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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 具有温度补偿功能的光纤光栅匹配解调 系统的研究 摘要 光纤布喇格光栅( f b g ) 传感器以其优异的抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、 小巧等特点，在光纤传感及光纤通信领域有着广泛应用。f b g 传感器是光纤传 感领域的一个研究热点，而f b g 传感信号解调技术又是f b g 传感技术研究的 重点。f b g 将被测信息的变化转变为反射谱的移动，利用高精度光谱分析仪可 实现反射波长微小位移的精确测量。但是高精度光谱分析仪体积庞大、价格昂 贵，很难用于实际工程中。因此要研究一种较高精度、低成本的f b g 解调方法。 本文在分析国内外研究现状的基础上，分析了基于光纤光栅匹配法的反射 式解调系统。通过计算机仿真光纤光栅匹配解调系统的实测特性与系统理论特 性有较好的一致性；通过系统动态特性测试的实验，得出系统具有良好的稳定 性和动态特性。 本文设计的基于光纤光栅匹配解调的f b g 温度自动跟踪动态测量系统，可 防止传感光栅受环境温度影响使系统静态工作点移动，保证系统动态测量范围 较大。将匹配光栅粘贴在压电陶瓷上，给p z t 加一定电压后，匹配光栅的 中心波长发生移动，当系统输出电压达到最大值时，匹配光栅与传感光栅的中 心波长相匹配。系统以输出电压最大值与最小值和的1 2 作为最佳静态工作点， 进行动态测量时，静态工作点就保持在最佳静态工作点附近。计算机对采集数 据进行处理，通过并口通信对p z t 驱动电源进行控制。温控箱从2 2 上升到 3 3 的过程中，即使是在温度变化较快时，系统静态工作点的偏差最大只有 7 0 r i l v 。因此，这个系统能够消除环境温度对传感光栅的影响，避免系统输出信 号产生失真。 关键词光纤布喇格光栅；解调；p z t 驱动电源 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s t u d yo n t h ef i b e rg r a t i n gm a t c h i n g d e m o d u l a t i o ns y s t e mw i t ht e m p e r a t u r e 1 o u o m o e n s a u o n a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b o ) s e n s o r s ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tf e a t u r es u c ha s a n t i - e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e , c o r r o s i o n - r e s i s t a n t ，h i g hs e n s i t i v i t y , c o m p a c ta n d s oo n , h a v eb e e nb r o a d l ya p p l i e di nt h eo p t i c a lf i b e rs e n s i n ga n do p t i c a lf i b e r c t n n m u n i c a t i o n s f b gs e n rh a sb e c o m et h ef o c u si nt h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o r f i e l d t h ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eo ff b gi sak e yp o i n tn o w a d a y si nf b gs 镪l s o r t e c h n i q u e f b gc h a n g e st h em e a s u r e di n f o r m a t i o ni n t ot h em o t i o no fr e f l e c t i o n s p e c t r u m ，w ec a l la c h i e v et h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to fs m a l ld i s p l a c e m e n to f r e f l e c t i v ew a v e l e n g t hb yu s i n gh i g h - p r e c i s i o no p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r ( o s a ) h o w e v e r , h i g h - p r e c i s i o no s a i sd i f f i c u l tf o rt h ea c t u a lp r o j e c tf o ri t sh u g es i z ea n d h i 曲p r i c e s o ，ah i g hp r e c i s i o na n dl o w - c o s tf b