（机械设计及理论专业论文）光纤光栅在车辆动态称重系统中的应用研究.pdf

摘要 光纤光栅传感技术是上世纪九十年代兴起的一种新型传感技术。由于光纤光栅可以 实现多点多参量分布式传感，且具有灵敏度高、结构小、信号传输损耗极小、抗电磁干 扰能力强、耐腐蚀等优点，因此光纤光栅传感技术在很多领域得到了广泛的研究和应用。 本文以长安大学青年科学基金项目为背景，对光纤光栅传感技术进行了全面的研 究，并将光纤光栅传感技术应用于公路车辆动态称重系统。论文主要工作如下： 1 ) 研究了光纤光栅传感的基础理论，介绍了其制作技术，阐述了光纤光栅传感技 术的进展和应用现状； 2 ) 利用耦合模理论对光纤光栅光谱特性进行了研究，探讨了常见的光纤光栅波长 解调技术，对各种解调技术性能进行了比较研究。在理论分析的基础上，建立了光纤光 栅传感模型，并对光纤光栅的应变和温度特性进行了实验研究； 3 ) 研究了车辆动态称重技术，对国内外普遍采用的车辆动态称重系统的特点及存 在的问题进行了分析，设计了一种基于光纤光栅传感技术的车辆动态称重系统方案。实 验结果表明，该系统测量精度高，有效可行； 4 ) 基于匹配滤波技术，制作了测量精度高、经济成本低的数字化光纤光栅波长解 调器，并对光纤光栅系统中的传感器进行了制作和实验研究。实验测试结果证明，单个 匹配光栅的波长探测范围为4 n m ，波长探测的分辨率为l p m ，不确定度为5 p m ，该波长 解调器达到了目前波长解调技术的先进水平。 关键词：光纤光栅、应变检测、车辆动态称重 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo ft h ef i b e rg r a t i n gs e n s i n gi san e ws e n s i n gt e c h n o l o g y , w h i c hg r e wu p i n19 9 0 s s i n c ef i b e rg r a t i n g sc a l lr e a l i z et h em u l t i - d o t ，m u l t i p a r a m e t e ra n dd i s t r i b u t e d s e n s i n g ，a n dh a v es o m ea d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲s e n s i t i v i t y , c o m p a c ts t r u c t u r e ，l o wl o s si n s i g n a lt r a n s m i s s i o n ，g o o da b i l i t yo fa n t i e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h ef i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e da n d w i d e l ya p p l i e di nm a n y f i e l d s c o m b i n i n g 谢t ht h ey o u n ge x p e r tf o u n d a t i o ni t e mo fc h a n g a nu n i v e r s i t y ( y e f i c u ) ， t h eo v e r a l lr e s e a r c ho nt h ef i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yw a ss t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ed e s i g na n de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tf o rv e h i c l ew e i g h - i n - m o t i o ns y s t e m ，a d o p t i n gt h e f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s 1 ) t h eb a s i ct h e o r yo ff i b e rg r a t i n g sa n ds e n s i n ga r es t u d i e d ，a n dt h ef a b r i c a t i o n t e c h n i q u ei si n t r o d u c e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ep r o g r e s sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ff i b e r g r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n sa r ee l a b o r a t e d 2 ) t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rg r a t i n ga r ea n a l y z e du s i n gt h ec o u p l i n g - m o d e t h e o r y s e v e r a lc o m m o nf i b e rg r a t i n gw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ei n v e s t i g a t e d a n dc o m p a r i s o n sa r ec a r r i e df o re a c hd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s b a s e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，as e n s i n gm o d e lo ff i b e rg r a t i n g sw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h es t r a i na n dt e m p e r a t u r e p r o p e r t i e so ff i b e rg r a t i n g sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d 3 ) t h ev e h i c l ew e i g h i n - m o t i o nt e c h n o l o g yi ss t u d i e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e e x i s t i n gp r o b l e m so ft h ev e h i c l ew e i g h - i n m o t i o ns y s t e m sa v a i l a b l eu s e di nn a t i o na n da b r o a d a r ea n a l y z e d an e ws c h e m eo fv e h i c l ew e i g h - i n m o t i o ns y s t e mb a s e do nf i b e rg r a t i n g s e n s i n gt e c h n o l o g y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mi s 、柝t hh i g h e rm e a s u r i n g a c c u r a c ya n di se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l 4 ) b a s e do nm a t c h e df i l t e r i n gt e c h n o l o g y , ad i g i t a l i z e df i b e rg r a t i n gw a v e l e n g t h d e m o d u l a t o r s 晰ml l i g hm e a s u r i n ga c c u r a c ya n dl o wc o s t t h es e n s o r su s e di nt h ef i b e r g r a t i n gs y s t e ma r es t u d i e da n dm a d e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew a v e l e n g t h d e t e c t i o nr a n g eo fs i n g l em a t c h e df i b e rg r a t i n gi s4 n m ，a n dt h er e s o l u t i o no ft h ew a v e l e n g t h d e t e c t i o ni slp m ，a n dt h eu n c e r t a i n t yi s5 p m ，w h i c hp u tu p 、析mt h ea d v a n c e dl e v e lo ft h e w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：f i b e rg r a t i n g ；h i g h w a yi n t e r n a lt e m p e r a t u r e ；s t r a i nd e t e c t i o n ；v e h i c l e w e i g h - - i n - m o t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 球军 论文知识产权权属声明 年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 珠孚 铷麟劬 年月 e t 年月 e 1 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 公路交通是国家最重要的基础建设设施之一。