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基于悬臂梁调谐和匹配光栅解调技术的光纤布拉格光栅传感信号解调技术方案设计

摘要

光纤布拉格光栅(FBG)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，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、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。FBG传感信号解调技术又是FBG传感技术研究领域的重点和难点。

本文分析研究了光纤布拉格光栅传感信号解调原理；提出了基于步进电机调控的等强度悬臂梁光纤布拉格光栅传感信号解调方案，并对调谐悬臂梁进行了设计。

设计了一种基于悬臂梁调谐和匹配光栅解调技术的光纤布拉格光栅传感信号解调技术方案；推导了传感光栅中心反射波长的变化量与参考光栅中心反射波长变化量的关系式；建立了参考光栅反射光强与光谱谱型的关系。

最后对比了几种常见的基于光纤光栅的测量系统，得出了每种测量系统的优缺点。

关键词：光纤布拉格光栅；解调；应变；悬臂梁；步进电机

 

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

  1.1光纤光栅发展概况 1

  1.2光纤光栅传感系统发展趋势 2

  1.3本章小结 3

第二章 光纤光栅 4

  2.1光纤光栅的分类 4

    2.1.1按光纤光栅的周期分类 4

    2.1.2按光纤光栅的波导结构分类 4

    2.1.3按光纤光栅的形成机理分类 6

    2.1.4按光纤光栅的材料分类 7

  2.2光纤光栅的写入法 7

    2.2.1短周期光纤光栅的写入方法 7

    2.2.2长周期光纤光栅的写入方法 8

  2.3本章小结 9

第三章 光纤光栅传感系统 10

     3.1光纤光栅传感系统简介 10

    3.1.1光源 10

    3.1.2光纤光栅传感器 10

3.1.3信号解调 11

     3.2 Bragg光纤光栅传感器原理 12

     3.3 Bragg光纤光栅的应变传感模型 13

     3.4本章小结 15

第四章 Bragg光纤光栅应变测量系统方案原理 16

     4.1 Bragg光纤光栅应变测量系统 16

   4.1.1匹配光纤光栅滤波法 16

     4.2基于步进电机的FBG传感信号解调技术的工作原理 17

   4.2.1基本原理 17

   4.2.2传感光栅波长变化量与参考光栅波长变化量关系 18

   4.2.3参考光栅反射光强与谱型关系的分析 19

   4.2.4解调原理式 20

  4.3本章小结 20

第五章 Bragg光纤光栅应变测量系统的设计 21

  5.1解调方案 21

  5.2光学部分的设计 22

     5.2.1光源的选择 22

     5.2.2光纤连接系统 22

  5.3参考光栅调谐装置 24

        5.3.1悬臂梁 24

    5.3.2悬臂梁推动装置 26

     5.4信号接收与处理系统的设计 26

    5.4.1光电探测器 26

    5.4.2前置放大电路 28

    5.4.3二级放大及低通滤波器 28

    5.4.4单片机硬件电路 29

    5.4.5系统软件 29

    5.4.6深入设计 30

  5.5本章小结 32

第六章 测量系统的比较 33

  6.1基于匹配FBG可调滤波检测法的测量系统 33

  6.2基于可调谐光纤F-P滤波器检测技术的测量系统 33

  6.3基于非平衡M-Z干涉仪检测技术的测量系统 34

  6.4本章小结 35

第七章 结论 36

参考文献 37

致谢 38

 

第一章 绪论

1.1 光纤光栅发展概况

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20世纪后半叶到至今的几十年里日新月异，极大地推动了人类社会的进步。光纤通信是信息社会的支柱，是“信息高速公路”的骨干网，也是世界通信建设今后发展的主体之一。光纤以其损耗低、带宽的特性，已成为现代通信网种的最佳传输媒质，将通信系统的传输容量扩展了几个数量级，达到了数Tbit/s的传输速度，使得图像、声音、数据的同时高速传输成为现实，光纤到户已成为必然的发展趋势。光纤传感以其本质安全、不受电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、易于复用（联网）、可远距离遥测、能埋入工程结构等特点而在传感领域备受关注并得到广泛应用，已成为传感器技术以展的主流方向之一。将光纤传感 器进而入到结构中形成神经网络便得智能结构成为可能，这将会极大地改变人们的生活方式。

近年来，一种可以在光纤制作光栅的新技术引起了人们极大的兴趣，这是国为光纤光栅的出现不仅给光纤通信和光纤传感，而且给相关领域带来了又一次里程碑式的革命，而且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。光纤光栅技术的出现将是光纤通信领域继光纤放大器之后的又一个重大事件。正如权威人士指出：“光张光栅的出现迫使人们不得不重新考虑光通信系统中的每一个设计……将来光通信系统中如果没有光张光栅就如同传统光学系统中没有镜片一样令人难以置信。”

光纤光栅的研究最初主要集中在光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）。自从加拿大通信研究中心的Hill等人在1978年首次利用驻波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张光栅——光纤布拉格光栅以来，对光纤光栅的研究与应用得到了很大的发展，驻波法又称内部写入法，该方法写入的光张光栅的反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHz，但是由于需要特制的掺锗光纤，且要求掺锗量高，芯径小，因此其实用性受到限制。

