基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计说明书

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1、. . . . 毕业设计说明书基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷

2、本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的

3、规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 与格 不与格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 与格 不与格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 与格 不与格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计

4、方案的合理性 优 良 中 与格 不与格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格建议成绩：优 良 中 与格 不与格（在所选等级前的画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年

5、月 日36 / 47评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格建议成绩：优 良 中 与格 不与格（在所选等级前的画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）与教学系意见教研室（或答辩小

6、组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 与格 不与格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 与格 不与格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格

7、 不与格评定成绩：优 良 中 与格 不与格（在所选等级前的画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究摘 要本文以建筑物监测中应变测量系统的设计和实验研究为目的，在对国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与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，论文研究了光纤布拉格光栅的传感器原理，其中分析了均匀轴向、横向应力下的光纤光栅传感特性，光纤布拉格光栅温度传感特性，以与光纤布拉格光栅应

8、变、温度测量的交叉敏感特性。从理论上说明光纤布拉格光栅对于应变测量的可行性。其次，建立了基于光纤布拉格光栅的应变测量系统，主要选择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，并进行了理论分析；并且基于光纤光栅的温度响应特性，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。最后，通过光纤布拉格光栅应变特性实验，并对信号解调部分的锁定放大器、相敏检波参考信号和PZT驱动信号的发生器以与A/D转换电路进行了硬件设计与软件仿真，验证了系统的可行性。关键词： 光纤布拉格光栅，光纤马赫曾德尔干涉仪，信号解调Building monitoring

9、technologyresearch based on fiber Bragg grating AbstractThe purpose of this paper is the strain measurement system design and experimental studies in the monitoring of building,on the basis of in-depth analysis of the research status,summed up the the development trend of the fiber Bragg grating sen

10、sors and several major issues that need to be addressed in practical applications,according to the actual needs of the strain measurement system for fiber Bragg grating,carried out research on all aspects of the fiber Bragg grating strain measurement system.First, studied the principle of fiber Brag

11、g grating sensors in the thesis, of which, analyzed the characteristics of fiber Bragg grating sensor under uniform axial and transverse stress, fiber Bragg grating temperature sensing properties, and cross sensitivity properties of the fiber Bragg grating strain and temperature measurement.Theoreti

12、cally show the feasibility of fiber Bragg gratings for strain measurement. Second, designed the strain measurement system based on fiber Bragg gratings, the method mainly choicely is combining the Application of fiber Mach - Zehnder interferometer with the phase generated carrier modulation and demo

13、dulation technology to achieve the demodulation of fiber grating sensor signal, and conducted the theoretical analysis.And based on the temperature response characteristics of fiber grating, proposed a design that using a reference grating toachieve temperature compensation for fiber Bragg grating s

14、train measurement. Finally,verified the feasibility of the system by doing the experiment of fiber Bragg grating strain characteristics,and conducting the hardware design and software simulation ,which the lock-in amplifier of the signal demodulation part, the signal generator of the reference signa

15、l to the phase sensitive detector and the signal driving the PZT and circuit of A / D converter circuit. Keyword: Fiber Bragg Grating, Optical Fiber Mach - Zehnder Interferometer, The Signal Demodulation目 录1 绪论11.1 引言11.2 课题研究的背景与意义11.2.1 课题研究的背景11.2.2 课题研究的意义21.3 光纤光栅传感器的发展现状41.3.1 国外研究现状41.3.2 国研究

16、现状41.4 课题研究容与结构安排52 光纤Bragg光栅传感器的原理62.1 均匀轴向应力下的光纤光栅传感特性分析62.2 均匀横向应力下的光纤光栅传感特性分析82.3 光纤Bragg 光栅温度传感特性92.4 光纤Bragg光栅应变、温度测量的交叉敏感102.5 本章小结103 光纤布拉格光栅应变测量系统的设计113.1 光纤光栅应变测量系统的结构113.2 温度补偿的实现123.3 光纤光栅应变测量系统解调模块的设计133.3.1 光纤MZ干涉仪系统设计133.3.2 后续信号处理模块的设计173.4 本章小结204 系统的硬件仿真与实验214.1 光纤布拉格光栅应变特性实验214.2

17、信号解调模块的设计与仿真244.3 相敏检波参考信号和PZT驱动信号发生器的设计与仿真254.4 A/D转换电路的设计与仿真264.5 本章小结275 结论与展望285.1 结论285.2 展望28参考文献30致331 绪论1.1 引言近年来，光纤光栅在光纤通信以与光纤传感领域得到了很大的发展。以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器正成为传感器研究领域的又一大热点。随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺饵光纤放大器(EDFA)技术之后的又一重大技术突破1-3。

