1、基于lab view的光纖光柵解調系統設計摘 要光纖光柵作為一種新型的光無源器件，促成了光纖由被動的傳輸介質轉化為主動的光子器件，拓寬了光纖技術應用范圍，開創了一種在光通信、光傳感領域發展的新思路。隨著光纖通信和光導纖維技術的發展，光纖傳感技術也逐漸發展成熟。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、復用性強和能在復雜的環境下工作等特點外，而且能夠實現準分布式測量,形成各種光纖傳感網絡等獨特優點，在眾多領域都有著廣闊的應用前景。本論文主要以光纖光柵傳感器為研究對象，利用labview軟件對其傳感及解調特性進行了理論與實驗研究，本篇論文分別對labview軟件的功能介

2、紹、光纖光柵傳感解調系統總體方案設計、labview解調界面設計，這三個方面進行了分析與研究，設計并制作出了一套光纖光柵傳感解調系統模型。本論文是在“大學生創新性實驗計劃”項目（101006015）的支持下完成的，本論文的主要內容為：1 對光纖光柵傳感器的發展和應用進行簡要的概述，為以后的理論分析和實驗研究提供了依據。2 系統的闡述了光纖光柵傳感器系統理論，并進行了以下分析，包括： (1) 介紹光纖光柵傳感理論、傳感特性。 (2) 闡述光纖光柵解調理論、技術方法。3 對光纖光柵傳感解調系統進行全面研究分析，利用labview對信號進行數據處理，求出待測量： (1) 設計了一種可以同時測量靜態與

3、動態變量的光纖光柵傳感解調系統，搭建光路部分和電路部分。 (2) 根據傅里葉變換提出一種相位檢測方法，通過軟件控制提高了檢測精度和速度。 (3)在labview環境下通過模塊化編程，實現數據自動采集、自動處理（傅里葉變換和數據擬合），并設計出控制界面。 關鍵詞： 光纖傳感器 光纖光柵 m-z干涉儀 labview 解調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 光纖傳感器的發展與應用21.3 數

13、據處理的簡要介紹31.4 論文的主要內容4第二章 纖光柵傳感器系統理論分析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 光纖光柵解調理論92.2.1波長解調技術理論92.2.2相位解調技術理論122.3 本章小結15第三章 光纖光柵解調系統設計與研究163.1 解調系統總體方案設計163.1.1 解調系統光路設計方案173.1.2 解調系統電路設計方案203.2 相位檢測算法233.3 labview軟件設計243.3.1 labview軟件簡介243.3.2 數據采集243.3.3 數據處理263.3.4 控制界面設計283.4 實驗及結果

14、分析293.5 本章小結29第四章 總結與展望30參考文獻31致 謝33天津理工大學2012屆本科畢業設計說明書第一章 緒論1.1 概述人類很早就開始運用光傳遞信息， 幾千年前的烽火臺是我國人民最早用光傳遞信息的設施 ，如果發現敵人入侵， 白天燃煙、 夜間舉火， 利用火光來傳送軍事情報。 后來， 人們又創造出使用旗語等傳遞信息的方法， 這些都是非常原始的光通信方式， 主要運用了可見光的視覺通信功能， 還稱不上完全意義上的光通信。20世紀以后， 人們對通信的依賴變得越來越緊密， 光通信技術進入了突飛猛進的發展階段。 我們今天描述的光通信已不再是過去可見光進行的視覺通信， 而是采用光波作為載波來傳

15、遞信息的通信方式。1955年，kapany博士在英國倫敦工作期間，在實驗室用玻璃絲研制出了光導纖維，簡稱為光纖。它是一種介質波導，工作波段是光波波段。每根光纖由兩種玻璃材質制成，其中這兩種玻璃對光的折射率不同，導致他們的光學性質產生差異，這樣，當光纖以一定傾斜角射入光纖一端，就不會從纖維壁射出，而是順著這兩層玻璃分界面進行連續反射向前傳播。根據全反射原理，如此，光纖就能把電磁能量以光的形式約束在其界面內，并沿著光纖軸線方向引導光波向前傳播。低損耗的光纖產生于20世紀70年代，至此，光纖實用化進程向前邁了一大步，在通信領域中，光纖在長距離信息傳輸中受到廣泛運用。光纖作為一種光波傳輸煤質，在傳輸過

