光纖布拉格光柵溫度傳感技術(shù)研究_圖文

1、武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文光纖布拉格光柵溫度傳感技術(shù)研究姓名:柴偉申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師:姜德生20040501摘要光纖Bragg光柵傳感器是利用Bragg波長對(duì)溫度、應(yīng)力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器,除具有傳統(tǒng)電類傳感器的功能外,它還具有分布傳感、抗電磁干擾、精度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),在大型復(fù)合材料和混凝土的結(jié)構(gòu)監(jiān)測、智能材料的性能監(jiān)測、電力工業(yè)、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)溫度的測量是光纖Bragg光柵傳感器的重要應(yīng)用之一。對(duì)光纖光柵進(jìn)行溫度傳感研究不僅滿足了對(duì)溫度檢測的需求,而且還為光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償提供了必要的基礎(chǔ)。研究表明,光纖Br

2、agg光柵傳感特性穩(wěn)定,是理想的溫度傳感元件。但是必須對(duì)Bragg光柵進(jìn)行有效的封裝,才能使其成為能滿足工程實(shí)際要求的傳感器。因此對(duì)光纖Bragg光柵傳感器封裝方法的研究對(duì)于其走向?qū)嶋H應(yīng)用具有重要的意義。本文對(duì)光纖Bragg光柵的溫度傳感進(jìn)行了研究,主要工作如下:對(duì)光纖Bragg光柵傳感技術(shù)做了深入的研究和分析。針對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用,提出了光纖光柵溫度傳感器的設(shè)計(jì)要求。通過研究目前光纖光柵溫度傳感器封裝的現(xiàn)狀,并分析已有封裝方法的特點(diǎn),提出了一種新的光纖光柵溫度傳感器封裝方法。然后通過實(shí)驗(yàn)研究了封裝結(jié)構(gòu)及工藝對(duì)光纖光柵溫度特性的影響,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論:1在封裝過程中對(duì)光

3、纖光柵旌加一定的預(yù)張力可以使光纖光柵溫度傳感器有很好的重復(fù)性。2封裝結(jié)構(gòu)可以提高光纖光柵作為溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)。3封裝后的光纖光柵依然保持著波長與溫度良好的線性關(guān)系。因此,采用此種封裝結(jié)構(gòu)的光纖光柵溫度傳感器具備良好的重復(fù)性、線性度和靈敏度,可以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。此外,本文還介紹了光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)的基本原理,分析比較了幾種常用的光纖Bragg光柵波長解調(diào)方法。探討了基于調(diào)諧光纖F.P濾波法的光纖光柵解調(diào)器的研制,并組建了比較完整的光纖光柵溫度傳感檢測系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:光纖光柵溫度傳感封裝方法波長解調(diào)AbstractFiber Bragg grating(FBGse

4、nsor,which USeS the property that the Bragg wavelength is senskive to temperature and strain,is a new kind of fiber optic sensoL In addition to having the same functions as the traditional electric sensors, the FBG sensor also has some special characteristics such as distributed sensing,immune to el

5、ectromagnetic interference,hi曲precision and long-term stability.So it has widely applicable perspective in many fields such as the structure monitoring of large compound material and concrete,the performance monitoring of the intelligent materials,electrical power industry,medicine industry,chemical

6、 engineering etc.Study on FBG temperature sensing not only meets the need oftemperature measurc既nent,but also provides the basis of temperaturecompensation in strain measurement.According to the existed researches,FBG has stable sensing properties,and thus is an ideal kind of temperature sensing mat

7、erial.But only a/:er the FBG isencapsulated with proper method,it call become a sensor that is applicable in engineering.In this thesis,study is focused On FBG temperature sensing technology,and the main tasks are as follow:After study on the FBG sensing technology,the design requirements of FBG tem

8、perature sensor is put forward,according the practical needs in engineering.On the basis of research on the current status of FBG temperature sensor encapsulation,and the characteristics of existed encapsulation structures,a newforward.Then we study the encapsulating method using thin steel tube is

9、puteffects of this encapsulating method on the FBG temperature properties by experiments.We also perform some theoretical analyses on the experimental results.We have drawn the following conclusions:1The encapsulated FBG temperature sensor will have good repeatability if tensile force is put on the

10、FBG during the process of encapsulation.II武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2The encapsulated FBG temperature sensor has higher temperature sensitivity than that ofthe bared FBG.3The encapsulated FBG temperature sensor has good linearity.So,we car/say that the FBG temperature sensor encapsulated in this new structure has

11、 good temperature properties,and thus has applicable values.In this thesis,we also introduced the basic principles of fiber grating wavelength demodulation system.Some common used demodulation methods are discussed,with emphasis on the tunable fiber FabryPerot(FPfilter demodulation method.As last,a

12、completed FBG temperature sensing is constructed.Key words:fiber Bragg grating;temperature sensing;encapsulating method; wavelength demodulationm武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1研究課題的提出與意義傳感技術(shù)是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)和密集型前沿技術(shù)?，F(xiàn)階段,從宇宙探索、海洋開發(fā),到國防建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn):從環(huán)境保護(hù)、災(zāi)情預(yù)報(bào),到包括生命科學(xué)在

13、內(nèi)的每一項(xiàng)現(xiàn)代科學(xué)研究;從生產(chǎn)過程的檢測與控制,到人民群眾的日常生活等等,幾乎都離不開傳感器和傳感技術(shù)。事實(shí)證明,傳感器和傳感技術(shù)已經(jīng)滲入了新技術(shù)革命的所有領(lǐng)域,涉及了國民經(jīng)濟(jì)的每個(gè)部門,進(jìn)入了大眾生活的各個(gè)方面【?，F(xiàn)代信息技術(shù)是由信息的采集、傳輸和處理技術(shù)組成,因此傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)成為信息技術(shù)的三大支柱。光纖傳感技術(shù)自20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來,它是以光波為載體、光纖為媒質(zhì),感知和傳輸外界被測量信號(hào)的新型傳感技術(shù)21。當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入了以光纖通信技術(shù)為主要特性的信息時(shí)代,光纖傳感技術(shù)代表了新一代傳感器的發(fā)展趨勢13J。新一代光纖技術(shù)-二一光纖光柵將可能

