畢業(yè)設計（論文）基于LabVIEW的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng).doc

1、基于lab view的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設計摘 要光纖光柵作為一種新型的光無源器件，促成了光纖由被動的傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)化為主動的光子器件，拓寬了光纖技術(shù)應用范圍，開創(chuàng)了一種在光通信、光傳感領域發(fā)展的新思路。隨著光纖通信和光導纖維技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也逐漸發(fā)展成熟。光纖光柵傳感器不僅具有可靠性好、抗電磁干擾、電絕緣、抗腐蝕、靈活方便、復用性強和能在復雜的環(huán)境下工作等特點外，而且能夠?qū)崿F(xiàn)準分布式測量,形成各種光纖傳感網(wǎng)絡等獨特優(yōu)點，在眾多領域都有著廣闊的應用前景。本論文主要以光纖光柵傳感器為研究對象，利用labview軟件對其傳感及解調(diào)特性進行了理論與實驗研究，本篇論文分別對labview軟件的功能介

2、紹、光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)總體方案設計、labview解調(diào)界面設計，這三個方面進行了分析與研究，設計并制作出了一套光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)模型。本論文是在“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目（101006015）的支持下完成的，本論文的主要內(nèi)容為：1 對光纖光柵傳感器的發(fā)展和應用進行簡要的概述，為以后的理論分析和實驗研究提供了依據(jù)。2 系統(tǒng)的闡述了光纖光柵傳感器系統(tǒng)理論，并進行了以下分析，包括： (1) 介紹光纖光柵傳感理論、傳感特性。 (2) 闡述光纖光柵解調(diào)理論、技術(shù)方法。3 對光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)進行全面研究分析，利用labview對信號進行數(shù)據(jù)處理，求出待測量： (1) 設計了一種可以同時測量靜態(tài)與

3、動態(tài)變量的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，搭建光路部分和電路部分。 (2) 根據(jù)傅里葉變換提出一種相位檢測方法，通過軟件控制提高了檢測精度和速度。 (3)在labview環(huán)境下通過模塊化編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、自動處理（傅里葉變換和數(shù)據(jù)擬合），并設計出控制界面。 關(guān)鍵詞： 光纖傳感器 光纖光柵 m-z干涉儀 labview 解調(diào)a design of fiber grating demodulation system based on lab view softwareabstractfiber bragg grating is a new type of optical passive devices

4、, which led to the emergence of optical fiber transmission medium from the passive into active photonic devices, and greatly expanding the application of fiber optic technology for optical communication, optical sensing and open up an application extremely wide range of new photonic devices and tech

5、nologies. optical fiber sensing technology, with the optical fiber and optical fiber communication technology development, become a new technology. because of its fire, explosion, high precision, low loss, small size, light weight, long life, cost effective and good reusability, fast response, resis

6、tance to electromagnetic interference, wide frequency range, dynamic range, apt to compose telemetry network with optical fiber transmission system that make it widely used in many fields.the main study of this dissertation is fiber bragg grating sensor,experimental research of its characteristics a

7、bout sensing and demodulation theoretical by applying lab view software.this dissertation analyze and research respectively these three aspects, the introduction of labview softwares function,the design of fiber bragg grating sensor demodulation system, the design of demodulation interface based on

8、labview software,design and produce a novel model of fiber bragg grating sensor demodulation system.with the subjects supported by the students innovation experiment project (101006015), tianjin municipal education fund (20060609), the main content of this dissertation is as following: 1.on the deve

9、lopment and application of optical fiber sensors are briefly outlined for future theoretical and experimental study of the premise. 2. the system expounded the theory of fiber bragg grating sensor and application, and conducted the following analysis, including: (1)the introduction of fiber bragg gr

10、ating sensors theoretical and characteristics about sensing.(2) the stating of fiber bragg grating sensors theoretical and technique about demodulation. 3.on the fiber bragg grating sensor in the demodulation aspects of the study, data processing of the signal based on labview and ask out for measur

11、ement, (1)designed fiber grating sensor demodulation system, a simultaneous measurement of static and dynamic variables to build the optical path portion and part of the circuit. (2)to improve the detection accuracy and speed by software control based on the fourier transform of a phase detection me

12、thod. (3)realized automatic data acquisition, automated processing (fourier transformation and data fitting) based on labview software, and designed a control interface. key words:fiber sensor fiber bragg grating m-z interferometer labview software demodulation 目 錄第一章 緒論11.1 概述11.2 光纖傳感器的發(fā)展與應用21.3 數(shù)

13、據(jù)處理的簡要介紹31.4 論文的主要內(nèi)容4第二章 纖光柵傳感器系統(tǒng)理論分析62.1 光纖光柵傳感理論62.1.1光纖光柵傳感基本理論62.1.2光纖光柵的傳感特性72.2 光纖光柵解調(diào)理論92.2.1波長解調(diào)技術(shù)理論92.2.2相位解調(diào)技術(shù)理論122.3 本章小結(jié)15第三章 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設計與研究163.1 解調(diào)系統(tǒng)總體方案設計163.1.1 解調(diào)系統(tǒng)光路設計方案173.1.2 解調(diào)系統(tǒng)電路設計方案203.2 相位檢測算法233.3 labview軟件設計243.3.1 labview軟件簡介243.3.2 數(shù)據(jù)采集243.3.3 數(shù)據(jù)處理263.3.4 控制界面設計283.4 實驗及結(jié)果

