畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于LabVIEW的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng).doc

1、基于lab view的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要光纖光柵作為一種新型的光無(wú)源器件，促成了光纖由被動(dòng)的傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)的光子器件，拓寬了光纖技術(shù)應(yīng)用范圍，開(kāi)創(chuàng)了一種在光通信、光傳感領(lǐng)域發(fā)展的新思路。隨著光纖通信和光導(dǎo)纖維技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也逐漸發(fā)展成熟。光纖光柵傳感器不僅具有可靠性好、抗電磁干擾、電絕緣、抗腐蝕、靈活方便、復(fù)用性強(qiáng)和能在復(fù)雜的環(huán)境下工作等特點(diǎn)外，而且能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量,形成各種光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。本論文主要以光纖光柵傳感器為研究對(duì)象，利用labview軟件對(duì)其傳感及解調(diào)特性進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，本篇論文分別對(duì)labview軟件的功能介

2、紹、光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、labview解調(diào)界面設(shè)計(jì)，這三個(gè)方面進(jìn)行了分析與研究，設(shè)計(jì)并制作出了一套光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)模型。本論文是在“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目（101006015）的支持下完成的，本論文的主要內(nèi)容為：1 對(duì)光纖光柵傳感器的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述，為以后的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究提供了依據(jù)。2 系統(tǒng)的闡述了光纖光柵傳感器系統(tǒng)理論，并進(jìn)行了以下分析，包括： (1) 介紹光纖光柵傳感理論、傳感特性。 (2) 闡述光纖光柵解調(diào)理論、技術(shù)方法。3 對(duì)光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行全面研究分析，利用labview對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出待測(cè)量： (1) 設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)測(cè)量靜態(tài)與

3、動(dòng)態(tài)變量的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，搭建光路部分和電路部分。 (2) 根據(jù)傅里葉變換提出一種相位檢測(cè)方法，通過(guò)軟件控制提高了檢測(cè)精度和速度。 (3)在labview環(huán)境下通過(guò)模塊化編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)處理（傅里葉變換和數(shù)據(jù)擬合），并設(shè)計(jì)出控制界面。 關(guān)鍵詞： 光纖傳感器 光纖光柵 m-z干涉儀 labview 解調(diào)a design of fiber grating demodulation system based on lab view softwareabstractfiber bragg grating is a new type of optical passive devices

4、, which led to the emergence of optical fiber transmission medium from the passive into active photonic devices, and greatly expanding the application of fiber optic technology for optical communication, optical sensing and open up an application extremely wide range of new photonic devices and tech

5、nologies. optical fiber sensing technology, with the optical fiber and optical fiber communication technology development, become a new technology. because of its fire, explosion, high precision, low loss, small size, light weight, long life, cost effective and good reusability, fast response, resis

6、tance to electromagnetic interference, wide frequency range, dynamic range, apt to compose telemetry network with optical fiber transmission system that make it widely used in many fields.the main study of this dissertation is fiber bragg grating sensor,experimental research of its characteristics a

7、bout sensing and demodulation theoretical by applying lab view software.this dissertation analyze and research respectively these three aspects, the introduction of labview softwares function,the design of fiber bragg grating sensor demodulation system, the design of demodulation interface based on

8、labview software,design and produce a novel model of fiber bragg grating sensor demodulation system.with the subjects supported by the students innovation experiment project (101006015), tianjin municipal education fund (20060609), the main content of this dissertation is as following: 1.on the deve

9、lopment and application of optical fiber sensors are briefly outlined for future theoretical and experimental study of the premise. 2. the system expounded the theory of fiber bragg grating sensor and application, and conducted the following analysis, including: (1)the introduction of fiber bragg gr

10、ating sensors theoretical and characteristics about sensing.(2) the stating of fiber bragg grating sensors theoretical and technique about demodulation. 3.on the fiber bragg grating sensor in the demodulation aspects of the study, data processing of the signal based on labview and ask out for measur

11、ement, (1)designed fiber grating sensor demodulation system, a simultaneous measurement of static and dynamic variables to build the optical path portion and part of the circuit. (2)to improve the detection accuracy and speed by software control based on the fourier transform of a phase detection me

12、thod. (3)realized automatic data acquisition, automated processing (fourier transformation and data fitting) based on labview software, and designed a control interface. key words:fiber sensor fiber bragg grating m-z interferometer labview software demodulation 目 錄第一章 緒論11.1 概述11.2 光纖傳感器的發(fā)展與應(yīng)用21.3 數(shù)

13、據(jù)處理的簡(jiǎn)要介紹31.4 論文的主要內(nèi)容4第二章 纖光柵傳感器系統(tǒng)理論分析62.1 光纖光柵傳感理論62.1.1光纖光柵傳感基本理論62.1.2光纖光柵的傳感特性72.2 光纖光柵解調(diào)理論92.2.1波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)理論92.2.2相位解調(diào)技術(shù)理論122.3 本章小結(jié)15第三章 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究163.1 解調(diào)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)163.1.1 解調(diào)系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)方案173.1.2 解調(diào)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案203.2 相位檢測(cè)算法233.3 labview軟件設(shè)計(jì)243.3.1 labview軟件簡(jiǎn)介243.3.2 數(shù)據(jù)采集243.3.3 數(shù)據(jù)處理263.3.4 控制界面設(shè)計(jì)283.4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

