（通信与信息系统专业论文）高速光纤光栅传感解调仪的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 光纤布拉格光栅f b g f i b e rb r a g gg r a t i n g 传感器因其体积小 灵敏度高 不受电磁干扰 可靠性高 成本低 易于集成和埋伏测量等优点 被广泛应用 于民用工程 航空 船舶 电力和石油等领域 光栅的解调技术是光栅传感器 应用中的核心技术之一 目前国内已在实际应用中的解调仪最高频率为2 0 0 h z 但在某些实际应用中 如需要对高速振动或旋转的结构进行实时监测 这时 2 0 0 h z 的扫描频率显然不能满足要求 因此 本文设计了解调频率达2 0 0 0 h z 的 光栅解调系统 首先研究了光纤光栅传感原理及其解调方法 在分析比较了多种光栅解调 方案后 选择采用可调谐f p a b r r p e r o t 腔解调法 对其关键的f p 腔的驱动 以及光源部分电路和光电转换电路进行了设计 高速信号采集 锯齿波输出控 制和信号处理也是本文工作的重点部分 信号采集频率直接关系到整个系统的 检测精度 信号采集的频率越高 系统的检测精度越好 锯齿波输出控制模块 的主要功能是通过d a 转换器产生2 0 0 0 h z 锯齿波给f p 腔提供驱动 信号处 理部分是整个系统的核心部分主要由f i r f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e 滤波器 寻峰模 块和中心波长偏移量计算模块 f i r 滤波器主要作用是滤除高频噪声 提高寻峰 算法的输入信噪比 寻峰模块是整个信号处理的重点部分 寻峰误差直接决定 整个系统的检测精度高低 本文设计了在算法输入信噪比较好时平均寻峰误差 小于0 5 p m 的寻峰算法 中心波长偏移量计算模块根据已得到的峰值信息计算 出相应的中心波长偏移量 以用来计算出对应的温度变化和形变 最后对整个系统的检测结果进行了分析 给出了f i r 滤波器和寻峰算法的 仿真结果 实验结果表明 在5 0 n m 带宽2 0 0 0 h z 的扫描频率下 解调仪正常工 作 检测精度完全满足工程需要 关键字 布拉格光栅 高速解调 光电转换 寻峰算法 a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o ri sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fc i v i le n g i n e e r i n g a v i a t i o n s h i p p i n g e l e c t r i cp o w e ra n dp e t r o l e u mb e c a u s eo fi t s s m a l ls i z e h i g h s e n s i t i v i t y h i g hr e l i a b i l i t y l o wc o s t a n dt h a t i ti si m m u n et oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n de a s yt oi n t e g r a t ea n da m b u s c a d e t h ed e m o d u l a t i o no fg r a t i n gi st h e k e yt e c h n o l o g yo ft h ea p p l i c a t i o no fg r a t i n gs e n s o r t h eh i g h e s tf r e q u e n c yo ft h e d e m o d u l a t i o nc u r r e n t l ya p p l i e di nc h i n ai s2 0 0 h z b u ti ns o m ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h i sf r e q u e n c yc a nn o ts a t i s f yt h ea c t u a ln e e di fd e t e c t i n gt h ev i b r a t i l eo rr e v o l v i n g e n t i t yw i t hh i g h s p e e di nr e a lt i m ei sn e c e s s a r y t h e r e f o r e i nt h i sp a p e rt h ea u t h o r d e s i g n sas y s t e mi nw h i c hf r e q u e n c y o fd e m o d u l a t i o ni s2 0 0 0 h z f i r s t l y t h er e s e a r c ho nt h ef i b e rg r a t i n gs e n s i n gp r i n c i p l ea n dd e m o d u l a t i n g m e t h o d si sd o n e a f t e ra n a l y s i so ns e