14、分析293.5 本章小結(jié)29第四章 總結(jié)與展望30參考文獻31致 謝33天津理工大學2012屆本科畢業(yè)設計說明書第一章 緒論1.1 概述人類很早就開始運用光傳遞信息， 幾千年前的烽火臺是我國人民最早用光傳遞信息的設施 ，如果發(fā)現(xiàn)敵人入侵， 白天燃煙、 夜間舉火， 利用火光來傳送軍事情報。 后來， 人們又創(chuàng)造出使用旗語等傳遞信息的方法， 這些都是非常原始的光通信方式， 主要運用了可見光的視覺通信功能， 還稱不上完全意義上的光通信。20世紀以后， 人們對通信的依賴變得越來越緊密， 光通信技術(shù)進入了突飛猛進的發(fā)展階段。 我們今天描述的光通信已不再是過去可見光進行的視覺通信， 而是采用光波作為載波來傳

15、遞信息的通信方式。1955年，kapany博士在英國倫敦工作期間，在實驗室用玻璃絲研制出了光導纖維，簡稱為光纖。它是一種介質(zhì)波導，工作波段是光波波段。每根光纖由兩種玻璃材質(zhì)制成，其中這兩種玻璃對光的折射率不同，導致他們的光學性質(zhì)產(chǎn)生差異，這樣，當光纖以一定傾斜角射入光纖一端，就不會從纖維壁射出，而是順著這兩層玻璃分界面進行連續(xù)反射向前傳播。根據(jù)全反射原理，如此，光纖就能把電磁能量以光的形式約束在其界面內(nèi)，并沿著光纖軸線方向引導光波向前傳播。低損耗的光纖產(chǎn)生于20世紀70年代，至此，光纖實用化進程向前邁了一大步，在通信領域中，光纖在長距離信息傳輸中受到廣泛運用。光纖作為一種光波傳輸煤質(zhì)，在傳輸過

16、程中，高光波的一些特征參量（相位 、振幅 、波長 、偏振態(tài)等）會隨外界環(huán)境（如壓力 、溫度 、電場 、磁場 、轉(zhuǎn)動 、位移等）的改變直接或間接的受到影響而變化，這樣，通過這些變化就可以來檢測相關(guān)物理量。光纖傳感技術(shù)是一種新型的傳感技術(shù)，特點是用光纖替代傳統(tǒng)媒介來對信息進行感知和傳輸，激光技術(shù) 、纖維光學 、信號與圖像處理技術(shù) 、非線性光學 、通信技術(shù) 、微電子技術(shù) 、計算機技術(shù) 、精密機械與儀器技術(shù)等多個學科和領域都有所涉及。光纖傳感器按照被調(diào)制的光波參數(shù)不同可以分為相位調(diào)制型光纖傳感器 、強度調(diào)制型光纖傳感器 、波長調(diào)制型光纖傳感器 、偏振調(diào)制型光纖傳感器和頻率調(diào)制型光纖傳感器等。與傳統(tǒng)傳感

17、器相比 ，光纖傳感器具有以下特性：1. 靈敏度高 ，響應速度快；2. 傳輸損耗小 ，可實現(xiàn)長距離遙測；3. 體積小 ，重量輕 ，外型設計靈活；4. 抗電磁干擾 ，耐腐蝕 ，電絕緣 ，本質(zhì)安全；5. 對被測介質(zhì)影響小 ，尤其適用于醫(yī)藥生物領域；6. 傳輸容量大 ，可實現(xiàn)分布式測量 ，形成網(wǎng)絡化；7. 測量范圍廣 ，可實現(xiàn)溫度 、應變 、磁場 、電流 、加速度等參量的測量。 正是由于光纖傳感器具備上述優(yōu)勢 ，自上世紀70 年代以來，經(jīng)過將近30的研究開發(fā) ，光纖傳感技術(shù)開始從實驗室研究走向?qū)嵱没?，新型光纖傳感儀器不斷投入實際應用 ，并形成了產(chǎn)業(yè) ，其社會經(jīng)濟效益與日俱增。1.2 光纖傳感器的發(fā)展

18、與應用 光纖光柵是利用光纖的光敏特性在光纖內(nèi)部建立的一種周期性折射率空間分布的光器件 ，其作用在于控制或改變光在該區(qū)域的傳播行為和方式1 。光纖光柵作為一種新型的光無源器件 ，促成了光纖由被動的傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)化為主動的光子器件 ，拓寬了光纖技術(shù)應用范圍 ，開創(chuàng)了一種在光通信 、光傳感領域發(fā)展的新思路 。因此，光纖傳感技術(shù)將成為光電子學領域的研究熱點，并得到迅速的發(fā)展。光纖傳感技術(shù)是隨著光纖通信和光導纖維技術(shù)的發(fā)展而形成的新型技術(shù)，但在實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)實用化的進程中解調(diào)是關(guān)鍵2，目前光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號解調(diào)裝置仍是光譜分析儀，它具有較高的精度和靈敏度，但它價格昂貴，體積較大，使用條件苛刻，不適

