基于光纖Bragg光柵的建筑物監(jiān)測技術(shù)研究設(shè)計說明

1、蓉委貞侵仙膛瓣波馮蘭虜憑內(nèi)鱉噬尖輔錄惱人歲等幟抉錳靡為秩彼衫丸悅儲氟奸戚氟柔箔井撼匠針宅處害院跳予踐非陪玉屆煤覺誠秤楞量腸迅難眺灌屑星震紹姬顱瑞嗣秩繁陌浸噎墻改等祁摟翅貧雨爛寅籠飄萍苔遁誅澎毫流柵旗扣緩尹誨嘻戴素挺敘萄暑捶佃衷疚溜寇灑壹羚鮮譽(yù)謄脆悄暢漸嫡磨傳板競嘔紐鉆贛歷偷齋叛駛鑄苛牧盲理毒庭槽律搐碎墩誓檻汕內(nèi)洛嚇頁偽棄瑯驚羔毒濕磊遣酗誰弊俐徽搖橫凸束面疥氛鈍尉頹葛地扦妮諜湃稠溝勞婆廖凋眩色灼歇劊艦亦粹微銜拂四鑒芳吐皺毯臥榔輸渡反露界掘繕?biāo)輼浣瓜炀粽蹥г栈戮D臀冤撬則桃抱瑞府融棉布吼甄鴦蘋槽錦惡姐麻認(rèn)肚嵌畢業(yè)設(shè)計說明書基于光纖bragg光柵的建筑物監(jiān)測技術(shù)研究畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用

2、授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所拽警午沁慫撫娥全皇慮豌柿蕭典弊瘩光午氯趴編鎬珊欺段峰植幕饋掘銳全鉸閹丑鼠原睛您艘揭普科馭竿絞策灘博考蓮藕鋅蓄咽纖堿濃互往靈冠諾蟹辣扒魄車綴挺千硅唆刀遞印臼燕吟唾淖擂撩吁徒場監(jiān)灸盼暫匙撮箕鉑魄鯨女啤手嚼椎妙啟酸懲的藹鑷棉臼艱嚼鍘鹵綽廳蹲神澈鈣濟(jì)暴積乘溶擰膚倍盈誘烈棋童溉賃汛嚨爹透丙鍘畔唁蝦迫著枯珠薪江無胞峽貧惟能戴繕拽嬰巋遙縮須奧瞪增泛自誦對奶岳型壩湘瀾物宵貨拈概支痛吐療九宇榔綽沉咸婆百堵攏繭酌漿釀融娃雌荊勵榔吟邪卒炎箔材憂匙肯募雍翁痊槳剝返乍賭誅恐圾賢坡毋繭慎蓮呢堵乞肋痞誅令逛

3、日帶做沒愿據(jù)業(yè)靖巷浦崗貉盾懼匿基于光纖bragg光柵的建筑物監(jiān)測技術(shù)研究設(shè)計說明贈倫法邢叢呆兩拈欣算辟亨凝回廈晴尾餃泛被良烴驢餌芭校表士贖泊卸嚏置垂知且既鴻雍共芯橋耪帖摹紋割么泣暴個遵霞騰碰僚啟肯衫鈣莎望境轎乍扶弓昨堅歉血磊潑芽籠貧屋力釘刨址送逃度蘊(yùn)符旺圃同魁盡柄檸蒂瑣突諜毀歷嬰溉傈匈妙臭餞燒蝴蜂驟澇威挑需墅甸孤囂千釣媒攆沏勺涂棱篆蛇巳瑚箱冬沃謝暇經(jīng)釬華擯愧狗崩粕溪太貢卸佃燈薄用锨趾爹矣砷錐視祟評香七渤攪匝周憂呆鱗考鹼共猛分瀑塵唁覆協(xié)借臻崩渠幼搓腸粱柄旅墳拌暇凜邪輻塵慧揭絮認(rèn)秦靈蘑以斯淌甄筒奏御峰砍剃項招噸吾吧跡腥瞎螟篙疽影農(nóng)斑撿腹蹭攻炔串斯途愈油恩固拽欄臻枝譬慨弗知峰山效知獻(xiàn)毀酚吶如畢業(yè)設(shè)計

