（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga高速多路光纤光栅数据采集系统的研究与应用.pdf

武汉理上大学硕十学位论文 捅要 f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 传感器是目前光纤光栅传感领域的研究热点之一， 其被广泛应用于大型复合材料和混凝土的结构监测，智能材料的性能监测，电 力工业，医药和化工等领域。f b g 的解调技术是当前f b g 传感技术研究领域的 重点和难点之一，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。 本文对光纤光栅传感器的基本理论和技术进行了系统的研究，主要内容包 括：光栅的传感机理分析；对比分析了光纤光栅的常用解调方法，重点介绍了 可调谐f p 滤波法解调原理；基于f p g a 高速多路数据采集系统的设计方法与 实验验证。 首先对光纤光栅传感器的研究现状和发展趋势进行了回顾和展望，系统分 析了光纤b r a g g 光栅对温度、应交及压力的传感机理。光纤光栅的解调技术是光 纤光栅传感器的关键技术，本文讨论了光纤光栅的波长解调方法，包括匹配光 栅法、可调谐f p 腔法、非平衡m a t h z e h n d e r 干涉仪法和可调谐光源法等，详 细分析了可调谐f p 滤波器的特性和解调原理提出了种基于f p g a 的数据采 集系统来进行解调光纤光栅波长的可调谐法布里珀罗腔解调方案。 f p g a 技术是高速信号处理的一有力工具。为了提高解调器的速度和精度， 设计了基于f p g a 高速信号采集系统，详细讨论了f p g a 芯片的选型和系统设 计方法，调试验证了其正确性与可靠性。 关键词：光纤光栅，f - p 解调，f p g a 武汉理工人学硕| 学位论文 a b s t r a c t f b gs c u s o ri so n eo ft h ec u r r e n th e a tr e s e a r c hf i e l d si bt h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n g s e n s o rt e c h n i q u ef i e l d s i ti sw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha st h es t r u c t u r e m o n i t o r i n go f t h e l a r g ec o m p o u n dm a t e r i a la n dt h ec o n c r e t e ，t h ep e r f o r m a n c e m o n i t o r i n go ft h ei n t e l l i g e n tm a t e r i a l s ，e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , m e d i c i n e ，c h e m i c a l e n g i n e e r i n ge t c t h ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eo ft h ef b gi sc u r r e n t l yac r i t i c a la n d d i f f i c u l tp r o b l e mi nn o w a d a y sf b gc e n s o r i n gt e c h n i q u ef i e l d s a l t h o u g hal a r g e n u m b e ro fr 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 h a n di n v e s t i g a t i o n so nt h ed e m o d u l a t i o nm e t h o d so ff b gm o s to ft 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 fl 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 ft 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 t h ef i b e rg r a t i n gs e n s o rt h e o r ya n dt e c h n o l o g yi ss y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e di n t h i s p a p e r t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ：t h ep r i n c i p l eo ff i b e rg r a t i n gs e n s o r ；t h e a n a l y s i so fs e v e r a lt e c h n o l o g i e