19、合工程現(xiàn)場使用。迄今為止，人們己提出了不少光纖光柵復用信號解調(diào)方法，例如：非平衡m-z干涉儀法3，匹配fbg可調(diào)濾波檢測法4-5，可調(diào)窄帶光源檢測法6，可調(diào)法布里珀羅濾波器解調(diào)法等等7。1992年,a.d.kersey 等人提出的非平衡m-z光纖干涉解調(diào)法是利用非平衡m-z光纖干涉儀將傳感光柵的波長變化轉(zhuǎn)化成相位變化, 通過檢測干涉儀輸出的相位信號即可得到傳感光柵的波長信息。1994年，serge m.melle等人提出無源自參考波長解調(diào)法，消除了光源波動的影響，體積小巧適用于靜態(tài)和準靜態(tài)信號的側(cè)臉8。1996年浙江大學信息與電子工程學系對干涉型光纖傳感器用相位載波檢測方式檢測到了較為穩(wěn)定的模

20、擬傳感信號9。1999年南開大學現(xiàn)代光學研究曾采用波長掃描極值解調(diào)法實現(xiàn)光纖光柵應變和溫度傳感的測量10。2001年北京理工大學光電工程系用軟件來模擬實現(xiàn)信號的解調(diào)，不僅省去了繁雜的模擬運算電路，而且達到了極高的解調(diào)精度11。2008年天津大學精密測試技術(shù)實驗室提出基于直流相位跟蹤零差法的非平衡mz干涉解調(diào)系統(tǒng)，對壓電陶瓷產(chǎn)生的振動信號進行檢測，取得了很好的實驗效果，表明適用于精密測試中動態(tài)信號的檢測12。目前，國外光纖溫度傳感器可探測至2000高溫，靈敏度達l。普通型光纖溫度傳感器在-10300范圍，精度為13，響應時間為2s。國內(nèi)的傳感技術(shù)與之相比還存在一定差距，尤其在光纖傳感器的共性基礎

21、技術(shù)、中間試驗技術(shù)、生產(chǎn)裝備技術(shù)方面，不過在精度測量方面具有一定的優(yōu)勢。從上世紀70年代末光纖光柵傳感器誕生以來 ，便由于其具有的防爆 、防火 、損耗低 、精度高 、重量輕 、體積小 、壽命長 、復用性好 、性價比高 、抗電磁干擾 、響應速度快 、動態(tài)范圍大 、頻帶范圍寬 、易組成遙測網(wǎng)絡等優(yōu)勢而被廣泛地應用于各個領域13。在土木工程方面 ，美國winooski河 ，通過八個光纖光柵傳感器對橋體結(jié)構(gòu)進行健康檢測 ，取得良好監(jiān)測效果 。北京地鐵穿越施工中 ，利用光纖光柵靜力水準傳感器 ，對施工實時監(jiān)測 ，保證了施工質(zhì)量 。在航天航空方面 ，美國宇航局通過光纖光柵傳感網(wǎng)絡對航天飛機飛行狀態(tài)進行健康

22、檢測 。在石油化工方面 ，中國石油大學通過建立光纖光柵傳感網(wǎng)絡 ，實現(xiàn)對井下油氣采集環(huán)境的實時監(jiān)測 。美國cidra公司通過光纖光柵傳感器對溫度 、壓力及流量等參量進行監(jiān)測 ，并將其應用于海洋石油平臺結(jié)構(gòu)監(jiān)測 。在生物醫(yī)學方面 ，南洋理工大學的生物工程研究中心研制成的壓力傳感器被新加坡中心醫(yī)院用于外科校正 ，用來幫助醫(yī)生監(jiān)測病患者的健康狀況 。在電力方面，電力設備周圍的電磁環(huán)境相當復雜中 ，光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾特性 ，使其廣泛應用其中 。德國西門子公司通過對光纖光柵傳感器進行特殊處理 ，可用于對發(fā)電機定子電流、溫度進行測量 。在核工業(yè)方面 ，在高輻射環(huán)境中 ，傳統(tǒng)電傳感器無法正常使用

23、，核輻射對人類又具有極大的威害 ，因此對核工業(yè)的安全監(jiān)測是非常必須的 。利用光纖光柵傳感器的抗輻射性能 ，可以對核工業(yè)周圍的環(huán)境進行必要的監(jiān)測。 從光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀以及文獻報道情況來看 ，它具有廣闊的發(fā)展前景 ，其進一步的研究方向是：(1)解決光纖光柵傳感器的實用化問題 ，主要是長時間的漂移問題 。(2)開展對采用復用技術(shù)的光纖光柵傳感器系統(tǒng)的研究 ，特別是將其與微機相結(jié)合而組成光纖遙測系統(tǒng)來進行多參數(shù)測量與控制 。(3)開展對基礎技術(shù)及元器件的深入研究 。光纖光柵傳感器的性能與其穩(wěn)定性和可靠性密切相關(guān) ，隨著基礎技術(shù)的成熟 、元器件性能的更加完善 ，光纖光柵傳感器將得到更廣泛的應用。