v e r a lk i n d so fg r a t i n gd e m o d u l a t i o nm e t h o di s d o n e t h ed e m o d u l a t i o nm e t h o do ff i b e rf p f a b 巧一p e r o t t u n a b l ef i l t e ri ss e l e c t e d t h ek e yp r o b l e m so ft h i sm e t h o dw o u l db es o l v e di nt h i sp a p e r i n c l u d i n gt h ed r i v i n g o ff p t h eo p t i c a l e l e c t r i c a lc o n v e r s i o nc i r c u i ta n dt h el i g h ts o u r c ec i r c u i t t h ed a t a a c q u i s i t i o np a r t s a w t o o t hw a v eo u t p u tc o n t r o lp a r ta n d t h ed a t ap r o c e s s i n gp a r to f h i g h s p e e ds i g n a la r ea l s oi m p o r t a n tp a r t so ft h i sp a p e r t h ea c q u i s i t i o nf r e q u e n c yo f t h es i g n a li sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h ee n t i r es y s t e m t h e h i g h e rt h ea c q u i s i t i o nf r e q u e n c yt ot h es i g n a l t h eb e a e r t h ed e t e c t i o na c c u r a c yo ft h e s y s t e mi s s a w t o o t hw a v eo u t p u tc o n t r o lp a r ti sm a i n l yu s e dt og e n e r a t es a w t o o t h w a v et od r i v et h ef p t h ep r o c e s s i n gp a r to ft h es i g n a li st h ec o r ep a r to f t h ew h o l e s y s t e m w h i c hc o n s i s t so ft h ef i r f i m t ei m p u l s er e s p o n s e f i l t e r p e a k d e t e c t i o n m o d u l e a n dt h eo f f s e tc o m p u t i n gm o d u l eo fc e n t e rw a v e l e n g t hd u r i n gt h ep r o c e s s i n g p a r to ft h es i g n a l t h em a jo rr o l eo ft h ef i rf i l t e ri st of i l t e ro u tt h en o i s e so fh i g h f r e q u e n c y i no r d e rt oi m p r o v et h ei n p u ts i g n a ln o i s er a t i oo ft h ep e a k d e t e c t i o n a l g o r i t h m p e a k d e t e c t i o na l g o r i t h mm o d u l ei st h ek e yp a r to ft h es i g n a lp r o c e s s i n g p a r tb e c a u s eo ft h a tt h ep e a k d e t e c t i o ne r r o r h a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h ea c c u r a c yo f t h ew h o l es y s t e m a n dak i n do fp e a k d e t e c t i o na l g o r i t h mi nw h i c ht h ea v e r a g e p e a k d e t e c t i o ne r r o ri ss m a l l e rt h a n0 5 p mw h e n t h ei n p u ts i g n a ln o l s er a t l oi sn o tb a d i i lt l l eo 凰e tc o m p u t i i l gm o d u l eo fc e n t e rw a v e l e n