（测试计量技术及仪器专业论文）光纤光栅的边沿滤波解调技术.pdf

y 1 2 1 8 6 4 3 分类号 u d c 密级 一 讯 l 亡工繁火港 硕士学位论文 题目 迸红堂援数迪监遗遗鲤遇撞苤 e 文题目e d g q i 卫 堡 d 女 垒 i q 1 2 b l g y e i b i i g 研究生姓名 签名 另 码 指导教师姓名 签名 罐塑丝职称熬援 申请学位学科名称泗这盐量撞盎丛邀墨学科代码q 8 q 4 q 2 论文答辩日期 垫q z 学位授予日期 学院负姒c 妾终 学院负责人 签名 幺2 垄兰鍪 o 7 评阅人姓名 韭丕生 评阅人姓名 选翌送 2 0 0 7 年6 月5 日 湖北工业大学硕士学位论文 摘要 光纤光栅传感器以其优异的抗电磁干扰 抗腐蚀 灵敏度高 体积小 质量 轻等优点 被广泛应用于大型复合材料和混凝土建筑物的结构监测 智能材料的 性能监测 以及电力 医药和化工等领域 是目前光纤传感领域的一个研究热点 光纤光栅传感信号解调技术是光纤光栅传感技术研究领域的重点和难点 本文首先阐述了光纤光栅的发展状况 系统地介绍了光纤b r a g g 光栅 f b g 及其传感原理 光纤光栅传感器的特点及其应用 光纤光栅的分类方法及应用 详细介绍了光纤光栅器的传感解调技术及其应用的范围 阐述了光纤光栅的写入 方法及制作技术 在对国内外光纤光栅传感技术及其传感信号解调技术研究现状进行了深入分 析的基础上 研究了两种解调技术 一是相位解调技术中的马赫一曾德尔干涉 m z i 解调技术 它将来自传感光栅的包含应变信息的波长漂移信号变为相移信号 借 助处理器将相移的变化转变为待测应变的大小 二是基于波长检测技术的边沿滤 波解调技术 将来自传感光栅的包含应变信息的波长漂移 借助软件系统转变为 待测应变的大小或者是温度的变化 在m z i 解调技术中 用步迸电机来控制光纤臂长差的变化 该传感系统的分 辨率为1 2 p m 边沿滤波传感解调技术中 把传感光栅和参考光栅相放于同一环境 中 减小了温度变化的影响 使系统的稳定性增加 还采用动态零点的方式对数 据进行处理 减小了温度变化的影响 使系统的稳定性增加 该系统的分辨率达 到了o 8 a e 系统的灵敏度为2 6 0 p r o l a e 并将该传感解调系统用于武汉长江二桥 的动态应变测量 实现了 多点 动态应变的测量 用边沿滤波解调系统解调光纤光栅动态称重系统 光纤光栅动态称重系统由 两部分组成 对轴的计数和对车的称重 设计了动态称重传感器 将称重分为两 部分进行 静态和动态的称重 经实验验证 静态的称重误差小于1 动态的称 重误差小于5 是一种很有发展潜力的动态称重传感器 关键词 光纤光栅 解调技术 边沿滤波 动态称重 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o rh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s a n t i e l e c t r o m a g e t i s m i n t e r f e r e n c e c o r r o s i o nr e s i s t a n c e h i g hs e n s i t i v i t y s m a l lv o l u m e l i g h tq u a l i t ya n ds oo n f i b e rb r a g gg r a t i n g f b g s e n s o ri so n eo ft h ec u r r e n th o tr e s e a r c hf i e l d si nt h eo p t i c a l f i b e rg r a t i n gs 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 e s t r u c t u r em o n i t o r i n go ft h el 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 s ac r i t i c a la n dd i f f i c u l t p r o b l e mi nn o w a d a y sf b gs e n s o r i n gt e c h n i q u ef i e l d s f i r s t e l a b o r a t e dt h ed e v e l 叩m e n tc o n d i t i o no fo p t i c a lf i b e rg r a t i n g t h eo p t i c a l f i b e rg r a t i n gc l a s s i f i e dm e t h o da n da p p l i c a t i o n s e c o n d s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e dt h e f i b e rb r a g gg r a t i n ga n di t sp r i n c i p l e t h ec h a r a c t e r i s t i co p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o