（检测技术与自动化装置专业论文）基于光纤光栅的动态汽车称重系统研究.pdf

武汉理j ：人学硕十学位论文 摘要 目前，我国道路运输车辆超载现象极为普遍，在严重地区，几乎所有的货 运车辆都存在不同程度的超载行为。车辆超限超载运输对交通安全、运输市场、 车辆生产秩序及路桥基础设施造成了极大危害。有效的抑制超限超载的重要手 段就是实现对车辆的计重收费，而计重收费的关键技术就是车辆的动态称重。 因此研究汽车动态称重技术不仅具有较高的学术价值，而且具有较大的社会价 值和经济价值。 近年来，随着光纤传感技术的成熟，光纤光栅在很多控制、测量领域得到 了广泛的应用。本文选用光纤光栅作为敏感元件，对基于光纤光栅的汽车动态 称重系统进行了研究，所做的主要工作包括：( 1 ) 设计了比较完善的人机交互 界面与数据库系统，使得实验比较直观，也为以后的数据分析打下了较好的基 础；( 2 ) 通过对光纤光栅传感特性与解调技术的研究，将传感器的敏感元进一 步确定为啁啾光栅，而不是传感中更常用的光纤布喇格光栅；( 3 ) 分析了汽车 动态模型，并研究了振动以及速度对汽车动态称重的影响，在此基础上对动态 称重系统的总体结构进行设计；( 4 ) 研究了动态称重的信号处理技术，分析了 动态称重中噪声的来源及组成，提出了利用经验模分解算法处理动态称重信号， 并利用m a t l a b 进行了仿真，具有一定的创新性；( 5 ) 通过大量实验，研究称重 传感器的线性特性，静态标定，并利用采集到的数据进行算法比较，验证了经 验模分解算法处理动态称重信号的效果。 从目前对实际车辆在不同速度下的称重结果来看，本文所设计的汽车动态 称重系统达到了较高的精度，是比较成功的。当然，汽车动态称重系统涉及到 多方面、多学科的知识，目前的研究工作还有许多困难，离完全的商业化应用 有较大差距，但是只要原理依据充分，结构设计合理，软件算法恰当，相信基 于光纤光栅的汽车动态称重系统研究不仅具有学术价值，还有更广阔的应用背 景。 关键词：动态称重，光纤光栅，数据采集，经验模分解 武汉理j ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ev e h i c l eo v e r l o a d so fo u rc o u n t r yi se x t r e m e l yc o m m o n ；i ns o m e a r e a , n e a r l ya l lv e h i c l e se x i s to v e r l o a d i n go fv a r y i n gd e g r e e s t h ev e h i c l eo v e r l o a d s b r o u g h tl a r g ed a m a g et ot h et r a f f i cs a f e t y , t r a n s p o r t i n gm a r k e t ，v e h i c l ep r o d u c t i o na n d i n f r a s t r u c t u r a lf a c i l i t i e s t h ei m p o r t a n tm e a n st oe f f e c t i v e l yr e s t r a i no v e r l o a d si st o 0 c h a r g eb yw e i g h t ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fc h a r g i n gb yw e i g h ti sw e i g h ti nm o t i o n s ot h er e s e a r c ho fv e h i c l ew e i g h - - i n - - m o t i o nt e c h n o l o g yn o to n l yh a sg r e a ta c a d e m i c v a l u e ，b u ta l s oh a v eb i g g e rs o c i a lv a l u ea n de c o n o m i cv a l u e n o w a d a y s ，w i t ht h em a t u r i t yo ff i b e ro p t i c a ls e n s i n gt e c h n o l o g y , f i b e rg r a t i n gh a d b e e nw i d e l ya p p l i e di nc o n t r o l l i n ga n d m e a s u r i n gf i e l d s s ow es e l e c tf i b e rg r a t i n ga s t h es e n s eo r g a nf o rt h er e s e a r c h i n go ft h ev e h i c l ew e i g h i n m o t i o ns y s t e m t h em a i n w o r ki n c l u d e s ： ( 1 ) d e s i g n i n gt h ef r i e n d l yg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ( g u l ) a n