基于光纖布拉格光柵的實時測溫系統(tǒng)的設(shè)計論文畢業(yè)論文（設(shè)計）word格式

1、河南機電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計論文論文題目：基于光纖布拉格光柵的實時測溫系統(tǒng)的設(shè)計系 部 專 業(yè) 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2012年05月 1 日 目錄摘要iabstractii第1章 緒論1引言11.2光纖光柵的誕生極其分類11.3光纖光柵傳感技術(shù)的特點和應(yīng)用31.3.1 光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的特點31.3.2 光纖傳感技術(shù)在實際中的應(yīng)用4第2章 光纖光柵傳感理論52.1 光纖光柵的基本原理52.1.1 光纖光柵的基本光學(xué)性能52.1.2 光纖光柵的傳感原理72.2 光纖光柵的傳感靈敏度82.2.1 應(yīng)變靈敏度822.2溫度靈敏度9第3章 光纖光柵解調(diào)方法93.1 光纖光柵的解調(diào)

2、概念93.2 光纖光纖傳感系統(tǒng)解調(diào)方法介紹103.2.1光譜儀檢測法103.2.2 非平衡馬赫-曾德干涉儀跟蹤法103.2.3 匹配光柵法113.2.4 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法113.2.5 線性邊帶濾波解調(diào)法123.2.6 可調(diào)諧法布里珀羅腔法12第4章 實驗系統(tǒng)134.1 光纖光柵測溫系統(tǒng)的總體架構(gòu)134.2 光路部分144.2.1ase寬帶光源144.2.2 光纖耦合器154.3 信號處理電路部分154.3.1 adc與dac電路設(shè)計154.3.2 高速數(shù)字信號處理電路設(shè)計174.4 參考光纖光柵的標定204.5 服務(wù)器端軟件設(shè)計21第5章 系統(tǒng)測試235.1 測試過程及數(shù)據(jù)23結(jié)論25致

3、謝26參考文獻27摘要光纖布拉格光柵(fbg)自1978年出現(xiàn)以來,由于其良好的濾波特性和靈敏的溫度、應(yīng)變響應(yīng),已經(jīng)在光纖通信、傳感和測量等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。光纖光柵傳感器除了具有一般光纖傳感器的優(yōu)點外,其突出特性是:被測信號是波長編碼的,并且方便利用時分、波分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)對多種傳感量(應(yīng)力、溫度、強磁場等)的準分布式多點測量。如何對光纖光柵的波長編碼信號進行解調(diào)是實現(xiàn)光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。 本文首先概括介紹了光纖光柵的誕生與發(fā)展、光纖光柵傳感器的原理與應(yīng)用、光纖布拉格光柵傳感解調(diào)的國內(nèi)外現(xiàn)狀。分析了光纖光柵溫度和應(yīng)變傳感機理,并討論了光纖光柵溫度應(yīng)變交叉敏感問題。接著,對目前國

4、內(nèi)外已經(jīng)研究過的光纖光柵傳感系統(tǒng)波長解調(diào)方法進行了簡單的歸納和分析。 本文對光纖光柵波長的解調(diào)方法是基于f-p濾波器解調(diào)的光纖光柵測溫系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括光路部分、信號處理部分、恒溫控制部分、通信部分、本地顯示和報警輸出部分和服務(wù)器通信管理軟件等。根據(jù)光纖光柵的中心波長的計算方法設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路,設(shè)計了本系統(tǒng)的相關(guān)軟件程序,對光纖光柵的波長進行解調(diào),并且轉(zhuǎn)換成溫度顯示在液晶上面,或者通過rs232串口或以太網(wǎng)接口和計算機相連,將測量的結(jié)果由計算機顯示出來。 本系統(tǒng)的高速數(shù)字信號處理電路部分采用的高性能浮點dsp處理芯片,實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時運算處理,將處理后的結(jié)果信息通過串口發(fā)送至控制模塊,

5、再通過gpio接口對控制模塊等相關(guān)模塊進行通信。 系統(tǒng)搭建完成后,進行了對系統(tǒng)性能的測試,檢驗系統(tǒng)測量溫度的準確度,其中包含兩個方面:一是對系統(tǒng)解調(diào)光柵波長準確度的驗證;二是對系統(tǒng)溫度定標準確度的驗證。經(jīng)檢驗,本文得出的實驗結(jié)果有一定的實用價值。對fbg傳感器的使用和推廣具有重要的實際意義。關(guān)鍵字：布拉格光柵；波長編碼；、f-p濾波器；dsp；測溫abstract since fiber bragg grating came out in 1978,it has been widely applied because of its good filtering character and se

6、nsitive to temperature and strain response in the field of fiber communication ,sensor ,measure ,etc. fiber bragg grating sensors have the character which the common fiber sensors have. furthermore their prominent character is that the measuring signal is wavelength encoding , they achieve avriety o

7、f sensing by using quasi-distributed multi-point measurement conveniently. how to demodulate the wavelength encoding signal is one of the key technologies for the application of fiber grating sensors. firstly, the naissance and development of fiber grating, the principle and application of fiber gra

8、ting sensors, the actuality of wavelength demodulation at home and abroad were introduced in the paper. it analyzed the fiber grating temperature and strain sensing mechanism and discusses the cross sensitivity of fiber grating temperature-strain . then ,it carried on the simple conclusion and analy