16、程中，高光波的一些特征參量（相位 、振幅 、波長 、偏振態等）會隨外界環境（如壓力 、溫度 、電場 、磁場 、轉動 、位移等）的改變直接或間接的受到影響而變化，這樣，通過這些變化就可以來檢測相關物理量。光纖傳感技術是一種新型的傳感技術，特點是用光纖替代傳統媒介來對信息進行感知和傳輸，激光技術 、纖維光學 、信號與圖像處理技術 、非線性光學 、通信技術 、微電子技術 、計算機技術 、精密機械與儀器技術等多個學科和領域都有所涉及。光纖傳感器按照被調制的光波參數不同可以分為相位調制型光纖傳感器 、強度調制型光纖傳感器 、波長調制型光纖傳感器 、偏振調制型光纖傳感器和頻率調制型光纖傳感器等。與傳統傳感

17、器相比 ，光纖傳感器具有以下特性：1. 靈敏度高 ，響應速度快；2. 傳輸損耗小 ，可實現長距離遙測；3. 體積小 ，重量輕 ，外型設計靈活；4. 抗電磁干擾 ，耐腐蝕 ，電絕緣 ，本質安全；5. 對被測介質影響小 ，尤其適用于醫藥生物領域；6. 傳輸容量大 ，可實現分布式測量 ，形成網絡化；7. 測量范圍廣 ，可實現溫度 、應變 、磁場 、電流 、加速度等參量的測量。 正是由于光纖傳感器具備上述優勢 ，自上世紀70 年代以來，經過將近30的研究開發 ，光纖傳感技術開始從實驗室研究走向實用化 ，新型光纖傳感儀器不斷投入實際應用 ，并形成了產業 ，其社會經濟效益與日俱增。1.2 光纖傳感器的發展

18、與應用 光纖光柵是利用光纖的光敏特性在光纖內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域的傳播行為和方式1 。光纖光柵作為一種新型的光無源器件 ，促成了光纖由被動的傳輸介質轉化為主動的光子器件 ，拓寬了光纖技術應用范圍 ，開創了一種在光通信 、光傳感領域發展的新思路 。因此，光纖傳感技術將成為光電子學領域的研究熱點，并得到迅速的發展。光纖傳感技術是隨著光纖通信和光導纖維技術的發展而形成的新型技術，但在實現光纖光柵傳感系統實用化的進程中解調是關鍵2，目前光纖光柵傳感系統的信號解調裝置仍是光譜分析儀，它具有較高的精度和靈敏度，但它價格昂貴，體積較大，使用條件苛刻，不適

19、合工程現場使用。迄今為止，人們己提出了不少光纖光柵復用信號解調方法，例如：非平衡m-z干涉儀法3，匹配fbg可調濾波檢測法4-5，可調窄帶光源檢測法6，可調法布里珀羅濾波器解調法等等7。1992年,a.d.kersey 等人提出的非平衡m-z光纖干涉解調法是利用非平衡m-z光纖干涉儀將傳感光柵的波長變化轉化成相位變化, 通過檢測干涉儀輸出的相位信號即可得到傳感光柵的波長信息。1994年，serge m.melle等人提出無源自參考波長解調法，消除了光源波動的影響，體積小巧適用于靜態和準靜態信號的側臉8。1996年浙江大學信息與電子工程學系對干涉型光纖傳感器用相位載波檢測方式檢測到了較為穩定的模