g t ht h eo f f s e to fc e n t e rw a v e l e n g t h w o u l db ef i 躺do u tb yt h ep e a ki n f o r m a t i o n h a db eg e ti nt h em o d u l e sb e f o r e w 1 1 i c h i su s e dt of i g u r eo u tt h ec h a n g eo f t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e f i n a l l y d e t e c t i n gr e s u l t so ft h ee n t i r es y s t e m a lea n a l y z e d a n dt h es l m u i a t l n g r e s u i t so ft h ef i rf i l t e ra n dp e a k d e t e c t i o na l g o r i t h ma l eg i v e n t h er e s u l t so ft h e e x p e m l e n ts h o w t h a tt h ed e m o d u l a t o rw o r k sw e l la n dt h ed e t e c t i n ga c c u r a c yo f t h e s v s t e mc o u l ds a t i s f yt h ee n g i n e e r i n gn e e d s u n d e rt h ec o n d i t i o n st h a tt h eb a n d w i d t h 1 s 5 0 珈皿a 1 1 d 位s c a n n i n gf r e q u e n c yi s2 0 0 0 h z k e yw o r d s f i b e rb r a g g g r a t i n g s 1 1 i 曲一f r e q u e n c yd e m o d u l a t i o n l i g h t e l e c t r i cc o n v e r s i o n p e a k d e t e c t i o na l g o r i t h m 1 1 i 独创性声明 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 除了文中特别加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 武汉理工大学或其它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 扯日期 学f 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 导师 签龟专i 么融期沙 尸f 影 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 背景及其意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金 5 0 7 7 5 1 6 7 基于光纤光栅传感的旋转机 械在线状态检测的原理及新方法研究 1 1 2 研究背景与意义 光纤光栅作为一种新型的传感器 可以用来测量多个物理量 包括应变 应力 温度 振动 压力 电压以及一些化学量 其应用领域非常的广泛 同 时f b g 传感器阵列最大的优势在于可以实现分布式的传感网络 对物体进行多 点测量 提取相关的信号 进行状态分析 达到示警以及故障诊断的目的 自 2 0 世纪七十年代诞生以来 因其体积小 灵敏度高 不受电磁干扰 可靠性高 成本低 易于集成和埋伏测量等优点 被广泛应用于民用工程 航空 船舶 电力和石油等领域 l j 光纤光栅利用光纤材料的光敏性 如外界入射光子和纤芯内锗离子相互作 用引起折射率的永久性变化 在在纤芯内形成空间相位光栅 从而改变和控制 光在其中的传播行为 实质上它的作用是在纤芯形成一个窄带的滤波器 温度 应变 压力等外界环境的变化将引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化 从而导致其谐振波长的变化 由于光纤本身的特性 因此相比于传统的基于电 学量的传感器 光纤传感器具有许多优点 主要有不受潮湿环境影响 可应用 于高温高压 易燃易爆等恶劣环境能避免电磁场的干扰 电绝缘性好频带宽 动态范围大灵敏度高 精度高传感部分结构和几何形状的多样性 质量轻 体 积小 对应用对象结构影响小 易于布置信号 数据可以多路传输 可以进行 集中解调既可以实现点测量 也可以实现分布式测量 易复用和形成传感网络 易实现实时 在线 分布式传感等等 2 另外 光纤光栅制作方便 只用对纤芯 的折射率分布做些改变 传感探头结构简单 非常适合用于一些要求尺寸小的 场合光纤光栅采用在光纤通信中广泛应用的复用技术 比如波分复用技术 空 武汉理工大学硕士学位论文 分复用技术 时分复用技术等 更方便地应用于准分布式传感系统中 基于以 上诸多优势 光纤光栅被认为是具有推动光纤传感器进入前沿发展的潜力 信号解调是传感系统中的关键技术 