gd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ei sn e e d e d b a s e do nr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rd e s i g n sar e f l e c t i v e d e m o d u l a t i o n s y s t e m b a s e do n m a t c h i n gg r a t i n g m e t h o d t h em e a s u r e d c h a r a c t e r i s t i c so ff b gd e m o d u l a t i o ns y s t e ma r ec o n s i s t e n tw i mt h e o r e t i c a l c h a r a c t e r i s t i c sb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n w ef i n dt h a tt h es y s t e mh a sg o o ds t a b i l i t y a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st h r o u g ht e s t i n ge x p e r i m e n to fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r , d y n a m i cm e a s u r e m e n ts y s t e mo ff b gt e m p e r a t u r ea u t o m a t i c t r a c k i n gb a s e do nf b gd e m o d u l a t i o nc a np r e v e n ts y s t e ms t a t i cw o r k i n gp o i n to f f i b e r 目a t i n gm o v i n gc a u s e db ya m b i e n tt e m p e r a t u r e w es t i c kt h eg r a t i n go nt h e p z t ，a n ds c a np z tv o l t a g e ，w ew i l lf i n dt h a tt h ec e n t e rw a v e l e n g t ho ft h em a t c h i n g g r a t i n gm o v e s ，w h e nt h eo u t p u tv o l t a g eo fs y s t e mr e a c h e dt h em a x i m u m ，w ew i l l f i n dt h a tt h ec e n t e rw a v e l e n g t ho ft h em a t c h i n gg r a t i n ga n ds e n s i n gg r a t i n gm a t c h e s t h eb e s ts t a t i cw o r k i n gp o 曲o fs y s t e mi sah a l fo fm a x i m u ma n dm i n i m u mo u t p u t v o l t a g e ，w h e nt h es y s t e mb e g i n sd y n a m i cm e a s u r e m e n t s ，s t a t i cw o r k i n gp o i n ti sn e a r t h eb e s ts t a t i cw o r k i n gp o i n t t h ec o m p u t e rd e a lw i t ht h ed a t a , c o n t r o lt h ep z td r i v e - i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i l l l e l = g = = j = = ! = ! ! ! ! ! ! ! ! = g 自g ! = = 目= = = ! ! ! = = ! ! = = = 自目= = ! = = = = = ! ! ! = = = 目目= g = = = = = 自= = = = = 自= = = = ! j = e = _ p o w e rb yp a r a l l e lc o m m u n i c a t i o n w h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf r o m2 2 c t o 3 3 ( 2i nt h et e m p e r a t u r e - c o n t r o l l e db o x ，e v e rt h o u g ht h et e m p e r a t u r ec h a n g e sr a p i d l y , t h em a x i m u md e v i a t i o no fs t a t i cw o r k i n gp o i l l ti s7 0 m v s o ，t h es y s t e mc a n e l i m i n a t et h ei n f l u e n c et h a