ra n d i t sa p p l i c a t i o n i n t r o d u c e dt h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o ni nd e t a i l t h i r d e l a b o r a t e dt h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gf a b r i c a t i o nm e t h o da n d f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r b a s e do na n a l y s i so fd o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d ya c t u a l i t i e so nf b ga n d d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ef o rf b g t w od e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sf o rf b ga r ep r e s e n t e d o n ei st h em zi n t e r f e r e n c ed e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo fp l l r a s ed e m o d u l a t i o n c a l l t r a n s p o s et h es t r a i ni n d u c e dw a v e l e n g t h s h i f t ss i g n a li n t op h a s e s h i f t ss i g n a l r e l i e so n t h ep r o c e s s o rt r a n s f o r m e dt h ep h a s e s h i f tc h a n g et ot r e a t sm e a s u r e ds t r a i n t h eo t h e ri s e d g ef i l t e rd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo fw a v e l e n g t ht e c h n o l o g y r e l i e so ns o f t w a r e s y s y e m c a nt r a n s p o s et h es t r a i ni n d u c e dw a v e l e n g t h s h i f t ss i g n a li n t ot r e a t sm e 硒m e d s t r a i no rt e m p e r a t u r ec h a n g e m zi n t e r f e r e n c ed e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y w i t hs t e p m a c h i n ec o n t r o lt h ec h a n g eo f o p t i c a lf i b e r sl e n g t h t h es e n s o rs y s t e mr e s o l u t i o ni s1 2 p m e d g cf i l t e rs e n s o r d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y p u t ss e n s i n gg r a t i n ga n dr e f e r e n c eg r a t i n gi nt h es a m e e n v i r o n m e n t a n du s e st h ed y n a m i c z e r oa r i t h m e t i ct op r o c e s sd a t a w i l lr e d u c e dt h e t e m p e r a t u r ec h a n g ei n t e r f e r e n c e i n c r e a s e dt h es y s t e ms t a b i l i t y t h es y s t e mr e s o l u t i o n i s 0 8 z s e n s i t i v i t y i s2 6 0 p m z e a n dt h es e n s o rd e m o d u l a t i o ns y s t e mu s e d d y n a m i c s t r a i n s g a u g i n gi nt h es e c o n db r i d g eo fw u h a ny a h g t z er i v e r h a sr e a l i z e d m u l t i s p o t s d y n a m i cs t r a i ns u r v e y