so fd e m o d u l a t i o na n dt h ef - pf i l t e rd e m o d u l a t i o ni s i n t r o d u c e di nd e t a i l ；t h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nf p g a f i r s t l y , t h er e c e n td e v e l o p m e n t si nt h ea r e ao fo p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o r sa r e r e v i e w e d t h ed e m o d u l a t i o nm e t h o do ff i b e rg r a t i n gi st h ek e ym e t h o do ff i b e r g r a t i n gs e n s o lt h em a i nd e m o d u l a t i o nm e t h o di n c l u d e s ：g r a t i n gm a t c h i n gm e t h o d ， t u n a b l ef a b r y - p e r o t c a v i t ym e t h o d ，n o n - b a l a n c em a c h z e h n d e r i n t e f f e r o m e t e r m e t h o da n dt u n a b l en a r r o w - b a n dl i g h ts o u r c em e t h o d t h et u n a b l ef a b r y p e r o tc a v i t y m e t h o di sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dad e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nf p g ai sp u t f o r w a r d f p g at e c h n o l o g yi sap o w e r f u lt o o li ns i g n a lp r o c e s s i n gf i e l d s i no r d e rt o i m p l e m e n t t h es p e e da n da c c u r a c yo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo nd e m o d u l a t i o n ，f p g a i su s e di nt h es y s t e m t h ed e s i g nm e t h o do ff p g aa n dt h ef - pd r i v i n gv o l t a g ei s i n t r o d u c e di nt h et h e s i s k e yw o r d s ：f i b e rg r a t i n g ，f a b r y p e r o td e m o d u l a t i o n ，f p g a l l 武汉理 大学硕士学位论文 1 1 课题的提出和意义 第一章绪论 现代信息技术是由信息的采集、传输和处理技术组成，信息的获取主要是依 靠传感器和探测器，于是给传感器的发展提出了更高的要求。光纤传感技术代表 了新一代传感器的发展趋势。 光纤光栅作为一种新型的光无源器件，因其具有其他传感器无可比拟的优良 特性，在光纤激光器、光纤传感器及声光调制器等方面的研制与开发日益受到重 视。光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g , f b g ) 是在光纤的纤芯上用紫外侧或相位掩膜 的方法写入光栅。由于f b g 具有光纤的优越性( 体积小、熏量轻、高灵敏、高精 度、自参考性、可集成性、抗电磁场、兼容性及适应恶劣环境等，又具有温敏和压 敏特性，且感应信息用波长编码) ，同时与传统的传感器相比，f b g 传感器具有本 质防爆、对电绝缘、无感应性、化学稳定性、时域变换型、可操作性、大容量、 高精度等特有优点。可以与遥测技术相配合，实现非接触式的远距离测量和控制。 它的应用范围很广，可以适用于各种场合。因此在光传感中扮演越来越熏要的角 色。尤其在一根光纤中可写入多个光栅，形成f b g 串，制成多种拓扑结构的阵列 ( 线阵、面阵和体阵及其网络结构) ，将此阵列埋入材料内部或粘贴在表面，可实 现对材料的特性( 如温度、压力、应变) 及结构等的多点监测。 因此在测量与仪器仪表等测控领域，常常需要对多点监测数据进行采集与处 理，一般情况下，测控系统中用普通m c u ( 如5 1 、1 9 6 等单片机或控制型d s p ) 是可以完成系统任务的。但当系统中要采集的信号量特别多时( 特别是各种信号 量、状态量) ，仅仅靠用普通m c u 的资源就往往难以完成任务。此时，一般只能 采取多m c u 联机处理模式，或者靠其它芯片扩展系统资源来完成系统的监测任 务。