传感解调系统的性能优劣直接关系到 传感测试系统的设计及应用水平 是一个信息能量转换和传递单元 它能准确 迅速地捡拾出被测信息的作用量的大小并能高精度地仿真出被测信息随时间的 变化过程 现有己报道的光纤光栅传感信号解调方案已有多种 如强度解调 相位解调 频率解调 偏振解调及波长解调等 这些方案各有优势 适用于不 同传感系统的需求 其中 波长解调技术以其具有将感测的信息进行波长编码 中心波长处窄带反射 不必对光纤连接器和藕合器损耗以及光源输出功率起伏 进行补偿等优点而倍受关注 并得到了广泛应用 3 1 光纤光栅传感解调仪的发展 对光纤光栅传感器的普及起了关键作用 但目前国内工程中使用的解调仪多是 应用于静态低频率测量 对于高速的振动检测因其精度不够和检测频率太低而 达不到工程要求 因此 为了满足对高速振动的检测需求 研发一种高速高精 度光纤光栅解调仪已迫在眉睫 目前国内已有的解调仪最高频率为2 0 0 h z 但仍 不能满足某些高速场合的测量 本文基于这样的需求 设计了频率达2 0 0 0 h z 的 光纤光栅解调仪 1 2 相关领域国内外研究现状 光纤光栅是1 9 7 8 年加拿大的k o h i l l 等人在研究掺锗光纤的非线性特性时 发现的 他们利用氢离子激光照射掺锗的光纤 在光纤中产生驻波干涉条纹 造成纤芯折射率沿轴向的周期性分布 制成了世界上第一只被称为 h i l l 光栅 的 光纤光栅 4 j 开创了光纤光栅研究与应用的先河 但是这种光栅在制作受到激光 光源波长的限制 实际使用上因为需要把光源的空问光祸合进光纤也受到一定 的制约 光纤光栅在发现后较长一段时间内未引起世界的关注 1 9 8 8 年美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人提出了用两束相干 紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布喇格光栅的横向全息成栅 技术 相对于内部写入法 该方法又称为外侧写入法 5 1 与h i l l 提出的驻波写入 法相比 m e l t z 的横向全息成栅技术是一个很大的进步 通过选择激光波长或改 变两束相干光之间的夹角可以在任何感兴趣的可用波段写入光纤布喇格光栅 使制作的光纤布喇格光栅具有潜在的使用价值 但是 这种写入法对光源和周 围环境的稳定性要求较高 并且对光源的相干长度要求很严格 因此实用起来 2 武汉理工大学硕士学位论文 比较困难 真正将光纤光栅应用推向高潮的是1 9 9 3 年h i l l 与l e m m r e 分别提出的相位 掩模成栅技术 6 和低温高压载氢技术 7 1 这两项技术相结合极大地降低了光纤光 栅的制作成本与制作难度 从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研究的热 潮 光纤光栅的制作及光纤光敏化技术不断取得新的进展 其制作技术也不断 提高和完善 随着研究的不断深入 光纤光栅的优良特性也逐步展现出来 如 成本低 稳定性好 体积小 抗电磁干扰性好 感应信息波长编码等 尤其本 身就是由光纤制作而成 便于与光纤结合 使得全光纤化成为可能 航空航天业是使用传感器较多的领域 飞机上为了监测压力 温度 振动 燃料液位 起落架状态 机翼和方向舵的位置等 需要使用的传感器通常超过 1 0 0 个 由于飞机上使用环境的特殊要求 传感器的尺寸和重量变得非常重要 8 相对于传统传感器 光纤光栅传感器只需要单根光纤 敏感元件光栅制作在纤 芯中 在尺寸和重量上有绝对的优势 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好几个光纤光栅传感器的技术专利 船舶业是另一个光纤光栅传感应用较多的行业 现代船舶上 通常需要一 些压力和温度传感器为主控室提供一些警告和运行状态信息 保证船舶安全航 行 先进的复合材料越来越多地引入船舶的设计和制造 它可以极大地减轻船 舶的重量 这对于快速船舶特别有意义 为了获得复合材料结构的强度和成本 的优化 h j i l m e 等人用光纤光栅传感系统对一个按比列缩小的双体船模型进行 了测量 记录了甲板和海浪之间的冲击力 结构的动态荷载以及弯曲力矩 9 1 1 在强电磁场中 一般的电信号传感器都无法使用 而光栅传感器不受强电 磁场影响 因而其在电力工业也得到了广泛应用 很多情况下需要检测的地方 处于高压中 如高压开关的在线监测 高压变压器绕组 发电机定子等处温度 和位移等参数的实时测量 光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择 h a m m o n 等人演示了用光纤光栅传感器测量高压变压器的绕组温度 长期监测的 精度已达 3 l l 列 目前应用光纤光栅传感器最多的领域应该是桥梁的安全监测 1 9 9 9 年夏 在美国新墨西哥l a sc r u e e s l 0 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上 安装了个光 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 光 纤光栅传感器在桥梁上的应用主要是利用加强聚合体光缆的碳光纤来进行分布 载重检测 l 引 在国内 武汉理工大学光纤教育部重点工程实验室也曾在清江水 武汉理工大学硕士学位论文 