d e s i g n e dt h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gw e i g h t i n m o t i o n w 1 m s y s t e m a n da p p l i e d e d g ef i l t e rd e m o d u l a t i o ns y s t e mt od e m o d u l a t e t h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gw l ms y s t e mi s c o m p o s e db yt w op a r t s a x i sc o u n t i n ga n dw i m w bd e s i g n e dw i ms e n s o la f t e r s t a t i c t e s t i n ga n dt h ed y n a m i c t e s t i n g c o n f i r ma f t e rt h ee x p e r i m e n t 1 r t l ee r r o ro f s t a t i c h e a v yi ss m a l l e rt h a n1 t h ee r r o ro fw l mi ss m a l l e rt h a n5 t h e r e f o r e t h e o p t i c a lf i b e rg r a t i n gw i m s e n s o ri sap o t e n t i a ld e v e l o p m e n ts e n s o r 湖北工业大学硕士学位论文 k e y w o r d s f i b e rg r a t i n g d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y e d g ef i l t e r w i m 1 1 1 诹l l 童工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究工作所取 得的研究成果 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 式标明 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 另确 日期 姗年5 月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 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 权湖北工业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 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者签名 另确 日期 2 0 0 7 年5 月3 0 日 指导教师签名 碇撕 日期 2 0 0 7 年5 月3 1 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第1 章引言 随着低损耗光波导在2 0 世纪6 0 年代的实现 7 0 年代第一根实用化光纤问世 以来 光纤技术得到了迅猛的发展 光纤技术主要涉及两个方面 光纤通信技术 和光纤传感技术 本文主要讨论光纤传感技术中的光纤光栅传感解调技术 光纤光栅传感器与传统的传感器相比较 它们的主要区别在于 传统的传感 器以电信号为转换及传输的媒体 用导线传输电信号 而光纤光栅传感器是以光 信号为变换和传输的载体 利用光纤传输信号 它具有许多的优点 1 1 低损耗传输 这是由光纤本身的特点决定的 2 抗电磁干扰 光纤的主要材料s i0 2 是良好的绝缘体 光波与无 线电波不在一个频段上 光波的波长远小于无线电波的波长 3 耐腐蚀 防燃 制作光纤的材料是s i 0 2 具有极高的稳定性 光纤光栅传 感器可在恶劣的环境中使用 4 动态范围大 光的频率高 传感器的频带范围很宽 动态范围大 5 测量范匿广 光纤光栅传感器可测量温度 应变 应力 压强 流速 电流等 5 灵敏度高 因为它是以光波长为计量单位 6 成本低 结构简单 体积小 质量少 耗电少 正是因为光纤光栅传感器有这么多的优点 问世3 0 多年来 得到了快速迅猛 的发展 各种基于光纤光栅的有源 无源器件相继问世 光纤光栅也从早期的军 事应用扩展到诸如建筑 水利 公路 桥梁 隧道 边坡等民用领域 作为传感单元 光纤光栅的主要优势是检测信息为波长编码的具有从 1 0 一1 0 4 四个数量级响应的绝对测量 以及它的诸多物性优势 因此 光纤光栅 被认为具有推动光纤传感器进入前言发展的潜力 传感技术 通信技术 计算机技术构成了信息产业的三大支柱 因此 从上 世纪8 0 年代以来 传感器和传感技术就成为了国际研究的重点之一 例如 美国 国防部将传感技术视为2 0 项关键技术之一 日本把传感技术与计算机 通信 激 光 半导体 超导并列为6 大核心技术之一 德国视军用传感器为优先发展技术 英 法等国对传感器的投资逐年升级 湖北工业大学硕士学位论文 但是 我国的光纤光栅传感器的研究较晚 其产业化和大规模推广应用方面 还远远不能与发达国家相比 