（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的光纤bragg光栅解调.pdf

摘要 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 ) 是目前最有发展前途、最具 代表性的光纤无源器件之。由于它能将被感测信息转化为其反射波长的偏 移，即具有波长编码的特性，因而不受光源功率波动和系统损耗的影响。另 外，光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，易于将多个光纤 光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感，这是其他传感 元件无法比拟的。因而近年来在光纤光栅传感方面的研究与应用已经越来越 引起人们的重视。 然而，当前f b g 传感技术研究领域的难点之一就是f b g 的解调技术， 目前国内不少部门和研究单位对其解调技术进行了很多研究，但是大多数处 于实验室研究阶段，离实用化，工程化，产品化的标准还有相当距离。 本文在此基础上设计了一套基于d s p 的分布式光纤b r a g g 光栅传感器 波长解调系统。该系统采用可调谐光纤f p ( f a b r y p e r o t ) 滤波法对f b g 波 长变化进行解调，其中提供给f _ p 的驱动电压由t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 的计 数器经d a 转换产生。当透过f - p 滤波器的光波长与b r a g g 反射波长重合 时，就产生中断请求信号，d s p 响应中断后就对有用的信息进行处理，进而 得到相应被测参量的变化。 本文是一个涉及到光、机、电的复杂的研究体系，其所做的主要工作包 括： ( 1 ) 阐述了光纤b r a g g 光栅传感和解调基本原理，并系统地分析了影 响光纤b r a g g 光栅波长的主要因素。 ( 2 ) 提出了几种有较高研究价值的光纤光栅解调方案，并对这些方案 进行了分析和比较，总结了各方案的优缺点。 ( 3 ) 作为本课题的预备知识，对于本课题所月到的重要器件：t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片做了较系统地阐述和分析。 ( 4 ) 选定了一套分布式f b g 传感解调系统，即可调谐f - p 滤波法。在 此基础上对整个解调方案进行了细化，并对各子部分的硬软件分别进行了设 计。 ( 5 ) 以分布式温度变量作为被测对象进行了分布式传感解调实验，实 验结果表明本解调方案的功能达到了预期的目标，能够满足解调试验与工程 应用需要。 ( 6 ) 根据实验结果对本论文进行了总结，并对后续工作进行了展望。 关键词：光纤布拉格光栅( f b g ) ，光纤传感，波长解调，分布式，调谐 n a b s t r a c t a tp r e s e n t ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) i so n eo ft h em o s tp o t e n t i a la n d t y p i c a l o p t i c a lp a s s i v ec o m p o n e n t s f b gc a i b ei m m u n ef r o ml i g h ts 0 1 l r e e d i s t u r b a n c ea n d s y s t e m l o s s b yt r a n s f o r m i n gs e n s i n gi n f o r m a t i o ni n t o i t s r e f l e c t i n gw a v e l e n g t hs h i f t ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v e l e n g t hc o d i n g b e s i d e s ，f b gi s o fg o o dr e l i a n c e ，i m m r n ef r o me l e c t r o m a g n e t i c s i g n a l sa n d c o r r u p t i o n ，a n dc a nb ec o n s t r u c t e da sf b g sn e t w o r kb yb e i n gp u tt o g e t h e ro na s i n g l ef i b e r s oa st or e a l i z ed i s t r i b u t e ds e n s i n g ，w h i c hi sa n u n e x a m p l e d m e r i tf o r f b g t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o ni nf i b e rg r a t i n ga t t r a c t sm o r e a n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s h o w e v e ld e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo ff b g i so d eo ft h