（检测技术与自动化装置专业论文）光纤bragg光栅振动检测系统的设计与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 光纤b r a 鹤( f b g ) 光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。光纤 b r a g g 光栅传感器是利用b r a g g 波长对温度和应力敏感特性而制成的一种新 型的光纤传感器，可同时作为传感元件和传输媒介。具有体积小、重量轻、 抗电磁干扰、绝缘性好、信噪比和灵敏度高、易于实现分布式测量和远距离 传输等优点。在桥梁健康监测、隧道及地下工程安全监测、石化工业和航空 航天等领域里具有广阔的应用前景。 本论文的主要内容包括： 介绍了光纤光橱传感技术的研究现状及其在实际应用中需要解决的几个 问题，分析了光纤b r a g g 光栅传感技术的基本原理、温度和应变传感特性及 其交叉敏感闯题，并对现有的光纤光栅解调方法进行了分析和比较。 提出并设计了一套光纤b r a g g 光栅振动检测系统。首先介绍了光路设计 部分的器件选型和工作原理，指出了几个需要注意的问题，例如温度对系统 的影响，并提出了解决方案。光路部分解调的关键是利用泵浦波分复用器的 斜边，将光纤b r a 髂光栅的反射波长控制在泵浦波分复用器的斜边上，因此 外界物理量导致的光纤b r a g g 光栅反射波长的漂移会引起系统输出光强的变 化，通过分柝这种变化来实现对系统的解调。其次介绍了系统整体设计方案、 各部分功能及系统工作原理。最后论文中对该系统的光电二极管、放大电路、 滤波电路、数据采集模块及l a b v m w 软件进行了参数选择与详细的设计， 在硬件方面选用的是p h i l 腰s 的3 2 位a l t m 芯片l p c 2 1 4 8 ，其内部包含两 个1 0 位的a ，d 转换器，系统利用u s b 设备控制器与上位机进行通信，将采 集到的数据传送到上位机，通过l a b v m w 软件显示出来。对系统进行振动 测试实验，由实验结果证实了本系统的正确性，并简要分析了系统各部分信 号之间的关系。 根据目前光纤光栅传感器在很多领域的广泛应用，主要介绍了其在煤矿 安全监测中的应用。在简单介绍煤矿发生灾害的原因及灾害形式的基础上， 分析了煤矿振动监测的目的和重要性，然后将本论文所设计的光纤b r a g g 光 栅振动检测系统应用到本实验中心建立的煤矿巷道模型中，进行振动检测实 山东大学硕士学位论文 验，取得了良好的实验结果；并且通过对光纤麦克风的分析和研究，利用本 论文所设计的系统制成了光纤光栅型麦克风，成功地实现了通话。这两个实 验表明本论文所设计的系统有望在工程实际中得到应用。文章的最后部分根 据系统单点单通道的特点、多种复用技术的优点及其广泛应用，提出了课题 下一步研究的重点。 关键词：光纤b r a g g 光栅；边缘滤波器；解调；振动检测；光纤麦克风 玎 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i b 盯b r a g gf a t i n g ( f b g ) i so n eo f t h em o s td e v e l o p e dp 勰s i v c 丘b e rd e v i c i nt h el a s tf e wy c a 格f b gs 曲s o r ，w h i c hu s e st h cp r o p e r t yt h a tt h eb r a g g w a v e l e n g t hi s8 e n s i t i v et ot e m p e r a t i l 咒a n ds h a i n ，i san e wk i n do ff i b e ro p t i c s s o r 缸dc 蛆b eu s e da ss 吼s o rt r 孤s m i t t i n gm e d i u mmt h es 锄et i m e i th 鹤t h e a d v 卸t a g e so f s m a l ly o l u m e ，l i g h “，e i g h t ，i 舢u n et oe l e c t r o m a 朗e t i ci n t e r f b r e n c e ， b e n e ri n s u l a t i o n ，h i