毕业设计（论文）基于LabVIEW的光纤光栅解调系统.doc

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1、基于Lab VIEW的光纤光栅解调系统设计摘 要光纤光栅作为一种新型的光无源器件，促成了光纤由被动的传输介质转化为主动的光子器件，拓宽了光纤技术应用范围，开创了一种在光通信、光传感领域发展的新思路。随着光纤通信和光导纤维技术的发展，光纤传感技术也逐渐发展成熟。光纤光栅传感器不仅具有可靠性好、抗电磁干扰、电绝缘、抗腐蚀、灵活方便、复用性强和能在复杂的环境下工作等特点外，而且能够实现准分布式测量,形成各种光纤传感网络等独特优点，在众多领域都有着广阔的应用前景。本论文主要以光纤光栅传感器为研究对象，利用LabVIEW软件对其传感及解调特性进行了理论与实验研究，本篇论文分别对LabVIEW软件的功能介

2、绍、光纤光栅传感解调系统总体方案设计、LabVIEW解调界面设计，这三个方面进行了分析与研究，设计并制作出了一套光纤光栅传感解调系统模型。本论文是在“大学生创新性实验计划”项目（101006015）的支持下完成的，本论文的主要内容为：1 对光纤光栅传感器的发展和应用进行简要的概述，为以后的理论分析和实验研究提供了依据。2 系统的阐述了光纤光栅传感器系统理论，并进行了以下分析，包括： (1) 介绍光纤光栅传感理论、传感特性。 (2) 阐述光纤光栅解调理论、技术方法。3 对光纤光栅传感解调系统进行全面研究分析，利用LabVIEW对信号进行数据处理，求出待测量： (1) 设计了一种可以同时测量静态与

3、动态变量的光纤光栅传感解调系统，搭建光路部分和电路部分。 (2) 根据傅里叶变换提出一种相位检测方法，通过软件控制提高了检测精度和速度。 (3)在LabVIEW环境下通过模块化编程，实现数据自动采集、自动处理（傅里叶变换和数据拟合），并设计出控制界面。 关键词： 光纤传感器 光纤光栅 M-Z干涉仪 LabVIEW 解调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 录第一章 绪论11.1 概述11.2 光纤传感器的发展与应用21.3 数

13、据处理的简要介绍31.4 论文的主要内容4第二章 纤光栅传感器系统理论分析62.1 光纤光栅传感理论62.1.1光纤光栅传感基本理论62.1.2光纤光栅的传感特性72.2 光纤光栅解调理论92.2.1波长解调技术理论92.2.2相位解调技术理论122.3 本章小结15第三章 光纤光栅解调系统设计与研究163.1 解调系统总体方案设计163.1.1 解调系统光路设计方案173.1.2 解调系统电路设计方案203.2 相位检测算法233.3 LabVIEW软件设计243.3.1 LabVIEW软件简介243.3.2 数据采集243.3.3 数据处理263.3.4 控制界面设计283.4 实验及结果

14、分析293.5 本章小结29第四章 总结与展望30参考文献31致 谢33第一章 绪论1.1 概述人类很早就开始运用光传递信息， 几千年前的烽火台是我国人民最早用光传递信息的设施 ，如果发现敌人入侵， 白天燃烟、 夜间举火， 利用火光来传送军事情报。 后来， 人们又创造出使用旗语等传递信息的方法， 这些都是非常原始的光通信方式， 主要运用了可见光的视觉通信功能， 还称不上完全意义上的光通信。20世纪以后， 人们对通信的依赖变得越来越紧密， 光通信技术进入了突飞猛进的发展阶段。 我们今天描述的光通信已不再是过去可见光进行的视觉通信， 而是采用光波作为载波来传递信息的通信方式。1955年，Kapan