1988年美国东哈特神福德联合技术研究中心的Meltz等人，提出了用两束相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光纤布拉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外侧写入法。与Hill提出的驻波写入法相比，Meltz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拉格光栅，使制作的光纤布拉格光栅具有潜在的使用价值。但是，这种写入方法对光源和周围不幸的稳定性要求较高，并且对光源的相干长度要求很严格，因此实用起来也比较困难。

1993年，Hill等人又提出了紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射条纹曝光氢载光纤写入光纤布拉格光栅的相位掩模法，这使得光纤光栅真正走向实用化和产业化。该方法的一个很大的优点是写入光栅的周期仅仅取决于相位光栅周期而与辐射光的波长无关，因此这种方法对激光光源的相干性要求大大降低，使采用低相干光源写入光纤光栅成为可能。相位掩模法是目前为止最成熟的光纤布拉格光栅写入方法，该方法降低了写入装置的复杂程度，简化了光纤光栅的写入过程，并且对周围环境的要求大大降低，这使得大规模批量生产光纤光栅成为可能，极大地推动了光纤光栅的发展及其在光纤通信和传感领域中的应用。

目前，周期为几十至几百微米的能实现同向模式间耦合的长周期光纤光栅（long-period fiber grating, LPFG）得到了人们越来越广泛的重视实际上能够实现正向模式间耦合的周期较长的光纤光栅在20世纪90年代就已出现，它被用于实现多模光纤中的模式转换或单模光纤总的偏振模式转换，然而现在通常意义上的纤芯基模耦合到同向传输的包层模的长周期光纤光栅是由AT&T贝尔实验室的A.M.Vengsarkar等人于1996年用紫外光通过振幅掩模板照射氢载硅锗光纤首先研制而成的，这标志着长周期光纤光栅的诞生。1996年Bhatia等人详细研究了长周期光纤光栅的各种特性，提出了其在通信与传感领域中的应用。T.Erdogan于1997年相继在J.ofLightwave Technology和J.Opt.Soc.Am.A发表两篇论文从 模式耦合的角度深入研究了长周期光纤光栅的光谱特性，从而奠定了长周期光纤光栅的理论基础。

自从K.O.Hill等人于1978年首次研制出世界上第一个光纤光栅——光纤布拉格光栅以来，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞速发展。在光线布拉格光栅和长周期光纤光栅的基础上人们已先后研制出一些具有特殊结构的光纤光栅，比如啁啾光纤光栅、高斯光纤光栅、高斯变迹光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅等，可以相信，随着研究的深入和应用的需要，光纤光栅必将在通信、传感及其相关领域获得进一步的发展和更加广泛的应用[1,2]。

1.2 光纤光栅传感系统发展趋势

为了适应未来光纤光栅传感系统网络化、大范围、准分布式测量。许多研究者正在光纤光栅传感系统的各方面进行不断的研究，使系统得到优化。光纤光栅传感系统的优化主要从三方面考虑，即光源、光纤光栅传感器及信号解调。对于传感系统的优化，主要是根据传感器的数目、传感器的灵敏度和解调系统的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感器和解调系统，使得成本低、测量误差小、测量精度高。针对未来光纤光栅传感系统网络化的要求，应使用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺钕、掺锗等离子的光源是今后发展的重点。光纤光栅传感器既能实现单参量的测量，又能实现多参量的测量。当单参量测量时，应提高传感器的灵敏度和测试精度。在实际应用中，要注意传感器的灵敏度和量程之间的折中。灵敏度高了，量程自然小了。这是因为光纤光栅的应变有一个极限值，超过这个极限值光栅就会被破坏。为实现准分布式测量，传感器复用数目较多，在布置传感器时，有时一个点要布置灵敏度不同的多个传感器，以实现温度和压力的大范围测量。由于传感量主要是微小波长偏移为载体，所以，一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分辨力。其次，要解决动态与静态信号的检测问题，尤其是二者的结合性检测已成为光栅传感实用解调技术中的难点。光纤光栅传感系统应用最大的优势在于很好地进行传感器的复用实现分布式传感，如，美国的Micron Optics公司，新推出的FBGSLI采用可调激光扫描方法，利用时分技术，可以同时对四路光纤多达256个Bragg光栅进行查询。因此，未来的光纤光栅传感系统将能满足单点高精度的实时测量，又能适应网络化的准分布式的多点、多参量的测试要求，在未来的传感领域发挥更大的作用。

1.3 本章小结

   本章重点介绍了光纤光栅的发展概况以及光纤光栅传感系统的发展趋势，让人们了解到光纤光栅是一种新型的用途极为广泛的传感元件，是今后传感器发展的一个重要方向。最后给出了系统优化的三个方向，为之后的系统设计打下前提基础。

 

参考文献

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[4] 姜德生，方炜炜.Bragg光纤光栅及其在传感中的应用.CNKI, 2003

[5] 禹大宽，乔学光，贾振安，王敏.光纤光栅传感系统的现状及发展趋势.电气行业网，2006

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[9] 李川，张以谟，赵永贵，李立京.光纤光栅：原理，技术与传感应用.科学出版社，2005.108

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