20、擬傳感信號9。1999年南開大學現代光學研究曾采用波長掃描極值解調法實現光纖光柵應變和溫度傳感的測量10。2001年北京理工大學光電工程系用軟件來模擬實現信號的解調，不僅省去了繁雜的模擬運算電路，而且達到了極高的解調精度11。2008年天津大學精密測試技術實驗室提出基于直流相位跟蹤零差法的非平衡mz干涉解調系統，對壓電陶瓷產生的振動信號進行檢測，取得了很好的實驗效果，表明適用于精密測試中動態信號的檢測12。目前，國外光纖溫度傳感器可探測至2000高溫，靈敏度達l。普通型光纖溫度傳感器在-10300范圍，精度為13，響應時間為2s。國內的傳感技術與之相比還存在一定差距，尤其在光纖傳感器的共性基礎

21、技術、中間試驗技術、生產裝備技術方面，不過在精度測量方面具有一定的優勢。從上世紀70年代末光纖光柵傳感器誕生以來 ，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 、復用性好 、性價比高 、抗電磁干擾 、響應速度快 、動態范圍大 、頻帶范圍寬 、易組成遙測網絡等優勢而被廣泛地應用于各個領域13。在土木工程方面 ，美國winooski河 ，通過八個光纖光柵傳感器對橋體結構進行健康檢測 ，取得良好監測效果 。北京地鐵穿越施工中 ，利用光纖光柵靜力水準傳感器 ，對施工實時監測 ，保證了施工質量 。在航天航空方面 ，美國宇航局通過光纖光柵傳感網絡對航天飛機飛行狀態進行健康

22、檢測 。在石油化工方面 ，中國石油大學通過建立光纖光柵傳感網絡 ，實現對井下油氣采集環境的實時監測 。美國cidra公司通過光纖光柵傳感器對溫度 、壓力及流量等參量進行監測 ，并將其應用于海洋石油平臺結構監測 。在生物醫學方面 ，南洋理工大學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院用于外科校正 ，用來幫助醫生監測病患者的健康狀況 。在電力方面，電力設備周圍的電磁環境相當復雜中 ，光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾特性 ，使其廣泛應用其中 。德國西門子公司通過對光纖光柵傳感器進行特殊處理 ，可用于對發電機定子電流、溫度進行測量 。在核工業方面 ，在高輻射環境中 ，傳統電傳感器無法正常使用

23、，核輻射對人類又具有極大的威害 ，因此對核工業的安全監測是非常必須的 。利用光纖光柵傳感器的抗輻射性能 ，可以對核工業周圍的環境進行必要的監測。 從光纖光柵傳感器的發展現狀以及文獻報道情況來看 ，它具有廣闊的發展前景 ，其進一步的研究方向是：(1)解決光纖光柵傳感器的實用化問題 ，主要是長時間的漂移問題 。(2)開展對采用復用技術的光纖光柵傳感器系統的研究 ，特別是將其與微機相結合而組成光纖遙測系統來進行多參數測量與控制 。(3)開展對基礎技術及元器件的深入研究 。光纖光柵傳感器的性能與其穩定性和可靠性密切相關 ，隨著基礎技術的成熟 、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用。

24、1.3 數據處理的簡要介紹數據處理指對數據的采集 、存儲 、加工 、變換 、檢索和傳輸 。數據是對事實 、概念或指令的一種表現形式 ，可由人工或者自動化裝置進行處理 。數據的形式可以是文字 、數字 、聲音或圖形等 。數據經過闡釋并賦予一定的意義后 ，便成為信息 。數據處理的基本作用是從大量的 、難以理解的 、雜亂無章的數據中提取并推導出對某些特定的人群來說有價值 、有意義的數據 。數據處理是自動控制和系統工程的基本環節 ，貫穿于社會生活和社會生產的各個領域 。數據處理技術的發展及應用的深度和廣度 ，推動著人類社會穩步向前發展。描述處理設備要包括工作方式、結果方式和數據時間/空間分布方式，因此，

