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重庆理工大学毕业论文 光纤布拉格光栅应变测量系统研究 编号 毕业设计（论文）题目 光纤布拉格光栅应变测量系统研究 二级学院 电子信息及其自动化学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 测控技术与仪器（一）班 学生姓名 学号 指导教师 职称 讲师 时 间 目录摘 要IAbstractII1章 绪 论111 课题研究背景及意义1引言1111 光纤光栅的发展动态2112 光纤光栅传感系统的研究意义512 光纤光栅传感器应用的发展现状71.2.1 国外研究现状71.2.2 国内研究现状813 课题研究内容92章 光纤布拉格光栅应变测量系统的设计1021 光纤光栅应变测量系统的结构1022传感头的设计12221 光纤布拉格光栅的耦合模理论分析12222 光纤布拉格光栅的应变测量原理1323 光纤光栅应变测量系统解调模块的设计14231 光纤光栅传感系统解调方案152. 32 边缘滤波法15233 被动解调法16234 可调光纤F-P滤波器解调法16235 可调谐窄带激光器扫描法17236 锁模调制法18237 环型反射器法19238 非平衡M-Z光纤干涉仪解调2024 光纤马赫一曾德尔干涉仪系统设计2224. 1 光纤马赫一曾德尔干涉仪解调的原理22242 光纤马赫-曾德尔干涉仪光纤系统构成23243 光纤马赫一曾德尔干涉仪的参数计算23244 压电陶瓷的调制及参数计2425 后续信号处理模块的设计25251 信号解调的基本原理262 .52 光纤光栅传感信号的解调262. 6 限制光纤马赫一曾德尔干涉仪动态范围的关键因素272. 6. 1 低通滤波器的约束特性28262 有限的载波频率2827 本章小结293章 系统的实验方案设计3031 光纤布拉格光栅应变测量系统实验研究3032 系统应变测量实验研究3032. 1 应变加载的实现31322 测量数据的处理3133 本章小结324章 实验系统分析3341 测量系统误差分析33411 系统误差来源33412 系统温度补偿的分析33413 光纤布拉格光栅的温度特性334. 14 温度补偿的实现3442 实验分析34421 系统应变测量实验分析34422 相位生成载波解调系统实验分析3543 本章小结355章 结论37致谢38参考文献39摘 要本文以光纤布拉格光栅应变测量系统的设计和实验研究为目的，在对国内外研究现状进行了深入分析的基础上，归纳了当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的几个主要问题，并针对光纤布拉格光栅应变测量系统的实际需要，对光纤光栅应变测量系统的各个环节进行了研究。首先，论文从光纤布拉格光栅应变测量系统的理论模型入手，着重对光纤光栅应变传感特性进行了系统的分析，论证了光纤布拉格光栅作为传感头用于应变测量的优越性；在分析比较了常见的信号解调技术的优缺点基础上，提出应用光纤马赫-曾德尔干涉仪与相位生成载波调制解调技术相结合的方法来实现光纤光栅传感信号的解调，通过详细的理论分析论证了系统方案的可行性；并指出了限制光纤马赫-曾德尔干涉仪动态范围上限的关键因素。其次，对光纤布拉格光栅应变测量系统进行了实验方案设计。通过光纤布拉格光栅应变特性的测试实验，验证了光纤布拉格光栅中心反射波长与应变的线性关系：对应变测量系统进行了实验方案设计和仿真实验研究，证明了系统所设计的解调方案能够实现系统的高精度测量。最后，对实验系统进行了分析。基于光纤光栅的温度晌应特性，提出用一个参考光栅来进行光纤光栅应变测量温度补偿的设计方案，并详细推导了其补偿原理，证明了该方法的可行性；此外，系统在进行温度补偿的同时也消除了外界干扰对应变测量的影响。关键词:光纤布拉格光栅;光纤光栅测量系统;应变测量;光纤马赫-曾德尔干涉仪;信号解调;相位生成载波IAbstractIn the thesis，strain measurement system of FBG is designed systemically and researched by experimentBased on analysis of domestic and foreign study actualitieson FBG development trend and several main problems of FBG sensor in application are summarizedAnd to meet the need of practical strain measurement system，we research each aspect as design for strain measurement system of FBGFirst，starting with theoretic model of strain measurement system of FBG，focuses on the systematic analysis of the strain sensing