1、 册长 春 理工 大学学位 论文版权 使用授 权 书导 师签 名 ： 瑃 目目光 纤光 栅 解 调系统 设 计 小结第 七章总结和 展 望。 谢。 课题研 究的 背 景建 立合 理的 战 略石 油 储 备意 义非常 的 重 大， 即能保 障能源的 安 全 ， 避 免 能源价格波动 对 国 内能源市场 的 冲击。 从 年开始 ， 我 国 开始 在 大连 、 青 岛、 舟山、 宁 波四地 建 设 了首批 石 油 储 备基地 。 随着 对 石 油 需 求量 的 增加 ，石 油 库规 模扩 大， 油 罐容 积变大， 据 了解 ， 到 年底 ， 中 国 的 石 油 储 量 达 到 立方 米， 预 计 年
2、， 中 国 的 石 油 储 量 将达 到 吨。本 课题研 究的 目的 及意 义热 电 偶 基本 传 感 原 理是 将两 根 不同 材 质的 金 属 线 通过 焊接 而连 在 一起 ， 将焊接 端置 于 测温 的 目标上 ， 在 参 考 端测量 电 压 差 ， 即可 得 到 测量 目标的 温 度 。 热 电集成 电 路 热 敏 传 感 器 的 输出电 压 和 温 度 是 成 线 性 比例 的 ， 它 较高 的 测量 准确度 即便在 较高 的 温 度 范 围 内也 可 以 很 好 的 使用。 集成 电 路 温 度 传 感 器 具 有比较完善 的 控 制 ， 反应 速度 比较快， 功 率 消耗 也
3、比较低， 从 大体 上 看 ， 制 作成 本 也 不算太 高 ， 但 是 ， 同时产生的 问 题就是 电 路 的 构成 相对 比较复 杂 ， 这 就导 致了它 无 法在 油 罐温 度 测量 的 系统 中 使用。在 研 究人员 实 现了光 纤光 栅 的 紫外侧 面写 入 技术后 ， 很 多国 家都 热 衷 于 这 一技术的 应 用和 研 究， 其 应 用范 围 已经远 远 超 过了分布式 光 纤传 感 技术。 而我 国 ，对 于 光 纤光 栅 传 感 技术的 研 究是 最近 几十年才 开始 的 ， 但 是 ， 因 这 项 技术先天性能的 优 越， 使其 很 快得 到 了发 展 并 广泛 应 用于
4、 各个 领域 。 光 纤光 栅 传 感 技术之 所以 可 以 这 样 大范 围 的 使用， 是 因 为它 性 能上 的 优 势 ： 传 感 探头 体 积小、 重量 轻 、 结构简 单、 几何 形 状 可 塑 。研 究现状光 纤光 栅 传 感 新 技术的 出现增强 了传 感 器 的 实 用性 ， 除 了众 所周 知的 突 出优点 外， 如 体 积小、 抗电 磁 干 扰、 耐腐蚀 性 、 良 好 的 长 期 稳 定性 等 ， 还 有更多基于已确 定的 新 型传 感 机制 基础上 的 优 势 ， 例 如 成 本 低、 绝 对 测量 和 独 特 的 波长 复 用能力 。 这 些 新 的 传 感 技术已
5、经形 成 了全 新 的 一代 传 感 器 ， 为许 多重 要的 测量 提 供了新 方 法 ，并 具 有巨大的 应 用潜 力 。光 纤光 栅 首次 应 用于 大型结构的 监测， 是 采 用碳纤维 复 合 材 料代 替钢 筋 结构， 以 用来解 决 公 路 桥 的 严 重腐蚀 问 题。 其 次 ，应 用于 大坝 的 健康 监测， 为了确保 水 坝 的 施 工 质量 、 长 期 使用和 水 坝 的 安 全 性 ， 在 施 工 期 间 ， 或者 修 建 完 成 后 对水 坝 的 力 学参 数的 监测， 这 些 都 是 至关重 要的 。 年我 国 首次 将这 项 技术应用于 清江水 布垭电 站 大坝 的
6、 健康 监测， 并 取 得 了良 好 的 效 果。 由于 光 纤光 栅 寿 命与 监测对 象的 寿 命 相当 ， 易于 组网 ， 所以 这 项 技术在 大坝 的 健康 监测中 具 有广阔的 应 用前景。等 人将光 纤光 栅 分布式 传 感 网 络 应 用于 宇宙 飞 船 的 健康本 论文的 主要工 作栅 传 感 器 的 性 能， 最终确 定了使用光 纤光 栅 传 感 技术来实 现油 罐温 度 的 测量 研光 纤光 栅 概 述横 向 干 涉 法 即利 用双 光 束 进行 干 涉 ， 将干 涉 产生的 干 涉 条 纹对 光 纤照 射以 形成 光 纤光 栅 ， 最早 用于 写 入 光 纤光 栅 的