14、在光纖技術(shù)以及眾多相關(guān)領(lǐng)域中引起一場新的技術(shù)革命H。隨著光纖光柵技術(shù)的不斷成熟和商用化,專家們預(yù)言從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算機(jī)和光信息處理的整個(gè)光纖領(lǐng)域?qū)l(fā)生一次變革性的飛躍L“。.我國對(duì)光纖傳感器的需求量很大,光纖傳感器的市場前景十分誘人f61。但我國在光纖傳感器的研究與開發(fā)方面,尤其是在商品化、產(chǎn)業(yè)化方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場需求。與發(fā)達(dá)國家相比,光纖傳感器的市場銷售額占我國傳感器銷售額的比例很小,特別是在光纖傳感器的共性基礎(chǔ)、中間試驗(yàn)和生產(chǎn)裝備技術(shù)方面尤為突出,影響了光纖傳感器產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)研究開發(fā)中心作為光纖傳感技術(shù)國家重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)基地,在光纖光柵傳感器的研

15、究方面投入了巨大人力和物力,在一武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文些關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域取得了重大的技術(shù)突破?，F(xiàn)在正在進(jìn)行各種光纖布拉格光柵傳感器的應(yīng)用研究開發(fā)。本文研究目標(biāo)是對(duì)光纖光柵傳感器的實(shí)用化進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),針對(duì)現(xiàn)有光纖光柵傳感器的不完善之處,找到可行的技術(shù)途徑,研制出適合工程應(yīng)用的光纖光柵傳感檢測系統(tǒng)。1.2光纖光柵傳感檢測技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀與傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制的光纖傳感器相比,波長調(diào)制型的光纖光柵傳感器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)4】:1抗干擾能力強(qiáng):因?yàn)槠胀▊鬏敼饫w不會(huì)影響光波的頻率特性(忽略光纖的非線性效應(yīng);另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強(qiáng)起伏的干擾。例如,光源強(qiáng)度的起伏、光纖微彎效

16、應(yīng)引起的隨機(jī)起伏、耦合損耗等都不可能影響傳感信號(hào)的波長特性,因而基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。2光纖光柵是自參考的,可以進(jìn)行絕對(duì)測量f在對(duì)光纖光柵進(jìn)行標(biāo)定后,不必如基于條紋計(jì)數(shù)的干涉型傳感器那樣要求初始參考。3傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小(其外徑與光纖本身等同,適用于各種場合,尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)。便于埋入復(fù)合材料構(gòu)件及大型建筑物內(nèi)部,對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。4便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò),尤其是采用波分復(fù)用(WDM技術(shù)構(gòu)成分布式光纖光柵傳感陣列,進(jìn)行大面積的多點(diǎn)測量。51測量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。6光柵的寫入工藝較成熟,便于形成規(guī)模生產(chǎn)f商

17、品化?；诠饫w光柵的上述諸多優(yōu)點(diǎn),其被廣泛應(yīng)用于大型民用工程建筑(大橋、大壩、高層建筑中以監(jiān)測壓力、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)建筑物的影響【”。于1993年建成并投入使用的Beddington Trail大橋口】,位于加拿大的Calgary,是世界上首座用碳纖維預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)筑其大型預(yù)制混凝土板梁的大橋。在26根梁中,有5根埋設(shè)了光纖布拉格光柵傳感器。傳感器被粘附于鋼筋表面,并使用混凝土梁側(cè)面的凹槽對(duì)置入的光纖進(jìn)行保護(hù)。隨后,光柵被熔接到有防護(hù)套的長光纖上,接入控制室的中央接線盒。在那里,它們被連接到各種國內(nèi)光纖光柵傳感器的研究開發(fā)相對(duì)落后一些。上世紀(jì)九十年代初期,清華大學(xué)、重慶大學(xué)、武漢理工大學(xué)等在國內(nèi)

18、率先開展了傳感光纖光柵的研究。通過十多年的研究和開發(fā),光纖光柵傳感技術(shù)已得到快速的發(fā)展,特別是在光纖光柵傳感機(jī)理、光纖光柵制各技術(shù)、解調(diào)技術(shù)、信號(hào)檢測與處理技術(shù)方面具備了相當(dāng)水平的理論基礎(chǔ)和一定的技術(shù)水準(zhǔn)。但是現(xiàn)階段大部分光纖光柵傳感器的研究還只局限在實(shí)驗(yàn)室范圍。目前國內(nèi)有一些學(xué)校和研究所正在進(jìn)行光纖布拉格光柵傳感實(shí)用系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究,但是有一些關(guān)鍵的技術(shù)問題還有待突破,所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和國外相比還有一些差距。為了加快我國在這個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展,國家計(jì)委通過“光纖傳感技術(shù)國家重點(diǎn)工業(yè)試驗(yàn)基地”項(xiàng)目的投入,引進(jìn)了光纖光柵制備系統(tǒng)和多通道光纖光柵解調(diào)等相關(guān)設(shè)備,使我國在傳感用光纖光柵的研究方面具

19、備了世界先進(jìn)水平的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ),加快了我國在此領(lǐng)域趕超國際技術(shù)的步伐。經(jīng)過幾年的努力,在光纖光柵的制備技術(shù)、傳感技術(shù)和解調(diào)技術(shù)方面,取得了多項(xiàng)成果。特別是在光纖光柵制備技術(shù)的研究方面,已取得重要進(jìn)展。其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。在光纖光柵設(shè)備方面,已成功研制出多點(diǎn)光纖光柵解調(diào)的實(shí)驗(yàn)裝置。武漢理工大學(xué)光纖中心在光纖光柵的研制和光柵信號(hào)解調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破。為了盡早將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到工程中去,己廣泛開展了光纖光柵傳感工程應(yīng)用技術(shù)研究,本文的研究工作隸屬于上述研究范疇。1.3課題的產(chǎn)生與主要研究內(nèi)容本課題是國家科技部863項(xiàng)目“光纖光柵傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究”(編號(hào)2002AA3131401

20、的一部分。課題的研究目標(biāo)是在探究光纖布拉格光柵的各種特性的基礎(chǔ)上,對(duì)傳感探頭封裝材料與工藝進(jìn)行研究,研制出適于工程應(yīng)用的光纖布拉格光柵溫度傳感器的生產(chǎn)技術(shù),并形成適合工程應(yīng)用的光纖光柵溫度傳感檢測系統(tǒng)。本課題研究采取與實(shí)際工程應(yīng)用試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。依托武漢N2大學(xué)“光纖傳感技術(shù)國家重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)基地”的有關(guān)工業(yè)試驗(yàn)條件,開展工業(yè)化生產(chǎn)試驗(yàn),以解決規(guī)?；a(chǎn)的一系列技術(shù)與裝備問題。本文的主要研究工作如下:1結(jié)合工程測量的要求,通過大量的試驗(yàn)研究,分析了多種封裝結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)光纖光柵溫度傳感器特性的影響,研制出了適合工業(yè)應(yīng)用的光纖光柵濕度傳感器的封裝制作方法和工藝。2分析比較了幾種國內(nèi)外提出和進(jìn)

