的 22 耦合器，即通常所说的 3dB 光纤耦合器进行连接，阻方便实验和调试。在光纤马赫一曾德尔干涉仪中，光耦 合器起着分束与混合光信号的双重作用，使光干涉得以实现。 (3)光电探测器 光电探测器用来把光辐射量转换为电量(电压或电流)。选择 光电探测器主要取决于两个参数：一是探测器的灵敏度，二是探测器的带宽。本 系统采用的光源的额定输出功率为 1350 dBm，光谱宽度为 82 nm(假设光功率平 均分布在这段光谱范围内)，选用的光纤光栅的带宽为 03 nm。因此，选用的探 测器的灵敏度应该在 nW 量级。 对于本系统测量的应变量而言， 最高频率约为几百 赫兹左右；再考虑到光纤马赫一曾德尔干涉仪上的调制信号为 l KHz 左右，因此， 探测器的带宽达到千赫兹量级即可。 常见的能用于中心波长 1550 nm 附近光纤光栅传感系统的探测器主要有：PN 光电二极管、PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。综合考虑三者的性能和价 重庆理工大学毕业论文光纤布拉格光栅应变测量系统研究 12 格以及系统的需要，我们选用带有内置前放和尾纤的高灵敏度 PIN 光电二极管。 22 传感头的设计 本系统采用光纤布拉格光栅作为传感探头实现对应变的测量。选择光纤布拉 格光栅传感器主要考虑以下三个问题：一是工作波段，二是传感器的封装，三是 传感器的反射率和反射带宽。由于已选定 1550 nm 波段的光源，所以，只能选用 1550 nm 波段的光纤光栅。光纤布拉格光栅是利用相位掩模技术写于预先经过载 氢处理的光敏光纤上， 裸光纤光栅特别纤细， 外径约为 125m， 其主要成分是 SiO， ， 因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，南接将其作为传感器在实际中遇到了布 设工艺的