光纖bragg光柵建筑物動態(tài)監(jiān)測技術研究

中北大學2013屆畢業(yè)設計說明書第PAGEI頁共Ⅱ頁 目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1課題研究的背景及意義 11.1.1課題研究的背景 11.1.2課題研究的意義 21.2光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 31.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀 31.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 41.3論文的主要研究內(nèi)容 52光纖Bragg光柵傳感特性分析 62.1光纖光柵的定義 62.2光纖光柵的類型及其特點 62.3光纖光柵的基本結構及傳感原理分析 72.4均勻軸向應力下的光纖Bragg光柵傳感特性分析 92.5均勻橫向應力下的光纖Bragg光柵傳感特性分析 112.6光纖Bragg光柵溫度傳感特性分析 112.7光纖Bragg光柵應變、溫度測量的交叉敏感 132.8本章小結 133光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)的設計 153.1光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)示意圖 153.2非平衡馬赫－曾德爾干涉儀 163.2.1光纖馬赫－曾德爾干涉儀解調(diào)的結構 163.2.2光纖馬赫－曾德爾干涉儀的參數(shù)計算 163.3光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選擇 173.3.1系統(tǒng)光源的選擇 173.3.2光器件的互連 173.3.3光電探測器的選擇 183.3.4壓電陶瓷的調(diào)制及參數(shù)計算 183.4反饋放大電路的設計 203.4.1反饋放大電路的電路設計 203.4.2反饋放大電路的作用 203.5信號處理模塊的設計 213.5.1信號解調(diào)的分析與研究 213.5.2光纖光柵傳感信號的調(diào)制研究 223.5.3光纖光柵傳感信號的解調(diào)分析 223.6本章小結 244系統(tǒng)的硬件仿真與實驗 254.1光纖Bragg光柵應變特性實驗 254.2相敏檢波參考信號和PZT驅動信號發(fā)生器的設計與仿真 284.3信號解調(diào)模塊的設計與仿真 304.4A/D轉換電路的設計與仿真 314.5本章小結 325結論與展望 335.1結論 335.2展望 33參考文獻 35致謝 38第48頁共38頁 1緒論本章介紹了光纖Bragg光柵在建筑物應變監(jiān)測技術的背景及意義，綜述了相關技術在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎上，確定了本論文的工作重點以及具體研究內(nèi)容。1.1課題研究的背景及意義1.1.1課題研究的背景自20世紀50年代以來，建筑物健康監(jiān)測的重要性就逐步被認識，但受檢測、監(jiān)測手段比較落后的限制，在應用上一直未得到推廣和重視。近年來隨著大跨徑建筑物的輕柔化及形式與功能的復雜化，光纖光柵應用于建筑物上的健康監(jiān)測技術成為國內(nèi)外學術界、工程界的研究熱點[1]。許多國家都在一些已建和在建的建筑物上進行了有益的嘗試：丹麥曾對總長1726m的Faroe跨海斜拉橋進行施工階段及通車首年的監(jiān)測，另外，他們在主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋上也開始了相關的嘗試；泰國與韓國目前已開始在重要建筑物上安裝永久性的實時結構整體與安全性報警設備；香港的許多建筑在施工階段也已開始傳感器的安裝，以備將來運營期間的實時監(jiān)測[2]。光纖光柵監(jiān)測技術的成功開發(fā)與應用將起到確保建筑物安全運營、延長建筑物使用壽命的作用。同時通過早期建筑物應變的監(jiān)測能大大節(jié)約建筑物的維修費用，可以避免最終頻繁大修所引起的重大損失[3]。近年來，國內(nèi)發(fā)生的幾起大型的建筑物坍塌或局部損壞事故在很大程度上是由于構建疲勞加之監(jiān)測養(yǎng)護措施跟不上，從而嚴重影響構建的承重能力和結構的使用。因此，對建筑物結構健康監(jiān)測非常必要和迫切。光纖光柵是一種新型光纖無源器件，它是在光纖中建立起一種空間周期性的折射率分布，只對特定波長的光具有反射或透射作用，從而使該波長的光在其中的傳播行為得以改變和控制。光纖光柵是性能優(yōu)良的敏感光學元件，其中心波長隨溫度、應變等外界物理量的改變而改變[4]。自從20世紀80年代末Morey等人首次對光纖Bragg光柵在應變與溫度傳感領域進行研究以來，世界各地都對其十分關注并展開廣泛的研究，使得光纖光柵傳感器在許多領域的研究和應用都取得很大的成功[5]。1.1.2課題研究的意義近二十年來，我國經(jīng)濟的快速發(fā)展為建筑業(yè)的發(fā)展帶來了契機，大型結構如橋梁、高層建筑、大壩、核電站等工程建設進入了前所未有的高潮時期。建筑結構的多樣化和復雜化，帶來了建筑結構工程科研、設計、施工、監(jiān)理和管理水平的全面提升，也帶動和促進了相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，其安全可靠性己成為當今社會普遍關注的重大問題。因為如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些重要結構在服役期內(nèi)的損傷位置及其對整個結構的危害性，其災難性后果不僅會造成無法估量的經(jīng)濟損失，還會嚴重危及到人們的生命財產(chǎn)安全。結構監(jiān)測的前提是從結構中提取能反映結構特征的參數(shù)。最能反映結構局部特征，便于結構安全評價與損傷定位的是應變信號，應變是材料與結構的重要物理特性，是重要工程結構健康監(jiān)測最為重要的參數(shù)之一。因此，建筑物檢測中對于大型結構應變，進行長期、實時、在線監(jiān)測，具有十分重要的意義[6]。目前，對結構的應變檢測主要采用常規(guī)的檢測手段，即電類傳感測量技術，如電阻應變片、鋼弦計等，它們雖在大型工程結構的施工質量控制及竣工驗收中得到廣泛應用，但就對結構的長期、實時、在線監(jiān)測而言，則存在著根本不足。第一，傳統(tǒng)的電阻應變片傳感元件的性能雖然在不斷的提高，作為鋼結構的短期應變測量，還是能滿足工程要求的，但其受環(huán)境影響較大，如電磁干擾、潮濕、化學腐蝕等都會使其零點發(fā)生長期漂移，因此長期應變測試的結果會嚴重失真。第二，在混凝土應力的測試中，短期觀測可使用電阻應變片式的應變磚，而工程中更多地使用振弦式應變傳感器。后者輸出信息為頻率特征，不受導線長度的影響，靈敏度和穩(wěn)定性也較好。由于鋼弦絲長期處于張緊狀態(tài)，蠕變現(xiàn)象十分嚴重，國產(chǎn)鋼弦應變傳感器的正常使用期為3年左右?？傊?，上述常規(guī)的電類傳感檢測手段存在傳感元件壽命短、測量易受環(huán)境影響、不能進行分布測量等缺點，因而均不能實現(xiàn)對重大工程結構安全狀態(tài)的長期監(jiān)測。第三，已廣泛研究的光纖微彎傳感器始終存在一些難以克服的缺點，如受光強影響大、光纖彎曲損耗和連接損耗大。同時，這種傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是光時域反射技術，由于該技術的空間分辨率決定于光纖對背散射光信號進行偏振分析的時間分辨率，這一局限性導致光纖微彎傳感器的空間分辨率不可能很高。