21、行過研究的FBG波長解調(diào)方法,探討了基于調(diào)諧光纖F-P濾波法的光纖光柵解調(diào)器的研制,并組建了比較完整的光纖光柵溫度傳感檢測系統(tǒng)。3對(duì)本課題的研究工作進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)以后的研究工作提出一些建議。4 隨著光纖光柵寫入技術(shù)的逐漸完善,世界各國掀起了光纖光柵技術(shù)研究的熱潮,各種基于光纖光柵的有源和無源器件也不斷涌現(xiàn),光纖光柵被廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感和光信息處理等各個(gè)領(lǐng)域151。 圖2-1光纖光柵基本結(jié)構(gòu)圖2-1為光纖光柵的結(jié)構(gòu)圖【l,它是通過改變光纖芯區(qū)折射率,產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成的。所謂調(diào)制,就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。光纖的材料為石英,由芯層和包層組成。通過對(duì)芯層

22、摻雜(通常是摻鍺,使芯層折射率n1比包層折射率n2大,從而形成波導(dǎo)。光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后,即成為布拉格光柵。布拉格光柵會(huì)對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射,反射一個(gè)中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光【I”(帶寬通常約為0,10.5nm。這樣,光纖光柵就起到了光波選擇反射鏡的作用。對(duì)于這類調(diào)諧波長反射現(xiàn)象的解釋,首先是由威廉布拉格爵士給出的,因而這種光纖光柵被稱為光纖布拉格光柵(FBO,反射條件就稱為布拉格條件。只有滿足布拉格條件的光波才能被光纖光柵反射。所謂相位相匹配是指布拉格波長決定于折射率調(diào)制的空間周期A和調(diào)制的幅度大小,用數(shù)學(xué)公式表示如下f4】:九=2n玎

23、A(2-1 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2.2光纖光柵傳感模型為了深入的研究光纖光柵的傳感機(jī)理和傳感特性,需要從它的結(jié)構(gòu)出發(fā)建立傳感模型。在所有引起光柵布拉格波長漂移的外界因素中,最直接的為應(yīng)變參量,因?yàn)闊o論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮,都勢必導(dǎo)致光柵周期以的變化,并且光纖本身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率廳。壙也隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化,這為采用光纖布拉格光柵制成光纖應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理特性。應(yīng)力引起光柵布拉格波長漂移可以擊公式(2-2給予描述。其中以表示光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性變形,%擴(kuò)表示光纖的彈光效應(yīng),外界不同的應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致劃和忍耐的不同變化。一般情況下,對(duì)于光纖光柵來講,由于它本

24、身屬于各向同性柱體結(jié)構(gòu),所以施加于其上的應(yīng)力總可以在拄坐標(biāo)系下分解為m國和島三個(gè)方向。在這里僅討論純軸向應(yīng)力作用的應(yīng)變傳感模型?；⒖硕ɡ淼囊话阈问娇捎上率奖硎?卵:白母(f產(chǎn)l,2,3,4,5,6(2-3其中oi為應(yīng)力張量,o為彈性模量,哥為應(yīng)變張量。對(duì)于各向同性介質(zhì),由于材料的對(duì)稱性,可對(duì)白進(jìn)行簡化,并引入tame常數(shù)五、I得到:A+2“五/LO名十2“O+2“OO000000000000/a000/a其中l(wèi)ame常數(shù)五,可由材料彈性模萋E及泊松比滾示為(2.4自如彩辦彩靠加加加以出辦武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文DE.扯酊萬F面(2.5E“22(1+/a此式即為均勻介質(zhì)中虎克定理的一般形式。對(duì)于

25、光纖來說,由于它為柱型結(jié)構(gòu),通常采用柱坐標(biāo)下應(yīng)力應(yīng)變的表示方式,即將上式中的下標(biāo)改為(,的組合來表示縱向、橫向及剪切應(yīng)變。均勻軸向應(yīng)力是指對(duì)光纖光柵進(jìn)行縱向拉伸或壓縮,此時(shí)各向應(yīng)力可表示為。礦.尸(P為外加壓強(qiáng),驢曠O,且不存在切向應(yīng)力。根據(jù)公式(2.4可求得各方向應(yīng)變?nèi)绻?2.6。式中E及盼別為石英光纖的彈性模量及泊松比?，F(xiàn)已求得了均勻軸向應(yīng)力作用下各方向的應(yīng)變值,下面以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步求解光纖光柵的應(yīng)力靈敏度系數(shù)。臥P UE P UE P(2.6E將公式(2.2展開得:氏班(魯一魯幻+z釜皿沼,這里代表光纖的縱向伸縮量,口表示由于縱向拉伸引起的光纖直徑變化,a,4況表示彈光效應(yīng),鞏勿表示波

26、導(dǎo)效應(yīng)。下面首先推算由彈光效應(yīng)引起的布拉格中心波長偏移。相對(duì)介電抗?jié)B張量肪與介電常數(shù)旬有如下關(guān)系:島2名,2篪沼s,武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文其中珊為栗一力1司上的光紂們射翠。對(duì)十熔觸鈿奐光針,田十共備I司I可性,可認(rèn)為各方向折射率相同,在此僅研究光纖光柵反射模的有效折射率neff,故可將上式變形為:咖小抖一等沼,由于,z盯=渤盯/越皿,(27式中略去波導(dǎo)效應(yīng)其余項(xiàng)可變形為:魄班悻刪砌。矗釜沼其中鏟址化為縱向應(yīng)變。由于(2.8式的存在,可以得到更為簡單的缸的表達(dá)式。實(shí)際上,在有外界應(yīng)力存在的情況下相對(duì)介電抗?jié)B張量島應(yīng)為應(yīng)力D韻函數(shù),對(duì)屈進(jìn)行泰勒展開并略去高階項(xiàng),利用(2-8式,同時(shí)引入材料的彈光

