（计算机科学与技术专业论文）基于不确定性数据分析的光纤光栅在线监测平台研究.pdf

独创性声明 m l i i i i l l lillilllll i l l q l l1111111i q l l l l q l l l l 18 8 0 5 2 2 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，除了文中特另i j t j n 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 武汉理工大学或其他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。 签名： 主! ：左 日期： 趁山呈 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：杰兰互导师( 签名) ： 摘要 随着中国城市化的发展和土木工程技术的进步，城市中各种民用工程建设 发展很快。而对这些桥梁、大坝、隧道等建筑物以及电力电缆等方面的健康状 态的监测，根据关键部件的特征信号判断他们的健康状态，从而评估他们的使 用寿命，保证它们安全运营，这些在学术界和工程界越来越受到重视。 光纤光栅传感器监测的应用非常广泛，在民用工程结构领域、航天领域、 医学领域和电力工业等领域都有应用。在光纤光栅实际应用中，往往包含一个 传感器监测网络和对应的监测系统。 本文在研究了许多光纤光栅监测系统的基础上，提出自己的系统架构和特 点。目前光纤光栅监测系统的开发尚没有一个统一的开发平台，所以在系统开 发这方面，开发人员往往做了许多重复工作，这是因为许多监测系统流程相似 或者根本就是相同的。本文就是在此基础上研究光纤光栅开放平台的架构和实 现，目的是更方便、更快捷地开发相关的光纤光栅监测系统。此外，本文研究 的另外一个方面是对系统采集的数据用不确定性数据处理算法来分析研究，目 的是为了提高采集数据的精确度。由于传感器自身的误差和传感网络传输过程 中各种因素对数据的影响，接收端采集的数据往往存在一定的误差，这些数据 我们认为是不确定性数据。本文中采用相关向量机算法来分析和处理这些不确 定数据，已取得较好的效果。本文主要的研究内容如下： 1 分析了光纤光栅传感网络的原理。包括光纤光栅传感器的种类和它们的 传感特性，此外还介绍了光纤光栅传感器的波长解调技术以及光纤光栅传感网 络的组成。 2 对系统架构的总体分析，在系统设计的原则基础上，根据系统平台的需 求，将系统平台划分为几个主要的模块。并介绍了系统平台开发的软件环境和 系统网络的拓扑图分析。 3 给出了系统平台详细设计和分析完成该系统平台所需的主要技术。主要 包括数据接收、存储、处理和应用这一流程的技术介绍。 4 介绍了系统平台的设计和实现情况。 5 对系统平台作了了总结，对其中的需要改进的地方作了展望。 关键字：光纤光栅，监测平台，相关向量机，t o h a r t 5 a b s t r a c t f o l l o w i n g w i t hc h i n e s eu r b a n i z a t i o n d e v e l o p m e n t a n dc i v i l e n g i n e e r i n g t e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s ，i n f r a s t r u c t u r ef o rc i v i lu s e i sb u i l tq u i c k l y a n da c a d e m i ca n d e n g i n e e r i n gc o m m u n i t yp a ym u c ha t t e n t i o nt o t h eh e a l t hm o n i t o r i n go ft h e i n f r a s t r u c t u r es u c ha sb r i d g e s ，d a m s ，t u n n e l s ，p o w e rc a b l e sa n de t c b e c a u s ew ec a n j u d g et h eh e a l t hs t a t u sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cs i g n a lo ft h ec r i t i c a lc o m p o n e n t , t h e ne v a l u a t ew h e t h e rt h e i rs e r v i c el i v e sa n de n s u r et h e ya r es a f e t h em o n i t o r i n ga p p l i c a t i o no ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o ri su s e dw i d e l y , i n c l u d e s c i v i le n g i n e e r i n g , s p a c ef l i g h t ，m e d i c a ls c i e n c e , d e e t r i cp o w e ra r e a a n du s u a l l yt h e r e a l em o n i t o r i n gn e t w o r ka n dm o n i t o r i n gs y s t e mi nam o n i t o r i n gp r o j e c tw h i c hu s 馏 f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r t l l i sd i s s e r t a t i o ng i v e sm ys u g g e s t i o na b o u tt h ea r c h i t e c t u r eo ft h em o n i t o r i n g s y s t e mb a s e so ns t u d y i n gl o t so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m s t h e r ei sn op l a t f o r mf o r d e v e l o p i n gt h em o n i t o r i n gs y s t e mo ff i b e rb r a g gg r a t i n ga tp r e s e n t s os o a r e d e v e l o p e r sw h om a k es u c hs y s t e mo f t e nd om u c hr e p e t i t i v ew o r k b u tt h e r ea r em a n y s i m i l a ro re v e ns a m ec o m p o n e n t si ns u c hm o n i t o r i n gs y s t e m s t om a k ed e v e l o p i n g w o r km o r ec o n v e n i e n ta n df a s t e r , t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d yo nt h eo p e n i n gm o n i t o r i n g p l a t f o r mo ff i b e rg r a t i n g s e n s o rs t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o n i na d d i t i o n , c h o o s i n g u n c e r t a i nd a t aa l g o r i t h mt op r o c e s st h ed a t aw h i c hc o l l e c t e db yt h i ss y s t e mi st h e o t h e rp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o nc o n c 它t n s b e c a u s ew em u s ti m p r o v ed a t ap r e c i s i o n b e c a u s eo fs e n s o r se r r o ra n ds o m ef a c t o r sa f f e c td a t ap r e c i s i o nd u r i n gi ti s t r a n s m i t e db yf b gn e t w o r k , t h e r ei ss o m ee r r o r si nt h ed a t aw h i c hw eg e tb yt h e r e c e i v e r a n dw ec a l lt h ed a t aa su n c e r t a i nd a t a t h i sd i s s e r t a t i o nu s i n gr e l e v a n c e v e c t o rm a c h i n ea l g o r i t h mt oa n a l y s ea n dp r o c e s st h e s eu n c e r t a i nd a t a , a n dw eg e t s o u n de f f e c t a n dt