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中北大學(xué)2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第PAGEII頁(yè)共Ⅱ頁(yè) 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(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 31.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 41.3論文的主要研究?jī)?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(lèi)型及其特點(diǎn) 62.3光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)及傳感原理分析 72.4均勻軸向應(yīng)力下的光纖Bragg光柵傳感特性分析 92.5均勻橫向應(yīng)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(yīng)變、溫度測(cè)量的交叉敏感 132.8本章小結(jié) 133光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 153.1光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖 153.2非平衡馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x 163.2.1光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x解調(diào)的結(jié)構(gòu) 163.2.2光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的參數(shù)計(jì)算 163.3光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(cè)器的選擇 183.3.4壓電陶瓷的調(diào)制及參數(shù)計(jì)算 183.4反饋放大電路的設(shè)計(jì) 203.4.1反饋放大電路的電路設(shè)計(jì) 203.4.2反饋放大電路的作用 203.5信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì) 213.5.1信號(hào)解調(diào)的分析與研究 213.5.2光纖光柵傳感信號(hào)的調(diào)制研究 223.5.3光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)分析 223.6本章小結(jié) 244系統(tǒng)的硬件仿真與實(shí)驗(yàn) 254.1光纖Bragg光柵應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn) 254.2相敏檢波參考信號(hào)和PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真 284.3信號(hào)解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與仿真 304.4A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與仿真 314.5本章小結(jié) 325結(jié)論與展望 335.1結(jié)論 335.2展望 33參考文獻(xiàn) 35致謝 38第41頁(yè)共38頁(yè) 1緒論本章介紹了光纖Bragg光柵在建筑物應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)的背景及意義,綜述了相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上,確定了本論文的工作重點(diǎn)以及具體研究?jī)?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(jì)50年代以來(lái),建筑物健康監(jiān)測(cè)的重要性就逐步被認(rèn)識(shí),但受檢測(cè)、監(jiān)測(cè)手段比較落后的限制,在應(yīng)用上一直未得到推廣和重視。近年來(lái)隨著大跨徑建筑物的輕柔化及形式與功能的復(fù)雜化,光纖光柵應(yīng)用于建筑物上的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界的研究熱點(diǎn)[1]。許多國(guó)家都在一些已建和在建的建筑物上進(jìn)行了有益的嘗試:丹麥曾對(duì)總長(zhǎng)1726m的Faroe跨海斜拉橋進(jìn)行施工階段及通車(chē)首年的監(jiān)測(cè),另外,他們?cè)谥骺?624m的GreatBeltEast懸索橋上也開(kāi)始了相關(guān)的嘗試;泰國(guó)與韓國(guó)目前已開(kāi)始在重要建筑物上安裝永久性的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)整體與安全性報(bào)警設(shè)備;香港的許多建筑在施工階段也已開(kāi)始傳感器的安裝,以備將來(lái)運(yùn)營(yíng)期間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將起到確保建筑物安全運(yùn)營(yíng)、延長(zhǎng)建筑物使用壽命的作用。同時(shí)通過(guò)早期建筑物應(yīng)變的監(jiān)測(cè)能大大節(jié)約建筑物的維修費(fèi)用,可以避免最終頻繁大修所引起的重大損失[3]。近年來(lái),國(guó)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(gòu)建疲勞加之監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)措施跟不上,從而嚴(yán)重影響構(gòu)建的承重能力和結(jié)構(gòu)的使用。因此,對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)非常必要和迫切。光纖光柵是一種新型光纖無(wú)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(duì)特定波長(zhǎng)的光具有反射或透射作用,從而使該波長(zhǎng)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(xué)元件,其中心波長(zhǎng)隨溫度、應(yīng)變等外界物理量的改變而改變[4]。自從20世紀(jì)80年代末Morey等人首次對(duì)光纖Bragg光柵在應(yīng)變與溫度傳感領(lǐng)域進(jìn)行研究以來(lái),世界各地都對(duì)其十分關(guān)注并展開(kāi)廣泛的研究,使得光纖光柵傳感器在許多領(lǐng)域的研究和應(yīng)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(lái),我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為建筑業(yè)的發(fā)展帶來(lái)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(shí)期。建筑結(jié)構(gòu)的多樣化和復(fù)雜化,帶來(lái)了建筑結(jié)構(gòu)工程科研、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和管理水平的全面提升,也帶動(dòng)和促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí),其安全可靠性己成為當(dāng)今社會(huì)普遍關(guān)注的重大問(wèn)題。因?yàn)槿绻荒芗皶r(shí)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(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的危害性,其災(zāi)難性后果不僅會(huì)造成無(wú)法估量的經(jīng)濟(jì)損失,還會(huì)嚴(yán)重危及到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)與損傷定位的是應(yīng)變信號(hào),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(cè)最為重要的參數(shù)之一。因此,建筑物檢測(cè)中對(duì)于大型結(jié)構(gòu)應(yīng)變,進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè),具有十分重要的意義[6]。目前,對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測(cè)主要采用常規(guī)的檢測(cè)手段,即電類(lèi)傳感測(cè)量技術(shù),如電阻應(yīng)變片、鋼弦計(jì)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(yàn)收中得到廣泛應(yīng)用,但就對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)而言,則存在著根本不足。第一,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(cè)量,還是能滿(mǎn)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(huì)使其零點(diǎn)發(fā)生長(zhǎng)期漂移,因此長(zhǎng)期應(yīng)變測(cè)試的結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真。第二,在混凝土應(yīng)力的測(cè)試中,短期觀測(cè)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(xiàn)長(zhǎng)度的影響,靈敏度和穩(wěn)定性也較好。由于鋼弦絲長(zhǎng)期處于張緊狀態(tài),蠕變現(xiàn)象十分嚴(yán)重,國(guó)產(chǎn)鋼弦應(yīng)變傳感器的正常使用期為3年左右。總之,上述常規(guī)的電類(lèi)傳感檢測(cè)手段存在傳感元件壽命短、測(cè)量易受環(huán)境影響、不能進(jìn)行分布測(cè)量等缺點(diǎn),因而均不能實(shí)現(xiàn)對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。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(diǎn),如受光強(qiáng)影響大、光纖彎曲損耗和連接損耗大。