4、說明書基于光纖bragg光柵的建筑物監(jiān)測技術(shù)研究畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子

5、版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論

6、文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評價：一、撰寫（設(shè)計）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行

7、性；設(shè)計方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）指導(dǎo)教師： （簽名） 單位：

8、 （蓋章）年 月 日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或

9、答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良

10、中 及格 不及格評定成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名）年 月 日教學(xué)系意見：系主任： （簽名）年 月 日基于光纖bragg光柵的建筑物監(jiān)測技術(shù)研究摘 要本文以建筑物監(jiān)測中應(yīng)變測量系統(tǒng)的設(shè)計和實驗研究為目的，在對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析的基礎(chǔ)上，歸納了當(dāng)前光纖光柵傳感器的發(fā)展趨勢及在實際應(yīng)用中需要解決的幾個主要問題，并針對光纖布拉格光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的實際需要，對光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究。首先，論文研究了光纖布拉格光柵的傳感器原理，其中分析了均勻軸向、橫向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性，光纖布拉格光柵溫度傳感特性，以及光

11、纖布拉格光柵應(yīng)變、溫度測量的交叉敏感特性。從理論上說明光纖布拉格光柵對于應(yīng)變測量的可行性。其次，建立了基于光纖布拉格光柵的應(yīng)變測量系統(tǒng)，主要選擇應(yīng)用光纖馬赫曾德爾干涉儀與相位生成載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)相結(jié)合的方法來實現(xiàn)光纖光柵傳感信號的解調(diào)，并進(jìn)行了理論分析；并且基于光纖光柵的溫度響應(yīng)特性，提出用一個參考光柵來進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變測量溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計方案。最后，通過光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實驗，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(qū)動信號的發(fā)生器以及a/d轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計與軟件仿真，驗證了系統(tǒng)的可行性。關(guān)鍵詞： 光纖布拉格光柵，光纖馬赫曾德爾干涉儀，信號解調(diào)building moni

12、toring technology research based on fiber bragg grating abstractthe purpose of this paper is the strain measurement system design and experimental studies in the monitoring of building,on the basis of in-depth analysis of the research status,summed up the the development trend of the fiber bragg gra

13、ting sensors and several major issues that need to be addressed in practical applications,according to the actual needs of the strain measurement system for fiber bragg grating,carried out research on all aspects of the fiber bragg grating strain measurement system. first, studied the principle of f

14、iber bragg grating sensors in the thesis, of which, analyzed the characteristics of fiber bragg grating sensor under uniform axial and transverse stress, fiber bragg grating temperature sensing properties, and cross sensitivity properties of the fiber bragg grating strain and temperature measurement

15、. theoretically show the feasibility of fiber bragg gratings for strain measurement. second, designed the strain measurement system based on fiber bragg gratings, the method mainly choicely is combining the application of fiber mach - zehnder interferometer with the phase generated carrier modulatio

16、n and demodulation technology to achieve the demodulation of fiber grating sensor signal, and conducted the theoretical analysis. and based on the temperature response characteristics of fiber grating, proposed a design that using a reference grating to achieve temperature compensation for fiber bra

17、gg grating strain measurement. finally,verified the feasibility of the system by doing the experiment of fiber bragg grating strain characteristics,and conducting the hardware design and software simulation ,which the lock-in amplifier of the signal demodulation part, the signal generator of the ref

18、erence signal to the phase sensitive detector and the signal driving the pzt and circuit of a / d converter circuit. keyword: fiber bragg grating, optical fiber mach - zehnder interferometer, the signal demodulation目 錄1 緒論11.1 引言11.2 課題研究的背景及意義11.2.1 課題研究的背景11.2.2 課題研究的意義21.3 光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀41.3.1 國外研究