7、技术是 全 息 干 涉 法 。 优 点 ：光 纤光 栅 中 心波长 的 改 变可 以 简 单 地通过 改 变两 束 光 之 间 的 夹 角 或旋 转改 变光 纤放置 位 置 等方 式 来实 现。 缺 点 ：对 照 射光 源的 在 空 间 和 时间 上 的 相干 性 要求 很 高 ， 所以 ， 在采 用这 种 方 法 对 光 纤曝光 时对 环境 有更高 的 要求 。制 作光 纤光 栅 的 方 法 还 有很 多， 例 如 ：组合 写 入 法 、 在 线 写 入 法 、 二氧 化 碳光 纤光 栅 是 在 光 纤中 建 立起 折 射率 的 周 期 性 分布， 使光 在 光 纤中 传 播 时的 传传 输
8、矩 阵 理论 ，可 以 推 导 出满 足 光 纤布拉格光 栅 条件 的 波长 公 式 。 一九 光 纤光 栅 传 感 的 原 理如 图 所示 。 将宽 带 的 光 源作为入 射光 ， 光 沿 光 纤传光 纤光 栅 的 中 心波长 可 以 写 成五 人 当 温 度 和 应 变发 生变化 时，中 心波长 的 变化 量 为：式 中 第 一项 为应 变变化 导 致的 波长 的 漂 移 ， 第 二项 为温 度 改 变导 致的 波长 的 变化 。 由于 应 变和 温 度 可 以 同时对 中 心波长 产生影 响 ， 这 就造 成 测量 时难以 测量 单 一变量 的 变化 情 况 ， 就是 大家 所说的 “交
9、 叉 敏 感 ” 问 题。 对 于 这 个 问题， 研 究人员 也 提 出了很 多方 法 来加 以 解 决 ， 如 ：参 考 光 纤光 栅 法 、 双 波长 叠栅法 、 超 结构光 栅 法 等 。令廓 哎 ，可 得 ：栅 的 封 装 技术主要分为：保 护性 封 装 、 补偿 性 封 装 以 及敏 化 封 装 。 ，而压 力 增敏 方 面， 封 装 光 纤光 栅 常 用的 基底 材 料是 聚合 物 或胶 ， 受 压 力 作用时基底 带 动 光 纤光 栅 ， 从 而实 现光 纤光 栅 的 压 力 增敏 。， 行 温 度 传 感 时，我 们就希望它 对 应 变不是 十分灵 敏 。 减 敏 性封装 通
10、常有两 种 方 式 ，其 一， 是 基底 选用负 温 度 系数材 料；其 二， 是 通过 结构上 的 设 计 进行 补偿 。结构的 补偿 法 一般 是 对 光 纤光 栅 进行 管 式 封 装 ， 封 装 的 材 料的 选用上 应 选择 具 有一定的 膨胀 系数的 材 料。 通过 封装 过程 中 适 当 的 增大预 应 力 的 方 法 可 以 起到 温 度 补偿 的 效 果， 但 是 要选择 合 适 大小的 预 应 力 以 及环境 温 度 ， 以 保 证 封 装 后可 以 起 到 稳 定的 温 度 补偿 效 果。 图为钱 颖 等 人根 据 结构补偿 法 原 理设 计 的 一款 用于 温 度 补偿
11、 的 管 式 封 装 结构图。 锄 差 善泸 耳 氧谯 光 煳本 文设 计 了的 基于 光 纤光 栅 传 感 技术的 油 罐温 度 的 探测系统 ， 通过 波分和 空分复 用技术实 现了单 罐温 度 的 网状 测量 。 探测器 的 工 作模式 分为检测模式 和 报警模式 ，检测模式 下系统 仅显 示 当 前的 温 度 值 ，一旦温 度 达 到了系统 设 定的 温 度 阂值 时，系统 就进入 报警模式 ，发 出声 光 报警信 号 并 显 示 出现温 度 异 常的 位 置 。 油罐温 度 显 示 报警系统 的 设 计 必 须 满 足 以 下条 件 ：警并 显 示 异 常 温 度 出现的 位 置 ；
12、报警结束 后 ， 系统 将复 位 ， 继续 进行 温 度 的 探测。由于 本 系统 的 定位 功 能， 所以 当 探测器 出现故 障时，指示 灯亮 起 ，同样 也可 以 查询到 探测器 的 故 障信 息 。信 号 处 理的 装 置 主要是 完 成 光 信 号 到 电 信 号 的 转化 、 数据 采 集和 波长 解 调功能。 然 后 ，将处 理后 的 数据 传 送到监控 中 心的 一个 监控 计 算机上 ，由监控 计 算机实 现数据 的 显 示 和 集中 管 理。 信 号 处 理装 置 和 管 理计 算机之 间 的 信 号 传 输是 通过通信 接 口 实 现的 。 是 一种 在 通讯产业中 使用