25、不用的數據處理方式對應著不同的硬件和軟件。根據應用問題的現實情況，再結合不同處理方式的各自特點來選擇最佳處理方式。數據處理的方式主要有四種：（1）根據處理設備的結果方式不同可以分為聯機處理和脫機處理；（2）根據數據處理的時間分配方式不同可以分為實時處理、分時處理和批處理方式；（3）根據數據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）根據計算機中央處理器的工作方式不同可以分為交互式處理、單道作業處理和多道作業處理。 數據處理脫離不了軟件的支持 ，數據處理軟件包括：程序設計語言及其編譯程序 ，管理數據的文件系統和數據庫系統，以及各種數據處理方法的應用軟件包 。為了確保數據安全可靠 ，還

26、配備數據安全保密的技術。數據處理軟件有：excel 、origin 、matlab、labview等等 ，當前盛行的數據分析和圖形可視化軟件有labview 、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和計算機編程知識 ，并熟悉其中大量的命令和函數。excel可以提供強大的數據分析處理功能 ，利用它們可以實現對數據的排序 、分類匯總 、篩選及數據透視等操作 。origin是美國microcal公司開發的數據分析和繪圖軟件 ，它可以對數據進行排序 、平滑 、微分 、積分以及線性和非線性擬合 ，此外

27、，還可以根據實驗數據繪制各種二維 、三維坐標圖形14。matlab具有強大的科學計算 、數據處理 、圖像處理功能 ，可以完成諸多數值計算 、頻譜分析等操作，還可以快速準確 、形象直觀地得到可視化的模擬與仿真圖像15。labview是基于g語言的革命性的圖形化開發語言 ，用來進行數據采集和控制 、數據分析和數據表達 。它的目標是簡化程序的開發工作 ，實現硬件和軟件資源的共享 ，以利于快速簡便地完成工作 ，適應工業自動化的迅速發展 。它率先引入虛擬儀表概念 ，用戶可通過人機界面直接控制自行開發儀器 ，可以實現：信號分析 、信號截取 、數值運算 、機器視覺 、數據存儲 、聲音震動分析 、邏輯運算等諸

28、多功能16。隨著計算機的日益普及 ，在計算機應用領域中，數值計算所占比重很小 ，通過計算機數據處理對信息進行管理已成為主要的應用 ，如倉庫管理 、測繪制圖管理 、交通運輸管理 、財會管理 、辦公室自動化 、技術情報管理等。1.4 論文的主要內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 、復用性強 、能夠實現準分布式測量、形成各傳感網絡等獨特優點 ，而廣泛應用于國民經濟的各個領域 。在實現光纖光柵傳感系統實用化的進程中解調是關鍵 ，m-z干涉解調法利用光波的相干性 ，將信息編碼轉換成相位編碼 ，具有很高的精度和分辨率 ，可同時檢測靜態信號和低頻動態信號。利用labview數據處理

29、軟件對采集信號進行解調 ，有效的降低了噪聲的引入 ，提高了檢測精度 。labview具有圖形化編程以及多功能的編程語言等特點 ，便于與其他測量硬件之間的連接 ，并可對硬件設備的數據進行采集和控制 ，還可對數據進行分析 、處理和顯示,適合于應用程序的開發。 本論文的主要內容為：第一章 簡要概述光纖光柵傳感器的發展和應用 ，以及數據處理的相關知識 ，為以后的理論和實驗研究提供了前提。第二章 系統的闡述了光纖光柵傳感器系統理論 ，并進行了以下分析 ，包括：1.介紹光纖光柵傳感理論、傳感特性。2.闡述光纖光柵解調理論、技術方法。第三章 光纖光柵解調系統設計與研究 ，主要包括：1.光纖光柵解調系統總體設

30、計，光路部分與電路部分的搭建。2.根據傅里葉變換提出相位檢測算法。3.在labview環境下通過模塊化編程，實現數據自動采集、自動處理（傅里葉變換和數據擬合），并設計出控制界面。4.對實驗結果進行分析。第四章 對文章進行總結，并對其應用前景進行了展望。第二章 纖光柵傳感器系統理論分析光柵折射率、柵距等會受到應變、溫度、壓強等外界環境變化的影響而發生改變，從而導致光柵的諸多特征參量，頻率、強度、偏振態、相位等產生變化。這樣，外界環境的應變、溫度、壓強等信息就可以通過檢測光柵的參量變化而得知。這種關系實質上是將外界信號加載到傳輸的光波中，屬于調制部分，然后從調制后的光波中提取所需信號并對其進行數據

