（检测技术与自动化装置专业论文）基于光纤光栅的桥梁索力无线监测系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 长期以来，由于技术水平的限制，对桥梁进行索力监测时经常采用频率法， 其中的数据采集部分经常采用压电陶瓷加速度传感器。这种方法具有检测速度 快、测量精度高的优点。但是由于压电陶瓷加速度传感器输出的是弱电信号，要 实现远距离传输，需要在电路中加入许多放大器，从成本和施工考虑，这种方法 很难实现索力远程实时监测，只适用于索力的定期检测。同时，在某些情况下， 这种方法的低频特性也不是很好。 随着光纤传感技术的发展，国内外提出了基于光纤光栅传感器的桥梁索力监 测系统，它能够克服传统的检测技术的上述缺点，低频特性好，并且可以很方便 的实现索力远程实时监测，具有一系列的优势。但同时带来了新问题：由于桥梁 拉索数量很多，出于成本以及施工条件的考虑，不可能在每根拉索上安装光纤光 栅传感器，只能将传感器固定在某几根拉索上，当需要测量其他拉索受力情况时， 传感器的拆卸安装也需要耗费大量的人力物力。 针对这种情况，本文提出了一种基于光纤光栅的桥梁索力无线检测系统。由 于在数据的发送端和接收端采用了移动方便的无线传输模块，在需要测量桥梁其 他拉索受力情况时，该系统能够在很大程度上减小传感器及相关光缆电缆的拆卸 安装所耗费的大量人力物力，很好的克服了上述系统的缺点，并且同时具备很多 优点，如灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、传输距离远等，而且结构简单、尺寸小、 质量轻、频带宽、可进行温度、应变、压力等多种参数的分布式测量，具有很强 的工程意义。 本系统由数据采集、数据无线传输和监测评估三部份组成。系统利用光纤光 栅传感器实现对桥梁索力的实时数据监测；采用无线传输模块实现数据的无线传 输；利用虚拟仪器在上位机实现监测与健康评估。数据采集部分负责收集传感器 传输的光信号，经波长解调后通过串口发送给无线发送模块；数据无线传输部分 包括无线发送模块和无线接收模块，由发送模块将下位机送来的索力监测数据按 照特定传输协议发送给接收模块；监测评估部分包括串口通讯部分和数据分析部 分，由相应的监测评估软件实现数据的处理，图表显示和分析。 本文主要论述了光纤光栅应变传感器，光纤光栅温度传感器和光纤光栅测力 环的工作原理及具体实现，探讨了无线传输模块n r b 2 4 e 1 的工作原理，并且分 别利用c 语言和l a b v i e w 设计了无线传输部分软件系统和客户端数据处理部分 软件系统，实现了监测数据的分类管理，历史查询和图表显示。 关键词：光纤光栅传感器，索力监测，无线传输，l a b v i e w 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o ra l o n gt i m e ，b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft e c h n o l o g y , i nt h eh e a l t hm o n i t o r i n g s y s t e mo fb r i d g e s c a b l e s ，p e o p l eu s u a l l yu s ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca c c e l e r a t i o n s e n s o r st om e a s u r es t r e s sf r o mc a b l e s t h i sm e t h o dh a sa d v a n t a g e ss u c ha sf a s t d e t e c t i o ns p e e da n dh i 【g hp r e c i s i o n h o w e v e r , b e c a u s et h eo u t p u ts i g n a lo fs e n s o ri s w e a ke l e c t r i cs i g n a l ，i no r d e rt oa c h i e v el o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n ，w en e e dt oa d d m u l t i - l e v e lc i r c u i ta m p l i f i e r s c o n s i d e r i n gt h ec o s ta n dc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，t h i s m e t h o di sh a r dt oa c h i e v er e a l - t i m er e m o t em o n i t o r i n go ft h ec a b l e ，o n l ya p p l i e st o t h er e g u l a rc a b l ef o r c ed e t e c t i o n a tt h es a m et i m e ，i ns o m ec a s e s ，t h el o w f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co ft h i sm e t h o di sn o tv e r yg o o d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a ls e n s i n gt e c h n o l o g y ，a th o m ea n da b r