同時(shí),這種傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是光時(shí)域反射技術(shù),由于該技術(shù)的空間分辨率決定于光纖對(duì)背散射光信號(hào)進(jìn)行偏振分析的時(shí)間分辨率,這一局限性導(dǎo)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(shí)需要很長(zhǎng)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(guò)國(guó)內(nèi)外同行的大量研究和實(shí)踐,已將應(yīng)變測(cè)量鎖定在光纖光柵傳感技術(shù)上[7]。傳感器的嵌入帶來(lái)諸多好處。首先,在結(jié)構(gòu)件的制作過(guò)程中,通過(guò)這些嵌入的傳感器能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)諸如溫度、壓力、粘滯性、固化程度和殘余應(yīng)變等過(guò)程參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)制作過(guò)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(duì)結(jié)構(gòu)件的受力、損傷等情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),從而及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)、故障程度并采取相應(yīng)的處理措施[8]。光纖光柵傳感器之所以如此受到關(guān)注是因?yàn)樗哂衅渌鼈鞲屑夹g(shù)無(wú)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(duì)各種形狀的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。(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(duì)各種監(jiān)測(cè)對(duì)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?yàn)槠胀ǖ墓饫w傳輸不會(huì)影響傳輸光波的頻率特性;另一方面是因?yàn)楣庠垂鈴?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(hào)的波長(zhǎng)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(diǎn)外,其波長(zhǎng)編碼特性使其感測(cè)結(jié)果不受光源功率波動(dòng)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(shí)分、空分等)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測(cè)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(chǎng)探測(cè)等領(lǐng)域的智能結(jié)構(gòu)中具有重大的實(shí)用價(jià)值[10]。1.2光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀目前光纖光柵傳感器在動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的研究主要集中于高頻振動(dòng)的測(cè)量與分析和地球技術(shù)勘測(cè)的應(yīng)用以及地球內(nèi)部的輻射等領(lǐng)域,在建筑物檢測(cè)方面還不是很成熟。美國(guó)是研究光纖傳感器起步最早,水平最高的國(guó)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(guó)也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國(guó)家。如運(yùn)用光纖傳感器監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù),監(jiān)測(cè)橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化等。1989年,美國(guó)布朗大學(xué)(BrownUniversity)的門(mén)德斯(Mendez)等人首先提出了把光纖Bragg光柵用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)[11]。在此之后,加拿大、日本、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的研究人員也對(duì)光纖光柵系統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用做了大量的研究工作。1997年,在美國(guó)俄亥俄州的巴特勒縣建造了一座全復(fù)合材料的高樓,埋入了光纖Bragg光柵,通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)有規(guī)律地監(jiān)視樓房的荷載響應(yīng)和跟蹤連接繩索的長(zhǎng)期性能[12]。1999年,在美國(guó)新墨西哥LasCruces10號(hào)州際高速公路的鋼結(jié)構(gòu)橋梁上,安裝了多達(dá)120條光纖Bragg光柵,是當(dāng)時(shí)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(cè),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了20個(gè)點(diǎn)的分布式應(yīng)變傳感。2004年,YojiOkabe等人提出了一種用CFG檢測(cè)建筑物復(fù)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(yīng)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(yīng)的位置出現(xiàn)凹陷。裂縫和凹陷是一一對(duì)應(yīng)的,因此,檢測(cè)反射譜凹陷的波長(zhǎng)就可以確定裂縫所在的位置。西歐各國(guó)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(kāi)發(fā)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),其中包括英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國(guó)的湯姆遜公司和德國(guó)的西門(mén)子公司等[14]。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)在70年代末就開(kāi)始了光纖光柵傳感器的研究,其起步時(shí)間與國(guó)際相差不遠(yuǎn)。目前已有許多單位在這一領(lǐng)域開(kāi)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?cè)诠饫w溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)、位移計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究,取得了上百項(xiàng)科研成果,其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實(shí)用價(jià)值,有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。2003年6月,同濟(jì)大學(xué)橋梁系史家均老師主持的建筑物健康檢測(cè)項(xiàng)目中,采用了光纖布拉格光柵傳感器,用于檢測(cè)建筑物在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況。國(guó)內(nèi)的建筑物材料行業(yè)對(duì)光纖Bragg光柵傳感器非常重視,各公司爭(zhēng)先注冊(cè)了許多光纖Bragg光柵傳感器的技術(shù)專(zhuān)利。2005年8月,劉波等提出了一種能夠在實(shí)際工程中應(yīng)用的光纖光柵位移測(cè)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(dòng)的滑塊相連,通過(guò)滑塊的左右移動(dòng)對(duì)光纖光柵進(jìn)行拉壓,測(cè)出結(jié)構(gòu)的位移.這種測(cè)量裝置中的光柵容易折斷,一般測(cè)量范圍較小、精度較高,僅適合于精密位移測(cè)量[15]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)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(shí)驗(yàn)室研制階段,不能投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。光纖Bragg光柵在建筑物動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試方面的技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用已很普遍,由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且性能還不是特別穩(wěn)定,故在我國(guó)建筑檢測(cè)中的應(yīng)用尚少。但可以預(yù)見(jiàn),隨我國(guó)設(shè)計(jì)、制造水平的提高,這種技術(shù)將越來(lái)越多地出現(xiàn)在我國(guó)的建筑物上。1.3論文的主要研究?jī)?nèi)容論文的工作是以光纖Bragg光柵測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變課題展開(kāi)的,主要包括對(duì)光纖Bragg光柵的基本原理以及傳感原理進(jìn)行概述,了解光纖Bragg光柵的各種解調(diào)方案,進(jìn)一步確定利用非平衡馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào),并用直流相位跟蹤零差法對(duì)相位差信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的測(cè)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(guó)內(nèi)外光纖Bragg光柵的應(yīng)用狀況,并論述了光纖光柵測(cè)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(yīng)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(yīng)變、溫度測(cè)量的交叉敏感特性。