15、y博士在英国伦敦工作期间，在实验室用玻璃丝研制出了光导纤维，简称为光纤。它是一种介质波导，工作波段是光波波段。每根光纤由两种玻璃材质制成，其中这两种玻璃对光的折射率不同，导致他们的光学性质产生差异，这样，当光纤以一定倾斜角射入光纤一端，就不会从纤维壁射出，而是顺着这两层玻璃分界面进行连续反射向前传播。根据全反射原理，如此，光纤就能把电磁能量以光的形式约束在其界面内，并沿着光纤轴线方向引导光波向前传播。低损耗的光纤产生于20世纪70年代，至此，光纤实用化进程向前迈了一大步，在通信领域中，光纤在长距离信息传输中受到广泛运用。光纤作为一种光波传输煤质，在传输过程中，高光波的一些特征参量（相位 、振幅

16、 、波长 、偏振态等）会随外界环境（如压力 、温度 、电场 、磁场 、转动 、位移等）的改变直接或间接的受到影响而变化，这样，通过这些变化就可以来检测相关物理量。光纤传感技术是一种新型的传感技术，特点是用光纤替代传统媒介来对信息进行感知和传输，激光技术 、纤维光学 、信号与图像处理技术 、非线性光学 、通信技术 、微电子技术 、计算机技术 、精密机械与仪器技术等多个学科和领域都有所涉及。光纤传感器按照被调制的光波参数不同可以分为相位调制型光纤传感器 、强度调制型光纤传感器 、波长调制型光纤传感器 、偏振调制型光纤传感器和频率调制型光纤传感器等。与传统传感器相比 ，光纤传感器具有以下特性：1.

17、灵敏度高 ，响应速度快；2. 传输损耗小 ，可实现长距离遥测；3. 体积小 ，重量轻 ，外型设计灵活；4. 抗电磁干扰 ，耐腐蚀 ，电绝缘 ，本质安全；5. 对被测介质影响小 ，尤其适用于医药生物领域；6. 传输容量大 ，可实现分布式测量 ，形成网络化；7. 测量范围广 ，可实现温度 、应变 、磁场 、电流 、加速度等参量的测量。 正是由于光纤传感器具备上述优势 ，自上世纪70 年代以来，经过将近30的研究开发 ，光纤传感技术开始从实验室研究走向实用化 ，新型光纤传感仪器不断投入实际应用 ，并形成了产业 ，其社会经济效益与日俱增。1.2 光纤传感器的发展与应用 光纤光栅是利用光纤的光敏特性在光

18、纤内部建立的一种周期性折射率空间分布的光器件 ，其作用在于控制或改变光在该区域的传播行为和方式1 。光纤光栅作为一种新型的光无源器件 ，促成了光纤由被动的传输介质转化为主动的光子器件 ，拓宽了光纤技术应用范围 ，开创了一种在光通信 、光传感领域发展的新思路 。因此，光纤传感技术将成为光电子学领域的研究热点，并得到迅速的发展。光纤传感技术是随着光纤通信和光导纤维技术的发展而形成的新型技术，但在实现光纤光栅传感系统实用化的进程中解调是关键2，目前光纤光栅传感系统的信号解调装置仍是光谱分析仪，它具有较高的精度和灵敏度，但它价格昂贵，体积较大，使用条件苛刻，不适合工程现场使用。迄今为止，人们己提出了不

19、少光纤光栅复用信号解调方法，例如：非平衡M-Z干涉仪法3，匹配FBG可调滤波检测法4-5，可调窄带光源检测法6，可调法布里珀罗滤波器解调法等等7。1992年,A.D.Kersey 等人提出的非平衡M-Z光纤干涉解调法是利用非平衡M-Z光纤干涉仪将传感光栅的波长变化转化成相位变化, 通过检测干涉仪输出的相位信号即可得到传感光栅的波长信息。1994年，Serge M.Melle等人提出无源自参考波长解调法，消除了光源波动的影响，体积小巧适用于静态和准静态信号的侧脸8。1996年浙江大学信息与电子工程学系对干涉型光纤传感器用相位载波检测方式检测到了较为稳定的模拟传感信号9。1999年南开大学现代光学