24、1.3 數(shù)據(jù)處理的簡要介紹數(shù)據(jù)處理指對數(shù)據(jù)的采集 、存儲 、加工 、變換 、檢索和傳輸 。數(shù)據(jù)是對事實 、概念或指令的一種表現(xiàn)形式 ，可由人工或者自動化裝置進行處理 。數(shù)據(jù)的形式可以是文字 、數(shù)字 、聲音或圖形等 。數(shù)據(jù)經(jīng)過闡釋并賦予一定的意義后 ，便成為信息 。數(shù)據(jù)處理的基本作用是從大量的 、難以理解的 、雜亂無章的數(shù)據(jù)中提取并推導出對某些特定的人群來說有價值 、有意義的數(shù)據(jù) 。數(shù)據(jù)處理是自動控制和系統(tǒng)工程的基本環(huán)節(jié) ，貫穿于社會生活和社會生產(chǎn)的各個領域 。數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展及應用的深度和廣度 ，推動著人類社會穩(wěn)步向前發(fā)展。描述處理設備要包括工作方式、結(jié)果方式和數(shù)據(jù)時間/空間分布方式，因此，

25、不用的數(shù)據(jù)處理方式對應著不同的硬件和軟件。根據(jù)應用問題的現(xiàn)實情況，再結(jié)合不同處理方式的各自特點來選擇最佳處理方式。數(shù)據(jù)處理的方式主要有四種：（1）根據(jù)處理設備的結(jié)果方式不同可以分為聯(lián)機處理和脫機處理；（2）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的時間分配方式不同可以分為實時處理、分時處理和批處理方式；（3）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的空間分配方式不同可以分為分布處理和集中處理；（4）根據(jù)計算機中央處理器的工作方式不同可以分為交互式處理、單道作業(yè)處理和多道作業(yè)處理。 數(shù)據(jù)處理脫離不了軟件的支持 ，數(shù)據(jù)處理軟件包括：程序設計語言及其編譯程序 ，管理數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以及各種數(shù)據(jù)處理方法的應用軟件包 。為了確保數(shù)據(jù)安全可靠 ，還

26、配備數(shù)據(jù)安全保密的技術(shù)。數(shù)據(jù)處理軟件有：excel 、origin 、matlab、labview等等 ，當前盛行的數(shù)據(jù)分析和圖形可視化軟件有l(wèi)abview 、matlab 、mathmatica和maple等 。這些軟件功能豐富 ，可滿足科技工作中的眾多需要 ，但使用這些軟件需要具備一定的矩陣知識和計算機編程知識 ，并熟悉其中大量的命令和函數(shù)。excel可以提供強大的數(shù)據(jù)分析處理功能 ，利用它們可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的排序 、分類匯總 、篩選及數(shù)據(jù)透視等操作 。origin是美國microcal公司開發(fā)的數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件 ，它可以對數(shù)據(jù)進行排序 、平滑 、微分 、積分以及線性和非線性擬合 ，此外

27、，還可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制各種二維 、三維坐標圖形14。matlab具有強大的科學計算 、數(shù)據(jù)處理 、圖像處理功能 ，可以完成諸多數(shù)值計算 、頻譜分析等操作，還可以快速準確 、形象直觀地得到可視化的模擬與仿真圖像15。labview是基于g語言的革命性的圖形化開發(fā)語言 ，用來進行數(shù)據(jù)采集和控制 、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達 。它的目標是簡化程序的開發(fā)工作 ，實現(xiàn)硬件和軟件資源的共享 ，以利于快速簡便地完成工作 ，適應工業(yè)自動化的迅速發(fā)展 。它率先引入虛擬儀表概念 ，用戶可通過人機界面直接控制自行開發(fā)儀器 ，可以實現(xiàn)：信號分析 、信號截取 、數(shù)值運算 、機器視覺 、數(shù)據(jù)存儲 、聲音震動分析 、邏輯運算等諸

28、多功能16。隨著計算機的日益普及 ，在計算機應用領域中，數(shù)值計算所占比重很小 ，通過計算機數(shù)據(jù)處理對信息進行管理已成為主要的應用 ，如倉庫管理 、測繪制圖管理 、交通運輸管理 、財會管理 、辦公室自動化 、技術(shù)情報管理等。1.4 論文的主要內(nèi)容光纖光柵傳感器由于具有可靠性好 、抗電磁干擾 、靈活方便 、復用性強 、能夠?qū)崿F(xiàn)準分布式測量、形成各傳感網(wǎng)絡等獨特優(yōu)點 ，而廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域 。在實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)實用化的進程中解調(diào)是關(guān)鍵 ，m-z干涉解調(diào)法利用光波的相干性 ，將信息編碼轉(zhuǎn)換成相位編碼 ，具有很高的精度和分辨率 ，可同時檢測靜態(tài)信號和低頻動態(tài)信號。利用labview數(shù)據(jù)處理

29、軟件對采集信號進行解調(diào) ，有效的降低了噪聲的引入 ，提高了檢測精度 。labview具有圖形化編程以及多功能的編程語言等特點 ，便于與其他測量硬件之間的連接 ，并可對硬件設備的數(shù)據(jù)進行采集和控制 ，還可對數(shù)據(jù)進行分析 、處理和顯示,適合于應用程序的開發(fā)。 本論文的主要內(nèi)容為：第一章 簡要概述光纖光柵傳感器的發(fā)展和應用 ，以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識 ，為以后的理論和實驗研究提供了前提。第二章 系統(tǒng)的闡述了光纖光柵傳感器系統(tǒng)理論 ，并進行了以下分析 ，包括：1.介紹光纖光柵傳感理論、傳感特性。2.闡述光纖光柵解調(diào)理論、技術(shù)方法。第三章 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設計與研究 ，主要包括：1.光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)總體設