h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na sf o l l o w s ： 1 a n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h eo p t i c a lf i b e rs e n s o rn e t w o r k ，i n c l u d e st h ek i n d so f o p t i c a lf i b e rs e n s o r , s e n s ep r o p e r t i e so fo p t i c a lf i b e rs e n s o r , t h et e c h n o l o g yo f o p t i c a lf i b e rs a a s o rw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o na n dt h es t r u c t u r eo fo p t i c a lf i b e r s e n s o rn e t w o r k 2 a n a l y s e ss t r u c t u r eo ft h i ss y s t e m , d i v i d e st h es y s t e mi n t os e v e r a lf u n c t i o np a r t s 1 1 b a s e so nd e s i g np r i n c i p l ea n dr e q u i r e m e n ta n a l y s i s a n di n t r o d u c e st h es o f t w a r e e n v i r o n m e n ta n da n a l y s e st h es y s t e mt o p o l o g ys t r u c t u r e 3 g i v e st h ed e t a i ld e s i g no ft h es y s t e mp l a t f o r ma n da n a l y s e st h em a i nt e c h n o l o g y o ft h es y s t e mp l a t f o r m ，i n c l u d e sr e c e i v i n g , s t o r i n g , p r o c e s s i n ga n da p p l y i n gt h e d a t a 4 i n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es y s t e mp l a t f o r m 5 s u m m a r i z e st h es y s t e mp l a t f o r ma n dg i v e st h ep r o s p e c tt ot h ep a r t sw h i c hn e e d t ob ei m p r o v e di nt h i ss y s t e mp l a t f o r m k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r , m o n i t o r i n gp l a t f o r m ，r v m ，t e e c h a r t 5 i i ! 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义l 1 2 国内外研究现状、发展动态3 1 3 主要研究内容5 1 4 论文整体结构。5 第2 章光纤光栅传感器特点与传感网络构成7 2 1 光纤光栅传感器的种类和特点7 2 2 光纤光栅的传感特性8 2 3 光纤光栅的波长解调技术1 0 2 4 光纤光栅传感网络结构。l3 2 5 本章小结1 5 第3 章不确定性数据分析算法1 6 3 1 不确定性数据处理方法1 6 3 2 相关向量机( r v m ) 算法1 7 3 3 本章小结2 2 第4 章系统平台总体架构分析。：2 3 4 1 系统平台设计原则2 3 4 2 系统平台功能分析2 6 4 2 1系统平台初始设置模块功能。2 7 4 2 2数据采集模块功能2 8 4 2 3数据处理模块功能2 9 4 2 4数据显示模块功能2 9 4 2 5报警模块功能模块3 0 4 3 系统平台开发环境。3 l 4 3 1 编程开发环境。3 l 4 3 2 系统的结构模式3 2 4 3 3数据库管理系统3 6 4 4 系统平台网络拓扑分析3 6 4 5 本章小结3 7 第5 章系统平台设计及主要技术_ 3 9 5 1 系统平台详细设计3 9 5 1 1系统平台整体架构图和功能结构图j 3 9 5 1 2数据库设计4 l 5 2 系统平台主要技术分析。