布垭面板坝工程中成功应用光纤光栅传感器来检测大坝运行状态 光纤光栅传感器在医学中也有广泛的应用 光纤光栅传感器能以最小限度 的伤害来对人体组织进行监测 光纤光栅阵列温度传感器可用来测量超声波 温度和压力场 研究病变组织的超声和热性质 或遥测核磁共振机中的实际温 度 光纤光栅传感解调技术的发展已足以让检测精度满足医学应用中的要求 1 4 核工业是光纤光栅传感器的一个比较新的应用领域 核辐射对人体的伤害 已众所周知 而核工厂由于其特殊的工作环境决定所有的监测系统都要耐强辐 射 l5 1 光纤光栅传感器具有耐辐射的能力 可以用于对核电站蒸汽管道的应变 以及核废料堆的温度等进行监测 1 6 1 除以上例子外 光纤光栅传感器自诞生以来已在越来越多的领域取得了成 功的应用 这些成功背后光纤光栅解调技术的日趋成熟起到了非常重要的作用 目前 对光纤光栅波长进行解调的方法已提出了很多 如光谱仪检测法 匹配光栅法 可调谐光纤f p f a b r vp e r o o 滤波法 非平衡m a c h z e h n d e r 光纤干 涉仪法 迈克耳孙干涉仪解调法 应用阵列波导光栅的分布式光纤光栅的快速 解调法 带光栅标尺的多个光纤光栅解调法 应用波长扫描光纤激光器解调法 等 而且己有很多研究机构在基于上述方法基础上 进行了大量应变 应力 温度测量等试验 提出了种种技术和应用方案 但其中大部分技术和方案主要 针对低速低精度应用 未能完全发挥光纤光栅传感器优点 使进一步产品化过 程面临困难 很多领域急切期待高速高精度的高性能光纤光栅解调仪的出现 目前世界上主流的实用化解调技术主要采用以下三种方案 1 采用宽带光源和可调谐光纤一滤波器对传感光纤光栅的反射谱进行滤 波扫描 2 采用色散元件和阵列相结合的光谱成像技术进行波长分析 3 采用可调谐窄带激光源对传感光纤光栅进行波长扫描 这些方案均具有精度高 检测范围大 适用于分布式测量等优点 现有的实用化解调技术主要采用以下三种方案之一采用宽带光源和可调谐 光纤一滤波器对传感光纤光栅的反射谱进行滤波扫描采用色散元件和阵列相结 合的光谱成像技术进行波长分析采用可调谐窄带激光源对传感光纤光栅进行波 长扫描 这些系统均具有精度高 检测范围大 适用于分布式测量等优点旧 在国外 具有高速高精度特点的光纤光栅传感解调器产品已经出现 美国m o i m i c r o no p t i c si n c 公司推出了一系列基于f p 腔的光纤光栅解调 4 武汉理工大学硕士学位论文 仪 代表产品有s m l 3 0 和s i 7 2 0 s m l 3 0 是一个大功率 高速度 多传感器的 测量系统 主要为力学传感应用进行改进 使用了m i c r o no p t i c s 专利技术校正 波长扫描激光器 s m l 3 0 具有高功率快扫描 最高可达l z 它是一个完善 的系统 具有扫描式光源 通过4 个探测器可同时测量每根光纤反射回的光信 号 分辨率小于l p m 可重复性2p m 1 8 j s i 7 2 0 检测精度为l p m 扫描频率有 5 h z 和0 5 h z 两种选择 在5 h z 时的可重复性为0 2 p m 0 5 h z 时的可重复性为 o 0 5 p m 1 9 1 韩国f i b e r p r o 公司在光纤光栅解调技术的研发上也走在世界的前 列 其代表产品有i s 7 0 0 0 等 韩国f i b e r p r o 推出的i s 7 0 0 0 扫描频率达到 2 0 0 h z 8 个光纤通道可同时测量多达4 8 0 个光栅传感器 测量分辨率为5 p m l 2 0 1 而在国内 虽然做了大量基于上述方案的基础研究工作 但并没有实质性 的成熟产品出现 尤其是在高精度高速等高性能解调器的研究方面 更是与国 际先进水平存在很大差距 研究中有基于 测控卡十工控机 的解调器方案 即用 信号采集板卡插入工控机中 这种方式稳定性好 通用性强等优点 但是其通 用性决定了性能 价格 功能等很难满足成熟产品要求 也有一些基于 单片机 或d s p 计算机 的方案 但由于系统功能性能 或计算能力 或通信速度的限 制 往往只能实现较少点数的传感器 或中低速的测量速度 或简单的功能 使整个系统很难达到国外同类产品水平 2 l 皿 武汉理工光科股份有限公司最近开 发出2 0 0 h z 的光纤光栅解调仪 但其与国外先进产品相比仍有差距 也不能满 足实际工程中的高度高精度检测需要 2 3 1 应用领域期盼高性能实用的光纤光栅传感解调器或应用系统 国内的解调 器市场目前正处在高速发展阶段 高速发展的社会经济和日益旺盛的技术需求 显示出光纤光栅传感解调器和应用系统广阔的市场潜力 1 3 本文主要工作 本论文围绕实现高速高精度光纤光栅解调仪的设计这个核心 采取 研究相 关理论 突破关键技术 实现工程应用 的技术路线 在对相关理论进行研究 阐述和总结基础上 重点研究告诉高精度光纤光栅解调在工程应用的关键技术 解决工程实际应用问题 具体研究工作包括 1 光纤传感原理分析及光纤光栅解调方法研究 研究并分析比较了已有的光纤光栅解调方法 选择采用基于可调谐f p 腔的 解调方案 武汉理工大学硕士学位论文 2 基于可调谐f p 腔解调法的光路部分设计 光路部分主要包括光源电路 f p 腔驱动电路 光电转换电路和参考光路设 计等 光源电路主要针对光源恒温问题做了研究 先分析了光源恒温的重要性 