14、分析293.5 本章小結(jié)29第四章 總結(jié)與展望30參考文獻(xiàn)31致 謝33天津理工大學(xué)2012屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第一章 緒論1.1 概述人類(lèi)很早就開(kāi)始運(yùn)用光傳遞信息， 幾千年前的烽火臺(tái)是我國(guó)人民最早用光傳遞信息的設(shè)施 ，如果發(fā)現(xiàn)敵人入侵， 白天燃煙、 夜間舉火， 利用火光來(lái)傳送軍事情報(bào)。 后來(lái)， 人們又創(chuàng)造出使用旗語(yǔ)等傳遞信息的方法， 這些都是非常原始的光通信方式， 主要運(yùn)用了可見(jiàn)光的視覺(jué)通信功能， 還稱(chēng)不上完全意義上的光通信。20世紀(jì)以后， 人們對(duì)通信的依賴(lài)變得越來(lái)越緊密， 光通信技術(shù)進(jìn)入了突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段。 我們今天描述的光通信已不再是過(guò)去可見(jiàn)光進(jìn)行的視覺(jué)通信， 而是采用光波作為載波來(lái)傳

15、遞信息的通信方式。1955年，kapany博士在英國(guó)倫敦工作期間，在實(shí)驗(yàn)室用玻璃絲研制出了光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)為光纖。它是一種介質(zhì)波導(dǎo)，工作波段是光波波段。每根光纖由兩種玻璃材質(zhì)制成，其中這兩種玻璃對(duì)光的折射率不同，導(dǎo)致他們的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生差異，這樣，當(dāng)光纖以一定傾斜角射入光纖一端，就不會(huì)從纖維壁射出，而是順著這兩層玻璃分界面進(jìn)行連續(xù)反射向前傳播。根據(jù)全反射原理，如此，光纖就能把電磁能量以光的形式約束在其界面內(nèi)，并沿著光纖軸線方向引導(dǎo)光波向前傳播。低損耗的光纖產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，至此，光纖實(shí)用化進(jìn)程向前邁了一大步，在通信領(lǐng)域中，光纖在長(zhǎng)距離信息傳輸中受到廣泛運(yùn)用。光纖作為一種光波傳輸煤質(zhì)，在傳輸過(guò)

16、程中，高光波的一些特征參量（相位 、振幅 、波長(zhǎng) 、偏振態(tài)等）會(huì)隨外界環(huán)境（如壓力 、溫度 、電場(chǎng) 、磁場(chǎng) 、轉(zhuǎn)動(dòng) 、位移等）的改變直接或間接的受到影響而變化，這樣，通過(guò)這些變化就可以來(lái)檢測(cè)相關(guān)物理量。光纖傳感技術(shù)是一種新型的傳感技術(shù)，特點(diǎn)是用光纖替代傳統(tǒng)媒介來(lái)對(duì)信息進(jìn)行感知和傳輸，激光技術(shù) 、纖維光學(xué) 、信號(hào)與圖像處理技術(shù) 、非線性光學(xué) 、通信技術(shù) 、微電子技術(shù) 、計(jì)算機(jī)技術(shù) 、精密機(jī)械與儀器技術(shù)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域都有所涉及。光纖傳感器按照被調(diào)制的光波參數(shù)不同可以分為相位調(diào)制型光纖傳感器 、強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器 、偏振調(diào)制型光纖傳感器和頻率調(diào)制型光纖傳感器等。與傳統(tǒng)傳感

17、器相比 ，光纖傳感器具有以下特性：1. 靈敏度高 ，響應(yīng)速度快；2. 傳輸損耗小 ，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離遙測(cè)；3. 體積小 ，重量輕 ，外型設(shè)計(jì)靈活；4. 抗電磁干擾 ，耐腐蝕 ，電絕緣 ，本質(zhì)安全；5. 對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小 ，尤其適用于醫(yī)藥生物領(lǐng)域；6. 傳輸容量大 ，可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量 ，形成網(wǎng)絡(luò)化；7. 測(cè)量范圍廣 ，可實(shí)現(xiàn)溫度 、應(yīng)變 、磁場(chǎng) 、電流 、加速度等參量的測(cè)量。 正是由于光纖傳感器具備上述優(yōu)勢(shì) ，自上世紀(jì)70 年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)將近30的研究開(kāi)發(fā) ，光纖傳感技術(shù)開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嵱没?，新型光纖傳感儀器不斷投入實(shí)際應(yīng)用 ，并形成了產(chǎn)業(yè) ，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與日俱增。1.2 光纖傳感器的發(fā)展

18、與應(yīng)用 光纖光柵是利用光纖的光敏特性在光纖內(nèi)部建立的一種周期性折射率空間分布的光器件 ，其作用在于控制或改變光在該區(qū)域的傳播行為和方式1 。光纖光柵作為一種新型的光無(wú)源器件 ，促成了光纖由被動(dòng)的傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)的光子器件 ，拓寬了光纖技術(shù)應(yīng)用范圍 ，開(kāi)創(chuàng)了一種在光通信 、光傳感領(lǐng)域發(fā)展的新思路 。因此，光纖傳感技術(shù)將成為光電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并得到迅速的發(fā)展。光纖傳感技術(shù)是隨著光纖通信和光導(dǎo)纖維技術(shù)的發(fā)展而形成的新型技術(shù)，但在實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)用化的進(jìn)程中解調(diào)是關(guān)鍵2，目前光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)裝置仍是光譜分析儀，它具有較高的精度和靈敏度，但它價(jià)格昂貴，體積較大，使用條件苛刻，不適

19、合工程現(xiàn)場(chǎng)使用。迄今為止，人們己提出了不少光纖光柵復(fù)用信號(hào)解調(diào)方法，例如：非平衡m-z干涉儀法3，匹配fbg可調(diào)濾波檢測(cè)法4-5，可調(diào)窄帶光源檢測(cè)法6，可調(diào)法布里珀羅濾波器解調(diào)法等等7。1992年,a.d.kersey 等人提出的非平衡m-z光纖干涉解調(diào)法是利用非平衡m-z光纖干涉儀將傳感光柵的波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)化成相位變化, 通過(guò)檢測(cè)干涉儀輸出的相位信號(hào)即可得到傳感光柵的波長(zhǎng)信息。1994年，serge m.melle等人提出無(wú)源自參考波長(zhǎng)解調(diào)法，消除了光源波動(dòng)的影響，體積小巧適用于靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)的側(cè)臉8。1996年浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系對(duì)干涉型光纖傳感器用相位載波檢測(cè)方式檢測(cè)到了較為穩(wěn)定的模