4 3 5 2 1数据采集4 3 5 2 2数据存储4 6 5 2 3数据显示4 8 5 2 4短信报警处理4 9 5 3 本章小结。5 0 第6 章系统平台的实现5 l 6 1 数据采集功能实现5 1 6 2 数据存储功能实现5 3 6 3 实时数据显示功能实现5 5 6 4 历史数据查询功能实现5 7 6 5 短信提醒功能实现。5 9 6 6r v m 算法实现6 3 6 7 系统平台开放式架构的实现“ 6 8 本章小结。6 5 第7 章总结与展望6 6 1 改谢6 7 附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文7 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 近年来，中国城市化进程发展越来越快，土木工程技术也有了长远的进步， 所以城市中各种民用工程建设发展很快。而对这些民用工程如桥梁、大坝、隧 道等建筑物以及电力电缆等的健康状态的检测，根据关键部件的特征信号判断 他们的健康状态，从而评估他们的使用寿命，保证它们安全运营，在学术界和 工程界越来越受到重视i l 】。 传统上，工程专家一般通过目测或者利用测量工具对工程进行测量，获取 关键部位的特征，从而对工程的安全状况经行诊断这是传统的人工检测方法， 然而这种方法在实际应用中有许多的缺点和局限性：主观性强，太过于依赖工 程人员的经验和水平，不易于量化；缺乏整体性，只能得到某一部件或某一方 面的数据，不能得到整体的特征量；需要大量的人力物力，而且有些方面人工 不易于测量；影响正常的工程运营，例如对桥梁进行检测时需要对桥梁交通管 制，影响交通运行；测量的时间周期长，实时性较差，对一些突发事件不能及 时进行有效的处理。所以，靠人工检测工程效果较差。这些目测的结果有大约 5 6 是不准确的，从而导致基于此结果的一些分析结果也不正确，这是来自美国 联邦公路管理局( f h w a ) 一项调查数据的结果。所以实际应用中迫切地需要一 个技术先进、能够高效使用的监测系统，这对工程监测应用方面的意义深远。 此外这个系统必须能够提升工程的管理水平，为工程的保养和改建提供准确的 数据，能够实时掌握工程的变化状态和趋势，为管理人员提供可靠的数据【2 l 。 以前数据采集方面用的较多的是一些电类传感器，但是由于这类传感器测 量方式复杂，维护成本较高，尤其在一些工程上面如桥梁的结构应变和温度监 测方面无法满足系统的要求，所以它不能够实现长期的实时监控。正是由于此 原因从而导致光纤光栅传感器的出现，工程检测的现状也因此得到了根本性的 改变，光纤光栅传感器巨大的优势体现在在工程的长期监测中。这种传感器与 一般的机电类传感器比较，它的体积较小，重量比较轻，可以耐高温，抗腐蚀 性好，抗电磁干扰的能力强，又可以防爆，另外与普通的光纤传感器相比它又 武汉理工大学硕士学位论文 具有测量信号稳定，能够简便利用波分复用技术测量一个光纤内的光栅分布式 情况，此处之外还可以通过把它埋入材料中，来精确测量材料的温度和内部应 变方面的数据，由于以上的原因，光纤光栅传感器应用的领域非常广泛，应用 前景也比较好。目前在许多行业，如工程建筑业、电力行业、航空和航天业、 石油化工业、船舶航运业、核电业，都有光纤光栅传感器的应用，而且取得了 不错的经济效益【3 】。 一般来说，光纤光栅在线的监测系统应该具有以下几个重要的功能： ( 1 ) 实时接收测量数据。测量数据主要是不同监测传感器的波长，系统根据 一定的频率采集数据。 ( 2 ) 数据的储存。由于实时监控会产生海量的数据，所以数据存储方面需要 采用一定的策略。如数据库的选择，一些压缩和解压算法，分布式存储等。 ( 3 ) 一些相关解包和换算算法。解包算法是取得测量数据的基础，不同的光 纤光栅解调仪数据包的格式可能不同，而且用的通信协议也有差别。另外由于 我们的原始测量数据是传感器的波长，而界面展示的可能是温度、位移、应力 等我们比较关心的数据，所以在波长应经过一定的映射或者利用某种算法转化 成我们要显示的物理量。一般系统中是按照线性关系处理的，但是不够精确， 所以要找到一些智能算法让转换的数据更加准确。 ( 4 ) 用户监控界面。这是系统最重要的功能。表现方式主要以数据的实时曲 线图，历史数据的曲线图和柱状图和传感器分布点图为主。 正是由于光纤光栅监测系统应用广泛，所以许多领域出现了许多相似的系 统：在桥梁监控方面有桥梁健康监测系统，在电缆监控方面有隧道火灾报警监 测系统，在油库监控方面有油库管理信息化系统。这些系统往往有许多重复的 功能模块，每次开发一个新的监测系统，由于不同开发人员所用的语言和编译 器不同，造成代码不能复用，所以要重新开发这些重复的模块，不仅造成了人 力和物力上的浪费，而且大大影响了系统开放的效率。因此有必要开放一个此 类系统的专用平台，规范大家的使用语言、编译环境和编程风格，将这类系统 公共的模块集成在这个平台中，以后如要开发一个新的系统只需要添加或者删 减一些功能模块，这样就可以不但可以减少系统开发的工作量，还可以降低系 统开发的难度，使开发工作更高效，从而缩短软件开发的周期。