9、sis about fiber bragg grating sensor wavelength demodulation system which has been researched by domestic and foreign . the method of the fiber grating wavelength demodulation is fiber bragg grating temperature measurement system based on f-p filter .optical part ,signal processing, temperature cont

10、rol part, local display , alarm output and server communication management software and so on were included in this system .the hardware and software program were designed according to the center wavelength of fiber grating, the tesults of fbg wavelength demodulation were displayed on the lcd or wer

11、e displayed by the computer through the rs232 serial port or ethernet interface connected the system to the computer. the floating point dsp processing with high-performance chip was used in the high-speed digital signal processing, and address the results of the information which was processed sent

12、 to the control module through the serial port, and communicate with control module and other related modules through the gpio interface. we tested the performance of the system ,testing system, the accuracy of measuring temperature after the system built, which includes two aspects: first ,the veri

13、fication of accuracy of grating wavelength demodulated by system; second, the verification of accuracy of system temperature calibration .upon examination, this experinmental results obtained by this paper have some practical value.keywords: bragg grating; wavelength encoding; f-p filter; temperatur

14、e 第1章 緒論引言光纖布拉格光柵（fiber bragg grating），簡稱光纖光柵（fbg）具有波長調(diào)制、分辨率高、抗電磁干擾、重復(fù)性好以及可進行批量生產(chǎn)等特性點，光纖光柵技術(shù)正成為當前傳感器領(lǐng)域研究的一大熱點。光纖光柵傳感器具有體積小、損耗低、靈敏度高、抗電磁干擾、點絕緣性好、帶寬大。并能多點分布式測量等優(yōu)點，已應(yīng)用于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物、艦船系統(tǒng)、海洋、航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，電力系統(tǒng)等，并取得了許多成果。20世紀70年代以來，光纖光柵傳感器取得了飛速的發(fā)展。由于其獨特的優(yōu)點，決定了光纖光柵可在某些特殊條件下的測量工作，比起常規(guī)檢測技術(shù)來具有更多的優(yōu)勢，是傳感技術(shù)發(fā)展的一個主導(dǎo)方

15、向。光纖傳感技術(shù)代表了新一代傳感器的發(fā)展趨勢。1.2光纖光柵的誕生極其分類 光纖的基本結(jié)構(gòu)十分簡單，如圖1-1所示。光纖是一種玻璃絲，其材料是石英(二氧化硅)，是通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良傳輸介質(zhì)，因此在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。光纖是一種纖芯折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo)，折射率的差異引起全內(nèi)反射，以致使得光纖在纖芯內(nèi)傳播。圖1-1 光纖結(jié)構(gòu)圖 纖芯和包層的折射率差并不需要很大，實際上。只要大約1%就可以了。在光纖包層的外圍，還有一些用于保護光纖的層面的結(jié)構(gòu)，即圖中的涂覆層。 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性的變化），通過紫外光曝光的方法將入射光相干

16、場圖樣寫入纖芯，使得在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率呈周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波器或反射鏡，利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件，例如光纖反饋腔就是利用光纖光柵的窄帶高反射率特征制造出來的，光纖激光器是利用摻餌光纖等為增益介質(zhì)；外腔反射器利用光纖光柵作為激光二極管，光纖光柵還可以構(gòu)成可調(diào)諧激光二極管；利用光纖光柵可構(gòu)成michelson干涉儀型mach-zehnder干涉儀和febry-peort干涉儀型的光纖濾波器。利用閃耀光纖光柵可以制成光纖平坦濾波器；利用非均勻光纖光柵可以制成光纖色散補償器等。此外，利用光纖光柵還可以制成光纖傳

17、感器和各種傳感網(wǎng)，用于檢測應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等諸多參量。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。光纖光柵是近年來發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的光纖無源器件之一。光纖光柵作為優(yōu)良的傳感及通信器件始源于1987年，當時加拿大渥太華通信研究中心的k.o.hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波寫入法制成世界上第一根光纖光柵。十余年后，在1989年美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的g.meltz等人以準分子激光泵浦的可調(diào)諧倍頻染料激光器輸出的244nm波長的紫外光干涉條紋側(cè)面照射纖芯摻鍺的光纖，將任意工作波長的位相

18、光柵寫進了纖芯形成光纖芯內(nèi)部布拉格光柵，使光纖光柵的制作技術(shù)實現(xiàn)了突破性的進展。1993年，k.o.hill等人提出的相位掩膜制法使光纖光柵的制造技術(shù)得到重大發(fā)展。使得光纖光柵靈活的制造大批量的生產(chǎn)成為可能，光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没?。光纖光柵是近幾年發(fā)展最快的光纖無源器件之一，它的出現(xiàn)將可能在光纖技術(shù)以及眾多相關(guān)領(lǐng)域中引起的一場新的技術(shù)革命。該項技術(shù)促進了全光纖通信技術(shù)的發(fā)展，而且在光纖傳感領(lǐng)域另辟了新的重要分支-光纖光柵傳感。光纖光柵分為很多種類，按結(jié)構(gòu)的空間周期分布是否均勻可分為周期性光柵和非周期性光柵兩類，均勻周期光纖光柵分為光纖布拉格光柵、相移光纖光柵、莫爾光纖光柵、切指光纖光柵和超