另外，背散射不能夠提供光纖偏振的所有信息，固定傳感器的位置時需要很長的光纖且不能隨意布置，因此它也是制約這種傳感器應用推廣的障礙。通過國內(nèi)外同行的大量研究和實踐，已將應變測量鎖定在光纖光柵傳感技術上[7]。傳感器的嵌入帶來諸多好處。首先，在結構件的制作過程中，通過這些嵌入的傳感器能夠實時地監(jiān)測諸如溫度、壓力、粘滯性、固化程度和殘余應變等過程參數(shù)，從而實現(xiàn)制作過程的優(yōu)化和控制。其次，在結構件制作好并用于某種應用后，同樣是這些傳感器還能夠使應用在不間斷運行的情況下對結構件的受力、損傷等情況進行動態(tài)監(jiān)測，從而及時地發(fā)現(xiàn)故障點、故障程度并采取相應的處理措施[8]。光纖光柵傳感器之所以如此受到關注是因為它具有其它傳感技術無法替代的優(yōu)點：（1）光纖光柵具有體積小、重量輕、強度高和彎曲性能好等特點，適于大面積對各種形狀的物體進行實時監(jiān)測。（2）光纖具有細柔韌的特點，使得它容易掩埋或貼附到各種材料中形成光纖神經(jīng)網(wǎng)絡。（3）具有比其它傳感器高得多的靈敏度，一旦形成智能材料，便可以對各種監(jiān)測對象進行高精度的自診斷和自治愈功能。（4）抗干擾能力強，一方面因為普通的光纖傳輸不會影響傳輸光波的頻率特性；另一方面是因為光源光強的起伏、光纖微彎效應等引起的隨機起伏以及耦合損耗等都不可能影響傳感信號的波長特性[9]。因而基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性?？傊?，光纖Bragg光柵除了具有光纖傳感器的特點外，其波長編碼特性使其感測結果不受光源功率波動及光的偏振態(tài)的變化的影響，并且便于利用復用(波分、時分、空分等)技術實現(xiàn)對應變的準分布式多點測量。這在現(xiàn)代高科技及工業(yè)的發(fā)展諸如建筑結構、航空航天、水壩橋梁、強場探測等領域的智能結構中具有重大的實用價值[10]。1.2光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀目前光纖光柵傳感器在動態(tài)信號檢測領域的研究主要集中于高頻振動的測量與分析和地球技術勘測的應用以及地球內(nèi)部的輻射等領域，在建筑物檢測方面還不是很成熟。美國是研究光纖傳感器起步最早，水平最高的國家，在軍事和民用領域的應用方面，其進展都十分迅速。美國也是最早將光纖傳感器用于民用領域的國家。如運用光纖傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù)，監(jiān)測橋梁和重要建筑物的應力變化等。1989年，美國布朗大學（BrownUniversity）的門德斯（Mendez）等人首先提出了把光纖Bragg光柵用于混凝土結構的健康監(jiān)測[11]。在此之后，加拿大、日本、英國、德國等國家的研究人員也對光纖光柵系統(tǒng)在土木工程中的應用做了大量的研究工作。1997年，在美國俄亥俄州的巴特勒縣建造了一座全復合材料的高樓，埋入了光纖Bragg光柵，通過互聯(lián)網(wǎng)有規(guī)律地監(jiān)視樓房的荷載響應和跟蹤連接繩索的長期性能[12]。1999年，在美國新墨西哥LasCruces10號州際高速公路的鋼結構橋梁上，安裝了多達120條光纖Bragg光柵，是當時在橋梁上使用光纖Bragg光柵最多的記錄[13]。2002年，Tomasel等人把光纖Bragg光柵用于鋼纜的健康檢測，并進行了實驗研究，實現(xiàn)了20個點的分布式應變傳感。2004年，YojiOkabe等人提出了一種用CFG檢測建筑物復合材料CFRP中微裂縫的新方法。沿材料的縱向施加力的作用，然后，撤掉材料中產(chǎn)生的裂縫（在柵區(qū)范圍內(nèi)）將釋放殘余應力，改變Bragg光柵的柵格周期和有效折射率，從而在反射譜相應的位置出現(xiàn)凹陷。裂縫和凹陷是一一對應的，因此，檢測反射譜凹陷的波長就可以確定裂縫所在的位置。西歐各國的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研究與開發(fā)和市場競爭，其中包括英國的標準電訊公司、法國的湯姆遜公司和德國的西門子公司等[14]。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國在70年代末就開始了光纖光柵傳感器的研究，其起步時間與國際相差不遠。目前已有許多單位在這一領域開展工作，如清華大學、華中理工大學、武漢理工大學、重慶大學、核工業(yè)總公司九院、電子工業(yè)部1426所等。他們在光纖溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計、位移計等領域進行了大量的研究，取得了上百項科研成果，其中相當數(shù)量的研究成果具有很高的實用價值，有的達到世界先進水平。2003年6月,同濟大學橋梁系史家均老師主持的建筑物健康檢測項目中,采用了光纖布拉格光柵傳感器,用于檢測建筑物在各種情況下的應力應變和溫度變化情況。國內(nèi)的建筑物材料行業(yè)對光纖Bragg光柵傳感器非常重視,各公司爭先注冊了許多光纖Bragg光柵傳感器的技術專利。2005年8月，劉波等提出了一種能夠在實際工程中應用的光纖光柵位移測量裝置，首先將光纖光柵的一端固定于固定端，另一端與可移動的滑塊相連，通過滑塊的左右移動對光纖光柵進行拉壓，測出結構的位移.這種測量裝置中的光柵容易折斷，一般測量范圍較小、精度較高，僅適合于精密位移測量[15]。與發(fā)達國家相比，我國的研究水平還有很大的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面，大多數(shù)傳感器品種仍處于實驗室研制階段，不能投入批量生產(chǎn)和工程化應用。光纖Bragg光柵在建筑物動態(tài)應變測試方面的技術在國外應用已很普遍，由于其結構復雜且性能還不是特別穩(wěn)定，故在我國建筑檢測中的應用尚少。但可以預見，隨我國設計、制造水平的提高，這種技術將越來越多地出現(xiàn)在我國的建筑物上。1.3論文的主要研究內(nèi)容論文的工作是以光纖Bragg光柵測量動態(tài)應變課題展開的，主要包括對光纖Bragg光柵的基本原理以及傳感原理進行概述，了解光纖Bragg光柵的各種解調(diào)方案，進一步確定利用非平衡馬赫-曾德爾干涉儀進行波長解調(diào)，并用直流相位跟蹤零差法對相位差信號進行檢測的測量系統(tǒng)。論文主要研究工作如下：（1）介紹了課題的研究背景及國內(nèi)外光纖Bragg光柵的應用狀況，并論述了光纖光柵測量系統(tǒng)的研究意義以及論文的目的和主要內(nèi)容。（2）介紹了光纖Bragg光柵的基本工作原理，分析了在均勻軸向和橫向應力下的光纖光柵傳感特性，光纖Bragg光柵溫度傳感特性，以及光纖Bragg光柵應變、溫度測量的交叉敏感特性。從而從理論上說明光纖Bragg光柵對于應變測量的可行性，詳細分析了光纖Bragg光柵測量系統(tǒng)的原理。（3）構建了光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)，選擇應用非平衡馬赫－曾德干涉儀與直流相位跟蹤零差法相結合的方法來實現(xiàn)光纖光柵傳感信號的解調(diào)，通過詳細的理論分析論證了系統(tǒng)方案的可行性。（4）進行了光纖布拉格光柵應變特性實驗，驗證了光纖Bragg光柵波長變化是與軸向應變呈線性關系的。并對信號解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號和PZT驅動信號發(fā)生器以及A/D轉換電路進行了硬件設計與軟件仿真。