13、范 围 最广的 串行 通信接 口 ， 其 最大传 输速度 为 梢 郧 块 数据 采 集模块 ， 通讯距 离 可活 性 的 同时有效 地降 低了成 本 ， 充 分体 现了设 计 的 合 理性 。 管 理中 心面向 的 是 具 有管 理和 调度 权 利 的 管 理人员 ， 监控 中 心通过 以 太 网 将感 温 探测器 的 制 作 图相位 掩模法 制 作光 纤光 栅 原理图求 ， 所以 ， 制 造 一个 光 纤光 栅 系统 就变得 更加 容 易。域 广泛 。图波分复 用系统 原 理框 图够 运行 的 传 感 的 点 数的 数量 级是 一位 数到 两 位 数。空 分复 用就是 另 一种 常 见 的
14、光 纤光 栅 的 传 感 复 用的 技术， 经过 区 别 每 一个 光栅 和 它 相对 应 着 ， 其 位 置 由光 开关的 选择 来确 定。图空 分复 用系统 原 理框 图图时分复 用系统 原 理框 图光 纤光 栅 解 调系统 设 计 傻 餍矲 滤波解 调法窄带滤波器 。 在 一定可 允许 的 波长 内， 假如 平 行 光 射到 了 甈腔 之 内， 那 么 就只有在 达 到 了相干 条 件 的 特 定的 波长 的 光 才 能够 发 生一系列 干 涉 ， 且 产生相干 极大， 也 正 是 运用了 坏 恼 庖 惶 匦 阅 芄 淮锏蕉 杂 贔 传 感 器 的 反射波长 的 检测的 目的 。隔离暑
15、传 感 光 糖腔 内， 出射出来的 光 再 经过 自 聚焦透镜 汇聚到 了后 面的 探测器 之 上 。 这 就构匹 配光 纤光 栅 的 滤波法 解 调技术通常 可 以 概 括 为反射式 匹 配滤波法 以 及透射式 匹 配滤波法 这 两 大类。 如 图所示 为反射式 的 匹 配光 纤光 栅 滤波法 解 调系统 【 。 是 传 感 光 栅 ， 是 匹 配光 栅 。 根 据 匹 配光 栅 的 反射特 性 ， 只有在 符合 要求 的 光 才 可 能被 反射， 并 且 反射谱 以 及入 射光 谱 重 叠的 面积越大， 反射的 光 越强 。当 和 在 类似 温 度 的 环境 之 中 ， 在 不受 到 任
16、何 力 的 作用下，光 电 管 的 输出值 就会 达 到 最大值 ；当 受 到 外部 的 干 扰时， 反射光 的 波峰 就会 发 生明显 的 改 变， 经过 了 反射后 的 反射光 的 光 强 就会 相对 变小， 从 而就会 导 致光 电 管 的 输出也 变小。 利 用反射谱 的 这 种 特 性 ， 我 们可 以 通过 检测光 电 管输出的 大小检测 反射光 中 心波长 的 移 动 量 。这 种 检测方 法 结构比较简 单、 成 本 十分低廉 、 比较容 易实 现， 且 灵 敏 度 较高 。但 是 ， 对 我 们在 挑选光 栅 时的 要求 非常 严 格， 这 两 个 光 栅 必 须 完 全 匹
17、 配， 在 调谐过 程 中 ， 容 易出现啁 啾 现象， 所以 调谐范 围 有限 。 因 为要参 考 光 栅 变量 等 诸多因素 ，所以 对 于应 变以 及温 度 的 测量 ，我 们就只 能在 很 小的 范 围 内实 现。 瞧 胶 饴 蹩 硕 干 涉 解 调法式 中 见为有效 弹 光 系数。 波长 的 变化 引 起 两 臂 间 的 相位 差 变化 为：朋图非平 衡 迈克尔 逊 干 涉 仪解 调系统在非平 衡 迈克尔 逊干 涉 解 调法 中 ，两 束 光 之 间 光 程 差 发 生极 微小的 改 变也 会对 最后 相位 的 测量 产生影 响 ， 所以 ， 这 种 解 调方 法 的 灵 敏 度 很 高 。 但 随之 而带 来的 问 题就是 在 解 调过 程 中 ， 对 于 环境 的 要求 非常 高 ， 外界环境 的 变化 很 容 易导 致解 调的 不准确 性 。 其 中 ，丁 为温 度 变化 量 ， 为热 光 系数， 即布拉格波长 随温 度 的 变化 量 。吨表 示 光 纤光 栅 中 心波长 的 偏移 量 ，九则 为布拉格波长 。度 的 大小。