g hs i 印a l - t o n o i s e 锄dh i g l ls e 船i t i v i t y ，e a s yt or c a l i z e d i s t 咖u t e dm e 嬲u r e 锄d 订锄s m i s s i o no f l o n gd i s t 粗c e 锄d o n s oi th a sw i d e i y 印p l i c a b l ep e r s 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b v i e ws o 脚a r eo ft h es y s t 锄a r es e l e c t e dt ot h e i 山东大学硕士学位论文 p 盯锄e t e 硌锄dd e t a i l e dd e s i g n e di n t h i sp a p e r h lt h eh a r d w a ，t h es y s t e m s e l e c t st h el p c 2 1 4 8a i 己mc h i pb 勰e do n3 2b i to f p h i l 口sw h i c hh 髂t w ol o - b i t dc v e n e r s t l l es y s t 锄c o m m u n i c a t e sw i t hc o m p u t e rv i au s bc o n 仃o l l e r 锄d t h ed a t ai st m s m i t t e dt oc o m p u t e ri no r d c rt o a l i z et h el a b v i e ws o f t 盯e t h e “b 船t i o n 麟p e r i m c n ti sd o n et ov a l i d a t et h es o l m i o nb yu s i n gt l l es y s t 锄 a l s ot l l er c l a t i o nt os i g n a lo fe a c hp a r th a sb e e n 柚a l y z c d a c c o r d i n gt ot h ew i d e 印p l i c a t i o no ff b gs s o ri nm 柚yf i e l d s ，t h cp 印c r m a i n l yi n 仃o d u c e st l l ea p p l i c a t i o ni nc o l l i e r ys a f c t ym o n i t o r i n g b 硒i n go nt l l e i m r o d u c t i o no ft l l ec a u s a t i o n 姐df o mo fc o a lm i n ed i s 舔t e 塔，t h 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d g ef i l t c r ；d e i i l o d u l a t i o n ； v i b r a t i o nd e t e c t i n g ； f i b e r o p t i cm i c r o p h o n e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主董日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 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 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二址导师签名：面盟日 论文作者签名：立重导师签名： ! 孟乏 日 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一种新型的传感技术， 光纤传感器是激光技术和光纤通信技术发展的产物。