公路交通水平体现着国家的发达程 度，同时，也影响着国家经济建设的发展。西部大开发是党中央、国务院面向2 1 世纪 做出的重大战略决策。国务院在“十五 西部开发总体规划中明确指出“交通是西 部开发的第一要务。在总投资1 5 4 1 亿元的西部交通建设3 0 6 个项目中，其中公路方 面为2 5 3 项，水路方面5 3 项。 随着公路运输业的迅速发展，公路网络的健康状态愈发显得重要。公路网络的安全 健康监控系统主要包括：桥梁的健康状态、隧道的安全状态、公路路面状态监测、公路 气象预报和山体滑坡预警等。每年因山体滑坡、路面冰雾、路面塌陷、桥梁坍塌等事件 引发的交通事故，给国家经济和人民生命财产都带来了巨大的损失。据媒体报道，( 1 ) 我国湖南、重庆和广东等地发生了多起恶性的桥梁坍塌事故，并造成了大量的人员伤亡 和财产损失；( 2 ) 很多地区的高速公路，因道理施工质量或车辆超载的问题导致了不少 高速公路路面提前出现损坏。对通过车辆构成了极大的安全隐患，严重地影响着高速公 路的正常运行，同样也大大地增加了高速公路的维护费用；( 3 ) 我国的四川、陕西及湖 北等地，出现多起大面积的山体滑坡，造成了交通堵塞，甚至有车辆和人员被埋没。随 着西部大开发战略的实施，西部的公路建设项目越来越多，而西部地区又是一个多山地 区，道路中隧道和桥梁数量多，且有大量的大型桥梁和特长隧道，因此，保障公路网络 处于健康安全的运营状态就显得至关重要。 众所周知，车辆超载是造成公路路面和桥梁损害的主要原因，治理超载也是交通 运输管理的一件大事。近年来，我国公路运输的超载现象极为普遍，由于车辆超载对路 面产生的损害十分严重，构成了重大的交通安全隐患。实行计重收费就是交通部门采取 一种治理车辆超载的手段。同时，由于车流量大，过去的静态称重系统已无法满足公路 车辆计重收费的要求，因此，车辆的动态称重技术成为研究的热点，估计我国约有上百 家院校、科研单位开展了车辆动态称重系统的研发工作。 由于我国公路的里程长且地形情况复杂多样，因此，采用常规的电类传感系统难 以满足远距离分布式的测量要求，而光纤光栅传感技术是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新 型传感技术，具有可实现远距离分布式测量的特点，特别适合用于公路网络的安全健康 第一章绪论 状态监测系统。从1 9 8 9 年起，光纤光栅传感技术研究工作在世界上的发达国家得到重 视，之后短短几年的时间，光纤光栅传感技术迅猛发展，已经在航天航空、电力、石油 化工、医疗、大型建筑等领域和桥梁健康状态监测中得到了大量的应用n q 别。利用光纤 光栅体积小、易敷设、耐腐蚀、寿命长的优点，可实现远距离分布式多参量传感的特点， 可在公路网络中建立一个监测易出现滑坡的山体安全状态、道理路面状态监测、公路气 象预报、桥梁健康状态和隧道安全状态的监测系统，为实现公路交通运输的安全畅通运 行提供技术保障。 因此，研究光纤光栅在公路网络状态监测系统中的应用有着极好的应用前景。 1 2 光纤及光纤光栅技术概述 1 2 1 光纤及光纤传感技术的发展 光纤是2 0 世纪7 0 年代作为光通信而发展的一种新型材料，与其他材料相比，具有 很多优点。传光性能好，损耗低，同时，光纤本身又是一个敏感元件，即光在光纤中传 输时，光的特性如振幅、相位、偏振态等将随检测对象发生变化而相应变化。光纤中光 波的物理性能随检测对象变化的特性，决定了光纤可以用于传感领域。 光纤传感器的发展概况。1 9 7 7 年，美国海军研究所( n r l ) 开始执行光纤传感器系 统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子u 引。从此，光纤传感器在世界的许多实验室 出现，随着光纤传感技术的不断成熟，光纤传感器已经被用于军事、制造业、能源、医 学、化学等领域，如光纤传感系统( f o s s ) ，它包括水声器、磁强计、光纤陀螺( f o g ) 、 光纤温度和压力等，成为传感器的一个主要种类，解决了很多恶劣环境下，常规电类传 感器无法工作的问题，如用于强电场和磁场、大型结构内部、腐蚀性的环境。 我国光纤传感技术起步比较晚，1 9 8 3 年开始起步。起初的光纤传感器用于测量电 流、电压、磁场、温度、水声、压力、位移、速度、应力、液位等。用于光纤传感器的 特殊光纤、有源和无源器件等，我国也有产品。之后，国家对光纤传感器的研究更为重 视，有了多项重点研究项目，如光纤陀螺，光纤压力传感器，光纤温度传感器，光纤放 射线探测仪等，取得了一定的成绩n 引。 1 2 2 光纤光栅技术的发展 光纤光栅是一种无源器件。1 9 7 8 年，加拿大的k 0 h i l l 等人采用单频a r + 离子激 光器( 4 8 8 n m 或5 1 4 5n m ) 照射掺锗光纤n5 1 ，结果发现随着照射时问的增加，输出光逐 渐变弱，而反射光逐渐增强，同时发现光纤的这一特性在停止曝光后仍然保持。