dd a t a b a s es y s t e mt o g i v ed e e p l yf o u n d a t i o nf o rt h ee x p e r i m e n ta n a l y s i sa n dt h ef u r t h e rd a t aa n a l y s i s ； ( 2 ) r e s e a r c h i n gt h et e c h n o l o g yo ft h ef i b e rg r a t i n gs e n s o r yc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t y a n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ；t h e nd e t e r m i n i n gt h ec h i r p e df i b e rg r a t i n ga st h es e n s e o r g a n ，n o tt h ef i b e rb r a g gg r a t i n g ； ( 3 ) a n a l y z i n g t h ev e h i c l ed y n a m i cm o d e la n dr e s e a r c h i n gt h ei n f e c t i o no f l i b r a t i o na n dv e l o c i t yt ot h ev e h i c l ew e i g h i n m o t i o ns y s t e m ；t h e n d e s i g n i n gt h e s t r u c t u r eo ft h ev e h i c l ew e i g h i n - m o t i o ns y s t e m ； ( 4 ) r e s e a r c h i n gt h es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fw e i g hi nm o t i o ns y s t e m ； a n a l y z i n gt h es o u r c eo fy a w pa n dt h ee m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o na r i t h m e t i ct o p r o c e s st h es i g n a l ；d ot h ei m i t a t ee x p e r i m e n tw i t hm a t l a b ； ( 5 ) r e s e a r c h i n gt h el i n e a rc h a r a c t e r i s t i co ft h es e n s o ra n dt h es t a t i cd e m a r c a t e ； c o m p a r et h ea c q u i s i t i o nd a t aa n dv a l i d a t e t h ee f f e c to ft h ee m p i r i c a lm o d e d e c o m p o s i t i o n f r o mt h ep r e s e n ts i t u a t i o n , t h es y s t e md e s i g n e db yt h i st h e s i sh a sg r e a t e r p r e c i s i o n o fc o u l s e ，t h ev e h i c l ew e i g h ti nm o t i o ns y s t e mi n v o l v e sm a n yf a c e ta n d h a sm a n yd i f f i c u l t i e si nw e i g h t i n g i th a sg r e a td i s t a n c et ot h eb u s i n e s sa p p l i c a t i o n h o w e v e r , w i t hf u l lp r i n c i p l e ，r e a s o n a b l ed e s i g n i n gs t r u c t u r e a n d a p p r o p r i a t e 武汉理i ：人学硕十学位论文 a r i t h m e t i c ，w ec a nb e l i e v et h ev e h i c l ew e i g h ti nm o t i o ns y s t e mb a s e do nf i b e rg r a t i n g h a sg r e a ta c a d e m i cv a l u ea n db o a r da p p l i c a t i o nf u t u r e k e yw o r d s ：w e i g hi nm o t i o n , f i b e rg r a t i n g , d a t aa c q u i s i t i o n ，e m p i r i c a lm o d e d e c o m p o s i t i o n i h 武汉理f ：人学硕十学位论文 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：日期： 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理下人学硕f ：学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的历史背景与意义 目前，我国道路运输车辆超载现象极为普遍，在严重地区，几乎所有的货 运车辆都存在不同程度的超载行为。