properties of fiber Bragg grating，proves the superiority of the application of FBG as sensor to strainm easurement；on the basis of analyzing advantages and disadvantages of familiar demodulationTechniques a method that combines non-balanced fiber MachZehnder interferometer(FMZI)and phase generated carrier(PGC) modulation and demodulationtechnique is proposed to realize signal demodulation of FBG sensing system，andthe proposed system scheme is testified to be feasible by analyzing detailedtyand theoreticallyAs the same time，factors limited the upper limitation of the dynamic range in fiber MachZehnder interferometer is analyzed theoreticallyNext，experiment scheme of strain measement system of FBG is designedStrain performance of FBG is tested experimentally,which proves that the center wavelength of FBG is linear to strainExperiment scheme design and simulation of strain measurement are made to testify that the demodulation schemed esigned by systemcan realize the high-accuracy measurementLast，the systemic is analyzedDue to temperature performance of FBG,a reference FBG is adopted to compensate temperatureThe proposed system scheme is testified by deriving the compensation principle detailedlyMoreover，this scheme not only realizes temperature compensation but also eliminates the effect of environment fluctuation acting on strain measurement。Keywords:Fiber Bragg grating；FBG measurement system；Strain measurement； Fiber MachZehnder interferometer； Signal demodulation；Phase generated carrierIII1章 绪 论11 课题研究背景及意义引言近年来，在国防、工业与农业生产、环境保护、生物医学、计量测试、交通运输、自动控制等领域，对3S(smart material，smart structure，smart skin)系统的研究与应用已引起了科学界极大的关注并成为研究热点。其中对应变测量系统的研究与应用就是重点研究内容之一。3S系统1含义是：把高超的光纤光栅技术、光纤网络、光纤制动仪器有机地融为一体。利用掩埋或贴附的方法把它们复合到制造现代运载体(如飞机、舰船、坦克等)或各种建筑体(如桥墩、大坝、楼房等)的框架和承力件外蒙皮的复合材料中，制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏反映的智能传感系统。该系统对被测体的应变、温度、应力、老化、裂变等各种物理量进行大面积实时综合测量、诊断和控制，并通过测量和数据处理系统进行状态分析，同时对各种越限行为及时告警，必要时采取应急措施。光纤光栅作为一种新兴的光纤无源器件，是光纤技术进展的产物2。以光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称为FBG)为主的光纤光栅传感器之所以能够如此受到关注，是因为它除了具有光纤传感器的抗电磁干扰、耐高温、体积小、灵活方便等优势，还具有其它传感技术无法替代的优点，如其传感信号是以波长调制的，所以测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影；避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题；其复用能力强，在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入(或粘于)被测结构，可同时得到几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。