1、中北大学 2013 届毕业设计说明书第 I 页 共页目录1 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.1.1 课题研究的背景 .11.1.2 课题研究的意义 .21.2 光纤光栅传感器的发展现状 .31.2.1 国外发展现状 .31.2.2 国内发展现状 .41.3 论文的主要研究内容 .52 光纤 Bragg 光栅传感特性分析 .62.1 光纤光栅的定义 .62.2 光纤光栅的类型及其特点 .62.3 光纤光栅的基本结构及传感原理分析 .72.4 均匀轴向应力下的光纤 Bragg 光栅传感特性分析 .92.5 均匀横向应力下的光纤 Bragg 光栅传感特性分析 .112.6 光纤 Br
2、agg 光栅温度传感特性分析 .112.7 光纤 Bragg 光栅应变、温度测量的交叉敏感 .132.8 本章小结 .133 光纤 Bragg 光栅应变监测系统的设计 .153.1 光纤 Bragg 光栅应变监测系统示意图 .153.2 非平衡马赫曾德尔干涉仪 .163.2.1 光纤马赫曾德尔干涉仪解调的结构 .163.2.2 光纤马赫曾德尔干涉仪的参数计算 .163.3 光纤 Bragg 光栅应变监测系统的硬件选择 .173.3.1 系统光源的选择 .173.3.2 光器件的互连 .173.3.3 光电探测器的选择 .18中北大学 2013 届毕业设计说明书第 II 页 共页3.3.4 压电
3、陶瓷的调制及参数计算 .183.4 反馈放大电路的设计 .203.4.1 反馈放大电路的电路设计 .203.4.2 反馈放大电路的作用 .203.5 信号处理模块的设计 .213.5.1 信号解调的分析与研究 .213.5.2 光纤光栅传感信号的调制研究 .223.5.3 光纤光栅传感信号的解调分析 .223.6 本章小结 .244 系统的硬件仿真与实验 .254.1 光纤 Bragg 光栅应变特性实验 .254.2 相敏检波参考信号和 PZT 驱动信号发生器的设计与仿真 .284.3 信号解调模块的设计与仿真 .304.4 A/D 转换电路的设计与仿真 .314.5 本章小结 .325 结论
4、与展望 .335.1 结论 .335.2 展望 .33参考文献 .35致谢 .38中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 38 页1 绪论本章介绍了光纤 Bragg 光栅在建筑物应变监测技术的背景及意义，综述了相关技术在国内外的发展现状，在此基础上，确定了本论文的工作重点以及具体研究内容。1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 课题研究的背景自 20 世纪 50 年代以来，建筑物健康监测的重要性就逐步被认识，但受检测、监测手段比较落后的限制，在应用上一直未得到推广和重视。近年来随着大跨径建筑物的轻柔化及形式与功能的复杂化，光纤光栅应用于建筑物上的健康监测技术成为国内外学术界、工程界
5、的研究热点 1。许多国家都在一些已建和在建的建筑物上进行了有益的尝试：丹麦曾对总长 1726m 的 Faroe 跨海斜拉桥进行施工阶段及通车首年的监测，另外，他们在主跨 1624m 的 Great Belt East 悬索桥上也开始了相关的尝试；泰国与韩国目前已开始在重要建筑物上安装永久性的实时结构整体与安全性报警设备；香港的许多建筑在施工阶段也已开始传感器的安装，以备将来运营期间的实时监测 2。光纤光栅监测技术的成功开发与应用将起到确保建筑物安全运营、延长建筑物使用寿命的作用。同时通过早期建筑物应变的监测能大大节约建筑物的维修费用，可以避免最终频繁大修所引起的重大损失 3。近年来，国内发生的
6、几起大型的建筑物坍塌或局部损坏事故在很大程度上是由于构建疲劳加之监测养护措施跟不上，从而严重影响构建的承重能力和结构的使用。因此，对建筑物结构健康监测非常必要和迫切。光纤光栅是一种新型光纤无源器件，它是在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，只对特定波长的光具有反射或透射作用，从而使该波长的光在其中的传播行为得以改变和控制。光纤光栅是性能优良的敏感光学元件，其中心波长随温度、应变等外界物理量的改变而改变 4。自从 20 世纪 80 年代末 Morey 等人首次对光纤 Bragg光栅在应变与温度传感领域进行研究以来，世界各地都对其十分关注并展开广泛的研究，使得光纤光栅传感器在许多领域的研究和应
7、用都取得很大的成功 5。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 38 页1.1.2 课题研究的意义近二十年来，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。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
8、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，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 6。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。第一，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