（5）分析課題研究中的的成果與不足，同時對光纖Bragg光柵的發(fā)展前景進行了展望。2光纖Bragg光柵傳感特性分析光纖光柵因其獨特的優(yōu)越性使其在傳感領域占有越來越重要的地位，為了更好的將光纖光柵應用到傳感領域中，人們需要對光纖光柵的結構及其傳輸特性做深入的研究?？紤]到光纖Bragg光柵是目前最廣泛的光纖光柵傳感器，使傳感特性是研究其在傳感領域的基礎，而應變和溫度的測量是光纖Bragg光柵最基本兩個應用領域，這方面的理論以及相關傳感信號的解調(diào)技術的研究變得更加重要。2.1光纖光柵的定義光纖光柵是利用光纖的光敏性，即光纖纖芯在受到特定波長和高于一定強度的激光照射時，折射率會發(fā)生永久性變化這一特性制成的一種光纖無源器件。由于光纖的光敏性主要取決于纖芯材料，現(xiàn)在廣泛用于通信和傳感領域的光纖光柵主要是用紫外光照射摻鍺石英光纖而成的。由于纖芯受到紫外光（一般是雙光束干涉）的照射致使纖芯內(nèi)部折射率形成周期性調(diào)制分布，所謂調(diào)制就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。當寬帶光傳播到光纖光柵時，滿足布拉格條件的一定波長的光將會被反射。光纖光柵在典型的0.1納米到幾十納米的寬帶內(nèi)反射率可以達到100%，從而實現(xiàn)按波長編碼對光進行選擇。通常把光柵周期小于1微米的均勻周期光纖光柵稱為光纖Bragg光柵，簡稱為FBG（FiberBraggGrating）[16]。2.2光纖光柵的類型及其特點由于光纖光柵的折射率分布反映了光纖光柵的周期和折射率分布調(diào)制等結構參數(shù)，這些參數(shù)決定了光纖光柵的Bragg波長、帶寬和反射特性等，從而使不同的折射率調(diào)制及不同結構的光纖光柵具有了不同的功能，形成不同的光纖光柵器件。因此，光纖光柵的類型按其空間周期和折射率分布特征主要發(fā)展為一下幾種[17]：（1）均勻周期光纖布拉格光柵（uniformBragggrating）：這是最為常見的一種光纖光柵，其折射率變化的周期一般為量級。它在光纖激光器、光纖傳感器、光纖波分復用等領域有重要的應用價值。（2）啁啾光纖光柵（chirpedgrating）：其主要特點是光柵周期非均勻性，其折射率變化的周期一般與光纖Bragg光柵周期處于同一量級。啁啾光纖光柵被廣泛應用于WDM系統(tǒng)的色散補償、摻餌的光纖放大器與光纖激光器的性能優(yōu)化等方面。（3）超結構與重疊光纖光柵（superstructuregrating）：在光柵寫入過程中對寫入光源進行調(diào)制可以制作出超結構光纖光柵或取樣光柵，或在光纖同一位置重疊寫入多個具有不同中心波長的光柵，這兩種光柵在多波長光纖激光器方面有一定的應用價值。（4）傾斜光纖光柵（tiltedgrating）:主要是光柵平面與光纖軸向有一定的夾角，它主要可以用作摻餌光纖放大器的增益平坦濾波器、光傳播模式轉換器等。（5）摩爾光纖光柵（moiregrating）：它是通過在原先寫入光柵的位置上再寫入一個光柵得到的。如果在光纖的同一位置寫入多個不同的Bragg光柵則會產(chǎn)生多個反射峰，可做成梳狀濾波器用于復用/解復用系統(tǒng)中，還可用在多波長光纖激光器和多參量測量傳感系統(tǒng)中。（6）Taper型光纖光柵（tapergrating）：這是一種切趾光柵，它的周期均勻，但折射率隨一定的函數(shù)關系變化，正弦型Taper光纖光柵可構成各種濾波器、波長變換器和光插/分復用器。（7）相移光纖光柵（phase-shiftedgrating）：主要通過在制作過程中引入光柵相移得到，這種光柵在光通信中特別是在多通道光波系統(tǒng)中，可被用來選擇通道。（8）長周期光纖光柵（long-periodgrating）：長周期光纖光柵在帶阻濾波器、寬帶摻餌光纖放大器的增益平坦、高靈敏度傳感器等方面有重要的應用背景。2.3光纖光柵的基本結構及傳感原理分析（a）光纖Bragg光柵結構示意圖（b）光纖Bragg光柵入射譜、反射譜和透射譜圖2.1光纖光柵折射率分布及反射透射特性光纖光柵的最基本原理是相位匹配條件：（2.1）、是正、反向傳輸常數(shù)，是光纖光柵的周期，光纖的周期可通過兩相干紫外光束的相對角度而得到調(diào)整，通過這種方法，就可以制作出不同反射波長的布拉格光柵，目前已有的布拉格光柵寫入技術有：相位掩模技術、振幅掩模技術、逐點寫入技術和全息成柵技術、在線寫入技術等，這些技術中廣泛應用的相位掩模技術[18]。光纖Bragg光柵（FBG）是一種性能優(yōu)異的窄帶反射濾波無源器件，也是目前最常見、應用最廣的一種光纖光柵，其光柵周期與折射率調(diào)制深度均為常數(shù)，光柵波矢方向與光纖軸線一致。光纖Bragg光柵的結構如圖2.1（a）所示，當光波傳輸通過光纖Bragg光柵時，入射光就會分成兩部分：透射光波矢和反射光波矢。一部分滿足Bragg光柵波長條件的波矢將被反射回來，其余入射光將被透射，如圖2.1（b）所示[19]。光纖光柵起到了光波選頻的作用，反射的條件稱為布拉格條件。從麥克斯韋經(jīng)典方程出發(fā)，結合光纖耦合模理論，利用光纖光柵傳輸模式的正交關系，得到光纖Bragg光柵反射波長的基本表達式為[20]：（2.2）式中，為光柵的中心反射波長，為纖芯的有效折射率，即折射率調(diào)制幅度大小的平均效應，為光柵的周期，即折射率調(diào)制的空間周期。當光波傳輸通過光纖Bragg光柵時，滿足布拉格條件的光波將被反射回來，這樣入射光就分成透射光和反射光。光纖Bragg光柵的反射波長或透射波長取決于反向耦合模的有效折射率和光柵周期，任何使者兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移，測量此漂移量就可直接或間接地感知外界物理量的變化[21]。在只考慮光纖受到軸向壓力的情況下，應力對光纖光柵的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：彈光效應使折射率改變，應變效應使光柵周期改變。溫度變化對光纖光柵的影響也主要體現(xiàn)在兩個方面：熱光效應使折射率改變，熱膨脹效應使光柵周期改變。當同時考慮應變與溫度時，彈光效應與熱光效應共同引起折射率的改變，應變和熱膨脹共同引起光柵周期的改變[22]。假設應變和溫度分別引起布拉格波長的變化時相互獨立的，則兩者同時變化時，布拉格波長的變化可以表示為：（2.3）其中：為軸向應變導致的光柵周期變化，為有效彈光系數(shù)，為溫度變化量，、分別為光纖Bragg光柵的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。理論上只要測出兩組波長變化量就可以同時計算出應變和溫度的變化量。對于其他的一些物理量，如加速度、振動、濃度、液位、電流、電壓等，都可以設法轉換成溫度或應力的變化，從而實現(xiàn)測量。鑒于此，充分研究光纖Bragg光柵的應變與溫度傳感特性、靈敏度誤差、應變傳感器的溫度補償技術以及應變與溫度的耦合效應是研究開發(fā)光纖Bragg光柵傳感器的基礎。2.4均勻軸向應力下的光纖Bragg光柵傳感特性分析假定光纖Bragg光柵只受到軸向應力的作用，溫度恒定，則應力引起光柵Bragg波長的漂移可有[23]（2.4）表示。其中，表示光纖在應力作用下的彈性形變，為光柵的彈光效應。將式（2.4）的兩端分別除以式（2.2）的兩端，得（2.5）從式（2.5）可以看出，凡是能夠導致光纖Bragg光柵周期或者有效折射率變化的物理量都能夠引起波長的變化。在彈性范圍內(nèi)，光柵Bragg光柵為均勻周期變化，所以有（2.6）其中，為軸向應變。不考慮波導效應，即不考慮光纖光柵徑向應變對折射率的影響，只考慮軸向應變的彈光效應，光纖在軸向彈性形變下的有效折射率變化為；（2.7）式中是單模光纖的彈光常數(shù)，即縱向應變分別導致的縱向和橫向折射率變化；是泊松比[24]。