開(kāi)題報(bào)告-適用于惡劣環(huán)境的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)研制

1、天 津 師 范 大 學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目開(kāi)題報(bào)告 項(xiàng)目名稱：適用于惡劣環(huán)境的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)研制 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人姓名：運(yùn)營(yíng) 負(fù)責(zé)人所在學(xué)院：電子與通信工程學(xué)院項(xiàng)目負(fù)責(zé)人學(xué)號(hào)：1230060200項(xiàng)目負(fù)責(zé)人專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人年級(jí)： 2012級(jí)指導(dǎo)教師： 王為 撰寫(xiě)日期：2014年5月11日目錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc356653585 一、選題緣由 PAGEREF _Toc356653585 h 1 HYPERLINK l _Toc356653586 二、研究目的和意義 PAGEREF _Toc356653586 h 1 H

2、YPERLINK l _Toc356653587 （一）項(xiàng)目研究的目的： PAGEREF _Toc356653587 h 1 HYPERLINK l _Toc356653588 （二）項(xiàng)目研究的意義： PAGEREF _Toc356653588 h 1 HYPERLINK l _Toc356653589 三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述 PAGEREF _Toc356653589 h 2 HYPERLINK l _Toc356653590 四、研究的理論基礎(chǔ) PAGEREF _Toc356653590 h 5 HYPERLINK l _Toc356653591 五、研究的主要內(nèi)容、方法、步驟 PAGER

3、EF _Toc356653591 h 5 HYPERLINK l _Toc356653592 （一）研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc356653592 h 5 HYPERLINK l _Toc356653593 （二）研究方法和研究對(duì)象 PAGEREF _Toc356653593 h 5 HYPERLINK l _Toc356653594 （三）研究進(jìn)度安排 PAGEREF _Toc356653594 h 5 HYPERLINK l _Toc356653595 （四）經(jīng)費(fèi)使用計(jì)劃 PAGEREF _Toc356653595 h 5 HYPERLINK l _Toc356653596 六、研究

4、條件和現(xiàn)存問(wèn)題 PAGEREF _Toc356653596 h 5 HYPERLINK l _Toc356653597 （一）研究條件 PAGEREF _Toc356653597 h 5 HYPERLINK l _Toc356653598 （二）現(xiàn)存問(wèn)題 PAGEREF _Toc356653598 h 5 HYPERLINK l _Toc356653599 七、研究成果的表現(xiàn)形式 PAGEREF _Toc356653599 h 5 HYPERLINK l _Toc356653600 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc356653600 h 5一、選題緣由由于光纖光柵是波長(zhǎng)型傳感器，其波長(zhǎng)變化量

5、與應(yīng)變或溫度成線性關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量，需要解調(diào)出光纖光柵Bragg波長(zhǎng)，即波長(zhǎng)解調(diào)方法是光纖光柵傳感器實(shí)用化的核心技術(shù)之一。目前實(shí)驗(yàn)室常用光譜儀或單色儀對(duì)光纖光柵進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，該方法特點(diǎn)是解調(diào)精度高，分辨率能達(dá)1pm以下，但是儀器成本高，體積大不適合工程現(xiàn)場(chǎng)使用。所以，我們會(huì)采用干涉法和濾波法更好地將光纖光柵從其系統(tǒng)當(dāng)中解調(diào)出來(lái)。二、研究目的和意義（一）項(xiàng)目研究的目的：鑒于目前光纖光柵主要有以下問(wèn)題：(1)儀器均需配備外接電源；(2)價(jià)格昂貴；(3)屬于民用級(jí)，抗惡劣環(huán)境性能差；(4)數(shù)據(jù)傳輸不方便。這些不足使得目前在惡劣環(huán)境、野外壞境下使用光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)了不便。本項(xiàng)目將研究能自

6、給供電和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)，使之適用于野外惡劣環(huán)境工作，為各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供新的技術(shù)基礎(chǔ)。（二）項(xiàng)目研究的意義：由于現(xiàn)在的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)大都是無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸功能，并且許多儀器均需配備外接電源，會(huì)給大家在日常生活中帶來(lái)不便，所以該項(xiàng)目針對(duì)目前光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)中的不足，提出了一種帶有自給電源和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)，具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述光纖光柵（Fiber optic grating）是通過(guò)改變光纖纖芯折射率進(jìn)而在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵的一種有效的光無(wú)源傳感和通信器件。它具有體積小、波長(zhǎng)選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不

7、敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護(hù)、 帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性。因此，各種光纖光柵傳感器，如應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、加速度傳感器等，相繼問(wèn)世，引發(fā)了傳感領(lǐng)域的一股熱潮，贏得了人們的青睞。光纖光柵傳感器作為新型光纖傳感器，除具有重量輕，抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫等光纖傳感器的特點(diǎn)外，還具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量、具有更強(qiáng)的抗干擾抗腐蝕能力、易于組建各種形式的傳感網(wǎng)絡(luò)、測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性等。鑒于光纖光柵良好的應(yīng)變傳感性能和優(yōu)良的抗電磁干擾、抗腐蝕能力及體積小等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖光柵廣泛