20、擬傳感信號(hào)9。1999年南開(kāi)大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究曾采用波長(zhǎng)掃描極值解調(diào)法實(shí)現(xiàn)光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感的測(cè)量10。2001年北京理工大學(xué)光電工程系用軟件來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)，不僅省去了繁雜的模擬運(yùn)算電路，而且達(dá)到了極高的解調(diào)精度11。2008年天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提出基于直流相位跟蹤零差法的非平衡mz干涉解調(diào)系統(tǒng)，對(duì)壓電陶瓷產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果，表明適用于精密測(cè)試中動(dòng)態(tài)信號(hào)的檢測(cè)12。目前，國(guó)外光纖溫度傳感器可探測(cè)至2000高溫，靈敏度達(dá)l。普通型光纖溫度傳感器在-10300范圍，精度為13，響應(yīng)時(shí)間為2s。國(guó)內(nèi)的傳感技術(shù)與之相比還存在一定差距，尤其在光纖傳感器的共性基礎(chǔ)

21、技術(shù)、中間試驗(yàn)技術(shù)、生產(chǎn)裝備技術(shù)方面，不過(guò)在精度測(cè)量方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。從上世紀(jì)70年代末光纖光柵傳感器誕生以來(lái) ，便由于其具有的防爆 、防火 、損耗低 、精度高 、重量輕 、體積小 、壽命長(zhǎng) 、復(fù)用性好 、性價(jià)比高 、抗電磁干擾 、響應(yīng)速度快 、動(dòng)態(tài)范圍大 、頻帶范圍寬 、易組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢(shì)而被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域13。在土木工程方面 ，美國(guó)winooski河 ，通過(guò)八個(gè)光纖光柵傳感器對(duì)橋體結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測(cè) ，取得良好監(jiān)測(cè)效果 。北京地鐵穿越施工中 ，利用光纖光柵靜力水準(zhǔn)傳感器 ，對(duì)施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ，保證了施工質(zhì)量 。在航天航空方面 ，美國(guó)宇航局通過(guò)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)航天飛機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行健康

22、檢測(cè) 。在石油化工方面 ，中國(guó)石油大學(xué)通過(guò)建立光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò) ，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下油氣采集環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 。美國(guó)cidra公司通過(guò)光纖光柵傳感器對(duì)溫度 、壓力及流量等參量進(jìn)行監(jiān)測(cè) ，并將其應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè) 。在生物醫(yī)學(xué)方面 ，南洋理工大學(xué)的生物工程研究中心研制成的壓力傳感器被新加坡中心醫(yī)院用于外科校正 ，用來(lái)幫助醫(yī)生監(jiān)測(cè)病患者的健康狀況 。在電力方面，電力設(shè)備周?chē)碾姶怒h(huán)境相當(dāng)復(fù)雜中 ，光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾特性 ，使其廣泛應(yīng)用其中 。德國(guó)西門(mén)子公司通過(guò)對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行特殊處理 ，可用于對(duì)發(fā)電機(jī)定子電流、溫度進(jìn)行測(cè)量 。在核工業(yè)方面 ，在高輻射環(huán)境中 ，傳統(tǒng)電傳感器無(wú)法正常使用

23、，核輻射對(duì)人類(lèi)又具有極大的威害 ，因此對(duì)核工業(yè)的安全監(jiān)測(cè)是非常必須的 。利用光纖光柵傳感器的抗輻射性能 ，可以對(duì)核工業(yè)周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)。 從光纖光柵傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀以及文獻(xiàn)報(bào)道情況來(lái)看 ，它具有廣闊的發(fā)展前景 ，其進(jìn)一步的研究方向是：(1)解決光纖光柵傳感器的實(shí)用化問(wèn)題 ，主要是長(zhǎng)時(shí)間的漂移問(wèn)題 。(2)開(kāi)展對(duì)采用復(fù)用技術(shù)的光纖光柵傳感器系統(tǒng)的研究 ，特別是將其與微機(jī)相結(jié)合而組成光纖遙測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量與控制 。(3)開(kāi)展對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)及元器件的深入研究 。光纖光柵傳感器的性能與其穩(wěn)定性和可靠性密切相關(guān) ，隨著基礎(chǔ)技術(shù)的成熟 、元器件性能的更加完善 ，光纖光柵傳感器將得到更廣泛的應(yīng)用。

24、1.3 數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)處理指對(duì)數(shù)據(jù)的采集 、存儲(chǔ) 、加工 、變換 、檢索和傳輸 。數(shù)據(jù)是對(duì)事實(shí) 、概念或指令的一種表現(xiàn)形式 ，可由人工或者自動(dòng)化裝置進(jìn)行處理 。數(shù)據(jù)的形式可以是文字 、數(shù)字 、聲音或圖形等 。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)闡釋并賦予一定的意義后 ，便成為信息 。數(shù)據(jù)處理的基本作用是從大量的 、難以理解的 、雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中提取并推導(dǎo)出對(duì)某些特定的人群來(lái)說(shuō)有價(jià)值 、有意義的數(shù)據(jù) 。數(shù)據(jù)處理是自動(dòng)控制和系統(tǒng)工程的基本環(huán)節(jié) ，貫穿于社會(huì)生活和社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域 。數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的深度和廣度 ，推動(dòng)著人類(lèi)社會(huì)穩(wěn)步向前發(fā)展。描述處理設(shè)備要包括工作方式、結(jié)果方式和數(shù)據(jù)時(shí)間/空間分布方式，因此，