这样做不仅增加了大量的外部电路和系统成本，而且大大增加了系统的复杂 性，因而系统的可靠性就会受一定的影响，这显然不是设计者所愿意看到的。 本课题提出基于f p g a 技术的高速多路数据采集系统，利用f p g a 的i 0 端 口多，且可以自由编程支配、定义其功能的特点，能很好地解决采集的信号路数 武汉理下大学硕士学位论文 多的问题。因为用执行软件内部对各组数字量是按并行处理的，而且f p g a 硬件 的速度是n s 级的，这是当前任何m c u 都难以达到的速度，因此本系统比其它系 统更能实时地、快速地监测信号量的变化。所以在状态量特别多的监测系统中， 本系统将更能发挥出自身的优势。 1 2 国内外研究现状和水平 新一代光纤技术光纤光栅在光纤技术以及众多相关领域中引起一场的 技术革命。1 9 7 8 年加拿大的奥它瓦通信中心的k e nm 】l 及其他科研人员首次发 现掺锗石英光纤紫外光敏特性光诱导产生b r a g g 光栅效益。十余年后，在 1 9 8 9 年g e r y m e lt z 又发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术。近年来，对光纤光栅 紫外光照射生长动力学、光学特性和成栅技术的研究都取得了重大进展。 基于光纤光栅的诸多优点，其已被广泛应用于监测压力、温度、应力、应 变等多点数据的监测，加拿大多伦多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 e w 的e l e c t r op h o t o n i c s 公司将他们研制成功的f b g 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 c l i n g t o nt r a i l 大桥的应力【1 8 】，该桥是世 界上第一座采用碳纤维复合材料预应力加强筋的高速公路桥。挪威的d r h i e l m c 等人则使用f b g 传感器检测使用新型复合材料制作的1 ：2 0 的舰艇模型具有很 高的抗风浪能力该模型大小为4 1 m x l 0 2 r e x 0 2 1 m ，重2 1 7 k g 。美国国家宇航 局( n a s a ) 也计划采用f b g 传感器监测用石墨环氧树脂复合材料制作的航天器 液体燃料箱的结构完整性，并己进行了初步试验。 国外对光纤光栅传感器的研究已经比较成熟，但是目前只有m i c r o o p t i c 公司 能够生产出商用的准静态分辨率达到l p m 的f b g 波长解调仪，且价格昂贵。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，已经解决了光纤光栅 照射技术，现在的研究重点在于传感网络的信号解调与分析，即对各传感光栅波 长移动的监测和寻址。但是国内的这方面的研究主要集中在实验室研究阶段， 所研究的信号解调系统不能达到工程应用的要求。 因此首要解决的问题就是对于信号解调与分析所需的光纤光栅数据信号的 高速多路采集与处理，随着e d a 技术和f p g a 集成度的提高，f p g a 不但包括 了m c u ( 微控制器或单片机) 特点，并兼有串、并行工作方式和高速、高可靠 2 武汉理t 大学硕十学位论文 性以及宽口径适用性等诸多方面的特点，单片机完成的数据处理功能也可集成 在f p g a 芯片中，可有效精确的完成多路数据信号的高速采集。 1 3 本文的主要工作 本课题拟在光纤光栅传感技术上，针对目前对于传感信号解调方法的多样性 与不确定性，分析研制基于f p g a 高速多路光纤光栅数据信号采集系统，同时选 择采用多种信号处理系统，例如d s p 、p c t 总线及u s b 接口，继而能够实现高速 多路光纤光栅解调器。 课题主要研究内容大致分为四部分：深入了解学习b r a g g 光纤光栅的光学 特性，以及测量应力、温度等参量的传感特性；了解现行的各种光纤光栅信号 解调器的思路与方法，重点讨论各类解调器数据信号的采集；设计一种基于 f p g a 高速多路的数据采集系统；经过实际反复试验，仿真验证试验结果，实现 高速多路光纤光栅信号采集。 数据采集技术是信号处理的个非常重要的环节，以及光纤光栅信号解调技 术的研究学要，针对光纤光栅的多点监测，以及要求信号采集与处理的高分辨率、 高时间精度以及高效率，而f p g a 技术，既可以增强高速系统的综合处理能力， 又可以灵活地适配用户在系统控制、数据传输以及数据预处理等方面的特定需 求，设计一种基于f p g a 的高速多路光纤光栅数据采集系统 随着光纤光栅传感技术的进一步实现高精度的多点监测，对光纤光栅信号的 解调技术的要求也越来越高，对信号解调过程中的一熏要环节数据信号采集 系统设计实现高速、多路、高时间精度及高分辨率，其创新点就在于应用高级的 数字集成电路的设计方法，采用用于实现时序逻辑功能的f p g a 实现小型化、集 成化和高可靠性的光纤光栅数据采集系统，从而使光纤光栅解调技术达到一个理 想的高速精确水平。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章光纤光栅的基本原理 光纤布拉格光栅( f b g ) 是2 0 世纪9 0 年代以来国际上新兴的一种在光纤 通讯、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。