27、系數(shù)島zI扎.C壽j_階咄,峨屯協(xié)式中利用了光纖的軸對(duì)稱性轤跏,將此式代入(2.10式得到彈光效應(yīng)導(dǎo)致的相對(duì)波長漂移為:蘭:一車I+鼻:弦,+只:%+%(2.12口Z式中利用了均勻光纖在均勻拉伸下滿足的條件:墜A壺=1。將(26式代入上式得到:等=_譬蚧咖甜,卜I I萌kf協(xié)10武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文令只:一拿,+墨:如一只:,為有效彈光系數(shù)?？傻霉饫w光柵由彈光效應(yīng)引起的縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù):K。=1一只(214還可得Bragg光柵的二階應(yīng)變靈敏度為:醢九B/五廠。2么B 2(1-2+2e,2(2-15于是由應(yīng)變毛引起的Bragg波長變化可寫為:厶=(置。占+世82以(2一16以=%2一(v/

28、v2阮一%2J(2.17其中U、V滿足如下光纖本征方程:/厶絲可武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文堅(jiān)厶=!嬰:一堅(jiān)型!墮J。(UK。(矽U2+礦2=“2以2口2-2A=y2認(rèn)為弱導(dǎo)單模光纖基模模場為Guass分布,采用Guass場近似對(duì)本征萬程進(jìn)行化簡,對(duì)于單模光纖的基模HEll?？傻铆^礦滿足如下關(guān)系:u:0+壓1+(4y/41(2-18將此式代入(217式就可得到螄與歸一化頻率V之間的直接關(guān)系。由于礦僅由光纖參數(shù)決定,可唑通過j!寸光纖纖芯半徑盯直接求導(dǎo)得到。K:墜;墮:一I焦!:!:魚絲生耋二疊l鬲(2_19 M叫H3H薪卜訓(xùn)所以,由波導(dǎo)效應(yīng)引起的光纖光柵波長相對(duì)漂移可表示為:f墮:絲粵:壘仲鏟一生

29、舊叫氣I沼20L tB憎neff d口聹咿胛盯。利用單模光纖的條件,可得出波導(dǎo)效應(yīng)光纖光柵縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)與光纖芯徑及數(shù)值孔徑關(guān)系如圖2-3所示,光纖參數(shù)如圖中說明。圖2.3光纖光柵波導(dǎo)效應(yīng)引起的縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)與光纖芯徑及數(shù)值孔徑的關(guān)系可以看出,總體來講波導(dǎo)效應(yīng)對(duì)光纖光柵縱向應(yīng)變靈敏度影響較小,但其作用與彈光效應(yīng)相反,屬于妨礙光纖光柵用于光纖傳感領(lǐng)域的一個(gè)因素。還可以看出,隨著光纖芯徑及數(shù)值孔徑的增加(保持在單模狀態(tài),波導(dǎo)效應(yīng)逐漸增大,所以欲得到高靈敏度的光纖光柵傳感器最好采用低數(shù)值孔徑、小芯徑光纖。即低的摻鍺量將有利于提高傳感器靈敏度,因此在應(yīng)用光纖光柵進(jìn)行高精度傳感研究時(shí),需選用摻鍺

30、含量適宜的光纖?；谝陨戏治?光纖光柵的縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)僅取決于材料本身和反向耦合模的有效折射率。對(duì)于單模光纖,由于僅有基模存在,當(dāng)光纖材料選定后(具有固定的摻雜量其靈敏度系數(shù)將為一定值,這就從根本上保證了光纖光柵作為軸向應(yīng)變傳感器時(shí)具有良好的線性輸出特性。外界溫度對(duì)Bragg波長的影響是由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的。由公式(2-1可知,Bragg波長是隨行玎和A而改交的。當(dāng)光柵所處的外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí),可能導(dǎo)致光纖光柵本身的溫度發(fā)生變化。由于光纖材料的熱光效應(yīng),光柵的折射率會(huì)發(fā)生變化;由于熱脹冷縮效應(yīng),光柵的周期也會(huì)發(fā)生變化,從而引起”盯和A的變化,最終導(dǎo)致光柵Bragg波長厶的漂移。公式

31、(2.1對(duì)溫度求導(dǎo),得:d2B/az=2(n玎aA/ar+Adn盯/dr(2-21由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為:aA/aT=口-人(2-22由熱光效應(yīng)引起的有效折射率變化為:dn盯/dr=n礦f(2_23于是溫度靈敏度為:KT絲dT/厶B=口+彳(224式中,丘,為溫度靈敏度,口=三A墜OT為光纖材料的熱膨脹系數(shù),f=去!為熱光系數(shù),表示折射率隨溫度的變化率。對(duì)于石英光纖,口O.5xlO6/P, f6.7x106/牡11。由此估算出常溫下光纖Bragg光柵的溫度靈敏度為7.2106/Uo對(duì)于1.3_m系列光柵,單位溫度變化引起的光柵波長漂移為1300 x7.210石-0.0094nm,即O

32、.0094nm/,由于摻雜成分和摻雜濃度的不同,各種光纖的膨脹系數(shù)口和熱光系數(shù)掌有較大差別,因此溫度靈敏度的差別也很大。假設(shè)溫度變化范圍不大,即在溫度變化范圍內(nèi)材料的彈光系數(shù)和泊松比如=甕=掣=(1-T T只等螄掣c:-25是常數(shù),可以得到應(yīng)變一溫度交叉靈敏度為:-占、“r。丁將公式(2.24和(2.14代入上式,得到:K。=(a+孝(1一只一2只善以=(K,K。一2只f如(2.2614下面我們估算一下應(yīng)變一溫度交叉靈敏度在同時(shí)測量溫度和應(yīng)變時(shí)對(duì)測量結(jié)果的影響。文獻(xiàn)241采用在一根光纖的同一位置上寫入兩個(gè)不同波長的Bragg光柵,利用熱光系數(shù)和彈光系數(shù)是波長的函數(shù),使兩個(gè)不同波長的Bragg光