传统的传感器是以电作 为信息载体、用导线传送信息来完成从非电量到电量的转换，而光纤传感器 是以光纤作为功能材料，以光作为感知信息的载体，完成从非光量到光量的 转换【1 1 与传统传感器相比，光纤传感器的优点如下所示f 2 3 】： 抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传 输的光信号不受电磁干扰的影响 电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由非电介质构成的，而且无 需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。 ，t 难腐蚀，化学性能稳定：由于石英( 制作光纤的材料) 具有极高的化学 稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。、 体积小、重量轻，几何形状可塑。 传输损耗小：可实现远距离遥控监测。 传输容量大：可实现多点分布式测量 测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、 电压、液位、液体浓度、成分等。 光纤光栅出现以后，光纤光栅传感器随即大量产生并迅速发展起来，它 是一种波长调制型的光无源传感器，其传感过程是通过外界参量对布拉格中 心波长的调制来获取传感信息，光纤光栅传感器的出现极大地拓宽了光纤技 术的应用范围，使很多复杂的全光纤通信和传感网络成为可能，具有以下明 显的优点【4 】： 抗干扰能力强，一方面是因为普通传输光纤不会影响传输光波的频 率特性( 忽略光纤中的非线性效应) ：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 的随机起伏和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。 山东大学硕士学位论文 传感探头结构简单，尺寸小( 其外径和光纤本身等同) ，适于许多应用 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。 测量结果具有良好的重复性。 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 m ) 技 术构成分布式光纤光栅传感器阵列，可进行大面积的多点测量。 可用于对外界参量的绝对测量( 在对光纤光栅进行定标后) 。 光栅的写入工艺已比较成熟，便于形成规模生产。 光纤光栅由于具有上述诸多优点，因而在光子学研究领域已经引起广泛 关注并成为研究热点，具有广泛的应用前景。 1 2 光纤光栅传感技术概述 1 2 1 光纤光栅传感技术的发展历史 当前，随着光纤及其相关技术的日趋成熟，光纤光栅传感器已经成为光 纤传感器领域内的一大热点，也是传感器研究与应用中最为广泛和最具有市 场潜力的光纤传感器。 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的h i l l 等人将4 8 8 衄的氩离子激光入射 到掺锗光纤中，观察到入射光与反射光在光纤中形成的驻波干涉条纹能够导 致纤芯折射率沿光纤轴向的周期性变化，即首先发现了光纤中因光诱导产生 光栅的效应，制成了世界上第一根被称之为“h i l l 光栅”的光纤光栅【5 1 ，这 种光栅制作方法称为驻波法或内部写入法，缺点是需要特制的锗含量很高的 掺锗光纤。该技术开创了光纤光栅研究与应用的先河。 1 9 8 9 年，美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人发明了紫外侧 写技术【6 1 ，即采用两束相干的紫外光形成的干涉条纹在载氢光纤上侧面曝光， 写入b r a g g 光栅，该法又称为横向全息成栅技术。与驻波法相比，该技术不 仅提高了光栅的写入效率，而且还能改变光栅的周期以控制波长，同时能够 在任何波段写入b r a g g 光栅。缺点是对光源和周围环境的稳定性要求较高。 紫外侧写入技术的问世，引发了人们对光纤光栅的制作技术和应用的极大的 兴趣，迅速推动了其发展。 2 山东大学硕士学位论文 1 9 9 2 年，b a l l 等人首先发现在1 5 5 0 啪附近，光纤布拉格光栅的波长随其 轴向机械拉伸应力变化呈线性关系，其调谐速率【7 1 约为1 2 衄价姗，他们将该 技术用于光纤激光波长的调谐，在光纤的允许应变范围内，获得了1 0 l l m 左右 的波长调谐。该发现意义重大，促使人们不断探索新颖的光纤光栅波长调谐 方法，研发新型的光子器件技术，从而导致了光纤通信与光纤传感系统的迅 猛发展。 