31、處理，屬于解調部分。光纖光柵傳感最重要的技術就是調制和解調，也是傳感技術研究的熱點。本章節主要介紹光纖光柵傳感系統中的傳感理論及解調理論。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變、溫度之間符合一定的量化關系，是光纖光柵傳感器的基本理論依據。這樣，對光纖光柵的反射譜和透射譜的變化進行檢測，就可以獲得待測物理量的相關信息。光纖光柵傳感器系統主要由三部分組成：光源、光柵傳感器和信號解調模塊。光源提供整個系統所需的光能量，光柵傳感器監測外界物理量的變化，信號解調模塊解調經外界信號調制后的光波，提取待測物理量信息17。光纖光柵傳感器系統結構如圖2-1所

32、示： 圖2-1 光纖光柵傳感系統結構圖（1） 寬帶光源光源的性能決定了整個系統光信號性能的好壞 ，有著十分重要的作用 。為了達到分布式傳感系統中多點多參量的測量要求 ，寬帶光源必須具備頻譜范圍較寬的穩定輸出 ，并且具有較強的能量輸出能力 。隨著光源技術的不斷深入發展 ，可滿足傳感系統性能要求的寬帶光源的選擇也越來越多。（2） 解調模塊光纖光柵傳感系統的信號解調包括光信號處理和電信號處理兩部分 。其中光信號處理主要是將經待測物理量調制后的光波信號轉化為電信號 。經光電轉換的電信號再通過a/d轉換 ，將模擬信號轉換成數字信號 ，利用電信號處理模塊對光柵相位信息進行解碼。（3） 光纖光柵光纖材料具有

33、光敏特性，在纖芯內部可以形成空間相位光柵，實質作用類似于在纖芯內部安裝一個窄帶濾光器或反射鏡。目前市面上，光柵種類眾多，其中布拉格光柵（fbg）最為常見，周期為10-1m左右。光柵結構示意圖如圖2-2所示： 圖2-2 光纖光柵結構示意圖當入射到fbg的光束滿足bragg條件（即：波長為）的光將被反射 ，反射光譜在bragg波長處出現反射峰 ，透射光譜在bragg波長處出現透射峰 ，這是布拉格光柵用于傳感技術的基礎。2.1.2光纖光柵的傳感特性光纖光柵作為傳感裝置 ，當待測物理量發生改變時 ，其光譜也將發生相應的改變（如圖2-3所示） ，反射譜的中心波長產生了漂移 ，通過檢測波長漂移量 ，就可以

34、推算待測物理量的變化。 圖2-3 光纖光柵傳感原理譜圖（1）溫度對布拉格光纖光柵的影響 根據光纖光柵中心波長表達式 ，當光柵周圍環境的溫度發生改變時 ，通過微分可以確定brrag波長漂移量dlb 的表達式： （2-1）式（2-1）中 ，指光纖光柵折射率-溫度系數 ，用表示，指熱膨脹效應引起的彈光效應 ，指由熱膨脹效應引起光纖芯徑變化而產生的波導效應 ，指光纖熱膨脹系數 ，用表示 。式（2-1）可以簡化為： （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 ，為熱光系數 ，一般情況下 。對石英光纖來說 ，其熱光系數 ，熱膨脹系數 ，由上式可知對應的溫度

35、敏感系數為：。（2） 軸向應變對布拉格光纖光柵的影響 在溫度恒定條件下 ，應變不僅會改變brrag光纖光柵的光柵常數 ，同時彈光效應導致fbg折射率發生改變 ，兩者分別表示為： （2-4） （2-5） 式（2-5）中 ，和為彈光系數 ，為泊松比 ，因而有： （2-6） 通過變換表達方式可以得到應變靈敏度： （2-7） 式（2-7）中 ，pe為材料的彈光系數 ，可表示成： （2-8） 對純熔融石英來說 ，、 ，可得出光纖光柵應變靈敏度系數為：0.784。（3） 壓力對布拉格光纖光柵的影響 壓力變化()對fbg中心波長產生的影響可由下式表示： （2-9） 由于： （2-10） （2-11）可得：