因而，光纤光栅在光纤传感器领域具有十分广阔的应用前景3-5。就目前来说，光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感领域6。随着光纤光栅制造技术的不断成熟和商用化，光纤光栅将改革人们在光纤技术应用中的传统思想，可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器(EDFA)技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。光纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们进入全光信息时代带来了无限生机和希望。11 1 光纤光栅的发展动态1978年，加拿大通信研究中心的KOHill等人首次利用窄带488 nm的激光制作光纤Bragg光栅。在掺锗的单模光纤中，行波场通过光纤端面的反射在光纤中形成一个驻波场，光纤中形成了持久的与写入光驻波场空间分布相同的周期性折射率改变，这种折射率的周期性变化构成了一个Bragg光栅。1989年，美国联合技术研究中心的GMeltz等人发明了光纤Bragg光栅的外写入法，首次利用244 nm KrF准分子激光器、采用双光束侧面全息干涉法研制成功Bragg光纤光栅滤波器。1993年，Hill等人提出的相位掩模制造法7和逐点写入技术使先纤光栅的制造技术得到重大发展，光纤光栅的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，世界各国掀起了光纤光栅技术研究的热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现。到目前为止，人们可以制造出波长范围从紫外到近红外、峰值反射率从低于百分之一到几乎百分之百、反射带宽从低于01纳米到数纳米的光栅8。 由于光纤光栅的折射率分布反映了光纤光栅的周期和折射率调制等结构参数，这些参数决定了光纤光栅的Bragg波长、带宽和反射特性等，从而使不同的折射率调制及不同结构的光纤光栅具有了不同的功能，形成不同的光纤光栅器件。因此，光纤光栅的类型按其空间周期和折射率分布特征主要发展为以下八种：(1)均匀周期光纤布拉格光栅(uniform Bragg grating)这是最为常见的一种光纤光栅，其折射率分布如图1-l(a)所示。它在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用等领域有重要的应用价值。(2)啁啾光纤光栅(chirped grating)其主要特点是光栅周期非均匀性，其折射率分布如图1-1(b)所示。啁啾光栅被广泛应用于WDM系统的色散补偿、掺饵的光纤放大器与光纤激光器的性能优化等方面。(3)超结构与重叠光纤光栅(superstructure grating)在光栅写入过程中对写入光源进行调制可以制作出超结构光纤光栅或取样光栅，或在光纤同一个位置重叠写入多个具有不同中心波长的光栅，这两种光栅在多波长光纤激光器方面有一定应用价值阶9-11。(4)倾斜光纤光栅(tilted grating)主要是光栅平面与光纤轴向有一定的夹角，它主要可以用作掺饵光纤放大器的增益平坦滤波器、光传播模式转换器等12。(5)摩尔光纤光栅(moire grating)它是通过在原先写入光栅的位置上再写入一个光栅得到的，其折射率分布如图1-1(c)所示。如果在光纤的同一位置写入多个不同的Bragg光栅则会产生多个反射峰，可做成梳状滤波器用于复用解复用系统中，还可用在多波长光纤激光器和多参量测量传感系统中13。(6)Taper型光纤光栅(taper grating)这是一种切趾光栅，它的周期均匀，但折射率随一定的函数关系变化，正弦型Taper光栅的折射率分布如图1-1(d)所示。Taper型光纤光栅可构成各种滤波器、波长变换器和光插分复用器。(7)相移光纤光栅(phase-shifted grating)主要通过在制作过程中引入光栅相移得到，其折射率分布如图1-1(e)所示。这种光栅在光通信中特别是在多通道光波系统中，可被用来选择通道14-15。(8)长周期光纤光栅(long-period grating)长周期光纤光栅在带阻滤波器、宽带掺饵光纤放大器的增益平坦、高灵敏度传感器等方面有重要的应用背景。从大量的文献资料分析可以看出，当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的问题主要有：(1)光源 光纤Bragg光栅传感器需要大功率宽带光源或可调谐光源。目前一般采用的侧面发光二极管(ELED)功率较低，而激光二极管(LD)的带宽则较窄。 