h i l l 2 长安大学博十学位论文 等人认为：由于光纤后端面纤芯到空气的界面对入射光具有一定的反射，在光纤中形成 相干涉的驻波，在驻波的波峰处，由于光纤的光敏效应，引起纤芯的折射率发生永久性 改变，纤芯内部形成周期性折射率扰动，这样就制成了具有波长选择能力的光纤光栅， 一般又称之为光纤布拉格光栅。 由于h i l l 等人采用纵向驻波法制作的光纤光栅，其光栅周期仅取决于入射激光的 波长，这种方法制作的光纤光栅的波长品种单一，当时并未得到大家的重视。之后，对 光纤光栅的研究主要是针对光纤光栅的特性和产生机理进行更深入的研究n 5 1 7 1 ，其中， 比较著名的是l a m 等人于1 9 8 1 年报道的实验结果。他们首先建立了光纤光栅的理论模 型，给出了光纤光栅反射率的大小取决于折射率微扰量血和光栅的长度厶同时反射带 宽度五8 与，l 成线性关系，光纤光栅截止长度( 9 0 反射时光栅几何长度) 与，l 成非 线性反比关系。1 9 8 8 年，美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人n 8 1 ，提出了 用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤光栅的横向全息成栅 技术。与驻波法相比，横向全息成栅技术有了很大的进步，可以通过选择激光波长或改 变两束相干光之间的夹角而写出不同中心波长的光纤布拉格光栅，为光纤光栅的普遍应 用奠定了基础。但是，这种写入方法对光源和周围环境的稳定性要求较高，并且对光源 的相干长度也有严格要求，因此，要真正实现光纤光栅的批量生产还比较困难。1 9 9 3 年，h i l l 等人n 町又提出了利用紫外光垂直照射相位掩膜板，形成衍射条纹来曝光氢载 光纤，形成光纤布拉格光栅，这一方法的最大优点在于写入光栅的周期仅仅取决于相位 掩膜板的周期而与辐射光的波长无关，这种方法对激光光源的相干性要求大大降低，使 采用低相干光源写入光纤光栅成为可能，适合批量生产光纤光栅。 2 0 世纪9 0 年代出现了正向模式耦合的周期较长的光纤光栅，人们称之为长周期光 纤光栅n 町( 1 0 n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ，l p f g ) 。长周期光纤光栅用来实现多模光纤 中的模式转换或单模光纤中的偏振模式转换。1 9 9 6 年，a t & a 贝尔实验室的a m v e n g s a r k a r 等人啪1 用紫外光通过振幅掩膜板照射氢载硅锗光纤制成了纤芯基模耦合到 同向传输的包层模长周期光纤光栅，这标志着长周期光纤光栅的诞生。1 9 9 6 年b h a t i a 等人乜1 1 详细的研究了长周期光纤光栅的各种特性，提出了其在通信与传感领域中的应 用。t e r d o g a n 于1 9 9 7 年相继发表两篇论文心引，从模式耦合的角度深入地研究了长周 期光纤光栅的光谱特性，从而奠定了长周期光纤光栅的理论基础。 自从1 9 8 7 年h i l l 等人首次制成世界上第一个光纤光栅以来，无论是光纤光栅的写 3 第一章绪论 入方法、理论研究还是应用都获得了迅速发展。在光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的 基础上人们已经先后制成一些具有特殊结构的光纤光栅，如啁啾光纤光栅、高斯光纤光 栅、高斯变迹光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅等，随着研究 的深入，光纤光栅在通信和传感领域将有更加广泛的应用位。 1 2 3 光纤光栅的分类 按照光纤光栅写入的方法、光纤光栅的特性将有不同的分类方法。一般根据其制作 机理可以分为蚀刻光栅和折射率调制的相位光栅两类。蚀刻光栅是在光纤的结构上形成 明显的物理刻痕，而相位光栅是利用侧面干涉曝光等手段引起光纤纤芯折射率沿轴向形 成空间周期性的分布。相位光纤光栅的制作方法和性能比刻蚀光栅更优越，所以，实际 中使用的光纤光栅主要是相位光栅。 1 ) 相位光栅的分类 相位光栅根据光纤光栅纤芯折射率的空间调制周期分布和折射率的调制深度是否 均匀，可分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两类。均匀光纤光栅分为光纤布拉格光栅、 闪耀光纤布拉格光栅和长周期光栅；非均匀周期光纤光栅分为啁啾光纤光栅、相移光纤 光栅、莫尔光纤光栅和超结构光纤光栅【2 2 1 。 ( 1 ) 均匀光纤光栅 均匀光纤光栅是指光栅的光纤纤芯沿轴向的折射率空间周期及折射率调制深度均 为常数，其反射谱具有对称的边模振荡。根据光栅周期的栅距及波矢方向的不同，又可 将均匀光纤光栅分为光纤布拉格光栅、长周期光栅和闪耀光纤光栅等。 a 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 目前，一般制作的光纤光栅都是均匀周期正弦型光纤光栅，光纤布拉格光栅是最常 用的均匀周期光纤光栅。光纤布拉格光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，光栅 波矢方向与光纤轴线方向一致。光纤布拉格光栅的栅距一般为1 0 2n l n 量级，折射率调 制深度一般为1 0 1 0 一，其反射光谱的带宽一般为0 1 o 2n n l ，反射率可大于9 0 ， 其反射率和带宽可以根据对光纤光栅参数的要求在制作中可以控制和调节【1 1 。