国内对光纤光栅的研究大多数还限于高校或科研机 构 很多技术还处于实验的研究阶段 转入到实际应用中的还不是很多 因此 国家2 0 1 0 年远景规划和十五计划已将传感器列为重点发展的产业之一 其中 光 纤光栅传感器以其优越的性能 将占有很大的比例 由光纤光栅构成的传感系统 其传感量是以微小的波长位移为载体 因此如何把传感量解调出来是光纤光栅传 感系统实用化面临的最大难题 1 2 光纤光栅的发展状况 1 9 7 0 年康宁公司拉出第一根低损耗的光纤以来 光纤通信以前所未有的速度 迅速发展起来 在短短的三十几年中 光纤通信经历了从短波长到长波长 由多 模向单模 由低速向高速 由单通道的通信系统到多通道波分复用系统 w d m 由点对点的通信到密集波分复用 d w d m 的光网络的飞跃式发展 光纤通信的发 展促进了光电子 光子集成 光纤传感等技术的发展 以光纤为基质的各种光纤 光子器件应运而生 光纤传感与测量技术是以光电子器件为基础 以光纤通信和集成光学技术为 前提 创造性的发展起来的 是仪表领域的重要发展方向之一 随着光纤通信技 术的发展 光纤工艺和技术也得到了迅猛发展 与此同时 人们逐渐认识到光纤 的许多性质可用于探测各种物理量 因此 光纤传感技术引起了人们的高度重视 成为一个很有前途的研究和应用领域 光纤光栅传感信息的解调 传统上一般使用光谱仪 单色仪以及带有色散元 件的c c d 探测器 以上解调系统均造价高 体积庞大 不易携带 不适宜于现场 使用等问题 为了解决上述问题 人们提出了许多的解调方法 非平衡马赫一曾 德尔干涉仪 f p 滤波器法 匹配光纤光栅 边沿滤波法 匹配光纤光栅法 被动 解调法以及将光纤光栅传感元件用作光纤激光器腔镜实现传感测量 南开大学现代光学研究所曾采用波长扫描极值解调法0 1 实现光纤光栅应变和 温度传感的测量 利用可编程环形腔激光器作光源 扫描被测光纤光栅的反射最 大信号 该信号对应的激光器输出波长即表征了被测传感量的大小 用这一方法 即波长扫描极值传感解调法分别对温度及应变导致的光纤光栅反射波长移动进行 测试 应变测量范围为 2 4 4 0 p e 灵敏度为0 0 1 6 s t e p 温度测量范围达6 0 8 0 c 灵敏度为o 1 3 s t e p o c 香港理工大学电机工程系和南开大学现代光学研究所合作 曾提出过匹配光 2 湖北工业大学硕士学位论文 栅调谐光纤激光器波长扫描寻址解调方案 3 采用微机控制光纤激光器完成一次扫 描过程后 用高斯一牛顿法对光电探测器输出电压与激光波长之间的关系数据进行 曲线拟合 通过拟合来确定传感光栅的中心反射波长值 这样 便提高了解调分 辨率 从而实现高分辨率的温度及应变测量 浙江大学信息与电子工程学系对干涉型光纤传感器的相位载波 p g c 调制一 解调技术进行了研究 1 分析得出了新的相位载波检测带宽技术 并在实验室中用 相位载波检测方式检测到了较为稳定的模拟传感信号 北京理工大学光电工程系 也在这方面进行了研究 尤其是在用软件来模拟实现信号的解调 不仅省去了繁 杂的模拟运算电路 而且达到了极高的解调精度 美国是光纤光栅传感器研究最早 技术水平最高的国家 以军用为主要目标 斯坦福大学海军研究室 动力系统公司 s p e c i k i cb a b e c k w i l e o x 公司 f i b e r d y n a m i c s 公司 e o t e c 公司 o p t r a 公司在研制与开发光纤传感器方面享有盛 名 日本 法国 德国 意大利等国都投入了相当大的力量研制和开发光纤传感 器 其中日本的科研成果转化为商品的速度较快 目前 国外光纤温度传感器可探测到2 0 0 0 0 c 高温 灵敏度达 1 0 c 普通型 光纤温度传感器在一1 0 3 0 0 0 c 范围 精度为 1 一 3 0 c 响应时间为2 s 利用 g a a s c d t e g a p 等半导体材料得悉温度变化而制成的光纤温度传感器 可获得 0 5 0 c 的测量精度 用于低温范围的光纤温度传感器 可测量0 1o c 的温度变化 光纤振动传感器在2 0 2 0 0 h z 时 可感知l m n 甚至0 1 a n 的振幅 光纤位移传感器 测量范围为0 0 5 0 1 2 m m 时 分辨率为0 0 1 m m 光纤位移传感器可测位移为 0 0 8 n m 动态范围为1 1 0 d b 高灵敏度光纤加速度传感器已研制成功 灵敏度为 5 1 0 g 测量能力小于1 辔 国内的传感技术与欧美等国相比 还存在一定的差距 特别是在光纤传感器 的共性基础技术 中间试验技术 生产装备技术方面尤为突出 不能实现光纤传 感器产品的产业化 表现出 研究单位多 生产单位少 研究成果多 商品化产 品少 技术水平高 产品质量低 的状况 1 欧美等国光纤布拉格光栅传感器的应用形式主要是以布拉格光栅传感器采集 信息 将布拉格光栅反射波引入光谱仪或干涉仪中提取测量信息 美国 m i c r o n o p t i c s 公司的f bg i s 波长解调仪是这一领域先进技术的代表 需要指出的是 在己知的这些应用中 均无法直接获得所感知的物理量 更 无法将波长变化直接转化为电信号 借用光电转换或电光转换 供其它设备如控 制设备使用 这无疑是光纤光栅传感器得到广泛应用的一大障碍 在光纤光栅传感器领域 最近的发展趋势表明 比较热门的研究方向大致可 3 湖北工业大学硕士学位论文 分为3 个方面 首先是对传感器本身的研究 