f b g 利 用掺杂光纤光致折射率变化特性，用特殊工艺使得光纤纤芯的这项折射率发生 永久性周期变化而形成的，能对波长满足布拉格反射条件的人射光产生反射。 f b g 的周期、长度以及折射率调制深度决定其在一定的波长范围内反射率的高 低，从而决定它能否使用在光纤通讯中的波分复用器件、光纤色散补偿器或用 于构造功能型光纤传感器、光纤激光器等光纤系统。 2 。1 光纤光栅传感特点 光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率 有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射 率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，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，其它各种物理量的传感都是 以光纤光栅的应变温度传感为基础间接衍生出来的。 与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，波长调制型的光纤光 栅传感器具有许多独特的优点： ( 1 )抗干扰能力强：这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率 特性( 忽略光纤的非线性效应) ；另一方面光纤光栅传感系统从本 质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、光 纤微弯效应引起的随机起伏、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。 ( 2 )光纤光栅传感器是自参考的，可以绝对测量( 在对光纤光栅进行定 标后) ，不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。 ( 3 )传感探头结构简单、尺寸小( 其外径和光纤本身等同) ，适合各种 场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑 d 武汉理工大学硕士学位论文 物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进 行连续实时监测。 ( 4 )便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用w d u ) 技术构成分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的多点测量。 ( 5 ) 测量结果具有良好的重复性。 ( 6 )光栅的写入工艺己较成熟，便于形成规模生产( 商品化) 。 由于光纤光栅具有许多独特的优点，因而受到各国专家广泛的注意并参与 研究。现在。无论在光栅的制造、性能研究以及推广应用等方面均已获得长足 进步。光栅的制造技术已成熟到可批量生产，有商品如售，使用寿命预计在1 0 年以上；光纤光栅在光纤通信、光纤传感等领域的应用研究也成果不断。可以 预计光纤光栅将是光纤技术中一个十分重要的光纤器件。 2 2 光纤光栅的基本模型 光纤光栅结构如图2 1 所示。将纤芯掺锗的单模光纤放在紫外激光干涉场中 曝光，就可激起纤芯折射率周期性的非均匀分布，形成体全息光栅。 之= 0 r z2l l j l 托z i 图2 - i 光纤光栅的结构图 设在均匀纤芯中的折射率为五，引起折射率非均匀分布后成为n ( x ，y ，z ) ，折射 率峰谷差为r l ( x ，y ) ，非均匀分布区间长l ，并且认为纤芯折射率非均匀分布 为正弦分布，则纤芯折射率可表示为： 武汉理工大学硕士学位论文 n ( x ，y ，z ) = n o ，y ) + h 0 ，y ) c o s ( o z ) ( 2 1 ) 其中0 - - 2 人，0 是光栅的空间频率，a 是折射率非均匀分布周期。由于纤芯 折射率非均匀分布，引起了纤芯中传输的本征模式问发生耦合。在弱导时，忽略偏 振效应，吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏，则非均匀波导中的场中 ( x ，y ，z ) 满足标量波动方程： v ；+ k 0 2 n 2 z ) + 吾卜力一。( 2 - 2 ) 其中k 。= 2n ， 是自由空间的光波长， v 。2 中了1 誓+ 等+ 专害o r r d ，a r 。，。 2 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中，因此非均匀 波导中的场可以表示为均匀波导束缚模式v ( x ，y ) 之和： o ( x ，y ，z ) - 罗4 ( z ) j ! f ，。o ，y ) 一 2 k ( z ) e x p ( 一f 屉) + a t ( z ) e x p ( i f l z ) p r ，y ) ( 2 - 3 ) a ，( z ) 表示了与1 l r 、( x ，y ) 相联系的全部随z 变化的关系，而a ，( x ，y ) 和a 。，( x ，y ) 分别是第1 个正向和反向传输模式的振幅。本文讨论中省略了所有对 结论无影响的e x p ( i ( ) t ) 因子。 其中，妒。