车辆超限超载运输对交通安全、运输市场、 车辆生产秩序及路桥基础设施造成了极大危害。主要表现在： ( 1 ) 诱发了大量道路交通安全事故。据统计，7 0 的道路安全事故是由 于车辆超限超载引发的，5 0 的群死群伤性重大特大道路交通事故与超限超载有 直接关系，车辆超限超载运输给人民生命财产造成了巨大损失。 ( 2 ) 严重损坏了公路基础设施。超限超载车辆的荷载远远超过了公路和桥 梁的设计承受荷载，致使路面损坏、桥梁断裂，正常使用年限大大缩短，只能 提前进行大修。1 9 5 8 年，美国科学家提出了一种计算超载对路面造成伤害程度 的经验公式表明”1 ：如果标准轴重是1 0 吨，而超载车辆的轴重是2 0 吨，那超载 的车辆对路面造成的伤害是标准轴重车辆对路面造成伤害程度的8 到1 0 倍。据 交通部门测算，超载使水泥路面缩短使用年限4 0 ，沥青路面缩短3 0 。全国 公路每年因车辆超限超载造成的损失超过3 0 0 亿元，给国家财产造成了巨额损 失。 ( 3 ) 导致了公路运输市场的恶性竞争。以竟相压价承揽货源，以超限超载 来获取利润，超得越多，赚得越多，形成了“压价一超限超载一运力过剩一再超 限超载”的恶性循环，正常使用年限在1 0 年左右的货运车辆2 至3 年后即报废。 同时造成车辆“大吨小标”泛滥。为迎合车辆超限超载运输的需求，一些汽车生产 厂商竞相生产“大吨小标”车，一些汽车改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影 响了汽车工业的健康发展。 为了解决公路超载问题，交通部在2 0 0 0 年1 月发布了超限运输车辆行驶 公路管理规定，其中明确指出“公路管理机构可根据需要在公路上设置车辆轴 载质量及车辆总质量检测装置”。但由于缺乏有效的计量手段致使执法力度大大 削弱。动态称重出现之前，所有的车辆称重都是在其静止时进行的，静态车辆 称量时作用在车辆轮胎上的力正好与静态车辆向下的地心力相等，通过检测元 武汉理t 人学硕1 学位论丘= 件( 如传感器) 检测出来，这种整车称量是最准确的方法。但是，这种静态称重一 般只是测定车辆的总重量很难测定各个单轴的重量，同时需要路旁或路口设置 专用场地或称重站，测定效率低；并且由于静态称重规模大，引人注目，超载 车辆往往以绕道的方式躲避称重检查。因此，因此研制出响应快，抗干扰能力 强，准确度高的动态汽车称重传感器是一件迫在眉睫的任务。在美国材料与实 验协会( a s t m ) 制定的根据用户要求的公路动态称重系统和测试方法标准规 范( 标准号：a s t me1 3 1 8 2 0 0 2 ) 中对动态称重进行了定义”1 ：动态称重是测 量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程；一个公路动态 称重系统是一套传感器和支持仪器，用来测量在特定地点特定时间一辆行驶车 辆的出现及其动态轮胎受力，计算车辆的重量、车速、轴距、车辆类型以及有 关车辆的其他参数并且处理显示和存储这些信息。 最近几年，伴随着市场的需求与大量资金的投入，国内对动态称重( w i m l 系统的研制也取得了一些成绩，但所研制的系统原理各异，仅从敏感元的角度 分析，存在电阻应变片式、压电式、电容式、液压式等多种w i m 系统“，并且这 些系统都存在一定问题如适用速度范围小、测量精度不高、安装施工以及系统 维护不方便等等。随着智能感知材料的发展，高性能传感器及其测试技术为w i m 系统的研究与发展提供了崭新的途径，尤其是以光纤光栅为代表的光纤传感元 件的出现与发展，更是为这一热点课题提供了广阔的生机。光纤光栅是一种新 型的光无源器件，它具有不怕恶劣环境、不受环境噪声干扰、抗电磁干扰、集 传感与传输于一体、构造简单、使用方便等优点，而且具有可对结构的应力应 变进行高精度绝对测量、准分布数字测量的优点，同时还可构成各种形式的光 纤传感网络系统。光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。采 用光信号进行测量和传输的新型传感器可以实现现场的无电检测，从而能够极 大地提高产品的安全性、可靠性，以及灵敏性”1 。因而，将光纤光栅应用在动态 汽车称重系统中是完全可行的，必将具有广阔的发展前景。 1 2 国内外研究概况 国外从2 0 世纪5 0 年代后期就开始对车辆超载检测技术进行研究，到2 0 世 纪9 0 年代基本形成了成熟产品”1 。匈牙利的g k o v a c s 在1 9 7 4 年于s z e g e d 举行 的第五届i m e k o t c 3 会议上发表论文轮负荷称与轴负荷称的试验方法是关 2 武汉理丁大学硕 学位论文 于动态汽车称重系统的最早文献，奠定了动态汽车称重系统的基础。但早期对 于动态称重系统都注重从硬件上提高精度，忽视了软件的作用。