能进行横向应变感测的传感器是一 个重要内容 此外 高灵敏度 高分辨率且能同时感测应变和温度变化的传感器 也是研究的热点 其次 是对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究 目标是开发低成本 小型化 可靠且灵敏的探测技术 最后 也是目前最热门的 研究方向 是光栅传感器的实际应用研究 包括封装技术 温度补偿技术 传感 器网络技术 1 3 光纤光栅传感信号解调技术 信号检测是传感系统中的关键技术之一 传感解调系统的实质是一个信息 能 量 转换和传递的检测系统 它能准确 迅速地测量出信号幅度的大小并能无失 真地再现被测信号随时间的变化过程 待测信息 动态或静态的 不仅要准确地 测量其幅值 而且需要记录其整个变化过程 光纤光栅解调系统的本质是对传感 光栅反射谱 或透射谱 进行实时监测 分析出中心波长的位置或位置的变化 温度和应力是直接影响光纤光栅布拉格波长的主要物理量 受这两个物理量 作用时 热光效应和弹光效应将引起纤芯折射率变化 热膨胀以及机械拉伸将影 响光栅常数 从而引起布拉格波长漂移 因此观察光纤光栅的波长漂移量便可判 断待测量大小 如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移 是这类传感器实用化面临的关键 技术 从解调的光波信号来看 光纤光栅传感信号的解调方案包括波长解调 强 度解调 相位解调 频率解调 偏振解调 波长解调 这些方案各有所长 适用于不同传感系统的需求 1 3 1 波长解调 波长解调是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 连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点 得到了广泛应用 1 可调谐光纤f p 滤波器解调法嘲 1 9 9 3 年 由a d k e r s e y 等人提出可调谐光纤f p 滤波器解调法 对单个 光栅可以使用跟踪 闭环 模式 对复用系统的光栅使用扫描模式 在图1 1 中 f p 腔由压电陶瓷驱动 且施加周期性的电压用以改变f p 腔长 以实现对确定区 域的波长进行周期性的滤波扫描 工作原理是宽带光源发出的光经隔离器和耦合 器进入传感光栅阵列 被各光栅反射后 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其中的压电组件上调整 4 湖北工业大学硕士学位论文 f p 腔间隔 使其窄线宽通带在一定范围内扫描 当滤波器的扫描波长与传感光栅 的波长相匹配时 则让传感光栅反射的信号通过 因此 可由此时的f p 滤波器 驱动 电压一透射波长 关系测得光纤b r a g g 光栅反射峰位置 但由于透射谱是 传感光栅反射谱与f p 滤波器透射谱的卷积 会使带宽增加 分辨率减小 为此 在扫描电压上加一小的抖动电压 输出经混频器和低通滤波器 以抖动频率测输 出分量 可得到与光谱分量对应的响应 所得响应在每一个光纤b r a g g 光栅的中 图1 1 可调光纤f p 滤波器解调示意图 心波长处都有零点出现 这样可大大提高系统的分辨率 由于可调谐范围很宽 可实现多传感器的解调 该系统可用于静态或准静态信号的测量 但高精细度光 纤f p 成本较高 滤波损耗较大 而且重复性不是很好 2 边沿滤波解调法m 1 9 9 2 1 9 9 4 年 m e l l esm 和d a v i sma 等人提出了边沿滤波解调法 工作原理 如图1 2 所示 宽带光源 b b s 发出的光经耦合器l 进入f b g 阵列 其反射光再经 耦合器l 进入耦合器2 分成等强度的两束光 一路经与波长有关的滤波器滤波后经 探测器探测后放大 其滤波曲线为 f z a a 一九 1 1 其中a 为线性滤波器的斜率 h 为零输出波长 即f z o o 时的输出波长 另 路直 接进入探测器放大成为参考光 两放大器的输出经除法器相除 得到与光纤光栅 中心波长有关的输出值 该方法的优点 采用了较好的补偿措施 能够有效的消 除光源波动和各处附加损耗对信号的影响 使后续的电子处理电路极为简单 能 有效抑制噪声 提高信噪比 且系统反应迅速 成本较低 使用方便 适用于静 态 动态检测 不足之处 其系统的分辨率由滤波器的滤波曲线斜率决定 而滤 湖北工业大学硕士学位论文 出 图1 2 边沿滤波器解调法示意图 波曲线的线性近似也会造成一定的误差 这就导致系统的分辨率相对其它解调系 统不高 动态应变测量响应速度也不快 3 可调窄带光源解调法u m 可调谐窄带光源的调谐原理是窄带可调谐光输入光纤光栅 并周期地扫描其 输出波长以获取光纤光栅的反射谱 或透射谱 由每次扫描反射光最强 或透射 光最弱 时的扫描电压可知相应的波长值 1 9 9 4 年 b a l l 等人提出了可调窄线宽 激光光源来解调传感光栅阵列 从而确定布拉格波长的实用方法 在图1 3 中 w d m 波分复用器 激光器固定于压电陶瓷0 z a 9 当p z t 受锯齿波或正弦波 电压驱动时 激光波长在一定范围内扫描 当其输出波长恰好与传感f b g 反射光 波长相同时 照射到传感光栅阵列上的光就会被相应光栅强烈反射 反射信号经 过3 d b 耦合器后送到探测器 接上数字示波器就可以画出布拉格光栅反射率与波 长的函数关系曲线 为提高测量精度 可把反射信号与入射激光功率进行归一化 比较 所用的激光功率通过图中未画出的3 