然后针对恒温的参数要求设计了恒温电路 f p 腔驱动电路是基于可调谐f p 腔 解调法的关键部分 该部分先分析了f p 腔的物理特性 然后提出了有效驱动 f p 腔的解决方案 光电转换电路部分分析了光信号的特征以及需要注意的问 题 然后提出了解决方案 参考光路是为了给解调提供光栅原始中心波长参考 3 信号采集及信号处理部分设计 该部分先简单介绍了整个嵌入式系统架构 然后分别介绍了各功能模块的 硬件电路 最后重点介绍了软件部分 包括高速信号采集模块的设计 锯齿波 输出控制模块的设计 滤波器的设计和寻峰算法的设计 分析了滤波器和寻峰 算法的性能对整个系统性能的影响 提出了提高性能的解决办法 4 实验结果分析 对f p 驱动电路的效果以及滤波器和寻峰算法的仿真结果进行分析 证明所 用设计方案满足实际工程需要 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光路处理模块设计 2 1 光纤光栅传感原理和解调方法 2 1 1 光纤光栅传感原理 光纤光栅是用紫外光刻把折射光栅写入涂硅单模光纤 单光栅 或者更直接 更有效的是在光纤退火过程中用短激光脉冲干涉图纹把折射光栅写入涂硅单模 光纤中 光栅阵列 光纤光栅对纤芯中传播的光 能够反射以b r a g g 波长以为中 心一段很窄频谱的窄带光 图2 1 为光纤光栅模型图 宽带光入射到光栅后 经 过光栅的选择 波长为光栅中心反射波长厶的光被反射回来 其余波长的光透 射过光栅 光纤光栅反射谱谱宽 的高斯分布 两式相除 得到 厶 s a 以一九 2 7 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 从式 2 7 可见参考光强与经过边缘滤波器后的光强比与波长偏移成比例 关系 由此可以推算出来测量物理量的变化 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 并且因为该方案是检测输出光强比来计算波 长偏移 所以系统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 这种方案测量分辨率亦不是很高 2 9 3 0 3 非平衡m a t h z e n d e r 干涉法 干涉法的解调原理是当传感光栅受到外场的作用时 导致干涉仪中的光程 被调制 其中 干涉仪的作用相当于一个波长扫描器 将波长移位转换为干涉 仪输出端的相位变化 通过对其输出的相位信号检测即可得到传感光栅的中心 波长变化 该方案可给出高分辨率的相位检测 但无法消除温度影响 故不适 用于准静态的检测 主要适合于动态相位信号 图2 4 表示了一个应用非平衡m z 干涉法的探测系统 宽带光源发出的光 经耦合器进入传感光纤光栅 传感光纤光栅的反射光先后经2 个耦合器进入非 平衡m z 干涉仪 其中的相位补偿反馈系统驱动p z t 是为了抵消直流零点漂移 而引入的 图2 4 非平衡m z 干涉法原理图 宽带光源输入传感光纤光栅 光纤光栅的反射光输入非平衡光栅 m a c h z e n d e r 干涉仪 其输出光强为 武汉理工大学硕士学位论文 兄 彳 1 b 5 f 名 o 2 8 式中a b 为常系数 少 旯 2 x n d 屯是干涉两臂的相位差 d 是光纤m a c h z e n d e r 干涉仪两臂之间的不平衡量 刀是纤芯折射率 如是f b g 反射波长 沙 f 是随 机位差 属于噪声 由反射光波长移位 名引起的干涉仪相位变化为 y 如 一 2 j r 2 n d a a 口 一 2 x n d 孝 a s 2 9 蚀 蚀 掌 1 丝 2 1 0 如 g 式中 占为应变变化量 善为应变 频移分辨率 对动态应变有 沙 f 一 2 万丁n d 如 s i nc o t 2 11 b 非平衡m a c h z e n d e r 干涉仪法的优点是分辨率高 缺点是对准静态的检测不 适应 因为当信号频率与少 f 可比拟时 沙 f 很难抑制p 1 1 4 可调谐f p 腔法 这种方法与匹配光栅法比较类似 但把匹配光栅法中的参考光栅换成了可 调谐的f p 腔 这样在连接多个传感光栅时就不需要多个参考光栅 而只需要改 变法布里一珀罗腔的输出光的波长来跟踪传感光栅的波长变化 f p 腔的自山光 谱范围 f s r l 匕光纤光栅的工作谱区大 3 2 以保证广纤光栅的反射信号总能被 f p 腔检测 1 f p 腔工作原理 可调谐f p f a b r y p e r o t 滤波器是利用f p 腔干涉产生对光滤波作用的一 种可用于光纤光栅解调的光学器件 f p 腔结构如图2 5 所示 一 f p 腔 压电陶瓷倒 图2 5f p 腔结构图 武汉理工大学硕士学位论文 f p 腔在压电陶瓷的作用下选择性输出处于干涉极大的波长的光 从而起到 可调谐的滤波作用 入射光进入由两个平行的反射镜构成的f p 腔 在相邻两条 光线之间产生位相差万 3 3 万 4 x n h c o s i 2 1 2 一 d 一 l z 1 五 式中l r l 为折射率 h 为两镜面之间的距离 f 为入射角 兄为波长 由于多光束干涉 使得在一定光谱范围内 只有满足相干条件的某些特定 波长友的光才能发生干涉 产生相干极大 当f o 入射角为0 的平行光 时 五 满足的条件是 2 n h 七五 2 1 3 式中k 为干涉系数 这些特定波长五的光可以透射f p 腔 3 