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状、发展动态 光纤布拉格光栅( f b g ) 是加拿大通信中心的h i l lko 等人在1 9 7 8 年首次发 明制成的。他们是在掺锗光纤中采用了驻波写入法制成了光纤布拉格光栅【4 】， 1 9 8 7 年又发明了紫外写入技术【5 1 。但是直到1 9 8 9 年m e n d e z 等人等人才将光纤 传感器用于结构安全监测，当时他们所用的方法是埋入监测法，即在混凝土中 埋入光纤传感器，从而达到测量结构的安全性【6 】。从这以后，许多国家如美国、 英国、德国，在水利和土木工程行业逐渐应用上了光纤传感技术，推动了光纤 传感技术进一步发展。如今光纤监测技术已经得到了非常广泛的应用，已经发 展到监测许多大型建筑结构和建筑物的温度和应力等参数。例如对大坝、河堤 渗漏情况的监测；对河堤、大坝和桥梁的表层的凝固状况与当前的温度的监测； 监测隧道里面的相关情况，根据具体的数据综合分析产生报警提示，从而可以 报警隧道里面的火灾；对石油、天然气等能源资源的输送管道和储罐泄漏情况 进行监控；监测深井油压和温度。 由于国外研究光纤传感技术比国内要早，他们应用光纤传感技术的时间也 比国内要早，所以在光纤传感的应用技术方面国外优势较大，他们的技术也更 成熟些。下面简单介绍国外在应用方面的成功例子：在桥梁结构监测方面，1 9 9 3 年在加拿大建成的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥是一个典型的应用，它是最早把光纤光 栅传感器用于桥梁监测的大桥吧在大坝的监测方面，比较具有代表性的例子是 在瑞士和法国边界一个叫e m o s s o n 发电站水库的大坝上光纤光栅传感器的应用。 k r o n e n b e r g 和g l i s i e 等人利用光纤传感器来测量大坝的裂纹和位移，他们测量的 结果很准确，跟原来所用的来杆式伸长计测量得出的结果很接近；在盐水管道 监测方面，2 0 0 2 年德国利用远程的光纤监测系统来监控盐水管道的渗漏情况， 这个系统可以自动报警和处理因管道渗漏而产生的事故；在油井的监测方面， 2 0 0 2 年8 月，挪威n o r s kh y d r oa s a 公司把光纤光栅监测系统应用于北海挪威 海域o s e b e r g 东油田温度和压力监测方面。此系统安装在e i l c 井上，硬件方面 用了许多光纤温度计和压力计以及温度传感光纤。由于能够为油田的生产管理 工作提供大量有用的数据，所以它使得油田的战略性存储管理称为可能【8 】。 国内一些重点高校和研究所致力于光纤监测技术的研究，研究的重点在于 工程结构健康监测和诊断系统的研究，到目前为止已取得了许多应用成果。 ( 1 ) 武汉理工大学的姜德生院士在光纤光栅桥梁监测方面取得了重大的突 3 武汉理工大学硕士学位论文 破，他把最新的光纤传感技术应用于桥梁的长期安全监测。这些在实践中已经 给社会带来巨大的效益。目前在在武汉长江二桥、武汉阳逻长江大桥等十余座 大型桥梁和一些水下博物馆等重点工程上，都采用了该项技术。 ( 2 ) 哈尔滨理工大学殴进萍等人建立一些光纤光栅海洋平台监测系统，其中 包含了一些海洋平台结构方面的评测标准和关于维修方面的判断标准。他们所 开放的j z 2 02 m u q 和c b 3 2 a 导管式光纤光栅监测系统已经应用于渤海海洋平 台中【9 】。 ( 3 ) 我国首次在大坝监测中应用光纤光栅测量技术的是一个水利部的9 4 8 项 目，它将f o p 光纤传感器安装于深圳市的茜坑水库上用于测量大坝的温度和一 些压力，大坝的监测系统中装有有4 3 支渗压计和5 支温度。由于系统是和加拿 大r o c t e s t 公司合作完成的，并且实际运行效果良好，这为我国通过吸收和引进 外国先进的光纤传感技术，从而提高我国的光纤光栅传感技术水平的实践道路 上又迈出了一大步【i 们。 ( 4 ) 东南大学在桥梁监测方面也建立了一套监测系统，并把此系统应用于润 扬长江大桥监测中。这个系统结合了现代的光纤光栅传感技术和网络通信技术， 能够实时的监测大桥的外部负荷情况，从而能够将桥梁的状态及时反馈给相关 的维护和管理人员。由于它在桥梁的运营管理方面，桥梁安全可靠性能方面提 供了一些现场数据，所以能够让相关人员对桥梁的健康情况做出科学的判断， 这为推动我国桥梁数字化和智能化发展起到了重大作用。 ( 5 ) 哈尔滨工业大学苑立波等人在南京长江第三大桥深水基础施工监测项目 中，布设的应变和温度传感器的数量居于世界之首。在这个项目中，一共布设 了3 9 7 个光纤光栅应变和温度传感器，而且控制效果还比较良好。另外，他们 还开发了关于施工的监测数据库系统，利用此系统的监测数据大大推动了施工 进程的发展，这表明在光纤光栅应用领域的某些方面我国的应用研究水平已经 达到了国际水平。 