從而從理論上說(shuō)明光纖Bragg光柵對(duì)于應(yīng)變測(cè)量的可行性,詳細(xì)分析了光纖Bragg光柵測(cè)量系統(tǒng)的原理。(3)構(gòu)建了光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng),選擇應(yīng)用非平衡馬赫-曾德干涉儀與直流相位跟蹤零差法相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào),通過(guò)詳細(xì)的理論分析論證了系統(tǒng)方案的可行性。(4)進(jìn)行了光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了光纖Bragg光柵波長(zhǎng)變化是與軸向應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系的。并對(duì)信號(hào)解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號(hào)和PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器以及A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件仿真。(5)分析課題研究中的的成果與不足,同時(shí)對(duì)光纖Bragg光柵的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。2光纖Bragg光柵傳感特性分析光纖光柵因其獨(dú)特的優(yōu)越性使其在傳感領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位,為了更好的將光纖光柵應(yīng)用到傳感領(lǐng)域中,人們需要對(duì)光纖光柵的結(jié)構(gòu)及其傳輸特性做深入的研究。考慮到光纖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(lǐng)域的基礎(chǔ),而應(yīng)變和溫度的測(cè)量是光纖Bragg光柵最基本兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,這方面的理論以及相關(guān)傳感信號(hào)的解調(diào)技術(shù)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(zhǎng)和高于一定強(qiáng)度的激光照射時(shí),折射率會(huì)發(fā)生永久性變化這一特性制成的一種光纖無(wú)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(lǐng)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(lái)沿光纖軸線(xiàn)均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。當(dāng)寬帶光傳播到光纖光柵時(shí),滿(mǎn)足布拉格條件的一定波長(zhǎng)的光將會(huì)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(dá)到100%,從而實(shí)現(xiàn)按波長(zhǎng)編碼對(duì)光進(jìn)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(chēng)為光纖Bragg光柵,簡(jiǎn)稱(chēng)為FBG(FiberBraggGrating)[16]。2.2光纖光柵的類(lèi)型及其特點(diǎn)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(jié)構(gòu)參數(shù),這些參數(shù)決定了光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)、帶寬和反射特性等,從而使不同的折射率調(diào)制及不同結(jié)構(gòu)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(lèi)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(jiàn)的一種光纖光柵,其折射率變化的周期一般為量級(jí)。它在光纖激光器、光纖傳感器、光纖波分復(fù)用等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。(2)啁啾光纖光柵(chirpedgrating):其主要特點(diǎn)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(jí)。啁啾光纖光柵被廣泛應(yīng)用于WDM系統(tǒng)的色散補(bǔ)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(jié)構(gòu)與重疊光纖光柵(superstructuregrating):在光柵寫(xiě)入過(guò)程中對(duì)寫(xiě)入光源進(jìn)行調(diào)制可以制作出超結(jié)構(gòu)光纖光柵或取樣光柵,或在光纖同一位置重疊寫(xiě)入多個(gè)具有不同中心波長(zhǎng)的光柵,這兩種光柵在多波長(zhǎng)光纖激光器方面有一定的應(yīng)用價(jià)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(zhuǎn)換器等。(5)摩爾光纖光柵(moiregrating):它是通過(guò)在原先寫(xiě)入光柵的位置上再寫(xiě)入一個(gè)光柵得到的。如果在光纖的同一位置寫(xiě)入多個(gè)不同的Bragg光柵則會(huì)產(chǎn)生多個(gè)反射峰,可做成梳狀濾波器用于復(fù)用/解復(fù)用系統(tǒng)中,還可用在多波長(zhǎng)光纖激光器和多參量測(cè)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(guān)系變化,正弦型Taper光纖光柵可構(gòu)成各種濾波器、波長(zhǎng)變換器和光插/分復(fù)用器。(7)相移光纖光柵(phase-shiftedgrating):主要通過(guò)在制作過(guò)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(lái)選擇通道。(8)長(zhǎng)周期光纖光柵(long-periodgrating):長(zhǎng)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(yīng)用背景。2.3光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)及傳感原理分析(a)光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)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(guò)兩相干紫外光束的相對(duì)角度而得到調(diào)整,通過(guò)這種方法,就可以制作出不同反射波長(zhǎng)的布拉格光柵,目前已有的布拉格光柵寫(xiě)入技術(shù)有:相位掩模技術(shù)、振幅掩模技術(shù)、逐點(diǎn)寫(xiě)入技術(shù)和全息成柵技術(shù)、在線(xiàn)寫(xiě)入技術(shù)等,這些技術(shù)中廣泛應(yīng)用的相位掩模技術(shù)[18]。光纖Bragg光柵(FBG)是一種性能優(yōu)異的窄帶反射濾波無(wú)源器件,也是目前最常見(jiàn)、應(yīng)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(xiàn)一致。光纖Bragg光柵的結(jié)構(gòu)如圖2.1(a)所示,當(dāng)光波傳輸通過(guò)光纖Bragg光柵時(shí),入射光就會(huì)分成兩部分:透射光波矢和反射光波矢。一部分滿(mǎn)足Bragg光柵波長(zhǎng)條件的波矢將被反射回來(lái),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(chēng)為布拉格條件。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,得到光纖Bragg光柵反射波長(zhǎng)的基本表達(dá)式為[20]:(2.2)式中,為光柵的中心反射波長(zhǎng),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(yīng),為光柵的周期,即折射率調(diào)制的空間周期。當(dāng)光波傳輸通過(guò)光纖Bragg光柵時(shí),滿(mǎn)足布拉格條件的光波將被反射回來(lái),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(zhǎng)或透射波長(zhǎng)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(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵Bragg波長(zhǎng)的漂移,測(cè)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(yīng)力對(duì)光纖光柵的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:彈光效應(yīng)使折射率改變,應(yīng)變效應(yīng)使光柵周期改變。溫度變化對(duì)光纖光柵的影響也主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:熱光效應(yīng)使折射率改變,熱膨脹效應(yīng)使光柵周期改變。當(dāng)同時(shí)考慮應(yīng)變與溫度時(shí),彈光效應(yīng)與熱光效應(yīng)共同引起折射率的改變,應(yīng)變和熱膨脹共同引起光柵周期的改變[22]。假設(shè)應(yīng)變和溫度分別引起布拉格波長(zhǎng)的變化時(shí)相互獨(dú)立的,則兩者同時(shí)變化時(shí),布拉格波長(zhǎng)的變化可以表示為:(2.3)其中:為軸向應(yīng)變導(dǎo)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(cè)出兩組波長(zhǎng)變化量就可以同時(shí)計(jì)算出應(yīng)變和溫度的變化量。對(duì)于其他的一些物理量,如加速度、振動(dòng)、濃度、液位、電流、電壓等,都可以設(shè)法轉(zhuǎn)換成溫度或應(yīng)力的變化,從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。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)是研究開(kāi)發(fā)光纖Bragg光柵傳感器的基礎(chǔ)。2.4均勻軸向應(yīng)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(yīng)力的作用,溫度恒定,則應(yīng)力引起光柵Bragg波長(zhǎng)的漂移可有[23](2.4)表示。