全息相干 法和相位掩膜板法制作的光纤光栅都是在纤芯上引起类似条纹结构的折射率变化，其折 射率分布为 ，” ，z ( z ) = ，z l + a n m 觚c o s ( 竿z ) ( 1 1 ) 4 长安大学博学位论文 围11 光纤布拉拮光栅反射光语围 圈l1 是一只光纤布拉格光栅的反射光谱图。从光谱图可以看到，一定带宽a 卫的 谐振峰两编有一些旁瓣，这是由于光纤光栅的两端折射率突变引起f a b r y - - p c r o t 效应导 致的，这些旁瓣分散了一些光能，不利于光纤光栅的应用，所咀均匀光纤光栅的旁瓣抑 制是表征其性能的主要指标之- - ”l 。光纤布拉格光栅在光纤通信和光纤传感领域都有着 极其广泛的应用，如作为激光器外腔反射镜、f a b r yp e r o t 谐振腔、光纤光栅温度、应 力传感器等【2 1 。 b 长周期光纤光栅( l o n g - p e r i o d f i b e r g r a t i n g ，l p f g ) 长周期光纤光栅指光栅周期远大于布拉格光栅的栅距，一般为几十到几百微米，光 栅波矢方向与光纤轴线方向一致。它是一种透射型光栅，它不是将某个波长的光反射， 而是耦合到包层中损耗掉。这种光纤光栅具有插入损耗低、易于集成等优点，还是一种 性能优异的波长选择性损耗元件。因此，它在光纤通信方面有着重要的应用，主要用于 掺铒光纤放大器的增益平坦【3 ”。另外，长周期光纤光栅的传输特性与温度、应变有关， 同样，长周期光纤光栅在光纤传感方面也有着广泛的应用p 6 - s 9 。 c 闪耀光纤布拉格光栅( b l a z e df i b e r b r a g gg r a t i n g ) 闪耀光纤布拉格光栅其光栅周期和折射率调制深度都为常数，但其光栅波矢方向与 光纤轴线方向不一致，有一定的夹角，因此，又称为倾斜光纤光栅。 光栅制作时，侧面照射的紫外光光束与光纤轴线方向有一定的夹角，形成的光纤光 栅条纹与光纤轴线之间的夹角小于9 0 。，光栅条纹的倾斜有效的降低了光栅条纹的可见 第一章绪论 度并显著地影响了辐射模耦合，降低了光栅的反射。其折射率分布为 ，z c z - c 。s 秒，= 刀+ 以够c 。， + c 。s ( 署 z c 。s9 c 1 2 ， 利用闪耀光纤光栅可对一定宽带范围内的光功率进行衰减，从而可实现光放大器的 增益平坦化，通过复合闪耀光纤光栅还可以实现残余泵浦光反射等。 ( 2 ) 非均匀光纤光栅 非均匀光纤光栅是指光栅周期沿光纤纤芯轴向为非均匀分布或折射率调制深度不 为常数。根据光栅周期和折射率调制深度等因素来分类，又可分为啁啾光纤光栅、相移 光纤光栅、莫尔光纤光栅、t a p e r e d 光栅和超结构光纤光栅。 a 啁啾光纤光栅( c h i r pg r a t i n g ) 啁啾光栅的栅距沿光纤轴向逐渐变化。啁啾光栅可以是线性的，也可以是非线性的。 线性啁啾光纤光栅其光栅周期沿纤芯轴向在整个区域单调、连续、准周期线性变化而折 射率的调制深度为常数，可见，线性啁啾光栅只是对光栅周期进行了线性调制。线性啁 啾光纤光栅能形成很大的反射带宽和稳定的色散，其宽度可覆盖整个脉冲的谱宽，可达 到几十纳米，因此，它常作为光纤放大器的增益平坦和大容量密集波分复用系统中的 色散补偿1 4 0 。 b 相移光纤光栅( p h a s e s h i f t e df i b e rg r a t i n g ) 相移光纤光栅是指在光纤纤芯轴线上的某些特定位置引入间断点使得光纤光栅的 折射率产生不连续的空间分布，好像若干个周期性光栅的不连续的连接，其中每个间断 点都会产生一个确定的相移，从而改变了光纤光栅的光谱分布。其特点是可在周期性光 栅的光谱阻带内打开若干个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择 性。相移光栅可作为多通道滤波器件，通过选择适当的相移位置和相移量制作成相移型 长周期光纤光栅，可用于e d f a 的增益平坦，在光通信领域有着很高的应用价值【3 4 1 。 c t a p e r e d 光栅 t a p e r e d 光栅是指对光纤布拉格光栅的折射率调制深度按一定的函数规律进行调 制，而保持光栅周期不变。通过改变调制函数及相关参数可控制光栅反射谱的形状。高 斯分布型调制可压制光栅反射谱的边瓣。正弦函数调制型用于光纤环形腔激光器产生多 波长激光输出。 d 超结构光纤光栅( s u p e r s t r u c t u r ef b i e rg r a t i n g ) 超结构光纤光栅是指利用方波函数对光纤布拉格光栅或啁啾光栅的折射率进行调 6 长安大学搏上学位论文 制而形成的光栅，这种光栅的反射谱具有一组分立的反射峰。由光纤b r a g g 光栅调制而 成的超结构光纤光栅的反射谱中各反射峰的波长间隔相等，因此这类超结构光纤光栅可 以用于梳状滤波器和多波长光纤激光器领域。由啁啾光栅调制而成的超结构光纤光栅可 用于波分复用光纤通信系统中的色散补偿，用一根这种超结构光纤光栅可实现多信道的 同时色散补偿。 e 莫尔光纤光栅( m o i r ef i b e rg r a t i n g ) 莫尔光纤光栅是指对光纤布拉格光栅或啁啾光栅采用两组具有微小周期差异的紫 外条纹对光纤同一位置进行二次曝光所得到的光栅。