所以光纖Bragg光柵產(chǎn)生應變時，周期和有效折射率同時發(fā)生變化，導致光纖Bragg波長發(fā)生的相對變化為：（2.8）令（2.9）稱為光纖的有效彈光系數(shù)，對于石英光纖，0.22。由式（2.8）和（2.9），可得：（2.10）上式為光纖Bragg光柵軸向應變下的波長變化數(shù)學表達式，它是處理光纖光柵應變傳感的基本關系式[25]。式中為軸向微應變，由式（2.10）可以計算光纖光柵的理論應變靈敏系數(shù)，例如，當光纖光柵中心波長為1550nm時，光纖光柵的軸向理論應變靈敏度為：（2.11）可以看出，當光纖光柵的材料一旦確定后，光纖光柵應變靈敏度基本上為常數(shù)，這就從理論上保證了光纖光柵作為應變傳感器有很好的線性輸出。2.5均勻橫向應力下的光纖Bragg光柵傳感特性分析在彈光效應下，當光柵只受到橫向壓力時，與上節(jié)2.2中軸向應力下的傳感分析方法一樣，橫向應力導致的光柵折射率變化為：（2.12）令，由式（2.8）和（2.9），可得：（2.13）對于石英光纖，，同樣可得光纖光柵中心波長為1550nm時，光纖光柵的橫向理論應變靈敏度為：（2.14）在只考慮彈光效應時，表面上看來，光纖光柵的中心波長變化對橫向應力下的應變更為敏感，然而這是一個誤解，是因為我們將兩者的應變看成是相等的。若從應力靈敏度的角度來看，縱向拉伸的應力靈敏度約為橫向應力的1.3倍。因此，彈光效應下，光纖光柵對縱向應力較橫向應力更為敏感。若進一步考慮波導效應，在相同的應力作用下，縱向應變較前一種情況增加倍，所以波導效應將顯著的多，而波導效應與彈光效應正好相反，即減小光柵的橫向應變靈敏度。綜合考慮彈光和波導效應，光纖光柵對橫向應力的靈敏度較縱向小的多，因此在復雜應力狀態(tài)下，光纖縱向應力引起的波長變化占主要位置。這就是我們通常只考慮光纖光柵縱向應變傳感的原因[26]。2.6光纖Bragg光柵溫度傳感特性分析溫度對光纖Bragg光柵的影響主要有兩個方面：一是熱膨脹產(chǎn)生熱應變導致柵距變化；二是熱光效應導致有效折射率改變。不考慮波導效應，對式（2.2）對溫度T求導，可得：（2.15）式（2.2）兩邊分別除上式兩端，可得Bragg波長的變化量為（2.16）令（2.17）（2.18）稱為光纖的熱光系數(shù)；稱為光纖的熱膨脹系數(shù)，結合熱光效應和熱膨脹效應可得：（2.19）令+，稱之為光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)。對于常用的石英光纖，熱膨脹系數(shù)，。當光纖光柵中心波長為1550nm時，由式（2.19）可以計算光纖光柵的理論溫度靈敏度系數(shù)：（2.20）但是由于摻鍺成分和摻雜濃度不同，各種光柵的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)會有所差別[27]。從上式可以看出光纖Bragg光柵的波長的變化與溫度同樣呈線性關系。但是光纖光柵本身的溫度靈敏度非常低，隨著溫度的變化，因熱膨脹引起的光柵周期改變與熱光效應引起的折射率改變效應相比很小，例如式（2.20）所示波長為1550nm的光纖光柵，其溫度敏感性僅為0.01191。如果光纖光柵的Bragg波長要達到1nm的變化，則溫度需要變化100。直接用光纖光柵作為傳感元件，不易獲得高的溫度分辨率，因此，為了提高溫度靈敏度，可將裸光纖光柵置于熱膨脹系數(shù)高的材料中[28]。若用表示基底材料的熱膨脹系數(shù)，則此時光纖光柵的Bragg波長相對偏移量與溫度及應力的關系可表示為：（2.21）從以上分析可以看出無論是應變還是溫度，通過檢測光纖光柵波長的漂移量或帶寬變化量，可以推測出待測物理場的狀態(tài)。根據(jù)這個特性，人們已研制出了多種光纖光柵傳感器。2.7光纖Bragg光柵應變、溫度測量的交叉敏感當光纖Bragg光柵有效折射率或周期改變時，光柵反射回來的中心波長會發(fā)生漂移，應力（或應變）和溫度是最直接改變光柵Bragg波長的物理量。當只考慮這兩個物理量時，則光柵的中心反射波長可表示為（2.22）對式（2.22）泰勒展開后，可以發(fā)現(xiàn)，引起光柵Bragg波長漂移的不僅僅是、，還有它們的交叉項及高階項。當、的變化量很小時，只取前三項，得到（2.23）式中，為應變靈敏度系數(shù)，為溫度靈敏度系數(shù)，為交叉靈敏度系數(shù)。由式（2.23）可以看出Bragg波長的漂移不是應變和溫度單獨作用時引起波長漂移量的簡單疊加，還存在力學和熱學量的相互作用，這也是交叉敏感度系數(shù)存在的意義[29]。從式（2.14）和（2.20）可以看出，對于為1550nm的光纖光柵，應變靈敏度為1.209，溫度靈敏度為11.191，光纖Bragg光柵的溫度靈敏度約為應變靈敏度的10倍左右。對于建筑物這類以應變監(jiān)測為主的結構，用光纖Bragg光柵作為應變傳感器時必須考慮如何提出溫度的影響。否則，會因溫度的變化而影響應變測量的精度，尤其在建筑物的長期健康監(jiān)測中，但在本課題中，由于檢測信號的時間比較短，實驗室的溫度幾乎不變，故在檢測時可以忽略溫度對測量的影響。2.8本章小結本章從兩個方面對目前使用最廣泛的光纖光柵傳感器——光纖Bragg光柵進行了研究。（1）介紹了光纖Bragg光柵基本物理結構并對其傳播特性做了嚴格推導，得到了光纖Bragg光柵的中心波長公式和反射率公式；（2）在Bragg波長公式的基礎上，對光纖光柵應變和溫度的傳感特性進行了分析，結果表明，Bragg中心波長與應變和溫度之間有著良好的線性關系，任一物理量變化都會引起B(yǎng)ragg波長的漂移；同時還對溫度和應變的交叉敏感做了簡單的分析，為課題的下一步奠定了基礎。3光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)的設計在前兩章中分別介紹了光纖Bragg光柵應變監(jiān)測技術的研究背景、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及光纖Bragg光柵的傳感原理與特性，為本章進行系統(tǒng)設計打下了堅實的理論基礎。本章將設計一種光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細討論包括系統(tǒng)光源選擇、光電探測器、光學器件互連、非平衡M-Z干涉儀以及后續(xù)信號處理等系統(tǒng)關鍵技術，并為系統(tǒng)設計了反饋放大電路，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.1光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)示意圖本文設計的光纖Bragg光柵監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖3.1所示。圖3.1非平衡M-Z光纖干涉儀解調(diào)示意圖系統(tǒng)的工作原理為：寬帶光源發(fā)出的光通過3dB耦合器入射到傳感光纖光柵上，其反射光經(jīng)過兩個3dB耦合器進入不等臂長的M-Z干涉儀，將布拉格波長信號轉化成相位差變化，然后相位信號通過光電探測器，實現(xiàn)光電轉換。干涉輸出信號經(jīng)光電轉換后與壓電陶瓷的驅動信號分別作為待測信號和參考信號一起輸入相敏檢波。相敏檢波之后輸出的信號經(jīng)過A/D轉換輸入到計算機，利用數(shù)字信號處理技術，對信號進行頻譜分析和高低通濾波及后續(xù)的處理。3.2非平衡馬赫－曾德爾干涉儀3.2.1光纖馬赫－曾德爾干涉儀解調(diào)的結構非平衡馬赫－曾德爾干涉儀的系統(tǒng)結構如圖3.2所示：圖3.2光纖馬赫-曾德爾干涉儀系統(tǒng)結構示意圖光纖馬赫－曾德爾干涉儀由兩個臂即兩根單模光纖組成，因此需要一個分光器件和一個合光器件。