18、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。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响；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

19、的应用前景4-10。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。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。1.2 课题研究的背景与意义1.2.1 课题研究的背景光纤传感技术的研究始于20世纪70年代末，它是随光纤通信技术的发展而出现的一种新兴的光学技术。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应11

20、，从而导致了一种所谓光纤光栅的新型光纤无源器件的出现。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯形成空间相位光栅，相当于一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜12。当外界环境改变时，由于热光效应、弹光效应、法拉第效应等的作用导致Bragg中心波长发生漂移，测量此波长的漂移量就可检测外界温度，应力，磁场等的变化，还可间接测量加速度、振动、浓度、液位、电流、电压等物理量。利用这一特性可制成用以检测多种参量的光纤传感器和光纤传感网。随着光纤光栅写入技术和传感器封装技术的不断完善，一些光纤光栅传感器己开始规模化生产。目前，光纤光栅传感器除在航空航天飞行器、舰船与武器系统等军事领域应用外，还扩展到建筑、桥梁、

21、隧道、公路、电力工业、化工产业、生物医学工程等民用领域。日益增多的应用成果表明，光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一13,14。从1992年Prohaska等首次将光纤光栅埋入到土木结构中测量应变之后,引起了国外学者对光纤光栅传感器在土木工程中应用的广泛关注. 光纤光栅传感器具有许多传统传感器无法比拟的优点, 如体积小、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构形式灵活、测量对象广泛、分布或者准分布式测量、耐久性好等15-17。由于光纤传感器应用的广泛性与其广阔的市场，其研究和开发在世界围引起了高度的重视，各发达国家更是竞相研究开发并引起了激烈的竞争。1.2.2课题研究的意义近

22、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。因为如果不能与时发现这些重要结构在服役期的损伤位置与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，还会严重危与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

23、程结构健康监测最为重要的参数之一。因此，建筑物检测中对于大型结构应变，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与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

24、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

25、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，从而与时地发现故障点、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

26、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，适于大面积对各种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与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

27、不受光源功率波动与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。这在现代高科技与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。1.3 光纤光栅传感器的发展现状1.3.1 国外研究现状美国是研究光纤传感器起步最早，水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发，如斯坦

28、福大学、弗吉尼亚理工大学、Babock&Wilcox公司、Accuflber公司、FidberdyElamies公司、EOTcc公司、Optical技术公司等。据统计，1993年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以3040的增长速度发展，到2000年达到100亿美元。调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点己向民用领域转移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。日本在80年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。90年代，由

29、东芝、日本电气等15家公司和研究机构，研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤温度传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究与开发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等18-20。1.3.2 国研究现状我国在70年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前已有许多单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中理工大学、理工大学、大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数

30、量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有很大的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数传感器品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用20-21。当前，我国对光纤传感器的需求量很大，市场前景十分诱人。国家2010年远景规划和“十五”计划己将传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世界贸易组织，市场需求和发展空间的潜力非常巨大，其中光纤传感器将占有相当大的比例，这预示我国在光纤传感器领域将出现一场激烈的竞争和挑战。在不久的将来，我国光纤传感器领域必将呈现前所未有的灿烂和辉煌。1.4 课题研究容与结构安排本论文对光纤布拉格光栅测量的

31、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测量系统。论文主要包括以下几部分容第一章介绍了光纤光栅的发展过程与国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，论述了光纤光栅测量系统的研究意义以与论文的目的和主要容。第二章研究了光纤布拉格光栅的传感器原理，分析了均匀轴向、横向应力下的光纤光栅传感特性，光纤布拉格光栅温度传感特性，以与光纤布拉格光栅应变、温度测量的交叉敏感特性。从而从理论上说明光纤布拉格光栅对于应变测量的可行性。详细分析了光纤布拉

32、格光栅测量系统的原理。第三章从光纤布拉格光栅应变测量系统的理论模型入手，论述了光纤布拉格光栅的应变测量原理，选择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。并且基于光纤光栅的温度响应特性，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；第四章进行了光纤布拉格光栅应变特性实验，验证了光纤Bragg光栅波长变化是与轴向应变呈线性关系的。并对信号解调部分的锁定放大器、相敏检波参考信号和PZT驱动信号发生器以与A/D转换电路进行了硬件设计与软件仿真。第五章