19、結(jié)構(gòu)光纖光柵。周期性結(jié)構(gòu)器件制造簡單，其特性受到限制；非周期機構(gòu)制造困難，其特性容易滿足各種要求。從功能上可分為濾波性光柵和色散補償?shù)牟ㄊ阜较?、空間周期分布及周期大小，光纖光柵可分為四種基本類型，即光纖布拉格光柵、閃耀光纖光柵、啁啾光纖光柵、長周期光纖光柵。光纖布拉格光柵（fbg）是最早發(fā)展出來的光纖光柵，也是應(yīng)用最廣泛的光纖光柵。光纖布拉格光柵的折射率呈固定的周期性調(diào)制分布，即調(diào)制深度與光柵周期均為常數(shù)，光柵波矢方向與光纖軸線方向一致。該類光纖光柵在通信和傳感領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。近年來，光纖光柵的制作方法得到了人們的廣泛研究并發(fā)展了多種制作方法，目前制作光纖光柵的方法主要有全息成柵法、相位掩

20、膜法和干涉法。目前制作光纖光柵使用最為廣泛的方法是相位掩膜法，這種方法大大降低了制作光纖光柵的復(fù)雜性，而且不需要高相干性的紫外光源。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷成熟和完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖技術(shù)應(yīng)用中的傳統(tǒng)設(shè)計思想，并使全光纖器件的研制和集成成為可能，從而為人們夢寐以求進入全光信息時代帶來了無限生機和希望。1.3光纖光柵傳感技術(shù)的特點和應(yīng)用1.3.1 光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的特點 光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。由于光纖傳感技術(shù)中的傳感與

21、傳輸信號都是光信號，而并不是傳統(tǒng)的電信號，因而光纖傳感技術(shù)具有許多獨特的優(yōu)點，如具有抗電磁干擾能力強、適合高電壓場所、能遠離傳輸信號、電絕緣性好、靈敏度高、耐腐蝕、安全可靠、可構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)等諸多優(yōu)點，它在航天、航海、電力傳輸、石油開采、核工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。在光通信系統(tǒng)中，光纖被用作遠距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。很明顯，在這類應(yīng)用中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化，將引起光纖光波參數(shù)發(fā)生變化，如引起光強、相位、頻率、偏振、波長等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能夠測出光波參數(shù)的變化，就可以得到導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光

22、纖傳感技術(shù)。圖1-2 光纖傳感原理圖 光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括對光柵中心反射波長移動的探測與解調(diào)、對溫度和應(yīng)力/應(yīng)變的交叉敏感測試以及多個光纖光柵傳感器的復(fù)用等。光纖傳感技術(shù)是利用光纖光柵對光柵對某些物理量的敏感特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以測量的信號的技術(shù)，即由于光波在光纖中傳播時表征光波的特征參量（振幅、相位、波長等）因外界因素（如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場等）的作用而直接或間接發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量，其示意圖見圖1-2. 光纖光柵傳感器是利用光波波長的變化來探測外界物理量的。光纖光柵的反射或透射峰的波長與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān)，外界參量的變化

23、會引起光纖光柵折射率的變化，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長的變化，這就是光纖光柵傳感器的基本工作原理。 傳統(tǒng)的光纖傳感器絕大部分都是光強型和干涉型的。光強型光纖傳感器的信息讀取是測量光強大小，因此光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素會影響測量精度。干涉型光纖傳感的信息讀取是觀察干涉條紋的變化，這就要求干涉條紋清晰，而要使干涉條紋清晰就必須要求兩路干涉光的光強相等，從而使光纖光路的靈活性和連接的方便性等優(yōu)點大打折扣。而且它是一種過程傳感器而不是狀態(tài)傳感器，因此必須要有一個固定的參考點，這樣就給光纖傳感器的應(yīng)用帶來了難度。 根據(jù)光纖光柵的特性，可以利用光纖光纖制成用于檢測應(yīng)力/應(yīng)

24、變、溫度等諸多參量的光纖光柵傳感器和各種光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，它具有一般光纖傳感器所具備的所有優(yōu)點。此外，因為自身的特點，光纖光柵傳感器也具有普通光纖傳感器無法具備的優(yōu)點：1. 光纖光柵傳感器是一種波長調(diào)制型光纖傳感器，它的傳感過程是通過外界參量對光柵中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息，這樣可以避免光纖光柵傳感器中各種光強起伏對測量精度引起的干擾。2. 由于光纖光柵傳感器是一種波長調(diào)制型光纖傳感器，所以其測量信號不受光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響。3. 因為光纖光柵對應(yīng)力/應(yīng)變和溫度的雙重敏感性，利用光纖光柵可以制作應(yīng)力/應(yīng)變和溫度同時測量的雙參量傳感器。4. 避免

25、了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要，結(jié)合波分復(fù)用（wdm）和時分復(fù)用（tdm）技術(shù)，每根光纖中可以設(shè)置多個光纖光柵構(gòu)成分布式的傳感點，便于空間組網(wǎng)，分辨精度高，光纖光柵傳感器具有波長編碼的特點，它更便于構(gòu)成分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以再大范圍內(nèi)對多點同時進行測量。5. 光纖光柵很容易的埋入或嵌入到被測材料中并對其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進行高分辨率和大范圍地測量，光纖光柵傳感器被認為是實現(xiàn)光纖靈巧結(jié)構(gòu)地理想器件。6. 光纖光柵輸出的是絕對波長量（它具有內(nèi)在的波長度量刻度），可以作為絕對量的測量。7. 利用復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵的特殊光譜特性，可以制備多參數(shù)智能傳感元件等。8. 光纖具有非傳導(dǎo)