o a dm a n y p e o p l ep r o p o s et h eb r i d g ec a b l ef o r c em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nf b g s e n s o r s i t c a no v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o ns y s t e mw i t har a n g eo f a d v a n t a g e s b u ti t a l s ob r o u g h tan e wp r o b l e m ：w i t ht h el a r g en u m b e ro fb r i d g e s c a b l e s ，c o n s i d e r i n gt h ec o n s t r u c t i o nc o s t sa n dt h ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，i tc a nn o t i n s t a l lf b gs e n s o r so ne a c hc a b l e ，a n ds e n s o r sc a no n l yb ef i x e di ns o m ec a b l e s w h e nw en e e dt om e a s u r eo t h e rc a b l ef o r c e ，w ew i l lw a s t eas i g n i f i c a n ta m o u n to f m a n p o w e ra n dr e s o u r c e s i nv i e wo ft h i sk i n do fs i t u a t i o n ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e do n ew i r e l e s sm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nf b g f o rt h ed e t e c t i o no ft h et e n s i o no fb r i d g e sc a b l e s u s i n gt h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o n , t h i ss y s t e mc a no v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h es y s t e m m e n t i o n e da b o v e ，a n di ta l s oh a sl o t so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h s e n s i t i v i t y , c o r r o s i o n ,e l e c t r i c a li n s u l a t i o n ，l o n gt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，e x p l o s i o nr e s i s t a n c e ， a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e t c i ta l s oh a ss i m p l es t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h ta n d b r o a db a n d a n di tc a l lb eu s e di nm a n yk i n d so fd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t f o rt e m p e r , s t r e s sa n ds t r a i n a n dh a sv e r ys t r o n gs i g n i f i c a n c ei nt h ep r o j e c t a s s o c i a t e dw i t ht h ep r o j e c t , t h er e s e a r c ho nm o n i t o r i n ga u t o m a t i o na n ds a f e t y e v a l u a t i o no fb r i d g ec a b l et e n s i o ni si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i nt h i sp r o j e c t ，w eu s e o p t i cf i b e rs e n s o r st om e a s u r es t r e s sf r o mc a b l e ，t h e nw eu s ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n m o d u l et ot r a n s f e rd a t af r o mb r i d g es c e n et oc o n t r o lc e n t e r , i nc o n t r o lc e n t e rw eu s e v i r t u a li n s t r u m e n td e s i g nt h es o f t w a r es