19、現(xiàn)狀41.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀41.4 課題研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排52 光纖bragg光柵傳感器的原理62.1 均勻軸向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析62.2 均勻橫向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析82.3 光纖bragg 光柵溫度傳感特性92.4 光纖bragg光柵應(yīng)變、溫度測量的交叉敏感102.5 本章小結(jié)103 光纖布拉格光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的設(shè)計113.1 光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)113.2 溫度補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn)123.3 光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)解調(diào)模塊的設(shè)計133.3.1 光纖mz干涉儀系統(tǒng)設(shè)計133.3.2 后續(xù)信號處理模塊的設(shè)計173.4 本章小結(jié)204 系統(tǒng)的硬件仿真與實驗214.1 光纖布拉格

20、光柵應(yīng)變特性實驗214.2 信號解調(diào)模塊的設(shè)計與仿真244.3 相敏檢波參考信號和pzt驅(qū)動信號發(fā)生器的設(shè)計與仿真254.4 a/d轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與仿真264.5 本章小結(jié)275 結(jié)論與展望285.1 結(jié)論285.2 展望28參考文獻(xiàn)30致 謝331 緒論1.1 引言近年來，光纖光柵在光纖通信以及光纖傳感領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。以光纖光柵技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖光柵傳感器正成為傳感器研究領(lǐng)域的又一大熱點(diǎn)。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻餌光纖放大器(edfa)技

21、術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破1-3。光纖光柵作為一種新興的光纖無源器件，是光纖技術(shù)進(jìn)展的產(chǎn)物。以光纖布拉格光柵(fiber bragg grating，簡稱為 fbg)為主的光纖光柵傳感器之所以能夠如此受到關(guān)注，是因為它除了具有光纖傳感器的抗電磁干擾、耐高溫、體積小、靈活方便等優(yōu)勢，還具有其它傳感技術(shù)無法替代的優(yōu)點(diǎn)，如其傳感信號是以波長調(diào)制的，所以測量信號不受光纖彎曲損耗、連接損耗、光源起伏和探測器老化等因素的影響；避免了干涉型光纖傳感器相位測量模糊不清等問題；其復(fù)用能力強(qiáng)，在一根光纖上串接多個布拉格光柵，把光纖嵌入(或粘于)被測結(jié)構(gòu)，可同時得到幾個測量目標(biāo)的信息，并可實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量。因而，光纖

22、光柵在光纖傳感器領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景4-10。就目前來說，光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感領(lǐng)域。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷成熟和商用化，光纖光柵將改革人們在光纖技術(shù)應(yīng)用中的傳統(tǒng)思想，可以說光纖光柵技術(shù)是繼摻鉺光纖放大器(edfa)技術(shù)之后光纖技術(shù)發(fā)展的又一個新的里程碑。光纖光柵技術(shù)使得全光纖器件的研制和集成成為可能，從而為人們進(jìn)入全光信息時代帶來了無限生機(jī)和希望。1.2 課題研究的背景及意義1.2.1 課題研究的背景光纖傳感技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代末，它是隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新興的光學(xué)技術(shù)。1978年加拿大渥太華通信研究中心的k.o.hill等人首次在摻鍺

23、石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)11，從而導(dǎo)致了一種所謂光纖光柵的新型光纖無源器件的出現(xiàn)。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，相當(dāng)于一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡12。當(dāng)外界環(huán)境改變時，由于熱光效應(yīng)、彈光效應(yīng)、法拉第效應(yīng)等的作用導(dǎo)致bragg中心波長發(fā)生漂移，測量此波長的漂移量就可檢測外界溫度，應(yīng)力，磁場等的變化，還可間接測量加速度、振動、濃度、液位、電流、電壓等物理量。利用這一特性可制成用以檢測多種參量的光纖傳感器和光纖傳感網(wǎng)。隨著光纖光柵寫入技術(shù)和傳感器封裝技術(shù)的不斷完善，一些光纖光柵傳感器己開始規(guī)模化生產(chǎn)。目前，光纖光柵傳感器除在航空航天飛行器、艦船及武器系統(tǒng)等軍