33、柵具有不同的應(yīng)變和溫度靈敏度,兩個(gè)光柵同時(shí)感受溫度和應(yīng)變,從而達(dá)到同時(shí)測量溫度和應(yīng)變的目的。根據(jù)文中數(shù)據(jù),兩個(gè)光柵的8ragg波長分別為:五。= 1300hm,九2=850rim,溫度和應(yīng)變靈敏度分別為:Krl=8.72pm/Kd=o.96pro/sKr2=6.30pm/疋2=o.59pm/lac由(2-26式可求得:Kn Ii=L,oo=2_3110。6pml a(2,usKn i=O.62x104pml4C,蝠顯然,帶有交叉項(xiàng)的非線性方程組的解與實(shí)際值更為接近,可以以此來近似衡量線性方程組的解與實(shí)際值的差異。設(shè)由這兩個(gè)方程組求出的應(yīng)變和溫度變化值的絕對(duì)誤差分剮為(融占和(6&T,則可列出關(guān)

34、于應(yīng)交和溫度變化求解誤差的方程組:0.968(AE+872引凹_231i06,AEAT=0(2_27fO.596(占+6.308(,一O.6210咄如r=0解此方程組,可得應(yīng)變和溫度的絕對(duì)誤差為:璺!b79隊(duì)10羽(2-28l躍2=0.77AgAT在0伊一loo翻鋼0l%應(yīng)變的測量范圍內(nèi),應(yīng)變的相對(duì)誤差為7.9X10一,溫度的相對(duì)誤差為O.77%。通過以上分析,我們可以得出以下結(jié)論:1忽略光纖光柵的應(yīng)變一溫度交叉靈敏度對(duì)、鋇I量結(jié)果的影響不是很大。2測量范圍越小,忽略交叉靈敏度所引起的應(yīng)變和溫度誤差越小。3相對(duì)于溫度誤差,忽略交叉靈敏度所引起的應(yīng)變誤差是很小的。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文綜上所述

35、,如果忽略交叉靈敏度的影響,溫度、應(yīng)變共同作用引起的Bragg波長的變化可以表示為:如=(巧+K。如(229因此,應(yīng)變和溫度對(duì)光纖光柵的作用可以看作是相互獨(dú)立的,線性疊加的。2.3光纖光柵解調(diào)技術(shù)用光纖光柵構(gòu)成的傳感系統(tǒng)中,傳感量主要是以波長的微小移動(dòng)為載體,所以傳感系統(tǒng)中應(yīng)有精密的波長或波長變化檢測裝置。對(duì)光纖Bragg光柵的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明,FBG的溫度和應(yīng)變靈敏度很小,對(duì)中心波長移位4。的檢測精度直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的檢測精度。因此解調(diào)技術(shù),即精確測量波長漂移的技術(shù)是光纖Bragg光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)Bragg波長解調(diào)的傳統(tǒng)手段是使用光譜儀、單色儀等儀器。但是這類儀器不僅價(jià)格昂

36、貴而且體積龐大,構(gòu)成的系統(tǒng)缺乏必要的緊湊性和牢固度,在一個(gè)面向?qū)嶋H應(yīng)用的傳感系統(tǒng)中采用這類儀器檢測光纖光柵的波長移位是極不現(xiàn)實(shí)的。為了開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單而且實(shí)用的高分辨率光纖光柵傳感器信號(hào)解調(diào)系統(tǒng),近年來國內(nèi)外開展了許多研究工作,并取得了令人注目的進(jìn)展。光纖光柵解調(diào)常用的方法有:非平衡M.z干涉檢測、可調(diào)光纖F-P濾波器和匹配光纖Bragg光柵濾波解調(diào)。妒(A=2finAl/名(230式中11為兩臂光纖纖芯折射率;,為兩臂光纖長度差;厶為FBG的特征波長。16根據(jù)M-Z干涉儀的兩路電壓信號(hào)經(jīng)差分放大器合成后的關(guān)系,可得M-Z 干涉儀兩路信號(hào)經(jīng)差分放大器的信號(hào)為K=2,ZVo cos(兄】=2cr%c

37、os(2ernAl/厶(231當(dāng)FBG受外界信號(hào)(被測量調(diào)制時(shí),其特征波長九變?yōu)榇?產(chǎn)生波長偏移五=磊一九。對(duì)上式取微分得巧=4口nnAlVo sin(2rmAl(符ax(2-32由上式可見,非平衡M-Z干涉儀法僅適合于相對(duì)測量,而不能用于絕對(duì)測量。由于非平衡M-Z干涉儀受環(huán)境干擾大,如果不采取特殊措施,只能用于頻率高于100Hz的動(dòng)態(tài)測量。為了抵消噪聲造成的低頻相位偏移,可在干涉儀的一臀中加入PZT調(diào)制器。這種解調(diào)方式的局限性是Mach-Zehnder光纖干涉儀在測量中受到周圍環(huán)境干擾因素的影響,而隨機(jī)干擾因素會(huì)引起干涉儀的信號(hào)臂和參考臂相位產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng),這種相位漂移將會(huì)引起檢測信號(hào)的消隱或

38、是畸變,直接影響到干涉儀的測量精度。L一光源:D一光探測器:A.一差放17動(dòng)電壓.透射波長關(guān)系測得光纖Bragg光柵反射峰位置。但由于透射譜是反射譜與F.P濾波器透射譜的卷積,會(huì)使帶寬增加,減小分辨率。為此,在掃描電壓上加一小的抖動(dòng)電壓,輸出經(jīng)混頻和低通濾波器,測量抖動(dòng)頻率,在信號(hào)為零時(shí),所測即為光柵的反射峰值波長,此時(shí)可抖動(dòng)提高系統(tǒng)的分辨率。抖動(dòng)信號(hào)混合囂圖2-5可調(diào)諧光纖F-P濾波器該方法的優(yōu)點(diǎn):很高信噪比和分辨率。缺點(diǎn):它的穩(wěn)定性和可調(diào)諧的范圍尚不夠理想j在一定程度上限制了光柵的個(gè)數(shù)和使用范圍,并且解調(diào)頻率不夠高,目前美國Micro Optics公司研制的最高工作頻率在100Hz左右。匹

39、配光纖Bragg光柵濾波法解調(diào)的工作原理如圖2-6所示。除了作為傳蘑元件的光纖Bragg光柵外,還要使用一光纖Bragg光柵作為參考光柵用于解調(diào)。參考光柵在壓電陶瓷PzT的作用下,其反射波長將在一定范圍內(nèi)來回移動(dòng),光譜移動(dòng)范圍涵蓋了傳感光柵的反射譜,傳感光柵和解調(diào)光柵的Bragg 光柵波峰重合時(shí),光信號(hào)強(qiáng)烈反射。由丌的電壓.波長調(diào)諧關(guān)系即可測得作用于傳感光柵的物理量。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低廉。不足之處為:由于信號(hào)光經(jīng)過許多耦合器到達(dá)解調(diào)光柵,最終導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比下降,而且響應(yīng)頻率也不夠高。匹配童玨J吲掛圖2-6匹配光柵解調(diào)示意圖2.4光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)和傳感網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)成圖2-7光纖光柵傳