36、（2-12）上述通過分析溫度 、壓力 、應變等對光纖光柵中心波長的影響 ，可得知當光纖光柵所處環境的物理量發生改變時 ，會引起光纖光柵中心波長的漂移 ，因此只要檢測出光纖光柵中心波長的漂移量 ，就可以推算出相應待測物理量的信息。2.2 光纖光柵解調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 、質量輕, 便于復用等獨特優勢已經成為目前光纖光柵傳感器系統的研究熱點 。目前波長解調技術是制約其發展的重要因素之一 ， 受到眾多專家 、學者越來越多的關注 。近年來 ，提出的光纖光柵解調技術方法有 ：強度解調 、相位解調 、頻率解調 、偏振解調 、波長解調等18 。常見的解調方法有

37、 ：非平衡邁克爾遜干涉儀解調法 、非平衡m-z干涉儀解調法 、可調諧f-p（fabry-perot）腔濾波法 、匹配光柵濾波法 、邊沿濾波解調等 。其中非平衡m-z干涉解調法分辨率高 、插入損耗少 、響應快 、成本低 ；匹配光柵解調法解調速度快 、重復性好 、分辨率較高 。2.2.1波長解調技術理論 外界信號（被測量）通過選頻、濾波等方式改變光纖中傳輸光的波長，從波長的變化中即可提取被測物理量，這種解調方式稱之為波長解調。關于波長解調方法有很多，主要有光譜分析法，波長掃描法，光學濾波法等。 一、光譜分析法 光譜分析法原理：分光計將經傳感頭輸出的光進行分光，ccd探測器根據不同波長的光波光強分布

38、相異對其進行檢測，光波長的偏移影響著光強分布，計算機通過數據處理分析可推算出波長偏移量所對應的外界待測量。圖2-1所示為光譜分析法結構示意圖，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lb的參考點。符合布拉格波長的光被fbg反射后，傳輸光譜中的布拉格波長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得，或者測量參考fbg譜谷和傳感fbg的間距，說明外界信號（被測物理量）能夠引起布拉格波長的偏移。該結構中的光譜分析儀，單色儀和傅里葉變換光譜儀都能滿足實驗要求。 （a）前向傳輸方式 （b

39、）后向傳輸方式 圖2-4 光譜分析檢測法示意圖二、波長掃描法 波長掃描法原理：用可調諧激光光源代替系統中的寬帶光源，使其譜寬小于布拉格波長反射光的譜線寬度，并且，使光源產生的波長與光柵光譜接近，這樣，就可掃描可調諧激光輸出波長的光譜。只有滿足式的波長遇到fbg才會發生反射，因此，后向布拉格波長反射光要在探測器上產生強輸出，必須滿足l=lb，窄帶光源的光波經過可調諧濾波器，可以使其中心波長鎖定在該種狀態，此時，即可測知lb。布拉格波長會受到外界信號的影響而發生偏移至，光源的波長也會隨著布拉格波長的偏移而調諧至。參考fbg的參數設置可以和傳感fbg基本一致，傳感fbg的中心波長會隨著參考光柵的布拉

40、格反射波長的變化而發生偏移，從而被檢測到。當傳感fbg和參考fbg的中心波長相等時會產生強輸出，因此，此時的參考fbg的中心波長就是所需測量值，如圖2-5所示。靜態波長偏移和低頻動態波長偏移都可利用此種方法進行檢測，且其測量分辨率較高。 圖2-5 參考波長掃描法示意圖三、光學濾波法 光學濾波解調的基本原理是，在光纖光柵的輸出光路中安置濾波器，析出于被測量相應的波長偏移。（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將經過fbg的布拉格反射光分為兩束，其中一束光通過以線性函數為光譜透射率的濾波器之后，將作為信號光is，接著被光電探測器d1接收；另一束則作為參考光ir直接被探測