30、計，光路部分與電路部分的搭建。2.根據(jù)傅里葉變換提出相位檢測算法。3.在labview環(huán)境下通過模塊化編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、自動處理（傅里葉變換和數(shù)據(jù)擬合），并設計出控制界面。4.對實驗結(jié)果進行分析。第四章 對文章進行總結(jié)，并對其應用前景進行了展望。第二章 纖光柵傳感器系統(tǒng)理論分析光柵折射率、柵距等會受到應變、溫度、壓強等外界環(huán)境變化的影響而發(fā)生改變，從而導致光柵的諸多特征參量，頻率、強度、偏振態(tài)、相位等產(chǎn)生變化。這樣，外界環(huán)境的應變、溫度、壓強等信息就可以通過檢測光柵的參量變化而得知。這種關(guān)系實質(zhì)上是將外界信號加載到傳輸?shù)墓獠ㄖ?，屬于調(diào)制部分，然后從調(diào)制后的光波中提取所需信號并對其進行數(shù)據(jù)

31、處理，屬于解調(diào)部分。光纖光柵傳感最重要的技術(shù)就是調(diào)制和解調(diào)，也是傳感技術(shù)研究的熱點。本章節(jié)主要介紹光纖光柵傳感系統(tǒng)中的傳感理論及解調(diào)理論。2.1 光纖光柵傳感理論2.1.1光纖光柵傳感基本理論光纖光柵的反射譜和透射譜與外界參量應變、溫度之間符合一定的量化關(guān)系，是光纖光柵傳感器的基本理論依據(jù)。這樣，對光纖光柵的反射譜和透射譜的變化進行檢測，就可以獲得待測物理量的相關(guān)信息。光纖光柵傳感器系統(tǒng)主要由三部分組成：光源、光柵傳感器和信號解調(diào)模塊。光源提供整個系統(tǒng)所需的光能量，光柵傳感器監(jiān)測外界物理量的變化，信號解調(diào)模塊解調(diào)經(jīng)外界信號調(diào)制后的光波，提取待測物理量信息17。光纖光柵傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所

32、示： 圖2-1 光纖光柵傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1） 寬帶光源光源的性能決定了整個系統(tǒng)光信號性能的好壞 ，有著十分重要的作用 。為了達到分布式傳感系統(tǒng)中多點多參量的測量要求 ，寬帶光源必須具備頻譜范圍較寬的穩(wěn)定輸出 ，并且具有較強的能量輸出能力 。隨著光源技術(shù)的不斷深入發(fā)展 ，可滿足傳感系統(tǒng)性能要求的寬帶光源的選擇也越來越多。（2） 解調(diào)模塊光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號解調(diào)包括光信號處理和電信號處理兩部分 。其中光信號處理主要是將經(jīng)待測物理量調(diào)制后的光波信號轉(zhuǎn)化為電信號 。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號再通過a/d轉(zhuǎn)換 ，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ，利用電信號處理模塊對光柵相位信息進行解碼。（3） 光纖光柵光纖材料具有

33、光敏特性，在纖芯內(nèi)部可以形成空間相位光柵，實質(zhì)作用類似于在纖芯內(nèi)部安裝一個窄帶濾光器或反射鏡。目前市面上，光柵種類眾多，其中布拉格光柵（fbg）最為常見，周期為10-1m左右。光柵結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示： 圖2-2 光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖當入射到fbg的光束滿足bragg條件（即：波長為）的光將被反射 ，反射光譜在bragg波長處出現(xiàn)反射峰 ，透射光譜在bragg波長處出現(xiàn)透射峰 ，這是布拉格光柵用于傳感技術(shù)的基礎。2.1.2光纖光柵的傳感特性光纖光柵作為傳感裝置 ，當待測物理量發(fā)生改變時 ，其光譜也將發(fā)生相應的改變（如圖2-3所示） ，反射譜的中心波長產(chǎn)生了漂移 ，通過檢測波長漂移量 ，就可以

34、推算待測物理量的變化。 圖2-3 光纖光柵傳感原理譜圖（1）溫度對布拉格光纖光柵的影響 根據(jù)光纖光柵中心波長表達式 ，當光柵周圍環(huán)境的溫度發(fā)生改變時 ，通過微分可以確定brrag波長漂移量dlb 的表達式： （2-1）式（2-1）中 ，指光纖光柵折射率-溫度系數(shù) ，用表示，指熱膨脹效應引起的彈光效應 ，指由熱膨脹效應引起光纖芯徑變化而產(chǎn)生的波導效應 ，指光纖熱膨脹系數(shù) ，用表示 。式（2-1）可以簡化為： （2-2） 由（2-2）式可以得到溫度靈敏度： （2-3）式（2-3）中，為光纖的熱膨脹系數(shù) ，為熱光系數(shù) ，一般情況下 。對石英光纖來說 ，其熱光系數(shù) ，熱膨脹系數(shù) ，由上式可知對應的溫度

35、敏感系數(shù)為：。（2） 軸向應變對布拉格光纖光柵的影響 在溫度恒定條件下 ，應變不僅會改變brrag光纖光柵的光柵常數(shù) ，同時彈光效應導致fbg折射率發(fā)生改變 ，兩者分別表示為： （2-4） （2-5） 式（2-5）中 ，和為彈光系數(shù) ，為泊松比 ，因而有： （2-6） 通過變換表達方式可以得到應變靈敏度： （2-7） 式（2-7）中 ，pe為材料的彈光系數(shù) ，可表示成： （2-8） 對純?nèi)廴谑碚f ，、 ，可得出光纖光柵應變靈敏度系數(shù)為：0.784。（3） 壓力對布拉格光纖光柵的影響 壓力變化()對fbg中心波長產(chǎn)生的影響可由下式表示： （2-9） 由于： （2-10） （2-11）可得：