4 可调谐f p 腔的两个高反射镜的其中一个固定 另一个可移动且背面贴有压 电陶瓷 给压电陶瓷施加不同的电压 促使其产生不同的压力 使可移动的高 反射镜发生移动 从而f p 腔腔长h 发生改变 引起干涉条件发生变化 从而 通过f p 腔的光的波长五也发生改变 实现透射光波长可调谐的目的 3 5 可调谐f p 腔压控电压变化超过一定大小时 使f p 腔重复透射那些特定频 率 波长 的光 自由光谱范围f s r f r e es p e c t r a lr a n g e 是f p 腔的一个重要的 参数 指两相邻的干涉峰之问的频率间隔 即频率自由调谐而不会发生不同阶 次条纹重叠的频率范围 可调谐f p 腔在工作范围内 每隔一个间隔重复一次 f s r 这个间隔就是自由光谱调谐电压 t u n i n gv o l t a g e f s r p 6 可调f p 腔的工 作电压范围远大于其自由光谱调谐电压 从光学角度看 可调谐f p 腔是一个光谱中心可调谐的窄带通滤波器 窄带 光谱中心与加在压电陶瓷上的调谐电压对应 所以 可调谐f p 腔也称可调谐 f p 滤波器 可调谐f p 滤波器可对输入平行光进行频谱筛选 利用f p 滤波器 这个特性可以实现对光纤光栅传感器的解调 2 对反射波扫描的可调谐f p 腔法原理 图2 6 是采用对反射波扫描的可调谐f p 腔法原理图 3 7 1 宽带激光光源发出 的宽带光源传送到含有多个光纤光栅传感器的光纤上 光纤光栅传感器反射的 光信号被引入到可调谐f p 滤波器 给可调谐f p 滤波器施加锯齿波扫描电压 使透过f p 腔的光波长发生改变 若f p 腔的透射光波长与某个光纤光栅传感器 的反射波长重合 则探测f p 腔输出光的电路就能探测到一个最大光强 此时给 可调谐f p 滤波器施加的调谐电压v 就对应着光纤光栅传感器的反射波长 武汉理工大学硕士学位论文 2 光栅n 图2 6 对反射波扫描的可调谐f p 腔解调原理图 为了避免波长重叠 在单根光纤上布置的光纤光栅传感器个数受到限制 更多的传感器则需要布置在不同的光纤上 在反射波扫描解调方式中 用一个 可调谐f p 滤波器实现对多通道光纤光栅解调 则需要通过光多路开关完成通道 间转换 分时为各通道光纤光栅解调 使得多点解调速度下降 各传感器解调 时间不能保持同步 对反射波扫描解调方式结构相对简单 对光源功率要求较 低 只需对单个通道的光纤光栅信号进行检测 所以 对反射波扫描解调方式 适用于小容量低速或静态的光纤光栅传感信号解调 3 引 3 对光源扫描的可调谐f p 腔法原理 图2 7 是采用对光源扫描的可调谐f p 腔法原理图 3 9 1 从放大自发辐射 a s e a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n 光源出来的宽带光经过一个光分路器后 一半通过一个单向光隔离器后经过可调谐光纤法布里 珀罗滤波器 然后再通过 一个单向光隔离器重新进入a s e 光源 从光分路器出来的另一半经过光耦合器 入射到光纤布拉格光栅传感器上 反射回来的光再次经过光耦合器后被高灵敏 度的光电转换p i n 管接收 转换成的电信号再经过电路放大处理后被数据处理 部分采样 然后由算法实现对光栅中心波长的检测 其中f p 滤波器的锯齿波驱 动由处理部分的锯齿波产生模块提供 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 可调谐f p 腔法原理图 为了满足多个光栅对光功率的要求 采用s o a 和f p 滤波器等构成一个扫 描激光器 每根光纤上连接的最大光栅数n 与f p 腔的输出带宽国和自由光谱范 围f s r 有关系 它们之间满足式2 一1 4 n 兰 2 1 4 一 l z 1 4 f s r 在实际使用中 如果单根光纤上接的光栅太多 即使在满足式2 1 4 的情况下 由于光栅连接处有光损耗 连接在后面的光栅可能反射回来的信号非常弱 不利于 检测 而且很多时候一根光纤所能连接的最多光栅数也不能满足要求 这时可以采 用分布式传感网络设计 所谓分布式就是充分利用空分 时分和波分技术 让f p 腔在一个扫描周期内扫描更多的光纤光栅 其网络构成如图2 8 所示 图2 8 分布式光纤光栅可调谐f p 腔法原理图 武汉理工大学硕士学位论文 由a s e f p 滤波器 光隔离器和光纤耦合器构成的可调谐窄带光源产生周 期扫描窄带光 经光纤耦合器分成多路 构成空分复用 每路光信号再输入给 多路有不同延时的光栅串 构成时分复用 每路光栅串由多个不同反射波长的 光栅组成 构成波分复用 时分复用会减慢对f p 腔扫描的频率 因此要实现时 分复用 要有足够高的扫描频率 即要实现高速光纤光栅解调 这也是本文需 要解决的问题 若采用对反射波扫描的f p 滤波器方案 则只能进行时分 导致 消耗的扫描时间过多 对f p 腔扫描的频率提高影响太大 所以若要进行大容量 的光纤光栅检测 应采用对光源扫描的f p 滤波器解调方案m j 2 1 3 解调方案的比较和选择 上一节介绍了匹配光栅法 边缘滤波器法 非平衡m a t h z e n d e r 干涉法 可 调谐f p 法等四种光纤光栅解调方案 这些方案大致分为两类 一类是直接对波 长变化进行处理 如匹配光栅法和可调谐f p 腔法 另一类是将波长变化转化为 别的量来进行测量 如边缘滤波器法将波长变化转化为光强变化来处理 