图1-1 各种光栅折射率的变化 Fig.1-1 The refractive index modulation of various FBG(2)光纤光栅基本性质的研究包括光纤材料光敏本质的机理；光纤光栅灵敏度、动态范围的提高途径；光纤光栅增敏和去敏的可能方式；交叉敏感的解决途径。（3）光栅传感器的制作与封装光纤光栅作为传感功能器件，其反射率不稳定，会严重影响整个传感系统的性能。因此，制作稳定的光纤光栅，及对封装技术的研究，是实现可靠传感的重要因素。 (4)信号解调 光纤Bragg光栅用作传感时是波长编码的，要获得原来的传感量，就需要从测得的光信号中检测出布拉格波长的漂移，实现信号的解调。光栅解调系统的成本通常占整个传感系统成本的绝大部分，它的检测精度也往往决定着整个系统的传感精度。可以说，解调系统是光纤光栅传感系统的核心。而目前，实验中一般采用的光谱分析仪价格昂贵、体积大，尤其是不能输出与被测物理量成正比的电信号。因此，在实用中必须开发出高效低成本的信号解调系统。(5)多路复用传感器阵列研究如上所述，传感系统中解调模块的成本在整个成本中的比例非常高，如果用同一解调模块对多个传感光栅进行解调，即在系统中复用多个传感光栅，则每个传感探头上的平均成本就能大大降低。而且多点传感系统的体积也能明显减小。因此，实现多参数、多变量同时测量的智能化遥测是发展的重点。 112 光纤光栅传感系统的研究意义近二十年来，我国经济的快速发展为建筑业的发展带来了契机，大型结构如桥梁、高层建筑、大坝、核电站等工程建设进入了前所未有的高潮时期。建筑结构的多样化和复杂化，带来了建筑结构工程科研、设计、施工、监理和管理水平的全面提升，也带动和促进了相关产业的发展。同时，其安全可靠性己成为当今社会普遍关注的重大问题16。因为如果不能及时发现这些重要结构在服役期内的损伤位置及其对整个结构的危害性，其灾难性后果不仅会造成无法估量的经济损失，还会严重危及到人们的生命财产安全。结构监测的前提是从结构中提取能反映结构特征的参数。最能反映结构局部特征，便于结构安全评价与损伤定位的是应变信号，应变是材料与结构的重要物理特性，是重要工程结构健康监测最为重要的参数之一。因此，对大型结构应变，进行长期、实时、在线监测，具有十分重要的意义。目前，对结构的应变检测主要采用常规的检测手段，即电类传感测量技术，如电阻应变片、钢弦计等，它们虽在大型工程结构的施工质量控制及竣工验收中得到广泛应用，但就对结构的长期、实时、在线监测而言，则存在着根本不足。传统的电阻应变片传感元件的性能虽然在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的，但其受环境影响较大，如电磁干扰、潮湿、化学腐蚀等都会使其零点发生长期漂移，因此长期应变测试的结果会严重失真。在混凝土应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。由于钢弦丝长期处于张紧状态，蠕变现象十分严重，国产钢弦应变传感器的正常使用期为3年左右。总之，上述常规的电类传感检测手段存在传感元件寿命短、测量易受环境影响、不能进行分布测量等缺点，因而均不能实现对重大工程结构安全状态的长期监测。已广泛研究的光纤微弯传感器始终存在一些难以克服的缺点，如受光强影响大、光纤弯曲损耗和连接损耗大。同时，这种传感器的数据采集系统采用的是光时域反射技术，由于该技术的空间分辨率决定于光纤对背散射光信号进行偏振分析的时间分辨率，这一局限性导致光纤微弯传感器的空间分辨率不可能很高。另外，背散射不能够提供光纤偏振的所有信息，固定传感器的位置时需要很长的光纤且不能随意布置，因此它也是制约这种传感器应用推广的障碍。通过国内外同行的大量研究和实践，已将应变测量锁定在光纤光栅传感技术上。传感器的嵌入带来诸多好处。首先，在结构件的制作过程中，通过这些嵌入的传感器能够实时地监测诸如温度、压力、粘滞性、固化程度和残余应变等过程参数，从而实现制作过程的优化和控制。其次，在结构件制作好并用于某种应用后，同样是这些传感器还能够使应用在不间断运行的情况下对结构件的受力、损伤等情况进行动态监测，从而及时地发现故障点、故障程度并采取相应的处理措施。光纤光栅传感器之所以如此受到关注是因为它具有其它传感技术无法替代的优点：(1)光纤光栅具有体积小、重量轻、强度高和弯曲性能好等特点，适于大面积对各手中形状的物体进行实时监测。(2)光纤具有细柔韧的特点，使得它容易掩埋或贴附到各种材料中形成光纤神经网络。(3)具有比其它传感器高得多的灵敏度，一旦形成智能材料，便可以对各种监测对象进行高精度的自诊断和自治愈功能。(4)抗干扰能力强，一方面因为普通的光纤传输不会影响传输光波的频率特性；另一方面是因为光源光强的起伏、光纤微弯效应等引起的随机起伏以及耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性。因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。总之，光纤布拉格光栅除了具有光纤传感器的特点外，其波长编码特性使其感测结果不受光源功率波动及光的偏振态的变化的影响，并且便于利用复用(波分、时分、空分等)技术实现对应变的准分布式多点测量。