y s t e mt om o n i t o ra n de v a l u a t et h ec a b l e s s i t u a t i o no ft h eb r i d g e t h i ss y s t e mc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a w i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dd a t ap r o c e s s i n g t h ef i r s tp a r ti sad i s t r i b u t e ds y s t e m 武汉理工大学硕士学位论文 c o n s i s t sw i t ho p t i cf i b e rs e n s o r t h i sp a r ti sd e s i g n e dt og a t h e rt h eo p t i c a ls i g n a l s w h i c ha r es e n to u tb yt h ef b gs e n s o r s ，t h e nt h es i g n a l sa r es e n tt ow i r e l e s st r a n s m i t t e r m o d u l ea f t e rt h ew a v e l e n g t h so ft h es i g n a l sa r ed e m o d u l a t e d t h es e c o n dp a r tc o n s i s t s o fw i r e l e s st r a n s m i t t e rm o d u l ea n dw i r e l e s sr e c e i v em o d u l e i nt h i sp a r t ，t h e t r a n s m i t t e rm o d u l et r a n s m i t st h es i g n a l so ft h ec a b l e si nc e r t a i nt r a n s p o r tp r o t o c o la n d t h er e c e i v em o d u l er e c e i v e st h e s i g n a l s t h e t l l i r d p a r t c o n s i s t so fs e r i a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n da n a l y s i ss y s t e m t h i sp a r tp r o c e s s e st h ed a t aa n dg i v e sa f i n a lc o n c l u s i o n i nt h i sp a p e rw em a i n l yd i s c u s st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ff i b e rb r a g gg r a t i n g s t r a i ns e n s o r f i b e rb r a g gg r a t i n gt e m p e rs e n s o r f b gl 0 a dc e l la n dt h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm o d u l en r f 2 4 e 1 t h e nw ed e s i g nt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns o f t w a r e s y s t e mw i t hcl a n g u a g ea n dd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r es y s t e mw i t hl a b v i e w a n d w i t ht h eh e l po ft h es y s t e m ，w ec a l lm a n a g et h ed a t ae f f e c t i v e l y , a n dl o o kt h e h i s t o r i c a la n dp r e s e n td a t at h r o u g hc h a r t s ，g r a p h sa n de x c e ld o c u m e n t s k e y w o r d s ：f b gc a b l et e n s i o nm o n i t o r i n g ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，l a b v i e w 川 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：趣e 彪 日期：递! 圣上! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 随着交通建设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨度桥梁的相继建成，人 们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注和重视，桥梁 健康监测系统和智能控制技术相继运用到这些大型桥梁中，并得到了迅速发展， 这项课题日益成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热点，对于不同类型的桥梁 建立了各种规模的桥梁健康监测系统。 