ta m b i e n tt e m p e r a t u r eg i v et os e n s i n gg r a t i n g , a n da v o i d o u t p u ts i g n a ld i s t o r t i o n k e y w o r d s f i b e rb r a g gg r a t i n g , d e m o d u l a t i o n , p z td r i v ep o w e r i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文具有温度补偿功能的光纤光 栅匹配解调系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：五7 叼日期：加吖年3 月1 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 具有温度补偿功能的光纤光栅匹配解调系统的研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：五厕日期：护叮年3 月扩日 翩签确碜遂 醐节乡叫日 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术，在2 0 世纪后半 叶至今的几十年里迅速发展，极大地推动了人类社会的进步。光纤传感以其不 受电磁干扰、，灵敏度高、质量轻、体积小、易于复用、可以远距离遥测、能应 用于工程结构等特点，在传感领域备受关注，并得到了广泛应用，己经成为传 感技术发展的主流方向之一。 近十几年来，光纤光栅技术引起了人们的极大兴趣。这是因为光纤光栅不 但继承了光纤在通信和传感领域的许多优点，而且给相关领域带来了又一次里 程碑式的革命，使人们可以设计和制作大量基于光纤光栅的新型光有源无源器 件和智能传感器【l 】。 光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ， f b g ) 。1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的h i l l 等人首次利用驻波干涉法，在掺锗 光纤中研制出世界上第一个永久性的、可实现反向模式间耦合的光纤光栅 光纤布拉格光栅f 2 】。1 9 8 9 年，美国东哈特福德联合技术中心gm e l t z 等人，用 两束相干紫外光形成的干涉条纹侧面曝光载氢光纤制作f b g 3 1 。1 9 9 3 年，h i l l 等人又提出用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光载氢光纤写入光纤 布拉格光栅【4 1 ，使得光纤光栅真正走向实用化和产业化，并已成为光纤通信和传 感领域中最重要的器件之一。 、 f b g 是光纤光栅传感器的核心，它是一种无源器件，是光纤纤芯内折射率 受永久性、周期性调制的一种特殊光纤。它利用掺杂( 如锗、磷等) 光纤的光敏性， 通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用，从而导致纤 芯折射率沿光纤轴向呈周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位 光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜，利用这 一特性，可以构成许多性能独特的光纤无源器件和光纤传感器，广泛应用在光 纤通信和传感领域。例如，可构成光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用器， 以及用于应力、应变、温度等诸多参量检测的光纤传感器。 光纤传感器的核心技术是f b g 传感器解调装置的研制。解调是指把从f b g 哈尔滨理下大学工学硕十学位论文 传感器来的光的波长信息变换成被测量信息。波长解调是f b g 传感系统实用化 所面临的最大难题之一，其核心问题在于设计高分辨率、低成本的波长检测方 法。 光谱分析仪检测法是一种最直接、简单的波长移动检测方法【5 】，这种方法适 宜于实验室使用，但是受到光谱仪分辨率的限制，传统的以色散棱镜或衍射光 栅为基础的光谱仪分辨率较低，无法满足要求。虽然，高分辨率的光谱分析仪 的分辨率可以满足要求，但是这种仪器体积大、结构复杂、价格昂贵，需要频 繁的校准，不适用于工程实地测量。所以，在一个面向实际应用的传感器系统 中，采用这类光谱仪检测光栅的波长位移是不合适的，更重要的是它不能直接 输出对应于波长变化的电信号，不容易实现对测量结果的记录、存储和显示， 更不能提供给控制回路必要的电信号，以达到工业生产过程自动控制的目的。 因此，研究一种具有高灵敏度、操作简单、价格低廉和适用于工程应用的波长 检测技术，对于光纤光栅传感器的最终应用具有重要的意义。 光纤光栅对温度和应力都敏感，在对温度和应变的测量过程中，其中心波 长会随环境温度的变化而漂移，所以实际应用时需要对光纤光栅进行温度补偿， 开展光纤光栅温度补偿方法也具有着重要的实际意义。 1 2 光纤光栅解调技术的研究现状 光纤传感器从原理上讲，包含对外界信号的感知和传输两种功能。传输是 指光源发出的光经由光纤传递到光调制区域，再由光纤将受外界信号调制的光 传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处 理，称之为解调。