實用的光纖馬赫－曾德爾干涉儀的分光器件和合光器件是由兩個分光比為50%:50%的光纖定向耦合器構成，成為全光纖化的干涉儀，以提高其抗干擾的能力和良好的條紋對比度。信號處理需要對光纖馬赫－曾德爾干涉儀進行調(diào)制以實現(xiàn)兩臂的光程差不為零，可以把光纖馬赫－曾德爾干涉儀的一臂纏繞在壓電陶瓷上，通過壓電陶瓷的脹縮來改變光纖的長度[30]。圖3.2中，若干個光纖環(huán)繞在柱狀PZT上用來抵消因溫度的變化而產(chǎn)生的相位波動，獲得相位正交偏執(zhí)條件。光纖偏振控制器用來控制參考臂中傳播的參考光的偏振態(tài)，使參考光和信號光的偏振態(tài)相互匹配，因為傳輸光偏振態(tài)對于相干光通信和光纖干涉儀以及干涉型光纖傳感器的影響非常明顯。3.2.2光纖馬赫－曾德爾干涉儀的參數(shù)計算攜帶著被測量信息的光波入射到光纖馬赫－曾德爾干涉儀，經(jīng)兩臂后輸出的光束疊加將產(chǎn)生干涉效應。如果兩路光的光程完全一致的話，干涉信號始終為干涉極大，為了使干涉信號隨所需的被測量而變化，必須使兩路光的光程差不為零。這種情況下，光纖馬赫－曾德爾干涉儀兩路光信號的相位差與干涉儀兩臂的長度差的關系可用下式表示：（3.1）式中，為光纖的有效折射率，是干涉儀兩臂的長度差，是光纖Bragg光柵反射的中心波長，為光纖光柵的光程差。當應變作用在FBG上時，反射光的中心波長發(fā)生改變，兩路光的相位差將被引入一個增量：（3.2）式中，為應變－頻移分辨率，為應變變化量，為應變引入的波長變化量，由此可看出，利用M-Z干涉儀解調(diào)光纖光柵波長編碼時，通過選擇合適的光程差，當光纖光柵反射光中心波長移動時，相當于注入干涉儀的光頻（波長）發(fā)生改變，進而會引起相位差的變化。故由探測器測知，便可得到FBG波長移動變化量。3.3光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選擇3.3.1系統(tǒng)光源的選擇光纖Bragg光柵對應變的敏感反映在其反射光中心波長的變化上，其窄帶反射光在一定的波長范圍內(nèi)變動。因此，光源的選取主要考慮以下因素：①譜寬。因譜寬越窄，相干時間越短，還有利于提高系統(tǒng)的分辨率，故選取譜寬較寬的光源。②功率。因功率越大，信號越易檢測。本系統(tǒng)采用ASE穩(wěn)定化光源(型號：ASE100)，其波長范圍為1528~1610，輸出功率13.50dBm，長時功率穩(wěn)定度±0.05dB。3.3.2光器件的互連本系統(tǒng)是利用光纖Bragg光柵的反射光來測量應變的，因此需要將光源、光纖光柵和解調(diào)信號用的光纖非平衡M-Z干涉解調(diào)系統(tǒng)互連。根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，本系統(tǒng)采用FC(面接觸)型接頭和分光比50%∶50%的2×2耦合器，即通常所說的3dB光纖耦合器進行連接，以方便實驗和調(diào)試。在光纖馬赫－曾德干涉儀中，光耦合器起著分束與混合光信號的雙重作用，使光干涉得以實現(xiàn)。3.3.3光電探測器的選擇光電探測器是光學接收系統(tǒng)的一個重要組成部分。其作用是將包含固體表面速度特征信息的散射光信號轉變?yōu)殡娦盘?。選擇光電探測器主要取決于兩個參數(shù)：一是探測器的靈敏度，二是探測器的帶寬。本系統(tǒng)采用的光源的額定輸出功率為13.50dBm，光譜寬度為82nm(假設光功率平均分布在這段光譜范圍內(nèi))，選用的光纖光柵的帶寬為0.3nm。因此，選用的探測器的靈敏度應該在nW量級。對于本系統(tǒng)測量的應變量而言，最高頻率約為幾百赫茲左右；再考慮到光纖馬赫－曾德干涉儀上的調(diào)制信號為1KHz左右，因此，探測器的帶寬達到千赫茲量級即可。常見的能用于中心波長1550nm附近光纖光柵傳感系統(tǒng)的探測器主要有：PN光電二極管、PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。綜合考慮三者的性能和價格以及系統(tǒng)的需要，我們選用帶有內(nèi)置前放和尾纖的高靈敏度PIN光電二極管。3.3.4壓電陶瓷的調(diào)制及參數(shù)計算為了實現(xiàn)信號的交流測量，需要在光纖馬赫－曾德干涉儀的一臂引入調(diào)制，本系統(tǒng)采用將干涉儀的一臂纏繞在壓電陶瓷（PZT）上來實現(xiàn)。下面主要介紹壓電陶瓷的工作原理并根據(jù)系統(tǒng)設計要求進行參數(shù)計算。由壓電堆疊結構構成的壓電陶瓷微位移驅動器(PZT)是高精度微位移器件，能實現(xiàn)微米級的位移量。在光學干涉方面，主要利用其逆壓電效應，給PZT施加一定的電壓，PZT即產(chǎn)生微米量級的位移，使連接在其上的光學元件也產(chǎn)生相應的空間位置變化[24]。壓電陶瓷PZT由專用的驅動電源來驅動，該驅動電源是高壓直流功率放大器。系統(tǒng)采用的高壓放大器包括兩個模塊：高壓放大模塊和低壓放大模塊。前者的放大倍數(shù)為100，其作用是產(chǎn)生0~1000V的高壓電源，用于驅動PZT，實現(xiàn)光纖馬赫－曾德干涉儀的調(diào)制；而后者的放大倍數(shù)為10，輸出-20~120V的電壓，用于驅動預加載閉環(huán)壓電陶瓷管，可以使FBG產(chǎn)生應變或對光纖干涉儀作光程調(diào)節(jié)。壓電陶瓷管的驅動信號由信號發(fā)生器提供。光纖馬赫－曾德干涉儀調(diào)制的深度首先取決于PZT上光纖纏繞的圈數(shù)，其次取決于調(diào)制信號的幅度。調(diào)制信號的幅度大小與一階和二階貝塞爾函數(shù)有關極點上。如果把調(diào)制幅度設置在一階貝塞爾函數(shù)的第一個極點上，得到調(diào)制幅度的值為5.3rad。下面根據(jù)光纖馬赫－曾德爾干涉儀系統(tǒng)的參數(shù)，計算壓電陶瓷驅動信號的大小。光纖馬赫－曾德干涉儀被調(diào)制臂光纖的伸長量為：（3.3）式中，為FBG反射光的中心波長，為光纖的有效折射率，PZT的調(diào)制幅度C=5.3rad。實驗中采用的光纖光柵中心波長=1550nm，有效折射率=1.46代入上式計算得到：=0.9。PZT驅動信號的幅度V由下式計算得到：（3.4）式中，為光纖在PZT管上纏繞的圈數(shù)，在本系統(tǒng)中=10；(OD)為PZT管在1伏電壓作用下直徑的變化量，對應于實驗中所采用的PZT管，(OD)=5nm。則PZT驅動信號的幅度為：=5.7伏。由式（2.2）得光纖Bragg光柵中心波長的變化量為：（3.5）但在本課題中，由于檢測信號的時間比較短，實驗室的溫度幾乎不變，故在檢測時可以忽略溫度對測量的影響，而光纖Bragg光柵應變變化量為：（3.6）式中，為壓電陶瓷PZT的壓電系數(shù)。由式（3.5）和式（3.6）得光纖Bragg光柵的應變量與PZT振動幅度的關系：（3.7）由式（3.4）、式（3.5）和式（3.16）得知最后測得的電壓值為：(3.8)其中，和均為常數(shù)。由式（3.8）可知，示波器中檢測到的電壓信號與壓電陶瓷PZT產(chǎn)生的應變成線性關系。3.4反饋放大電路的設計3.4.1反饋放大電路的電路設計如下圖3.3所示，即為光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)的反饋放大電路。圖3.3反饋放大電路的電路設計反饋放大模塊，電阻均為10，電容采用100μf。3.4.2反饋放大電路的作用因為非平衡M-Z干涉儀易受外界環(huán)境影響，設計反饋放大電路的目的則是為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保在波長的解調(diào)過程中誤差達到最小狀態(tài)。