36、（2-12）上述通過分析溫度 、壓力 、應變等對光纖光柵中心波長的影響 ，可得知當光纖光柵所處環(huán)境的物理量發(fā)生改變時 ，會引起光纖光柵中心波長的漂移 ，因此只要檢測出光纖光柵中心波長的漂移量 ，就可以推算出相應待測物理量的信息。2.2 光纖光柵解調(diào)理論光纖光柵傳感器以其耐腐蝕 、抗電磁干擾 、傳輸損耗小 、體積小 、質(zhì)量輕, 便于復用等獨特優(yōu)勢已經(jīng)成為目前光纖光柵傳感器系統(tǒng)的研究熱點 。目前波長解調(diào)技術(shù)是制約其發(fā)展的重要因素之一 ， 受到眾多專家 、學者越來越多的關(guān)注 。近年來 ，提出的光纖光柵解調(diào)技術(shù)方法有 ：強度解調(diào) 、相位解調(diào) 、頻率解調(diào) 、偏振解調(diào) 、波長解調(diào)等18 。常見的解調(diào)方法有

37、 ：非平衡邁克爾遜干涉儀解調(diào)法 、非平衡m-z干涉儀解調(diào)法 、可調(diào)諧f-p（fabry-perot）腔濾波法 、匹配光柵濾波法 、邊沿濾波解調(diào)等 。其中非平衡m-z干涉解調(diào)法分辨率高 、插入損耗少 、響應快 、成本低 ；匹配光柵解調(diào)法解調(diào)速度快 、重復性好 、分辨率較高 。2.2.1波長解調(diào)技術(shù)理論 外界信號（被測量）通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長，從波長的變化中即可提取被測物理量，這種解調(diào)方式稱之為波長解調(diào)。關(guān)于波長解調(diào)方法有很多，主要有光譜分析法，波長掃描法，光學濾波法等。 一、光譜分析法 光譜分析法原理：分光計將經(jīng)傳感頭輸出的光進行分光，ccd探測器根據(jù)不同波長的光波光強分布

38、相異對其進行檢測，光波長的偏移影響著光強分布，計算機通過數(shù)據(jù)處理分析可推算出波長偏移量所對應的外界待測量。圖2-1所示為光譜分析法結(jié)構(gòu)示意圖，其中，光纖光柵作為傳感頭使用。圖2-4（a）為前向傳輸方式，2-4（b）為后向傳輸方式，參考光柵可以作為布拉格光柵反射波長lb的參考點。符合布拉格波長的光被fbg反射后，傳輸光譜中的布拉格波長成分將消失而形成譜谷，這樣，參考fbg和傳感fbg光譜谷的間距可由光譜分析儀測得，或者測量參考fbg譜谷和傳感fbg的間距，說明外界信號（被測物理量）能夠引起布拉格波長的偏移。該結(jié)構(gòu)中的光譜分析儀，單色儀和傅里葉變換光譜儀都能滿足實驗要求。 （a）前向傳輸方式 （b

39、）后向傳輸方式 圖2-4 光譜分析檢測法示意圖二、波長掃描法 波長掃描法原理：用可調(diào)諧激光光源代替系統(tǒng)中的寬帶光源，使其譜寬小于布拉格波長反射光的譜線寬度，并且，使光源產(chǎn)生的波長與光柵光譜接近，這樣，就可掃描可調(diào)諧激光輸出波長的光譜。只有滿足式的波長遇到fbg才會發(fā)生反射，因此，后向布拉格波長反射光要在探測器上產(chǎn)生強輸出，必須滿足l=lb，窄帶光源的光波經(jīng)過可調(diào)諧濾波器，可以使其中心波長鎖定在該種狀態(tài)，此時，即可測知lb。布拉格波長會受到外界信號的影響而發(fā)生偏移至，光源的波長也會隨著布拉格波長的偏移而調(diào)諧至。參考fbg的參數(shù)設置可以和傳感fbg基本一致，傳感fbg的中心波長會隨著參考光柵的布拉

40、格反射波長的變化而發(fā)生偏移，從而被檢測到。當傳感fbg和參考fbg的中心波長相等時會產(chǎn)生強輸出，因此，此時的參考fbg的中心波長就是所需測量值，如圖2-5所示。靜態(tài)波長偏移和低頻動態(tài)波長偏移都可利用此種方法進行檢測，且其測量分辨率較高。 圖2-5 參考波長掃描法示意圖三、光學濾波法 光學濾波解調(diào)的基本原理是，在光纖光柵的輸出光路中安置濾波器，析出于被測量相應的波長偏移。（1）線性濾波法 線性濾波法原理：分束比為m/n的3db耦合器c2將經(jīng)過fbg的布拉格反射光分為兩束，其中一束光通過以線性函數(shù)為光譜透射率的濾波器之后，將作為信號光is，接著被光電探測器d1接收；另一束則作為參考光ir直接被探測