1 9 9 3 年，h i l l 等人又提出了相位掩模成栅技术，即利用紫外光垂直照射 相位掩模板衍射后的l 级衍射光相干形成的周期性明暗干涉条纹对载氢光 纤曝光来制作b r a g g 光栅【引。该项技术极大地放宽了对写入激光光源相干性的 要求，使得b m g g 光栅的制作仅取决于相位光栅周期而与辐射光无关，制作更 加容易，有利于大规模成批量的生产。 1 9 9 3 年，j k s o n 等人提出了基于平行阵列的光纤布拉格光栅w d m 拓扑 结构，在光纤光栅复用技术的研究与应用方面率先迈出了第一步。从此，诸 如w d m ，s d m ，t d m 等复用技术、以光纤光栅为基元的各种拓扑结构以及 它们的各种组合形式与网络系统层出不穷，极大地推动了光纤光栅在光纤通 信及光纤传感领域的应用步伐5 1 。 1 9 9 6 年，a t & t 贝尔实验室的v g s a r k 盯等人制成了第一个长周期光纤光 栅【1 6 】，在此基础上，很多专家研制出一些特殊用途的光纤光栅。 一 随着光纤光栅制造技术的日臻成熟和不断完善，基于光纤光栅技术的有 源和无源器件不断涌现，光纤传感通信等各个领域都发生了革命性的变化， 毫无疑问光纤光栅技术已经成为世界各国研究的热点和关键技术。 1 2 2 光纤光栅传感技术的应用现状 光纤光栅传感器在很多领域都取得了成功的应用。如桥梁建筑、石油化 工、航空航天等。桥梁的安全监测是目前应用光纤光栅传感器比较多的领域。 与常规的应变测量仪器的测量结果相比，专家们经过在桥梁上的实际实验验 证，证明了光纤光栅传感器应用的可行性。将光纤光栅传感器粘贴在混凝土 材料或钢筋材料上，可长期进行监测，一方面对桥梁的健康状况进行监测； 另一方面还可以测量桥面上行使的车辆、车速以及车辆的流速( 如光纤光栅压 力传感器动态称重系统的研究) ，通过这些监测和测量对桥梁的健康状况进行 山东大学硕士学位论文 评估和维护，避免桥梁退化和损坏引起的事故【1 7 1 8 1 。同时，光纤光栅传感器 也逐渐应用到了高层建筑，海洋结构等复杂结构的健康监测中，并取得了良 好的效果。此外，光纤光栅传感器还可以应用于化学医疗、复合材料工业、 船舶工业、水利电力工业、煤矿等各个领域【1 9 】。近年来，专家们又将光纤光 栅传感器成功地应用到了加速度器、高温测试、水声器、身份和物品的识别 系统等方面。 使用光纤光栅传感器对温度和应力等物理量进行传感测量，具有较高的 灵敏度和测量范围，很多性能比传统的机电类传感器更加稳定，可靠和准确， 具有非常广阔的发展前景【2 0 1 。目前已有的光纤光栅传感监测技术也存在着一 些问题，如现有的光纤光栅传感器主要存在的问题是对多种信号敏感，这对 于单一的测温或测应力的系统来说，就要特别注意温度与应力的交叉敏感对 测量结果的影响，因此在很多系统中需要设置相应的补偿装置；光纤光栅传 感器阵列还需要进一步的研究，即对于大型的工程结构，如桥梁，建筑等， 如何以最少的光纤光栅传感器数量来得到尽可能多的信息，并且如何在一定 的周期内对所得到的大量的信息进行存储、分析比较以及快速准确的计算出 各种性能指标参数，这成为当前研究的热点和急需解决的问题。 1 2 3 实际应用需要解决的问题 光纤光栅传感技术在实际应用中需要注意的几个问题如下【2 1 ，2 2 1 。 1 ) 宽光谱、高功率光源的获得。 光纤光栅传感测量中，光源的选择直接影响到光纤光栅传感系统的测量 范围及抗噪声能力，由于光纤光栅是以波长作为传感媒介，通过波长的漂移 来感知外界物理量的变化，因此光源的光谱越宽，测量范围则越大，但目前 的普通光源，如l e d ，虽然光谱很宽。但其输出功率却不高，光的传输距离 太短；激光光源虽然有很高的输出功率，但光谱却很窄，测量范围太小。因 此，宽光谱、高功率光源的制作相当重要。 2 ) 光纤光栅的可靠性，寿命和封装。 在很多场合下，应用光纤光栅时需要考虑到其机械可靠性( 光纤光栅的抗 拉、抗弯等性能) 和光学可靠性( 光纤光搬的反射率、透射率、波长等光学参 数受环境的影响) ，以及光纤光栅的稳定性，良好的封装等。 4 山东大学硕士学位论文 3 ) 光纤光栅交叉敏感的消除。 光纤光栅对于温度、应变等多种参量都具有不同程度的敏感性，所以在 实际应用时，需要考虑到增敏和去敏的问题，即对于被测量要增加其灵敏度， 对非被测量要降低其灵敏度。