这在现代高科技及工业的发展诸如建筑结构、航空航天、水坝桥梁、强场探测等领域的智能结构中具有重大的实用价值。12 光纤光栅传感器应用的发展现状由于光纤光栅传感器自身具备许多其它传感技术无法替代的优点，所以自其出现以来引起了世界各国的广泛重视，并且已经取得了持续和快速的发展。光纤光栅传感器已经在地球动力学、航天船舶、民用工程结构、电力工业、医学及化学传感等多个领域获得了应用。1.2.1 国外研究现状光纤光栅传惑器的种类很多，由于应变测量的广泛性，光纤光栅应变传感器自然成为目前研究的热点。应用光纤光栅应变传感器最多的领域之一当数桥梁的安全监测。自1993年加拿大卡尔加里的Beddington Trail大桥首先使用了光纤光栅进行应力测量并用此方法长期监测桥梁结构以来，国外先进发达国家都用光纤光栅传感技术作为桥梁长期安全监测的首选技术。如美国新墨西哥Las Cruces的I一10桥梁工程用了67个光纤光栅传感器贴在桥下的钢梁上测量桥上车辆运动引起的形变应变，传感器可探测经过桥梁的重型卡车和超重卡车数，也可探测动态荷载引起的结构响应，此工程也可将传感器嚣于关键的强应力位置来验明结构的损坏和退化，了解桥梁对交通响应的长期变化；佛蒙特大学的fuhr和Huston领导的研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛蒙特钢构架大桥，测量数据传输到中心计算机进行分析并发布到万维网(WWW)上；德国的Meissner等人将布拉格光栅埋入德累斯顿附近A4高速公路上一座跨度72米的预应力水泥大桥的混凝土棱柱中，测量荷载下的基本线性响应17。在其它一些发达国家也有光纤光栅传感器用于桥梁监测的例子，均取得了良好的效果，并有力地推动了桥梁工程科学的发展。光纤光栅传感器用于大型工程结构的健康监测目前仍处于探索阶段，其研究时间较短。早期研究主要集中于光纤传感技术用于混凝土结构的健康监测(Mendezetal，1989)，后来日本、美国和瑞士科学家将该技术扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量或监测，从而开辟了光纤光栅传感器用于大型工程结构健康监测的新领域。Pietro等详细探讨了光纤布拉格光栅传感器的原理、检测方法、应变与温度信号分离方法，并开发出了可以用于岩石、隧道变形测量和地震监测的光纤地震检波器、光纤地震仪等。Udd等用光纤布拉格光栅传感器对桥梁变形的测试研究表明，光纤布拉格光栅传感器不仅可以测出运动中车辆的重量，而且可以监测车辆的行驶速度，甚至可以检测出桥上行人所引起的微弱应变18。1.2.2 国内研究现状国内光纤光栅传感器的研究开发相对国外落后一些，上世纪九十年代初期，清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展传感光纤光栅的研究。尽管进行了大量理论和实验研究，现阶段大部分光纤光栅传感器的研究还只局限在实验室范围，且大多数使用的是现成的通讯用布拉格光栅，很少使用传感专用的布拉格光栅。但总的来说，通过十多年的研究和开发，光纤光栅传感技术已得到快速的发展，特别是在光纤光栅传感机理、光纤光栅制各技术、解调技术、信号检测与处理技术方面具备了相当水平的理论基础和一定的技术水准。为了加快我国在这个高新技术领域的发展，国家计委通过“光纤传感技术国家重点工业试验基地”项目的投入，引进了光纤光栅制备系统和多通道光纤光栅解调等相关设备，使我国在传感用光纤光栅的研究方面具备了世界先进水平的物质技术基础，加快了我国在此领域赶超国际技术的步伐。经过几年的努力，在光纤光栅的制备技术、传感技术和解调技术方面，取得了多项成果。特别是在光纤光栅制各技术的研究方面，已取得重要进展，其主要技术指标达到国际先进水平。在光纤光栅设备方面，已成功研制出多点光纤光栅解调的实验装置。武汉理工大学光纤传感技术国家重点工业性试验基地已研制出了光纤光栅应力、温度、振动、加速度、化学等多种传感器。13 课题研究内容本论文对光纤布拉格光栅应变测量的基本原理和传感原理进行了分析；对近年来报道的光纤光栅传感系统信号解调的方法进行研究和比较，提出利用光纤马赫一曾德尔干涉仪进行应变测量，并用相位生成载波调制解调系统进行信号解调的应变测量系统。论文主要包括以下几部分内容：第一章介绍了光纤光栅的发展过程及国内外光纤光栅的应用状况，分析了当前光纤光栅传感器实用化所需要解决的问题，论述了光纤光栅应变测量系统的研究意义以及论文的目的和主要内容。第二章详细分析了光纤布拉格光栅应变测量系统的原理。从光纤布拉格光栅的应变传感机理出发，进行了光纤光栅应变测量系统传感头的设计；重点对光纤光栅测量系统解调模块进行设计，提出采用光纤马赫一曾德尔干涉仪及相位生成载波信号解调技术实现应变传感信号的解调，并进行了详细分析和推导，证明了系统的可行性；理论分析了限制马赫一曾德尔干涉仪动态范围上限的关键因素以及能满足不失真信号检测相位生成载波检测信号所必须保留的频带宽度。第三章进行了光纤布拉格光栅的应变特性测试实验，以及基于光纤马赫一曾德尔干涉仪的光纤光栅应变传感解调实验：对相位生成载波调制解调过程进行了仿真实验研究。第四章对光纤布拉格光栅应变测量系统误差补偿方案及实验结果进行了分析。