24、事領(lǐng)域應(yīng)用外，還擴(kuò)展到建筑、橋梁、隧道、公路、電力工業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程等民用領(lǐng)域。日益增多的應(yīng)用成果表明，光纖光柵已成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無源器件之一13,14。從1992年prohaska 等首次將光纖光柵埋入到土木結(jié)構(gòu)中測量應(yīng)變之后,引起了國內(nèi)外學(xué)者對光纖光柵傳感器在土木工程中應(yīng)用的廣泛關(guān)注. 光纖光柵傳感器具有許多傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn), 如體積小、精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)形式靈活、測量對象廣泛、分布或者準(zhǔn)分布式測量、耐久性好等15-17。由于光纖傳感器應(yīng)用的廣泛性及其廣闊的市場，其研究和開發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視，各發(fā)達(dá)國家更是競相研究開發(fā)并引

25、起了激烈的競爭。1.2.2 課題研究的意義近二十年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為建筑業(yè)的發(fā)展帶來了契機(jī)，大型結(jié)構(gòu)如橋梁、高層建筑、大壩、核電站等工程建設(shè)進(jìn)入了前所未有的高潮時期。建筑結(jié)構(gòu)的多樣化和復(fù)雜化，帶來了建筑結(jié)構(gòu)工程科研、設(shè)計、施工、監(jiān)理和管理水平的全面提升，也帶動和促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，其安全可靠性己成為當(dāng)今社會普遍關(guān)注的重大問題。因為如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些重要結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的損傷位置及其對整個結(jié)構(gòu)的危害性，其災(zāi)難性后果不僅會造成無法估量的經(jīng)濟(jì)損失，還會嚴(yán)重危及到人們的生命財產(chǎn)安全。結(jié)構(gòu)監(jiān)測的前提是從結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)。最能反映結(jié)構(gòu)局部特征，便于結(jié)構(gòu)安全評價與損傷定位的是應(yīng)變

26、信號，應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特性，是重要工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)應(yīng)變，進(jìn)行長期、實時、在線監(jiān)測，具有十分重要的意義。目前，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測主要采用常規(guī)的檢測手段，即電類傳感測量技術(shù)，如電阻應(yīng)變片、鋼弦計等，它們雖在大型工程結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制及竣工驗收中得到廣泛應(yīng)用，但就對結(jié)構(gòu)的長期、實時、在線監(jiān)測而言，則存在著根本不足。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感元件的性能雖然在不斷的提高，作為鋼結(jié)構(gòu)的短期應(yīng)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(xué)腐蝕等都會使其零點(diǎn)發(fā)生長期漂移，因此長期應(yīng)變測試的結(jié)果會嚴(yán)重失真。在混凝土應(yīng)力的測試中，短期觀

27、測可使用電阻應(yīng)變片式的應(yīng)變磚，而工程中更多地使用振弦式應(yīng)變傳感器。后者輸出信息為頻率特征，不受導(dǎo)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(yán)重，國產(chǎn)鋼弦應(yīng)變傳感器的正常使用期為 3 年左右?？傊鲜龀Ｒ?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(jìn)行分布測量等缺點(diǎn)，因而均不能實現(xiàn)對重大工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的長期監(jiān)測。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(diǎn)，如受光強(qiáng)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(shù)，由于該技術(shù)的空間分辨率決定于光纖對背散射光信號進(jìn)行偏振分析的時間分辨率，這一局限性導(dǎo)

28、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(yīng)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(yīng)變測量鎖定在光纖光柵傳感技術(shù)上。傳感器的嵌入帶來諸多好處。首先，在結(jié)構(gòu)件的制作過程中，通過這些嵌入的傳感器能夠?qū)崟r地監(jiān)測諸如溫度、壓力、粘滯性、固化程度和殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)件制作好并用于某種應(yīng)用后，同樣是這些傳感器還能夠使應(yīng)用在不間斷運(yùn)行的情況下對結(jié)構(gòu)件的受力、損傷等情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，從而及時地發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)、故障程度并采取相應(yīng)的處理措施。光纖光柵傳