ed i f f i c u l t i e si nt h e f i e l d so ff b g s e n s i n gt e c h n i q u er e s e a r c h r e c e n t l ya l t h o u g hal a r g en u m b e ro f r e s e a r c h e r si nd o m e s t i cr e s e a r c hu n i t sh a v eb e e nd o i n gal o to fr e s e a r c ha n d i n v e s t i g a t i o n so n t h ed e m o d u l a t i o nm e t h o d so f f b g ，m o s to f t h er e s e a r c h e sa r e s t i l li nt h ep h a s eo f l a be x p e r i m e n t sa n dh a v en o ty e tm e tt h er e q u i r e m e n t so f t h e p r a c t i c a li n d u s t r i a lm a s sp r o d u c t i o n s b a s e do nt h e s ep r o b l e m s ，ad i s t r i b u t e df b gw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n s y s t e mw h i c h i sb a s e do i ld s pi sp r e s e n t e da n d a d a p t st oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i ss y s t e ma p p l i e sat u n a b l ef i b e rf - p ( f a b r y - p e r o t ) f i l t e rt od e m o d u l a t et h e w a v e l e n g t hv a r i a t i o n so ff b g t h ev o l t a g ec o n t r o ls i g n a lp r o v i d i n gf o rf - p t i l t e ri s p r o d u c e db yt h e c o u n t e ro ft m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s pt h r o u g had a c o n v e r t e lw h e nt h el i g h tw a v e l e n g t hp e r m e a t i n gt h ef - pf i l t e re q u a l st ot h e b r a g gr e f l e c t i o nw a v e l e n g t h ，t h e r ei sa ni n t e r r u p tr e q u e s ts i g n a l ，d s p d e a l sw i t h t h eu s e f u li n f o r m a t i o na f t e rd s pa n s w e r si n t e r r u p t i o n , a n dt h e no b r a i nt h e c o r r e s p o n d i n gc h a n g e s o f t h em e a s u r e d p a r a m e t e r s i nt h i sc o m p l i c a t e dr e s e a r c hd e a l i n gw i t ho p t i c s ，m e c h a n i ca n de l e e t r i c s ， t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f 吐正sp a p 盯a r e ( 1 ) e x p a t i a t et h eb a s i cs e n s i n ga n dd e m o d u l a t i o np r i n c i p l e s o ff b g , a n d r a n a l y z es y s t e m a t i c a l l yt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gf b gw a v e l e n g t h ( 2 ) p u t f o r w a r ds o m ef b gd e m o d d a f i o nm e t h o d sw h i c h h a v e l i g h r e s e a r c h v a l u e s ，a n dt h e na n a l y z ea n dc o m p a r et h e s em e t h o d s ，a tl a s ts u m m a r i z et h e m e r i t sa n d d i s a d v a n t a g e so f t h e s e m e t h o