26、性，所以對被測介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在煤氣附近、電站、核設(shè)施、礦井下、油田以及油罐周圍等惡劣、高危險環(huán)境中工作。因此，基于以上的優(yōu)點，自1989年首次報道將光纖光柵用作傳感器以來，光纖光柵傳感受到了世界范圍的廣泛重視，并且已經(jīng)取得了持續(xù)和快速地發(fā)展。利用掩埋或貼附技術(shù)把光纖光柵復(fù)合到各種建筑或器件中，可以對被測體的各種參量如應(yīng)變、溫度、應(yīng)力、老化、裂變等進行大面積的實時綜合測量、診斷和控制。1.3.2 光纖傳感技術(shù)在實際中的應(yīng)用 1989年，morey首次報道將光纖bragg光柵用作傳感上面，由于光纖bragg光柵傳感器自身具備的優(yōu)點，因此光纖bragg光柵傳感器受到

27、了全世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)取得了持續(xù)和快速的發(fā)展。到目前為止光纖bragg光柵傳感器已經(jīng)應(yīng)用在民用工程結(jié)構(gòu)、航空航天業(yè)、船舶航運業(yè)、石油化工業(yè)、電力工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面。此外，光纖bragg光柵還應(yīng)用在加速器、水聲器、形變檢測、腐蝕探測器、身份和物品的識別系統(tǒng)等?？傊饫wbragg光柵傳感器的應(yīng)用是一個方興未艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的發(fā)展前景。第2章 光纖光柵傳感理論2.1 光纖光柵的基本原理2.1.1 光纖光柵的基本光學(xué)性能光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性的變化），即當激光通過增敏過的光纖時，光纖纖芯的折射率將隨激光光強的空間分

28、布發(fā)生相應(yīng)的變化，其變化的大小與光強成線性關(guān)系，并且能夠永久的保存下來。根據(jù)制作方法的不同，不同的曝光條件，不同類型的光纖可以產(chǎn)生多種不同折射率分布的光纖光柵。圖2-1 光纖布拉格光柵的基本結(jié)構(gòu)及折射率分布圖2-1是光纖布拉格光柵的基本結(jié)構(gòu)原理及折射率分布，它是一種性能優(yōu)異的窄帶反射濾波無源器件。當一束光經(jīng)過光纖布拉格光柵時，滿足布拉格光柵波長條件的就會被反射回來，為滿足布拉格光柵波長條件的光波就會透射過去。對于光纖光柵來說，其基本光學(xué)參數(shù)對于我們研究光纖傳感來說是非常重要的。光纖光柵的基本光學(xué)參數(shù)有：反射率、透射率、光柵方程、反射帶寬等。利用耦合模理論對周期性光柵進行分析，可得到光纖光柵的反

29、射率r和透射率t的表達式如下：r=k2sh2sl2shsl+s2ch2sl 當k22 (2-1)r=k2sh2ql2-k2ch2ql 當k22 (2-2)t=s22shsl+s2ch2sl (2-3)在上式中，l是光柵的長度，k為耦合系數(shù)，=2nf/為模傳播常數(shù)，=-p/，為光柵周期，neff為等效折射率，為自由空間工作波長，p為一個整數(shù)。s=(k2-2)1/2 （2-4）q=(2-k2)1/2 （2-5）當波長匹配時，即=0時，r取最大值，對于一階場，p=1， rmax=tanh2（kl） （2-6）對于單模光纖為 rmax=tanh2nl2neff= tanh2nlb (2-7)由波長匹配

30、條件 可以推出布拉格方程 b=2neff （2-8）再由反射帶寬的定義：r（，l）=12r（b，l）可以求出兩個的值，并進一步給出bragg反射半值帶寬 b=b（l）2+（nn）2 （2-9） 上面我們給出了光纖bragg光柵的反射率r，bragg波長b和線寬b等幾個重要參數(shù)，這些參數(shù)對于光柵的制作及其應(yīng)用都有重要的意義。從式中我們可以看到，光柵的長度l的改變、折射率變化n，以及光纖光柵中心波長b都能引起反射率和線寬的變化，這對光纖光柵的調(diào)制提供了重要的依據(jù)。2.1.2 光纖光柵的傳感原理當光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力發(fā)生變化的時候，光柵的纖芯折射率以及光柵的周期也都會相應(yīng)的發(fā)生變化，從而由光

31、纖光柵反射回的波長就會有一個偏移量，影響反射波的波長。所以，我們可以通過測量反射波長的偏移量就可以間接的測量引起波長偏移的物理量，如利用光纖光柵可以測得光纖光柵所處環(huán)境的溫度的變化，應(yīng)力的變化等。在光纖的基本光學(xué)性能里面已經(jīng)得到，對其進行求導(dǎo)，可以得出： d=dneffn+d (2-10)其微分形式為： =2neff+2neff (2-11)從（1-10）和（2-11）式可以看出光柵布拉格波長并不是一個常量，而是有一定的偏移量，且反射波長的偏移量與光纖纖芯的有效折射率neff和光柵周期的變化有關(guān)。當光柵受到軸向應(yīng)力的作用或者溫度的變化影響時，纖芯有效折射率和光柵的周期都會發(fā)生變化。應(yīng)力作用下的