25、不用的數(shù)據(jù)處理方式對(duì)應(yīng)著不同的硬件和軟件。根據(jù)應(yīng)用問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)情況，再結(jié)合不同處理方式的各自特點(diǎn)來(lái)選擇最佳處理方式。數(shù)據(jù)處理的方式主要有四種：（1）根據(jù)處理設(shè)備的結(jié)果方式不同可以分為聯(lián)機(jī)處理和脫機(jī)處理；（2）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間分配方式不同可以分為實(shí)時(shí)處理、分時(shí)處理和批處理方式；（3）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的空間分配方式不同可以分為分布處理和集中處理；（4）根據(jù)計(jì)算機(jī)中央處理器的工作方式不同可以分為交互式處理、單道作業(yè)處理和多道作業(yè)處理。 數(shù)據(jù)處理脫離不了軟件的支持 ，數(shù)據(jù)處理軟件包括：程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及其編譯程序 ，管理數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以及各種數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用軟件包 。為了確保數(shù)據(jù)安全可靠 ，還

26、配備數(shù)據(jù)安全保密的技術(shù)。數(shù)據(jù)處理軟件有：excel 、origin 、matlab、labview等等 ，當(dāng)前盛行的數(shù)據(jù)分析和圖形可視化軟件有l(wèi)abview 、matlab 、mathmatica和maple等 。這些軟件功能豐富 ，可滿足科技工作中的眾多需要 ，但使用這些軟件需要具備一定的矩陣知識(shí)和計(jì)算機(jī)編程知識(shí) ，并熟悉其中大量的命令和函數(shù)。excel可以提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理功能 ，利用它們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的排序 、分類(lèi)匯總 、篩選及數(shù)據(jù)透視等操作 。origin是美國(guó)microcal公司開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件 ，它可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序 、平滑 、微分 、積分以及線性和非線性擬合 ，此外

27、，還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制各種二維 、三維坐標(biāo)圖形14。matlab具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算 、數(shù)據(jù)處理 、圖像處理功能 ，可以完成諸多數(shù)值計(jì)算 、頻譜分析等操作，還可以快速準(zhǔn)確 、形象直觀地得到可視化的模擬與仿真圖像15。labview是基于g語(yǔ)言的革命性的圖形化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 ，用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制 、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá) 。它的目標(biāo)是簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)工作 ，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件資源的共享 ，以利于快速簡(jiǎn)便地完成工作 ，適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的迅速發(fā)展 。它率先引入虛擬儀表概念 ，用戶可通過(guò)人機(jī)界面直接控制自行開(kāi)發(fā)儀器 ，可以實(shí)現(xiàn)：信號(hào)分析 、信號(hào)截取 、數(shù)值運(yùn)算 、機(jī)器視覺(jué) 、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 、聲音震動(dòng)分析 、邏輯運(yùn)算等諸

28、多功能16。隨著計(jì)算機(jī)的日益普及 ，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)值計(jì)算所占比重很小 ，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理對(duì)信息進(jìn)行管理已成為主要的應(yīng)用 ，如倉(cāng)庫(kù)管理 、測(cè)繪制圖管理 、交通運(yùn)輸管理 、財(cái)會(huì)管理 、辦公室自動(dòng)化 、技術(shù)情報(bào)管理等。1.4 論文的主要內(nèi)容光纖光柵傳感器由于具有可靠性好 、抗電磁干擾 、靈活方便 、復(fù)用性強(qiáng) 、能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量、形成各傳感網(wǎng)絡(luò)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) ，而廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域 。在實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)用化的進(jìn)程中解調(diào)是關(guān)鍵 ，m-z干涉解調(diào)法利用光波的相干性 ，將信息編碼轉(zhuǎn)換成相位編碼 ，具有很高的精度和分辨率 ，可同時(shí)檢測(cè)靜態(tài)信號(hào)和低頻動(dòng)態(tài)信號(hào)。利用labview數(shù)據(jù)處理

29、軟件對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行解調(diào) ，有效的降低了噪聲的引入 ，提高了檢測(cè)精度 。labview具有圖形化編程以及多功能的編程語(yǔ)言等特點(diǎn) ，便于與其他測(cè)量硬件之間的連接 ，并可對(duì)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制 ，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 、處理和顯示,適合于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。 本論文的主要內(nèi)容為：第一章 簡(jiǎn)要概述光纖光柵傳感器的發(fā)展和應(yīng)用 ，以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí) ，為以后的理論和實(shí)驗(yàn)研究提供了前提。第二章 系統(tǒng)的闡述了光纖光柵傳感器系統(tǒng)理論 ，并進(jìn)行了以下分析 ，包括：1.介紹光纖光柵傳感理論、傳感特性。2.闡述光纖光柵解調(diào)理論、技術(shù)方法。第三章 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 ，主要包括：1.光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)

30、計(jì)，光路部分與電路部分的搭建。2.根據(jù)傅里葉變換提出相位檢測(cè)算法。3.在labview環(huán)境下通過(guò)模塊化編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)處理（傅里葉變換和數(shù)據(jù)擬合），并設(shè)計(jì)出控制界面。4.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。第四章 對(duì)文章進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。第二章 纖光柵傳感器系統(tǒng)理論分析光柵折射率、柵距等會(huì)受到應(yīng)變、溫度、壓強(qiáng)等外界環(huán)境變化的影響而發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光柵的諸多特征參量，頻率、強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位等產(chǎn)生變化。這樣，外界環(huán)境的應(yīng)變、溫度、壓強(qiáng)等信息就可以通過(guò)檢測(cè)光柵的參量變化而得知。這種關(guān)系實(shí)質(zhì)上是將外界信號(hào)加載到傳輸?shù)墓獠ㄖ?，屬于調(diào)制部分，然后從調(diào)制后的光波中提取所需信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)