33、对论文的成果与不足进行分析，同时对今后的发展前景进行了展望。2 光纤Bragg光栅传感器的原理随着光纤光栅写入技术的逐步完善，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。光纤光栅被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域。光纤布拉格光栅的中心波长域有效折射率的数学关系史研究光栅传感器的基础。从麦克斯韦经典方程出发，结合光纤耦合模理论，利用光纤光栅传输模式的正交关系，得到布拉格光栅反射波长的基本表达式为： （2.1） 式中，为光栅的中心反射波长，为纤芯的有效折射率，为光栅的周期。光纤的周期可通过两相干紫外光束的相对角度而得到调整，通过这种方法，就可

34、以制作出不同反射波长的布拉格光栅，目前已有的布拉格光栅写入技术有：相位掩模技术、振幅掩模技术、逐点写入技术和全息成栅技术、在线写入技术等，这些技术中广泛应用的相位掩模技术。从式（2.1）这个方程可以看出任何能够改变光栅有效折射率或光栅周期的物理量都能改变光栅中心波长。应变(或应力)和温度是最能直接显著改变Bragg光栅波长的物理量。其引起的光纤Bragg光栅波长的飘移克表示为： （2.2）式中：为光纤布拉格光栅轴向应变，为温度变化量，为有效弹光系数，、分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数。当光纤Bragg光栅受到外界应变作用时，光栅周期会发生不变化，同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化；

35、当光纤Bragg 光栅受到外界温度影响时，热膨胀会使光栅周期发生变化，同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。目前已有的基于光纤Bragg 光栅的各种传感器基本上都是直接或间接的利用应变或温度改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。鉴于此，充分研究光纤Bragg光栅的应变与温度传感特性、灵敏度误差、应变传感器的温度补偿技术以与应变与温度的耦合效应史研究开发光纤Bragg光栅传感器的基础。2.1 均匀轴向应力下的光纤光栅传感特性分析对于光纤Bragg光栅方程式（2.1）两边微分并移项可得： （2.3）将式（2.3）两端分别除以式（2.1）两边项，得 （2.4）从式（2.4）可以看出，凡是能够

36、导致光纤光栅有效折射率变化或者光栅周期变化的物理量都能引起波长的变化。在线弹性围，由于光栅布拉格光栅为均匀周期的光栅，所以有 （2.5）式中轴向应变。不考虑波导效应，即不考虑光纤径向变形对折射率的影响，只考虑轴向变形的弹光效应，光纤在轴向弹性形变下的折射率变化如下； （2.6）式中是单模光纤的弹光常数，即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化；是泊松比。所以光纤布拉格光栅产生应变时，有周期和有效折射率导致的总和的布拉格波长相对变化为： （2.7）令 （2.8）称为光纤的有效弹光系数，对于石英光纤，0.2222。由式（2.7）和（2.8），可得： （2.9）上式为光纤Bragg 光栅轴向应变下的

37、波长变化数学表达式，它是处理光纤光栅应变传感的基本关系式。式中为微应变，由式（2.9）可以计算光纤光栅的理论应变灵敏系数，例如，当光纤光栅中心波长为1550nm时，光纤光栅的轴向理论应变灵敏度为： （2.10）可以看出，当光纤光栅的材料一旦确定后，光纤光栅应变灵敏度基本上为常数，这就从理论上保证了光纤光栅作为应变传感器有很好的线性输出。2.2 均匀横向应力下的光纤光栅传感特性分析在弹光效应下，当光栅只受到横向压力且不存在剪力时，与上节轴向应力下的传感分析方法一样，横向应力导致的光栅折射率变化为： （2.11）令，由式（2.7）和（2.8），可得： （2.12）对于石英光纤，同样可得光纤光栅中心

38、波长为1550nm时，光纤光栅的横向理论应变灵敏度为： （2.13）在只考虑弹光效应时，表面上看来，光纤光栅的中心波长变化对横向应力下的应变更为敏感，然而这是一个误解，是因为我们敬爱能够两者的应变看成是相等的。若从应力灵敏度的角度来看，纵向拉伸的应力灵敏度约为横向应力的1.3倍。因此，弹光效应下，光纤光栅对纵向应力较横向应力更为敏感。若进一步考虑波导效应，在一样的应力作用下，纵向应变较前一种情况增加倍，所以波导效应将显著的多，而波导效应与弹光效应正好相反，即减小光栅的横向应变灵敏度。综合考虑弹光和波导效应，光纤光栅对横向应力的灵敏度较纵向小的多，因此在复杂应力状态下，光纤纵向应力引起的波长变化