32、光彈效應(yīng)導(dǎo)致折射率的變化，從而導(dǎo)致有效折射率發(fā)生變化；而當溫度變化時，其產(chǎn)生的光熱效應(yīng)導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化。將耦合波長b看做溫度t和應(yīng)變的函數(shù)，則對和展開長泰勒級數(shù)為： b（t，）=b（t0，0）+2nefft+nefft t+2neff+neff t+2neff22+2neff2(2)+ (2-12)當t和不是很大時，略去（t）2和（）2以上的高次項以及（2-12）式中的第四項，此項是溫度和應(yīng)變的關(guān)系型，定義=1*，=1neff*neff和pe=-1neff*neff分別為纖芯的熱膨脹系數(shù)，熱光系數(shù)和有效彈光系數(shù)，則（2-11）式可近似為： b（t，）=2（+）nefft+2（1-pe）ne

33、ff=ktt+k （2-13）在式（2-13）中，kt為光纖bragg光柵的溫度響應(yīng)系數(shù)，k為光纖bragg光柵的應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)。首先，將問題先簡單化，不去考慮溫度和應(yīng)變的交叉敏感，分別考察僅在單一的溫度或應(yīng)力作用下光纖bragg光柵的傳感特性。當只受溫度影響時有： b=ktt (2-14) 由上式可以知道，溫度t的改變t引起的布拉格反射波長b的漂移，漂移量為b，這主要是由溫度變化引起的有效折射率的改變引起的，并且b和t成線性關(guān)系，因此通過對光纖bragg光柵中心反射波長的移動的檢測就可以確定被測量的值。 同理，忽略溫度的影響，當只受應(yīng)力影響時有： b=k （2-15）由于應(yīng)力的作用，最終會引起

34、光纖光柵的有效折射率和光柵柵距的變化，從而改變布拉格波長。從（2-15）式中可以看到，其形式和（2-14）式相同，波長的漂移量和應(yīng)力的變化量也成線性的關(guān)系，所以由波長的變化量也可以方便的求出光柵在外界應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變的值。 綜合考慮，當溫度和應(yīng)力變的影響同時存在時有： b=ktt+k （2-16）由（2-16）式可知，當光纖bragg光柵傳感器所受應(yīng)力或溫度發(fā)生改變時，光柵中心反射波長都會產(chǎn)生相應(yīng)的移動。當溫度或應(yīng)變其中一個參量恒定時，波長的移動由應(yīng)變或溫度的改變引起。但是當兩個參量對不是恒定的值的情況下，就無法確定波長的移動的具體由什么參量的改變引起的，更無法確定參量的改變量大小，這就是

35、光纖bragg光柵傳感器的交叉敏感問題。2.2 光纖光柵的傳感靈敏度2.2.1 應(yīng)變靈敏度 當溫度不變時，式(2-13)得出，沿軸向應(yīng)變ax和波長的關(guān)系由下式給出 bb=（1-pe） （2-17） 對于普通的光纖，其有效折射率neff=1.46，在硅介質(zhì)中，有效彈光系數(shù)pe|0.22。根據(jù)（2-17）得出，光纖在軸向應(yīng)變作用下布拉格波長的變化為： s=（1-pe）= bb （2-18）所以，對于中心波長b=1550nm波段，其該變量為s1.210-3nm/。22.2溫度靈敏度與應(yīng)變靈敏度相同，式（2-13）得出，當應(yīng)變不變時，光纖在溫度變化的作用下的布拉格波長的變化程度為： st=（+）= b

36、bt （2-19）對于多種光纖，當溫度在20150攝氏度之間變化時，（7.17.3）10-6/度;在400時，=1010-6/度。于是，對于b=1550nm波段st=1.1310-2nm/度。光纖光柵的中心波長隨溫度及應(yīng)變的變化而變化，在光通信領(lǐng)域中，這成為光纖光柵應(yīng)用的 難題之一，而在光纖傳感領(lǐng)域，它又成為必要的技術(shù)基礎(chǔ)。第3章 光纖光柵解調(diào)方法3.1 光纖光柵的解調(diào)概念 在光纖光柵傳感技術(shù)中，解調(diào)過程與傳感過程正好相反，解調(diào)的過程其實就是信號檢測的過程，光纖光柵解調(diào)技術(shù)是研究從己被調(diào)制的光信號中還原出原解調(diào)信號的技術(shù)，還原出的信號與被測信號成一定的比例，當被測量變化時，由光纖光柵反射的光波

37、波長也會發(fā)生相應(yīng)的移動，并且根據(jù)第二章的推導(dǎo)可知反射波長的移動量與被測量的變化量呈線性關(guān)系。若想要實現(xiàn)多點測量，我們可以利用時分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)或空間復(fù)用技術(shù)組成光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的方法可以實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，我們測得的被測量的精度越高越好，所以如何高測量光纖光柵的反射波長移動量的精度就成了我們研究光纖光柵傳感器的關(guān)鍵問題。研究開發(fā)體積小、成本低、精度高的解調(diào)系統(tǒng)是使光纖光柵傳感器能夠在實際工程應(yīng)用中得到推廣的關(guān)鍵問題。為了促使光纖光柵傳感器的發(fā)展，使其滿足實用化的要求，人們對光纖光柵的波長編碼信號進行解調(diào)是實現(xiàn)光纖光柵傳感實用得到關(guān)鍵。由于光纖光柵所測量的是由光柵反射的光的反射波長，所以