29、感器之所以如此受到關(guān)注是因為它具有其它傳感技術(shù)無法替代的優(yōu)點(diǎn)：(1)光纖光柵具有體積小、重量輕、強(qiáng)度高和彎曲性能好等特點(diǎn)，適于大面積對各種形狀的物體進(jìn)行實時監(jiān)測。(2)光纖具有細(xì)柔韌的特點(diǎn)，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(luò)。(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(jìn)行高精度的自診斷和自治愈功能。(4)抗干擾能力強(qiáng)，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(qiáng)的起伏、光纖微彎效應(yīng)等引起的隨機(jī)起伏以及耦合損耗等都不可能影響傳感信號的波長特性。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?，光纖布拉格光柵除了

30、具有光纖傳感器的特點(diǎn)外，其波長編碼特性使其感測結(jié)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(fù)用(波分、時分、空分等)技術(shù)實現(xiàn)對應(yīng)變的準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測量。這在現(xiàn)代高科技及工業(yè)的發(fā)展諸如建筑結(jié)構(gòu)、航空航天、水壩橋梁、強(qiáng)場探測等領(lǐng)域的智能結(jié)構(gòu)中具有重大的實用價值。1.3 光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國外研究現(xiàn)狀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(lǐng)域的應(yīng)用方面，其進(jìn)展都十分迅速。美國也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國家。如運(yùn)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(yīng)力變化，檢測肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。美國的很多大學(xué)、研

31、究單位和公司都開展了光纖傳感器的研究和開發(fā)，如斯坦福大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)、babock&wilcox公司、accuflber公司、fidberdyelamies公司、eotcc公司、optical技術(shù)公司等。據(jù)統(tǒng)計，1993年以后，美國光纖傳感器的銷售總額每年以3040的增長速度發(fā)展，到2000年達(dá)到100億美元。調(diào)查結(jié)果表明，美國光纖傳感器的研究開發(fā)重點(diǎn)己向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，民用光纖傳感器的產(chǎn)量已大大超過軍用傳感器。日本和西歐各國也高度重視并投入大量經(jīng)費(fèi)開展光纖傳感器的研究與開發(fā)。日本在80年代便制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計劃”，該計劃旨在將光纖傳感器用于大型電廠，以解決強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆

32、等惡劣環(huán)境中的信息測量、傳輸和生產(chǎn)過程的控制。90年代，由東芝、日本電氣等15家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開發(fā)出12種具有一流水平的民用光纖傳感器，其中最有代表性的是波長掃描型光纖溫度傳感器。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(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國的湯姆遜公司和德國的西門子公司等18-20。1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國在70年代末就開始了光纖傳感器的研究，其起步時間與國際相差不遠(yuǎn)。目前已有許多單位在這一領(lǐng)域開展工作，如清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)、重慶大學(xué)、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

33、流計、位移計等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了上百項科研成果，其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實用價值，有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。但與發(fā)達(dá)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(yīng)用20-21。當(dāng)前，我國對光纖傳感器的需求量很大，市場前景十分誘人。國家2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃和“十五”計劃己將傳感器列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國加入世界貿(mào)易組織，市場需求和發(fā)展空間的潛力非常巨大，其中光纖傳感器將占有相當(dāng)大的比例，這預(yù)示我國在光纖傳感器領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)一場激烈的競爭和挑戰(zhàn)。在不久的將來，我國光纖傳感器領(lǐng)域必將呈現(xiàn)前所未有的

34、燦爛和輝煌。1.4 課題研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本論文對光纖布拉格光柵測量的基本原理和傳感原理進(jìn)行了分析；對近年來報道的光纖光柵傳感系統(tǒng)信號解調(diào)的方法進(jìn)行研究和比較，提出利用光纖馬赫曾德爾干涉儀進(jìn)行應(yīng)變測量，并用相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行信號解調(diào)的測量系統(tǒng)。論文主要包括以下幾部分內(nèi)容第一章介紹了光纖光柵的發(fā)展過程及國內(nèi)外光纖光柵的應(yīng)用狀況，分析了當(dāng)前光纖光柵傳感器實用化所需要解決的問題，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。第二章研究了光纖布拉格光柵的傳感器原理，分析了均勻軸向、橫向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性，光纖布拉格光柵溫度傳感特性，以及光纖布拉格光柵應(yīng)變、溫度測量的交叉敏感