8、的應(yīng)用于橋梁、飛行器、海洋結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。光纖光柵是波長(zhǎng)型傳感器，其波長(zhǎng)變化量與應(yīng)變或溫度成線性關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量，需要解調(diào)出光纖光柵Bragg波長(zhǎng)，即波長(zhǎng)解調(diào)方法是光纖光柵傳感器實(shí)用化的核心技術(shù)之一。目前實(shí)驗(yàn)室常用光譜儀或單色儀對(duì)光纖光柵進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，該方法特點(diǎn)是解調(diào)精度高，分辨率能達(dá)1pm以下，但是儀器成本高，體積大不適合工程現(xiàn)場(chǎng)使用。迄今為止，針對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)，研究人員提出了許多方法，其中主要基于兩種技術(shù)：干涉法和濾波法。干涉法是利用光波的相干性，將光纖光柵的波長(zhǎng)信息編碼轉(zhuǎn)換成相位編碼，這種方法具有很高的精度和分辨率，特別適合高分辨率信號(hào)的檢

9、測(cè)。濾波法是指采用各種光濾波器，使指定波段的信號(hào)通過(guò)，而抑制其余波段的信號(hào)，以達(dá)到解調(diào)的目的。表1對(duì)目前常見(jiàn)的光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并描述了各自特點(diǎn)。目前國(guó)外國(guó)內(nèi)有數(shù)家公司已有光纖光柵解調(diào)儀產(chǎn)品，如美國(guó)Micro-optic公司的Sm125、Sm130；英國(guó)Smartfiber公司的Smart Scan；國(guó)內(nèi)如品傲光電、寧波杉工等均有自己的產(chǎn)品。但是這些產(chǎn)品目前主要有以下問(wèn)題：(1)儀器均需配備外接電源；(2)價(jià)格昂貴；(3)屬于民用級(jí)，抗惡劣環(huán)境性能差；(4)數(shù)據(jù)傳輸不方便。這些不足使得目前在惡劣環(huán)境、野外壞境下使用光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)了不便。本項(xiàng)目將針對(duì)這些問(wèn)題，研究一套適用于野

10、外惡劣環(huán)境具有自給電源與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)。表1：光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)總結(jié)類型解調(diào)技術(shù)特 點(diǎn)濾波法被動(dòng)式波長(zhǎng)比率法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抑制了光源的強(qiáng)度噪聲，但靜態(tài)應(yīng)變分辨率為375，分辨率不高，同時(shí)動(dòng)態(tài)性能不好，測(cè)量頻率不能超過(guò)100Hz；聲光可調(diào)諧濾波器法有極高的溫度靈敏度，但是聲光可調(diào)諧濾波器是偏振相關(guān)器件，入射光的偏振態(tài)對(duì)測(cè)量影響較大；匹配光纖光柵濾波法該方法分為反射式匹配濾波法和透射式匹配濾波法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；但實(shí)現(xiàn)測(cè)量的量程較?。豢烧{(diào)諧Fabry-Perot(F-P)濾波器法該方法是目前最為廣泛使用的光纖光柵解調(diào)技術(shù)，解調(diào)波譜范圍寬，解調(diào)精度可達(dá)1pm，對(duì)光源

11、穩(wěn)定性要求低，體積小，便于工程實(shí)用；波長(zhǎng)掃描極值法該方法用可調(diào)諧光纖光柵環(huán)形腔激光器作為掃描光源，對(duì)光柵波長(zhǎng)進(jìn)行掃描；方法簡(jiǎn)單，但掃描光源價(jià)格較高；干涉法非平衡Mach-Zehnder干涉法該方法具有寬帶寬、高解析度等特點(diǎn)，但只能用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，且測(cè)量范圍有限，會(huì)出現(xiàn)絕對(duì)波長(zhǎng)測(cè)量的損耗；經(jīng)改進(jìn)后可實(shí)現(xiàn)以下的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量；非平衡Michelson干涉法該方法適合靜態(tài)應(yīng)變的測(cè)量，檢測(cè)靈敏度高，但由于干涉儀容易受到外界環(huán)境干擾，影響測(cè)量的信噪比；Sagnac干涉法該方法具有高檢測(cè)靈敏度，同時(shí)由于干涉儀輸出與光纖長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，具有很高的穩(wěn)定性；其他方法傅立葉變換譜法該方法可以直接獲得光纖光柵反射譜，精