y ) 满足方程： 母，2 + t ：i o ，y ) 一声? 扣，g ，_ ) ，) - 0 ( 2 4 ) 将中；4 妒，4 弋k ( 2 2 ) 式，结合( 2 4 ) ，并按模式耦合理论的一般方法进行处理， 化简时昭去高次项，则可以得到一个正向传输模与同一反向传输模间的模式耦合 方程： d a _ _ l 。c 一一fe x p ( i 2 a f l z ) ( 2 5 ) 皇鲁i c 口。e x p ( 一i 2 a f l z ) ( 2 6 ) a 。和a 一，分别是1 个模的正向和反向传输幅度，b = b 一耳 ，b = k 。n 是该模的 传播常数，实际上i 就是该模在纤芯中的有效折射率r i 。mc 是耦合系数： 6 武汉理工大学硕士学位论文 c 。竽z 删，p 2 姒。叩 z ， 这里， 叩。p2 d a p 2 d 4 ( 2 8 ) 是芯层中的功率百分比。在阶跃折射率剖面纤中，基模可以用高斯函数近似代替 代入( 2 - 8 ) 式： 野- 1 一去 ( 2 9 ) 在光栅入光端，l = o 处，只有前向传输模，无反射模，因此有边界条件： at ( 0 ) = l ，a ，( l ) = o 利用此边界条件可解出方程( 5 ) ，( 6 ) ： n 心) 面丽- 两e x p 丽( a 月碉z ) 仲s i j l l l 瞰一工) 】+ 给俐h 【5 。一工) 】 ( 2 - 1 0 ) a 一，( z ) 一c i 苫；五c 五i j e z x p i ( ：- j i i a i f l ；z 硐) s i n h s ( ：一) 】 ( 2 一1 1 ) 其中s2 = c2 8 2 由( i 0 ) 和( 1 1 ) 式，可求出光纤光栅的透射率t 和反射率r ： w 卜酬2 胖卜矧。；面希埘 当b = 0 时，即 = 2 n 人，满足相位匹配条件，( 1 3 ) 式化简为： r 。但) 一t a n h 2 ( c ) ( 2 1 4 ) 反射率是光纤光栅的一个重要参数。( 2 - 1 3 ) 和( 2 - 1 4 ) 式直接描述了反射率r 与光 栅长l 的关系。对于折射率峰谷差大的光栅，较短的光栅就可达到高的反射率。折 射率峰谷差r l 一定时，光栅到一定长度后反射率可能达1 0 0 9 6 。光纤光栅的另一 个重要特性是谱线宽度。取半峰谱线宽度为光栅线宽 。n 的变化对九的 影响是一线性关系，折射率峰谷差大会加宽谱线宽度。光栅的谱线宽度九还与光 武汉理丁大学硕士学位论文 栅长度l 有关系。 2 3 光纤光栅的结构与传感原理 图2 2 为光纤光栅的结构图，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的 周期性调制而形成的，其折射率变化通常在1 0 1 0 。3 之间，将光纤置于周期 性空间变化的紫外光源下，即可在光纤芯中产生这样的折射率变化。用于制 作这种光纤光栅的主要制作技术之一是利用两个相干紫外光束形成的空间干 涉条纹来照射光纤。这样就在光纤芯部形成了永久的周期性折射率调制。 图2 - 2 光纤光栅的结构 由于光栅，反射条件就称为布拉格条件，在布拉格光栅中，反射波长由 周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波 在光栅中传输时，入射光将在相应的频率上被反射会来，其余的透射光谱则 不受影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射 现象的解释，首先由威廉布拉格爵士提出，因而这种光栅被称为布拉格下 式确定： 如= 2 n e 疗a 这里n e f f 是光纤芯区的有效折射率。光栅栅距l 可通过改变两相干紫外光 束的相对角度而得以调整，通过这种方法，就可以制作出不同反射波长的布 拉格光栅。 武汉理丁：大学硕士学位论文 由耦合模理论可知，只有满足布拉格条件的光波才能被光纤光栅反射。 对取微分得： 如= 2 ，l 研a a + 2 a n t # a 从式中可以看出，当n e f f 或人改变时，中心反射波长会相应的发生改变。而当 外界的温度或压力等改变时，都会导致光纤光栅n e f f 或a 的改变。因此通过测 量光纤光栅的中心反射波长的变化，可以探知外界条件的变化。例如当光纤 光栅上受到一个振动的微扰时，那么它就会产生周期性的应变，于是这个光 纤光栅的中心波长将产生周期性漂移。检测这个周期性的漂移信号就可以获 得振动的信息。 圆 圆圆 圈 图2 3 光纤光栅传感检测原理 光纤光栅的传感的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其它 待测物理量发生变化时，将导致光栅周期l 或纤芯折射率“酊的变化，从而使 光纤光栅的中心波长产生位移如，通过检测光栅波长的位移情况，即可获 得待测物理量的变化情况。 9 t o 一 圈蛟百 圆蕊刁一 圆嘞一 。 一z 圃爪一 武汉理e 大学硕士学位论文 2 。4 光纤光栅温度、应变的传感特性 光纤光栅传感器调制的是波长信号，不存在多值函数问题，与光源、传输和 连接件的损耗等强度信息没有关系，因此对环境干扰不敏感；一根光纤上可以刻 多个光栅，而光栅本身很小，可以实现准分布式测量，具有很高的空间分辨率； 光纤光栅可以单端输入和单端检测，减少了埋入光纤与探测元件的数量，特别适 于物理量( 如应变和温度场等) 的测量；光纤与光纤光栅很细，埋入或粘贴后不 影响结构的性能，对测量场也不会产生很大的影响；光纤光栅是无源传感器，不 受电磁场的影响，也不发热，特别适于电磁场强烈的环境；同时光纤光栅的材料 是非金属材料，耐腐蚀能力强。 