d s ( 3 ) a sf o rt h ee l e m e n t a r yk n o w l e d g eo ft h i sd i s s e r t a t i o n ，e x p a t i a t e a n d a n a l y z es y s t e m a t i c a l l yb a s i l i c ap a r t so f a n a p p a r a t u s ：t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s r ( 4 ) c h o o s e ad i s t r i b u t e df b g s e n s i n gd e m o d u l a t i o ns y s t e m ，n a m e l y t u n a b l e f - pf i l t e rm e t h o d b a s e do nt h i ss y s t e m ，t h i sp a p e rg i v e sad e m o d u l a t i o ns o l u t i o n d e t a i l e di ns y s t e mf u n c t i o n s a n dr e s p e c t i v e l yd e s i g nh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f a l ls u b s e c t i o n s ( 5 ) t o d od i s t r i b u t e d s e n s i n g d e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n tt o d e t e c tt h e d i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r ev a r i a b l e s ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ew h o l e s y s t e mr e a c h e s a n t i c i p a t i v ea i m a n di sa b o u tt ob e r e a d yf o r t r i a la n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ( 6 ) b a s e do nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，s u m m a r i z et h ed i s s e r t a t i o n a n d a n t i c i p a t et h e f u t u r er e s e a r c hw o r k s k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，f i b e ro p t i c a ls e n s i n g ，w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n ，d i s t r i b u t e d ，t u n i n g i v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 光纤传感器的特点与分类 1 1 1 引言 光纤通信线路凭借其低价格、高精度、以及极高的传输能力，已经使远 距离通讯工业发生了革命性的变化。这些发展变化，有一半的成绩应归功于 光纤传感器1 1 1 。 光纤传感器从本质上看是一种器件，在外界物理量、化学量、生物量、 生物医学量或其它类似因素的影响下，光纤中光波导的特性会发生变化。具 体地讲，就是将一光源发出的光学性质保持不变的光通过某种固定的耦合方 法入射到光纤，然后进入调制区，最后又从同一光纤或不同的光纤返回。调 制区可以由光纤本身组成，也可以由其它介质组成。 一般的光纤传感器系统由光源、信号传输线( 光缆) 、传感器件、光电 转换及信号处理四部分组成，如图1 - 1 所示。光波作为载波经输入光纤传输 到传感头，光波的某些特征参量( 如强度、相位、偏振态和波长等) 在传感 头内被外界物理量所调制，被调制的光波经输出光纤输出到光电转换部分 经解调后即得到被测物理量的大小和状态。 图1 - 1 光纤传感器工作原理示意图 这些传感器拥有一系列的优点，其中包括体积小、重量轻、不受电磁场 干扰、传输信号安全、可实现非接触测量等优点，同时它能解决用其它技术 难以解决的测量问题，如在强电磁干扰环境中，电压和电流的测量：在外科 手术中，兵刃血液中化学成分的测量：在极高强度的电热和微波加热的辐射 武汉理工大学硕士学位论文 场中，温度、应变等参数的测量【2 l ，l 3 。而光纤本身所具有的重量轻的特点将 使它在航空领域发挥巨大的作用，下代的飞机将极有可能只采用光纤传感 器来控制飞行。 利用光的干涉、分光现象可实现高精度、高灵敏度检测；利用光纤的传 光特性可达到高速度和高精密度的测量；利用光的直线性、反射和遮光等现 象，可实现专用化以及低成本化。 1 1 2 光纤传感器的特点 与普通机械、电子类传感器相比，光纤传感器具有如下的特点1 4 ，【5 】： ( 1 ) 高灵敏度，高精度检测：光是短波长的电磁波，通过光的相位就 可得到光学长度为n l ( n 为光纤折射率，1 为其几何长度) 的准确信息。 ( 2 ) 高速度检测：光传播速度最快，能传送二维信息，所以能用于高 速测量。 ( 3 ) 电绝缘性好，安全可靠：光传感器所用的元件( 光纤、透镜等) 是用石英等绝缘材料制成的，因而电绝缘性能好，安全可靠，适宜于在易燃 易爆的油、气、化工生产等环境下使用。 ( 4 ) 环境适应性：由于光纤是由石英材料制作而成，具有极高的化学 稳定性，因而光纤传感器适宜于在较恶劣的环境中使用。 ( 5 ) 传输损耗小，传输容量大：可实现远距离遥控监测和分布式测量。 ( 6 ) 测量范围广：光纤传感器可测量温度、压力、应变、流量、液位、 电流、电压、液体浓度等，因而测量范围极其广泛。 由于它具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下 使用以及非接触、非破坏和使用简便等特点，因而在各行各业得到了较广泛 的应用。 1 1 3 光纤传感器的分类 光纤传感器按其工作原理大致可以分为两大类f 6 】： ( 1 )光纤传光型传感器( 又称非功能型传感器) ：在传光型光纤传感器 2 武汉理工大学硕士学位论文 中，光纤仅仅作为传光的媒介，光纤是不连续的，其间有中断，中断部分再 加上敏感元件才能构成传感器，其中的传感头为其敏感元件，这类传感器如 图1 2 所示。 ( 2 ) 光纤传感型传感器( 又称功能型传感器) ：在传感型光纤传感器中， 光纤既起到传光的作用，同时还利用光纤在外界因素( 如温度、应变、电场、 磁场等) 作用下，使其传光特性发生变化以实现传感测量。这类传感器如图 1 3 所示。 由于光波是短波长的电磁波带来的。根据光的波动原理，光可以产生干 涉、衍射、反射、折射等现象，这些特点和光纤结合起来可以做成各式各样 的光纤传感器。这些传感器有回转式光纤传感器、加速器、振动传感器、烟 雾探测器、线性及角度位置传感器，除此之外还有应变传感器、温度传感器 和光磁传感器等 7 1 0 1 圈i - 2 非功能型光纤传感器 圈卜3 功能型光纤传感器 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 光纤光栅传感技术的特点及发展趋势 1 9 7 8 年加拿大的奥它瓦通信中心的k e nh i l l 等人首次发现掺锗石英光 纤紫外光敏特性并采用驻波干涉法制造了世界上第一只光纤光栅f 3 9 】。但这 种方法写入效率低，并且光栅周期完全取决于入射光的波长，因此当时并未 引起人们的广泛关注。直到1 9 8 9 年g c r ym e l t z 等人实现了光纤光栅的紫外 光侧面写入光敏光栅技术【3 3 】及h i l l 等人于1 9 9 3 年提出的相位掩膜制造法使 光纤光栅的制造技术得到了重大发展，自此以后光纤光栅的研究就引起了人 们极大的兴趣，进而在全世界范围内掀起了光纤光栅研究的高潮。光纤光栅 是最近几年发展最为迅速的光纤无源器俘之一。自从它问世以来，由于它具 有许多独特的优势，因而在光纤通讯和光纤传感等领域均有广阔的应用前 景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增多，使得光纤光 栅成为目前光纤器件领域中最有发展前途、最具有代表性和发展最为迅速的 光纤无源器件之一。同时也由于光纤光栅的出现，使许多复杂的全光纤通信 和传感器网络成为可能，极大地拓展了光纤技术的应用范围。可以说光纤光 栅的出现将极大地促进全光纤通讯和光纤传感技术的发展【8 l 9 1 。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光的 相干场图形写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而 形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的( 透 射或反射) 滤波器或反射镜。由于光纤光栅是直接制作在光纤纤芯上的，因 此可以方便地嵌入到光纤通信系统、激光器及传感器中，构成许多性能独特 的光纤无源器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小、能 与光纤很好的耦合、可与其它光器件兼容成一体、不受环境影响等一系列优 异性能。光纤光栅的种类很多，主要分为两大类：一是反射光纤光栅( 也称 布拉格光纤光栅f b g ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 二是透射光纤光栅( 也称长周 期光纤光栅l p f g ，l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ) 。不论是f b g 或l p f g ，其反 射或投射波长的偏移都与光纤的有效折射率和光栅周期的变化有关。而折射 率和光栅周期的改变与应变和温度有关。应力作用下的光弹效应导致折射率 变化，形变使光栅周期变化；温度导致的热光效应使折射率改变，而热膨胀 4 武汉理工大学硕士学位论文 效应使光栅周期改变。进而使f b g 或l p f g 的波长发生偏移。这就是光纤 光栅传感器的基本工作原理。因此，温度和应变是光纤光栅能够直接传感测 量的两个最基本的物理量，它们构成了其它各种物理量传感的基础，其它各 物理量( 如流量、液位、电场、磁场等) 的传感都是以光纤光栅的应变和温 度传感为基础衍生出来的。 