40、感檢測系統(tǒng)示意圖光纖光柵傳感檢測系統(tǒng)由兩大部分組成【16】:傳感光柵和解調(diào)儀(圖27。寬帶光源出射的光在傳感光柵中傳輸,待測量加在傳感光柵上。當(dāng)待測量發(fā)生變化時(shí),Bragg反射光波的中心波長產(chǎn)生漂移。經(jīng)耦合器導(dǎo)入解調(diào)儀,從而確定待測量。各種功能更復(fù)雜、性能更優(yōu)越的光纖光柵傳感檢測系統(tǒng)都是在此基礎(chǔ)上,對(duì)各單元進(jìn)行改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)的。19有些被測量往往不是一個(gè)點(diǎn),而是呈一定空間分布的場,如溫度場,應(yīng)力場等。為了獲得這一類被測對(duì)象比較完整的信息,需要采用分布調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)。所謂分布調(diào)制,就是指外界信號(hào)場(被測場以定的空間分布方式對(duì)光纖中的光波進(jìn)行調(diào)制,在一定的測量域中形成調(diào)制信號(hào)譜帶,通過檢測(解調(diào)調(diào)

41、制信號(hào)譜帶即可測量出外晃信號(hào)場的大小及空間分布。9lSl SZ S3一一一一Sn團(tuán)圈s182;3:.二sn圖28光纖布拉格光柵分布式傳感系統(tǒng)原理示意圖光纖布拉格光柵傳感器一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)就是:能方便的使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布拉格光柵進(jìn)行分布式測量。光纖布拉格光柵分布式傳感系統(tǒng)的基本原理如圖2-8所示。一根光纖上串接的多個(gè)布拉格光柵具有不同的光柵常數(shù)。寬帶光源所發(fā)射的寬帶光經(jīng)Y型分路器通過所有的布拉格光柵,每個(gè)布拉格光柵反射不同中心波長的光。反射光經(jīng)Y型分路器的另一端口耦合進(jìn)解調(diào)儀,通過解調(diào)儀探測反射光的波長及變化,就可以知道各個(gè)布拉格光柵處被測量的情況。嚴(yán)格地講,一般光纖布拉格光柵

42、分布式傳感系統(tǒng)應(yīng)稱為準(zhǔn)分布式系統(tǒng),因?yàn)楣饫w布拉格光柵分布式傳感系統(tǒng)難以做到連續(xù)分布,而是點(diǎn)式分布。但布拉格光柵的長度可以做到毫米量級(jí),實(shí)際應(yīng)用的空間分辨率要比基于時(shí)域技術(shù)的連續(xù)分布系統(tǒng)離得多,時(shí)域連續(xù)分布系統(tǒng)的空聞分辨率只能達(dá)到米量級(jí)。第3章光纖光柵溫度傳感檢測系統(tǒng)研究對(duì)Bragg波長信號(hào)進(jìn)行解調(diào)是Bragg光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本章將研究光纖光柵的解調(diào)技術(shù),并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一套完整的光纖光柵溫度傳感檢測系統(tǒng)。3.1光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)的組成由光纖光柵的傳感原理我們知道,當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)力或其它待測物理量發(fā)生變化時(shí),光纖光柵的中心波長會(huì)產(chǎn)生改變。通過檢測光柵波長的改變情況,即可獲得

43、待測物理量的變化情況。因此一個(gè)光纖光柵溫度測量系統(tǒng)至少要有光纖Bragg光柵傳感器、光纖光柵解調(diào)儀組成。Bragg光柵傳感器感知外界溫度量的變化,并以波長變化的形式輸出。光纖光柵解調(diào)儀檢測波長的變化,將波長的變化轉(zhuǎn)換為其它易于處理的量。|廠11-7-,-t;唇習(xí)。2卜卅墾8口lL數(shù)據(jù)處理、顯示光纖光柵解調(diào)儀l=卜一Bragg光柵溫度傳感器圖3-1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖圖3.1所示為一個(gè)基本的光纖光柵溫度傳感檢測系統(tǒng)。Bragg光柵溫度傳感器感知外界溫度的變化,并將外界溫度的變化調(diào)制成波長信號(hào)。光纖光柵解調(diào)儀將波長信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào),并傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行處理,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的Bra

44、gg波長值,然后根據(jù)波長溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的溫度值。測量結(jié)果在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。在實(shí)際應(yīng)用中,常常將多個(gè)光纖光柵傳感器串聯(lián)起來,構(gòu)成分布式傳感檢測系統(tǒng)。3.2光柵解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過前面章節(jié)的討論可以知道光纖光柵是良好的敏感元件,但是將其應(yīng)用于傳感領(lǐng)域還必須解決如何對(duì)光柵反射光波長進(jìn)行快速而可靠檢測的問題。解調(diào)系統(tǒng)所面臨的問題是一束反射光中不同波長光的分辨與波長測量的問題,這是一個(gè)屬于光的頻域闖題。但是我們知道,目前的光電轉(zhuǎn)換器件只能完成對(duì)光強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換,還沒有對(duì)波長的光電轉(zhuǎn)換器件。因此,我們就必須將對(duì)光波長的測量問題轉(zhuǎn)換成在空間中不同位置光強(qiáng)測量的閱題,其中光分布位置的不同對(duì)應(yīng)不同波長的分

45、布;或者轉(zhuǎn)換成時(shí)域中不同時(shí)刻光強(qiáng)的測量問題,即光在不同肘刻的分布對(duì)應(yīng)不同波長的分布。對(duì)前一種思路,可稱為光譜分析法,其基本原理是將傳感探頭的輸出光經(jīng)光纖送至分光計(jì)分光,再由CCD探測器檢測不同波長的光強(qiáng)分布。一旦光波長偏移,光強(qiáng)分布即發(fā)生變動(dòng),計(jì)算機(jī)通過計(jì)算分析即可計(jì)算出相應(yīng)的波長偏移量或它所對(duì)應(yīng)的被測量。這種解調(diào)方案的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。對(duì)后一種思路,根據(jù)使用光源的不同,又分為兩種方法,一種是波長掃描法,其基本原理是用可調(diào)諧激光光源取代寬帶光源?？烧{(diào)諧激光光源的波長與光柵光譜接近、且譜寬小于Bragg反射光譜的譜寬。通過調(diào)諧激光器的輸出波長進(jìn)行光譜掃描。由于FBG僅對(duì)其特征波長這一單一波長光進(jìn)行反