2 4 t 光纤光栅应变传感特性 用宽带光源从光纤布拉格光栅一端入射，由于折射率的周期变化，使得纤 芯中向前和向后的光波耦台。当满足布拉格条件波长的光功率耦合到向后的传 输波中，在反射谱中形成峰值，在透射谱中形成中心波长的峰谷。布拉格条件 为； a t2 h a( 1 ) 式中，九为光栅中心波长：n 为纤芯有效折射率；a 为纤芯折射率的调制周 期。 将式( 1 ) 两边微分得 d 3 一2 a d n + 2 n d a( 2 ) 将式( 1 ) 除式( 2 ) 得： 丝。生+ 坠( 3 ) 1 ha 在线弹性范围内有： 坠：。 ( 4 ) a 式中，e 为应变。 不考虑波导效应，即不考虑光纤轴向变形对折射率的影响，光纤在单轴弹 性变形下的折射率变化如下： 1 0 武汉理上大学硕士学位论文 塑n = 一2 【p l z - v p l l + p 1 2 g ( 5 ) 式中，p ，t 和p 一：为光弹常数，v 为泊松比，令pt 等【p t z v ( p ，+ p 1 2 ) 】， 由式( 3 ) 、( 4 ) 和( 5 ) 得： - - d a ：( 1 一p 弦 ( 6 ) 令a ，。a ( 1 一p ) ，a ，为应变与波长变化关系的系数由此可得： a 一口。e 上式即为假定温度恒定时应变与波长变化的数学关系。对于纤芯是纯石英的光 纤情况，n = 1 4 5 6 ，p ，1 = 0 1 2 1 ，p i ：= = o 2 7 0 ，v = o 1 7 ，得p 值约为0 2 2 。若分 别取中心波长为1 5 4 5 n m 、1 5 5 0 n m 和1 5 5 5 n m 时，式( 6 ) 计算得每微应变导致的 波长变化分别为1 2 0 5 p m 、1 2 0 9 p m 和1 2 1 2 p m 。由此表明在中心波长变化不大 时，每微应变产生的波长变化不大，约为1 2 p m ，即口。- 1 2 p r o 掣s 左右。 下面讨论波长变化对a 。的影响。 考虑波长影响，对a 。分别取a ( 1 一p ) 和( a4 - a z ) ( 1 一p ) 时，由式( 7 ) 可知，口。的相对误差玑为： 仉( , t + a , d 0 石- p ) i - a ( t 一- p ) ；a a a ( 8 ) a ( 1 一p 、 、7 由上式可得考虑波长变化导致a ，变化的关系式： a a 一口。( j + 叩，) s ( 9 ) 当光纤光栅发生实际应变e 时，由式( 9 ) 求波长变化，然后由式( 7 ) 反 算应变，比较两者大小，由此可判定考虑波长变化对a 。影响的重要性。s 的 计算式为： 一( 1 + 卵。) ( 1 0 ) 为了方便计算又符合实际情况，光纤光栅的中心波长取 = 1 5 5 0 h m 、 a 。；1 2 p m 胪，根据上面的方法，得到表1 中的计算结果。 武汉理 ：人学硕士学位论文 表l 光纤光栅波长变化对计算应变的影响 t a b l ef b gw a v e l e n g t hc h a n g e s i n f l u e n c eo nc a l c u l a t i o ns t r a i n 实际直变波长变化灵t 度相对误差计算_ 匿变的蟪时误差 时【r i m )曩t * “磅 l a 1 2o 。们0 。0 5 l o j 20 0 7 7o 7 7 2 0 a o2 o 1 “1 靳 殉0 0 oo j l 7，1 7 ，0 0 1 20 7 7 7 2 们 2 , 1 1 蓦1l ， 由上表可以看出，若发生1 0 0 “s 时，不考虑中心波长变化对口。影响而产生 的绝对误差仅为0 0 8 p ，即使在高达5 0 0 0 、1 0 0 0 0 口e 与2 0 0 0 0 一的应变 下，分别产生的绝对误差也仅为3 8 4 f e 、7 7 4 芦s 和1 5 4 8 卢，由此说明口。 对中心波长的变化不敏感，将其视为常数对测量结果影响不大，完全能被工程 应用接受。 由上面的分析说明应变与光栅中心波长的变化有很好的线性关系，证明了 光纤光栅是应变传感的理想元件。实际测试时，只要保证结构应变很好的传递 给光纤光栅，采用通信光纤光栅( = 1 5 5 0 n m 左右) 只需简单标定就可以很方便 地对结构应变进行测试。 2 4 2 光纤光栅温度传感特性 温度变化既引起光纤光栅折射率的变化，同时由于热膨胀也引起栅距的变 化。不考虑波导效应，将式( 1 ) 对温度t 取导数，可得 d a ：2 ( a 鱼+ n 驾d r ( 1 1 ) d 1 d i 式( 1 ) 除上式，可得： 坐；正生+ ! 坠1 d r ( 1 2 ) nd i ad t 令等a 考，即为热光常数，x 1 万d a ；a ，即为热膨胀系数，从而可得： 塑。亿+ ! 喜1 d r ( 1 3 ) 武汉理j 二大学硕士学位论文 令口，一a + 二毒) ，口，为光纤光栅温度传感的灵敏度系数，由此可得： n a = 口r a t( 1 4 ) 上式即为即为假定没有外力作用的光纤光栅波长变化与温度的关系，石英光 纤常数口= 0 5 5 x l o - 6 ，参；6 8 x l o 6 ，n = 1 4 5 6 。