其光栅反射谱中开一个很窄的透射 窗口，实际相当于一个力4 相移光栅，可用于滤波器、色散补偿及通道选择器等【4 1 1 。 2 )按光纤光栅的光敏机制分类 根据折射率调制的强弱，光敏性光纤光栅又可分为三类，即i 型、i i 型和i i a 型( 1 1 1 ) 型。 i 型光纤光栅的制作方法是利用脉冲或连续激光作光源，对掺杂浓度较低的光纤曝 光，引起纤芯折射率变化，折射率变化在1 0 - 5 1 0 一，导波模的反射谱与透射谱互补， 具有较理想的透射谱，但温度稳定性较差，温度超过3 0 0 c 时光纤光栅会被擦除【4 2 1 。这 种光纤光栅适合温度较低的环境使用。i ia 型光纤光栅的形成是i 型的基础上，增加曝 光时间，而且需要较高的紫外光曝光量( 5 0 0 j c m 2 ) ，或在掺杂浓度较高的光纤( 如高 掺锗或硼锗共掺) 内形成结构重构引起折射率变化，其温度稳定性较好，可达到5 0 0 ( 2 。 i i 型光纤光栅是在极高的紫外光曝光量照射下，光纤的局部瞬间温度达到上千度，熔化 石英基质造成纤芯物理结构破坏引起折射率变化。其折射率变化可达1 0 - 2 量级，该类 光栅的温度稳定性好，可达到8 0 0 ( 2 ，适合做高温传感器【4 3 4 熨。 1 2 4 光纤光栅传感技术的应用现状 从1 9 7 8 年第一只光纤光栅制作成功，到1 9 8 9 年全息相干法光纤光栅制作技术的出 现，大约1 0 年期间，人们对光纤光栅传感特性温度和应力传感特性进行了研究，看到 了光纤光栅具有温度和应力传感的潜力n 6 1 。1 9 9 0 年起，由于光纤光栅制作技术的逐渐 成熟，世界各国都看到了光纤光栅传感技术的前景，同时投入了大量的资金和人力对光 纤光栅传感技术展开了全面的研究，而且在短短的几年之后，光纤光栅传感技术在大型 结构工程( 如桥梁、大坝、隧道、高层建筑、矿井巷道、运动场馆、岩土工程等) 、航 空航天、生物医学、电力、船舶、石油化工等领域的监测系统中得到了应用n 4 删。 7 第一章绪论 一般对结构应变的测量主要采用电阻应变片，但电阻应变片易受温度湿度等环境因 素的干扰，无法在工程上长期可靠使用。而光纤光栅传感器是基于波长调制的传感器， 抗电磁干扰能力强，寿命长，特别适合用于远距离传输或恶劣的工程环境。 在航空航天领域，光纤光栅传感技术得到了空前的重视。美国国家航天航空局，将 光纤光栅传感技术用在了航天飞机x 一3 3 的温度和应变的实时监测系统中n 6 | 。波音公司 也将光纤光栅传感技术用在飞机的监测系统中，并注册了多项光纤光栅传感器的专利 4 0 l 。将光纤光栅埋入复合材料内部，可以实现对材料的状态( 如应力、温度) 进行监测， 如机翼中的光纤光栅传感系统，使操作人员在机舱中可以了解机翼内部是否出现破坏或 断裂。2 0 0 0 年，美国陆军研究实验室的f i n k 等人利用埋设与复合铠甲材料内部的分布 式光纤光栅传感系统，进行在线健康监测和动态响应监测，实现对材料内部多点残余应 力、应变、应变梯度和温度的检测。 在大型结构工程检测领域乜1 翻，光纤光栅的应用主要分三个方面，即( 1 ) 结构监 测和损坏检测；( 2 ) 实验应力分析；( 3 ) 系统和服务设施的管理与控制。这些工程包括 桥梁、水坝、管线、隧道、矿场、建筑物、道路等。1 9 8 9 年，美国布朗大学的m e n d e z 等人首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的健康监测。在此之后，加拿大、日木、 英国、德国等国家的研究人员也对光纤传感系统在上木工程中的应用做了大量的研究工 作。在土木工程结构中，应用光纤光栅传感器最多的是桥梁的安全状态监测。1 9 8 9 年， f u h r 等人在美国8 9 号州际公路桥上粘贴了光纤振动传感器用于检测桥的共振频率 h ：1 9 9 4 年在德国的c a l g a r y 市建成了第一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋组成的 桥，在碳纤维中加入光纤光栅应变传感器，以检测碳纤维预应力的损失情况h 7 1 ；1 9 9 7 年，在美国俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁，复合材料在制作过程中 埋入了光纤光栅应变传感器，通过互联网可以有规律的监视桥梁的荷载响应和跟踪连接 绳索的长期性能h 朝。1 9 9 9 年夏，在美国新墨西哥1 0 号州际高速公路的一座钢结构桥梁 处，安装了1 2 0 个光纤光栅传感器对桥梁进行在线检测h 钔。1 9 9 7 年，美国联邦公路局 开发了用于道路和场地测量的应变仪，这些地方很难用常规仪器进行应变监测，目前这 些光纤光栅传感器已经代替了常规的应变片传感器，对有重型卡车的道路进行评估。 近些年来，国内的光纤光栅传感技术发展也很快。主要应用的领域是桥梁、混凝土 结构等大型工程的安全状态监测、油气井下的温度压力测量、隧道的火灾预警、大型油 罐的火灾预警系统和电力系统的火灾预警系统。 2 0 0 3 年6 月，同济大学采用光纤光栅传感器对各种情况下卢浦大桥健康状态进行 长安大学博学位论文 检测。