非平 衡m a c h z e n d e r 干涉法将波长变化转换为相位变化来处理 这些处理方式各有各 的优缺点 它们之间的比较如表2 1 表2 1 解调方案比较表 解调方法基本原理特点适用场合 利用一个和传感光栅 优点 结构简单 分辨率较高 匹配光栅法参数一样的匹配光栅缺点 自由谱范围窄 对匹配 静态测量或 来滤出波长光栅要求高 低速测量 将波长变化转化为光 优点 成本较低 有较好的线 边缘滤波器法性输出实验室 强变化 缺点 分辨率不是很高 非平衡m z 干涉将波长变化转化为相 分辨率高但灵敏度和测量范 动态变量测 围不容易调整 不稳定且不能 法位变化量 复用 利用f p 腔的可调谐体积小 灵敏度高 光能利用 可调谐f p 腔法工程应用 滤波作用高 解调比较方便 从表2 1 中可以看出 边缘滤波器法适用于实验室环境使用 匹配光栅法自 由谱范围比较窄 不适合大容量光栅解调 而非平衡m z 干涉法不稳定 也不适 合大容量光栅解调 本文要求实现对光栅高速高精度解调 遂采用可调谐f p 腔 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 法 2 2 基于可调谐f p 腔光路模块 本系统大体分为光路部分和信号处理部分 本节介绍光路部分 信号处理 部分将在后面章节介绍 光路部分采用可调谐f p 解调方案 主要由光源电路 f p 腔驱动电路 参考光路和光电转换电路等组成 整体框图如图2 9 光源电 路和光电转换电路的效率对后面采集模块采集到的电信号的信噪比有重要影 响 而f p 腔驱动电路正常工作是整个解调成功的关键 因为每次检测时环境参 数各不相同 从而导致光栅的原始中心波长不一样 所以需要一个恒定的参考 来作为检测标准 参考光路为检测光栅的原始中心波长提供参考 本节将对每 部分电路原理和设计作详细介绍 2 2 1 光源电路 图2 9 光路整体框图 光源的电路的主要部分是恒温电路设计和光源驱动电路设计 温度的变化 能引起光源输出宽带光的光强和带宽的变化 从而导致系统不稳定 因此恒温 变得尤为重要 恒温电路设计采用a d 公司的温度制冷控制芯片a d n 8 8 31 a d n 8 8 3 1 是a d 公司推出的专门解决激光二极管恒温问题的c m o s 芯片 具有 以下特性 1 单独的加热和冷凝电流限制 使得加热和冷凝动作更加独立 2 正常工作时具有高效率 大于9 0 和低噪声的输出 使得热平衡 的建立因为不受芯片本身功率和噪声影响而更加快捷 有效 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 长期温度稳定误差为o 1 4 温度监测输出 必要时可以利用该输出来设计辅助电路 5 可编程转换频率高达1 m h z 6 可编程最大控制电压 可以利用最大电压的设置来保护电路和芯片 的安全运行 其原理框图如图2 1 0 实际温度输入 设定温度输入 加热制冷 频率 相位 过流过流 控制 图2 1 0a d n 8 8 3 1 原理框图 实际温度和设定温度的差值经过误差放大 p i d 补偿网络和过流 过压控制 后 由m o s f e t 驱动模块来确定是加热还是制冷 加热过流 制冷过流和过压限 制由外部电路提供 向芯片提供加热和制冷时的最大电流和电压限制 线性输 出和p w m 输出的转换频率可以编程控制 a d n 8 8 3 1 外部电路如图2 1 1 图中 i n l m 为热敏电阻采样电压 i n l p 为参考电压 i n l m 和i n l p 差分比较放大后的 输出再次与i n l p 进行差分比较放大 在第二级比较的同时进行p i d 调节 比较结 果进入芯片内部处理 发光二极管d 2 0 0 用来显示温度调节结果 若已恒定 则 熄灭 若尚未恒定 则闪烁 i l i m h d 温度控制电压限制v l i m 由参考电压分压 后输入 加热过流限制和制冷过流限制分别由电阻r 2 0 5 的两端引入 l p g a t e l n g a t e s p g a t e 和s n g a t e 是m o s f e t 半桥转换信号 用来控制冷凝片的发 热和制冷 温度控制电路和如图2 1 2 l p g a t e l n g a t e s p g a t e 和s n g a t e 信号 来自a d n 8 8 3 1 的输出 当l p g a t e 为低 s n g a t e 为高时 电流从冷凝片的c l 流向冷凝片的c l 这时冷凝片制冷 当s p g a t e 为低 l n g a t e 为高时 电流 武汉理工大学硕士学位论文 从冷凝片的c l 流向冷凝片的c l 这时冷凝片加热 3 j c 图2 11 a d n 8 8 31 乡 l 部电路 图2 1 2 温度控制及光源驱动电路 光源的驱动由运放u 2 0 1 的输出驱动三极管q 2 0 0 来实现 三极管工作在放大 区 用来放大驱动发光二极管的电流 通过发光二极管的电流回流到运放的负 端形成负反馈 可以通过电位器r w 2 0 0 来调节光源的功率 每次调整过后要等 待恒温指示灯停止闪烁再开始进行检测 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2f p 腔驱动设计 x i r j c o l j 丁 嘉 罕1 协1 5 x 1 掣 2 r c