將光電探測器輸出電壓送給PZT則形成相位反饋的閉環(huán)控制，即在干涉儀兩臂正交（）時，如果外界影響，使得工作點偏離正交點，偏移為，那么，為保持兩臂相位差仍為，應使得反饋相位滿足：（3.9）即反饋系統(tǒng)要使，即為使系統(tǒng)靈敏度達到最高，干涉儀的相位差保持在，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.5信號處理模塊的設計系統(tǒng)中光纖馬赫－曾德干涉儀將光纖光柵反射光波長的變化轉化為相位信號的變化，因此，相位測量是本系統(tǒng)信號處理的基本要求。而且，光纖傳感器的信號處理會直接影響到測量的分辨率、精度和動態(tài)范圍。下面將對后續(xù)的信號處理模塊進行具體分析和設計，以實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號解調(diào)。3.5.1信號解調(diào)的分析與研究對于光纖馬赫－曾德干涉儀輸出的相位信號，如果直接測量相位，那么有兩個問題將限制系統(tǒng)的性能：一是直接測相位意味著直流檢測，信號處理易受電路漂移的影響；二是對于動態(tài)測量而言，系統(tǒng)受到環(huán)境的干擾時被測相位會產(chǎn)生漂移及信號衰落現(xiàn)象，從而引入測量誤差。目前，用于干涉型光纖傳感器的解調(diào)方法主要包括：差動延時外差法(DifferentialDelayHeterodyning)、光程匹配差動干涉法(Path-matchedDifferentialInterferometry)、相位生成載波法。前兩種方法不適于多路復用信號的解調(diào)，并且對系統(tǒng)的構成與光源等的要求都比較苛刻。而相位生成載波解調(diào)技術容易實現(xiàn)，應用靈活方便，并且具有動態(tài)范圍大、測量精度高等優(yōu)點。因此，本系統(tǒng)采用此方法實現(xiàn)相位信號的解調(diào)。所謂的相位生成載波調(diào)制，是在被測信號帶寬以外的某一頻帶之外引入大幅度的相位調(diào)制，被測信號則位于調(diào)制信號的邊帶上，這樣就把外界干擾的影響轉化為對調(diào)制信號影響，并且把被測信號的頻帶與低頻干擾的頻帶分開，以利于后續(xù)的噪聲分離。相位生成載波調(diào)制的形成可以通過兩種途徑來實現(xiàn)：一是調(diào)制光源，二是調(diào)制干涉儀的光程差。調(diào)制光源一般采用半導體激光器(LD)，通過對其輸入電流進行調(diào)制來達到調(diào)制激光頻率的目的。調(diào)制干涉儀的光程差是在兩臂等長的光纖馬赫－曾德爾干涉儀的一臂用數(shù)匝光纖纏繞壓電陶瓷(PZT)元件，把載波信號加到PZT上，利用PZT元件在載波信號的驅動下產(chǎn)生電致伸縮效應，引起干涉儀一臂光纖長度、折射率發(fā)生變化，導致最后輸出光波相位差隨載波信號有規(guī)律的變化，從而實現(xiàn)了相位調(diào)制。由于本測量系統(tǒng)所采用的光源是寬帶光源，無法對其進行調(diào)制，所以選用調(diào)制干涉儀的光程差的方式實現(xiàn)相位生成載波調(diào)制。研究能抑制干涉儀輸出衰落問題的檢測技術是十分突出的問題，也是本文設計的光纖光柵測量系統(tǒng)能夠實現(xiàn)應變測量的關鍵。下面將具體討論光纖馬赫－曾德爾干涉儀輸出信號的解調(diào)方法。3.5.2光纖光柵傳感信號的調(diào)制研究當應變作用在FBG上時，反射光的中心波長發(fā)生改變，兩路光的相位差將被引入一個增量，如式(3.2)所示。干涉儀的參考臂使用一個相位調(diào)制器，它是在圓柱形的壓電陶瓷上繞制光纖組成。當壓電圓柱受到調(diào)制電壓作用時，柱體就會在調(diào)制電壓的作用下產(chǎn)生電致伸縮效應，引起干涉儀參考臂的光纖長度、折射率發(fā)生變化，導致干涉儀輸出光波的相位差隨調(diào)制信號有規(guī)律地變化，從而實現(xiàn)了相位載波調(diào)制。角頻率為的正弦波驅動PZT，假設由PZT引入的相位調(diào)制幅度為C，則在光電探測器PIN上得到的信號為：（3.10）式中，、為常數(shù)，且=，<1為干涉條紋可見度，正比于激光器輸出光功率；C為相位調(diào)制幅度；為載波角頻率；包括兩部分：一是由FBG波長變化引入的相位變化，記為；二是FMZI固有的相位差(包含周圍環(huán)境擾動引入的相位漂移)，記為。即：。從另一方面來看，又包含直流分量和交流分量，分別對應靜態(tài)分量和動態(tài)分量。相角包含頻率為，幅度為D的待檢測信號和環(huán)境引起的隨機相位漂移，即（3.11）3.5.3光纖光柵傳感信號的解調(diào)分析如圖3.1所示，本測量系統(tǒng)采用的解調(diào)方法的核心部分是鎖定放大器實現(xiàn)的相敏檢波。鎖定放大器的構成原理如圖3.2所示。它由信號通道、參考通道以及相敏檢波和低通濾波器三大部分組成。信號通道的作用是先把伴有噪聲的輸入信號放大，并經(jīng)選放初步減小噪聲。參考通道的作用是提供一個與輸入信號同相的方波或正弦波，它也可以是從通道輸入信號中分出來的一路信號。相敏檢波(PSD)的作用是對輸入信號和參考信號進行混頻，輸出和頻及差頻信號。低通濾波器則是濾除和頻信號成分，僅使差頻信號成分輸出。因為低通濾波器的等效噪聲帶寬可以做得很窄，所以大部分噪聲濾除，而最終把有用信號檢測出來。鎖定放大器的功能是僅僅檢測出輸出信號以及與輸入信號同頻(也可以不同頻)同相的那些噪聲成分，所以能使噪聲幅度大大降低。它所運用基本原理是信號的相關處理。圖3.4鎖定放大器的構成原理圖由光電探測器輸出光強信號的展開可以看到，信號包含了載波的各次諧波分量，同時各次諧波附近包含了由被測信號引入的邊帶。而相敏檢波可以提取某一階次諧波的相位，因此可以用相敏檢波來提取。式(3.6)的信號首先經(jīng)過隔直電容濾除直流信號，得到：（3.12）解調(diào)電路的輸出為（3.13）式中，為解調(diào)電路的增益系數(shù),N為與系統(tǒng)有關的參數(shù)。式(3.9)表明，解調(diào)電路的輸出正比于相位調(diào)制信號，故該方案實現(xiàn)了相位調(diào)制信號的檢測。綜合比較相位生成載波的各種解調(diào)方法，我們發(fā)現(xiàn)，主動零差解調(diào)法(ActiveHomodyneDemodulation)采用反饋的方法對低頻干擾進行補償，并且也不適于多路復用，因此一般只在實驗室中使用；另外，主動零差法測量靜態(tài)或準靜態(tài)信號時誤差較大。偽外差解調(diào)法(Pseudo-heterodyneDemodulation)需要對光源進行調(diào)制，而且由于PZT的驅動頻率太低，因而只能測量靜態(tài)或緩變信號。合成外差解調(diào)法(Synthetic-heterodyneDemodulation)的性能取決于兩個本振信號的初相位是否精確匹配以及PLL的測相精度。而本信號處理系統(tǒng)采用的零差解調(diào)方法解調(diào)的動態(tài)范圍大、線性度好，并具有測相精度高的優(yōu)點。結合實驗的具體情況，零差法的原理相對簡單，對電路的設計制作要求較低，并在一些情況下可以用反饋電路直接對溫度波動等環(huán)境干擾進行補償。3.6本章小結本章主要進行了光纖Bragg光柵應變測量系統(tǒng)的方案設計。重點從光纖Bragg光柵的應變傳感機理出發(fā)，建立了光纖光柵應變傳感的理論模型，對光纖Bragg光柵測量系統(tǒng)解調(diào)模塊所采用的光纖馬赫－曾德干涉儀及相位生成載波信號解調(diào)技術進行了詳細分析和推導。