其中,表示光纖在應(yīng)力作用下的彈性形變,為光柵的彈光效應(yīng)。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?qū)е鹿饫wBragg光柵周期或者有效折射率變化的物理量都能夠引起波長(zhǎng)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(yīng)變。不考慮波導(dǎo)效應(yīng),即不考慮光纖光柵徑向應(yīng)變對(duì)折射率的影響,只考慮軸向應(yīng)變的彈光效應(yīng),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(yīng)變分別導(dǎo)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(yīng)變時(shí),周期和有效折射率同時(shí)發(fā)生變化,導(dǎo)致光纖Bragg波長(zhǎng)發(fā)生的相對(duì)變化為:(2.8)令(2.9)稱(chēng)為光纖的有效彈光系數(shù),對(duì)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(yīng)變下的波長(zhǎng)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[25]。式中為軸向微應(yīng)變,由式(2.10)可以計(jì)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(zhǎng)為1550nm時(shí),光纖光柵的軸向理論應(yīng)變靈敏度為:(2.11)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(xiàn)性輸出。2.5均勻橫向應(yīng)力下的光纖Bragg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時(shí),與上節(jié)2.2中軸向應(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:(2.12)令,由式(2.8)和(2.9),可得:(2.13)對(duì)于石英光纖,,同樣可得光纖光柵中心波長(zhǎng)為1550nm時(shí),光纖光柵的橫向理論應(yīng)變靈敏度為:(2.14)在只考慮彈光效應(yīng)時(shí),表面上看來(lái),光纖光柵的中心波長(zhǎng)變化對(duì)橫向應(yīng)力下的應(yīng)變更為敏感,然而這是一個(gè)誤解,是因?yàn)槲覀儗烧叩膽?yīng)變看成是相等的。若從應(yīng)力靈敏度的角度來(lái)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(duì)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),光纖光柵對(duì)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(zhǎng)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[26]。2.6光纖Bragg光柵溫度傳感特性分析溫度對(duì)光纖Bragg光柵的影響主要有兩個(gè)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),對(duì)式(2.2)對(duì)溫度T求導(dǎo),可得:(2.15)式(2.2)兩邊分別除上式兩端,可得Bragg波長(zhǎng)的變化量為(2.16)令(2.17)(2.18)稱(chēng)為光纖的熱光系數(shù);稱(chēng)為光纖的熱膨脹系數(shù),結(jié)合熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)可得:(2.19)令+,稱(chēng)之為光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)。對(duì)于常用的石英光纖,熱膨脹系數(shù),。當(dāng)光纖光柵中心波長(zhǎng)為1550nm時(shí),由式(2.19)可以計(jì)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(huì)有所差別[27]。從上式可以看出光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)的變化與溫度同樣呈線(xiàn)性關(guān)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(yīng)引起的折射率改變效應(yīng)相比很小,例如式(2.20)所示波長(zhǎng)為1550nm的光纖光柵,其溫度敏感性?xún)H為0.01191。如果光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)要達(dá)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(shí)光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)相對(duì)偏移量與溫度及應(yīng)力的關(guān)系可表示為:(2.21)從以上分析可以看出無(wú)論是應(yīng)變還是溫度,通過(guò)檢測(cè)光纖光柵波長(zhǎng)的漂移量或帶寬變化量,可以推測(cè)出待測(cè)物理場(chǎng)的狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)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(yīng)變、溫度測(cè)量的交叉敏感當(dāng)光纖Bragg光柵有效折射率或周期改變時(shí),光柵反射回來(lái)的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移,應(yīng)力(或應(yīng)變)和溫度是最直接改變光柵Bragg波長(zhǎng)的物理量。當(dāng)只考慮這兩個(gè)物理量時(shí),則光柵的中心反射波長(zhǎng)可表示為(2.22)對(duì)式(2.22)泰勒展開(kāi)后,可以發(fā)現(xiàn),引起光柵Bragg波長(zhǎng)漂移的不僅僅是、,還有它們的交叉項(xiàng)及高階項(xiàng)。當(dāng)、的變化量很小時(shí),只取前三項(xiàng),得到(2.23)式中,為應(yīng)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(zhǎng)的漂移不是應(yīng)變和溫度單獨(dú)作用時(shí)引起波長(zhǎng)漂移量的簡(jiǎn)單疊加,還存在力學(xué)和熱學(xué)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(duì)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(duì)于建筑物這類(lèi)以應(yīng)變監(jiān)測(cè)為主的結(jié)構(gòu),用光纖Bragg光柵作為應(yīng)變傳感器時(shí)必須考慮如何提出溫度的影響。否則,會(huì)因溫度的變化而影響應(yīng)變測(cè)量的精度,尤其在建筑物的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中,但在本課題中,由于檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間比較短,實(shí)驗(yàn)室的溫度幾乎不變,故在檢測(cè)時(shí)可以忽略溫度對(duì)測(cè)量的影響。2.8本章小結(jié)本章從兩個(gè)方面對(duì)目前使用最廣泛的光纖光柵傳感器——光纖Bragg光柵進(jìn)行了研究。(1)介紹了光纖Bragg光柵基本物理結(jié)構(gòu)并對(duì)其傳播特性做了嚴(yán)格推導(dǎo),得到了光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)公式和反射率公式;(2)在Bragg波長(zhǎng)公式的基礎(chǔ)上,對(duì)光纖光柵應(yīng)變和溫度的傳感特性進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,Bragg中心波長(zhǎng)與應(yīng)變和溫度之間有著良好的線(xiàn)性關(guān)系,任一物理量變化都會(huì)引起B(yǎng)ragg波長(zhǎng)的漂移;同時(shí)還對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感做了簡(jiǎn)單的分析,為課題的下一步奠定了基礎(chǔ)。3光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在前兩章中分別介紹了光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究背景、國(guó)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本章將設(shè)計(jì)一種光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并詳細(xì)討論包括系統(tǒng)光源選擇、光電探測(cè)器、光學(xué)器件互連、非平衡M-Z干涉儀以及后續(xù)信號(hào)處理等系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖本文設(shè)計(jì)的光纖Bragg光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guò)3dB耦合器入射到傳感光纖光柵上,其反射光經(jīng)過(guò)兩個(gè)3dB耦合器進(jìn)入不等臂長(zhǎng)的M-Z干涉儀,將布拉格波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成相位差變化,然后相位信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器,實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。干涉輸出信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后與壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別作為待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)一起輸入相敏檢波。