41、器d2接收。此種方法適合便攜式的波長檢測，其結構原理如圖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。 兩路信號經放大后相除，輸出為： (2-14) 式（2-14）中，lb為fbg的標稱布拉格波長，dl為fbg波長偏移。 線性濾波法的優點是消除了光源波動的影響，并與波長偏移量成線性關系，而且可以做得體積小，輕巧靈便；缺點是測量分辨率不高。（2）可調諧光纖f-p濾波法 可調諧光纖f-p濾波法原理：利用3db耦合將fbg的布拉格反射光耦合進可調諧光纖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的附近進行掃描，因此，光柵的特征波長就是fpf過零點的輸出波長。其原理結果如圖2-7。 圖2-7 可調諧f-p濾波法原理框圖可調諧f-p濾波法可以用于絕對測量和相對測量，也可用于動態和靜態測量。2.2.2相位解調技術理論目前光的強度信號可以直接由光探測器直接探測，但光的相位信號目前沒有儀器可以直接探測，這樣，就需要采取一些方式對光相位信號進行轉換，將其轉換為可以直接探測的光強信號，能夠實現這種轉換的方式就是干涉法，而干涉儀是構成干涉法的光學系統的統稱，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，當干涉條紋產生改變時，暗示著相位也發生變化， 因此，要解調出光相位

43、的變化，就可以通過探測干涉條紋的變化而得知。相位解調方法中，以mach-zehnder干涉儀應用最多。假設相位調制量為，測量大小的方法有兩種：一種光學方法，看變化，看條紋移動；另一種是電路方法，測與有關的光電流，得。分析可知，光強，當時，。當時，；當時，。其靈敏度為。當時，靈敏度最低；當時，靈敏度最低。因此，應選擇此段工作區：兩臂相差。要做到這一點，常采用壓筒陶瓷（pzt）調制器作為移相器，加在干涉儀的參考臂上，產生的相位差，當有信號時就在此基礎上移動，這種檢測方法屬于零差檢測。零差檢測意指信號臂與參考臂的光頻差為0。一、零差檢測此種檢測方式的結構式全光纖的，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)系統材料制成，故簡稱pzt。pzt具有電致伸縮現象即壓電效應及其逆效應。其壓電效應指在一定方向上對壓電材料施加應力，則使相應的表面會產生電荷的現象。電致伸縮指壓電材料的體積，會隨著施加在材料表面的電壓的改變而產生伸縮。實現對光纖縱向應變進行調制的最簡便的方法是，采用一個空心的pzt陶瓷圓柱體，在這個圓柱體上纏繞一圈或多圈的光纖。由于pzt圓柱體的直徑隨驅動信號變化，這樣使纏繞在它上面的光纖也隨之伸縮，光纖承受到應力，使光的相位變化。在驅動電壓大約30v，頻率為幾千赫茲范圍內，pzt圓柱直徑2.54cm時，獲得每圈12rad的相位延遲

45、。若在徑向驅動時，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，可以探測小至0.1rad的相位變化。檢測系統的工作原理如下。光探測器d1和d2測得光功率分別為： 圖2-8 全光纖m-z干涉儀的零差檢測 (2-15) (2-16)因3db耦合器的輸出端相移為，故第二個耦合器的二輸出端相位差為，則上式中第三項相差一個符號。差分放大輸出電壓為： (2-17)這里，是調制產生的相位差，是時間t的函數。設，則，將此式按貝塞爾函數展開，其中含有高頻項和低頻項，用低通濾波器除掉高頻項，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。設p

46、zt在單位電壓下產生m rad的相位變化，則 (2-19)可見，當時，。因此，二通道的相位差在無信號時能穩定在這一最佳靜態工作點，差分輸出： （2-20）這里介紹的是主動零差檢測。所謂主動，表現在利用反饋自動產生相位移；所謂被動，則是由外界信號發出一頻率來調節pzt。二、外差檢測 光纖m-z干涉儀的外差檢測結構如圖2-9。檢測系統工作原理如下：圖中aom（acoustic optical modulator）為聲光調制器，d1與d2為光探測器。d1與d2測得光功率分別為： 圖2-9 m-z干涉儀的外差檢測 （2-21） （2-22）式中，因此。差分輸出：，將v分別與和相乘，結果含項，即 （2-