斜拉桥的拉索是桥梁体系的关键受力构件，由于其柔性大，频率低，对风的 作用很敏感，往往因为腐蚀和风致振动造成的局部疲劳，导致拉索的使用寿命缩 短。受到损坏的拉索，索力将发生变化，而变化的索力会影响结构的内力分布和 结构线型，危及桥梁安全。由缺乏必要的监测和相应的养护，世界各地出现了大 量桥梁损毁事故，给国民经济和生命财产造成了巨大损失i l j 。 因此，将索力作为拉索结构健康状态评估的重要指标，从而实时的监测拉索 索力的变化，就可以实时掌握斜拉桥斜拉索的结构安全状态，进一步可以为斜拉 索提供及时的维护，延长斜拉索的使用寿命，保证桥梁的营运安全，具有极大的 经济价值。另一方面，长期监测索力的变化情况，可以为科学决策和桥梁设计积 累数据，提供设计依据，进一步提高斜拉桥的使用安全性，具有极大的理论价值 和实用价值。 长期以来，由于技术水平的限制，对桥梁进行索力监测时经常采用频率法， 其中的数据采集部分经常采用压电陶瓷加速度传感器，一般都是由专业技术人员 定期到现场对桥梁进行检查，将获得的数据拿回实验室进行分析，然后再给出结 论。这种方法具有检测速度快、测量精度高的优点。但是由于传感器输出的是弱 电信号，要实现远距离传输，需要在电路中加入许多放大器，从成本和施工考虑， 这种方法很难实现索力远程实时监测，只适用于索力的定期检测。同时，在某些 情况下，这种方法的低频特性也不是很好【2 】。 随着光纤传感技术的发展，国内外提出了基于光纤光栅传感器的桥梁索力监 测系统，它能够克服传统的检测技术的缺点，具有一系列的优势。但同时带来了 新问题：由于桥梁拉索数量很多，出于成本以及施工条件的考虑，不可能在每根 拉索上安装光纤光栅传感器，只能将传感器固定在某几根拉索上，当需要测量其 他拉索受力情况时，传感器的拆卸安装也需要耗费大量的人力物力。 武汉理工大学硕士学位论文 针对这种情况，本文提出了一种基于光纤光栅的索力无线监测系统。由于在 数据的发送端和接收端采用了移动方便的无线传输模块，在需要测量桥梁其他拉 索受力情况时，该系统能够在很大程度上减小传感器及相关光缆电缆的拆卸安装 所耗费的大量人力物力，很好的克服了上述系统的缺点。同时系统具有以下优点： 灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、传输距离远等，而且结构简单、尺寸小、质量轻、 频带宽、可进行温度、应变、压力等多种参数的分布式测量，具有很好的工程意 义。 1 2 桥梁索力监测的国内外现状 如今，许多国家都在一些己建和在建的大跨桥梁上进行有益的尝试。丹麦曾 对总长1 7 2 6 m 的f a r o e 跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测。旨在检查 关键的设计参数，监测施工危险阶段以及获取开发优化的监控维护系统所必需的 桥梁健康记录【引。另外他们在主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥上己开始尝试 把极端记录与正常记录分开处理的技术以期减小数据存储量。 2 0 世纪8 0 年代初，日本修建日野预应力混凝土连续梁桥时，建立了监控施 工所需应力、挠度等参数的观测系统，并运用计算机对所测参数进行现场处理， 然后将处理后的实测参数送回设计室进行结构计算分析，最后将分析结果反馈现 场进行施工控制。到八十年代后期，在修建c h i c h b y 斜拉桥和y o k o h a m a 海湾 斜拉桥时，日本成功地利用计算机联网传输技术建立了一个用于拉索索力调整的 自动监控系统，实现了施工过程中实测参数与设计值的快速验证比较，它对保证 施工安全和精度，加快工程进度起到了决定性的作用【4 1 。以后，日本又研制了一 个以现场微机为主要计算分析手段的斜拉桥施工双控系统( 精度控制系统) ，它 包括自动测量数据采集、精度控制支持和结构计算分析三个系统和测量参数、计 算参数两个数据库。此系统的最大特点是在现场完成自动测试、分析和控制全过 程，并可进行设计值敏感分析和实际结构行为预测。该系统在1 9 8 9 年建成的 n i t c h u 桥和1 9 9 1 年建成的t o m e l - a s h i g a r a 桥上实际应用效果良好。 桥梁健康监测的技术虽然在国外已经开始应用，但是由于技术以及成本等原 因，这项研究在国内的才刚刚起步并且发展仍然比较缓慢。目前国内使用此技术 的也只有为数不多的几座桥梁。 重庆马桑溪长江大桥主桥位于大渡口区马桑溪与巴南区花溪镇之间，是主城 外环高速公路跨越长江的公路桥梁。桥型为双塔双索而预应力斜拉桥。1 9 9 8 年 开始施工，2 0 0 1 年1 2 月竣工。随后业主对南北墩之间的4 根拉索实行了长期的 索力监测。具体实现办法是通过加速度传感器采集拉索的随机振动信号，然后通 2 武汉理工大学硕士学位论文 过特定不可伸长的弦在平面内做简谐振动时，其振动频率f 和张力t 之间的关系 计算出拉索的索力。由此通过搭建相应的信号传输系统，开发出拉索随机振动信 号的基频( 固有频率) 自动识别系统1 5 1 。 济南黄河公路大桥位于山东省济南市北郊。大桥全长为2 0 2 3 4 4 m 。主桥为5 孔连续的预应力混凝土双塔双索面斜拉桥。拉索采用扇形布置，索距8 m 。每一 索面有1 1 对斜索组和1 组垂直索。经过十几年的运营，大桥的基本情况良好， 但是也存在一些问题，斜拉索的锈蚀就是其中之一。在随后的换索工程中，同济 大学桥梁工程系桥梁试验室在负责换索过程中对斜拉索的索力进行监测【6 l 。换索 过程中的索力监测采用环境随机振动法。斜拉索索力测定的理论基础是弦振动理 论。测试时用专用的夹具将加速度传感器固定在斜拉索上由于风等环境随机振源 的激励，整个桥梁包括拉索一直在作微幅的随机振动。