46、射,因此只有當(dāng)可調(diào)諧激光器的輸出波長與FBG的特征波長相等時(shí),后向Bragg反射光才在探測器上產(chǎn)生強(qiáng)輸出,通過可調(diào)諧濾波器將窄帶光源的中心波長鎖定在該狀態(tài),即可測知FBG的特征波長。當(dāng)Bragg特征波長受外界信號(hào)調(diào)制偏移至另一波長時(shí),可調(diào)諧激光的輸出波長也隨之調(diào)諧至這一波長。這是一種極具前途的光波長調(diào)制解調(diào)方法,但是可調(diào)諧激光光源費(fèi)用很高。另一種解調(diào)方法是光學(xué)濾波法,其基本原理是在光纖光柵的輸出光路中安置可調(diào)諧濾光器,并使其在光纖光柵特征波長附近掃描,可調(diào)諧濾光器過零點(diǎn)時(shí)的輸出波長即為光纖光柵的特征波長。采用這一方案可以實(shí)現(xiàn)體積小、輕巧靈便、適合于便攜的波長檢測儀。特別是選用可調(diào)諧光纖F.P濾

47、波法可以完成絕對(duì)量測量和相對(duì)量測量,也可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測量。本文中將選用這一解調(diào)方法。下面闡述系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方案。寬帶光源耦臺(tái)器Bragg光柵1IH|l-qI|H|IP一_一S1S2S3￥4-一f|l8魑忙:二二=0;sl S2S3一Sn反射光譜圖3-2FBG波長解調(diào)系統(tǒng)基本原理圖圖3-2是選用可調(diào)諧光纖F-P濾波法的FBG波長解調(diào)系統(tǒng)的基本原理圖。分布式FBG傳感系統(tǒng)在一根光纖中串接多個(gè)FBG傳感器sl,s2,s3S。寬帶光源照射光纖時(shí),每一個(gè)FBG反射回一個(gè)不同Bragg波長的窄帶光波。任何對(duì)光纖光柵的激勵(lì)影響如溫度或應(yīng)變,都將導(dǎo)致這個(gè)光纖光柵Bragg波長的改變。光纖光柵傳感解調(diào)系

48、統(tǒng)通過測量各光纖光柵傳感器反射光波長的變化來測量各點(diǎn)的待測參量的變化。在解調(diào)系統(tǒng)中用耦合器導(dǎo)引光纖光柵反射光進(jìn)入可調(diào)諧窄帶光纖F.P濾波器。在調(diào)諧控制信號(hào)的作用下,光纖F.P濾波器的導(dǎo)通頻帶掃描整個(gè)光柵反射光光譜。由于光纖F.P濾波器的導(dǎo)通頻帶很窄,當(dāng)光纖F-P濾波器的導(dǎo)通中心波長與某一光纖光柵的Bragg波長相等時(shí),有且僅有一個(gè)光纖光柵的反射光通過光纖F-P濾波器進(jìn)入到光電探測器, 計(jì)數(shù)信號(hào)給接口電路,接口電路中的D/A轉(zhuǎn)換器將計(jì)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為波長選擇器的掃描驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。在每一輪掃描過程中,當(dāng)波長選擇器的通過波長與輸入的窄帶反射波中心波長匹配時(shí),窄帶反射波會(huì)通過波長選擇器到達(dá)光電探測器。計(jì)算

49、機(jī)通過接口電路對(duì)光電探測器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行采集,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而得到窄帶反射波的中心波長值,并將測量結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖3.4解調(diào)器系統(tǒng)軟件主界面軟件的界面圖3-4所示。用戶單擊開始按鈕將啟動(dòng)解調(diào)器的掃描工作。解調(diào)器工作時(shí)會(huì)在界面的左邊顯示測量到的波長值和對(duì)應(yīng)的溫度值。同時(shí)在界面的中部會(huì)連續(xù)的繪制出每個(gè)光柵的波長變化趨勢線。軟件會(huì)自動(dòng)檢測所解調(diào)的光柵數(shù)目,并將測量結(jié)果同時(shí)顯示出來。要結(jié)束掃描過程,只需單擊結(jié)束按鈕即可。程序的結(jié)構(gòu)見圖3.5所示。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.5程序狀態(tài)圖用戶可以根據(jù)需要設(shè)置掃描速度。掃描速度是通過調(diào)整計(jì)數(shù)器信號(hào)的步增量實(shí)現(xiàn)的。計(jì)數(shù)

50、器取較大的步增量可以提高掃描速度,但是會(huì)降低掃描的精度。軟件還提供了數(shù)據(jù)保存功能,可以實(shí)時(shí)的保存所測量到的數(shù)據(jù)。在測量過程中,軟件要完成以下功能:1控制光纖光柵解調(diào)儀的工作:控制波長選擇器的啟動(dòng)與停止,以及波長選擇器的掃描頻率;2采集光電探測器輸出的電信號(hào);3對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而得到Bragg波長值:4根據(jù)溫度傳感器的波長溫度標(biāo)定數(shù)據(jù),計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值并輸出測量結(jié)果。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,軟件要和解調(diào)器之間要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換。計(jì)數(shù)器信號(hào)要通過軟件產(chǎn)生并發(fā)送給解調(diào)器的接口電路,同時(shí)軟件還要從接口電武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文路采集光電探測器的輸出信號(hào)。由于串行口的數(shù)據(jù)傳輸速率有限,在本

51、系統(tǒng)中,我們采用計(jì)算機(jī)并口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)要通過并口進(jìn)行雙向通訊,所以并口的工作模式要設(shè)置為EPP。增強(qiáng)并口協(xié)議(EPP與標(biāo)準(zhǔn)并口協(xié)議(SVe相比,增加了產(chǎn)生與控制握手信號(hào)的電路,更適合于需要通信、控制、數(shù)據(jù)采集的場合,其傳輸率與PC內(nèi)部ISA 總線的速率接近,典型的傳輸速率為500Kb/s一2Mb/s。應(yīng)用前,要在PC機(jī)的BIOS設(shè)置中將并口設(shè)置為EPP模式。系統(tǒng)工作時(shí),通過計(jì)算機(jī)并口不斷驅(qū)動(dòng)波長選擇器進(jìn)行掃描,并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)并口的操作是通過對(duì)并口數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器的讀寫完成的。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,這三個(gè)寄存器的地址分別為:0378H,0379H 和037AH?？刂萍拇嫫鞯?/p>