在实际工程的应用中，光纤光栅传感信号的解调通常包括两 部分：一部分为光信号的处理，主要是将光信号的波长信息转化为电信号；另 一部分为电信号处理，主要是对电信号的运算处理，提取外界信息并以人们熟 悉的形式输出显示。其中，光信号的处理，即传感光栅中心反射波长的跟踪分 析是其核心部分，相当程度上决定了解调的分辨率，可靠性和成本。 对f b g 传感信号的解调，传统的方法是使用光谱仪、单色仪等仪器，但这 些解调方法成本高、体积大，不方便携带，不适合现场使用。为此，国内外围 绕这一课题开展了广泛的研究，力求开发出具有高灵敏度、低成本、适于实际 工程应用的解调系统。 1 干涉解调法 1 9 9 2 年，a d k e r s e y 等人首先提出了非平衡m a c h - z e h n d e r 干涉解调法【6 】。 哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 如图1 1 所示，宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光纤光栅，其反射光 经另一耦合器进入不等臂长的m z 干涉仪，干涉仪把传感光栅的中心反射波长 偏移量转化为光强变化。其输出光强为： z 以) = 彳 l + 召砂以) + o 娜 ( 1 1 ) 式中彳、曰为常系数，y 以) = 2 m t d 2 b 是干涉仪两臂的相位差，d 是m z 干涉仪两臂的长度差，靠是纤芯有效折射率，厶是f b g 反射波长，y o ) 是随机 相位差，属噪声。由反射光波长移位以引起的干涉仪相位变化为： y ) ：一孕地：一丁2 刀 n d 孝出0 - 2 ) b b f ：上a a , s( 1 3 ) 九8 s 式中占应变变化量； 孝应变一频率分辨率： 对动态应变有： o ) = 一孕以s i n c o t ( 1 - 4 ) m z 干涉检测方法分辨率高，a d ，k e r s e y 等人用此方案在频率为5 0 0 h z 的 动态系统下获得应变分辨率为0 6 1 x e , 。该方法适用于动态参量的高分辨率 测量，具有低于纳米级的应变分辨率。利用此方法可以构成时分复用分布式传 感系统。该装置虽然能够提供宽带宽、高解析度的解调能力，但随机相移使得 该方法局限于测量动态应变，不适合于绝对应变的测量，且干涉仪相位变化2 万， 决定其测量范围非常有限。 3 d b 耦合器 f b g l 图l - 1 非平衡m z 干涉解调原理图 f i g 1 - 1m i s b a l a n c e dm - zi n t e r f e r e n c ed e m o d u l a t i o ns c h e m a t i c 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 2 0 0 1 年，黑龙江大学余有龙提出了一种基于干涉解调技术的光纤光栅传感 系统用，用非平衡波长扫描迈克耳逊干涉仪，将来自传感光栅的包含应变信息的 波长信号变为相位信号，借助相位计显示的相位变化，确定待测应变的大小。 2 0 0 5 年，余有龙又提出了一种基于寄生干涉结构的传感解调装置，自发辐射源 ( a s e ) 发出的光波经隔离器( i s o ) 进入干涉结构中，经3 d b 藕合器之后的两光波 传至起传感作用的f b g 时，满足布拉格波长的光波将被反射，其它波长的光波 将透过光栅，对布拉格波长的光波来说此结构为m i c h e l s o n 干涉装置，而对其它 波长来说此结构为s a g n a c 干涉装置。光在此结构的传输过程中，无论顺时针方 向还是逆时针方向传播，光程都相等，相差为万，因此，不考虑s a g n a e 干涉场， 结构的输出仅受m i c h e l s o n 干涉的影响。该系统的灵敏度为1 5 9 0 嶂，信噪比为 1 5 d b ，具有波分复用的能力。由于f b g 对环境温度较为敏感，实际应用中应采 取措施提高器件的工作稳定性。 2 可调光纤f - p 滤波器解调法 1 9 9 3 年，k e r s e y 等人提出可调光纤f - p 滤波器解调法【8 l 。对单个光栅采用 闭环模式，对复用系统的光栅使用扫描模式，其结构如图1 2 所示。 抖动信号混合器 图1 - 2 可调光纤f - p 滤波器解调系统 f i g 1 2s y s t e mo ft u n a b l ef pf i l t e rd e m o d u l a t i o n 宽带光源发出的光，经隔离器进入传感光栅阵列，反射光信号经耦合器到 达可调谐f - p 滤波器，f - p 滤波器工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在压电 元件上调整腔间隔，使其窄通带在一定范围内扫描。当它与传感光栅的布拉格 4 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 波长相匹配时，则允许传感光栅反射的信号通过。因此，可由f p 滤波器驱动 电压一透射波长关系测得f b g 反射峰位置。由于透射谱是反射谱与f p 滤波器 透射谱的卷积，会使带宽增加，分辨率减小。为此，在扫描电压上加- - d , 的抖 动电压，输出经混频器和低通滤波器，测量抖动频率。在信号为零时，可测得 光栅的反射峰值波长，大大提高系统的分辨率。由于f f p 调谐范围很宽，可实 现多传感器的解调。该系统可用于静念或准静态信号的测量，但高精细度f f p 成本太高，滤波损耗较大。 2 0 0 5 年，武汉理工大学光纤中心的罗铁亮、高雪清等人，在此方案的基础 上，提出利用d s p 芯片运算速度快、可以对信号进行降噪处理等优点，设计了 采用d s p 系统的光纤光栅传感器的解调器【9 1 。 