20、研究曾采用波长扫描极值解调法实现光纤光栅应变和温度传感的测量10。2001年北京理工大学光电工程系用软件来模拟实现信号的解调，不仅省去了繁杂的模拟运算电路，而且达到了极高的解调精度11。2008年天津大学精密测试技术实验室提出基于直流相位跟踪零差法的非平衡MZ干涉解调系统，对压电陶瓷产生的振动信号进行检测，取得了很好的实验效果，表明适用于精密测试中动态信号的检测12。目前，国外光纤温度传感器可探测至2000高温，灵敏度达l。普通型光纤温度传感器在-10300范围，精度为13，响应时间为2s。国内的传感技术与之相比还存在一定差距，尤其在光纤传感器的共性基础技术、中间试验技术、生产装备技术方面，不

21、过在精度测量方面具有一定的优势。从上世纪70年代末光纤光栅传感器诞生以来 ，便由于其具有的防爆 、防火 、损耗低 、精度高 、重量轻 、体积小 、寿命长 、复用性好 、性价比高 、抗电磁干扰 、响应速度快 、动态范围大 、频带范围宽 、易组成遥测网络等优势而被广泛地应用于各个领域13。在土木工程方面 ，美国Winooski河 ，通过八个光纤光栅传感器对桥体结构进行健康检测 ，取得良好监测效果 。北京地铁穿越施工中 ，利用光纤光栅静力水准传感器 ，对施工实时监测 ，保证了施工质量 。在航天航空方面 ，美国宇航局通过光纤光栅传感网络对航天飞机飞行状态进行健康检测 。在石油化工方面 ，中国石油大学通

22、过建立光纤光栅传感网络 ，实现对井下油气采集环境的实时监测 。美国CiDRA公司通过光纤光栅传感器对温度 、压力及流量等参量进行监测 ，并将其应用于海洋石油平台结构监测 。在生物医学方面 ，南洋理工大学的生物工程研究中心研制成的压力传感器被新加坡中心医院用于外科校正 ，用来帮助医生监测病患者的健康状况 。在电力方面，电力设备周围的电磁环境相当复杂中 ，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰特性 ，使其广泛应用其中 。德国西门子公司通过对光纤光栅传感器进行特殊处理 ，可用于对发电机定子电流、温度进行测量 。在核工业方面 ，在高辐射环境中 ，传统电传感器无法正常使用 ，核辐射对人类又具有极大的威害 ，因此对

23、核工业的安全监测是非常必须的 。利用光纤光栅传感器的抗辐射性能 ，可以对核工业周围的环境进行必要的监测。 从光纤光栅传感器的发展现状以及文献报道情况来看 ，它具有广阔的发展前景 ，其进一步的研究方向是：(1)解决光纤光栅传感器的实用化问题 ，主要是长时间的漂移问题 。(2)开展对采用复用技术的光纤光栅传感器系统的研究 ，特别是将其与微机相结合而组成光纤遥测系统来进行多参数测量与控制 。(3)开展对基础技术及元器件的深入研究 。光纤光栅传感器的性能与其稳定性和可靠性密切相关 ，随着基础技术的成熟 、元器件性能的更加完善 ，光纤光栅传感器将得到更广泛的应用。1.3 数据处理的简要介绍数据处理指对数

24、据的采集 、存储 、加工 、变换 、检索和传输 。数据是对事实 、概念或指令的一种表现形式 ，可由人工或者自动化装置进行处理 。数据的形式可以是文字 、数字 、声音或图形等 。数据经过阐释并赋予一定的意义后 ，便成为信息 。数据处理的基本作用是从大量的 、难以理解的 、杂乱无章的数据中提取并推导出对某些特定的人群来说有价值 、有意义的数据 。数据处理是自动控制和系统工程的基本环节 ，贯穿于社会生活和社会生产的各个领域 。数据处理技术的发展及应用的深度和广度 ，推动着人类社会稳步向前发展。描述处理设备要包括工作方式、结果方式和数据时间/空间分布方式，因此，不用的数据处理方式对应着不同的硬件和软件