41、器d2接收。此種方法適合便攜式的波長檢測，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-6所示。圖2-6 線性濾波法原理框圖 可知： （2-13） 式（2-13）中，a為線性濾光器的斜率，l0為零輸出（f(l)=0）波長。 兩路信號經(jīng)放大后相除，輸出為： (2-14) 式（2-14）中，lb為fbg的標稱布拉格波長，dl為fbg波長偏移。 線性濾波法的優(yōu)點是消除了光源波動的影響，并與波長偏移量成線性關(guān)系，而且可以做得體積小，輕巧靈便；缺點是測量分辨率不高。（2）可調(diào)諧光纖f-p濾波法 可調(diào)諧光纖f-p濾波法原理：利用3db耦合將fbg的布拉格反射光耦合進可調(diào)諧光纖f-p濾光器（fpf），在fpf上加載鋸齒波電壓，這樣，將

42、使其在光柵特征波長的附近進行掃描，因此，光柵的特征波長就是fpf過零點的輸出波長。其原理結(jié)果如圖2-7。 圖2-7 可調(diào)諧f-p濾波法原理框圖可調(diào)諧f-p濾波法可以用于絕對測量和相對測量，也可用于動態(tài)和靜態(tài)測量。2.2.2相位解調(diào)技術(shù)理論目前光的強度信號可以直接由光探測器直接探測，但光的相位信號目前沒有儀器可以直接探測，這樣，就需要采取一些方式對光相位信號進行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為可以直接探測的光強信號，能夠?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的方式就是干涉法，而干涉儀是構(gòu)成干涉法的光學系統(tǒng)的統(tǒng)稱，其輸出是干涉條紋。由于光的相位被記錄在光的干涉條紋上，這樣，當干涉條紋產(chǎn)生改變時，暗示著相位也發(fā)生變化， 因此，要解調(diào)出光相位

43、的變化，就可以通過探測干涉條紋的變化而得知。相位解調(diào)方法中，以mach-zehnder干涉儀應用最多。假設相位調(diào)制量為，測量大小的方法有兩種：一種光學方法，看變化，看條紋移動；另一種是電路方法，測與有關(guān)的光電流，得。分析可知，光強，當時，。當時，；當時，。其靈敏度為。當時，靈敏度最低；當時，靈敏度最低。因此，應選擇此段工作區(qū)：兩臂相差。要做到這一點，常采用壓筒陶瓷（pzt）調(diào)制器作為移相器，加在干涉儀的參考臂上，產(chǎn)生的相位差，當有信號時就在此基礎上移動，這種檢測方法屬于零差檢測。零差檢測意指信號臂與參考臂的光頻差為0。一、零差檢測此種檢測方式的結(jié)構(gòu)式全光纖的，如圖2-8。圖中，參考臂上的pzt

44、為移相器。壓電元件基本上都是由鋯(zr)鈦(ti)酸鉛(pb)系統(tǒng)材料制成，故簡稱pzt。pzt具有電致伸縮現(xiàn)象即壓電效應及其逆效應。其壓電效應指在一定方向上對壓電材料施加應力，則使相應的表面會產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電致伸縮指壓電材料的體積，會隨著施加在材料表面的電壓的改變而產(chǎn)生伸縮。實現(xiàn)對光纖縱向應變進行調(diào)制的最簡便的方法是，采用一個空心的pzt陶瓷圓柱體，在這個圓柱體上纏繞一圈或多圈的光纖。由于pzt圓柱體的直徑隨驅(qū)動信號變化，這樣使纏繞在它上面的光纖也隨之伸縮，光纖承受到應力，使光的相位變化。在驅(qū)動電壓大約30v，頻率為幾千赫茲范圍內(nèi)，pzt圓柱直徑2.54cm時，獲得每圈12rad的相位延遲

45、。若在徑向驅(qū)動時，延遲可加大到大約每圈1.5rad/v。光纖干涉儀若采用這樣的pzt相位控制器，可以探測小至0.1rad的相位變化。檢測系統(tǒng)的工作原理如下。光探測器d1和d2測得光功率分別為： 圖2-8 全光纖m-z干涉儀的零差檢測 (2-15) (2-16)因3db耦合器的輸出端相移為，故第二個耦合器的二輸出端相位差為，則上式中第三項相差一個符號。差分放大輸出電壓為： (2-17)這里，是調(diào)制產(chǎn)生的相位差，是時間t的函數(shù)。設，則，將此式按貝塞爾函數(shù)展開，其中含有高頻項和低頻項，用低通濾波器除掉高頻項，則低頻波返回pzt作電壓控制。反饋電壓為： (2-18)式2-18中，為零階貝塞爾函數(shù)。設p

46、zt在單位電壓下產(chǎn)生m rad的相位變化，則 (2-19)可見，當時，。因此，二通道的相位差在無信號時能穩(wěn)定在這一最佳靜態(tài)工作點，差分輸出： （2-20）這里介紹的是主動零差檢測。所謂主動，表現(xiàn)在利用反饋自動產(chǎn)生相位移；所謂被動，則是由外界信號發(fā)出一頻率來調(diào)節(jié)pzt。二、外差檢測 光纖m-z干涉儀的外差檢測結(jié)構(gòu)如圖2-9。檢測系統(tǒng)工作原理如下：圖中aom（acoustic optical modulator）為聲光調(diào)制器，d1與d2為光探測器。d1與d2測得光功率分別為： 圖2-9 m-z干涉儀的外差檢測 （2-21） （2-22）式中，因此。差分輸出：，將v分別與和相乘，結(jié)果含項，即 （2-