因此在光纤光栅封装的时候要特别注意到这一 点 1 3 本论文的主要研究内容 通过学习光纤光栅方面的基础知识和分析在光纤光栅的基础实验中遇 到的具体问题，在查阅大量文献的基础上，本论文进行了如下几方面的研究： 第一章主要介绍了本论文的研究背景及意义，光纤光栅传感技术的发展 历史及应用现状，介绍了其优势和实际应用需要解决的几个问题。 第二章介绍了光纤b r a g g 光栅的传感理论及解调方法。首先介绍了光纤 b m 铭光栅的传感原理和传感特性，然后介绍了光纤b r a g g 光栅解调系统中 常用的六种解调方法及其优缺点。 ， 第三章在简单介绍振动检测的理论基础上提出了一种光纤b r a g g 光栅振 动检测系统的光路设计方案，主要介绍了系统器件选型及工作原理，并指出 了几个需要注意的问题。 第四章介绍了光纤b r a g g 光栅振动检测系统的整体设计方案，在第三章 所设计的光路部分的基础上，详细介绍了系统解调设计中的电路设计，数据 采集和l a b v i e w 软件设计，并且分析了系统各部分信号之间的关系。 第五章介绍了光纤光栅传感器的应用，主要介绍了光纤光栅传感器在煤 矿中的应用情况。将本论文所设计的光纤b r a g g 光栅振动检测系统应用到本 实验中心建立的煤矿巷道模型中进行了振动检测，同时在简单介绍光纤麦克 风的理论基础上，成功地实现了光纤光栅型麦克风。最后提出了下一步研究 的重点。 第六章主要对本论文所做的工作进行了总结，并指出了几个需要改进的 问题和下一步研究的重点。 山东大学硕士学位论文 第二章光纤b r a g g 光栅的传感理论及解调方法 2 1 光纤b r a g g 光栅的传感原理 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制成的。所谓光敏性，是指激光通过 掺杂光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小 与光强成线性关系并可永久地保存下来。这实际上是在纤芯内形成了一个窄 带的( 透射或反射) 滤波器或反射器，使得光在其中的传播行为得以改变和控 制【2 3 1 。 根据光纤耦合模理论1 2 4 。2 3 1 ，光纤b r a g g 光栅的折射率呈现固定的周期性 调制分布，其基本特性表现为一个反射式的光学滤波器，反射峰值波长称为 b r a g g 波长。即当宽带光在f b g 中传输时，产生模式耦合，对满足b r a g g 相 位匹配条件的光产生很强的反射，对不满足相位匹配条件的光，只有很微弱 的部分被反射回来，于是有， 厶= 2 人 ( 2 - 1 ) 式中，n 酊为光纤的有效折射率，a 为光栅周期，如为反射峰值波长 式( 2 一1 ) 表明，光纤光栅的中心反射波长厶随折射率n 盯和周期a 的改变而改 变。光纤b r a g g 光栅的传感光路如图2 1 所示。 入射光一宽带光源 i 反射光 彳 透射光 八 光纤b m g g 光栅 图2 1 光纤b r a g g 光栅的传感光路图 由于温度和应力的变化都会导致周期a 和折射率n 珂发生变化，因而光 纤b f a g g 光栅对于温度和应力都是敏感的，其中，温度影响主要是热膨胀效 应和热光效应，应力影响主要是机械性的拉伸或压缩和弹光效应f 2 9 1 。 丘 山东大学硕士学位论文 2 2 光纤b r a g g 光栅的传感特性 2 2 1 光纤b r a g g 光栅的温度传感特性 温度对光纤b r a g g 光栅波长的影响主要是由热膨胀效应和热光效应引起 的。其中热膨胀效应使光栅周期改变，热光效应使光栅折射率改变1 3 0 。3 2 】。当 温度变化时，不考虑应力场的变化，将式( 2 - 1 ) 对温度t 取导数，可得： 魄_ 2 ( 筹+ a 争d t ( 2 2 ) 式( 2 - 2 ) 两端分别除以式( 2 一1 ) 两端，可得： 等= 亡鲁+ 去刀 口s ， 、嘏八诹1 、。 令古鲁响f 即为光纤的热光系数；去筹棚为光纤的热膨 胀系数，因此可得： d 厶= 厶 + o d t( 2 - 4 ) 令k ，= 矗 + f ) ，k ，即为光纤光栅温度传感的灵敏度系数，由此可得： 厶= k t t ( 2 - 5 ) “。 式( 2 - 5 ) 即为光纤b m g g 光栅波长变化与温度变化的关系。 对于掺锗石英光纤，常温下口值为o 5 l 旷。c ，f 值为7 o l 旷，。c 。 因此由式( 2 - 5 ) 可得： 厶= 厶x 7 5 l o _ 6 t ( 2 - 6 ) 在没有应变的作用时，光纤b r a g g 光栅波长的漂移与温度变化成线性关 系。