除了上述的个人、研究机构外，其它的一些研究和应用光纤光栅传感技术 的个人和研究机构也取得了一些不错的研究成果。 总体来说，光纤光栅传感技术已经在许多领域中已经得到了广泛的应用， 不过应用较为成熟的方面还是在应变和温度的监测这两个方向。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 本文主要是围绕如何设计出一个基于光纤光栅在线监测系统平台而展开 的。前两章主要介绍本文的研究的背景、一些光纤光栅传感器的原理和解调技 术。第三章介绍相关向量机算法。第四章至第六章依照软件工程的一些步骤介 绍系统的实现，包括系统的总体设计，概要设计和具体设计。此外还介绍了一 些系统开放的原则和技术，以及一些算法。最后一章是对本文的一些总结和展 望。本文重点在光纤光栅系统平台的设计和应用上。 论文主要研究的内容如下： ( 1 ) 光纤光栅基本原理、解调技术介绍和光纤光栅传感网络组成情况分析 ( 2 ) 系统平台的架构和设计。 ( 3 ) 系统平台的数据采集和存储功能实现 ( 4 ) 系统平台的实时数据显示功能实现 ( 5 ) 系统平台关于扩展性方面的设计情况 ( 6 ) 相关向量机( r v m ) 在波长转换成温度算法中的应用 本论文的创新点有两点： ( 1 ) 光纤光栅在线监测系统平台的设计和实现，包括平台的架构设计和应用 方面的设计 ( 2 ) 相关向量机( r v m ) 算法的研究以及它在在波长转换成温度参数中的应 用 1 4 论文整体结构 第l 章本论文的绪论。主要介绍了本文研究的目的和意义，还介绍了在光 纤光栅应用这方面国内外的一些研究成果和研究现状。 第2 章介绍了光纤光栅传感器一些基础知识。主要介绍了当前光纤光栅的 种类，它的传感原理，解调技术和分析了光纤光栅传感网络的结构。 第3 章介绍了不确定性数据分析算法的原理和相关向量机算法的原理。 第4 章系统平台的架构和概要设计。首先介绍了系统平台开放的一些设计 原则，接着根据普遍的需求，分析了系统平台的一些核心的功能，然后介绍了 完成系统所需要具备的软件条件，最后分析了系统平台的网络拓扑结构。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章系统平台的详细设计。包括一些具体的功能划分和主要的编程技术 的分析。 第6 章绍了系统平台具体的实现情况。在依据上一章的设计基础上，相应 给出了一些编程的具体步骤以及核心代码。 第7 章对本文的总结。包括对系统平台总结性的介绍和不足之处的展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感器特点与传感网络构成 2 1 光纤光栅传感器的种类和特点 光纤光栅是根据光纤的光敏性原理而做成的。这里的光敏性是指这样一个 过程：当激光经过掺杂光纤的时候，光纤内在纤芯轴方向的折射率会发生周期 性的变化，由此会产生一个持续的空间相位，每当光强的空间发生变化它对应 的折射率也会发生变化。由于纤芯内产生了空间相位光栅，它可以过滤掉一些 不满足布拉格条件的波长，让这些波长的光波继续向前传输，反射那些符合要 求的光波，所以这种空间相位光栅的作用与滤波器的作用类似。光纤的这个特 点比较重要，很多独特功能的光纤器件就是据此原理制作的。其中光纤光栅传 感器取得传感信息就是通过外面的参量调节光纤光栅谐振波长而得到的。布拉 格光栅也是依据这个原理，由于它的谐振波长受到光栅的周期及模的有效折射 率变化的影响，每当这两个参数发生变化时，它的谐振波长也会变化。所以可 以测量它谐振波长的变化值，就可以得到外面测量参数的变化量，从而间接地 测出了我们所关心的物理量。 从周期上分，按照周期长短一般把光纤光栅分成布拉格光栅和透射光栅两 大类。其中布拉格光栅是短周期光栅，透射光栅是长周期光栅。从功能上分， 光纤光栅可以为滤波型光栅和色散补偿型光栅两大类，其中色散补偿型光栅是 非周期光栅，它又被称作啁啾光栅；从结构上分，光纤光栅又分为为周期性结 构光栅和非周期性结构光栅两大类。 ( 1 ) 布拉格光纤光栅的特点。由于光纤芯区折射率发生变化，会产生一个小的周 期性调制，继而产生了布拉格光纤光栅。又因为带宽较宽的光在传播过程中不 会受到周期性折射率的扰动的影响它只能影响到一些光谱较窄的光( 范围一 般为0 0 5 0 3 r i m ) ，所以宽带光的入射光在一定的频率上会被反射回来，与此同 时别的光波继续往前传输，基本上没受到什么影响l 。布拉格光纤光栅波长以由 公式( 2 1 ) 决定： 以= 2 n a 公式( 2 - 1 ) 7 武汉理工大学硕士学位论文 公式( 2 1 ) 中1 1 表示芯模有效折射率，a 表示光栅周期。 每当外界的温度、应力、应变等参量发生变化的时候，光栅的周期或纤芯 折射率也会随之发生改变，根据公式( 2 1 ) 可知，反射光的波长也会改变。所以 我们只需要测出反射光波长的变化，就可以知道我们所监测的物理量变化情况。 