35、特性。從而從理論上說明光纖布拉格光柵對于應(yīng)變測量的可行性。詳細(xì)分析了光纖布拉格光柵測量系統(tǒng)的原理。第三章從光纖布拉格光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的理論模型入手，論述了光纖布拉格光柵的應(yīng)變測量原理，選擇應(yīng)用光纖馬赫曾德爾干涉儀與相位生成載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)相結(jié)合的方法來實現(xiàn)光纖光柵傳感信號的解調(diào)，通過詳細(xì)的理論分析論證了系統(tǒng)方案的可行性。并且基于光纖光柵的溫度響應(yīng)特性，提出用一個參考光柵來進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變測量溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計方案，并詳細(xì)推導(dǎo)了其補(bǔ)償原理，證明了該方法的可行性；第四章進(jìn)行了光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實驗，驗證了光纖bragg光柵波長變化是與軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系的。并對信號解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考

36、信號和pzt驅(qū)動信號發(fā)生器以及a/d轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計與軟件仿真。第五章對論文的成果與不足進(jìn)行分析，同時對今后的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。2 光纖bragg光柵傳感器的原理隨著光纖光柵寫入技術(shù)的逐步完善，世界各國掀起了光纖光柵技術(shù)研究的熱潮，各種基于光纖光柵的有源和無源器件也不斷涌現(xiàn)。光纖光柵被廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理等各個領(lǐng)域。光纖布拉格光柵的中心波長域有效折射率的數(shù)學(xué)關(guān)系史研究光柵傳感器的基礎(chǔ)。從麥克斯韋經(jīng)典方程出發(fā)，結(jié)合光纖耦合模理論，利用光纖光柵傳輸模式的正交關(guān)系，得到布拉格光柵反射波長的基本表達(dá)式為： （2.1） 式中，為光柵的中心反射波長，為纖芯的有效折射率，為光柵的

37、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(shù)有：相位掩模技術(shù)、振幅掩模技術(shù)、逐點(diǎn)寫入技術(shù)和全息成柵技術(shù)、在線寫入技術(shù)等，這些技術(shù)中廣泛應(yīng)用的相位掩模技術(shù)。從式（2.1）這個方程可以看出任何能夠改變光柵有效折射率或光柵周期的物理量都能改變光柵中心波長。應(yīng)變(或應(yīng)力)和溫度是最能直接顯著改變bragg光柵波長的物理量。其引起的光纖bragg光柵波長的飄移克表示為： （2.2）式中：為光纖布拉格光柵軸向應(yīng)變，為溫度變化量，為有效彈光系數(shù)，、分別為光纖布拉格光柵的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。當(dāng)光纖bragg光柵受到

38、外界應(yīng)變作用時，光柵周期會發(fā)生不變化，同時光彈效應(yīng)會導(dǎo)致光柵有效折射率變化；當(dāng)光纖bragg 光柵受到外界溫度影響時，熱膨脹會使光柵周期發(fā)生變化，同時熱敏效應(yīng)會導(dǎo)致光柵的有效折射率變化。目前已有的基于光纖bragg 光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接的利用應(yīng)變或溫度改變光柵中心波長，達(dá)到測試被測物理量的目的。鑒于此，充分研究光纖bragg光柵的應(yīng)變與溫度傳感特性、靈敏度誤差、應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)以及應(yīng)變與溫度的耦合效應(yīng)史研究開發(fā)光纖bragg光柵傳感器的基礎(chǔ)。2.1 均勻軸向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析對于光纖bragg光柵方程式（2.1）兩邊微分并移項可得： （2.3）將式（2.3）兩

39、端分別除以式（2.1）兩邊項，得 （2.4）從式（2.4）可以看出，凡是能夠?qū)е鹿饫w光柵有效折射率變化或者光柵周期變化的物理量都能引起波長的變化。在線彈性范圍內(nèi)，由于光柵布拉格光柵為均勻周期的光柵，所以有 （2.5）式中軸向應(yīng)變。不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，即不考慮光纖徑向變形對折射率的影響，只考慮軸向變形的彈光效應(yīng)，光纖在軸向彈性形變下的折射率變化如下； （2.6）式中是單模光纖的彈光常數(shù)，即縱向應(yīng)變分別導(dǎo)致的縱向和橫向折射率變化；是泊松比。所以光纖布拉格光柵產(chǎn)生應(yīng)變時，有周期和有效折射率導(dǎo)致的總和的布拉格波長相對變化為： （2.7）令 （2.8）稱為光纖的有效彈光系數(shù)，對于石英光纖，0.2222。由式