当光纤光栅的材料确定了以后，通过监测光纤b r a g g 光栅波长的变化即 可相应的得出温度的变化。因此，波长在1 5 5 0 n m 附近的光纤b r a g g 光栅的 温度响应约为1 0 8 p m ，。c 。 2 2 2 光纤b r a 髂光栅的应力传感特性 应力对光纤b r a g g 光栅波长的影响主要是由光纤光栅周期的变化和弹光 7 山东大学硕士学位论文 效应引起的。其中光纤光栅被机械性的拉伸或压缩使光纤光栅周期发生变 化，光纤本身的弹光效应使光栅折射率发生变化【3 m 3 2 1 。当仅对光纤施加轴向 应力时，光纤将产生轴向应变，不考虑温度场的变化，对式( 2 1 ) 两边微分得： d 厶= 2 + 2 锄d 人 ( 2 。7 ) 将式( 2 7 ) 两端分别除以式( 2 - 1 ) 得： 争誓+ 警 弘s ， 如 a 在线弹性范围内有：坐：占，式中e 为光纤的轴向应变。有效折射率的 变化可以由弹光系数矩阵弓和应变张量矩阵毛表示为：a ( ，；= 弓勺，应 留卜l 变张量矩阵巳可用轴向应变表示为：巳= 【一峨一岛o o o 】，弹光矩 阵为： 弓= 昂足： 岛。 号：只： 0o o0 oo 号2 o o 毋i o o 匕 0 匕 o0 o o o o o 0 o o o o o 巳 式中晶，吃是弹光系数即纵向应变分别导致的纵向和横向的折射率的 变化，y 是纤芯材料的泊松比，对各向同性材料，匕= y ( 丑广吃) 2 。不考虑 光纤径向变形对折射率的影响，只考虑光纤的轴向变形时，光纤在轴向弹性 变形下的折射率的变化为： 鲁= 一譬阮叫耻黝k 陋9 ， 令p = 孚【只：一u ( 丑。+ 丑：) 】，则由式( 2 7 ) ，( 2 8 ) ，( 2 9 ) 可得： 皇当：( 卜p ) 占 ( 2 1 0 ) 山东大学硕士学位论文 上式为光纤光栅轴向应变下的波长交化数学表达式，它是处理光纤光栅 应变传感的基本关系式，可以看出，当光纤光栅的材料确定了以后，光纤光 栅对应变的传感特性系数基本上为一与材料系数相关常数，这就从理论上保 证了光纤光栅作为应变传感器有很好的线性输出。令疋= 厶( 1 一p ) ，疋可视 为光栅轴向应变与中心波长变化的灵敏度系数，由此可得： 厶= 疋g( 2 - 1 1 ) 式( 2 - 1 1 ) 即为光纤b r a g g 光栅波长的变化与轴向应变的关系。当光纤光栅 的材料确定了以后，通过监测光纤光栅波长的变化即可相应的得出应变的变 化。对于常用的石英光纤，弹光系数p = o 2 2 ，即有： 厶= o 7 8 厶g ( 2 - 1 2 ) 因此，波长在1 5 5 0 啪附近的光纤b r a 鹊光栅的应变响应大约为 1 2 p m 妒 2 2 3 光纤b r a g g 光栅的温度和应变的交叉灵敏度 在分析光纤光栅的温度传感特性和应力传感特性的时候，都是在假定没 有外界应力作用和温度不变的情况下得出的结论。但是在很多情况下，温度 和应变是同时作用的，即光纤光栅传感器能同时对温度和应变敏感，这就给 测量带来了交叉敏感的问题，在精度要求比较高的场合下，这种交叉敏感是 不能忽略的，即在测量应变的同时要考虑温度的影响，同样在测量温度的同 时也要考虑应变的影响。 假设温度变化范围不大，即在温度变化范围内光纤材料的弹光系数与泊 松比是一常数，可以得到温度一应变的交叉灵敏度为3 3 。5 1 ： 急= 等笋卟，鲁+ 厶掣 p a 2 a 占a r 、 7 a 7 o a r 、 将式只= 譬【墨：一i ，( 丑+ 墨：) 】与式巧= 等厶= 口+ f 代入式( 2 - 1 3 ) 得到： i q - = ( 口+ f ) ( 1 一只) 一2 f = 巧e 一2 f ( 2 - 1 4 ) 温度和应力同时考虑时，其分别对光纤b r a g g 光栅波长的影响如式( 2 一1 5 ) 9 山东大学硕士学位论文 所示： = o + t ( 口一气) + 峰( r 一瓦) + 托r ( b 一岛) ( r 一瓦) ( 2 1 5 ) 式中疋为温度不变时应变与中心波长变化的系数，岛为应变不变时温 度与中心波长变化的系数，b 为应变温度共同作用下时中心波长变化的系 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，令系数置为： 肛案等赣 陆旧 疋( s 一岛) + 巧( r 一五) 、 足值越大则表明温度和应变的交叉敏感作用越大，足值越则表明温度和 应变的交叉敏感作用越小。