1 9 7 6 年日本的 小野敏郎在第七届i m e k o r c 3 会议上发表了论文动态称重问题估算理论的应 用，标志着对动态称重系统的研究由硬件向软件的转变。 世界上经济发达的国家都很重视w i m 系统的研究，几个主要的国家有：美 国、英国、德国、法国、南非等”。 1 9 5 8 年，美国开始对w i m 系统进行研究： 1 9 6 8 年，南非获得了第一个电容式w i m 传感器专利：西德的p a t 公司开始 平板式动态车辆称重器的研究。 1 9 7 4 年，美围的s t r e e t r e 、英国的g o l d e nr i v e r 公司在南非专利基础上采 用先进电子技术，使性能大大提高。 1 9 7 4 年，法国取得了一项压电缆动态车辆称重器的专利，即v i b r a c o a x 。 1 9 8 3 年9 月，美国联邦公路管理总署( f h w a ) 提议研究“低成本动态车辆称 重系统”，p v d f 压电材料用作动态称重的研究在美国开始。同年，v i b r a c o a x 动 态称重系统首次在法国投入使用。 1 9 8 5 年，美国的“低成本动态车辆称重系统”在现场投入运行并提交美国联 邦总署推广使用。 1 9 8 8 年，英国研制了一种性能优于v i b r a c o a x 的新型称重压电传感器 v i b e t e k 5 ，后在1 9 9 1 年改型为v i b e t e k 2 0 。 1 9 9 2 年，由欧洲高速公路系统研究实验室联n 盟( f e h r i ) 发起，按照欧盟运输 委员会( e c t d ) 的程序框架进行了c o s t 3 2 3 计划，该计划的主要内容是研究对公 路上行驶的汽车进行动态载荷监控的相关问题。 我国从“七五”期间开始引进和消化吸收国外动态称重系统，同时也开始对动 态称重系统的研制。1 9 8 5 年正式开始研究动态称重技术，当时交通部北京公路 所、西安公路所和重庆公路所都开展了研究，并在全国做了大量试验。由于该 项技术涉及到路面、传感器等，当时制定的各项技术标准都很严格。1 9 9 4 年， 在中国举行的“国际交通自动化技术会议”上，中国发表了s m 2 0 0 0 型i l i 类动态 称重系统研制成功的论文，该系统称重精度在9 0 的置信度下达到了士1 0 ， 是中国首次成功研制w i m 系统。但是，不论引进或者研制的系统都属于国外换 代产品。主要问题有：适应速度范r o d , ( 低速范围) ，测量精度不高，以及传感器( 称 重平台) 过于庞大，给安装旌工以及维护带来很大的不便。1 9 9 4 年一种动、静态 武汉理t 大学硕l ：学位论文 两用电子轨道衡在太原钢铁公司通过了鉴定，该产品集动态和静态轨道衡的优 点子一身，较好地解决了检测精度与汽车通过速度之间的矛盾。作为国家“八五” 重点科技项目，交通部重庆公路科学研究所研制了一种固定式动态汽车称重系 统，该系统轴重误差小于1 0 ，置信度为9 5 。1 9 9 9 年，德国p a t 载荷监控 产品开始进入中国市场。云南航天新技术工程有限公司引进其技术并于1 9 9 9 年8 月获得了国家技术监督局的计量器具型式批准证书。 目前，随着光纤传感技术的快速发展，利用光纤进行传感器方面的检测技 术研究也取得一定的进展，如es u o p a j a e r v i 把光纤光学传感器应用于交通监测 。；d j d h i l l 等人利用多通道干涉仪的光纤传感器对汽车进行动态称重”1 ；n f u r s t e n a u 和w s c h m i d t 把光纤传感技术应用于机场地面交通监测“。国内一些 单位如北京交通大学、哈尔滨工业大学等单位“”对光纤光栅在汽车称重系统上的 应用做了一系列的研究，也取得了一定的研究成果。 、 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文的研究力求吸收以往研究的成功经验和思想，首先分析了光纤光栅的 传感原理与解调方法；然后研究了汽车动态模型以及振动、速度因素对动态称 重的影响，在此基础上设计了动态称重系统；接着通过对动态称重信号噪声的 分析，研究动态称重信号处理方法，并提出了基于经验模分解的动态称重信号 处理方法，进行了m a t l a b 仿真；最后通过大量的实验，对文中的理论分析进行 验证并得出相关结论。 具体安排如下： 第1 章：绪论。主要介绍了课题研究的背景和意义以及国内外研究现状； 第2 章：动态称重技术及相关理论。首先对传统的动态称重系统进行了简 要的分析比较；然后对光纤光栅的传感原理，解调技术进行了详细介绍，指出 了光纤光栅传感器的优越性； 第3 章：动态称重系统的设计。介绍了汽车动态称重的相关标准，研究了 汽车动态模型以及振动、速度因素对动态称重的影响，在此基础上设计了动态 称重系统，主要包括称重平台的选择，光纤光栅的选择与粘帖，数据采集系统 的设计等； 第4 章：动态称重信号处理。首先分析了动态称重信号噪声组成，接着介 4 武汉理t 人学硕i 学位论文 绍了动态称重信号处理方法发展历史，最后提出了基于经验模分解的动态称重 信号处理方法，利用m a t l a b 语言进行了算法仿真； 第5 章：实验与结论。通过采集到的数据验证称重传感器的线性特性；利 用q y l3 2 t 油压千斤顶对称重传感器进行静态标定实验；介绍了称重传感器的 零点补偿方法；利用经验模分解算法对采集到的动态称重数据进行分析，验证 了算法的可靠性，并与通用的平均值算法进行比较，证明了经验模分解算法处 理动态称重信号的优越性； 。 