從而證明了光纖Bragg光柵應變測量系統(tǒng)的可行性。4系統(tǒng)的硬件仿真與實驗4.1光纖Bragg光柵應變特性實驗本節(jié)主要描述了光纖Bragg光柵測量應變的實驗情況，來驗證理論分析的正確性。光纖光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)如圖4.1所示。主要由超寬帶光源(型號：ASE100，光譜范圍：1528-1600)、光纖耦合器、FC連接器、非平衡馬赫-曾德干涉儀、示波器組成。寬帶光源發(fā)出的寬譜光波，經(jīng)3dB耦合器照射到光纖光柵上，滿足Bragg條件的光波被反射回來，經(jīng)光纖耦合器進入非平衡馬赫-曾德干涉儀中。光纖光柵的調(diào)諧方法采用懸臂梁線性調(diào)諧技術，實驗中傳感光纖光柵用紫外膠粘貼于懸臂梁上，通過調(diào)諧懸臂梁模擬待測傳感量的變化。實驗所用的光纖光柵是采用相位掩模法在摻鍺光敏光纖中寫入的，光纖光柵Bragg波長為1550nm左右，反射率大于90%，3dB帶寬為0.3nm。圖4.1光纖光柵應變特性測試系統(tǒng)原理圖懸臂梁調(diào)諧技術的基本原理如圖4.2所示。懸臂梁材料采用鋼性彈片，鋼片的恢復性很好，厚度h=0.62mm。光纖光柵粘貼在懸臂梁的固定端附近，對梁的自由端施加力使之產(chǎn)生位移，由自由端的位移產(chǎn)生應力，使鋼片發(fā)生應變。鋼片的彎曲將對光纖光柵產(chǎn)生拉伸和壓縮作用，從而使光柵的中心波長發(fā)生變化。此裝置結構較簡單，調(diào)節(jié)靈活，重復性好。光纖光柵應變特性測試系統(tǒng)如圖4.3所示。圖4.2光纖光柵懸臂梁調(diào)節(jié)技術原理圖圖4.3光纖光柵應變特性測試系統(tǒng)懸臂梁長度為15cm，光纖光柵粘貼在距固定端3cm處，調(diào)節(jié)螺旋器，改變自由端位移量，對應每個調(diào)諧位置，測試光纖光柵的反射譜。實驗測得光纖光柵處于自由狀態(tài)時的Bragg中心波長為1551.037nm，光譜分析儀測得的光柵反射譜如圖4.4(a)所示,令自由端位移0.4cm時的光柵反射譜中心波長如圖4.4(b)所示，其Bragg中心波長為1551.149nm。（a）(b)圖4.4應變作用下的光柵反射譜及中心波長調(diào)節(jié)調(diào)諧裝置，懸臂梁自由端位移相隔0.2mm，測試光纖光柵的反射譜中心波長值，共測試14個點，光柵的Bragg波長與懸臂梁自由端位移的變化關系如圖4-5所示，可見它們呈現(xiàn)出良好的線性關系。圖4.5光纖Bragg光柵的調(diào)諧曲線根據(jù)光纖布拉格光柵波長移動與懸梁臂自由端位移關系理論計算，取有效彈光系數(shù)為0.22，可以得出懸梁臂自由端位移1mm，Bragg波長漂移0.0442nm。由圖4.5得到實際的Bragg波長變化量為0.042nm/mm。因此，理論值和實驗值基本符合，進而驗證了光纖Bragg光柵波長變化是與軸向應變呈線性關系的，進一步說明論文設計的光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)的正確性。而理論值和實驗值之間的誤差可能來自于實驗過程中操作的不規(guī)范性以及溫度的微弱變化等等，由于在本科的學習中，研究領域比較窄，希望在以后的進一步研究中，規(guī)范實驗操作，同時考慮到溫度這一因素，將可能的誤差達到最小狀態(tài)。4.2相敏檢波參考信號和PZT驅動信號發(fā)生器的設計與仿真本課題的測試系統(tǒng)的相敏檢波參考信號和PZT驅動信號為正弦信號。所以下面對正弦信號發(fā)生器進行仿真，采用的是文氏震蕩正弦發(fā)生器。如圖（4.6）為正弦波發(fā)生電路。圖4.6正弦波發(fā)生電路正弦波的頻率由R、C決定，，R=R2=R3，C=C1=C2。幅度由滑動變阻器改變。如圖4.7為正弦波的起振波，圖4.8為輸出的仿真正弦波。圖4.7仿真波形的起振波圖4.8仿真波形此正弦波發(fā)生電路為光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的正弦信號，保證了信號源的穩(wěn)定。4.3信號解調(diào)模塊的設計與仿真本測量系統(tǒng)采用的解調(diào)方法的核心部分是鎖定放大器實現(xiàn)的相敏檢波。如圖4.9是鎖定放大器的仿真電路。圖4.9鎖定放大器的仿真電路如圖4.10為待測信號，待測信號為100HZ的正弦信號。圖4.10被測正弦信號同步檢測器的輸出直流信號與被測信號的幅度有關，也與被測信號與參考信號的相位差有關。當調(diào)整參考信號的相位差，使相位差為零時，同步檢測器的輸出信號只與被測信號的幅度有關，因而可以實現(xiàn)幅度檢測的要求。如圖4.11為輸出的直流信號。圖4.11輸出直流信號4.4A/D轉換電路的設計與仿真ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)就選用ADC0809來作為A/D轉換的主要芯片，如下圖4.11對其進行了仿真，可以實現(xiàn)轉換功能，滿足系統(tǒng)的要求。圖4.12A/D轉換器的仿真4.5本章小結本章主要進行了光纖Bragg光柵應變測量系統(tǒng)的硬件仿真與實驗。首先進行了光纖Bragg光柵應變特性的測試實驗，驗證了光纖Bragg光柵中心反射波長與應變的線性關系，其次，對應變測量系統(tǒng)的鎖定放大器以及信號發(fā)生器進行了仿真實驗研究，驗證了系統(tǒng)所設計的解調(diào)方案的可行性。5結論與展望5.1結論本論文主要對光纖Bragg光柵的應變測量系統(tǒng)進行了深入的研究，并對方案的可行性進行了詳細的論證，具體工作如下：（1）對光纖Bragg光柵傳感器的原理進行了分析通過對光纖Bragg光柵應力、溫度特性的分析，同時，通過實驗說明了光纖光柵作為應變傳感器有很好的線性輸出。證明了光纖光柵作為傳感頭用于應變測量的優(yōu)越性。（2）構建了光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)論文構建了FBG應變監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的每一部分進行了詳細的介紹與分析，包括光源、光電探測器、壓電陶瓷PZT的選取，以及反饋放大電路的設計，為下一步的硬件研究提供了幫助。（3）對非平衡光纖馬赫－曾德爾干涉儀進行了分析論文選擇了非平衡光纖馬赫－曾德爾干涉儀實現(xiàn)信號的解調(diào)。論文對其組成結構、工作原理進行了分析，并根據(jù)系統(tǒng)需要，對光纖馬赫－曾德爾干涉儀及壓電陶瓷調(diào)制部分進行了主要參數(shù)的計算，從理論上論證了該解調(diào)方法可以實現(xiàn)高分辨率動態(tài)應變傳感信號的檢測。（4）進行了相關的實驗和相關硬件電路的設計和仿真進行了光纖布拉格光柵應變特性實驗，驗證了光纖光柵應變靈敏度基本上為常數(shù)，光纖光柵作為應變傳感器有很好的線性輸出。并對信號解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號和PZT驅動信號發(fā)生器以及A/D轉換電路進行了硬件設計與軟件仿真，取得了一定的成果。5.2展望本文對光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)進行了設計以及相關的硬件實驗，取得了一定的成果。但由于本人水平有限，論文中所介紹的光纖Bragg光柵應變監(jiān)測系統(tǒng)難免存在一些不足之處，而隨著我國設計和制作水平的不斷提高以及光柵市場需求以及發(fā)展空間潛力的逐步增大，光纖光柵必將得到更加廣泛的應用。