实际情况下我们可以通过判断足值的大小来决定 是否需要考虑应变和温度的交叉敏感作用。 近十多年来提出的解决温度和应变的交叉敏感问题的方法很多，例如参 考光栅实现温度补偿的应力测量f 3 6 1 。 2 3 光纤b r a g g 光栅的解调原理及方法 光纤b m g g 光栅传感器的工作原理是借助于某种装置将被测参量的变化 转化为作用于光纤b r a g g 光栅上的温度或者应变的变化，从而引起b r a g g 波 长的变化。通过建立并标定光纤b r a g g 光栅的温度或应变响应与被测参量变 化的关系，由b r a g g 波长的变化测量出被测量的变化。在实际应用中，关键 的问题是如何精确地解调出有用的信号，这在很大程度上决定了解调系统的 分辨力、便携性、可靠性和成本，因此，必须根据实际工程应用对精度的要 求选择一种合理的解调方法并设计出一种合理的解调装置。传统的解调方法 为使用光谱仪或多波长计，近年来根据实际工程的要求相继出现了多种解调 方法，如匹配光栅法、非平衡m z 干涉法、波长扫描法、边缘滤波器线性解 调法等3 7 1 。 2 3 1 光谱仪或多波长计法 传统的解调方法是使用光谱仪或多波长计【3 引，也是最直接的检测方法。 其基本原理是利用宽带光源经耦合器输入光纤光栅，耦合器反射回的光再用 1 0 山东大学硕士学位论文 光谱仪或多波长计来检测，如图2 2 所示。 图2 2 光谱仪解调法 这种解调方法结构简单，易于操作，具有可携带性，经久耐用等特点， 其不足之处一是光谱仪价格昂贵，不适用于普通的用户；二是精度较低，不 能满足高精度测量的要求；三是其扫描速度较慢，不能适用于对实时性要求 较高的场合；四是光谱仪体积较大，携带极为不方便，不适用于户外现场检 测。而且该法仅能输出波长的变化，并不能显示出被测物理量的变化，也不 能对测量结果进行实时的分析比较等，这在实际应用中是极不现实的，因此 该法仅适宜于实验室使用。 2 3 2 匹配光栅法 该法需选择两个相匹配的b r a g g 光栅，一个作为传感光栅，一个作为参 考光栅，即用参考光栅去跟踪传感光栅波长的变化，进行匹配滤波，由参考 光栅的波长去推知传感光栅的波长。其工作方式有两种，一种是反射式，即 信号光经过传感b r a g g 光栅反射进入与其参数完全相同的参考b r a g g 光栅后 检测反射光强，通过调节参考b r a g g 光栅的反射中心波长使接收到的光强最 大，由此获得传感b r a g g 光栅的中心反射波长；另一种是透射式，即信号光 经过传感b r a g g 光栅反射进入与其参数完全相同的参考b r a g g 光栅后检测透 射光强，通过调节参考b r a g g 光栅的中心波长使接收到的光强最小，由此获 得传感b r a g g 光栅的中心波长【3 9 棚】。如图2 3 所示为透射式解调法。 山东大学硕士学位论文 图2 3 匹配光栅法 两匹配光栅的参数完全相同，将参考光栅贴在压电陶瓷( p z t ) 上，其中 p z t 由外加的扫描电压控制。p z t 处于自由状态时，由于传感光栅与参考光 栅的峰值反射波长相同，因此光电探测器的输出信号幅值最大。将此时的扫 描器输出固定为零电平。当传感光栅受外界温度或应力影响时，峰值反射波 长即发生漂移，因此光电探测器的输出信号幅值变小，此时，扫描器施加电 压驱动p z t 发生形变，使参考光栅的峰这波长也发生变化，直到与传感光栅 的峰值波长重新匹配，从而使光电探测器的输出信号又重新达到最大值，则 此时给p z t 施加的电压即与外界物理量相对应。 匹配光栅法最大的优点是结构简单，分辨率较高，能实现快速动态检测， 传感器阵列可快速确定多点应交情况，但其不足一是两匹配光栅不能达到完 全严格的匹配；二是传感光栅的测量范围不能很大；三是受p z t 响应速度的 限制不能测量高频变化；四是在形成传感器阵列的时候需要f b g 数量过多， 成本很高。 2 3 3 非平衡m z 干涉法 宽带光源发出的光经过耦合器后进入传感b 豫g g 光栅，反射回来的光经 过另一个耦合器后进入不等臂长的m z 干涉仪( 其光程差为h d ) ，m z 干涉仪 把b r a g g 光栅中心波长的变化转换为相位的变化，当入射到m - z 干涉仪的光 波长发生变化旯s i n 研时，输出相位的变化为妒( 五) = - 2 石n d s i n 耐a 2 ，因此 通过检测伊的大小就能得到传感b r a g g 光栅的中心波长的变化情况，从而获 山东大学硕士学位论文 知外界物理量的变化情况【4 1 肛】如图2 4 所示 图2 4 非平衡m z 干涉法 为了抵消直流零点漂移，系统中引入了相移补偿反馈系统驱动p z t ，但 由于p z t 位移存在着非线性，所以要实现精确的补偿是比较困难的。