38、，對反射波長移位的檢測精度就直接決定了整個系統(tǒng)的檢測精度。因此，光纖光柵傳感系統(tǒng)中應(yīng)有某些檢測裝置使得可以精密的檢測波長或者波長的偏移量。下面是幾種目前比較成熟的解調(diào)技術(shù)的介紹。3.2 光纖光纖傳感系統(tǒng)解調(diào)方法介紹3.2.1光譜儀檢測法光譜儀檢測法是一種最直接的波長位移檢測方法，其示意圖如圖3-1所示。這種測量方法的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，適用于實驗室使用。但是由于傳統(tǒng)的色散掕鏡或者衍射光柵為基礎(chǔ)的光譜儀的分辨率較低，所以造成了測量反射波波長的精度不高，無法滿足實際情況的要求。高分辨率的光纖光譜分析儀可以滿足高精度測量的需求，但是其價格昂貴，體積龐大，由此構(gòu)成的系統(tǒng)成本高并且缺乏必要的緊湊性和牢固度

39、，除此之外這種方法不適合在現(xiàn)在使用，在實際應(yīng)用的傳感器系統(tǒng)中是很不方便的，采用這種光譜儀檢測光纖光柵的波長移位也是非常不現(xiàn)實的，更重要的是，光纖光譜儀直接測出的是光波的波長的變化，它并不能直接輸出對應(yīng)波長變化的電信號，這對于測量結(jié)果的記錄、存儲和顯示以及提供回路必要的電信號以達到工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制的目的是極為不利的。圖3-1 光譜檢測儀法示意圖3.2.2 非平衡馬赫-曾德干涉儀跟蹤法 1992年，adkersey等人提出了非平衡馬赫-曾德干涉解調(diào)法，由于此種方法采用的是干涉法來檢測波長的移位，所以其具有極高的檢測靈敏度，這種方法適合于高分辨率動態(tài)應(yīng)變傳感信號的檢測。其解調(diào)原理如圖3-2所示，

40、此方法引起了國內(nèi)外許多研究人員的重視，并對其進行了研究。圖3-2 非平衡馬赫-曾德干涉儀跟蹤法原理圖3.2.3 匹配光柵法 匹配光柵濾波解調(diào)法是用一個與傳感光柵相匹配的接收光柵的波長去推知傳感光柵的波長。匹配光柵濾波解調(diào)法工作方式有兩種：一是反射方式，即傳感信號經(jīng)過傳感光柵后進入匹配光柵檢測反射光強，當探測器接收光強最大時傳感光柵與匹配光柵中心波長完全匹配。二是透射方式，與反射方式類似的檢測透射光強，當探測器接收的光強達到最小的時候就可獲得傳感光柵的中心發(fā)射波長。匹配光柵解調(diào)法的基本原理如圖3-3所示。圖3-3 匹配光柵解調(diào)原理圖該方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，而且對最終檢測的反射光強無絕對要求，各類

41、強度噪聲也不會對輸出結(jié)果有影響。但這種方法也存在不可避免的缺點：一是要求兩個光柵嚴格匹配；二是由于傳感光柵的測量范圍不能很大，所以實際當中測量的范圍受參考光柵應(yīng)變量的限制。3.2.4 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法采用波長周期變化的窄帶光譜掃描傳感光柵的發(fā)射譜?？烧{(diào)諧窄帶光源固定在呀電體pzt上，當pzt受鋸齒波或正弦電壓驅(qū)動時，窄帶光源的光譜在一定范圍內(nèi)變化。當其輸出波長與傳感光柵反射波長相同時，探測器接收到的信號光強最大，此時由pzt的電壓-波長調(diào)諧關(guān)系即可獲得傳感fbg的中心發(fā)射波長移位?？烧{(diào)諧窄帶光源解調(diào)法示意圖如圖3-4所示。圖3-4 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)示意圖3.2.5 線

42、性邊帶濾波解調(diào)法這種方法主要是基于光強檢測。線性邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)如圖3-5所示。此系統(tǒng)有很多優(yōu)點，主要就是消除了光源波動的影響，適用于動態(tài)、靜態(tài)的測量，具有較好的線性輸出，并且體積性對來說可以做的很小，便于戶外使用。但是也不能忽略其缺點，由于分辨率是由濾波器的濾波曲線的斜度而定的，所以線性邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)分辨率不是很高，而濾波曲線的線性近似也會造成一定的不可避免的誤差。圖3-5 線性邊帶濾波解調(diào)示意圖3.2.6 可調(diào)諧法布里珀羅腔法 如圖3-6為可調(diào)光纖f-p腔解調(diào)原理圖，從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器和耦合器傳送到串聯(lián)在光纖上的分布式fbg傳感器，波長滿足布拉格反射條件的光波被反射回來，fbg傳

43、感器反射回的光經(jīng)耦合器入射到可調(diào)諧f-p腔中。系統(tǒng)中利用壓電陶瓷作為f-p腔腔長變化的驅(qū)動元件，使可調(diào)諧f-p腔工作在掃描狀態(tài)。給pzt施加一個鋸齒波的掃描電壓，壓電陶瓷隨著掃描電壓的變化產(chǎn)生伸縮，從而使f-p腔的腔長發(fā)生變化。當腔長的長度是光纖光柵反射光波的半個波長的整數(shù)倍時，光電探測器探測到最大光強，此時給施加的電壓就對應(yīng)著的中心反射波長。通過檢測最大透射光強就可得到反射波波長，進而得到所測參變量。以上就是可調(diào)光纖腔解調(diào)原理。圖3-6 可調(diào)光纖f-p腔解調(diào)原理圖第4章 實驗系統(tǒng)4.1 光纖光柵測溫系統(tǒng)的總體架構(gòu) 基于光纖布拉格光柵測溫系統(tǒng)裝置可分為以下幾部分：光路部分、信號處理部分、恒溫控