31、處理，屬于解調(diào)部分。光纖光柵傳感最重要的技術(shù)就是調(diào)制和解調(diào)，也是傳感技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本章節(jié)主要介紹光纖光柵傳感系統(tǒng)中的傳感理論及解調(diào)理論。2.1 光纖光柵傳感理論2.1.1光纖光柵傳感基本理論光纖光柵的反射譜和透射譜與外界參量應(yīng)變、溫度之間符合一定的量化關(guān)系，是光纖光柵傳感器的基本理論依據(jù)。這樣，對(duì)光纖光柵的反射譜和透射譜的變化進(jìn)行檢測(cè)，就可以獲得待測(cè)物理量的相關(guān)信息。光纖光柵傳感器系統(tǒng)主要由三部分組成：光源、光柵傳感器和信號(hào)解調(diào)模塊。光源提供整個(gè)系統(tǒng)所需的光能量，光柵傳感器監(jiān)測(cè)外界物理量的變化，信號(hào)解調(diào)模塊解調(diào)經(jīng)外界信號(hào)調(diào)制后的光波，提取待測(cè)物理量信息17。光纖光柵傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所

32、示： 圖2-1 光纖光柵傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1） 寬帶光源光源的性能決定了整個(gè)系統(tǒng)光信號(hào)性能的好壞 ，有著十分重要的作用 。為了達(dá)到分布式傳感系統(tǒng)中多點(diǎn)多參量的測(cè)量要求 ，寬帶光源必須具備頻譜范圍較寬的穩(wěn)定輸出 ，并且具有較強(qiáng)的能量輸出能力 。隨著光源技術(shù)的不斷深入發(fā)展 ，可滿足傳感系統(tǒng)性能要求的寬帶光源的選擇也越來(lái)越多。（2） 解調(diào)模塊光纖光柵傳感系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)包括光信號(hào)處理和電信號(hào)處理兩部分 。其中光信號(hào)處理主要是將經(jīng)待測(cè)物理量調(diào)制后的光波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)再通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換 ，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) ，利用電信號(hào)處理模塊對(duì)光柵相位信息進(jìn)行解碼。（3） 光纖光柵光纖材料具有

33、光敏特性，在纖芯內(nèi)部可以形成空間相位光柵，實(shí)質(zhì)作用類(lèi)似于在纖芯內(nèi)部安裝一個(gè)窄帶濾光器或反射鏡。目前市面上，光柵種類(lèi)眾多，其中布拉格光柵（fbg）最為常見(jiàn)，周期為10-1m左右。光柵結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示： 圖2-2 光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)入射到fbg的光束滿足bragg條件（即：波長(zhǎng)為）的光將被反射 ，反射光譜在bragg波長(zhǎng)處出現(xiàn)反射峰 ，透射光譜在bragg波長(zhǎng)處出現(xiàn)透射峰 ，這是布拉格光柵用于傳感技術(shù)的基礎(chǔ)。2.1.2光纖光柵的傳感特性光纖光柵作為傳感裝置 ，當(dāng)待測(cè)物理量發(fā)生改變時(shí) ，其光譜也將發(fā)生相應(yīng)的改變（如圖2-3所示） ，反射譜的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生了漂移 ，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)漂移量 ，就可以

34、推算待測(cè)物理量的變化。 圖2-3 光纖光柵傳感原理譜圖（1）溫度對(duì)布拉格光纖光柵的影響 根據(jù)光纖光柵中心波長(zhǎng)表達(dá)式 ，當(dāng)光柵周?chē)h(huán)境的溫度發(fā)生改變時(shí) ，通過(guò)微分可以確定brrag波長(zhǎng)漂移量dlb 的表達(dá)式： （2-1）式（2-1）中 ，指光纖光柵折射率-溫度系數(shù) ，用表示，指熱膨脹效應(yīng)引起的彈光效應(yīng) ，指由熱膨脹效應(yīng)引起光纖芯徑變化而產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng) ，指光纖熱膨脹系數(shù) ，用表示 。式（2-1）可以簡(jiǎn)化為： （2-2） 由（2-2）式可以得到溫度靈敏度： （2-3）式（2-3）中，為光纖的熱膨脹系數(shù) ，為熱光系數(shù) ，一般情況下 。對(duì)石英光纖來(lái)說(shuō) ，其熱光系數(shù) ，熱膨脹系數(shù) ，由上式可知對(duì)應(yīng)的溫度

35、敏感系數(shù)為：。（2） 軸向應(yīng)變對(duì)布拉格光纖光柵的影響 在溫度恒定條件下 ，應(yīng)變不僅會(huì)改變brrag光纖光柵的光柵常數(shù) ，同時(shí)彈光效應(yīng)導(dǎo)致fbg折射率發(fā)生改變 ，兩者分別表示為： （2-4） （2-5） 式（2-5）中 ，和為彈光系數(shù) ，為泊松比 ，因而有： （2-6） 通過(guò)變換表達(dá)方式可以得到應(yīng)變靈敏度： （2-7） 式（2-7）中 ，pe為材料的彈光系數(shù) ，可表示成： （2-8） 對(duì)純?nèi)廴谑?lái)說(shuō) ，、 ，可得出光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)為：0.784。（3） 壓力對(duì)布拉格光纖光柵的影響 壓力變化()對(duì)fbg中心波長(zhǎng)產(chǎn)生的影響可由下式表示： （2-9） 由于： （2-10） （2-11）可得：