举个例子来说，我们通过测量磁场引起的左右旋极化波的折射率变化，就可以 测出磁场。与其他的传感器相比，布拉格光纤光栅传感器的优势是它不但可以 精确地测量所测的物理量，而且能够避免电源的干扰，这是由于它的应变与布 拉格波长具有一一对应的关系。 ( 2 ) 长周期光纤光栅的特点。一般来说，长周期光纤光栅的波长是几百微米。它 的波长名由公式( 2 2 ) 决定： 磊= ( n o 一m ) o a 公式( 2 - 2 ) 在公式( 2 2 ) 中，参数元表示长周期光纤光栅的波长，参数表示纤芯的折射 率，参数码删表示i 阶轴对称包层模的有效折射率，参数人表示光栅周期。 长周期光纤光栅可以在一个较宽的波长区间产生很多共振，在实际过程中， 外界的环境如应变、温度物理量发生的变化都可以在这些共振中产生较大的波 长位移，所以只需要测量波长变化的情况就可以得到监测物理量的变化量。长 周期光纤光栅多被用在多参数传感器上，这是由于它在一定波长共振带产生不 同幅度的特性所决定的。 ( 3 ) 啁啾光纤光栅的特点。啁啾光纤光栅与光纤布拉格光纤光栅基本的原理相似。 不同之处在于当外界的监测参数发生改变时，啁啾光纤光栅不仅仅波长的变化 量发生改变，还会影响到光谱的展宽，所以它比较适用于同时测量温度和应变 的情况。当应变发生变化时，它的折射率温度依赖性( 以4 ) 温度会发生改变， 与此同时反射信号将会拓宽和峰值波长将发生位移，这样一来只要测量光谱位 移和展宽，就可以得到温度和应变的值【1 2 】。 2 2 光纤光栅的传感特性 ( 1 ) 光纤光栅的应变传感特性。公式( 2 1 ) 的微分方程是： 丝= 生+ 坐公式( 2 - 3 ) a i n 眄 八 3 武汉理工大学硕士学位论文 当光纤光栅有应力作用时，光栅常数会因为一些机械性的拉伸作用力发生 改变，与此同时，纤芯折射率也会由于弹光效应发生变化，两个参数变化分别 为： 坐：杯l 丝：一墅堡二塑型s 人 2 、 上式中参数占表示轴向应变，参数p r 。和p l ：表示弹光系数，参数y 表示泊松 比。- 1 - 令 以= 业芈 表不有效弹光系数，由此司以得到应变引起光纤光栅波长变化表达式为： 华= ( 1 一见弦 公式( 2 - 4 ) ( 2 ) 光纤光栅的压力传感特性。光纤光栅受到压力( p ) 作用时，其反射波长变化 量为： 等= 去篆+ 寺笠o p 】廿 公式( 2 剐 九3 入a pn 酊 。 其中 t 1 石o a ：一( 1 - 2 v ) ，一i 冬：卫1 1 2 ( 1 2 坝2 最+ 曰。) e2 e人a 尸刀。卯 、 一“ “ 这里e 为光纤弹性模量。将这两个表达式代入公式( 2 5 ) 式中，可得出压力 作用于光纤光栅波长变化表达式为： 等- 【丁( i - 2 v ) 一i - 蔷( 1 _ 2 坝2 即刖】a p 公式( 2 - 6 ) ( 3 ) 光纤光栅的温度传感特性。温度也能引起光纤光栅波长变化，在实践中利用 此变化间接测量温度的应用也比较广泛。影响光纤光栅波长变化的与温度相关 的物理参数有三个：由于内部热应力引起的弹光效应、热膨胀效应和材料的热 光效应【1 3 1 。 对公式( 2 2 ) 两边全微分可以得到下面式子： d 兄= 2 n a r d a + 2 丸 公式( 2 - 7 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 当温度变化时，批a 似a d t = a a o d t , = 鲁卯+ 鲁执化简可以得 到： = 而d 2 = 气卜专鲁 公北剐 其中参数表示有效折射率，参数啊表示纤芯的折射率。由于7 锄和刀比 较接近，所以可以近似把纤芯材料与效折射率两者的热光系数看作相同。 因为有效折射率和纤芯的折射率较接近，因此，可以认为纤芯材料的 热光系数与利用有效折射率的热光系数相同，把 f = 嘉= 去鲁，代入上式得 r = 筹= 气( 口+ f ) 公式( 2 9 ) 结合上面的分析可以得到，波长漂移和应变的变化量、波长漂移和温度变 化量的关系是线性关系，这个性质在时问应用中应用的很广泛，它是光纤光栅 波长转换成其它物理量的理论依据。 2 3 光纤光栅的波长解调技术 利用布拉格光纤光栅( f b g ) 中心波长漂移量来确定外界待测物理量变化大 小的技术是解调技术的基础，也是保证f b g 传感精度的关键技术。光谱仪虽然 可用来监测波长信息，但由于其价格昂贵，体积大，所以不适合f b g 传感网络 的实用化。f b g 传感网络技术推广的关键因素是要研制一个结构简单、价格便 宜、使用方便的解调装置。 当前已知的f b g 传感器解调方法很多，但是滤波法、干涉法、可调谐窄带 光源法、光栅色散法【1 4 】是四种最主要的方法，接下来介绍这四种方法。 ( 1 ) 滤波法。下图2 1 所示的是f b g 传感器的f p 滤波法【b 】。