3 体全息解调法 1 9 9 6 年，j a m e ssw 等提出了体全息解调技术，将b a t i 0 3 晶体作为体全息 滤波器元件，对光栅阵列传感器进行解调o l 。体全息可以用不同波长的物光按 照不同的角度进行照射，而参考光束的方向相同，在b a t i 0 3 晶体中写入不同波 长的全息干涉条纹，形成体全息光栅，解调装置如图1 3 所示。宽带光源发出 的光经过耦合器入射到光栅传感阵列中，布拉格光纤光栅阵列反射的不同波长 的光信号经过一片透镜使信号光束沿体全息光栅的参考光束方向入射。经过体 全息光栅后，不同波长的光信号由不同角度出射，并被光电二极管阵列接收。 当光纤光栅传感器受到外界环境变化使反射波长发生漂移时，经过体全息光栅 的出射光，其折射角度也会发生变化，因此体全息技术可以对光纤光栅传感阵 列进行解调。这种光纤光栅传感装置可以探测到2 5 0 0 1 m 的范围，其分辨率可以 达到4 叫4 h z 。分辨率和测量范围可以根据全息特性进行调节。 五 如 五 光电二极管阵列 图1 3 体全息解调系统 f i g 1 - 3s y s t e mo f h o l o g r a p h i cd e m o d u l a t i o n 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 4 可调谐激光传感解调法 1 9 9 8 年，y u nsh 等提出的方案中采用了波长扫描光纤激光器( w s f l ) 来测 量f b g 反射光波长的变化【1 1 1 。波长扫描光纤激光器如图l - 4 所示，主要包括半 导体抽运的掺铒( e r 3 光纤放大器和f - p 可调谐扫描滤波器，输出的激光波长在 1 5 3 8 n m - - 1 5 6 6 n m 范围内连续变化。图1 - 4 光纤光栅传感阵列，由一个参考光栅 和传感光栅阵列组成。传感光栅和参考光栅的反射光谱各不相同。用此方法可 以探测到的分辨率为0 4 7 t u ：，扫描频率为2 5 0 h z 。由于利用激光器作为光源， 所以光栅反射光能量高、信号易于检测、分辨率高、能够更加容易实现多路复 用、可用的传感光栅数目多，并且可以在时域上进行解调。但是光源的设计制 作难度较大，时间间隔的测量要求高。 图1 4 可调激光器解调系统 f i g 1 - 4s y s t e mo ft u n a b l el a s e rd e m o d u l a t i o n 阵列 2 0 0 6 年，w a n g 等人在此方法的基础上，采取闭环跟踪模式与扫描模式相 结合的方式，通过改变锯齿波电压实现静态和动态的测量【1 2 i 。当光源的波长与 光栅的波长域重合时，锯齿波电压将停止增加，并保持一段时间，此时，传感 元素将被锁定用于动态测量；由虚拟仪器( v i ) 控制的锯齿波将升高到一个更高的 电压，以保证光源的波长跳出光栅的波长域。重复扫描和保持的过程，就可以 实现传感阵列中的每一个光栅的测量，只要检测所有的偏置电压和反馈电压， 就可以分别测得静态和动态的结果。系统对于静态和动态测量的分辨率分别达 到了约l 炉和3 4 n e i - i z ，解决了静态和动态同时测量的难题，但是动态解调范 围只有8 5 0 1 1 e ，还需改进。 5 匹配f b g 滤波解调法 匹配滤波法使用具有相同参数f b g 作为带通滤光元件，在驱动元件( 通常 哈尔滨理t 大学工学硕+ 学位论文 是压电陶瓷p z t ) 的作用下跟踪敏感f b g 的波长变化，通过测量驱动元件的驱 动信号获取被测应变和温度。匹配滤波法又分反射型和透射型两种。 1 9 9 7 年，f c r r i r ala 提出了反射型匹配滤波法【1 3 1 。传感光栅反射回来的光 经耦合器进入到参考光栅，通过驱动元件驱动参考光栅进行扫描，当其反射中 心波长与传感光栅的反射波长匹配时，探测器的输出最大，根据探测器的输出， 记录此时驱动信号的大小，就可以得到被测量的大小，原理如图1 5 所示。 医司 i一 调谐i + 耦合器 匹配液 图1 5 反射式匹配滤波法解调系统 f i g 1 5d e m o d u l a t i o ns y s t e mo fr e f l e c f i o nm a t c h i n gf i l t e r i n gm e t h o d 该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的影响较大，对探测器的要求也较 高。其静态应变可达0 4 肛，动态应变( 大于3 h z 时) 可达0 0 1 肛，静态轴向应变 分辨率约为1 叫h z 。针对这一问题，d a v i s 等人提出了透射型的测量方案【1 4 1 ， 即在接收透射光的位置上放置光电探测器，通过监测透射光强( 透射光强最小时) 得到传感光栅中心反射波长，该方法克服了测量微弱光强信号的局限性。分布 式传感系统的透射式原理如图1 6 所示。 各匹配光栅由不同的p z t 进行独立的波长调谐，串连成滤波光栅阵列。信号 光进入该阵列后由同个探测器接收透射光，依次对各个匹配光栅单独调谐， 使接收光强最小，再由p z t 的驱动电压取得各传感f b g 的中心反射波长。此方 案信号光功率利用率高，分辨率达0 1 邮，但多个p z t 造成跟踪控制较复杂，非 线性误差较大。 f b g 传感技术具有许多独特的优点，因而得到了广泛的关注和应用研究。 但是现有的f b g 传感技术距离真正的应用还有差距，需要在基础和实际方面做 进一步的研究。