36、（2-12）上述通過(guò)分析溫度 、壓力 、應(yīng)變等對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的影響 ，可得知當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的物理量發(fā)生改變時(shí) ，會(huì)引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移 ，因此只要檢測(cè)出光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移量 ，就可以推算出相應(yīng)待測(cè)物理量的信息。2.2 光纖光柵解調(diào)理論光纖光柵傳感器以其耐腐蝕 、抗電磁干擾 、傳輸損耗小 、體積小 、質(zhì)量輕, 便于復(fù)用等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為目前光纖光柵傳感器系統(tǒng)的研究熱點(diǎn) 。目前波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)是制約其發(fā)展的重要因素之一 ， 受到眾多專(zhuān)家 、學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注 。近年來(lái) ，提出的光纖光柵解調(diào)技術(shù)方法有 ：強(qiáng)度解調(diào) 、相位解調(diào) 、頻率解調(diào) 、偏振解調(diào) 、波長(zhǎng)解調(diào)等18 。常見(jiàn)的解調(diào)方法有

37、 ：非平衡邁克爾遜干涉儀解調(diào)法 、非平衡m-z干涉儀解調(diào)法 、可調(diào)諧f-p（fabry-perot）腔濾波法 、匹配光柵濾波法 、邊沿濾波解調(diào)等 。其中非平衡m-z干涉解調(diào)法分辨率高 、插入損耗少 、響應(yīng)快 、成本低 ；匹配光柵解調(diào)法解調(diào)速度快 、重復(fù)性好 、分辨率較高 。2.2.1波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)理論 外界信號(hào)（被測(cè)量）通過(guò)選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長(zhǎng)，從波長(zhǎng)的變化中即可提取被測(cè)物理量，這種解調(diào)方式稱(chēng)之為波長(zhǎng)解調(diào)。關(guān)于波長(zhǎng)解調(diào)方法有很多，主要有光譜分析法，波長(zhǎng)掃描法，光學(xué)濾波法等。 一、光譜分析法 光譜分析法原理：分光計(jì)將經(jīng)傳感頭輸出的光進(jìn)行分光，ccd探測(cè)器根據(jù)不同波長(zhǎng)的光波光強(qiáng)分布

38、相異對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，光波長(zhǎng)的偏移影響著光強(qiáng)分布，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析可推算出波長(zhǎng)偏移量所對(duì)應(yīng)的外界待測(cè)量。圖2-1所示為光譜分析法結(jié)構(gòu)示意圖，其中，光纖光柵作為傳感頭使用。圖2-4（a）為前向傳輸方式，2-4（b）為后向傳輸方式，參考光柵可以作為布拉格光柵反射波長(zhǎng)lb的參考點(diǎn)。符合布拉格波長(zhǎng)的光被fbg反射后，傳輸光譜中的布拉格波長(zhǎng)成分將消失而形成譜谷，這樣，參考fbg和傳感fbg光譜谷的間距可由光譜分析儀測(cè)得，或者測(cè)量參考fbg譜谷和傳感fbg的間距，說(shuō)明外界信號(hào)（被測(cè)物理量）能夠引起布拉格波長(zhǎng)的偏移。該結(jié)構(gòu)中的光譜分析儀，單色儀和傅里葉變換光譜儀都能滿足實(shí)驗(yàn)要求。 （a）前向傳輸方式 （b

39、）后向傳輸方式 圖2-4 光譜分析檢測(cè)法示意圖二、波長(zhǎng)掃描法 波長(zhǎng)掃描法原理：用可調(diào)諧激光光源代替系統(tǒng)中的寬帶光源，使其譜寬小于布拉格波長(zhǎng)反射光的譜線寬度，并且，使光源產(chǎn)生的波長(zhǎng)與光柵光譜接近，這樣，就可掃描可調(diào)諧激光輸出波長(zhǎng)的光譜。只有滿足式的波長(zhǎng)遇到fbg才會(huì)發(fā)生反射，因此，后向布拉格波長(zhǎng)反射光要在探測(cè)器上產(chǎn)生強(qiáng)輸出，必須滿足l=lb，窄帶光源的光波經(jīng)過(guò)可調(diào)諧濾波器，可以使其中心波長(zhǎng)鎖定在該種狀態(tài)，此時(shí)，即可測(cè)知lb。布拉格波長(zhǎng)會(huì)受到外界信號(hào)的影響而發(fā)生偏移至，光源的波長(zhǎng)也會(huì)隨著布拉格波長(zhǎng)的偏移而調(diào)諧至。參考fbg的參數(shù)設(shè)置可以和傳感fbg基本一致，傳感fbg的中心波長(zhǎng)會(huì)隨著參考光柵的布拉

40、格反射波長(zhǎng)的變化而發(fā)生偏移，從而被檢測(cè)到。當(dāng)傳感fbg和參考fbg的中心波長(zhǎng)相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)輸出，因此，此時(shí)的參考fbg的中心波長(zhǎng)就是所需測(cè)量值，如圖2-5所示。靜態(tài)波長(zhǎng)偏移和低頻動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)偏移都可利用此種方法進(jìn)行檢測(cè)，且其測(cè)量分辨率較高。 圖2-5 參考波長(zhǎng)掃描法示意圖三、光學(xué)濾波法 光學(xué)濾波解調(diào)的基本原理是，在光纖光柵的輸出光路中安置濾波器，析出于被測(cè)量相應(yīng)的波長(zhǎng)偏移。（1）線性濾波法 線性濾波法原理：分束比為m/n的3db耦合器c2將經(jīng)過(guò)fbg的布拉格反射光分為兩束，其中一束光通過(guò)以線性函數(shù)為光譜透射率的濾波器之后，將作為信號(hào)光is，接著被光電探測(cè)器d1接收；另一束則作為參考光ir直接被探測(cè)