光纤光栅作为敏感元件的传感器是波长编码的，而波长是绝对不变的参 量，不存在多值函数问题，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功 率起伏进行补偿，因此对环境干扰不敏感。它的性能优予光强编码或相位编 码的光纤传感器，与这类传感器相比光纤光栅传感器在传感网络应用中具有 非常明显的技术优势【1 0 】，【1 1 】，【1 2 1 ： ( 1 ) 可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被感测信息采用波长 编码，而波长是一种绝对参量，它不受光源功率波动以及光纤弯曲等因素引 起的系统损耗的影响，因而光纤光栅传感器具有非常好的可靠性和稳定性。 ( 2 ) 传感探头结构简单、尺寸小( 其外径与光纤本身等同) ，适于各种 应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料和结构。 ( 3 ) 对电磁场及电流不敏感、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作。 ( 4 ) 可复用性强，采用波分复用( w d m ) 技术构成分布式光纤光栅传 感器阵列，可以构建分布式光纤传感网络。从而进行大面积的多点测量。 ( 5 ) 光纤光栅的写入工艺目趋成熟，便于形成大批量生产。 光纤光栅诸多的优势使其应用范围越来越广泛，在桥梁、建筑、海洋石 油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实对安全、温度及应变监测。 国外对光纤光栅传感器的研究已经基本实现了光纤光栅传感器的商品化，工 程化，如加拿大多伦多大学航空研究院光纤灵巧结构实验室和安大略 d o w n s v i c w 的e l e c t r o p h o t o n i c s 公司将他们研制成功的光纤b r a g g 光栅传感 器及其解调系统用于测量1 9 9 3 年建成通车的加拿大b e d d i n g t o n n a i l 大桥的 应力，取得了很好的效果。近几年国内在光纤光栅传感器方面的研究工作也 取得了一定成果，其中一部分已经转化为产品，如上海紫珊光电技术有限公 司、中科院半导体所、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、南开大学及大连理 工大学等。 虽然如此，为促进光纤光栅的进一步发展仍有许多研究工作要作，当前 s 武汉理工大学硕士学位论文 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 ) 深入研究光纤光栅的基本性质，其中包括：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：光纤光栅对外界物理量敏感 的本质及其增敏和去敏的可能方式；交叉敏感的解决途径等。 ( 2 ) 应进一步完善现有的光栅写入方法及其封装技术，发展新的写入 方法，尤其是非均匀光栅的写入方法，进一步降低光纤光栅的成本，提高其 使用寿命等。 ( 3 ) 进一步研究波分复用、时分复用的多路传感器阵列，实现多参数、 多变量的同时测量。 ( 4 ) 进一步研究和开发出高效低成本的信号解调系统，着重研究b m g g 波长移位的检测技术，应力求发展一些方便、价廉、灵敏度高的波长移位检 测技术和设备，这将大大促进光纤光栅传感及其网络技术的发展。 1 3 本课题的提出及研究的意义 本课题“基于d s p 的光纤b r a g g 光栅解调”源于武汉理工大学光纤传 感国家重点工业试验基地的研究项目。其目的是设计开发出一种精度高、光 能利用率高、价格低廉、操作简便、能实时显示检测目标参数变化的适合于 工程应用的传感器波长解调系统。 近年来，光纤b r a g g 光栅( f b g ) 在传感领域的应用越来越引起人们的重 视，被认为是继掺饵光纤放大器( e d f a ) 技术之后光纤技术发展的又一重大 突破。同其他类型的传感器件相比，光纤b r a g g 光栅传感器具有可靠性好、 抗电磁干扰、抗腐蚀、能在复杂的化学环境下工作等特点。此外，其波长编 码特性及其可复用性更是其他类型传感器所无法比拟的而对光纤光栅的波 长编码信号进行解调，又是实现光纤光栅传感应用的关键，因而历来受到研 究人员的高度重视。传感解调系统的作用在于它能及时、准确地提取出信号 幅值的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，对待测信息不仅要 精确地测量其幅值，而且需要记录或跟踪其整个变化过程。 目前国内对光纤b r a g g 光栅的研究还仅限于高校和科研院所，基本上还 处于理论研究和实验研究阶段，而且实验研究的重点也仅放在光纤b r a g g 6 武汉理工大学硕士学位论文 光栅的物理特性的研究方面，少有应用性的研究成果问世。因此如何设计和 开发出一种高精度的光纤b r a g g 光栅波长解调系统，实现光纤光栅传感器的 广泛应用，不论是从理论研究上还是实际应用上来看都具有重大的意义和实 际价值。 1 4 本课题所要完成的主要工作 由上一小节的内容可知，开发出高效低成本的信号解调系统是促进光纤 b r a g g 光栅应用的关键，因此本课题就光纤b r a g g 光栅解调技术进行了一些 探讨。全部内容分为5 个部分，分别用5 个章节来描述。 第1 章主要综述了光纤传感器的特点及分类，其中重点对光纤光栅传感 技术的特点、发展现状和应用前景进行了回顾。 