相敏檢波之后輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入到計(jì)算機(jī),利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),對(duì)信號(hào)進(jìn)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?tīng)柛缮鎯x3.2.1光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x解調(diào)的結(jié)構(gòu)非平衡馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示:圖3.2光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x由兩個(gè)臂即兩根單模光纖組成,因此需要一個(gè)分光器件和一個(gè)合光器件。實(shí)用的光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的分光器件和合光器件是由兩個(gè)分光比為50%:50%的光纖定向耦合器構(gòu)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(duì)比度。信號(hào)處理需要對(duì)光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x進(jìn)行調(diào)制以實(shí)現(xiàn)兩臂的光程差不為零,可以把光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的一臂纏繞在壓電陶瓷上,通過(guò)壓電陶瓷的脹縮來(lái)改變光纖的長(zhǎng)度[30]。圖3.2中,若干個(gè)光纖環(huán)繞在柱狀PZT上用來(lái)抵消因溫度的變化而產(chǎn)生的相位波動(dòng),獲得相位正交偏執(zhí)條件。光纖偏振控制器用來(lái)控制參考臂中傳播的參考光的偏振態(tài),使參考光和信號(hào)光的偏振態(tài)相互匹配,因?yàn)閭鬏敼馄駪B(tài)對(duì)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?tīng)柛缮鎯x的參數(shù)計(jì)算攜帶著被測(cè)量信息的光波入射到光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x,經(jīng)兩臂后輸出的光束疊加將產(chǎn)生干涉效應(yīng)。如果兩路光的光程完全一致的話(huà),干涉信號(hào)始終為干涉極大,為了使干涉信號(hào)隨所需的被測(cè)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?tīng)柛缮鎯x兩路光信號(hào)的相位差與干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差的關(guān)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(zhǎng)度差,是光纖Bragg光柵反射的中心波長(zhǎng),為光纖光柵的光程差。當(dāng)應(yīng)變作用在FBG上時(shí),反射光的中心波長(zhǎng)發(fā)生改變,兩路光的相位差將被引入一個(gè)增量:(3.2)式中,為應(yīng)變-頻移分辨率,為應(yīng)變變化量,為應(yīng)變引入的波長(zhǎng)變化量,由此可看出,利用M-Z干涉儀解調(diào)光纖光柵波長(zhǎng)編碼時(shí),通過(guò)選擇合適的光程差,當(dāng)光纖光柵反射光中心波長(zhǎng)移動(dòng)時(shí),相當(dāng)于注入干涉儀的光頻(波長(zhǎng))發(fā)生改變,進(jìn)而會(huì)引起相位差的變化。故由探測(cè)器測(cè)知,便可得到FBG波長(zhǎng)移動(dòng)變化量。3.3光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)變的敏感反映在其反射光中心波長(zhǎng)的變化上,其窄帶反射光在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)變動(dòng)。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(shí)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(hào)越易檢測(cè)。本系統(tǒng)采用ASE穩(wěn)定化光源(型號(hào):ASE100),其波長(zhǎng)范圍為1528~1610,輸出功率13.50dBm,長(zhǎng)時(shí)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(lái)測(cè)量應(yīng)變的,因此需要將光源、光纖光柵和解調(diào)信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(shuō)的3dB光纖耦合器進(jìn)行連接,以方便實(shí)驗(yàn)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(hào)的雙重作用,使光干涉得以實(shí)現(xiàn)。3.3.3光電探測(cè)器的選擇光電探測(cè)器是光學(xué)接收系統(tǒng)的一個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。選擇光電探測(cè)器主要取決于兩個(gè)參數(shù):一是探測(cè)器的靈敏度,二是探測(cè)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(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0.3nm。因此,選用的探測(cè)器的靈敏度應(yīng)該在nW量級(jí)。對(duì)于本系統(tǒng)測(cè)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-曾德干涉儀上的調(diào)制信號(hào)為1KHz左右,因此,探測(cè)器的帶寬達(dá)到千赫茲量級(jí)即可。常見(jiàn)的能用于中心波長(zhǎng)1550nm附近光纖光柵傳感系統(tǒng)的探測(cè)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(jià)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(jì)算為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交流測(cè)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(lái)實(shí)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(shè)計(jì)要求進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。由壓電堆疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(PZT)是高精度微位移器件,能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的位移量。在光學(xué)干涉方面,主要利用其逆壓電效應(yīng),給PZT施加一定的電壓,PZT即產(chǎn)生微米量級(jí)的位移,使連接在其上的光學(xué)元件也產(chǎn)生相應(yīng)的空間位置變化[24]。壓電陶瓷PZT由專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng),該驅(qū)動(dòng)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(gè)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(qū)動(dòng)PZT,實(shí)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(qū)動(dòng)預(yù)加載閉環(huán)壓電陶瓷管,可以使FBG產(chǎn)生應(yīng)變或?qū)饫w干涉儀作光程調(diào)節(jié)。壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由信號(hào)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(hào)的幅度。調(diào)制信號(hào)的幅度大小與一階和二階貝塞爾函數(shù)有關(guān)極點(diǎn)上。如果把調(diào)制幅度設(shè)置在一階貝塞爾函數(shù)的第一個(gè)極點(diǎn)上,得到調(diào)制幅度的值為5.3rad。下面根據(jù)光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x系統(tǒng)的參數(shù),計(jì)算壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小。光纖馬赫-曾德干涉儀被調(diào)制臂光纖的伸長(zhǎng)量為:(3.3)式中,為FBG反射光的中心波長(zhǎng),為光纖的有效折射率,PZT的調(diào)制幅度C=5.3rad。實(shí)驗(yàn)中采用的光纖光柵中心波長(zhǎng)=1550nm,有效折射率=1.46代入上式計(jì)算得到:=0.9。PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度V由下式計(jì)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(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中所采用的PZT管,(OD)=5nm。則PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度為:=5.7伏。由式(2.2)得光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的變化量為:(3.5)但在本課題中,由于檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間比較短,實(shí)驗(yàn)室的溫度幾乎不變,故在檢測(cè)時(shí)可以忽略溫度對(duì)測(cè)量的影響,而光纖Bragg光柵應(yīng)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(yīng)變量與PZT振動(dòng)幅度的關(guān)系:(3.7)由式(3.4)、式(3.5)和式(3.16)得知最后測(cè)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(cè)到的電壓信號(hào)與壓電陶瓷PZT產(chǎn)生的應(yīng)變成線(xiàn)性關(guān)系。