不考虑波导效应，取 中心波长为1 5 4 5 n m1 5 5 0 h m 与1 5 5 5 n m 时，可得相应的灵敏度系数分别为 1 0 7 6 p m 。c 、1 0 8 0 p m * c 和1 0 8 3 p m 。c 。由此可见，它们之间变化较小。 如同应变分析样，考虑中心波长变化的影响对q 产生的相对误差叩， 为玑一a z a ( 1 5 ) ，考虑波长变化的计算温度为： a r 一( 1 ；，7 。) a t( 1 6 ) 取中心波长为1 5 5 0 h m 、口，一1 0 0 8 p m ，考虑波长变化导致口，变化以及由此 导致的计算误差列入表2 中。 表2 光纤光栅波长变化对计算应变的影响 t a b l e2f b gw a v e l e n g t hc h a n g e s i n f l u e n c eo nc a l c u l a t i o nt e m p e r a t u r e 温度变化捩长变化裹曩度相对谖麓计算量度的篼对误差 c )【- )舶【* )t ) 1 00 1 0 10 a 0 7o o ? i 2 5 00 埘0 0 ，ij 5 - 2 i 也o1 髓o 们，1 - 2 2 0 0 2j 0 1 抽a 二7 i 3 伽，j q 船o 蠢2 7 枷托0 。2 7 1 1 l ， ，0 j 聃】7 o o艟o l i 2 j o i 由表2 可以看出，温度不太高时，考虑波长变化对口的影响不大，实际测 试时不会带来太大的系统误差。同时考虑到光纤本身的材料特性，不宜用于测 量过高的温度( l 2f ， 即第n 个腔体的模式间距要比第个至少少5 0 9 6 。 3 1 2 布式光纤光栅解调技术 为了能够对多点进行动态测量，同时达到高精度，能够进行快速测量，比较 多种解调方法，我们选择可调谐光纤f - p 滤波法对f b g 波长的变化进行解调。 3 1 2 1 可调法布里一珀罗滤波器 可调法布里一珀罗( f p ，f a b r y p e r o t ) 滤波器要满足以下几个基本的条件： 每一次只允许一条窄带谱通过，谱线的宽度要足够小； 武汉理工大学硕士学位论文 在可调法布里一珀罗腔的腔长变化范围之内，所有入射光谱都能依次通 过； 腔长随时间变化的函数关系不宜太复杂，以便于控制法布里珀罗腔的腔 长，进而便于解调出光波长； 在实际的光纤法珀应变传感器系统中，宽带光源的出纤功率一般比较 小。如果每一次通过法珀滤波器的光谱宽度趋于无穷小，则每次通过滤波器的 光强会很弱，这样在光电探测部分所得到的光强也会很弱不利于光电检测，增 加了解调的难度，因此有必要在滤波器输出光谱宽度和系统的输出光强之间寻 找一个平衡点。 1 可调卜p 滤波器的腔长和自由光谱范围 法布里一珀罗腔透射光两相邻干涉亮条纹之间的相位差为打，对于入射的 宽带光，如果法珀滤波器每一次只能有一条特定波长的光满足相干极大，则在 确定的腔长z 。要求任意两条透射光波长之间的干涉相位差必须小于扫。透射 光波的最短波长九和最长波长九的干涉相位差为： d 。堕一堕( 3 一1 ) 九。 九。 因为当f - p 滤波器的腔长一定时，在所有透射光的干涉相位差之中，光谱两端 的最短波长的光和最长波长的光之间的干涉相位差是最大的。因此，如果要求 任意两条透射光之间的干涉相位差小于2 丌，则d 2 a 。在光源的光谱宽度和峰 值波长一定的情况下，要使宽带光在通过f _ p 滤波器之后，透射光中只有一个 干涉亮条纹时，f - p 滤波器的腔长必须满足条件： 】2 小惫(3-2) 此式可改写为： 2 as 二l( 3 - 3 ) 型月 a 称为可调f - p 滤波器的自由光谱范围( f s r ) 。可以看出它和f - p 波器的腔长 是成反比的关系。滤波器的腔长越长，则它的自由光谱范围越窄；滤波器的腔 长越短，则自由光谱的范围就越宽。 武汉理工大学硕士学位论文 2 可调法珀滤波器的腔长变化范围 f p 滤波器需要能在不同的时间内让自由光谱范围内的光谱依次通过。因为 能通过f - p 滤波器的光的波长和f p 滤波器的腔长之间满足式： 乱! 坚( 3 4 ) 捌, r 每一次通过的光波长和腔长之间是一一对应的。对于f p 滤波器，在自由 光谱范围内的干涉级次都是相同的，即当可调法珀滤波器工作时，( 3 4 ) 式中 的干涉级次m 是不变的，变化的只是光波长a 和滤波器的腔长f 。 可调卜p 滤波器的腔长变化范围与自由光谱范围和透射光的干涉级次m 有 关，而干涉级次又是由光源的峰值波长和滤波器的腔长共同决定。因此，f - p 滤 波器的腔长变化范围将与滤波器的自由光谱范围，光源的峰值波长a 。和f - p 滤 波器的初始腔长f n 及法珀腔两端面的反射率r 有关。 3 可调法珀滤波器的分辨率 实际上当一束宽带光经过卜p 滤波器之后，所得到的并不是严格意义上的 单色光，它们是有一定光谱宽度觐的准单色光。只有当矾很小时可以把它们近 似的看成是单色光，根据瑞利判据，飘即为f - p 滤波器所能分辨的两最小波长 之间的距离，因此把矾称为可调f - p 滤波器的分辨率。式( 3 4 ) 给出以与滤波 器的腔长l 、谱线的位置和f - p 腔两端面的反射率r 有关因为可调滤波器的腔 长变化范围和光源光谱的变化范围都是十分有限的，它们对矾的影响也是有限 的。因此滤波器的分辨率主要由f - p 腔两反射端面的反射率决定。 