47、23） （2-24）經過具有適當截止頻率的低通濾波器，得： (2-25) （2-26）將、送入正弦/余弦解調器，得。交叉相乘電路如圖2-10。這里實際是時間的函數，。 圖2-10 交叉相乘電路外差與零差檢測相比，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，消除光纖傳輸過程中的不穩定和光源的不穩定。外差檢測的特點是參考臂頻率提高到。其優點是使檢測不受低頻噪聲的影響；對于噪聲，其強度較大的是低頻部分，可避免此項干擾；相位的檢測靈敏度為常數，比較穩定；相位跟蹤范圍大，調制信號動態范圍大。2.3 本章小結 本章主要對光纖光柵傳感器系統進行理論分析，包括傳感理論及解調理論，其中對光

48、柵傳感基本理論、光柵傳感特性、波長解調技術、相位解調技術進行了詳述介紹，為緊接的實驗研究奠定理論基礎。第三章 光纖光柵解調系統設計與研究 3.1 解調系統總體方案設計光纖光柵傳感器具有對外界信號進行感知和傳輸兩個功能，根據光纖光柵傳感理論可知，當光纖光柵傳感器所處周圍環境的某些物理量發生改變時，傳播中的光波的特征參量，如相位、光強、波長、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，并根據需要對數據進行分析處理，就是光纖光柵傳感解調。光纖光柵傳感器具有易于復用的突出特點，使得光纖光柵傳感器廣泛應用于同時對多點、多參量進行的監測。本節提出了一種光纖光柵傳

49、感復用解調系統，該系統的框圖如圖3-1所示。寬帶光源輸出的光具有平坦光譜，經隔離器后，用耦合器將光耦合進非平衡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，就會降低相位波動對干涉儀的影響，提高檢測分辨率）。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，這樣就會在光電探測器上呈現干涉信號，將m-z干涉儀的參考臂纏繞在pzt上，形成相位調制器，再由計算機控制數據采集卡(ampci9101a)對輸出電壓進行調制，pz

50、t會受到電壓作用的影響而產生伸縮，使得干涉儀臂長差發生變化，這樣，干涉儀的輸出信號就會隨著調制信號的變化而變化，實現對干涉儀的相位調制。光柵的相位漂移信息調制到fbg反射光中，光電探測器可以將調制后的載波光信號轉換為信號，此時，m-z干涉儀的調制頻率與載波信號頻率保持一致，信號中直流成分將被濾除，噪聲也會受到抑制，之后，再經放大電路對信號進行放大，就可得到以下形式的電信號： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）其中、是與光電探測器增益、放大器放大系數、光功率、損耗有關的幅度，是相位調制信號的頻率。、分別表示經干涉儀對光信號進行相位調制，并對信號進行濾波、放大等處理后，包含光柵的相位漂

51、移信息的信號載波。數據采集卡（ampci9101a）會對載波進行數據采集，之后傳送給計算機，利用labview模塊編程，實現對采集頻率的控制，并對采集數據實時存儲，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。 該系統中通過設置參考光柵（fbg4），有效降低了傳統m-z干涉儀解調法在檢測靜態信號時外界環境對實驗的影響，保證了低頻動態信號和靜態信號可以同時被檢測，并且該系統使干涉儀隨機產生的相位波動得到有效補償，相位的漂移檢測分辨率也得到提高。該系統中的相位偏移檢測由軟件完成，這樣，不僅可以降低電路的復雜程度，而且噪聲的引入也得到有效控制，最終，可以實現多路信號實時同步解調及系統的智能化。圖3-1 m-z干涉儀解調復用系統圖 光纖光柵傳感硬件系統主要包括光路和電路兩部分， 其中光路部分由光纖、 寬帶