主要介绍应变测量系统温度补偿的原理及相位生成载波解调实验结果的分析，同时提出对上述存在问题的一些改善和优化措旋。2章 系统设计21 光纤光栅应变测量系统的结构光纤光栅应变测量系统从功能上可划分为两个模块，传感模块和解调模块。传感模块由光源、光纤和光纤光栅组成。其作用在于产生被传感的物理量调制了的光信号。解调模块由传感模块以外的部分组成。解调模块接收传感模块产生的光信号，进行光电转换，与调制控制电压并行进行传感信号的提取，再经AD转换和计算机的处理，得出传感量值。本文设计的光纤光栅应变测量系统结构如图2-1所示。 图2-1 测量系统原理图 Fig2-l Diagram of measurement system系统的光路如下：宽带光源发出的光经过一个耦合器照射到具有带阻滤波能力的光纤光栅传感元上，布拉格波长的光波被光纤光栅反射至一受正弦波信号驱动的非平衡光纤马赫一曾德尔干涉仪上，干涉仪一臂由PZT进行相位调制，可以对输入到干涉仪的信号光进行调制，从而实现信号的交流探测。因为光纤光栅波长漂移与干涉输出的附加相移呈线性关系，所以干涉仪可用来对光纤光栅传感信号进行相位解调。系统的电路如下：干涉输出信号经光电转换后与压电陶瓷的驱动信号分别作为待测信号和参考信号一起输入相敏检波电路。相敏检波之后输出的信号经过AD转换输入到计算机。利用数字信号处理技术，可以对信号进行频谱分析和高低通滤波及后续的处理。考虑到现在光通讯业的迅速发展给科研实验提供了许多商用器件，所以尽可能的采用光通讯中普遍使用的器件对于实验和应用而言都是非常有利的。下面就光纤光栅测量系统的主要器件进行简要介绍。(1)光源 光纤布拉格光栅对应变的敏感反映在其反射光中心波长的变化上，其窄带反射光在一定的波长范围内变动。因此，光源的选取主要考虑以下因素：谱宽。因谱宽越窄，相干时间越短，选取谱宽较宽的光源有利于提高系统分辨率，但增加了系统的调节难度。功率。因功率越大，信号越易检测。本系统采用ASE稳定化光源(型号：ASEl00)，其波长范围为15281610 nm，输出功率1350 dBm，长时功率稳定度005dB。(2)光器件的互连本系统是利用光纤光栅的反射光来测量应变的，因此需要将光源、光纤光栅和解调信号用的后续光纤系统互连。根据现有实验条件，本系统采用re(面接触)型接头和分光比50：50的22耦合器，即通常所说的3dB光纤耦合器进行连接，阻方便实验和调试。在光纤马赫一曾德尔干涉仪中，光耦合器起着分束与混合光信号的双重作用，使光干涉得以实现。(3)光电探测器 光电探测器用来把光辐射量转换为电量(电压或电流)。选择光电探测器主要取决于两个参数：一是探测器的灵敏度，二是探测器的带宽。本系统采用的光源的额定输出功率为1350 dBm，光谱宽度为82 nm(假设光功率平均分布在这段光谱范围内)，选用的光纤光栅的带宽为03 nm。因此，选用的探测器的灵敏度应该在nW量级。对于本系统测量的应变量而言，最高频率约为几百赫兹左右；再考虑到光纤马赫一曾德尔干涉仪上的调制信号为l KHz左右，因此，探测器的带宽达到千赫兹量级即可。常见的能用于中心波长1550 nm附近光纤光栅传感系统的探测器主要有：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。综合考虑三者的性能和价格以及系统的需要，我们选用带有内置前放和尾纤的高灵敏度PIN光电二极管。22传感头的设计本系统采用光纤布拉格光栅作为传感探头实现对应变的测量。选择光纤布拉格光栅传感器主要考虑以下三个问题：一是工作波段，二是传感器的封装，三是传感器的反射率和反射带宽。由于已选定1550 nm波段的光源，所以，只能选用1550 nm波段的光纤光栅。光纤布拉格光栅是利用相位掩模技术写于预先经过载氢处理的光敏光纤上，裸光纤光栅特别纤细，外径约为125m，其主要成分是SiO，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，南接将其作为传感器在实际中遇到了布设工艺的大难题。应采取封装措施对光纤光栅进行保护，以保证传感器能够在应用环境中准确的传递基体应变。因此系统选用热膨胀系数较大的聚酰纤维Potyimide聚合物材料涂覆封装的光纤光栅。传感用光纤光栅选用反射率为90、反射带宽03nm的FBG。下面从耦合模理论出发，具体分析光纤布拉格光栅的传感特性及实现应变测量的原理。221 光纤布拉格光栅的耦合模理论分析所谓光纤光栅是指光纤纤芯中周期性的折射率变化所形成的光栅效应，是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。光纤布拉格光栅的结构如图22所示。入射进光纤光栅的宽带光，只有满足一定条件波长的光才能被反射回来，其余的光都被透射出去。光纤布拉格光栅从本质上讲是通过波导与光波的相互作用，将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向传输的限定在纤芯中的模式耦合到后向传输的限定在纤芯中的模式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。 