随着传感技术的不断成熟，f b g 传感技术最终向网络化、智能 哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 化、实用化方向发展。意味着传感解调技术也会向高速度、高精度、大范围方 向发展。不久的将来，这种传感技术将在人们的生产、生活中发挥重要的作用。 图1 - 6 透射式匹配滤波法解调系统 f i g 1 - 6d e m o d u l a t i o ns y s t e mo ft r a n s m i s s i o nm a t c h i n gf i l t e r i n gm e t h o d 1 3 主要内容 本文对光纤光栅匹配解调技术进行了原理分析、仿真及实验研究。在此基 础上，针对环境温度影响造成系统静态工作点漂移、导致输出信号失真的问题， 建立了f b g 工作点自动跟踪动态应变测量系统，提高了系统的稳定性并使系统 输出在较宽的动态范围内。 本文主要内容有以下几个方面： 1 建立单光纤光栅匹配解调系统与双光纤光栅匹配解调系统的理论模型， 利用计算机进行仿真，绘制系统传输的理论特性曲线。 2 搭建光纤光栅匹配传感与解调系统。计算机仿真的系统传输实测特性和 系统传输理论特性具有较好的一致性；通过系统动态特性测试，说明系统具有 良好的稳定性和动态特性。 3 在光纤光栅匹配解调系统的基础上，建立工作点自动跟踪动态应变测量 系统。由于传感光栅受环境温度影响，使系统静态工作点漂移，导致输出信号 失真，利用计算机并口控制匹配光栅所对应的p z t 驱动电源，以匹配光栅中心 波长的移动来稳定系统静态工作点，避免输出信号失真。并对此系统进行应变 8 哈尔滨理t 大学工学硕：仁学位论文 和温度测量及分析。 一9 哈尔滨理 大学工学硕：l = 学位论文 第2 章光纤光栅的传感原理及在传感方面的应用 温度、应变和压力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使 光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的 变化，就可以得到外界物理量的变化，以实现温度、应变或压力等物理量的检 测。 2 1 光纤光栅传感的基本原理 f b g 是在光纤的一小段范围内沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而 形成的芯内体光栅，它具有较窄的反射带宽和较高的反射率。 宽带光源发出的光从f b g 一端入射，当满足布喇格条件时，波长为以的光 功率耦合到向后传输的光波中，在反射谱中形成以厶为中心的峰值，绝大部分 光将被透射形成透射谱，如图2 1 所示。这种光栅像镜子一样工作，它只反射 f b g 以以为中心的- - d , 段波长的光，而对所有其它波长进行传输。布喇格条件 为： 以= 2 忍够a ( 2 - 1 ) 式中厶叫b g 中心波长( 布喇格波长) ，即图2 - 1 中后向反射的波长； n e f f 光纤栅区的纤芯有效折射率； 人f b g 的周期。 图2 1f b g 的折射率分布及光谱特性 f i g 2 - lr e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o na n ds p e c t r a lc h a r a c t e ro ff b g 触缉驸 布 _ 蒲一扯 谢 一反 q 一 吐 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 f b g 反射谱主要由f b g 的带宽和峰值反射率决定。而这些参数又是光栅长 度、折射率调制系数和中心波长的函数。 由公式( 2 1 ) 可知，布喇格波长是随着人和以而改变的，因此布喇格波长对 于外界力、热负荷极为敏感。应变和压力影响布喇格波长是由于光栅周期的伸 缩以及弹光效应引起的，而温度影响布喇格波长是由于热膨胀效应和热光效应 引起的。a 和刀毋在受到外界环境的影响( 温度、应力、压力) 时将分别产生刀 和a 八的变化，符合b r a g g 条件的波长将发生以的变化，由布喇格条件可知： a 以= 2 a n 够a + 2 n 万a a ( 2 - 2 ) 由公式( 2 2 ) 中可以看出，当疗碲或人改变时，f b g 的中心反射波长会相应改变， 通过测量f b g 的中心反射波长的变化，即可探知外界环境的变化。 光纤光栅是一种波长选择反射器，它的反射信号的波长，即布喇格波长会 受施于其上的温度和应变的影响而发生变化，这种反射波长的变化称之为波长 位移。采用光纤光栅的温度和应变两种效应，即光纤光栅作敏感元件，可以传 感其他许多物理量。光纤光栅传感器的传感原理如图2 2 所示。光纤光栅的中 心波长会随温度和应变而变化，当光纤光栅受到外部物理场的作用时，如果外 部场使得a 或者丹胛发生变化，就导致了布喇格波长发生了偏移。利用检测技术 将波长的偏移量测出来，就能根据偏移量推知外部场( 如应力、应变、温度、位 移、电流、电压、振动强度、加速度、流量等) 的有关性质，从而实现了光纤光 栅传感。 图2 - 2 光纤光栅传感器传感原理图 f i g 2 - 2s e n s i n gs c h e m a t i c o ff i b e rg r a t i n gs e n s o r 哈尔滨理工大学工学硕+ 学位论文 2 2 光纤光栅的温度、应变和压力特性 2 2 1 光纤光栅的温度特性 假设f b g 不受应力的作用，温度均匀分布，当温度发生变化丁时，一方 面由于热涨效应使f b g 伸长而改变其光栅周期，可以表示成【1 5 】： 口：! 