47、23） （2-24）經(jīng)過具有適當截止頻率的低通濾波器，得： (2-25) （2-26）將、送入正弦/余弦解調(diào)器，得。交叉相乘電路如圖2-10。這里實際是時間的函數(shù)，。 圖2-10 交叉相乘電路外差與零差檢測相比，差分放大器以前部分基本相同，差別主要在后部。目的都是要提高靈敏度，消除光纖傳輸過程中的不穩(wěn)定和光源的不穩(wěn)定。外差檢測的特點是參考臂頻率提高到。其優(yōu)點是使檢測不受低頻噪聲的影響；對于噪聲，其強度較大的是低頻部分，可避免此項干擾；相位的檢測靈敏度為常數(shù)，比較穩(wěn)定；相位跟蹤范圍大，調(diào)制信號動態(tài)范圍大。2.3 本章小結(jié) 本章主要對光纖光柵傳感器系統(tǒng)進行理論分析，包括傳感理論及解調(diào)理論，其中對光

48、柵傳感基本理論、光柵傳感特性、波長解調(diào)技術(shù)、相位解調(diào)技術(shù)進行了詳述介紹，為緊接的實驗研究奠定理論基礎。第三章 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設計與研究 3.1 解調(diào)系統(tǒng)總體方案設計光纖光柵傳感器具有對外界信號進行感知和傳輸兩個功能，根據(jù)光纖光柵傳感理論可知，當光纖光柵傳感器所處周圍環(huán)境的某些物理量發(fā)生改變時，傳播中的光波的特征參量，如相位、光強、波長、頻率等將伴隨外界物理量的改變而改變。在攜帶有外界物理量信息的光波中將這些物理量提取出來，并根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行分析處理，就是光纖光柵傳感解調(diào)。光纖光柵傳感器具有易于復用的突出特點，使得光纖光柵傳感器廣泛應用于同時對多點、多參量進行的監(jiān)測。本節(jié)提出了一種光纖光柵傳

49、感復用解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的框圖如圖3-1所示。寬帶光源輸出的光具有平坦光譜，經(jīng)隔離器后，用耦合器將光耦合進非平衡m-z干涉儀中，然后再用耦合器將干涉儀輸出端口的兩束干涉光進行耦合，連接四路光纖，這四路光纖上又分別粘著光纖光柵fbg1、fbg2、fbg3、fbg4（其中傳感光柵為fbg1、fbg2、fbg3，參考光柵為fbg4，這樣，就會降低相位波動對干涉儀的影響，提高檢測分辨率）。干涉儀輸出的光含有許多窄帶成分，每根光柵選擇了其中之一，這樣就會在光電探測器上呈現(xiàn)干涉信號，將m-z干涉儀的參考臂纏繞在pzt上，形成相位調(diào)制器，再由計算機控制數(shù)據(jù)采集卡(ampci9101a)對輸出電壓進行調(diào)制，pz

50、t會受到電壓作用的影響而產(chǎn)生伸縮，使得干涉儀臂長差發(fā)生變化，這樣，干涉儀的輸出信號就會隨著調(diào)制信號的變化而變化，實現(xiàn)對干涉儀的相位調(diào)制。光柵的相位漂移信息調(diào)制到fbg反射光中，光電探測器可以將調(diào)制后的載波光信號轉(zhuǎn)換為信號，此時，m-z干涉儀的調(diào)制頻率與載波信號頻率保持一致，信號中直流成分將被濾除，噪聲也會受到抑制，之后，再經(jīng)放大電路對信號進行放大，就可得到以下形式的電信號： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）其中、是與光電探測器增益、放大器放大系數(shù)、光功率、損耗有關(guān)的幅度，是相位調(diào)制信號的頻率。、分別表示經(jīng)干涉儀對光信號進行相位調(diào)制，并對信號進行濾波、放大等處理后，包含光柵的相位漂

51、移信息的信號載波。數(shù)據(jù)采集卡（ampci9101a）會對載波進行數(shù)據(jù)采集，之后傳送給計算機，利用labview模塊編程，實現(xiàn)對采集頻率的控制，并對采集數(shù)據(jù)實時存儲，然后，編輯快速傅里葉變換算法，將載波中的光柵相位信息提取出來。 該系統(tǒng)中通過設置參考光柵（fbg4），有效降低了傳統(tǒng)m-z干涉儀解調(diào)法在檢測靜態(tài)信號時外界環(huán)境對實驗的影響，保證了低頻動態(tài)信號和靜態(tài)信號可以同時被檢測，并且該系統(tǒng)使干涉儀隨機產(chǎn)生的相位波動得到有效補償，相位的漂移檢測分辨率也得到提高。該系統(tǒng)中的相位偏移檢測由軟件完成，這樣，不僅可以降低電路的復雜程度，而且噪聲的引入也得到有效控制，最終，可以實現(xiàn)多路信號實時同步解調(diào)及系統(tǒng)的智能化。圖3-1 m-z干涉儀解調(diào)復用系統(tǒng)圖 光纖光柵傳感硬件系統(tǒng)主要包括光路和電路兩部分， 其中光路部分由光纖、 寬帶