9、点发生长期漂移，因此长期应变测试的结果会严重失真。第二，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。第三，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
10、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，因中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 38 页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 7。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
11、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 8。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
12、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 9。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 Bragg 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 10。1.2 光纤光栅传感器的发展现状1.2.1 国外发展现状目前光纤光栅传感器在动态信号检测领域的研究主要集中于高频振动的测量与分析和地球技术勘测的
13、应用以及地球内部的辐射等领域，在建筑物检测方面还不是很成中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 38 页熟。 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等。1989年，美国布朗大学（Brown University ）的门德斯（Mendez）等人首先提出了把光纤Bragg 光栅用于混凝土结构的健康监测 11。在此之后，加拿大、日本、英国、德国等国家的研究人员也对光纤光栅系统在土木工程中的应用做了大量的研
14、究工作。1997 年，在美国俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的高楼，埋入了光纤Bragg光栅，通过互联网有规律地监视楼房的荷载响应和跟踪连接绳索的长期性能 12。1999 年，在美国新墨西哥Las Cruces 10号州际高速公路的钢结构桥梁上，安装了多达120条光纤Bragg 光栅，是当时在桥梁上使用光纤 Bragg光栅最多的记录 13。2002年，Tomasel等人把光纤Bragg光栅用于钢缆的健康检测，并进行了实验研究，实现了20 个点的分布式应变传感。2004年，Yoji Okabe 等人提出了一种用 CFG检测建筑物复合材料CFRP中微裂缝的新方法。沿材料的纵向施加力的作用，然
15、后，撤掉材料中产生的裂缝（在栅区范围内）将释放残余应力，改变Bragg光栅的栅格周期和有效折射率，从而在反射谱相应的位置出现凹陷。裂缝和凹陷是一一对应的，因此，检测反射谱凹陷的波长就可以确定裂缝所在的位置。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 14。1.2.2 国内发展现状我国在70年代末就开始了光纤光栅传感器的研究，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、武汉理工大学、重庆大学、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
16、、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。2003年6月,同济大学桥梁系史家均老师主持的建筑物健康检测项目中,采用了光纤布拉格光栅传感器,用于检测建筑物在各种情况下的应力应变和温度变化情况。国内的建筑物材中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 38 页料行业对光纤Bragg 光栅传感器非常重视 ,各公司争先注册了许多光纤Bragg 光栅传感器的技术专利。2005年8月，刘波等提出了一种能够在实际工程中应用的光纤光栅位移测量装置，首先将光纤光栅的一端固定于固定端，另一端与可移动的滑块相
17、连，通过滑块的左右移动对光纤光栅进行拉压，测出结构的位移.这种测量装置中的光栅容易折断，一般测量范围较小、精度较高，仅适合于精密位移测量 15。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。光纤Bragg 光栅在建筑物动态应变测试方面的技术在国外应用已很普遍，由于其结构复杂且性能还不是特别稳定，故在我国建筑检测中的应用尚少。但可以预见，随我国设计、制造水平的提高，这种技术将越来越多地出现在我国的建筑物上。1.3 论文的主要研究内容论文的工作是以光纤Bragg光栅测量动态应变课题展开的，主要包括对光
18、纤Bragg光栅的基本原理以及传感原理进行概述，了解光纤Bragg光栅的各种解调方案，进一步确定利用非平衡马赫-曾德尔干涉仪进行波长解调，并用直流相位跟踪零差法对相位差信号进行检测的测量系统。论文主要研究工作如下：（1）介绍了课题的研究背景及国内外光纤 Bragg 光栅的应用状况，并论述了光纤光栅测量系统的研究意义以及论文的目的和主要内容。（2）介绍了光纤 Bragg 光栅的基本工作原理，分析了在均匀轴向和横向应力下的光纤光栅传感特性，光纤 Bragg 光栅温度传感特性，以及光纤 Bragg 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 Bragg 光栅对于应变测量的可行性，详细分析