d b 祸合器来测量 这类系统的光功率 图1 3 可调窄带光源解调示意图 6 湖北工业大学硕士学位论文 高 可以抑制噪声 因此可获得很高的信噪比和分辨率 同时 由于可事先对光 源进行定标 避免了现场使用体积大 价格昂贵的光谱仪 使现场检测简单方便 不足之处在于高精度的p z t 调谐器价格高 其调协范围有限 并且目前光纤激光 器的稳定性及可调谐范围尚不够理想 这在一定程度上限制了传感光栅的个数以 及使用范围 有人提出用l a b v i e w 虚拟工作平台实现窄带激光器的程控调谐扫描 及信号处理 可以提高系统的信噪比和可靠性 使用范围 0 4 匹配光纤光栅滤波解调法o 匹配f b g 可调滤波检测是指对于传感阵列中的每一个光栅 在接收端都有一 个特性完全相同的光栅组成 传感一接收 匹配光栅对 即相同的应变和温度下 两 a 反射方式 b 透射方式 图1 4 匹配光纤光栅解调滤波示意图 7 湖北工业大学硕士学位论文 者的b r a g g 波长相同 从接收光栅就可以了解传感光栅的情况 其中 匹配光栅 固定于压电陶瓷 p z t p z t 由外加扫描电压控制 其工作方式有两种 1 9 9 3 年 d a j a c k o n 等人提出反射方式 即信号光经过传感光栅反射进入与传感光栅参数 完全相同的匹配f b g 如图1 4 a 中的1 和1 2 和2 3 和3 4 和4 后检 测反射光强 通过调节匹配f b g 的反射中心波长使接收光强最大 从而获得传感 光栅的中心反射波长 1 9 9 5 年 m a d v i s 提出透射方式 类似地检测透射光强 当其达最小值时获得传感光栅的中心反射波长 当工作于反射方式时 如图1 5 a 所示 b b s 发出的光经传感光栅阵列 f b 6 反射进入参数与传感光栅对应的匹配光 栅 f b 6 匹配光栅并行布置在同一p z t 上 驱动p z t 调节匹配f b 6 的中心波长 使探测器接收的光强最大 此时通过p z t 的 电压一波长 调谐关系即可获取各传 感光栅上的待测物理量 当其工作于透射方式时 如图1 4 b 所示 各匹配光栅 由不同的p z t 进行独立波长调谐 并且串联成滤波光栅阵列 信号光进入此阵列 后由同一探测器接收透射光 依次对各匹配光栅单独调谐 当接收光强最小时 由p z t 的 电压一波长 调谐关系即可获取各传感光栅上的待测物理量 对反射方 式来说 该方法结构简单 造价低廉 分辨率较高 但信号光经多个耦合器进入 匹配光栅 导致反射回来的信号减弱 使系统的信噪比降低 而且每对光栅都需 要自己的探测器 使系统的复杂度增加 而对透射光方式 其信号光利用率高 提高了系统的灵敏度 但多个p z t 使跟踪控制复杂 系统非线性误差较大 而且反 射和透射方式的p z t 的响应速度有限 使这两种方法只适合于测量静态或低频变 化的物理量 1 3 2 相位解调 相位解调是将波长移位从光栅转换为干涉仪输出端的相位变化 从而对传感 光栅进行频谱选择 具有极高的检测灵敏度 适合于高分辨率动态应变传感信号 的检测 1 非平衡m z 干涉仪检测法 2 伽 1 9 9 2 年 由a d k e r s e y 等人提出用非平衡m z 干涉仪来检测的一种时分复用 分布式传感系统 如图1 5 f i r 示 b b s 宽带光源 发出的光被调制成脉冲信号 经 过耦合器入射到光栅阵列上 被反射后送到m z 干涉仪 通过非平衡m z 干涉仪把 b r a g g 波长偏移转化为相位变化 由b f p 相位计 测出相位的变化 从而对传感 光栅进行频谱选择 8 湖北工业大学硕士学位论文 出 图1 5m z 干涉仪解调系统 2 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解调法 该方法是利用非平衡波长扫描迈克尔逊干涉仪对传感光栅的反射谱进行波长 解码 用相位计观测波长漂移引起干涉仪两臂问相位差的变化 进而监测作用在 传感光栅上的应变 如图1 6 所示 来自传感f b 6 阵列的光波进入短臂缠绕在受锯 齿波信号驱动的压电陶瓷 p z t 上的非平衡扫描迈克尔逊干涉仪 其输出信号经探 测器接收后变为电信号 适当处理后与压电陶瓷的驱动信号分别作为待测信号和 参考信号一起输入相位计 调节驱动信号的幅值以及直流电平的大小 使干涉信 图1 6 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解调示意图 号变化的频率与参考信号的频率一致 此时相位计所显示的值与施加在传感光栅 上的待测应变的大小有关 而与参考信号的相位无关 因此相位计显示的相位变 化实际上为待测信号相位的变化 该系统具备监测静态和动态应变的能力 若对光 源信号进行脉冲调制 用时分复用技术对接收信号进行处理 该系统具备查询 解调光纤光栅网络信号的能力 3 双腔查询干涉解调方案n 用高分辨率的干涉计量式波长漂移探测的双腔查询方法来增大f b g 传感器的 9 湖北工业大学硕士学位论文 测量原理如图1 7 所示 该方案中f b g 的测量范围取决于波长扫描仪的自由光谱 范围 它与波长扫描仪的光程差成反比 但分辨率却与扫描范围成正比 为提高 分辨率而增加波长扫描仪光程差 将以牺牲绝对测量范围为代价 利用一台具有 双腔长的步进干涉式波长扫描仪获得两套干涉条纹 其中长光程差对应的位相输 出用来进行高分辨率测量 而短光程差则用来决定长腔对应条纹的数目 具有漂 