第2 章主要研究了光纤b r a g g 光栅传感的工作原理和解调技术。 第3 章就本系统的一个重要组成部件t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片的原理 及本系统将要用到的d s p 芯片的性能特点进行了较详细地阐述。 第4 章涉及了本论文的具体工作内容，围绕光纤b r a g g 光栅解调技术展 开，提出了一种用d s p 来实现光纤b m g g 光栅解调的设计方案，该方案克 服了以往实验室解调需依赖光谱仪的传统。根据该方案设计出了解调系统的 软硬件，并以温度为被测对象进行分布式光纤b r a g g 光栅传感解调实验，实 验结果表明该解调方案切实可行，取得了很好的效果。 第5 章对本论文的研究工作进行了总结，并对以后的工作进行了展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤b r a g g 光栅传感的工作原理和解调技术 2 1 引言 光纤b r a g g 光栅是近几年来发展最为迅速的光纤无源器件之一。由于它 具有许多独特的优势，因而自从它问世以来就在光纤通信、光纤传感领域里 获得了广泛的应用。也正是由于光纤b r a g g 光栅的出现，使得许多复杂的全 光纤通信和传感器网络成为可能，极大地拓展了光纤技术的应用范围。 光纤b r a g g 光栅是一种用紫外激光直接写入法在单模光纤上刻有沿光 纤轴向折射率变化的新型光纤器件。自从h i l l 小组发现了掺锗光纤在4 8 8 n m 氩离子紫外激光辐照下产生光折变效应以来，对光纤材料折变机理及应用的 研究做了大量的工作，其应用范围也日益扩大。由于光纤b r a g g 光栅具有有 效的选频特性，易于连接且耦台损耗小。因此它在频域中呈现出丰富的传输 特性，使其成为光纤器件的研究热点。 光纤b r a g g 光栅传感器具有其它类型的光纤传感器无可比拟的优势，主 要有： ( 1 ) 光纤b r a g g 光栅传感器可响应应变和温度，利用光纤b r a g g 光栅可以 制作应变和温度同时测量的双参量传感器，并可用作常规应交计中的绝缘替 代物。 ( 2 ) 光纤b m g g 光栅传感器的传感过程是通过外界参量对b r a g g 中心波长 的调制来获取传感信息，是一种波长调制型的光纤传感器，它可以避免其调 制参量的波动对测量精度的影响。 ( 3 ) 大量的光纤b r a g g 光栅传感器可被放于条光纤上的预定位置上，形 成准分布、准定点的传感器阵列。 ( 4 ) 光束上的光纤b r a g g 光栅传感器可以测定传输( 双联接器系统) 和反 射( 单联接器系统) 情况。 ( 5 ) w d m 和t d m 多路复用设备可在一条光纤上同时定位大量的光纤 武汉理工大学硕士学位论文 b r a g g 光栅传感器，构成复用的分布式光纤b r a g g 光栅传感器。 ( 6 ) 光纤b r a g g 光栅直接写入光纤纤芯内部，无需机械装配、研磨对准等 调整即可构成光纤b r a g g 光栅传感器，因此可将光纤b r a g g 光栅阵列埋入结 构材料( 桥梁、大坝等) 内部或紧贴在材料表面，以检测其局部或整体状态， 构成智能灵巧结构。 ( 7 ) 光纤b r a g g 光栅传感器的生产方法费用较低、可靠性高。 ( 8 ) 光纤b r a g g 光栅传感器可用来多路解调及处理由远处光纤光栅传来的 信号。 2 2 光纤b r a g g 光栅传感基本原理 制作光纤b r a g g 光栅的主要技术之一是用如图2 - 1 所示的两个紫外光束 形成的空间干涉斑纹图来照射光纤，这样就在光纤纤芯中生成了永久的周期 性折射率调制。 入射光波 反射光波 相干光源相干光源 u二v-244nm三一uv-244nm 二= 旺； 图2 - 1 光纤光栅制作方法 光纤芯层 光纤包层 光纤b r a g gy 啪( o e 磁芯光纤照射2 4 0 m m 左右的紫外线形成) 只起反射 b r a g g 波长光的b r a g g 反射滤波片作用，b r a g g 波长与外界温度、压力变化 成正比。因此，可做成温度、应力分布式传感器。 由于光纤光栅的折射率呈周期变化，其纵向折射率的变化将引起不同的 光波模式之间的耦合，光纤及其不同传播常数有如下关系式( 即相位匹配条 件) 【8 】，【9 】： 9 茎堡望三盔堂堡主兰焦丝奎 p = pl p 2 = 2 ，r a 式中a 为光栅周期：届和卢：分别为模式1 和模式2 的传播常数 传播为正，后向传播为负，卢为耦合模之间的传播常数差。 ( 2 1 ) 前向 根据人的长短不同，即根据a 是否小于l ，删或大于1 ，删，可将周期性的 光纤光栅分为短周期和长周期的光纤光栅两类。对于短周期的光纤光栅( 即 a l a n ) ，当光谱光波在其中传播时，两个反向传播的芯模( 导模) l p 0 1 之间 产生能量耦合，形成特定波长乃的反射波，对于前向传播的l p o l 模崩= p o ， 对于后向传播的l p o l 模届= 一p o ，两耦合模的传播常数差a f t = 2 p o 较大，将 这种光栅称为布拉格光栅。其基本特性表现为一个以共振波长为中心的窄带 光学滤波器，该共振波长称为b r a g g 中心波长( 以) 。 