图2-2光纤光栅结构示意图 Fig2-2 Structural diagram of fiberBraggg rating222 光纤布拉格光栅的应变测量原理由模式耦合理论可知，光纤光栅布拉格波长取决于光栅周期和反向耦合模的有效折射率，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光纤布拉格光掇波长的漂移。基于这一点，一种新型、基于波长漂移检测的光纤传感机理被提出并得到广泛的应用。在所有引起光纤光栅波长漂移的外界因素中，最直接的为应力、应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是挤压，都势必导致光栅周期的变化，且光纤本身具有的弹光效应使有效折射率，也随外界应力状态变化，因此采用光纤布拉格光栅制成光纤应力应变传感器就为光纤光栅在光纤传感领域中最直接的应用。由耦合模理论可知，光纤光栅的Bragg中心波长为： (2-1)式中，为光栅区的有效折射率，人为布拉格光栅的周期。光纤本身在应变作用下的弹性形变、光纤的弹光效应将导致和，的不同变化，进而使光栅中心波长产生漂移。由布拉格条件可得： (2-2)该式表明反射波长漂移与光纤芯的有效折射率及光栅周期的变化有关。在具体讨论之前，首先提出以下几点假设19：(1)光纤光栅作为传感元，其自身结构仅包含纤芯和包层两层，忽略所有外包层的影响。这一假设是有意义的，首先从光纤光栅的制作工艺来讲，要进行紫外曝光，必须去除光纤外包层以免除它对紫外光的吸收作用，所以直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构的分析能更直接的反映光纤本身的传感特性，而不至于被其它因素所干扰。(2)由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性体，遵循胡克定理，且内部不存在切应变。该假设与实际情况也非常接近，只要不接近光纤本身的断裂极限，都可以认为该假设是成立的。(3)紫外光引起的光敏折射率变化在光纤横截面上均匀分布，且这种光折变不影响光纤自身各向同性的特性，也即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的特点。（4)所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间的变化情况。 (2-3)上式为光纤光栅由弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数。利用纯熔融石英的参数，只、，可得光纤光栅相对波长应变灵敏度系数。如果取波长为1550 nm，光纤光栅弹光效应单位纵向应变引起的波长漂移为。通过本节的分柝可以知道光纤布拉格光栅的波长漂移与应变变化成线性关系，因此，可以通过测量波长漂移的变化实现对应变的测量，从而也证明了本系统采用光纤布拉格光栅作为传感头的可行性。23 光纤光栅应变测量系统解调模块的设计231 光纤光栅传感系统解调方案光纤布拉格光栅作为波长调制型传感器，其被测信息转化为特征波长的移动，要获得原来的传感量，就需要从测得的光信号中检测出布拉格波长的漂移，实现光纤光栅传感信号的解调。光纤光栅解调系统的成本通常占整个传感系统成本的绝大部分，它的检测精度也往往决定着整个系统的传感精度。因此，如何对光纤光栅的波长编码信号进行解调，是实现光纤光栅传感的关键。光纤光栅传感解调系统包括光电探测和信号处理两部分。在光纤布拉格光栅传感系统中，温度或应变引起Bragg反射波长的移动，光的基本性能都可能受到调制。因此在解调系统中，光路系统所对应的检测就可以是光的强度检测、相位检测、频率检测、偏振态检测等。测量波长变化量的经典方法是直接采用光谱分析仪、单色仪测量波长的变化，但这些仪器价格昂贵，体积大，不便携带，不利于传感系统的实用化。为此，国内外发展了多种技术用于波长编码的解调。以下是对这些方法的简要评述。2. 32 边缘滤波法 MA Davis等人利用波分耦合器在15201560 nm的波长范围内，耦合器的效率与波长基本呈线性关系的特殊传输特性来测量光纤光栅的波长变化。测量系统如图2-3所示。宽带光源发出的光被传感光栅反射回来后进入耦合器。耦合器的出射光分为两柬，这两束光的功率与入射光的功率关系在同一坐标系下形如X。两束出射光通过光电探测器变成电信号，经过处理后消除光功率变化的影响，最后得到波长的变化量。这种方法后续的电子处理电路极为简单，但由于受器件传输特性的影响，测量的分辨率较低。对于一些对测量分辨率要求不是很高的场合而言，该方法提供了一种结构简单、性能价格比很高的测量方案。 图2-3波分耦合器解调示意图Fig 2-3 Diagram of wavelength division coupler demodulation technique233 被动解调法 1992-1994年，由sMMelle，MADavis等人提出并发展的无源自参考波长解调传感系统，如图2-5所示。宽带光源发出的光经耦合器入射到传感光纤光栅上，其反射光波通过另一个3dB耦合器后，被分成等强度的两路光，一路经与波长有关的滤波器滤波，另一路作为参考光束，两者分别被探测器接收，测得的信号放大后经模拟型除法器相除，得到与光栅中心波长有关的输出值。