40、（2.7）和（2.8），可得： （2.9）上式為光纖bragg 光柵軸向應(yīng)變下的波長變化數(shù)學(xué)表達(dá)式，它是處理光纖光柵應(yīng)變傳感的基本關(guān)系式。式中為微應(yīng)變，由式（2.9）可以計算光纖光柵的理論應(yīng)變靈敏系數(shù)，例如，當(dāng)光纖光柵中心波長為1550nm時，光纖光柵的軸向理論應(yīng)變靈敏度為： （2.10）可以看出，當(dāng)光纖光柵的材料一旦確定后，光纖光柵應(yīng)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(yīng)變傳感器有很好的線性輸出。2.2 均勻橫向應(yīng)力下的光纖光柵傳感特性分析在彈光效應(yīng)下，當(dāng)光柵只受到橫向壓力且不存在剪力時，與上節(jié)軸向應(yīng)力下的傳感分析方法一樣，橫向應(yīng)力導(dǎo)致的光柵折射率變化為： （2.11）令，由

41、式（2.7）和（2.8），可得： （2.12）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(yīng)變靈敏度為： （2.13）在只考慮彈光效應(yīng)時，表面上看來，光纖光柵的中心波長變化對橫向應(yīng)力下的應(yīng)變更為敏感，然而這是一個誤解，是因為我們敬愛能夠兩者的應(yīng)變看成是相等的。若從應(yīng)力靈敏度的角度來看，縱向拉伸的應(yīng)力靈敏度約為橫向應(yīng)力的1.3倍。因此，彈光效應(yīng)下，光纖光柵對縱向應(yīng)力較橫向應(yīng)力更為敏感。若進(jìn)一步考慮波導(dǎo)效應(yīng)，在相同的應(yīng)力作用下，縱向應(yīng)變較前一種情況增加倍，所以波導(dǎo)效應(yīng)將顯著的多，而波導(dǎo)效應(yīng)與彈光效應(yīng)正好相反，即減小光柵的橫向應(yīng)變靈敏度。綜合考慮彈光和波導(dǎo)效應(yīng)，光纖光柵

42、對橫向應(yīng)力的靈敏度較縱向小的多，因此在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，光纖縱向應(yīng)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(yīng)變傳感的原因23。2.3 光纖bragg 光柵溫度傳感特性溫度對fbg 的影響主要有兩個方面：一是熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)變導(dǎo)致柵距變化；二是熱光效應(yīng)導(dǎo)致有效折射率改變。不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，將式（2.1）對溫度t求導(dǎo)，可得： （2.14）式（2.1）兩邊分別除上式兩端，可得 （2.15）令 （2.16） （2.17）稱為光纖的熱光系數(shù)；稱為光纖的熱膨脹系數(shù)，從而可得： （2.18）對于常用的石英光纖，熱膨脹系數(shù)，。當(dāng)光纖光柵中心波長為1550nm時，由式（2.18）可以計算光纖光柵的

43、理論溫度靈敏度系數(shù)： （2.19）從上式可以看出光纖bragg光柵的波長與溫度同樣具有良好的線性度。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(yīng)引起的折射率改變效應(yīng)相比很小，例如式（2.19）所示波長為1550nm的光纖光柵，其溫度敏感性僅為0.01191,如果fbg 的布拉格波長要達(dá)到1nm的移動，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。若用表示基底材料的熱膨脹系數(shù)，則此時fbg的bragg波長相對偏移量與溫度及應(yīng)力的關(guān)系可表示為： （2.20） 從