第6 章：总结与展望。对本文的工作进行了总结，并对以后的工作进行了 展望。 5 武汉理1 = 人学顾l 学位论文 第2 章动态称重技术及其相关理论 2 1 传统动态称重系统 2 1 1 电阻应变片式动态称重系统 。 电阻应变片是一种电阻式的敏感元件。电阻应变片一般由基底、敏感栅、 覆盖层和引线四部分组成。在测量应变时，要用粘贴剂把电阻应变片牢牢的贴 在试件的测点上，以保证电阻应变片的应变与被测试件的应变相等。当被测试 件受到外力作用时，测点处的变形通过粘贴剂和电阻应变片的基底传递给电阻 应变片的敏感栅。于是敏感栅也随试件测点同时变形，从而引起电阻的变化。 电阻变化率的大小与电阻应变片下被覆盖的试件处的平均应变成正比。电阻应 变片式传感器主要包括剪切梁式、轮辐式、弯板式等方式。 把电阻应变片粘贴在一块弹性平板上，并把它铺设在公路表面上。当汽车 轮胎经过平板时，平板由于受到轮胎的压力而发生变形，从而造成电阻应变片 变形，使它的电阻发生变化，测量这个电阻值变化，并经过放大，处理，标定 即可推知作用于平板上汽车轮胎的压力。把所有轮胎的压力加起来，即可得到 汽车的总重量，这就是电阻应变片式动态称重系统的基本原理“。 电阻应变片作为动态称重系统的敏感元，优点如下： 1 ) 结构简单，使用方便； 2 ) 性能稳定可靠，易于实现测试过程中自动化和多点同步测量、远距离测 量； 3 ) 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。 但是，它的缺点也很明显，主要包括： 1 ) 长时间使用后，应变片易变形，需重新校正； 2 ) 在潮湿和有腐蚀环境下寿命短，精度差 3 ) 易受电磁干扰。 2 1 2 压电式动态称重系统 对于某些晶体介质，在沿一定方向受到机械力作用发生变形时，内部就产 武汉理t 大学硕i 学位论文 生极化效应，同时在其表面会产生电荷。当机械力撤掉之后，又会重新回到不 带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是 所谓的压电效应，根据这个原理研制出了压电式传感器“”。 若把压电传感器放在公路上，当汽车轮胎从上面经过时，就将施加一个压 力给压电传感器。而通过测量传感器输出的电压或电荷，就可以推知汽车轮胎 作用于传感器上的压力。把汽车所有轮胎上的压力加起来，就可以得到汽车的 总重量，这就是压电式动态称重系统的基本原理。 压电式传感器的优点如下： 1 ) 原理简单，成本低； 2 ) 结构简单，安装方便，可做成便携式。 缺点如下： 1 ) 压电传感器的灵敏度在出厂时做了标定，但随着使用时间的增加灵敏度 会有些变化，其主要原因是压电片性能发生了变化。实验表明，压电陶瓷的压 电常数随着使用时间的增加而减小，因此为了保证称重仪的精度，每隔一段时 间应该进行一次灵敏度校正； 2 ) 称重仪的误差比较大。 2 1 3 电容式动态称重系统 电容式传感器亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常 是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近丌关 时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随 之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。 电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成，很象打开的电容器电极， 该两个电极构成一个电容，串接在r c 振荡回路内。电源接通时，r c 振荡器不振 荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。 通过后级申路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测 有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金 属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常 数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。 电容式动态称重系统一般由两块或多块导体板( 通常由不锈钢、铜、聚氨脂 7 武汉理t 人学硕i j 学位论文 或硬的橡胶构成1 组成，各导体板带有等量异号电荷。电容器的两极板之间充有 不导电的电介质。当有一个压力施加在导体板上时，导体板之间的距离将发生 变化，从而导致电容器的电容发生变化。通过检测电容的变化，就可以把压力 测量出来，这就是电容式动态称重仪的基本原理。通过把多个中间夹有电介质 的电容器正确排列起来，即可以用来测量运动汽车的重量，这就是电容器式动 态称重系统“。它既可以设计成固定式，也可以设计成便携式。 电容式传感器优点如下： 1 ) 原理及结构简单，使用方便； 2 ) 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。 缺点如下： 1 ) 长时间使用后，电容器内填充介质易变形，需重新校正； 2 ) 易受电磁干扰。 