41、器d2接收。此種方法適合便攜式的波長(zhǎng)檢測(cè)，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-6所示。圖2-6 線性濾波法原理框圖 可知： （2-13） 式（2-13）中，a為線性濾光器的斜率，l0為零輸出（f(l)=0）波長(zhǎng)。 兩路信號(hào)經(jīng)放大后相除，輸出為： (2-14) 式（2-14）中，lb為fbg的標(biāo)稱(chēng)布拉格波長(zhǎng)，dl為fbg波長(zhǎng)偏移。 線性濾波法的優(yōu)點(diǎn)是消除了光源波動(dòng)的影響，并與波長(zhǎng)偏移量成線性關(guān)系，而且可以做得體積小，輕巧靈便；缺點(diǎn)是測(cè)量分辨率不高。（2）可調(diào)諧光纖f-p濾波法 可調(diào)諧光纖f-p濾波法原理：利用3db耦合將fbg的布拉格反射光耦合進(jìn)可調(diào)諧光纖f-p濾光器（fpf），在fpf上加載鋸齒波電壓，這樣，將

42、使其在光柵特征波長(zhǎng)的附近進(jìn)行掃描，因此，光柵的特征波長(zhǎng)就是fpf過(guò)零點(diǎn)的輸出波長(zhǎng)。其原理結(jié)果如圖2-7。 圖2-7 可調(diào)諧f-p濾波法原理框圖可調(diào)諧f-p濾波法可以用于絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量，也可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量。2.2.2相位解調(diào)技術(shù)理論目前光的強(qiáng)度信號(hào)可以直接由光探測(cè)器直接探測(cè)，但光的相位信號(hào)目前沒(méi)有儀器可以直接探測(cè)，這樣，就需要采取一些方式對(duì)光相位信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為可以直接探測(cè)的光強(qiáng)信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的方式就是干涉法，而干涉儀是構(gòu)成干涉法的光學(xué)系統(tǒng)的統(tǒng)稱(chēng)，其輸出是干涉條紋。由于光的相位被記錄在光的干涉條紋上，這樣，當(dāng)干涉條紋產(chǎn)生改變時(shí)，暗示著相位也發(fā)生變化， 因此，要解調(diào)出光相位

43、的變化，就可以通過(guò)探測(cè)干涉條紋的變化而得知。相位解調(diào)方法中，以mach-zehnder干涉儀應(yīng)用最多。假設(shè)相位調(diào)制量為，測(cè)量大小的方法有兩種：一種光學(xué)方法，看變化，看條紋移動(dòng)；另一種是電路方法，測(cè)與有關(guān)的光電流，得。分析可知，光強(qiáng)，當(dāng)時(shí)，。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。其靈敏度為。當(dāng)時(shí)，靈敏度最低；當(dāng)時(shí)，靈敏度最低。因此，應(yīng)選擇此段工作區(qū)：兩臂相差。要做到這一點(diǎn)，常采用壓筒陶瓷（pzt）調(diào)制器作為移相器，加在干涉儀的參考臂上，產(chǎn)生的相位差，當(dāng)有信號(hào)時(shí)就在此基礎(chǔ)上移動(dòng)，這種檢測(cè)方法屬于零差檢測(cè)。零差檢測(cè)意指信號(hào)臂與參考臂的光頻差為0。一、零差檢測(cè)此種檢測(cè)方式的結(jié)構(gòu)式全光纖的，如圖2-8。圖中，參考臂上的pzt

44、為移相器。壓電元件基本上都是由鋯(zr)鈦(ti)酸鉛(pb)系統(tǒng)材料制成，故簡(jiǎn)稱(chēng)pzt。pzt具有電致伸縮現(xiàn)象即壓電效應(yīng)及其逆效應(yīng)。其壓電效應(yīng)指在一定方向上對(duì)壓電材料施加應(yīng)力，則使相應(yīng)的表面會(huì)產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電致伸縮指壓電材料的體積，會(huì)隨著施加在材料表面的電壓的改變而產(chǎn)生伸縮。實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖縱向應(yīng)變進(jìn)行調(diào)制的最簡(jiǎn)便的方法是，采用一個(gè)空心的pzt陶瓷圓柱體，在這個(gè)圓柱體上纏繞一圈或多圈的光纖。由于pzt圓柱體的直徑隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)變化，這樣使纏繞在它上面的光纖也隨之伸縮，光纖承受到應(yīng)力，使光的相位變化。在驅(qū)動(dòng)電壓大約30v，頻率為幾千赫茲范圍內(nèi)，pzt圓柱直徑2.54cm時(shí)，獲得每圈12rad的相位延遲

45、。若在徑向驅(qū)動(dòng)時(shí)，延遲可加大到大約每圈1.5rad/v。光纖干涉儀若采用這樣的pzt相位控制器，可以探測(cè)小至0.1rad的相位變化。檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理如下。光探測(cè)器d1和d2測(cè)得光功率分別為： 圖2-8 全光纖m-z干涉儀的零差檢測(cè) (2-15) (2-16)因3db耦合器的輸出端相移為，故第二個(gè)耦合器的二輸出端相位差為，則上式中第三項(xiàng)相差一個(gè)符號(hào)。差分放大輸出電壓為： (2-17)這里，是調(diào)制產(chǎn)生的相位差，是時(shí)間t的函數(shù)。設(shè)，則，將此式按貝塞爾函數(shù)展開(kāi)，其中含有高頻項(xiàng)和低頻項(xiàng)，用低通濾波器除掉高頻項(xiàng)，則低頻波返回pzt作電壓控制。反饋電壓為： (2-18)式2-18中，為零階貝塞爾函數(shù)。設(shè)p

46、zt在單位電壓下產(chǎn)生m rad的相位變化，則 (2-19)可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)，。因此，二通道的相位差在無(wú)信號(hào)時(shí)能穩(wěn)定在這一最佳靜態(tài)工作點(diǎn)，差分輸出： （2-20）這里介紹的是主動(dòng)零差檢測(cè)。所謂主動(dòng)，表現(xiàn)在利用反饋?zhàn)詣?dòng)產(chǎn)生相位移；所謂被動(dòng)，則是由外界信號(hào)發(fā)出一頻率來(lái)調(diào)節(jié)pzt。二、外差檢測(cè) 光纖m-z干涉儀的外差檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖2-9。檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如下：圖中aom（acoustic optical modulator）為聲光調(diào)制器，d1與d2為光探測(cè)器。d1與d2測(cè)得光功率分別為： 圖2-9 m-z干涉儀的外差檢測(cè) （2-21） （2-22）式中，因此。差分輸出：，將v分別與和相乘，結(jié)果含項(xiàng)，即 （2-