44、制部分、通信部分、和服務(wù)器通信管理軟件幾大塊構(gòu)成。 光路部分：包括c波段寬帶光源ase模塊、f-p濾波器驅(qū)動設(shè)計，光纖光柵傳感陣列的設(shè)計等； 信號處理部分：包括a/d采集電路設(shè)計、高速數(shù)字信號處理電路設(shè)計； 恒溫控制部分：用于對參考標定光柵的恒溫控制，以及溫度的讀取等； 通信部分：用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膔s232接口和電路設(shè)計； 服務(wù)器通信管理軟件與系統(tǒng)配置軟件設(shè)計。圖4-1光纖光柵測溫系統(tǒng)裝置硬件框圖光纖布拉格光柵測溫系統(tǒng)裝置硬件框圖如圖4-1所示，整個系統(tǒng)的實現(xiàn)流程如下：由ase寬帶光源發(fā)出1525nm-1565nm波段的寬帶光，通過光纖f-p濾波器后再經(jīng)耦合器分成傳感光路和參考光路。在參考光路中

45、并聯(lián)了標定光柵和光標準具，并將這兩種器件放入系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的恒溫電路控制的恒溫裝置中，帶系統(tǒng)穩(wěn)定后，在采集數(shù)據(jù)進行標定。在傳感光路中，傳感光經(jīng)過光路到達串聯(lián)在一起的光纖光柵，從而可以實現(xiàn)多點測溫監(jiān)測。傳感光路和參考光路獲得的光信號傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號調(diào)理與放大電路處理后，由ad轉(zhuǎn)換模塊同步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在數(shù)字信號處理器中進行濾波降噪、信號特征的提取與分析，根據(jù)光柵溫度解調(diào)算法解算出傳感光柵的溫度值。dsp數(shù)字信號處理器同時還集成da功能，da輸出三角波電壓，經(jīng)過平滑調(diào)理后，由高壓驅(qū)動電路放大，次電壓對f-p濾波器進行掃描，進而驅(qū)動光纖f-p濾波器。硬件系統(tǒng)設(shè)計了本地rs23

46、2接口，通過接口可以為用戶服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測和監(jiān)控。本地系統(tǒng)還設(shè)計顯示和報警開關(guān)的輸出，為系統(tǒng)聯(lián)機提供了方便的接入端子。4.2 光路部分 光路部分是光纖光柵測溫系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，這部分的結(jié)構(gòu)決定著系統(tǒng)溫度解調(diào)算法實現(xiàn)。4.2.1ase寬帶光源如今，在傳感器系統(tǒng)中，我們主要用到的光源有發(fā)光二極管，超輻射發(fā)光二極管，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器以及放大的自發(fā)輻射源（ase）。系統(tǒng)一般不會采用led光源，由于led從器件到單模光纖的耦合效率很低，在光功率方面不能滿足系統(tǒng)的要求，所以在系統(tǒng)中一般不會采用這種光源：對于sled來說，其3db帶寬較大，可達60nm以上，但其輸出光功率很小，只有1mw左右，這

47、種功率大小不能滿足系統(tǒng)中多路復(fù)用的要求；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器基本達到了系統(tǒng)中的要求，其帶寬達到50nm以上，輸出光功率10mw，但是這種光源的價格非常昂貴；本課題采用ase光源作為系統(tǒng)的光源，ase光源還可以減少系統(tǒng)的相干噪聲、光纖銳利散射引起的相位噪聲以及光學(xué)克爾效應(yīng)引起的相位漂移。此外，ase光源具有輸出穩(wěn)定、受環(huán)境影響小、容易與單模光纖耦合等優(yōu)點，且覆蓋了大部分的中紅外波段。綜合考慮，我們選擇ase光源作為本系統(tǒng)的光源。圖4-2ase光源的結(jié)構(gòu)ase帶寬光源是專為實驗室實驗和生產(chǎn)設(shè)計的。光源主題部分是增益介質(zhì)摻鉺光纖盒高性能的泵浦激光器。具有獨特的自動溫度控制（atc）和自動功率控制（ap

48、c）。電路通過控制泵浦激光器的輸出保證了輸出功率的穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)apc，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出功率。結(jié)構(gòu)如圖4-2。4.2.2 光纖耦合器 利用連接器和熔接的方法都可以將兩段光纖連接起來，這樣可以滿足兩個器件之間的光信號的傳輸。但是在很多的應(yīng)用中，需要連接的不只是儀器的兩個端頭。耦合器就是將輸入信號分成兩路或多路輸出，或?qū)陕坊蚋嗦份斎牒喜⒊梢宦份敵觥?.3 信號處理電路部分4.3.1 adc與dac電路設(shè)計 adc設(shè)計中系統(tǒng)采用4通道同步轉(zhuǎn)換adc芯片ad7865，圖4-6為ad7865的引腳分布圖，其具有14位精度、低功耗、采樣保持，單電源供電，電源電壓為2.7v至5.25v，四路同步采