加速度传感器将索的这种 随机振动信号转变成电信号，电信号经放大器放大后送到n 吓信号分析仪中进 行谱分析，便能在现场确定被测斜拉索的自振频率。对于每一根斜拉索，根据实 测的基本频率用不考虑拉索的抗弯刚度时的索力计算公式算出索力初值，然后将 略小于上述初值的索力输人到考虑拉索抗弯刚度、实际边界条件的有限元程序中 去，可以算出该索前几阶的振动频率。如果算出的前几阶频率与测出的不符，则 再调整输入索力进行试算，直到使测出的前几阶频率与算出的对应阶次的频率差 值的总和最小为止，取这时的索力为测试索力。 目前，我国在索力量测方法中，以采用振动频率法较多。但大多数都是采用 近似处理，特别是对于安装减振器后，如何考虑减振器对索力的影响这一方面的 研究较少。在实际操作过程中，通常根据操作者的经验，采用试算的方法对索长 等参数进行修正，缺乏一定的理论依据，因此有必要对这一问题进行研究。 1 3 短距离无线通讯技术的现状及发展趋势 随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增 长，人们正逐渐认识到在许多监测领域采用无线传输的必要性。在过去的几年中， 无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进 步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动 通信设备更加灵巧、经济、可靠。 与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作 用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。所以如果我们 能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完 成传感数据的无线收发。 3 武汉理工大学硕士学位论文 无线数据通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分 组数据( c d p d ) ，通用分组无线传输技术( g p r s ) 、e d g e 等。二是基于局域网 的技术，如i e e e 8 0 2 1 1w i a n 、b l u e t o o t h 、i r d a 、h o m e r f 、微功率短距离无 线通信技术等。 与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络( 如蜂窝移动通信网) 相比， 短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务( 数据、话音) 上，均有很大的不同1 7 , 8 , 9 1 。 ( 1 ) 红外通信技术( i r d a ) 红外通信技术i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 采用人眼看不到的红外线传输 信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示计算机中 的m 1 逻辑，通常有效作用半径2 米，传统速度可达4m b i t s ，1 9 9 5 年k d a 将 通信速率扩展到的高达1 6 m b i t s ，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接 收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、 速度快、保密性强、成本低廉的特点。因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑， p d a ，移动电话等移动设备。但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近， 发射角度较小，一般不超过2 0 度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传 输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网 络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，k d a 设备中的核心部件l e d 易 磨损。 ( 2 ) 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 蓝牙技术使用全球统一开放的2 4 g i - i z 的i s m 频段，采用跳频扩频f h s s 技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中 各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网( p i c on e 0 。多个微微 网之间也可以形成分布式网络( s c a t t e rn e t ) ，从而方便、快速的实现各类设备之间 的通信。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点：规范的开放性、产 品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。蓝牙 技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。 ( 3 ) 正e e 8 0 2 1 l b ( w i f i ) i e e e 8 0 2 1 l b 技术标准是无线局域网的国际标准，使用2 4 g h z 的i s m 频 段，采用直接序列扩频d s s s 技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传 输速度。