47、23） （2-24）經(jīng)過(guò)具有適當(dāng)截止頻率的低通濾波器，得： (2-25) （2-26）將、送入正弦/余弦解調(diào)器，得。交叉相乘電路如圖2-10。這里實(shí)際是時(shí)間的函數(shù)，。 圖2-10 交叉相乘電路外差與零差檢測(cè)相比，差分放大器以前部分基本相同，差別主要在后部。目的都是要提高靈敏度，消除光纖傳輸過(guò)程中的不穩(wěn)定和光源的不穩(wěn)定。外差檢測(cè)的特點(diǎn)是參考臂頻率提高到。其優(yōu)點(diǎn)是使檢測(cè)不受低頻噪聲的影響；對(duì)于噪聲，其強(qiáng)度較大的是低頻部分，可避免此項(xiàng)干擾；相位的檢測(cè)靈敏度為常數(shù)，比較穩(wěn)定；相位跟蹤范圍大，調(diào)制信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大。2.3 本章小結(jié) 本章主要對(duì)光纖光柵傳感器系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，包括傳感理論及解調(diào)理論，其中對(duì)光

48、柵傳感基本理論、光柵傳感特性、波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)、相位解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了詳述介紹，為緊接的實(shí)驗(yàn)研究奠定理論基礎(chǔ)。第三章 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 3.1 解調(diào)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)光纖光柵傳感器具有對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行感知和傳輸兩個(gè)功能，根據(jù)光纖光柵傳感理論可知，當(dāng)光纖光柵傳感器所處周?chē)h(huán)境的某些物理量發(fā)生改變時(shí)，傳播中的光波的特征參量，如相位、光強(qiáng)、波長(zhǎng)、頻率等將伴隨外界物理量的改變而改變。在攜帶有外界物理量信息的光波中將這些物理量提取出來(lái)，并根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，就是光纖光柵傳感解調(diào)。光纖光柵傳感器具有易于復(fù)用的突出特點(diǎn)，使得光纖光柵傳感器廣泛應(yīng)用于同時(shí)對(duì)多點(diǎn)、多參量進(jìn)行的監(jiān)測(cè)。本節(jié)提出了一種光纖光柵傳

49、感復(fù)用解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的框圖如圖3-1所示。寬帶光源輸出的光具有平坦光譜，經(jīng)隔離器后，用耦合器將光耦合進(jìn)非平衡m-z干涉儀中，然后再用耦合器將干涉儀輸出端口的兩束干涉光進(jìn)行耦合，連接四路光纖，這四路光纖上又分別粘著光纖光柵fbg1、fbg2、fbg3、fbg4（其中傳感光柵為fbg1、fbg2、fbg3，參考光柵為fbg4，這樣，就會(huì)降低相位波動(dòng)對(duì)干涉儀的影響，提高檢測(cè)分辨率）。干涉儀輸出的光含有許多窄帶成分，每根光柵選擇了其中之一，這樣就會(huì)在光電探測(cè)器上呈現(xiàn)干涉信號(hào)，將m-z干涉儀的參考臂纏繞在pzt上，形成相位調(diào)制器，再由計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡(ampci9101a)對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)制，pz

50、t會(huì)受到電壓作用的影響而產(chǎn)生伸縮，使得干涉儀臂長(zhǎng)差發(fā)生變化，這樣，干涉儀的輸出信號(hào)就會(huì)隨著調(diào)制信號(hào)的變化而變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉儀的相位調(diào)制。光柵的相位漂移信息調(diào)制到fbg反射光中，光電探測(cè)器可以將調(diào)制后的載波光信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)，此時(shí)，m-z干涉儀的調(diào)制頻率與載波信號(hào)頻率保持一致，信號(hào)中直流成分將被濾除，噪聲也會(huì)受到抑制，之后，再經(jīng)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，就可得到以下形式的電信號(hào)： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）其中、是與光電探測(cè)器增益、放大器放大系數(shù)、光功率、損耗有關(guān)的幅度，是相位調(diào)制信號(hào)的頻率。、分別表示經(jīng)干涉儀對(duì)光信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理后，包含光柵的相位漂

51、移信息的信號(hào)載波。數(shù)據(jù)采集卡（ampci9101a）會(huì)對(duì)載波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，之后傳送給計(jì)算機(jī)，利用labview模塊編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集頻率的控制，并對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，然后，編輯快速傅里葉變換算法，將載波中的光柵相位信息提取出來(lái)。 該系統(tǒng)中通過(guò)設(shè)置參考光柵（fbg4），有效降低了傳統(tǒng)m-z干涉儀解調(diào)法在檢測(cè)靜態(tài)信號(hào)時(shí)外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，保證了低頻動(dòng)態(tài)信號(hào)和靜態(tài)信號(hào)可以同時(shí)被檢測(cè)，并且該系統(tǒng)使干涉儀隨機(jī)產(chǎn)生的相位波動(dòng)得到有效補(bǔ)償，相位的漂移檢測(cè)分辨率也得到提高。該系統(tǒng)中的相位偏移檢測(cè)由軟件完成，這樣，不僅可以降低電路的復(fù)雜程度，而且噪聲的引入也得到有效控制，最終，可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)實(shí)時(shí)同步解調(diào)及系統(tǒng)的智能化。圖3-1 m-z干涉儀解調(diào)復(fù)用系統(tǒng)圖 光纖光柵傳感硬件系統(tǒng)主要包括光路和電路兩部分， 其中光路部分由光纖、 寬帶