52、第5位是方向控制位,它控制數(shù)據(jù)口的讀寫方向。在本系統(tǒng)中,通過向數(shù)據(jù)寄存器寫數(shù)據(jù)以產(chǎn)生波長選擇器的掃描激勵(lì)信號(hào)。而光電探測器的輸出信號(hào)則通過讀狀態(tài)寄存器來獲取。Visual Basic不能直接讀寫并口,所以使用c語言編寫了對(duì)并口的讀寫函數(shù),并以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式提供給Visual Basic調(diào)用。讀寫并口的函數(shù)聲明為:Private Declare Function WritePPort Lib”pportDll.d11”fByVal vbAddress As Integer,ByVal WriteValue As IntegerAs IntegerPrivate Declare Function

53、 ReadPPort Lib”pportDll.dU”(ByVal vbAddress As IntegerAs Byte由于對(duì)波峰的確定是通過對(duì)波長選擇器的精確定位獲得的,這就要求波長選擇器的光譜特性非常穩(wěn)定。然而由于受制造工藝的限制,這種波長選擇器對(duì)許多參數(shù)都十分敏感,如溫度、使用年限和結(jié)構(gòu)。這樣波長選擇器的光譜特性會(huì)有漂移,從而導(dǎo)致了解調(diào)器測量的漂移。因此,需要改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法來補(bǔ)償波長選擇器光譜特性的漂移,從而減少解調(diào)器測量的漂移。本系統(tǒng)中采用了參考光柵差值處理的方法來解決測量漂移的問題。27武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文勞考光柵1測量光柵參考光柵2計(jì)數(shù)器值圖3-6參考光柵差值處理在解調(diào)器中

54、內(nèi)置兩個(gè)光柵作為參考光柵。參考光柵的波長分別為波長選擇器掃描范圍的最小有效值和最大有效值。而所有測量用光柵的波長都位于兩個(gè)參考光柵之間。兩個(gè)參考光柵安放在恒溫器中,使其波長不受環(huán)境溫度變化的影響。處理的方法如圖3-6所示,x表示測量光柵與參考光柵l所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器值之差,Y表示參考光柵2和參考光柵1所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器值之差。我們?nèi)/Y作為確定測量光柵波長的依據(jù)。當(dāng)波長選擇器的光頻特性發(fā)生漂移時(shí),會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)參考光柵和測量光柵所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器值一起向右或向左發(fā)生偏移,它們偏移的趨勢是相同的,而且偏移量也基本相同,但是它們之間的相對(duì)位置保持不變,即x/Y不會(huì)受波長選擇器光譜特性漂移的影響,實(shí)驗(yàn)證明采用這種

55、數(shù)據(jù)處理方法后,解調(diào)器基本解決了漂移現(xiàn)象。解調(diào)器的解調(diào)精度在很大程度上依賴于對(duì)峰值位置的確定。為了消除噪聲干擾,需要先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。本系統(tǒng)中采用了數(shù)據(jù)平滑算法進(jìn)行濾波o“,對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。在軟件中采用了以下方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理:對(duì)連續(xù)采集的10個(gè)數(shù)據(jù)按太小進(jìn)行排序,取中間4個(gè)值的平均值作為測量結(jié)果。這樣可以過濾掉意外出現(xiàn)的干擾信號(hào),避免干擾信號(hào)對(duì)測量數(shù)據(jù)的影響。3.4系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)中所采用波長選擇器的掃描范圍是lOnm,掃描驅(qū)動(dòng)電壓范圍是:O 12v。如果測試精度要達(dá)到lpm,則波長選擇器的掃描范圍要?jiǎng)澐殖?0000武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文份。這就要求計(jì)數(shù)器范圍大于10000

56、。而在系統(tǒng)中,我們使用了16位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍是216=65536,所以系統(tǒng)的分辨率可達(dá)到pm級(jí)。3.5小結(jié)本節(jié)介紹了光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)的組成。對(duì)本文所采用的基于調(diào)諧光纖F-P濾波法的光纖光柵解調(diào)器的工作原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。 柵封裝元件的溫敏實(shí)驗(yàn)日71。作者采用兩種不同聚合材料按一定比例均勻混合后對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝處理(見圖4.1,并進(jìn)行了溫敏實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明在2080。C常溫區(qū),該光纖光柵封裝元件具有良好的溫度敏感性。溫度靈敏度由裸光柵的0.0lnm/。C提高到了0.133nm/。2002年哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所采用一種不銹鋼管的封裝形式1381,在光纖上施加一定的預(yù)應(yīng)力,以使光纖光柵

57、在鋼管內(nèi)保持平直并位于鋼管的中心線上。在鋼管內(nèi)腔中充滿環(huán)氧樹脂,以保證應(yīng)變能夠有效傳遞到光纖光柵上,封裝結(jié)構(gòu)如圖4-2。封裝實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,光纖光柵溫度靈敏度為O.02921nm/,約為棵光纖光柵的3倍。 圖4.2鋼管內(nèi)腔中充滿環(huán)氧樹脂封裝結(jié)構(gòu)燕山大學(xué)的王玉田等提出了如圖4.3所示的封裝結(jié)構(gòu)口9。護(hù)套用熱膨脹系數(shù)小的金屬制成,緊密包緊光纖防止拉壓過程中的松動(dòng)。兩個(gè)護(hù)套用兩根鉛制的金屬條鉚接。最后將整個(gè)探頭密封在用銅制作的金屬套中。該種封裝結(jié)構(gòu)將金屬的熱膨脹效應(yīng)和Bragg光柵的彈光效應(yīng)相結(jié)合,提高了布拉格光柵測溫的靈敏度。出圖43光纖光柵金屬套管封裝結(jié)構(gòu)圖4.1所示的封裝方法主要研究的是通過封裝結(jié)構(gòu)來提高光纖光柵的溫度靈敏度,文中并沒有就重復(fù)性進(jìn)行研究。這種封裝方式缺少足夠強(qiáng)度的表