根据光纤耦合模理论可知，当宽带光在光纤光栅中传输时，将产生模式 耦合，满足布拉格条件的光被反射： 如= 2 劭a ( 2 _ 2 ) 式( 2 2 ) 中r ，为有效折射率，a 为光栅周期( 即周期折射率的两个相 邻最大点问的距离) ，人和心，都受外界环境影响而发生变化，导致符合布拉 格条件的反射波长也会发生偏移，对式( 2 2 ) 微分可得： d 砧= 2 a d n , t r + 现姒 ( 2 3 ) ( 2 2 ) 式除( 2 3 ) 式可得： 堕：堕+ 坐 如 倚 a ( 2 - 4 ) 从( 2 4 ) 式中可以看出，当纤芯有效折射率n 。或光栅周期人改变时， 中心反射波长会相应的改变。而当外界的温度或应变等改变时，都会导致光 纤b r a g g 光栅的a 或仇，的改变。因此通过对光纤b r a g g 光栅的中心反射波 长的检测，可获知结构的应变、温度等外界条件的变化，这就是光纤b r a g g 光栅的传感原理。这种传感器最大的优点是光纤应变与b r a g g 波长存在一 对应的关系，这就使精确测量应变成为可能，同时也避免了电源的干扰( 电 力系统有意的或意外的中断) ，而这正是其它传感器的缺点( 通常它们只能 测量小应变并且需要特殊的解调装置才能进行精确测量) 。 把多个不同周期的光纤b r a g g 光栅按一定规律排成阵列，就构成了分布 式传感系统。在工程与科学实验中，有许多的参数需要测试，如应力、温度、 】0 武汉理工大学硕士学位论文 流量、液位等，如果采用点传感器，势必需要布置多个点传感器，然后由这 些点传感器获取的离散信息的综合来描述其分布特征，显然这是十分复杂和 昂贵的方法。而采用分布式传感系统，只需一个光源和一个探测线路，集传 感与传输于一体，可实现远距离测量与监控。同时由于获取的信息量大，单 位信息所需的费用大大降低，从而可以获得较高的性价比。因此，它与任何 点式传感器相比有着极强的竞争优势，近年来越来越受到科研工作者的重 视。本课题也是针对分布式光纤b r a g g 光栅传感器进行解调的。 2 3 影响光纤b r a g g 光栅波长的主要因素 由上节的分析可知，在所有引起光纤b r a g g 光栅波长漂移的外界因素 中，最直接、最重要的因素为应变和温度参量。因为无论是对光纤b r a g g 光 栅进行拉伸还是挤压，都势必导致光纤b r a g g 光栅周期的改变，并且光纤本 身所具有的弹光效应使得有效折射率也随外界应力状态的变化而改变，从而 引起光纤b r a g g 光栅波长的漂移。因此下面我们有必要介绍一下应变和温度 改变光纤b r a g g 光栅波长的机理 1 3 - 1 ”。 2 3 1 应变响应机理 当对光纤施加轴向应力时，光纤将产生轴向应变。应变一方面使得光栅 周期变大、光纤纤芯和包层半径变小，另一方面还将通过光弹性效应改变光 纤的折射率，这些都将引起光栅耦合波长的偏移。 式( 2 4 ) 中，在弹性线度范围内，有 d a ：s( 2 。5 ) a 式( 2 5 ) 中，占为应变。 不考虑光波导效应，即不考虑光纤轴向变形对光纤折射率的影响，光纤 在单轴弹性变形下的折射率变化如下： 塑：一篓b 1 2 一v ( 。p n + p 1 2 ( 2 一- 0 。) = 一_ = p 1 2 一+ j s l 武汉理工大学硕士学位论文 式( 2 6 ) 中，p 。与p 1 2 为弹光系数，v 为纤芯材料的泊松比，占为轴向 应变。令p = 了n 2b 1 2 一v ( p 1 。+ p 。：】，将式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 代入式( 2 4 ) 中 可得 堕：q p ) 占 乃 再令口。= 九( 1 - p ) 为应变与波长变化关系的系数 由s 引起的光纤b r a g g 光栅波长变化为 毛= 口。s ( 2 7 ) 代入式( 2 7 ) 中，则得 式( 2 - 8 ) 即为温度恒定的情况下应变与波长变化的数学关系 可以看出应变与光纤b r a g g 光栅波长变化成线性关系。 ( 2 8 ) 从该式 对光纤b r a g g 光栅施加轴向应力，引起的纤芯和包层折射率下降的综合 影响是使得耦合中心波长变小，由纤芯半径变化引起的耦合波长的偏移很 小，可以忽略，起主要作用的是光栅周期的变化。由于应变与光纤b r a g g 光 栅中心波长的变化有很好的线性关系，所以光纤b r a g g 光栅是应变传感的一 种很理想的元件。在实际测试时，只要保证结构应变很好地传递给光纤b r a g g 光栅，采用波长约为1 5 5 0 h m 的光纤b r a g g 光栅只需简单标定就可以很方便 地对结构应变进行铡试。 2 3 2 温度响应机理 温度对光纤材料的影响主要体现在两方面：温度导致的热光效应使折 射率改变，而热膨胀效应使光栅周期改变。所以纤芯及包层的折射率和半径、 光栅周期都将随温度的变化而改变。对光纤b r a g g 光栅，温度变化对耦合波 长的影响主要是通过光纤折射率的改变起作用的，热膨胀引起的纤芯、包层 半径和光栅周期变化对耦合波长的影响很小，可以忽略。 同样不考虑光波导效应，将式( 2 2 ) 对温度t 球导，可得 武汉理工大学硕士学位论文 以。_ 2 ( a 等嘞订 ( 2 - 9 ) 式( 2 2 ) 除上式，可得 等= b 鲁+ i d a ) d t d t 协 a 8 l 挖够d r 令鲁= f 为光纤的热光系数，x i 面d a = 口为光纤的热膨胀系数，进而可得 錾：( 4 + 上f ) 打 ( 2 1 1 ) ”玎 再令唧= 以( 口+ 二f ) 为光纤b r a g g 光栅温度传感的灵敏度系数。从光纤 n 盯 b r a g g 光栅温度灵敏系数的表达式中，我们可以得出，温度灵敏度与材料的 热膨胀系数和热光系数有关，而在温度变化不大的情况下一般认为光纤的热 光系数为一常数。