12、度高；但是由于光學(xué)器件存在，不易實(shí)用；CCD分光計(jì)法該方法光能利用率高，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，直接實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感復(fù)用解調(diào)；但波長(zhǎng)分辨率低。四、研究的理論基礎(chǔ)(1) 基于F-P濾波器的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)是目前技術(shù)最為成熟、穩(wěn)定性最好的波長(zhǎng)探測(cè)技術(shù)，其原理如圖1所示，寬帶光源通過(guò)耦合器后進(jìn)入光纖光柵傳感器陣列，反射光進(jìn)入F-P濾波器。同時(shí)濾波器由掃描電壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行全波段掃描，并與輸入的光纖光柵窄帶反射光進(jìn)行卷積，輸出光由光電探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)比光電轉(zhuǎn)換信號(hào)與周期掃描電壓進(jìn)而確定光纖光柵傳感陣列中心波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解調(diào)。本部分將選用micro-opti

13、cs公司的Fiber Fabry-Perot Tunable Filter(如圖2所示)，主要解決F-P驅(qū)動(dòng)電路以及中心波長(zhǎng)獲取算法設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定性的光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)。（2）自給供電系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)本部分研究解調(diào)系統(tǒng)的自給供電部分和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分。一方面主要根據(jù)解調(diào)系統(tǒng)的功率參數(shù)研究合適的電池系統(tǒng)，同時(shí)兼顧解調(diào)儀的體積與重量。另一方面主要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需要，選擇合適的無(wú)線傳輸技術(shù)，并提供接入Internet網(wǎng)絡(luò)接口，使得隨時(shí)隨地能進(jìn)行數(shù)據(jù)接收進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分析處理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。五、研究的主要內(nèi)容、方法、步驟（一）研究?jī)?nèi)容 本項(xiàng)目將研究具有自給電源和遠(yuǎn)程數(shù)

14、據(jù)傳輸功能的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)，具體研究?jī)?nèi)容包括：(1)光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本項(xiàng)目將采樣目前較為成熟的F-P濾波法進(jìn)行解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)光路和電路設(shè)計(jì)、以及中心波長(zhǎng)提取算法，實(shí)現(xiàn)光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)。(2)自給供電系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)本項(xiàng)目將采用電池供電模式，結(jié)合Internet網(wǎng)絡(luò)接入的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)適用于野外遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（二）研究方法和研究對(duì)象 (1)光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于一般結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變載荷，例如常見(jiàn)的橋梁、公路、鐵軌、海洋結(jié)構(gòu)、飛行器、大壩等，通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變變化能分析結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，

15、以便于及早的發(fā)現(xiàn)損失，減小損失。通常這些載荷變化屬于動(dòng)態(tài)信號(hào)，頻率在1KHz以內(nèi)。本項(xiàng)目將采樣目前較為成熟的F-P濾波法進(jìn)行解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)光路和電路設(shè)計(jì)、以及中心波長(zhǎng)提取算法，實(shí)現(xiàn)光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)。(2)自給供電系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前解調(diào)系統(tǒng)通常需要外接電源，自帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理單元或者通過(guò)線纜連接到PC機(jī)進(jìn)行處理。這一方面不利于解調(diào)儀器的野外使用，另一方面不適于對(duì)長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)如鐵軌、管道等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。本項(xiàng)目將采用電池供電模式，結(jié)合Internet網(wǎng)絡(luò)接入的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)適用于野外遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（三）研究進(jìn)度安排本項(xiàng)目預(yù)期一年完成，具體進(jìn)度安排如下:

16、2014.01-2014.02：光纖光柵解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)調(diào)研，確定光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；2014.03-2014.06：完成光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試；2014.07-2014.08：完成光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)自給電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2014.09-2014.11：完成光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2014.12-2015.01：進(jìn)行系統(tǒng)連調(diào)，并撰寫(xiě)結(jié)題報(bào)告。六、研究條件和現(xiàn)存問(wèn)題（一）研究條件 本項(xiàng)目的指導(dǎo)教師在該領(lǐng)域已有多年研究，在光纖光柵的動(dòng)靜態(tài)解調(diào)、惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域均有所成果，這些均為本項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)本項(xiàng)目組成員已學(xué)完電子基礎(chǔ)等課程，在后續(xù)

17、的解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有了理論知識(shí)儲(chǔ)備。（二）現(xiàn)存問(wèn)題目前實(shí)驗(yàn)室已有Micro-optics公司Sm-125解調(diào)系統(tǒng)一套，寬帶光源一臺(tái)，這些均為項(xiàng)目中解調(diào)系統(tǒng)的調(diào)試和標(biāo)定提供了基礎(chǔ)。但本項(xiàng)目需要設(shè)計(jì)的解調(diào)系統(tǒng)各個(gè)器件均需購(gòu)買，成本較為昂貴，本項(xiàng)目指導(dǎo)教師準(zhǔn)備自籌一定資金用于本項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)。七、研究成果的表現(xiàn)形式本項(xiàng)目預(yù)期完成如下成果：(1)完成適用于惡劣環(huán)境下光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告一份；(2)設(shè)計(jì)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)備一套；(3)以第一作者發(fā)表EI檢索論文1篇。參考文獻(xiàn)1 Melle S M, Liu K, Measure R M. A passive wavelength demodulation

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