它的解调原理如 下：首先光源发出宽带光，发出的光接下来会经过隔离器，离开隔离器后它来 到耦合器，接下来它就到达传感光纤光栅，传感光纤光栅会反射这个宽带光， 宽带光又经耦合器进入可调谐f p 腔，然后f p 腔因为被一个频率大小是正的 抖动信号驱动，它在一定的范围内透射这个波长。在无任何外界因素影响的情 况下，如果f b g 的波长和f p 腔的波长产生匹配时，上述过程中f p 腔中频率 i 0 武汉理工大学硕士学位论文 为厶的分量值是0 ，但是如果有外界的因素影响，例如温度、应力发生改变，那 么由于中心波长会发生改变，造成f b g 的波长和f p 腔的波长不匹配的情况， 这时候f p 腔中频率为厶的分量值不等于o ，再用混频、低通滤波及积分处理后 就可以得到一个电压偏差值( 也称为误差电压) ，最后根据这个误差电压得到波长 的变化值，从而间接得到最终的物理量的值。当前f p 滤波法的温度分辨率和应 变传感分辨率可以精确到小数点后一位。 可调匹配光栅滤波法【1 6 】是另外的一种滤波解调法，这种方法结构简单，但 信噪比高，可用于精度要求不高、价格比较低廉的场合。下图2 2 所示的就是这 种方法的解调示意图。它用到了两个相同的光纤光栅，被称为传感光栅和参考 光栅，其中与压电陶瓷片( p z t ) 紧贴在一起的是参考光纤光栅，当被测物理量变 化时，传感与参考光栅波长失配，通过控制电压驱动p z t ，使传感光栅与参考 光栅重新匹配，最后依据输出的电压值就可以得到波长值，从而就能够得到所 测物理量的变化值。可调匹配光栅滤波法的温度分辨率和应变传感分辨率也可 以精确到小数点后一位。 l 嘲o ，r a 0 1 零秘a i - - - - - i i i 卜- - i 一 堕兰丝篷望h 垫骛兰陀塑耸苎茎舅西配藏 i 1 1i 撵溯粉l i = e ll 溉绷褥卜一石 l 二 = n 茁诩n 函荟嗣1 低矮滤波l l 镰出h 蔼邑额礴h ! 竖堡竖坚i 一一 图2 1 基于f p 可调谐滤波器的解调原理 窕帮她源 佟瞎f 秘g 烈q 黼 探溯鬃u q鼹配液 舱h 匍服控溯系统 一甄鬣渡 参考毙橱 图2 2 匹配光栅滤波法原理图 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 干涉法。下图2 3 所示的是由一个3d b 耦合器构成非平衡m i c h e l s o n 干涉仪 的内部结构示意图，它有反射率8 5 以上金属膜镀在耦合器的同侧两光纤端面， 将短臂的一部分粘贴在p z t 上，由于受到锯齿波信号驱动，它可以伸缩，所以 就形成了非平衡扫描干涉仪。它的解调过程如下：光信号首先从干涉仪输入端 口进入干涉仪，然后经过一定的处理后，它就成为了待测信号，而p z t 的驱动 信号就是对应的参考信号，接下来把这两个信号都输入相位计，就能够根据相 位计的相位值的变化情况解调出来对应的监测物理量。当前它的应力分辨率和 测量范围分别是l 肛和7 0 0 a t 2 3 0 0 z s 这种方法的缺点在于它不能做静态检 测，这是由于如果信号的频率跟随机相位噪声的频率差别不大时，就不能消除 噪音，从而不能测出对应的物理量。 图2 - 3 非平衡m i c h e l s o n 干涉解调原理图 ( 3 ) 可调谐窄带光源法。可调谐窄带光源法【1 7 】利用窄带光谱来对光栅的反射谱进 行扫描，所对应的物理量也是通过光纤光栅的反射波长变化而间接得到的，而 此波长是由调谐信号得出，这种信号必须是在光纤光栅反射最强时候产生的信 号。下图2 _ 4 所示的是它的原理图，安装在p z t 压电陶瓷片是一个可调谐窄带 光源，每当正弦波电压调制p z t 的时候，窄带光源的光谱就会在固定的区间范 围里扫描。当前可调谐窄带光源法的温度和应变最高分辨率分别是o 2 。c 和2 3 p m 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 要嚣巴l 弱函 笮警聱光溯l 。l 2 ：= 罡 锯擞踱 敖生器 瓣禽舔传感确略 麟勰 图2 - 4 可调谐窄带光源法原理图 ( 4 ) 色散法。下图2 5 所示的是色散法原理图，具体解调步骤是：f b g 的反射谱 或透射谱被一些分光元件如色散光栅等传入透镜，然后经过准直处理后该光会 空间里面展开，此时f b g 波长会产生许多不同的衍射角，最后在特定位置的c c d 会根据所接收的信号改变量来得到所要监测物理量变化的情况。 图2 5 光纤色散查询方式原理图 2 4 光纤光栅传感网络结构 在光纤光栅传感器的实际监测应用中，由于所测的点和所测的物理量比较 多，而把每个点所测量的物理量都要采集到上位机来需要一个网络载体。所以 光纤光栅传感网络应运而生，各种各样的传感器构成了该网络的基本单位，基 本单位的连接和解调线路就构成了基本的传感网络。 光纤光栅传感网络的硬件是有光纤光栅传感器、传输光缆、光纤光栅解调 器、交换机、计算机系统等【l 引，它的结构如下图2 6 所示。光纤光栅解调仪作用 是把每个通道光信号解调成波长信号，然后又把