如果光纤b r a g g 光栅牢固地粘接在或埋置于另一种材料 中，则这种材料的热膨胀会引起光栅周期的改变，利用这种特性我们可以提 高光纤b r a g g 光栅的温度灵敏度。 将灵敏度系数的表达式代入式( 2 - 1 i ) 中可得 d x b = 嘶d t ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 即为假定没有外界应力作用的情况下温度与光纤b r a g g 光栅 波长变化的关系。从该式可以看出温度变化与光纤b r a g g 光栅中- 1 5 , 波长变化 也成线性关系。且当光纤b r a g g 光栅有较大的灵敏度时，能获得较大的波长 调谐范围。 2 3 3 应变和温度交叉敏感机理 在分析应变响应机理和温度响应机理时，我们都是假定温度不变和没有 外界应力作用的情况下得出的结论。但在很多情况下，应变和温度是同时作 用的，它们之间的耦合作用对光纤b r a g g 光栅中心波长的影响在精度要求b b 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 较高的场合下就不能忽略了。因此我们有必要对应变和温度的交叉敏感机理 进行一下研究。此时光纤b r a g g 光栅中心波长就是应变和温度的函数，其表 达关系式为： 九= 厂扛，丁) ( 2 1 3 ) 式( 2 一1 3 ) 在b 。，瓦) 展开成泰勒级数，得 如= ，o ，r ) = ，o 。，t o ) + 里 掣( s s 。) + 皇掣( 7 1 一t o ) 里：；掣( 占一s 。x t t o ) + 旦：掣( s 一岛) 2 + 旦：掣( 丁一t o ) 2 + ( 2 1 4 ) 上式中钒。矶勰) ；掣电；掣嘞；掣嘞；忽略 应变和温度的二阶灵敏度及其它的高阶项，将上面几个式子代入式( 2 1 4 ) 中，得 如= 砧。+ 口。0 一s 。) + 口，留一瓦) + 口0 一s 。) ( r t o ) ( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 中a ，即为温度不变时应变与波长变化关系的系数；a ，为应 变不变时温度与波长变化关系的系数；a 。为应变和温度共n 4 l n 时与波长 变化关系的系数。为估测应变和温度的交叉敏感作用对光纤b r a g g 光栅中心 波长的影响大小，令系数k 为 足= a , 竺( s 生- 垒e 二o ) 鱼+ 堑a r ( 二t 墨- t ! o ) 2 - 1 6 ) 一 、山川 则k 值越大表明应变和温度的交叉敏感作用越大，k 值越小说明应变和温 度的交叉敏感作用越小。实际情况下我们可以通过判断k 值的大小来决定 是否需要考虑应变和温度的交叉敏感作用。 1 4 茎堡翌三查兰堡主兰壁堡壅 2 4 光纤b r a g g 光栅解调基本原理 宽带光源发出的光照射到光纤中的光纤b r a g g 光栅上，满足布拉格条件 的光被反射回来，形成一个窄带光波。如果对光纤b r a g g 光栅施加外界作用 ( 如应变、温度等) ，则光纤b r a g g 光栅的中心波长会发生相应的改变，这 个改变可以通过检测光纤b r a g g 光栅的反射光谱得出来，同时将这个发生偏 移的b r a g g 波长与之前没有受到外界影响的b r a g g 波长进行比较，就可以测 定光纤b r a g g 光栅受激励程度。进而通过标定光纤b r a g g 光栅波长的偏移， 再经过计算机的处理和分析就可以得到所受应变和温度的大小【1 8 】t 1 9 1 。 2 5 解调技术的发展概况 通过以上的分析，我们知道应变和温度是直接影响光纤b r a g g 光栅波长 的主要物理量，而这两个物理量又将引起纤芯有效折射率和光栅周期的变 化，从而引起布拉格波长的偏移，因此，观测光纤b r a g g 光栅的波长偏移量 便可判断待测量的大小。 对于如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移，是光纤布拉格光栅传感 器实用化面临的关键技术。对光纤b r a g g 光栅波长编码的解调过程，传统手 段为使用光谱仪、单色仪等仪器，但一方面光谱仪价格偏高，不适用于普 通用户：二是其精度低，不能满足高精度测量要求；三是其扫描速度慢，不 适用于对实时性要求较高的场合：四是光谱仪体积大，携带不方便，不适用 于户外现场检测。此外，用光谱仪无法直接获得所测参量大小。为此，人们 发展了多种技术用于波长编码的解调。归纳起来，解调技术主要有以下几种 类型 2 0 乱3 0 m 】：1 ) 滤波法；2 ) 光谱编码比例解调法；3 ) 于涉法；4 ) 可调光纤 法布里珀罗腔法。 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 光纤b r a g g 光栅传感系统的信号解调技术 2 6 1 匹配滤波法 匹配滤波法是利用另一个与传感光栅呈匹配关系的起滤波作用的参考 光栅，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， 使得参考光栅的反射波长在某个时刻或某段时间内和传感光栅的反射波长 一致。实现参考光栅对传感光栅信号的解调法如图2 2 所示。 探测器 图2 - 2 匹配滤波法解调示意图 匹配液 匹配液 传感光栅的反射光入射到参考光栅上，当参考光栅反射波长与传感光栅 反射波长一致时，光被反射而没有透射；通过测量最大反射功率或最小透射 功率便可测出传感光栅的波长移