坠 i z 3 ) 口= 。jj a z 式中：口为光纤材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，t ；t 取5 5 1 0 - 7 * c 。 另一方面，热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示成： 孝= 1 n 鲁 ( 2 - 4 ) e b - l 式中善为光纤材料的热光系数。对于掺锗石英光纤，善取7 1 1 0 - 6 ，有 效折射率以巧= 1 4 5 6 。所以，温度对f b g 波长漂移的影响为： 尘晏邑： + 孝) 丁：7 6 5 1 0 6 丁 ( 2 5 ) 分别取光纤光栅的中心波长为1 5 4 5 n m 和1 5 5 0 n m ，相应的温度灵敏度系数 为1 1 8 2 p m * c 和1 1 8 6 p m c 。 2 2 2 光纤光栅的应变特性 当f b g 受到均匀轴向应力拉伸或压缩时，根据材料力学原理， 被机械性的拉伸而改变其光栅常数，可以表示为【1 6 l ： 人址 = = g a乙 4 一方面f b g ( 2 - 6 ) 式中s ，为考察点处轴向应变，同时弹光效应使得f b g 折射率发生变化： 一a n e f f ：一车k 2 一把。+ 鼻：煅( 2 - 7 ) 玎够 z 式中片。和舅：为弹光系数，是纤芯材料的泊松比，定义有效弹光系数为： = 譬k ：亿。+ 只：工 ( 2 8 ) 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 对于参锗石英光纤，置l = o 1 2 1 ，异2 = o 2 7 ，= 0 1 7 ，计算得e o 2 2 。 因此轴向应变对f b g 波长漂移的影响为： 华：( 1 一k 工 ( 2 9 ) 可以看出，当f b g 的材料一旦确定，其对应变的传感特性基本上是与材料 系数相关的常数，这从理论上证明了光纤光栅有很好的线性应变特性。得到波 长的变化厶，就可以方便的求出应变占，。实际应用中，t 是很小的量，通常 使用肛作为度量应变单位。光纤光栅所允许的应变可达到1 ，当超过5 时， 光纤即发生断裂。分别取光纤光栅的中心波长为1 5 4 5 n m 和1 5 5 0 n m ，相应的每 个微应变引起的波长漂移为1 2 0 5 p m 和1 2 0 9 p m 。 2 2 3 光纤光栅的压力特性 当压力变化( p ) 时，f b g 的反射波长也会发生变化，可表示成： 等= 陕第+ 三皋i 舻( 2 - l o )厶l a 卯刀卯j 式中： 堕：一( 1 - 2 , u ) f 2 1 1 ) 嫡pe 上冬：髦( 1 2 x e p , ：+ 只。) ( 2 1 2 ) 以毋a j p 2 e 、 、 式中e 光纤的杨氏模量。 将( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 代入( 2 - 1 0 ) 得： 华：i _ 毕+ 凳( 1 2 p x 2 p , ：+ e 1 1 ) l 舻( 2 - 1 3 ) 如 i e2 e 、 7 i 裸光纤光栅的压力响应灵敏度典型值为3 1 3 p m m p a ，当采用有机弹性体、 波纹管和膜片等对光纤光栅进行封装后，其压力响应灵敏度可以提高很多旧。 可见f b g 传感器对压力不太敏感，要借助某种装置将压力转化为对f b g 作用 的应力，即采取增敏措施。其他物理量无论直接或间接作用于光栅，只要影响 f b g 格栅间光程，就可以被f b g 所感测【1 8 】。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 2 3 光纤光栅在传感方面的应用 光纤光栅传感器具有许多独特的优点，除了具有耐腐蚀、体积小、抗电磁 干扰能力强、实现不带电测试等优点外，还有一些明显优于其它光纤传感器的 地方，其中最重要的就是光纤光栅传感器的传感信号为波长调制。这一传感机 制的好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老 化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰；能方便的使 用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光纤光栅进行分布式测量。 由于光纤光栅传感器自身具备许多不可替代的优越性，所以自从1 9 8 9 年 gm e l t z 等人首次报道将光纤布喇格光栅用作传感器以来，它就受到了全世界范 围内的广泛重视，并且己经取得了持续和快速的发展。到目前为止，光纤光栅 传感器己经在土木工程、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、医学、核工 业等领域显示了广阔的应用前景和巨大的市场潜力。 1 在土木工程中的的应用 用工程中的结构检测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域【1 9 2 0 。基础结构 的状态、力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护 是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部载荷的状态。