上海卢浦大桥是黄浦江上连接浦东、浦西的第一座全钢结构的拱桥，全长3 9 0 0 米，主桥长7 5 0 米，主桥面宽2 87 米桥下净高4 6 米，桥面为双向6 车道。卢浦大桥 主桥巨型钢跨径5 5 0 米，是名符其实的世界上跨度最大的钢结构拱桥，是目前世界上单 座桥粱建造中施工工艺最复杂、用钢量最多的大桥。由于卢浦大桥的重要性及建设复杂 性，对大桥进行健康检测是非常必要的。整个检测项目的实施主要包括传感器布设、数 据测量和数据分析三大步。在卢浦大桥选定的端面上布设了8 个光纤光栅应变传感器和 4 个光纤光栅温度传感器，其中8 个光纤光栅应变传感器串接为i 路，4 个温度传感器 串接为l 路，然后通过光纤传输到桥管所，实现大桥的集中管理。 武汉理工大学和贵州变通科学研究院两家联合采用了光纤光栅传感技术对贵州冷 饭盒大桥进行结构监测，如图i 2 。冷饭盒大桥( 镇宁一水城高等级公路( k 8 1 + 4 9 5 k 8 1 + 9 5 3 ) ) 位于水城县蟠龙镇水田坝村冷饭盒大峡谷处，全桥长4 5 8 m 。设计荷载为汽一 超2 0 ，挂一1 2 0 级。桥面净宽为l i + 2 0 5 防撞栏杆为1 2 米。主桥的主孔上部结构为跨 径1 6 6 m 预应力行式组合拱桥，两岸边孔均为3 1 8 m 连续刚构，主孔和边孔上弦构件连 续。主桥长3 0 0 m 。引桥( k 8 1 + 4 9 5 k 8 1 + 6 5 3 ) 为5 x 3 0 m t 型简支梁，长1 5 8 m 。主桥的 主孔拱圈失跨比为f l - i 6 ，拱轴线形式为二次抛物线。拱座的基础底面高程为 1 0 1 1 1 4 7 m ，桥面中心高度为i 0 4 5 1 4 5 m ，桥面纵波：k 8 1 + 5 6 0 前后分别为25 0 7 1 及 2 9 6 1 2 。通过光纤光栅应变传感器和温度传感器对施工全过程的各阶段构件的内力( 应 力) 分布的实时监测，与设计的理想应力想比较，考察结构受力的合理性、验证设计， 并对施工过程中的控制参数进行相应的调整，优化施工工艺和方法，寻找理想的控制参 数。 图i2 贵州冷饭盒大桥进行结构监测 针对上述目的和要求，对如何采用光纤光栅应变传感器和温度传感器实现对构件的 第一章绪论 拉、压、扭、弯的受力状态监测的传感器的布置方式、粘贴工艺、传感网络设计、性能 优化、性能评估进行了深入的研究。决定采用四个应变传感器对构件重要截面实现对上 述四个受力状态的检测同时考虑构件上温度的分布情况，在构件的桥内、外两侧面各 布置一个温度传感器进行温度监测然后根据应变测量范围、温度测量范围，选定各个 传感器相应波长及相应的波长间隔，以便上述传感器串接成网和整个系统相连。 在传感器的埋设保护方面，通过相应的实验研究，确定相应的工艺方法。大致为： 打磨一清洗一粘贴传感器保护传感器光缆的敷设等步骤。保证传感器及光缆不受混 凝土浇注、振倒和压模等过程的直接冲击。采用上述布设工艺，共布2 4 8 个传感器，并 通过混凝土构件预制、拼装过程都己存活。证明布设工艺较科学合理。其布设工艺如图 13 、14 、15 所示，监测效果如图i6 所示。 圈13 光纤光栅应变传感器布置于钢筋上的! f l 片 图14 保护后的光纤光栅应变传瞎器的照片 长安大学博i 学位论文 图15 光纤光栅温度传感器布置于钢筋上的照片 2468】o 时间( 天) 图16 在吊装过程中两对称点光栅传癌器波长移动曲线 图16 是桥梁悬拼过程中，连接基础支座的主孔下弦i 号构件拼接后，在其它构件 拼接过程中，1 号构件内部钢筋应变( 已进行温度补偿) 历程时监测效果。从图中可以 看出：第1 天至第3 天为z 号构件拼接己完成，准备2 号构件拼装期间，z 号件钢筋所 受应变平稳，当第四天安装2 号构件后发生一个较大的应变，安装完毕后，1 号件钢 筋所受的应变平稳依此类推。从测试结果可以看出，光纤光栅应变传感器监测数据稳 定可结，都很好地反映构件( 桁片) 悬拼过程没有发现异常，符合实际情况，说明光 纤光栅应变传感器在实际工程的长期监测中具有很大的优势。 1 3 本论文的主要研究内容 本文对光纤光栅的理论基础、光纤光栅的传感机理和传感技术做了深入的理论分析 和实验研究。在此基础之上，结合公路网络的监测需求，设计了基于光纤传感技术的动 态车辆称重系统，并针对工程应用进行了相关实验研究工作。主要工作有以下方面： 1 ) 分析了光纤光栅传感的机理及理论模型： 2 ) 基于车辆地面系统动力学的理论分析建立了光纤光栅传感技术的车辆动念 t u ) 半寅 第一章绪论 称重系统的理论模型，提出一种新的载荷识别的算法； 3 ) 进行了车辆动态称重系统的实验研究： 4 ) 设计并制作了数字式光纤光栅波长解调器，降低了光纤光栅传感系统的成本， 同时，实验测试证明了波长检测精度和动态特性达到了国内外先进水平。 1 2 长安人学博一仁学位论文 第二章光纤布拉格光栅的基础理论 衍射光栅就是能对入射光振幅或相位产生周期性变化的任意光学元件。因此，折射 率周期变化的光学介质就是光栅，它能引起光相位的周期性变化，这样的光栅称为折射 率型光栅( i n d e xg r a t i n g ) 。 2 1 光纤的波导理论 在下面的讨论中，认为光纤是无源无损的各向同性介质，其磁导率为风。