39、占主要位置。这就是我们通常只考虑光纤光栅纵向应变传感的原因23。2.3 光纤Bragg 光栅温度传感特性温度对FBG 的影响主要有两个方面：一是热膨胀产生热应变导致栅距变化；二是热光效应导致有效折射率改变。不考虑波导效应，将式（2.1）对温度T求导，可得： （2.14）式（2.1）两边分别除上式两端，可得 （2.15）令 （2.16） （2.17）称为光纤的热光系数；称为光纤的热膨胀系数，从而可得： （2.18）对于常用的石英光纤，热膨胀系数，。当光纤光栅中心波长为1550nm时，由式（2.18）可以计算光纤光栅的理论温度灵敏度系数： （2.19）从上式可以看出光纤Bragg光栅的波长与温度同

40、样具有良好的线性度。但是光纤光栅本身的温度灵敏度非常低，随着温度的变化，因热膨胀引起的光栅周期改变与热光效应引起的折射率改变效应相比很小，例如式（2.19）所示波长为1550nm的光纤光栅，其温度敏感性仅为0.01191,如果FBG 的布拉格波长要达到1nm的移动，则温度需要变化100。直接用光纤光栅作为传感元件，不易获得高的温度分辨率，因此，为了提高温度灵敏度，可将裸光纤光栅置于热膨胀系数高的材料中。若用表示基底材料的热膨胀系数，则此时FBG的Bragg波长相对偏移量与温度与应力的关系可表示为： （2.20） 从以上分析可以看出无论是应变还是温度，通过检测光纤光栅波长的漂移量或带宽变化量，可

41、以推测出待测物理场的状态。根据这个特性，人们已研制出了多种光纤光栅传感器。2.4 光纤Bragg光栅应变、温度测量的交叉敏感由式（2.2）可以看出光纤光栅对温度和应变是交叉敏感的，因此测量其中一个量时，将不可避免地受到另一个量的影响，更无法实现温度、应变同时测量。从式（2.13）和（2.19）可以看出，对于为1550nm的光纤光栅，应变灵敏度为1.209，温度灵敏度为11.191，光纤Bragg光栅的温度灵敏度约为应变灵敏度的10倍左右。对于建筑物这类以应变监测为主的结构，用光纤Bragg光栅作为应变传感器时必须考虑如何提出温度的影响。否则，会因温度的变化而影响应变测量的精度，尤其在建筑物的长

42、期健康监测中。2.5 本章小结本章首先介绍了光纤布拉格光栅的轴向、横向应力和温度的传感特性分析，并且分析了光纤布拉格光栅应变、温度测量的交叉敏感问题。3 光纤布拉格光栅应变测量系统的设计3.1 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 A/D 转换和计算机的处理，得出传感量值。本文设计的光纤光栅测量系统结构如图 3.1 所示。图3.1 测量系

43、统原理图系统的光路如下：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 A/D 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与后续的处理

44、。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围变动。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：ASE100)，其波长围为15281610 nm，输出功率 13.50 dBm，长时功率稳定度 0.05dB。(2)光器

45、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 FC(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，以方便实验和调试。在光纤马赫曾德尔干涉仪中，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 13.50 dBm，光谱宽度为 82 nm(假设光功率平均分布在这段光谱围)，选用的

46、光纤光栅的带宽为 0.3 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；再考虑到光纤马赫曾德尔干涉仪上的调制信号为 1 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与系统的需要，我们选用带有置前放和尾纤的高灵敏度 PIN 光电二极管。本文设计的系统能够实现测量的关键是传感头与信号解调系统的设计，因此下面将就这两方面做详细的介绍和分析。3.2 温度补偿的实现已有研究证

47、明，光纤光栅对应变和温度都是敏感的，但温度产生的热效应和应变产生的力效应可认为是相互独立的24。本系统中我们采用一个参考光栅来进行温度补偿，该参考光栅被置于与测量光栅阵列一样的温度场中，但不受应变的作用，由于光纤光栅对应变和温度的响应都是线性的，所以从信号解调方面看两者是没有区别的，都是对应着锁向放大器的输出电压，不同的只是解调出来的信号代表的意义，因此参考光栅的信号处理原理和方法与测量光栅是完全一致的。锁定放大器的输出电压是经计算机处理的，因此把测量光栅和参考光栅的信号都解调出来以后，可以直接从测量光栅解调结果中减去参考光栅解调结果，由此实现了用参考光栅来补偿温度扰动对应变测量的影响。具体理