8 0 2 1 l b 无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上 a p ( a c c e s sp o i n 0 ，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就 可以访问所有网络资源，像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。 8 0 2 1 l b 具有有线等价保密机制w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 确保数据安全。 4 武汉理工大学硕士学位论文 以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营 成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种 设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。更多新的w i f i 标准正在制定之中。 速度更快的8 0 2 1 l g 使用与8 0 2 1 l b 相同的正交频分多路复用( o f d m ) 调制技 术，同样工作在2 4 g h z 频段，速率达5 4m b i t s ，比目前通用的8 0 2 1 l b 快了 5 倍，并且完全向后兼容8 0 2 1 1 b ，8 0 2 1 l g 将有可能被大多数无线网络产品制 造商选择作为产品标准，而下一代的w i f i 标准8 0 2 1 l n 可望达到1 0 0m b i t s 。 ( 4 ) 微功率短距离无线通信技术 近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功 能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控 制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振 荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。射频 芯片一般采用f s k 调制方式，工作于i s m 频段，通信模块一般包含简单透明 的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全 部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要 依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据 通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单 快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭 建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。 1 4 本文主要完成的工作 为了满足长期桥梁健康监测和评估桥梁健康状况的需要，并为桥梁管理、养 护和决策提供科学依据，本文利用光纤光栅传感器以及无线传输的一系列优点， 设计研究出一种基于光纤光栅的无线桥梁索力监控系统，该系统在实验室取得了 良好的实验数据。 本研究所完成的主要工作： ( 1 ) 探讨了光纤光栅传感器的工作原理。 ( 2 ) 分析和研究利用光纤光栅传感器监测桥梁索力，解决传统电测手段不 好解决的长期稳定监测等问题。 ( 3 ) 研究无线传输模块n r f 2 4 e 1 的工作原理，掌握其基本结构及使用方法。 ( 4 ) 完成数据收发系统的硬件电路设计，主要包括n r f 2 4 e 1 接口电路设计 以及外围电路设计。 ( 5 ) 在k e i lu v i s i o n 2 环境下用c 语言完成n r f 2 4 e 1 控制程序编写，主要 5 武汉理工大学硕士学位论文 包括上电初始化程序、无线收发程序、数据打包拆包程序、数据处理程序等。 ( 6 ) 利用l a b v i e w 编写上位机处理程序，对经n r f 2 4 e 1 传送至上位机的 索力数据进行处理。 ( 7 ) 系统综合调试。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章光纤光栅传感机理 光纤布喇格光栅( f i b e rb m g gg r a t i n 岛f b g ) 作为非常重要的现代光纤无源 器件之一，在近年得到了非常迅速的发展。世界上第一只光纤光栅是在1 9 7 8 年 由k o h i l l 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成的，其原理在于：光纤光 栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率 的永久性变化) ，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一 个窄带的( 透射或反射) 滤波镜或反射镜。利用这一特性可以构成许多性能独特 的光纤无源器件i 删。 光纤光栅具有许多独特的优点，例如：抗干扰性( 如电磁场、湿度、化学腐 蚀等) 强、寿命长、复用性好( 如波分复用与时分复用) 等。因而在光纤激光器、 光纤传感器及声光调制器等方面的研制与开发日益受到重视。随着光纤光栅制造 技术的不断完善，应用成果的日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、 最具有代表性的光纤无源器件之一。