3.4反饋放大電路的設(shè)計(jì)3.4.1反饋放大電路的電路設(shè)計(jì)如下圖3.3所示,即為光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反饋放大電路。圖3.3反饋放大電路的電路設(shè)計(jì)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?yàn)榉瞧胶釳-Z干涉儀易受外界環(huán)境影響,設(shè)計(jì)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(zhǎng)的解調(diào)過(guò)程中誤差達(dá)到最小狀態(tài)。將光電探測(cè)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(shí),如果外界影響,使得工作點(diǎn)偏離正交點(diǎn),偏移為,那么,為保持兩臂相位差仍為,應(yīng)使得反饋相位滿(mǎn)足:(3.9)即反饋系統(tǒng)要使,即為使系統(tǒng)靈敏度達(dá)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(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中光纖馬赫-曾德干涉儀將光纖光柵反射光波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)化為相位信號(hào)的變化,因此,相位測(cè)量是本系統(tǒng)信號(hào)處理的基本要求。而且,光纖傳感器的信號(hào)處理會(huì)直接影響到測(cè)量的分辨率、精度和動(dòng)態(tài)范圍。下面將對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理模塊進(jìn)行具體分析和設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)。3.5.1信號(hào)解調(diào)的分析與研究對(duì)于光纖馬赫-曾德干涉儀輸出的相位信號(hào),如果直接測(cè)量相位,那么有兩個(gè)問(wèn)題將限制系統(tǒng)的性能:一是直接測(cè)相位意味著直流檢測(cè),信號(hào)處理易受電路漂移的影響;二是對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量而言,系統(tǒng)受到環(huán)境的干擾時(shí)被測(cè)相位會(huì)產(chǎn)生漂移及信號(hào)衰落現(xiàn)象,從而引入測(cè)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(dòng)延時(shí)外差法(DifferentialDelayHeterodyning)、光程匹配差動(dòng)干涉法(Path-matchedDifferentialInterferometry)、相位生成載波法。前兩種方法不適于多路復(fù)用信號(hào)的解調(diào),并且對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)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(shù)容易實(shí)現(xiàn),應(yīng)用靈活方便,并且具有動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此,本系統(tǒng)采用此方法實(shí)現(xiàn)相位信號(hào)的解調(diào)。所謂的相位生成載波調(diào)制,是在被測(cè)信號(hào)帶寬以外的某一頻帶之外引入大幅度的相位調(diào)制,被測(cè)信號(hào)則位于調(diào)制信號(hào)的邊帶上,這樣就把外界干擾的影響轉(zhuǎn)化為對(duì)調(diào)制信號(hào)影響,并且把被測(cè)信號(hào)的頻帶與低頻干擾的頻帶分開(kāi),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(guò)兩種途徑來(lái)實(shí)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(dǎo)體激光器(LD),通過(guò)對(duì)其輸入電流進(jìn)行調(diào)制來(lái)達(dá)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(zhǎng)的光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的一臂用數(shù)匝光纖纏繞壓電陶瓷(PZT)元件,把載波信號(hào)加到PZT上,利用PZT元件在載波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng),引起干涉儀一臂光纖長(zhǎng)度、折射率發(fā)生變化,導(dǎo)致最后輸出光波相位差隨載波信號(hào)有規(guī)律的變化,從而實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制。由于本測(cè)量系統(tǒng)所采用的光源是寬帶光源,無(wú)法對(duì)其進(jìn)行調(diào)制,所以選用調(diào)制干涉儀的光程差的方式實(shí)現(xiàn)相位生成載波調(diào)制。研究能抑制干涉儀輸出衰落問(wèn)題的檢測(cè)技術(shù)是十分突出的問(wèn)題,也是本文設(shè)計(jì)的光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變測(cè)量的關(guān)鍵。下面將具體討論光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x輸出信號(hào)的解調(diào)方法。3.5.2光纖光柵傳感信號(hào)的調(diào)制研究當(dāng)應(yīng)變作用在FBG上時(shí),反射光的中心波長(zhǎng)發(fā)生改變,兩路光的相位差將被引入一個(gè)增量,如式(3.2)所示。干涉儀的參考臂使用一個(gè)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(dāng)壓電圓柱受到調(diào)制電壓作用時(shí),柱體就會(huì)在調(diào)制電壓的作用下產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng),引起干涉儀參考臂的光纖長(zhǎng)度、折射率發(fā)生變化,導(dǎo)致干涉儀輸出光波的相位差隨調(diào)制信號(hào)有規(guī)律地變化,從而實(shí)現(xiàn)了相位載波調(diào)制。角頻率為的正弦波驅(qū)動(dòng)PZT,假設(shè)由PZT引入的相位調(diào)制幅度為C,則在光電探測(cè)器PIN上得到的信號(hào)為:(3.10)式中,、為常數(shù),且=,<1為干涉條紋可見(jiàn)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(zhǎng)變化引入的相位變化,記為;二是FMZI固有的相位差(包含周?chē)h(huán)境擾動(dòng)引入的相位漂移),記為。即:。從另一方面來(lái)看,又包含直流分量和交流分量,分別對(duì)應(yīng)靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量。相角包含頻率為,幅度為D的待檢測(cè)信號(hào)和環(huán)境引起的隨機(jī)相位漂移,即(3.11)3.5.3光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)分析如圖3.1所示,本測(cè)量系統(tǒng)采用的解調(diào)方法的核心部分是鎖定放大器實(shí)現(xiàn)的相敏檢波。鎖定放大器的構(gòu)成原理如圖3.2所示。它由信號(hào)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(hào)通道的作用是先把伴有噪聲的輸入信號(hào)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(gè)與輸入信號(hào)同相的方波或正弦波,它也可以是從通道輸入信號(hào)中分出來(lái)的一路信號(hào)。相敏檢波(PSD)的作用是對(duì)輸入信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行混頻,輸出和頻及差頻信號(hào)。低通濾波器則是濾除和頻信號(hào)成分,僅使差頻信號(hào)成分輸出。因?yàn)榈屯V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(hào)檢測(cè)出來(lái)。鎖定放大器的功能是僅僅檢測(cè)出輸出信號(hào)以及與輸入信號(hào)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(yùn)用基本原理是信號(hào)的相關(guān)處理。圖3.4鎖定放大器的構(gòu)成原理圖由光電探測(cè)器輸出光強(qiáng)信號(hào)的展開(kāi)可以看到,信號(hào)包含了載波的各次諧波分量,同時(shí)各次諧波附近包含了由被測(cè)信號(hào)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(lái)提取。式(3.6)的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)隔直電容濾除直流信號(hào),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(guān)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(hào),故該方案實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)。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(dòng)零差解調(diào)法(ActiveHomodyneDemodulation)采用反饋的方法對(duì)低頻干擾進(jìn)行補(bǔ)償,并且也不適于多路復(fù)用,因此一般只在實(shí)驗(yàn)室中使用;另外,主動(dòng)零差法測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)時(shí)誤差較大。偽外差解調(diào)法(Pseudo-heterodyneDemodulation)需要對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制,而且由于PZT的驅(qū)動(dòng)頻率太低,因而只能測(cè)量靜態(tài)或緩變信號(hào)。合成外差解調(diào)法(Synthetic-heterodyneDemodulation)的性能取決于兩個(gè)本振信號(hào)的初相位是否精確匹配以及PLL的測(cè)相精度。