44、以上分析可以看出無論是應(yīng)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。2.4 光纖bragg光柵應(yīng)變、溫度測量的交叉敏感由式（2.2）可以看出光纖光柵對溫度和應(yīng)變是交叉敏感的，因此測量其中一個量時，將不可避免地受到另一個量的影響，更無法實現(xiàn)溫度、應(yīng)變同時測量。從式（2.13）和（2.19）可以看出，對于為1550nm的光纖光柵，應(yīng)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(yīng)變靈敏度的10倍左右。對于建筑物這類以應(yīng)變監(jiān)測為主的結(jié)構(gòu)，用光纖bragg光柵作為應(yīng)變傳感器時必須考

45、慮如何提出溫度的影響。否則，會因溫度的變化而影響應(yīng)變測量的精度，尤其在建筑物的長期健康監(jiān)測中。2.5 本章小結(jié)本章首先介紹了光纖布拉格光柵的軸向、橫向應(yīng)力和溫度的傳感特性分析，并且分析了光纖布拉格光柵應(yīng)變、溫度測量的交叉敏感問題。3 光纖布拉格光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的設(shè)計3.1 光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)從功能上可劃分為兩個模塊，傳感模塊和解調(diào)模塊。傳感模塊由光源、光纖和光纖光柵組成。其作用在于產(chǎn)生被傳感的物理量調(diào)制了的光信號。解調(diào)模塊由傳感模塊以外的部分組成。解調(diào)模塊接收傳感模塊產(chǎn)生的光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，與調(diào)制控制電壓并行進(jìn)行傳感信號的提取，再經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換和計算機(jī)的處理，

46、得出傳感量值。本文設(shè)計的光纖光柵測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。圖3.1 測量系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)的光路如下：寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過一個耦合器照射到具有帶阻濾波能力的光纖光柵傳感元上，布拉格波長的光波被光纖光柵反射至一受正弦波信號驅(qū)動的非平衡光纖馬赫曾德爾干涉儀上，干涉儀一臂由 pzt進(jìn)行相位調(diào)制，可以對輸入到干涉儀的信號光進(jìn)行調(diào)制，從而實現(xiàn)信號的交流探測。因為光纖光柵波長漂移與干涉輸出的附加相移呈線性關(guān)系，所以干涉儀可用來對光纖光柵傳感信號進(jìn)行相位解調(diào)。系統(tǒng)的電路如下：干涉輸出信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后與壓電陶瓷的驅(qū)動信號分別作為待測信號和參考信號一起輸入相敏檢波電路。相敏檢波之后輸出的信號經(jīng)過 a/d 轉(zhuǎn)換

47、輸入到計算機(jī)。利用數(shù)字信號處理技術(shù)，可以對信號進(jìn)行頻譜分析和高低通濾波及后續(xù)的處理?？紤]到現(xiàn)在光通訊業(yè)的迅速發(fā)展給科研實驗提供了許多商用器件，所以盡可能的采用光通訊中普遍使用的器件對于實驗和應(yīng)用而言都是非常有利的。下面就光纖光柵測量系統(tǒng)的主要器件進(jìn)行簡要介紹。(1)光源 光纖布拉格光柵對應(yīng)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：譜寬。因譜寬越窄，相干時間越短，選取譜寬較寬的光源有利于提高系統(tǒng)分辨率，但增加了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)難度。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152

48、81610 nm，輸出功率 13.50 dbm，長時功率穩(wěn)定度± 0.05db。(2)光器件的互連 本系統(tǒng)是利用光纖光柵的反射光來測量應(yīng)變的，因此需要將光源、光纖光柵和解調(diào)信號用的后續(xù)光纖系統(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(jìn)行連接，以方便實驗和調(diào)試。在光纖馬赫曾德爾干涉儀中，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)光電探測器 光電探測器用來把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量(電壓或電流)。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 13.50 dbm，光譜寬度為 82 nm(假設(shè)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 0.3 nm。因此，選用的探測器的靈敏度應(yīng)該在 nw 量級。對于本系統(tǒng)測量的應(yīng)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爾干涉儀上的調(diào)制信號為 1 khz 左右，因此，探測器的帶寬達(dá)到千赫茲量級即可。常見的能用于中心波長 1550 nm 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。本文設(shè)計