48、论推导如下： （3.1）式中，、分别是测量光栅的布拉格中心波长原始值和飘移量，、分别是光栅的灵敏度和温度灵敏度。由式(3.1)可得应变量的表达式为： （3.2） 为了消除温度扰动对应变量的影响，采用一个参考光栅来进行温度补偿，该参考光栅被置于测量光栅阵列一样的温度场中，但不受应变的作用，则参考光栅中心波长相对变化量为： （3.3）由于光栅的温度灵敏度仅与刻制光栅的光纤材料有关，所以刻制在一样光纤上的测量光是与参考光栅的温度灵敏度是一样的，因此把式(3.3)代入式(3.2)中，可得： （3.4）式中，、分别是测量光栅和参考光栅波长飘移后的布拉格波长值。、与原始波长、分别对应于锁相放大器的输出电压

49、、和，所以被测应变量正比于。由于锁相放大器输出信号时经过A/D转换输入到计算机进行处理的，所以实现是很方便的，由此实现了用参考光栅来补偿温度扰动对应测量的影响。3.3 光纤光栅应变测量系统解调模块的设计3.3.1 光纤MZ干涉仪系统设计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

50、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。虽然光纤马赫曾德尔干涉仪的制作比较复杂，测量静态或准静态信号时误差比较大，但是其两个臂都使用光纤，且光的分路与合路也都是用 3dB 光纤耦合器，因此体积小，且机械性能稳定；而且，采用干涉

51、法来检测波长的移位，具有极高的检测灵敏度；系统测量分辨率高、动态性能好、易实现多路复用，具有宽带宽、高解析度的解调能力。这种方法特别适合于高分辨率动态应变传感信号的检测。对于静态或准静态测量而言，可以通过补偿的方法来提高精度。因此，本系统采用光纤马赫曾德尔干涉仪(FMZI)来测量光纤光栅反射光的波长变化。(1)光纤马赫曾德尔干涉仪解调的原理携带着被测量信息的光波入射到光纤马赫曾德尔干涉仪，经两臂后输出的光束叠加将产生干涉效应。如果两路光的光程完全一致的话，干涉信号始终为干涉极大，为了使干涉信号随所需的被测量而变化，必须使两路光的光程差不为零。这种情况下，光纤马赫曾德尔干涉仪两路光信号的相位差为

52、 （3.5）式中，为光纤的有效折射率， 是干涉仪两臂的长度差， 是 FBG反射的中心波长。当应变作用在 FBG 上时，反射光的中心波长发生改变，两路光的相位差将被引入一个增量： （3.6）式中，为应变频移分辨率，为应变变化量，为应变引入的波长变化量。对动态应变有： （3.7）(2)光纤马赫曾德尔干涉仪光纤系统构成 光纤马赫曾德尔干涉仪由两个臂即两根单模光纤组成，因此需要一个分光器件和一个合光器件。实用的光纤马赫曾德尔干涉仪的分光器件和合光器件是由两个分光比为50%:50%的光纤定向耦合器构成，成为全光纤化的干涉仪，以提高其抗干扰的能力和良好的条纹对比度。信号处理需要对光纤马赫曾德尔干涉仪进行调

53、制以实现两臂的光程差不为零，可以把光纤马赫曾德尔干涉仪的一臂缠绕在压电瓷上，通过压电瓷的胀缩来改变光纤的长度。(3)光纤马赫曾德尔干涉仪的参数计算 光纤干涉仪是本系统的重要解调器件，因此，有必要根据测量的具体要求对其构成和主要参数计算进行分析和设计。由式(3.6)可以看出：系统测量的分辨率与光纤马赫曾德尔干涉仪两臂的光程差成正比关系。越大，相位测量的分辨率越高，相应地应变测量的分辨率也就越高，但是测量的围就越小。而且，光纤马赫曾德尔干涉仪两臂的长度是不可能无限增大的，主要受两个因素的制约：一是光纤光栅反射光的谱宽；二是测量围。因此，需要根据测量的具体要求来选择合适的参数。FMZI 两臂的最大长