光纤 光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进 行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。另外，多个光纤光栅传感器可以串 接成一个网络对结构进行分布式检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监 控室进行遥测。因此在民用工程中，光纤光栅传感器成为结构检测的最重要手 段 2 1 , 2 2 】。例如，1 9 9 9 年，美国新墨西哥l a sc r u c e s1 0 号州际高速公路的一座钢 结构桥梁上安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤 光栅传感器最多的纪录【2 孤。 2 在航空航天及船舶领域的应用 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、温 度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传 感器超过1 0 0 个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要【2 4 2 5 1 。光纤光栅传感 器只有l 根光纤，敏感元件( 光栅) 制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲， 几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤光栅传感技术非常 重视，仅波音公司就注册了近十个光纤光栅传感器的技术专利【2 6 2 7 】。使用先进 的复合材料来制造航空航天结构( 如机翼部件) 是一个必然的趋势。与金属材料相 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 比，先进的复合材料更能抗疲劳、重量更轻、强度一重量比更好、能够制作复 杂的形状、而且抗腐蚀，尤其是很容易在复合材料结构的制造过程中埋人光纤 光栅传感器，实现飞行器运行过程中机载传感系统的实时检测和性能监视，这 可以减少飞行器重量、缩短检查时间、降低维护成本，从而改善其性能。美国 国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机 x - 3 3 上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感器网络。先进的复合材料越来越 多的被引入到船舶的设计和制造中来，它可以极大的减轻船舶的重量，另外复 合材料具有可抗疲劳、抗腐蚀、容易成型等优点。为了获得复合材料结构的强 度和成本的优化，必须了解这种结构的完整性和行为特性。使用模型测量，然 后将测量结果按比例推算到实际船舶是一种常用方法。例如：h j e l m e 等人用光 纤光栅传感器系统对一个按比例缩小的双体船模型进行了测量，记录了湿甲板 和海浪之间的冲击力、结构的动态载荷及弯曲力矩。 3 在石油化工领域的应用 石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸如油气罐、油气井、 油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常 适合在石油化工领域里应用。例如：“边钻边测”系统对钻井作业非常有利， w e i s 等人用光纤光栅制作了一个井下光纤光栅调制器，用于跟踪钻井过程中绞 盘头的幅度变化。美国的马罩兰州大学工程学院灵巧材料和结构研究中心用光 纤光栅开发了一个分布式氢气泄漏传感系统，系统中有4 0 个光纤光栅氢气传感 器。 4 在医学领域的应用 目前广泛用于医学的绝大多数传感器都是电气有源传感器，因此不适合大 量的医学领域，尤其在高频微波领域，即超声波及与高温手术有关的激光辐射 环境。由于传感头的局部发热和存在着金属导体以及导体中电流与电压的电磁 干扰，导致错误的读数。由于光纤传感器是介电体，故它可以克服这些问题【2 9 3 0 1 。 近几年来，基于强度调制的小型光纤传感器己部分实现商业化。一般况来，这 些传感器全部是点传感器，只能对人体的一小部分体积提供读数。虽然这些点 传感器能够无源复接，但由于探针尺寸有限，在实际应用中难以实现。利用f b g 传感器独有的复接性质，用一根光纤就能实现准分布传感。新加坡总医院将南 洋理工大学生物医学工程研究中心研制成的一种光纤光栅压力传感器用于外科 校正，以便帮助医生监视患者的健康。埋有光纤光栅阵列的脚压传感垫配以绘 图设备可以绘出外科校正压力的空间图形，能用于监视患者站立时的脚底压力 分布【3 1 1 。 哈尔滨理t 大学工学硕：仁学位论文 5 在核工业领域的应用 核工业是个高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁，贝尔格利核 电站泄漏的影响至今还没有消除，因此对于核电站的安全检测是非常重要的【3 2 l 。 由子核装置的老化，需要更多的维护和修理，最终必须被拆除，所有这些都不 能在设计时预见，因此需要更多的传感器以便遥控设备，处理不确定情况。同 时核废料的管理也变得越来越重要，需要有监测网络来监视核废料站的状况， 对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的【3 3 1 。日本核能研究院1 9 9 9 年4 月至 2 0 0 0 年3 月的年度报告中提到，他们正在日本测试反应堆，通过辐射环境测试 确保光纤光栅用于核电厂设备和管道的传感，并能在几乎整个反应堆寿命期间 忍耐核辐射