滤波器在传感FBG反射谱移动范围内是线性变化的，当外界物理量作用于光栅使其反射波长移动时，经滤波器滤波后，进入探测器的光强随波长按滤波曲线而变化，经处理后输出即反映了加载于FBG上的物理量的大小。该系统比较简单，消除了光源波动的影响，且体积可阻做得很小，适用于静态或准静态信号的测量。该系统的分辨率由滤波器的滤波曲线斜率决定，对于不同的斜率，分辨率不同，因此系统分辨率不高，而且滤波曲线的线性近似也造成一定的误差。234 可调光纤F-P滤波器解调法1993年，由ADKersey等人提出22。对于单个光栅可以使用闭环模式。对复用系统的光栅使用扫描模式，如图2-4所示。宽带光源发出的光经隔离器进入传感光栅阵列，反射光信号经耦合器到达可调谐F-P滤波器，F-P滤波器工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在其中的压电元件上调整腔间隔，使其窄通带在一定范围内扫描，当它与传感光栅的布拉格波长相匹配时，则让传感光栅反射的信号通过。因此，可由此时的FP滤波器驱动电压一透射波长关系测得FBG反射峰位置。但由于透射谱是反射谱与F-P滤波器透射谱的卷积，会使带宽增加，分辨率减小。为此，在扫描电压上加一小的抖动电压，输出经混频器和低通滤波器，测量抖动频率，在信号为零时，所测即为光栅的反射峰值波长可大大提高系统的分辨率。由于FFP调谐范围很宽，可实现多传感器的解调。该系统可用于静态或准静态信号的测量，但高精细度FFP成本太高，滤波损耗较大。 图2-4可调F-P滤波器解调示意图Fig2-4 Diagramo ftunable F-P filter demodulation technique235 可调谐窄带激光器扫描法可调谐窄带激光器扫描法23就是用窄带可调谐激光源输入光纤光栅，并周期性的扫描变化其波长以扫描光纤光栅的反射谱(或透射谱)，当激光波长调谐至FBG反射峰值波长时，探测器处接收的反射信号光强最大，根据此时激光器的扫描电压一波长关系即可得知相应的传感光纤光栅的中心反射波长。此系统可以采用光纤F-P滤波器(FFP)或FBG作为波长调谐元件来控制激光器的波长连续调谐输出。系统分辨率取决于激光器线宽与FBG反射谱的卷积。这类系统的信号光功率高，可以忽略噪声，适于测量静态或准静态参量。基于FFP的光纤激光器调谐范围可达40 nm，能满足较大数目波分复用传感系统的解调。236 锁模调制法1993年，由ADKersey等人提出了一种锁模光纤激光器作为光源的光纤光栅传感系统，如图2-5所示。用多个光纤光栅、同一个宽带反射器和相同增益介质构成了共轴激光腔。特别的，在该腔中加入了锁模调制器(MLM)，如声光调制器等。腔中泵浦光由耦合器输入，两端反射器由宽带反射镜(输出镜)和光纤光栅构成。以只有两个光纤布拉格光栅传感单元为例，MLM的频率满足，为反射镜和FBGl之间的腔体长度；为两个光纤光栅传感单元之间的距离；、分别对应于两个光纤光栅反射波长，相应激光输出波长为、。因此，改变调制器的频率，可以将激光器锁定在不同的模式下，形成强烈的激光脉冲，激光器因此输出不同谱线的激光，从而寻址不同的光纤光栅，测量出外界扰动引起的波长变化，实现了各传感元件之间的波分复用。在两个传感光栅的情况下，锁模工作方式必须满足：光纤增益和光栅反射率在两个Bragg波长上应大致相等，只有这样，才能在激射一种波长的同时抑制另一种波长。当系统中有n个腔(由反射镜和第n个光栅构成)的模式间隔至少应大于第一个腔模式问隔的一半。这种方案并未从根本上解决纵模模式噪声及纵模间跳模干扰的问题，而且采用锁摸结构降低了系统的分辨率和动态测量能力。 图2-5 锁模调制示意图 Fig2-5 Diagram of modelocked demodulation technique237 环型反射器法上述方法只能用于单个传感单元，对于复用系统，可采用如图2-6所示的环型反射器法。该系统在激光腔内增加一个波长可调谐的窄带滤波器，用它选择受激波长。由隔离器、可调的FFP滤波器和掺铒光纤放大器所组成的环路使得光纤Bragg光栅反射光再被反射回，由此组成了谐振腔。腔的另一部分是一系列不同波长的光纤光栅。光纤光栅作为传感单元，可以用光纤连至任意位置。通过调节波长可调的窄带滤波器，只有当FFP透射谱与某一个光纤Bragg光栅反射谱相一致时，微弱荧光才能在环型腔内单向循环放大而激发出强烈激光，通过同步探测其输出光强可寻址各FBG及波长位置。需注意的是，该系统中各个光纤光栅传感单元的测量波长不能重叠，并且都要落在掺铒光纤的增益带内，一般在15251560 nm之间。该系统只能在某一波长上静态扫描，不能加振颤信号，故只能达到约25的测量分辨率，但适合波分复用传感阵列的解调。 图2-6环型反射器解调示意图Fig2-6 Diagram of circularity reflector demodulationt echnique238 非平衡M-Z光纤干涉仪解调 1992年，ADKersey等人提出24。如图2-7所示。宽带光源(BBS)发出的光经过耦合器入射到传感光纤光栅，其反射光经另一耦合器进入不等臂长的MachZe