今后，還需在以下方面開展進一步的研究工作。（1）在未來的硬件實驗過程考慮到溫度對光纖Bragg光柵的影響；（2）進一步優(yōu)化系統(tǒng)結構，縮小系統(tǒng)體積，增強系統(tǒng)模塊化設計；（3）專門用于傳感的特殊光纖光柵的制作及其封裝技術的改進；（4）高靈敏度解調(diào)裝置的研制以及利用波分復用，時分復用和空分復用等技術實現(xiàn)分布式傳感網(wǎng)絡的構建。相信在不久的將來，高性價比的分布式光纖光柵傳感器會在生產(chǎn)領域具有更廣泛的應用。參考文獻[1]張興周.Bragg光纖光柵與光纖傳感技術[J].光學技術,1998,7(4):70-74[2]A.D.Kersey,M.A.Davis,H.J.Patrick,etal.FiberGratingSensors.JournalofLight-waveTechnology.1997,9:76-79[3]姜德生,何偉.光纖光柵傳感器的應用概況[J].光電子.激光,2002,13(4):420-428[4]周廣東.光纖光柵傳感器應變傳遞理論研究[D].大連:大連理工大學土木水利學院,2007,24(2):4l-48[5]王丹生，朱宏平．光纖光柵傳感技術在橋梁結構健康監(jiān)測中的應用[J]．中外公路，2002.22(6):31-33．[6]C.G.Askins,M.A.Putnam,G.M.Williams,etal.Stepped-wavelengthOptical-fiberBraggGratingArraysFabricatedinLineonaDrawTower.OpticsLetters,1994,19:147[7]Y.J.Rao.In-fiberBraggGratingSensors.Meas.Sci.&Tech.1997,8(4):355-357[8]邵理陽.光纖光柵器件及傳感應用研究[D].杭州:浙江大學信息科學與工程學院博士學位論文,2008:6(4),647-649．[9]林鈞岫,王文華,王小旭.光纖光柵傳感技術應用研究及其進展[J].大連理工大學學報,2004,44(6):931-936．[10]查開德.用于大型結構應變測量的光纖傳感器[J].中國激光,1995,22(10):761-765．[11]K.O.Hill,D.C.Johnsn,B.S.Kawasaki,etal.PhotosensitivityinOpticalFiberWaveGuides:ApplicationtoReflectionFilterFabrication.Appl.Phys.Lett,1978,32:647-649[12]歐進萍,周智.纖維增強塑料—光纖光柵復合傳感筋[P]:中國專利，1484056.2004-03-24.[13]Y.Kaji,Y.Matsui,S.Kita,etal.ApplicationofaFiberBraggOpticGratingStrainSensorfortheMeasurementofStrainunderIrradiationEnvironment.NuclearEngineeringandDesign,2002,217:283-288[14]R.Kashyap.FiberBraggGratings.AcademicPress,1999,5:409-441[15]歐進萍，周智.光纖光柵傳感器及其在大型結構工程健康監(jiān)測領域的應用[A].光纖傳感器的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化國際論壇[C].2005，17(4):1-6[16]張文濤,孫寶臣,杜彥良.基于光纖光柵的青藏鐵路凍土路基地溫監(jiān)測試驗研究[J].石家莊鐵道學院學報,2005,18，174-177[17]B.Lee.ReviewofthePresentStatusofOpticalFiberSensors.OpticalFiberTechnology,2003(9):57-79[18]王向陽.光纖光柵傳感器的基礎研究[D].[清華大學工學博士論文].1998:1-10[19]廖延彪.我國光纖傳感技術現(xiàn)狀和展望[J].光電子技術與信息,2003,16(5):1-6[20]I.Riant.FiberBraggGratingsforOpticalTelecommunications.OpticalTelecommuni-cations,2003(4):41-49[21]鄭棟梁,李中付,華宏星.結構早期損傷識別技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].振動與沖擊.2002,21(2):l-8[22]李宏男,李東升.土木工程結構安全性評估、健康監(jiān)測及診斷[J].地震工程與工程振動.2002,22(3):81-89[23]G.Meltz,M.M.Morey,W.H.Glenn.FormationofBraggGratinginOpticalFibersbyTransverseHolographicMethod.OpticsLetters,1989,14:823-825[24]K.O.Hill,B.Malo,F.Bilodeau,etal.BraggGratingFabricatedinMono-modePhotosensitiveOpticalFiberbyUVExposurethroughaPhaseMask.AppliedPhysicsLetters,1993,62:1035[25]賈寶華,盛秋琴,馮丹琴等.超結構布拉格光柵濾波器的研究[J].光電子技術,2002,26(2):174-177[26]呂且妮,羅文國,葛寶臻等.超結構光纖Bragg光柵制作模型及其耦合模理論[J].光電子.激光,2002,13(9):926-928[27]卓峰,王均宏,李唐軍等.用于分析雙波長光纖光柵的矩陣運算法[J].光電子.激光,2001,12(4):354-357[28]李智紅,董孝義,趙東暉等.一種新型的Tapered光纖光柵[J].光學學報,1999,19(4):540-543[29]周少玲.相移光纖光柵應變傳感特性的實驗研究[J].光纖與光纜及其應用技術,2003,1:16-17,22[30]范薇,李學春,陳柏等.相移光纖分布反饋激光器[J].量子電子學報,2001,18(5):420-423致謝在本課題的研究及論文的寫作過程中，得到了老師、同學和朋友們的熱心幫助和真誠的支持。在此論文即將完成之際，向所有關心我、幫助我的人表示最誠摯的謝意。本論文從選題到完成，每一步都離不開導師趙輝老師的悉心指導，在論文的分析研究及撰寫的整個過程中，趙老師不厭其煩的教導與指正，真正感覺到了導師在一步步的指引著我的分析研究方向，使我對所研究的領域有了較全面的認識和了解。更重要的是他還給予了我信任和信心。趙老師淵博的學識、敏銳的洞察力使我受益匪淺，他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、高度的責任心和忘我的工作精神，將是我今后工作和學習的榜樣。也將是我一生中最寶貴的財富。特別感謝任小芳學姐，在課題研究期間，學姐提供了許多的幫助，不僅帶領我進入課題，理解原理掌握技術，并提出了許多啟發(fā)的思想，她熱忱的工作態(tài)度，積極的合作精神都深深的感染著我，這些都幫助我順利完成了課題工作。在這兒也要感謝我的家人，他們是我精神的支柱。感謝我們09050242班的所有同學在生活和學習、工作中給予我的幫助，使我度過了難忘的四年大學生活！謝謝！

畢業(yè)論文（設計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設計）是我在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。作者簽名：日期：畢業(yè)論文（設計）授權