由于光纤光栅的出现，使得许多复杂的全光 纤通信和传感网成为可能，极大的拓宽了光纤技术的应用范围。由于光纤光栅传 感器具有其他传感器无法比拟的优点，光纤光栅在传感器领域中的应用近年来引 起了人们的极大兴趣，这种用紫外光在光敏光纤纤芯中制作的光栅不仅具有易与 光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高等特点，而且作为传感元件，它有一 个最为突出的优点：即感应的信息用波长编码，而波长这个绝对参量不受光源功 率的波动及连接或耦合损耗的影响，传感信号可长距离传输且不受电磁信号的干 扰。特别地，还很容易在一根光纤上连续制作多个光栅，所制得的光栅阵列轻巧 柔软，与时分复用和波分复用技术相结合，很适合于作为分布式传感元件埋入材 料或结构内部，还可以贴装在其表面，这对于目前国际上热门研究的智能材料、 灵巧结构有着非常重要的意义。 2 1 光纤布喇格光栅的结构研究 1 9 7 8 年，h i l l 等人首次从接错光纤中观察nt 光子诱导光栅【l l 】。h i l l 的早期 光纤是采用4 8 8 n m 可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的 光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来m e l t z 等人利用高强度紫外光源所形成 的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅， 1 9 8 9 年，第一支布喇格波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。近年来，随光纤 7 武汉理工大学硕士学位论文 光栅的重要性被人们所认识，各种光纤光栅的制作方法层出不穷，它的制作主要需 要考虑如下一些因素： 1 、光敏光纤的制备 采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的 写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光 强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下 来，就成为光纤光栅。 2 、成栅的紫外光源 光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在2 4 4 n m 紫外光的错吸收峰附近， 因此除驻波法用4 8 8 n m 可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用 激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。目前，主要的成 栅光源有难分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频加离子激光器、倍频染料激 光器、倍频o p o 激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作 光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供1 9 3 n m 和2 4 4 n m 两种有效的写入波长并 有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写入光栅并实现光纤光栅在线制 作。 3 、成栅方法 光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件苛刻，成品 率低，使用受到限制【1 2 1 。目前主要的成栅方法针对不同种类的光栅有所不同，其 中短周期光栅常用的方法有内部写入法( 又称驻波法) 、相位掩膜法等等。长周期 光纤光栅的制作则经常使用掩膜法、逐点写入法等等。c h i r p 光纤光栅的制作则用 到两次曝光法、光纤弯曲法、锥形光纤法、应力梯度法、复合c h i r p 光栅法等多 种方法。而近年来更是有了很多种新的成栅方法，包括直接写入法、在线成栅法、 光纤刻槽拉伸法、微透镜阵列法、用聚焦二氧化碳激光器写入l p g 、移动平台法、 用聚焦离子束写入光纤光栅等等。在不同的应用领域和不同的制备条件下，这些 方法有着各自的用途。而计算机科学的发展给光栅制作也带来了方便，某些公司 开发了光纤光栅设计软件和光栅制作控制程序，设计出独特的监测方案，用于光 纤光栅传感器的监测系统，监测精度高，稳定性好；具有成熟的光纤光栅实用化、 工业化封装技术。 光纤光栅结构如图2 - 1 所示。将纤芯掺锗的单模光纤放在紫外激光干涉场中 曝光，就可激起纤芯折射率周期性的非均匀分布，形成体全息光栅。设在均匀纤芯中 的折射率为以，引起折射率非均匀分布后成为n ( x ，y ，z ) ，折射率峰谷差为an ( x ， y ) ，非均匀分布区间长l ，并且认为纤芯折射率非均匀分布为正弦分布，则纤芯折射 率可表示为【1 3 1 ： 8 武汉理工大学硕士学位论文 n ( x ，y ，z ) 一n ( x ，y ) + ，l o ，y ) c o s ( o z ) n 1 n 2 人 图2 1 光纤光栅的结构图 z ( 2 - 1 ) 其中0 = 2 p a ，0 是光栅的空间频率，a 是折射率非均匀分布周期。由于纤芯折射 率非均匀分布，引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时，忽略偏振效应， 吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏，则非均匀波导中的场f ( x ，y ，z ) 满足标量波动方程： p 响2 力专卜y 力o 协2 ， 其中k o = 2 p l , a , 是自由空间的光波长， v ，：西。