49、樣最高吞吐量可達100ksps。該器件內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過cs和串行時鐘進行控制，從而為器件與微處理器或dsp接口創(chuàng)造了條件。輸入信號在convst信號的下降沿進行同步采樣，四路轉(zhuǎn)換同時在此處啟動。該器件不存在流水線延遲。采用先進的設(shè)計技術(shù)，可在高吞吐量的情況下實現(xiàn)極低的功耗。采用5v電源，吞吐量為100ksps時，ad7865的功耗為115mw。圖4-5ad7865引腳分布圖圖4-6adc內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯圖關(guān)于dac的設(shè)計：光纖光柵測溫系統(tǒng)設(shè)計1路dac用于生產(chǎn)控制f-p濾波器的掃描電壓信號。dac采用nanodac系列，其特點為低功耗、雙通道、12

50、位緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（dac），采用2.7v至5.5v單電源供電，通過設(shè)計保證單調(diào)性，還有一個ic兼容型串行接口。內(nèi)置一個片內(nèi)基準電壓源，內(nèi)部基準電壓源則通過軟件寫入啟用。ad56x7rbrmz內(nèi)置一個1.25v、5ppm/度基準電壓源，滿量程輸出范圍可達到2.5v；ad56x7rbrmz內(nèi)置一個2.5v、5ppm/度基準電壓源，滿量程輸出范圍可達到5v。圖4-7ad5627引腳分布圖4-8dac內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯圖dac性能指標：1、 低功耗、雙通道nanodac2、 12位精度3、 片內(nèi)自帶基準電壓源4、 3mmx3mm、lfcsp和10引腳msop封裝5、 采用2.7v至5.5v電源供電6

51、、 通過設(shè)計保證單調(diào)性7、 上電復(fù)位至零電平8、 各通道獨立省電9、 硬件ldac和clr功能10、 ic兼容型串行接口，支持標準（100khz）、快速（400khz）和高速（3.4mhz）三種模式4.3.2 高速數(shù)字信號處理電路設(shè)計 高速數(shù)字信號處理電路采用高性能浮點dsp處理芯片，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時運算處理，將處理后的結(jié)果信息通過串口發(fā)送至控制模塊，再通過gpio接口對控制模塊等相關(guān)模塊進行通信。 本文選用的是adsp sharc 系列處理器，它們都是以adsp-21000處理器核為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)大體相同，在程序代碼設(shè)計上也具有高度的兼容性。下面就簡單介紹下adspsharc系列處理器的一些特

52、點。1、 獨立并行運算單元算數(shù)/邏輯單元（alu）、乘法器和移位器都可以再單周期里執(zhí)行指令，它們并列排列，大大提高了數(shù)據(jù)吞吐率。對于單個乘、累加指令，能同時并行的在乘法器和alu中執(zhí)行。運算單元支持ieee32位單精度浮點、40位擴展精度浮點和32位定點數(shù)據(jù)格式。2、 通用數(shù)據(jù)寄存器通用數(shù)據(jù)寄存器在運算單元和數(shù)據(jù)總線之間傳遞數(shù)據(jù)，能同時保存中間運算結(jié)果。32個i/o端口的數(shù)據(jù)寄存器與處理器的超級哈弗結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能實現(xiàn)運算單元與儲存器之間無限制的數(shù)據(jù)流動。3、 單周期同時取1條指令和2個操作數(shù)adsp sharc 系列處理器超級哈弗結(jié)構(gòu)內(nèi)有2條數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)儲存總線（dm）和程序儲存器總線（pm

53、）。dm總線主要傳遞數(shù)據(jù)，pm總線既可以傳送指令又可以傳輸數(shù)據(jù)，而且dm總線和pm總線分開。這樣，adsp sharc 系列處理器利用指令緩存，就能在單周期內(nèi)實現(xiàn)同時取2個操作數(shù)和1條指令。4、 指令緩存adsp系列處理器內(nèi)部有一個高效的級指令緩存，允許條總線同時取條指令和個操作數(shù)。指令緩存是否使用，也可以通過編程加以控制。有了指令緩存，處理器就能高速執(zhí)行循環(huán)操作，比如數(shù)字濾波的乘、累加操作和fft碟性運算等。5.數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器 adsp sharc系列處理器內(nèi)部有2個數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器（dags），在硬件上能實現(xiàn)環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖尋址，這樣就能夠有效的執(zhí)行延遲線操作，這對于高速高效的實現(xiàn)數(shù)字濾波和傅里

54、葉變換非常有用。adsp sharc系列處理器數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器能自動處理環(huán)形地址指針，這樣就能降低程序開銷，提高程序的執(zhí)行效率并簡化程序代碼。環(huán)形緩沖區(qū)可以從儲存器的任一一地址單元開始，也可以再任一地址單元結(jié)束，處理器對此沒有任何限制。6.片內(nèi)有0.5-4m位可配置的雙端口sram 雙端口sram可以被處理器核和dma同時獨立訪問，根據(jù)不同型號芯片sram容量的大小，可以分別配置為不同容量的32位數(shù)據(jù)存儲區(qū)、48位的程序儲存區(qū)以及混合32位或者48位進行配置。7.有豐富的外部接口 片外存儲器尋址空間可達到4g字，支持可編程的等待模式與dram頁控制；2套串行口可以用多種操作模式進行工作；6個4/8位的鏈路口可以實現(xiàn)松耦合方式的處理器連接。 dma控制器支持10-14個dma通道的無干預(yù)后臺傳輸，dsp核與i/o處理器可以同時并行訪問內(nèi)部儲存器。8串行掃描與仿真特性 adsp sharc 系列處理器支持標準的ieeep1149jtag系統(tǒng)測試，該標準為串行掃描系