2 2 基于光纤光栅的动态称重系统 2 2 1 光纤光栅的分类 随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据光 纤光栅的波矢方向、空间周期分布及周期大小，可分为四种基本类型，即光纤 布喇格( b r a g g ) 光栅、啁啾光纤光栅、闪耀光纤光栅和长周期光纤光栅“”。具体 介绍如下： ( 1 ) 光纤b r a g g 光栅 光纤b r a g g 光栅是最早发展出来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。 光纤b r a g g 光栅的折射率呈固定的周期性分布，即调制深度与光栅周期均为常 数，光栅波矢方向与光栅轴线方向一致。当光经过光纤b r a g g 光栅时，对满足 b r a g g 相位匹配条件的光产生很强的反射；对不满足b r a g g 条件的光由于相位不 匹配，只有很微弱的部分被反射回来。该类光纤光栅在通信和传感领域均有广 泛的应用。图2 - 1 是光谱仪测得的光纤b r a g g 光栅反射谱。 目前，作为商品的光纤b r a g g 光栅，其典型的技术数据如下： 中心波长：9 8 0 n m ，1 0 2 0 n m ，1 5 5 0 n m ； 波长精确度：0 2 r i m ； 8 武汉理_ t 大学硕j ：学位论文 反射率：0 9 9 ； 带宽：0 1 o 2 1 0 n m ； 插入损耗： 0 1 d b 。 图2 - 1 光纤b r a g g 光栅反射谱图2 2 啁啾光纤光栅反射谱 ( 2 ) 啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的。由于不同的栅格周 期对应于不同的反射波长，啁啾光栅能够形成很宽的反射带。线性啁啾光栅能 够产生大而稳定的色散，其带宽足以覆盖整个脉冲的谱宽，被广泛用于波分复 用光纤通信系统中的色散补偿元件。最近几年，啁啾光纤光栅也被广泛应用于 传感领域。啁啾光纤光栅拥有较宽的带宽，而带宽决定了系统的测量范围，例 如，5 n m 带宽的啁啾光纤光栅的应变范围为5 m e 。因此啁啾光纤光栅拥有比光纤 b r a g g 大的多的测量范围。 ( 3 ) 闪耀光纤光栅 闪耀光纤光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，但其光栅波矢量方 向却不是与光纤轴线相一致，而是与其成一定的角度。闪耀光纤光栅不但引起 反向导波耦合，而且还将基阶模藕合至包层模中损耗掉。利用闪耀光纤光栅形 成的包层模耦合形成的带宽损耗特性，可将其应用于掺铒光纤放大器的增益平 坦中。 ( 4 ) 长周期光纤光栅 长周期光纤光栅是指栅格周期大于1 0 0 u r n 的光纤光栅结构。长周期光纤光 栅是一种透射型光栅，其功能是将光纤中传播的特定波长的光波耦合到包层中 9 武汉理丁大学硕 ：学位论文 损耗掉。长周期光纤光栅在光通信系统中有着重要的应用，可作为光栅模式转 换器和旋光滤波器，是一种理想的e d f a 增益平坦元件，由于长周期光纤光栅 的耦合特性对外界环境因素非常敏感，它在光纤传感领域也有着广泛的应用。 2 2 2 光纤光栅的传感原理 由于光纤布喇格光栅在传感中应用最为广泛，下面以光纤布喇格光栅为例 介绍光纤光栅的传感原理。图2 3 是光纤布喇格光栅的反射特性示意图，入射 进光纤光栅的宽带光，只有满足一定条件的波长的光能被反射回来，其余的光 都被透射出去。光纤光栅传感的基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅 周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布喇格波长的移动， 通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量的测量。 反鬯垄：) 二= 二叮= 二= = 一 宽带入射光 f b g 透射光 入射光谱透射光谱 反射光谱 图2 3f b g 反射特性示意图 由耦合模理论可知，光纤光栅的b r a g g 中心波长为“”： 以= 2 n 彬, a ( 2 1 ) 式中，锄是纤芯的有效折射率，a 是光栅周期。可见b r a g g 波长九随，o 和 a 的变化而变化，而和a 的改变与应变和温度有关。应变和温度分别通过弹 光效应和热光效应影响n 酊，通过长度改变和热膨胀效应影响a ，进而使九发生 武汉理t 人学硕i ：学位论文 移动。 。 ( 1 ) 光纤光栅的均匀轴向应力传感特性 一般情况下，由于光纤光栅属于各向同性柱体结构，所以施加其上应力可 在柱坐标系下分解为的6 ，、以和6 ：三个方向力。我们称单纯有6 ，作用的情况为 轴向应力作用，以和6 ：称为横向应力作用，三者同时存在称为体应力作用。下 面根据不同情况分别讨论光纤光栅对不同应力作用的传感模型。 为了使问题既简单又能最接近实际情况，提出以下几点假设“”“”： 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。 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 循虎克定律，即q q ，( i j = 1 2 3 4 ，5 ，6 ；q 为应力张量，c o 为弹性模量，为 应变张量) ，且内部不存在切应变。 紫外光引起的光敏折射率变化在光纤横截面上均匀分布，且这种光致折 变不影响光纤自身各向同性的特性，即光纤光栅区仍满足弹性常数多重简并的 特点。 