54、度差由下式确定： （3.8）式中，为光纤的有效折射率，为 FBG 反射光的谱宽所决定的相干长度： （3.9）把 =1550 nm，=.3 nm 代入上式计算得到：8mm。 普通单模光纤的有效折射率为 1.46，则光纤马赫曾德尔干涉仪两臂的长度差最大只能为 5.5 mm。由于光纤端面处理和光纤焊接很难保证光纤长度的精确性，因此，在制作光纤马赫曾德尔干涉仪时，只能以这个数据为标准，尽可能把其臂长差控制在这个围。至于干涉仪臂长差的实际大小，只能通过标定来确定。(4)压电瓷的调制与参数计算 为了实现信号的交流测量，需要在光纤马赫曾德尔干涉仪的一臂引入调制，本系统采用将干涉仪的一臂缠绕在压电瓷上来实现。

55、下面主要介绍压电瓷的工作原理并根据系统设计要求进行参数计算。由压电堆叠结构构成的压电瓷微位移驱动器(PZT)是高精度微位移器件，能实现微米级的位移量。在光学干涉方面，主要利用其逆压电效应，给 PZT 施加一定的电压，PZT 即产生微米量级的位移，使连接在其上的光学元件也产生相应的空间位置变化。PZT 由专用的驱动电源来驱动，该驱动电源是高压直流功率放大器。系统采用的高压放大器包括两个模块：高压放大模块和低压放大模块。前者的放大倍数为 100，其作用是产生 01000 V 的高压电源，用于驱动 PZT，实现光纤马赫曾德尔干涉仪的调制；而后者的放大倍数为 10，输出-20120 V 的电压，用于驱

56、动预加载闭环压电瓷管，可以使 FBG 产生应变或对光纤干涉仪作光程调节。压电瓷管的驱动信号由信号发生器提供。光纤马赫曾德尔干涉仪调制的深度首先取决于 PZT 上光纤缠绕的圈数，其次取决于调制信号的幅度。调制信号的幅度大小与一阶和二阶贝塞尔函数有关25。经分析知，在贝塞尔函数的极点附近，函数变化比较缓慢。这样，在这些极点附近，由调制信号幅度波动引入的误差最小。所以，可以把调制信号的幅度设在贝塞尔函数的极点上。如果把调制幅度设置在一阶贝塞尔函数的第一个极点上，得到调制幅度的值为 5.3 rad。下面根据光纤马赫曾德尔干涉仪系统的参数，计算压电瓷驱动信号的大小。光纤马赫曾德尔干涉仪被调制臂光纤的伸长

57、量为： （3.10）式中，为 FBG 反射光的中心波长， =1550 nm；为光纤的有效折射率，=1.46；C =5.3rad。代入上式计算得到： =0.9。PZT 驱动信号的幅度V 由下式计算得到： （3.11）式中，为光纤在 PZT 管上缠绕的圈数，在本系统中 =10；(OD)为 PZT管在 1 伏电压作用下直径的变化量，对应于实验中所采用的 PZT 管，(OD)=5 nm。则 PZT 驱动信号的幅度为：=5.7伏。另外，考虑到光纤在 PZT 管上缠绕时会有松动，且实验中选用的 PZT 管只有在正电压时膨胀，所以还应在正弦驱动信号上加一个直流偏置，保证调制部分正常工作。3.3.2后续信号处

58、理模块的设计通过前面的讨论可以知道，光纤马赫曾德尔干涉仪将光纤光栅反射光波长的变化转化为相位信号的变化，因此，相位测量是本测量系统信号处理的基本要求。而且，光纤传感器的信号处理会直接影响到测量的分辨率、精度和动态围。下面将对后续的信号处理模块进行具体分析和设计，以实现光纤光栅传感系统的信号解调。(1)信号解调的基本原理对于光纤马赫曾德尔干涉仪输出的相位信号，如果直接测量相位，那么有两个问题将限制系统的性能：一是直接测相位意味着直流检测，信号处理易受电路漂移的影响；二是对于动态测量而言，系统受到环境的干扰时被测相位会产生漂移与信号衰落现象，从而引入测量误差。目前，用于干涉型光纤传感器的解调方法主要包括：差动延时外差法(Differential Delay Heterodyning)26、光程匹配差动干涉法(Path-matched Differential Interferometry)、相位生成载波法27,28。前两种方法不适于多路复用信号的解调，并且对系统的构成与光源等的要求都比较苛刻。而相位生成载波解调技术容易实现，应用灵活方便，并且具有动态围大、测量精度高等优点。因此，本系统采用此方法实现相位信号的解调。所谓的相位生成载波调制，是在被测信号带宽以外的某一频带之外引入大幅度的相位调制，被测信