而本信號(hào)處理系統(tǒng)采用的零差解調(diào)方法解調(diào)的動(dòng)態(tài)范圍大、線(xiàn)性度好,并具有測(cè)相精度高的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體情況,零差法的原理相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)電路的設(shè)計(jì)制作要求較低,并在一些情況下可以用反饋電路直接對(duì)溫度波動(dòng)等環(huán)境干擾進(jìn)行補(bǔ)償。3.6本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了光纖Bragg光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。重點(diǎn)從光纖Bragg光柵的應(yīng)變傳感機(jī)理出發(fā),建立了光纖光柵應(yīng)變傳感的理論模型,對(duì)光纖Bragg光柵測(cè)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(hào)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和推導(dǎo)。從而證明了光纖Bragg光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的可行性。4系統(tǒng)的硬件仿真與實(shí)驗(yàn)4.1光纖Bragg光柵應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn)本節(jié)主要描述了光纖Bragg光柵測(cè)量應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)情況,來(lái)驗(yàn)證理論分析的正確性。光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖4.1所示。主要由超寬帶光源(型號(hào):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(mǎn)足Bragg條件的光波被反射回來(lái),經(jīng)光纖耦合器進(jìn)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(xiàn)性調(diào)諧技術(shù),實(shí)驗(yàn)中傳感光纖光柵用紫外膠粘貼于懸臂梁上,通過(guò)調(diào)諧懸臂梁模擬待測(cè)傳感量的變化。實(shí)驗(yàn)所用的光纖光柵是采用相位掩模法在摻鍺光敏光纖中寫(xiě)入的,光纖光柵Bragg波長(zhǎng)為1550nm左右,反射率大于90%,3dB帶寬為0.3nm。圖4.1光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)試系統(tǒng)原理圖懸臂梁調(diào)諧技術(shù)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(fù)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(duì)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(yīng)力,使鋼片發(fā)生應(yīng)變。鋼片的彎曲將對(duì)光纖光柵產(chǎn)生拉伸和壓縮作用,從而使光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。此裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,調(diào)節(jié)靈活,重復(fù)性好。光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)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(shù)原理圖圖4.3光纖光柵應(yīng)變特性測(cè)試系統(tǒng)懸臂梁長(zhǎng)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(duì)應(yīng)每個(gè)調(diào)諧位置,測(cè)試光纖光柵的反射譜。實(shí)驗(yàn)測(cè)得光纖光柵處于自由狀態(tài)時(shí)的Bragg中心波長(zhǎng)為1551.037nm,光譜分析儀測(cè)得的光柵反射譜如圖4.4(a)所示,令自由端位移0.4cm時(shí)的光柵反射譜中心波長(zhǎng)如圖4.4(b)所示,其Bragg中心波長(zhǎng)為1551.149nm。(a)(b)圖4.4應(yīng)變作用下的光柵反射譜及中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)調(diào)諧裝置,懸臂梁自由端位移相隔0.2mm,測(cè)試光纖光柵的反射譜中心波長(zhǎng)值,共測(cè)試14個(gè)點(diǎn),光柵的Bragg波長(zhǎng)與懸臂梁自由端位移的變化關(guān)系如圖4-5所示,可見(jiàn)它們呈現(xiàn)出良好的線(xiàn)性關(guān)系。圖4.5光纖Bragg光柵的調(diào)諧曲線(xiàn)根據(jù)光纖布拉格光柵波長(zhǎng)移動(dòng)與懸梁臂自由端位移關(guān)系理論計(jì)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(zhǎng)漂移0.0442nm。由圖4.5得到實(shí)際的Bragg波長(zhǎng)變化量為0.042nm/mm。因此,理論值和實(shí)驗(yàn)值基本符合,進(jìn)而驗(yàn)證了光纖Bragg光柵波長(zhǎng)變化是與軸向應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系的,進(jìn)一步說(shuō)明論文設(shè)計(jì)的光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正確性。而理論值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差可能來(lái)自于實(shí)驗(yàn)過(guò)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(xué)習(xí)中,研究領(lǐng)域比較窄,希望在以后的進(jìn)一步研究中,規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作,同時(shí)考慮到溫度這一因素,將可能的誤差達(dá)到最小狀態(tài)。4.2相敏檢波參考信號(hào)和PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真本課題的測(cè)試系統(tǒng)的相敏檢波參考信號(hào)和PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦信號(hào)。所以下面對(duì)正弦信號(hào)發(fā)生器進(jìn)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(dòng)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(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的正弦信號(hào),保證了信號(hào)源的穩(wěn)定。4.3信號(hào)解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與仿真本測(cè)量系統(tǒng)采用的解調(diào)方法的核心部分是鎖定放大器實(shí)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(cè)信號(hào),待測(cè)信號(hào)為100HZ的正弦信號(hào)。圖4.10被測(cè)正弦信號(hào)同步檢測(cè)器的輸出直流信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的幅度有關(guān),也與被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差有關(guān)。當(dāng)調(diào)整參考信號(hào)的相位差,使相位差為零時(shí),同步檢測(cè)器的輸出信號(hào)只與被測(cè)信號(hào)的幅度有關(guān),因而可以實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)的要求。如圖4.11為輸出的直流信號(hào)。圖4.11輸出直流信號(hào)4.4A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與仿真ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道,允許8路模擬量分時(shí)輸入,共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量,當(dāng)OE端為高電平時(shí),才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)就選用ADC0809來(lái)作為A/D轉(zhuǎn)換的主要芯片,如下圖4.11對(duì)其進(jìn)行了仿真,可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能,滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。圖4.12A/D轉(zhuǎn)換器的仿真4.5本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了光纖Bragg光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的硬件仿真與實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行了光纖Bragg光柵應(yīng)變特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了光纖Bragg光柵中心反射波長(zhǎng)與應(yīng)變的線(xiàn)性關(guān)系,其次,對(duì)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的鎖定放大器以及信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的解調(diào)方案的可行性。5結(jié)論與展望5.1結(jié)論本論文主要對(duì)光纖Bragg光柵的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究,并對(duì)方案的可行性進(jìn)行了詳細(xì)的論證,具體工作如下:(1)對(duì)光纖Bragg光柵傳感器的原理進(jìn)行了分析通過(guò)對(duì)光纖Bragg光柵應(yīng)力、溫度特性的分析,同時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了光纖光柵作為應(yīng)變傳感器有很好的線(xiàn)性輸出。