所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间变化的情况。 均匀轴向应力是指对光纤光栅进行轴向拉伸或压缩，此时各向应力可表示 为一p ( p 为外加压强) ，。2 0 ，且不存在切向应力，那么各方向 应变为： 卧 p v e p t ，一 p e 式中，e 及v 分别为石英光纤的弹性模量及泊松比。 ( 2 - 2 ) 这砧| 2 a ( 鲁鲁。血) + 2 釜恤儿里址代表岳器轴向 伸缩量，血表示由于轴向拉伸引起的光纤直径变化，砌啊弛表示弹光效应， 武汉理t 人学硕l ：学位论文 砌盯i a a 表示波导效应。下面我们对弹光效应引起的f b g 中心波长偏移进行推 算。 相对介电抗渗张量岛与介电常数s f 有如下关系： 岛= 1 白= 1 n f 2 ( 2 4 ) 。其中为某一方向上的光纤折射率。对于熔融石英光笔由于其各向同性， 可认为各方向折射率相同，在此仅研究光纤光栅反射模的有效折射率n 啊，故可将 上式变形为： 慨) ：f 丢1 ；一萼 ( 2 _ s ) i h 盯j 咒珂 由于a n 盯一( 砌盯l a t ) 出，式( 2 3 ) 中略去波导效应，其余项可变形为： 岫z 降圳啦也心釜 伢6 ， 其中。= a l l 为轴向应变。实际上，在有外界应力存在的情况下相对介电 抗渗张量岛应为应力仃的函数，对岛进行泰勒展开，同时引入材料的弹光系数 只得到： ( 寺卜t 喁h 峨屯 ， 又根据光纤的轴对称性s ，一f 。，得到弹光效应导致的相对波长漂移为： 警。一奠堕些监些d 岷 ( 2 - 8 ) 九 2 4 结合上式得到： 此等。 萼阶啦砧- 卜卜忆i i 式中州 武汉理1 = 大学硕i ：学位论文 由弹光效应引起的波长漂移轴向应变灵敏度系数。同时我们可以推出，由波导效 应引起的光纤光栅波长相对漂移为： ( 引。筹鳖0 a - 等订 一等”k l 沿 i 九j 帽 疗啊再盯 ” 雄疗 。盘。 ”7 以上两式表明可以看出，光纤光栅的纵向应交灵敏度系数仅取决于材料本 身和反向耦合模的有效折射率。对于单模光纤，由于仅有基模存在，当光纤材 料选定后( 具有固定的掺杂量) 其灵敏度系数将为一定值，这就从根本上保证了光 纤光栅作为轴向应变传感器时具有良好的线性输出持性。 ( 2 ) 光纤光栅的均匀横向应力传感特性 均匀横向应力是指对光纤沿各个径向施加压力为p ，对应的光纤内部应力状 态为：6 ，= 6 。一p ，6 。；0 ，不存在剪切应变。当横向应力变化( p ) 时， 光纤光栅的反射波长也会发生变化，可表示成“”。”“： _ a a n 。一坠+ 一1 一o n 妒( 2 - 1 1 ) ad p玮o p 又因为： o a ( 1 2 v ) 一 入a pe 堕。生( 1 2 v ) ( 2 p 。：+ e 。) n d r o p 2 e 、 。“7 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 将式( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 1 ) 得： 等十字+ 丢。俐z 即妒 协 根据式( 2 1 4 ) 可知，光栅中心波长的变化与均匀横向应变有很好的线性 变化。实验表明，光栅均匀轴向应变引起光纤光栅反射波长漂移的典型值分别 为1 1 5 p m i i ，而横向压力引起的波长漂移典型值为3 1 3p m m p a ，光栅均匀 轴向应变的灵敏度要比均匀横向应变的灵敏度要高的多。在复杂应力情况下， 由纵向应力引起的波长漂移将占主要地位。 武汉理t 人学硕 ：学位论文 ( 3 ) 光纤光栅的温度传惑特性 与外加应力相似，外界温度的改变同样也会引起光纤光栅布喇格波长的漂 移。为了能得到光纤光栅温度传感器更详细的数学模型，在此对研究的光纤光 栅作以下假设“”： 仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及被测物体由于热效应而引 发的其他物理过程。 仅考虑光纤的线性热膨胀区，并忽略温度对热膨胀系数的影响。 认为热光效应在我们所采用的波长范围( 1 3 - 1 5 m ) 、在所研究的温度范 围内保持一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。 仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温差效应。 基于以上几点，我们仍从光栅布喇格方程九；2 n , , r a 出发，当外界温度改 变时，可得到布喇格方程的变分形式： 砧一2 a n q a + 2 n 盯a a i 鲁竹+ 够乙+ 鲁a i a + 2 r 筹 c z 嘶， 式中，a , , c r a r 代表光纤光栅折射率温度系数，用 表示，b 。盯匕代表热膨 胀引起的弹光效应，a n 。如代表由于热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导 效应，a a a t 代表光纤的线性热膨胀系数，用口表示，这样可以将上式改写为 如下形式： 生；土f 亭+ 坚丛+ 监竺1 + 口 ( 2 _ 1 6 ) 九丁 玎硝l 丁e t aa ti 利用应力传感模型分析中得到的弹光效应及波导效应引起的波长漂移灵敏 度系数表达式，并考虑到温度引起的应变状态为： 卧豳 可得光纤光栅温度灵敏度系数的完整表达式为： 1 4 ( 2 - 1 7 ) 武汉理t ，l = = 学硕 学位论文 盎一二1 o 一 寺n 3 假，+ 2 p n 2 ) a + k , , s a 卜 防 式中k 。