移补偿功能的干涉计量式波长漂移探测f b g 温度传感器在此用于对测量结果进行 校检 1 3 3c c d 分光仪 图1 7 双腔查询干涉解调方案示意图 是用衍射光栅等分光元件 将传感光栅的反射谱 或透射谱 经透镜准直后 在空间展开 再用c c d c h a r g e c o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件 同时直接测出各波 长的相对光强 主要应用是c c d 分光仪o 1 c c d 分光仪的工作原理是衍射光栅将入射光衍射到探测器的像素点上 该方法 采集了每一只光纤b r a g g 光栅沿整个扫描周期的反射光 当接受到的波长被转换为 沿探测单元阵列的位置信息 其波长分辨率由像素宽度描述的探测器表面的光栅 线性色散所决定 采用该技术可获得小于l e 的应变分辨率 并且c c d 分光仪提供 了一种检测传感光栅的空分和波分混合的复用技术 其中 有同一根光纤连接的 传感光栅反射的b r a g g 波长沿c c d 的纵向分布 提供了波分复用技术 而不同光纤 反射的光波经光纤阵列入射到曲面光栅反射后沿c c d 的横向分布 c c d 分光法的 优点是响应时间快 抗干扰能力强 不足之处是 对光波的分辨率的影响因素较 1 0 湖北 t 业大学硕士学位论文 多 如准直透镜的成像质量 焦距 衍射光栅的光谱分辨率 c c d 的空间分辨率 等 1 3 4 色散法 图1 8c c d 分光仪原理图 如果引入一个标准的色散光栅 不同波长的光束经同一色散光栅衍射后在空间 传播时具备不同的衍射角 传感光栅不同的b r a g g 波长漂移量 经色散光栅后 图1 9 色散原理图 对应不同的衍射角 色散原理见图1 9 在固定位冕用电荷耦合器件 c c d 接收 来自传感光栅的信号 随着漂移量的变化 两者呈线性关系 该系统的传感灵敏 度将取决于色散光栅的质量 c c d 的空间分辨率 还与两者的距离有关 光纤光栅发展至今 其具体的检测方法还有很多 1 9 1 如锁模调制解调法 环 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 行腔光纤激光器激射解调法 无源时域解调法 啁啾光栅检测法 被动解调法 可调光源寻址法等等 1 4 课题研究内容 第一章介绍了选题的目的和意义 国内外研究的现状 并列举了现有的光纤光 栅传感解调技术及其要解决的问题 第二章介绍了光纤光栅的特性及其传感原理 光纤光栅传感器的特点及其应用 光纤光栅的分类 光纤光栅传感技术 光纤光栅的制作技术和光纤光栅解调技术 第三章对光纤b r a g g 光栅的解调技术中的干涉解调和波长解调做了详细的原 理介绍 其中对干涉解调中的马赫一曾德尔 m e i 解调技术和边沿滤波解调技术 的原理及实现方法进行了阐述 并用实验进行了验证 m z i 解调技术适合于对动态 信号的解调 分辨率达到了1 2 p m 边沿滤波传感解调技术的成本比较低 适合大 批量的生产 它的分辨率达到了0 8 e 系统的灵敏度为2 6 0 p r o g e 并将该传感 解调系统用于武汉长江二桥的动态应变测量 实现了 多点 动态应变的测量 第四章设计了光纤光栅动态称重系统 并用边沿滤波解调系统进行解调 光 纤光栅动态称重系统由两部分组成 对轴的计数和对车的称重 设计了动态称重 传感器 将称重分为两部分进行 静态和动态 经实验验证 静态的称重误差小 于1 动态的称重误差小于5 是一种很有发展潜力的动态称重传感器 第五章是总结和展望 对目前已经完成的工作进行了总结 并结合目前工作 的进展情况为今后的工作提出了要求 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感理论 近年来 光纤光栅在传感领域中的应用越来越引起人们的重视 同其它类型 的传感器相比 光纤光栅传感器具有可靠性好 抗电磁干扰 耐腐蚀 能在恶劣 的环境下工作等特点 此外 其波长编码特性及其可复用性是其它传感器所无法 比拟的 因此 如何对光栅的波长编码进行解调 是实现光纤光栅传感应用的关 键 2 1 光纤b r a g g 光栅 f b g 及其传感原理 光纤光栅传感器可根据光栅的种类而分为光纤布拉格光栅传感器 长周期光 栅传感器 保偏光纤光栅传感器等多种 这里只介绍最常使用的光纤布拉格光栅 f b g 传感器的基本原理 4 由耦合模理论知 光纤光栅的中心波长可表示为 丸 知盯a 2 1 其中以为光纤布拉格光栅中心波长 行盯为光纤光栅有效折射率 a 为光栅周期 把 上式微分可得 九 2 n d 从 2 a a n 2 2 堕 堕 坐 2 3 九锄 a 其中a n 和a 分别是光栅受到外界影响后有效折射率和光栅周期的变化量 假设光纤光栅的横截面为匀质面 不考虑剪切应变并忽略泊松效应 当其只受应 变和温度变化时 有效折射率的相对变化量为 鲁一譬 p 2 e t p j 2 p e 3 降唧印一功民b r h q 4 只 一光纤弹光张量分量 i j l 2 3 一光纤光栅的轴向应变 一光纤光栅的两正交横向应变 口 一光纤的纵向和横向热胀系数 毒一光纤的热光系数 湖北工业大学硕士学位论文 t 温度变化量 而光栅的周期变化率为 a a a j a t 2 5 将式 2 4 式 2 5 两式代入式 2 3 中可得 等咱一譬卜峨 峨 一降 砉峨 魄 啦h 2 6 由此可见 若光纤布拉格光栅受到外界影响使其产生了横向应变或轴向应变 