则麦克斯 韦方程的微分形式可写为“羽 又物质的电磁性方程为 v 一e ：一一a b 0 t ( 2 1 ) v 一h ：一a d o t ( 2 2 ) v d = 0 v b = 0 历：s 西 b = h 用秀，万，和面：，万：分别表示电磁场的横向和纵向分量，则有 e = e t + iz ez h = h t + i z h z 同时把算符v 也分解为横向和纵向算符 v ：v ，+ i 导 院 这样，上述麦克斯韦方程可写为如下分量形式： 面：= ( 南) v f 豆 1 3 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第二章光纤布拉格光栅的基础理论 万：一士1 v ，巨 ，掣o ( 2 1 1 ) 一( 剖即删+ 睁剥a l l , 一嘎亿 即黔，厄m 斟五亿 光纤在未受扰动时是理想的规则波导，即轴向折射率分布不变，用n o 表示。设其正 规模的z 坐标为e x p ( _ 鹇z ) ，下标，表示模序数。以下讨论中略去了e x p 0 研) 因子，则 正规模的场表示为 一e ，- a le x p ( - j i l t z ) ( z 1 4 ) h i = b te x p ( - j 3 , z ) ( 2 1 5 ) 规则波导的正规模也应满足麦克斯韦方程的分量形式，即 五2 c 去卜虞 亿 否拓：- 士1 v ，j 打 ，叩o ( 2 1 7 ) 一( 击卜r 石) 一鹏瓦) 啦属0 石 亿 ( 剖即即否，r 卜e 也) 叫枷扛 亿聊 了弧，或) 乏出咖：2 p 翻n ( 2 2 0 ) 式中，m 、刀为模序数，当两个模都为导模时，m 、以为整数，万。为克罗内克尔符号； 当两个模都是辐射模时，m 、，z 都是连续值，吒。为狄拉克万函数。当其中一个是导模， 另一个是辐射模时，它是零。p 为正规模功率，p 0 。 所谓规则波导的正规模的完备性，即波导中任一电磁场都可用导模和辐射模的线性 叠加来表示。对电磁场的横向分量可写成 1 4 长安大学博士学位论文 一e ，- 口，五 ， 万，- b ，t b i t 日，= ： 式中，a ，、b ，为展开式的系数，即耦合幅度。 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 将式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 代入( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) ；再利用理想波导正规模的横向麦克斯韦 方程( 2 8 ) 和( 2 9 ) 可得 , 肥l l ld = 、1 ) 协， 缸) 恤。叫= 。 ( 2 2 3 ) 讯誓 嗍肛) + ( 去卜陪廿p ，厩 i = 0 亿2 4 ， 式中，a ，、b l 是z 的函数。 用乃和元分别对式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 4 ) 两边作点乘，然后在无穷大平面上积分，再利 用正规模的正交性并做归一化，令p = - i ，可得 鼍。a u = 2 z j - k 峨 式中， 警+ 矾钆= 2 ；乏饥 - _ o g o 一。2 一刀舯a 订姗 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) k 一一j 4 c 0 6 0 p _ 怂b v ，陋势v ，厩 蚴 仁2 8 ， 其中l , t 、y 为模序数。k 和后分别为阶模与l ，阶模之间电场和磁场之间的耦合程度。 式( 2 2 5 ) 和式( 2 2 6 ) 即理想波导模式的偶合振幅方程。 考虑无耦合情况，即乏= 0 ，t ，= o ，于是式( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 可写为 坐d z + 矾= 。 ( 2 2 9 ) 1 5 第二章光纤布拉格光栅的基础理论 二d z + 矾钆= o ( 2 3 0 ) 将式( 2 2 9 ) 代入式( 2 3 0 ) 或将( 2 3 0 ) 代入式( 2 2 9 ) 可得 可d 2 a z + 群口= 。 ( 2 3 1 ) 可d 2 a u + 废= o ( 2 3 2 ) 设上述二阶常系数微分方程( 2 31 ) 的解为 口声= 砖= 0 e x p ( - j f l u z )( 2 3 3 ) 口卢= 口 = c e x p ( j f l , z )( 2 3 4 ) 这里e x p ( 一矾z ) 并i e x p ( j f l u z ) 分别表示正向和反向传输波，c ，和c 是正向和反向 行波系数。在耦合和无衰减情况下，c 譬和c 为常数。将式( 2 3 3 ) 和式( 2 3 4 ) 代入( 2 3 2 ) 可得 砖= c 譬e x p ( _ 矾z ) = 口譬( 2 3 5 ) 砖= 一c ) e x p ( j f l u z ) = 口 ( 2 3 6 ) 设( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 耦合情况的解口和吒为 吼= 砖+ 砖= 露e x p ( _ 腮z ) + c ( - ) e x p ( j f l ，, z ) ( 2 3 7 ) 吮= 砖一口 = c