非平衡 m z 干涉法解调精度极高，但受环境干扰较大，仅适用于检测动态应变，不 适合检测静态应变，并且测量范围受限制，只能结合时分复用技术来实现多 个波长解调，不适合采用波分复用分布式系统。 2 3 4 边缘滤波器法 1 9 9 2 年m e l l e 等人提出一种线性边缘滤波器解调系统，又称为分束非平 衡滤波法【4 3 1 边缘滤波器输出光强的变化量，与波长漂移量2 一凡成正比， 滤波函数为： ，( 句= 彳( 五一九)( 2 1 7 ) 式中彳为边缘滤波器的斜率，五为输入边缘滤波器的光波波长，厶为边 缘滤波器的截止波长。如图2 5 所示为边缘滤波器的滤波原理。 山东大学硕士学位论文 图2 5 边缘滤波器的滤波原理 将从传感光栅反射回的光信号分成两束【“】，一束直接送入光电探测器作 为参考信号，得到参考光强信号为： 厶= 击档 ( 2 - 1 8 ) 另一束通过边缘滤波器再送入光电探测器，得到的信号光强为： 厶= 击厶删( 厶一 + ( 2 1 9 ) 经滤波后两光强相除，得到： 笔刊( 厶一矗+ ( 2 - 2 。) 其结果即包含波长变化的信息式中l 为信号光强，厶为参考光强，r 为传感光栅的反射率，战为传感光栅反射谱高斯函数的频谱宽度。如图2 6 所示。 1 4 光 图2 6 边缘滤波器解调法 山东大学硕士学位论文 这种方法是基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好的线性输 出。其优点在于通过两光强相除能够有效地抑制光源输出功率的起伏、光学 器件连接干扰和光纤微弯干扰等不利的因素，并且该系统成本较低，使用方 便，能够很好的测量动态信号。其不足之处是边缘滤波器的准直和稳定性会 影响到系统的测量精度，不具有好的便携性，并且该系统亦无法消除因耦合 器分光比的起伏变化、光纤中的双折射等因素对测量结果的影响，测量分辨 率不是很高【4 5 4 7 1 2 3 5 可调谐波长的光纤f a b 咿p e r o “f p ) 滤波器法 与匹配光栅法相比，用可调谐f p 腔【4 8 t 4 9 1 代替参考光栅，由于f p 腔的 自由光谱范围比光纤光栅的工作谱区大，从而可以保证传感光栅的反射信号 总能被f p 腔检测到。f p 谐振腔是由两个反射镜和一段固定的空隙构成的， 可以作为一个窄带滤波器，在一定的波长范围之内，如果以平行光入射到f p 谐振腔，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 极大如图2 7 所示。 幽2 7 可调谐f p 腔法 宽带光源发出的光经耦合器传到传感光栅f b g ，f b g 反射回的光再经耦 合器传送到可调谐f p 腔中，给压电陶瓷施加一个扫描电压，通过压电陶瓷 产生的伸缩来改变f p 腔的腔长，使透过f p 腔的光的波长发生改变，当f p 腔的透射波长与f b g 的反射波长相重合的时候，探测器能探测到最大光强， 此时给压电陶瓷施加的电压即反应了f b g 的反射波长。 1 5 山东大学硕士学位论文 2 3 6 可调激光器法 与前几种方法相比，该法属于有源检测法【知】。可调谐激光光源的波长谱 宽小于b r a 踞光栅反射谱的宽度，其基本原理是利用可调谐激光器，通过可 调谐激光光源的输出波长进行光谱扫描，当激光波长与传感光栅的中心波长 相匹配时，激光就会被强烈反射，再经过信号检测和信号处理就能得到待测 量的大小。这种有源检测方法最大的优点是与一般的宽带光源相比，能够显 著提高输出波长的光功率，信噪比极大的提高。如图2 8 所示。将激光器固 定在压电体( p z t ) 上，给p z t 施加一个锯齿波电压或者正弦电压信号，p z t 受到驱动后使激光波长在一定范围内扫描，当其输出波长与传感光纤b r a g g 光栅的中心波长重合时，探测器上接收到的信号光强则最大，这时，由p z t 的电压一波长关系即可获得传感光纤b r a g g 光栅的中心波长的变化。 图2 8 可调激光器法 这种解调方法能够得到较高的光功率信号，可以很好的抑制噪声，因此 具有较高的信噪比和分辨率，但激光器的稳定性和可调谐范围不够理想，在 一