3 1 2 2 可调f - p 滤波器解调光纤光栅原理 4 r ，s 曲：( 孕) 7 a - k f l - r 1 ) 2 + 4 r l s i n l2 ( 孕) rs i n 2 6 a d a 3 5 茎堡翌三奎堂堡主兰堡堡奎 考虑到的实际的法珀滤波器的分辨率都是有限的，假设透过滤波器的谱线 的中心位置为九，光电探测器得到的不仅仅是波长为k 的光，还包含其它波长 的光，光电探测器实际接收到的光强为： 地，；王蔫蒜“嗍e ，川小五五盖甭五嚣忑雨如q m 咱 崛。i 。：( 孕) m 卜k 石再4 蕊r s i n ( 1 一墨) 2 + 。2 洋) ( 3 7 ) 如果此时波长为 。的光刚好在f b g 传感器处产生相干极小，则光电探测器 接受到的光强将为零；然而实际上，由于分辨率的影响，光电探测器所探测到 的光强应为( 3 6 ) 式，也就是说f b g 传感器接受到的光不仅仅是单色光九，而 为九邻域内的光，只是这些光受到了不同程度的衰减。在这些光中除了a 外， 其它波长的光在f p 腔处所对应的干涉光强并不为零。可见f _ p 滤波器对干涉 条纹的波谷产生平滑的作用。同样它对干涉条纹的波峰处也会产生平滑的影响。 对波谷和波峰的平滑作用使得整个干涉条纹的可见度降低。因为求卜p 应交传 感器的腔长一般是通过求出干涉波峰处的波长，因此干涉条纹可见度的降低，将 会增加求取干涉波峰位置的难度，增大对应变的测量误差。从干涉信号的质量 来说，可调f - p 滤波器的分辨率越高，则光电探测器探测到的干涉信号越好。 然丽，分辨率越高透过滤波器的光谱越窄，光电探测器接受到的光强越弱，这 会增大后续信号处理的难度和复杂程度。 3 1 2 3 可调f - p 腔法解调方案设计 f - p 腔可以作为一个窄带滤波器。在一定波长范围内，若以平行光入射到 f p 腔，则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，产生相干极大。 武汉理工大学硕士学位论文 利用f - p 腔的这个特性可以对f b g 传感器的反射波长进行检测。 利用调谐f - p 腔对f b g 传感器的反射波长进行检测的工作原理如图3 6 所 示： 隔离器 定向耦合器传感f b g 图3 6 可调谐f - p 腔解调原理图 从宽带光源发出的光经隔离器传送到f b g 传感器。f b g 传感器反射回的光经 过一个3 d b 藕合器引入到可调谐f - p 腔中。可调谐f - p 腔的结构如图3 7 所示。 图3 7 可调f p 腔结构示意图 探测器 从光纤入射的光经透镜l 1 ，变成平行光入射到f - p 腔。出射光经透镜l 2 ，汇 聚到探测器上。构成f - p 腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个可移动且背 面贴有一个压电陶瓷( p z t ) 。给压电陶瓷施加一个扫描电压，压电陶瓷产生伸缩， 从而改变f p 腔的腔长，使透过f - p 腔的光的波长发生改变。若f p 腔的透射 波长与f b g 的反射波长重合，则探测器能探测到最大光强，此时给压电陶瓷施 武汉理工人学硕士学位论文 加的电压v 就代表了f b g 的反射波长。 利用压电陶瓷构成的可调谐f - p 腔测量光纤光栅传感器的反射波长，可以 直接将波长信号转换成电信号，并且具有体积小、价格低等优点，是一种较好 的检测光纤光栅波长的方案。在设计f - p 腔时，需综合考虑测量范围和测量精 度，适当设计两镜面距离和镜面反射率，以满足设计要求。 3 2 光纤光栅数据采集系统基本理论 基于可调谐f _ p 解调工作原理可知，用于b r a g g 光栅信号解调的f - p 腔滤波 奇实际上是一个压控的光带通滤波器，通常用压电陶瓷作为f - p 腔腔长变化的 驱动元件，给压电陶瓷施加一个扫描电压，使之产生伸缩，改变f p 腔腔长， 是透过f - p 腔光的波长发生改变，通过探测器监测透射光强度，当探测器探测 到最大光强时给压电陶瓷施加的电压就对应着f b g 的发射波长，这就给b r a g g 光纤光栅传感器输入光信号，将从传感器反射回来的光加到光纤f - p 腔滤波器 的输入端，通过给f _ p 腔滤波器的压控端加上一个锯齿形扫描电压，则在f - p 腔滤波器的输出端便可得到个与输入光光谱相对应的时间域电信号，这些时 域信号经过放大比较整形后，我们在示波器可以看到一些列脉冲信号，此时我 们给出固定波长和位置的标准脉冲信号，因此各个脉冲相对于标准脉冲的相对 位置就是传感器反射光的光谱信息，这就到了本论文的重点工作，接着是用什 么途径来将读取这些脉冲信号，从而得到我们所需要的波长值。 3 2 1 几种常见的数据采集系统 3 2 1 1 采样卡数据采集 对f b g 反射波长信号以及其相对的扫描电压的精确识别是数据采集系统能 否实现预期的功能指标的关键环节之一。为了实现对系统中经过a d 转换器后 的电信号的收集，处理，和显示的要求，系统可采用成数字存储示波卡作为系 统的采集卡，验证系统设计的合理性和可行性。采集卡有8 或者1 6 位双通道， 采样频率最高可达4 0 m 的高速采样卡，同时采样卡自带有虚拟示波器，可以很 直观明了的得到我们所需要的信号数据，不过这一数据采集方式仅仅适用于各 项试验的验证，其可操纵性欠缺，为达到更好的人机接口，需要其它软件的设 武汉理工大学硕士学位论文 计支持。 3 2 1 2