三丝+ 粤+ 害 ro r o r 。r o r 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中，因此非均匀波 导中的场可以表示为均匀波导束缚模式叭x ，y ) 之和： m o ，y ，z ) - 4 q ) 妒，o ，) ，) = x t a ，o ) e x p ( 一i f l z ) + a t o ) e x p ( 谚) 】f ，o ，y ) ( 2 3 ) a l ( z ) 表示了与、i ，x ，y ) 相联系的全部随z 变化的关系，而a l ( x ，y ) 和a 1 ( x ， y ) 分别是第1 个正向和反向传输模式的振幅。本文讨论中省略了所有对结论无影 响的e x p ( i 国t ) 因子【1 4 l 。 其中，妒， ，y ) 满足方程： 扣，2 + 七；戤，y ) 一群杪，o ，y ) 一0 ( 2 4 ) 将m - 4 l f ，代入( 2 2 ) 式，结合( 2 4 ) ，并按模式耦合理论的一般方法进行处理， 化简时略去高次项，则可以得到一个正向传输模与同一反向传输模间的模式耦合 方程： 9 武汉理工大学硕士学位论文 孕- f c 口，e x p ( i 2 a f l z ) ( 2 5 ) 牟。o c 口，e x p ( 一i 2 a f l z ) ( 2 6 ) a l 和钆1 分别是1 个模的正向和反向传输幅度，a 8 = 8 - 趴b = ko n 是该模的传播 常数，实际上i 就是该模在纤芯中的有效折射率n 西c 是耦合系数： c _ 竽z 棚，p 2 姒。刀 沼7 ) 这里 ，7 一p2 d d 户2 私 ( 2 8 ) 是芯层中的功率百舟比。在阶跃折射率剖面光纤中，基模可以用高斯函数近似 代替，代x , ( 2 8 ) 式： 町一1 一尹1 ( 2 - 9 ) 在光栅入光端，l = o 处，只有前向传输模，无反射模，因此有边界条件： ai ( 0 ) = 1 ，a “l ) = o ，利用此边界条件可解出方程： 口，。) 一面丽- 面e x p ( 赢i a f l z 丽) 网仲s i i l h 阮一轴谬伽h 陋q 一枷( 2 1 。) 口一( z ) - 面面c 面e x p ( 丽- i a f l 面z ) 网s 址b 。一工) 】( 2 - 1 1 ) 其中s2 = c2 b 2 由( 1 0 ) 和( 1 1 ) 式，可求出光纤光栅的透射率t 和反射率r ： w ) - i 矧 协 跗一=l铡2-一c2 s i n h ( s l ) ( 2 - 1 3 ) 当a 6 = 0 时，e pg = 2 n a ，满足相位匹配条件，( 1 3 ) 式化简为： 尺哪犯) 一t a n h 2 ( c l ) ( 2 - 1 4 ) 反射率是光纤光栅的一个重要参数。( 2 - 1 3 ) 并t ( 2 - 1 4 ) 式直接描述了反射率r 与 光栅长l 的关系。对于折射率峰谷差大的光栅，较短的光栅就可达到高的反射率。 折射率峰谷差1 3 一定时，光栅到一定长度后反射率可能达1 0 0 。光纤光栅的另 一个重要特性是谱线宽度。取半峰谱线宽度为光栅线宽九。1 3 的变化对九的 影响是一线性关系，折射率峰谷差大会加宽谱线宽度。光栅的谱线宽度九还与光 栅长度l 有关系1 1 5 l 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 由于周期的折射率扰动仅会对很窄小的一段光谱产生影响，因此如果宽带光 波在光栅中传输时，入射光将在相应的频率被反射回来，其余的透射光谱则不受 影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射现象的解 释。首先由威廉布喇格爵士提出。因而这种光栅被称为布喇格( b r a g g ) 光栅，反射 条件就称为布喇格条件。在布喇格光栅中，反射波长由下式确定： a k b = 2 n 啦a a ( 2 - 1 5 ) 这里n e n 是光纤芯区的有效折射率。光栅栅距可以通过改变两相干紫外光束 的相对角度而得以调整，如( 2 1 6 ) 式所示，通过这种方法，就可以制作出不同反射 波长的布喇格光栅。 a = 久, u v 2 s i n ( 0 2 ) ( 2 1 6 ) 2 2 光纤光栅的传感特性研究 根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，满足b r a g g 条件的光 被反射，如图2 2 所示。而光纤b r a g g 光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光 栅周期人和反向耦合模的有效折射率n 诳，任何两个使这两个参量发生改变的物 理过程都将引起光栅b r a g g 波长的漂移。例如当f b g 上受到的一个振动的微扰 时，那么它会产生周期性的应变，于是这个f b g 的中心反射波长将产生周期性 漂移。监测这个周期性漂移的信号就可以获取振动的信息。 i n p u t t r a n s m i t t e d s p e c t r u m - r e f l e c t e d s p e c t r u m 入 图2 2 光纤布喇格光栅传感原理 光纤b r a g g 光栅传感器的基本原理是：当光栅周围的温度、应变、应力或其 他代测物理量发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率的变化，从而产生光 栅b r a g g 信号的波长位移九，通过检测b r a g g 波长的位移情况，即可获得待测 物理量的变化