表示波导效应引起的布喇格波长漂移系数。可以明显看出，当材料 确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上为一与材料系数相关的常数，这就 从理论上就保证了采用光纤光栅作为温度传感器可以得到很好的线性输出。 ( 4 ) 光纤布喇格光栅的应变和温度交叉敏感传感特性 在分析应变响应机理和温度响应机理时，我们都是假定温度不变和没有外 界应力作用的情况下得出的结论。但在很多情况下，应变和温度是同时作用的， 它们之间的耦合作用对光纤b r a g g 光栅中心波长的影响在精度要求比较高的场 合下就不能忽略了。下面，对应变和温度的交叉敏感机理进行研究”6 ”2 ”1 。 假设光纤b r a g g 光栅中心波长就是应变和温度的函数，其表达关系式为： a b = ，忙，t ) ( 2 1 9 ) 把式( 2 1 9 ) 在( 。，瓦) 处展开成泰勒级数，得： 毛；，( 。，丁) 。，( 。，t o ) + ! l 丛i 趔( e - - e o ) + 2 丛i 掣( r t o ) + 型o e o t 卜“h ) + 攀一z 攀嗍+ 。2 j = 式中，令a 。：，( s 。，l 旦! i ：i 量_ ! ：n 。；掣0 1 一a ，；掣o e 0 1 = n 。；忽d 略应变和温度的二阶灵敏度及其它的高阶项，将上面几个式子代入式( 2 - 2 0 ) 中，得 九一九。+ 口，( 一e 。) + 口，仃一毛) + n 。- 一s 。x r 一瓦) ( 2 2 1 ) 式( 2 - 2 1 ) 中口。即为温度不变时应变与波长变化关系的系数；a ，为应变不 变时温度与波长变化关系的系数：口。为应变和温度共同作用时与波长变化关系 的系数。为估测应变和温度的交叉敏感作用对光纤b r a g g 光栅中心波长的影响大 小，令系数k 为： 武汉理t 人学硕f 学位论文 肛烈a 揣a t。i 一oj +u 一oj ( 2 - 2 2 ) 根据式( 2 2 2 ) ，表明k 值越大应变和温度的交叉敏感作用越大，k 值越小 说明应变和温度的交叉敏感作用越小。实际情况下我们可以通过判断k 值的大 小来决定是否需要考虑应变和温度交叉敏感的作用，关于削除应变和温度交叉 敏感的方法也很多，这也是目前所研究的热点。 2 2 3 光纤光栅传感信号的解调技术 从解凋的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、波 长解调、相位解调、频率解调、偏振解调等”。这些方案各有所长，适用于不同 传感系统的需求。其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心 波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行 补偿等优点，得到了广泛应用，但目前波长解调技术还成本高、技术复杂，解 调速度低等缺点，不能满足高速下的动态称重信号检测要求；强度解调技术基 于光强检测，适用于动态、静态测量，成本低，解调速度快，使用方便，但光 强受环境影响尤其是温度影响很大，工程实际应用中需要克服的困难很大。 目前，基于波长的解调方法很多，主要有可调f p 滤波法、被动解调法、匹 配光栅法、非平衡m z 干涉法、可调谐窄带光源法和激光锁模法等，其中可调f p 滤波解调法是目前最常用、实用性和稳定性都较好的解调方法。基乇强度的解 调技术主要是边缘滤波法及其改进方法。下面分别对两种代表性的解调方法一 可调f p 滤波解调法和边缘滤波法作系统介绍： ( 1 ) 可调f - p 滤波解调法 可调法布里一珀罗滤波器( f p 滤波器，f a b r y p e r o t 滤波器) 的功能是1 ：当一 束宽带光入射f - p 腔，有一窄带光出射( 谱宽小于0 3 n m ) ，出射光谱的中心波长 与f - p 腔的腔长相对应。可调法布里一珀罗滤波器的结构，如图3 7 所示，由两块 互相平行的玻璃或石英板g 1 与g 2 、两个透镜l 1 与l 2 和压电体组成。两板g 1 与 g 2 的内表面镀一层高反射膜，两板严格平行，中间夹着空气层，两平行板间隔 由压电体改变，两板在移动过程中严格地保持平行( 平行度为百分之一个波长) 。 g 1 与g 2 构成了法布里一珀罗腔，当入射光经法布里一珀罗腔时，若腔长l 等于 入射光的半个波长( x 2 ) 的整数倍时，即2l = 以( n = o 12 ) ，则光束在其间 武汉理丁大学硕f ：学位论文 多次反射产生多光束干涉而输出与腔长l 对应的窄带光。腔长l 随压电体的驱动 电压的变化而变化，不同的驱动电压对应不同中心波长的窄带光射出f - p 滤波器。 l 1 g 1g 2 l 2 图2 4 可调f p 腔结构示意图 可调谐f p 滤波法波长解调系统的原理图，如图2 。5 所示。宽带光源发出的光 经3 d b 的耦合器进入传感光栅f b g ，满足布喇格条件的光被反射后，再经3 d b 的 耦合器进入可调光纤f p 滤波器，通过在f p 腔的压电体( p z t ) 上施加锯齿波 扫描电压( 设计模拟电路产生或者通过软件生成驱动电压数字量，再经高精度 的d a 转换后提供) 调节其腔间隔，当f p 的透射波峰与f b g 的反射波峰重合时