或者环境温度发生了变化 都会造成光纤布拉格光栅中心波长变化 通过检测中 心波长的变化 便可把环境状况推测出来 这就是光纤布拉格光栅用作传感器的 基本原理 若外界影响仅使光纤布拉格光栅产生轴向应变 则式 2 6 式可简化为 等 f 一迎2 卜 k 泣7 九ij 1 2 i 2 7 中 为有效弹光系数 考虑到泊松效应 一般取 只一 1 n 2 k 一弘化 e 2 8 式 2 7 中p 一泊松系数 一市一光栅的有效折射率a 对于石英光纤 有效弹光系数约为0 2 2 因此式 2 7 可简化为 警 0 7 8 s 2 9 由式但 9 0 7 见 反射波长峰值的变化与应变成正比 即由反射波长峰值的变 化可以得到相应的应变 2 2 光纤光栅传感器 基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理量对光纤光栅中心波长的调制来获 取传感信息 这是一种波长调制型光纤光栅传感器 光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期和反向耦合模的有效折射率 任何使 这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移 正是基于这一 特点 一种新型 基于波长漂移检测的光纤传感机理被提出并得到广泛应用 在 所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中 最直接的为应力 应变 温度参量 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 因为无论是对光栅进行拉伸还是挤压 都将导致光栅周期的变化 并且光纤光栅 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 因此可 采用光纤布拉格光栅制成光纤应力 应变传感器 就成了光纤光栅在光纤传感领 域中最直接的应用 光纤光栅传感器具有以下明显的优点峨纠 抗干扰能力强 一方面是因为普 通的传输光纤不会影响传输光波的频率特性 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和连接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 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 尤其是应用在智能 材料 结构 测量结果具有良好的重复性和回复性 便于构成各种形式的光 纤传感网络 可用于波分 时分 空分传感网络 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 因而具有广泛的应用 但是它也存在不足之处 例如 对波长移位的检测需用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件 需大功 率的宽带光源或可调谐光源 其检测的分辨率和动态范围也受到一定限制等 常 见的光纤光栅传感器有 2 2 1 温度传感器 光纤的谐振波长随着温度的变化而改变 通过对裸光纤的实验测量得到它的 谐振波长随温度的变化关系乜4 1 如图1 1 3 所示 实验测量显示 光栅的谐振波长与 温度成线性变化关系 其变化率约为o 0 1 n m o c 如果把光纤光栅粘贴在温度系数 较大的附体上 则光栅对温度的敏感性大大提高 b n n l 1 5 6 6 5 0 1 5 6 5 9 0 1 5 6 5 5 0 i5 6 5 3 0 1 5 e 5 i o 2 0 4 57 09 5i2 0 tr 图2 1b r a g g 光栅谐振波长与温度的变化关系 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 2 应变传感器 如果光纤光栅被拉伸或压缩 则光纤光栅的谐振波长向长波或短波方向漂 移 光纤光栅谐振波长与应变的变化关系见公式 2 9 对于裸光栅应变系数可达 1 2 p m v e 对于裸光栅而言 由于剥掉光纤涂覆层造成的损伤 通常当光栅被 直接拉伸到谐振波长漂移2 r i m 左右时 光栅即被折断 为了增加光栅的韧性 常 常将光栅粘贴在某个附体上 这样光纤光栅拉伸漂移量可达到数十纳米 2 2 3 压力传感器 裸光栅对压力不太敏感 实验研究发现在7 0 m p a 的大气压力下 光纤光栅的 波长漂移仅有0 2 2 r i m 陶1 1 9 9 6 年m g x u 等人利用玻璃球封装 将光纤光栅的压 力灵敏度提高了一个数量级 刘云启等人利用波登管封装 将光纤光栅的压力灵 敏度提高了两个数量级 采用聚合物封装后 又把光纤光栅的压力灵敏度提高了 1 4 3 0 倍 2 3 光纤光栅的分类 光纤光栅是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改变 在纤芯内形成空间相位光栅 其作用实质是在纤芯 内形成一个窄带的 透射或反射 滤波器或反射镜 使光在其中的传播行径得以 改变和控制 按照光纤光栅的形成机制又将它分为三大类型 1 i 型 i i a 型 i i 型 i 型光栅 i 型光栅是一种最常见的光纤光栅 可采用内写入和外写入的方式使成栅于 锗 硅光纤 其成栅机制与局部电子态的缺陷有关 i 型光栅是一种正折射率调制 光栅 a n 0 在光栅