19、了光纤 Bragg 光栅测量系统的原理。（3）构建了光纤 Bragg 光栅应变监测系统，选择应用非平衡马赫曾德干涉仪与直流相位跟踪零差法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。（4）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驱动信号发生器以及 A/D 转换电路进行了硬件设计与软件仿真。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 38 页（5）分析课题研究中的的成果与不足，同时对光纤 Bragg 光栅的发展前景进行了展望。2 光纤Bra
20、gg 光栅传感特性分析光纤光栅因其独特的优越性使其在传感领域占有越来越重要的地位，为了更好的将光纤光栅应用到传感领域中，人们需要对光纤光栅的结构及其传输特性做深入的研究。考虑到光纤Bragg 光栅是目前最广泛的光纤光栅传感器，使传感特性是研究其在传感领域的基础，而应变和温度的测量是光纤Bragg 光栅最基本两个应用领域，这方面的理论以及相关传感信号的解调技术的研究变得更加重要。2.1 光纤光栅的定义光纤光栅是利用光纤的光敏性，即光纤纤芯在受到特定波长和高于一定强度的激光照射时，折射率会发生永久性变化这一特性制成的一种光纤无源器件。由于光纤的光敏性主要取决于纤芯材料，现在广泛用于通信和传感领域的
21、光纤光栅主要是用紫外光照射掺锗石英光纤而成的。由于纤芯受到紫外光（一般是双光束干涉）的照射致使纤芯内部折射率形成周期性调制分布，所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。当宽带光传播到光纤光栅时，满足布拉格条件的一定波长的光将会被反射。光纤光栅在典型的 0.1 纳米到几十纳米的宽带内反射率可以达到100%，从而实现按波长编码对光进行选择。通常把光栅周期小于 1 微米的均匀周期光纤光栅称为光纤 Bragg 光栅，简称为 FBG（Fiber Bragg Grating） 16。2.2 光纤光栅的类型及其特点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分布调制等结构参数，
22、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一下几种 17：（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，其折射率变化的周期一般为 量级。它在光纤激光器、光纤传感器、光m10中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 38 页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，其折射率变化的周期一般与光纤
23、Bragg 光栅周期处于同一量级。啁啾光纤光栅被广泛应用于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的应用价值。（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。（5）摩尔光纤光栅（moire grating ）：它是通过在原先
24、写入光栅的位置上再写入一个光栅得到的。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。（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，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。（8）长周期光纤光栅（long-per
25、iod 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。2.3 光纤光栅的基本结构及传感原理分析中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 38 页（a）光纤 Bragg 光栅结构示意图（b）光纤 Bragg 光栅入射谱、反射谱和透射谱图 2.1 光纤光栅折射率分布及反射透射特性光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：（2.1）21、 是正、反向传输常数， 是光纤光栅的周期，光纤的周期可通过两相干紫12外光束的相对角度而得到调整，通过这种方法，就可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 18。光纤 Bragg 光栅（ FBG）是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件，也是目前最常见、应用最广的一种光纤光栅，其光栅周期与折射率调制深度均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线一致。光纤 Bragg 光栅的结构如图 2.1（a ）所示，当光波传输通过光纤 Bragg 光栅时，入射光就会分成两部分：透射光波矢和反射光波矢。一部分满足Bragg 光栅波长条件的波矢将被反射回来，其余入射光将被透射，如图 2.1（b）所示 19。