證明了光纖光柵作為傳感頭用于應(yīng)變測(cè)量的優(yōu)越性。(2)構(gòu)建了光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)論文構(gòu)建了FBG應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)的每一部分進(jìn)行了詳細(xì)的介紹與分析,包括光源、光電探測(cè)器、壓電陶瓷PZT的選取,以及反饋放大電路的設(shè)計(jì),為下一步的硬件研究提供了幫助。(3)對(duì)非平衡光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x進(jìn)行了分析論文選擇了非平衡光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)。論文對(duì)其組成結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行了分析,并根據(jù)系統(tǒng)需要,對(duì)光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x及壓電陶瓷調(diào)制部分進(jìn)行了主要參數(shù)的計(jì)算,從理論上論證了該解調(diào)方法可以實(shí)現(xiàn)高分辨率動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感信號(hào)的檢測(cè)。(4)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)和仿真進(jìn)行了光纖布拉格光柵應(yīng)變特性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了光纖光柵應(yīng)變靈敏度基本上為常數(shù),光纖光柵作為應(yīng)變傳感器有很好的線(xiàn)性輸出。并對(duì)信號(hào)解調(diào)部分的鎖定放大器、相敏檢波參考信號(hào)和PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器以及A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件仿真,取得了一定的成果。5.2展望本文對(duì)光纖Bragg光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及相關(guān)的硬件實(shí)驗(yàn),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(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難免存在一些不足之處,而隨著我國(guó)設(shè)計(jì)和制作水平的不斷提高以及光柵市場(chǎng)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(yīng)用。今后,還需在以下方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。(1)在未來(lái)的硬件實(shí)驗(yàn)過(guò)程考慮到溫度對(duì)光纖Bragg光柵的影響;(2)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),縮小系統(tǒng)體積,增強(qiáng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì);(3)專(zhuān)門(mén)用于傳感的特殊光纖光柵的制作及其封裝技術(shù)的改進(jìn);(4)高靈敏度解調(diào)裝置的研制以及利用波分復(fù)用,時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用等技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。相信在不久的將來(lái),高性?xún)r(jià)比的分布式光纖光柵傳感器會(huì)在生產(chǎn)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]張興周.Bragg光纖光柵與光纖傳感技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù),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(yīng)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(yīng)變傳遞理論研究[D].大連:大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院,2007,24(2):4l-48[5]王丹生,朱宏平.光纖光柵傳感技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)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(yáng).光纖光柵器件及傳感應(yīng)用研究[D].杭州:浙江大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院博士學(xué)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(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,44(6):931-936.[10]查開(kāi)德.用于大型結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量的光纖傳感器[J].中國(guó)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(jìn)萍,周智.纖維增強(qiáng)塑料—光纖光柵復(fù)合傳感筋[P]:中國(guó)專(zhuān)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(jìn)萍,周智.光纖光柵傳感器及其在大型結(jié)構(gòu)工程健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用[A].光纖傳感器的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化國(guó)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(cè)試驗(yàn)研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2005,18,174-177[17]B.Lee.ReviewofthePresentStatusofOpticalFiberSensors.OpticalFiberTechnology,2003(9):57-79[18]王向陽(yáng).光纖光柵傳感器的基礎(chǔ)研究[D].[清華大學(xué)工學(xué)博士論文].1998:1-10[19]廖延彪.我國(guó)光纖傳感技術(shù)現(xiàn)狀和展望[J].光電子技術(shù)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(jié)構(gòu)早期損傷識(shí)別技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].振動(dòng)與沖擊.2002,21(2):l-8[22]李宏男,李東升.土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)及診斷[J].地震工程與工程振動(dòng).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(jié)構(gòu)布拉格光柵濾波器的研究[J].光電子技術(shù),2002,26(2):174-177[26]呂且妮,羅文國(guó),葛寶臻等.超結(jié)構(gòu)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(zhǎng)光纖光柵的矩陣運(yùn)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(xué)學(xué)報(bào),1999,19(4):540-543[29]周少玲.相移光纖光柵應(yīng)變傳感特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].光纖與光纜及其應(yīng)用技術(shù),2003,1:16-17,22[30]范薇,李學(xué)春,陳柏等.相移光纖分布反饋激光器[J].量子電子學(xué)報(bào),2001,18(5):420-423致謝在本課題的研究及論文的寫(xiě)作過(guò)程中,得到了老師、同學(xué)和朋友們的熱心幫助和真誠(chéng)的支持。在此論文即將完成之際,向所有關(guān)心我、幫助我的人表示最誠(chéng)摯的謝意。本論文從選題到完成,每一步都離不開(kāi)導(dǎo)師趙輝老師的悉心指導(dǎo),在論文的分析研究及撰寫(xiě)的整個(gè)過(guò)程中,趙老師不厭其煩的教導(dǎo)與指正,真正感覺(jué)到了導(dǎo)師在一步步的指引著我的分析研究方向,使我對(duì)所研究的領(lǐng)域有了較全面的認(rèn)識(shí)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(xué)識(shí)、敏銳的洞察力使我受益匪淺,他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任心和忘我的工作精神,將是我今后工作和學(xué)習(xí)的榜樣。也將是我一生中最寶貴的財(cái)富。特別感謝任小芳學(xué)姐,在課題研究期間,學(xué)姐提供了許多的幫助,不僅帶領(lǐng)我進(jìn)入課題,理解原理掌握技術(shù),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(xué)在生活和學(xué)習(xí)、工作中給予我的幫助,使我度過(guò)了難忘的四年大學(xué)生活!謝謝!
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)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(shè)計(jì))不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本論文(設(shè)計(jì))的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中作了明確說(shuō)明并表示謝意。作者簽名:日期:畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))授
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