25、。根据应用问题的现实情况，再结合不同处理方式的各自特点来选择最佳处理方式。数据处理的方式主要有四种：（1）根据处理设备的结果方式不同可以分为联机处理和脱机处理；（2）根据数据处理的时间分配方式不同可以分为实时处理、分时处理和批处理方式；（3）根据数据处理的空间分配方式不同可以分为分布处理和集中处理；（4）根据计算机中央处理器的工作方式不同可以分为交互式处理、单道作业处理和多道作业处理。 数据处理脱离不了软件的支持 ，数据处理软件包括：程序设计语言及其编译程序 ，管理数据的文件系统和数据库系统，以及各种数据处理方法的应用软件包 。为了确保数据安全可靠 ，还配备数据安全保密的技术。数据处理软件有：

26、EXCEL 、Origin 、MATLAB、LabVIEW等等 ，当前盛行的数据分析和图形可视化软件有LabVIEW 、Matlab 、Mathmatica和Maple等 。这些软件功能丰富 ，可满足科技工作中的众多需要 ，但使用这些软件需要具备一定的矩阵知识和计算机编程知识 ，并熟悉其中大量的命令和函数。Excel可以提供强大的数据分析处理功能 ，利用它们可以实现对数据的排序 、分类汇总 、筛选及数据透视等操作 。Origin是美国Microcal公司开发的数据分析和绘图软件 ，它可以对数据进行排序 、平滑 、微分 、积分以及线性和非线性拟合 ，此外 ，还可以根据实验数据绘制各种二维 、三维

27、坐标图形14。Matlab具有强大的科学计算 、数据处理 、图像处理功能 ，可以完成诸多数值计算 、频谱分析等操作，还可以快速准确 、形象直观地得到可视化的模拟与仿真图像15。LabVIEW是基于G语言的革命性的图形化开发语言 ，用来进行数据采集和控制 、数据分析和数据表达 。它的目标是简化程序的开发工作 ，实现硬件和软件资源的共享 ，以利于快速简便地完成工作 ，适应工业自动化的迅速发展 。它率先引入虚拟仪表概念 ，用户可通过人机界面直接控制自行开发仪器 ，可以实现：信号分析 、信号截取 、数值运算 、机器视觉 、数据存储 、声音震动分析 、逻辑运算等诸多功能16。随着计算机的日益普及 ，在计

28、算机应用领域中，数值计算所占比重很小 ，通过计算机数据处理对信息进行管理已成为主要的应用 ，如仓库管理 、测绘制图管理 、交通运输管理 、财会管理 、办公室自动化 、技术情报管理等。1.4 论文的主要内容光纤光栅传感器由于具有可靠性好 、抗电磁干扰 、灵活方便 、复用性强 、能够实现准分布式测量、形成各传感网络等独特优点 ，而广泛应用于国民经济的各个领域 。在实现光纤光栅传感系统实用化的进程中解调是关键 ，M-Z干涉解调法利用光波的相干性 ，将信息编码转换成相位编码 ，具有很高的精度和分辨率 ，可同时检测静态信号和低频动态信号。利用LabVIEW数据处理软件对采集信号进行解调 ，有效的降低了噪

29、声的引入 ，提高了检测精度 。LabVIEW具有图形化编程以及多功能的编程语言等特点 ，便于与其他测量硬件之间的连接 ，并可对硬件设备的数据进行采集和控制 ，还可对数据进行分析 、处理和显示,适合于应用程序的开发。 本论文的主要内容为：第一章 简要概述光纤光栅传感器的发展和应用 ，以及数据处理的相关知识 ，为以后的理论和实验研究提供了前提。第二章 系统的阐述了光纤光栅传感器系统理论 ，并进行了以下分析 ，包括：1.介绍光纤光栅传感理论、传感特性。2.阐述光纤光栅解调理论、技术方法。第三章 光纤光栅解调系统设计与研究 ，主要包括：1.光纤光栅解调系统总体设计，光路部分与电路部分的搭建。2.根据傅

30、里叶变换提出相位检测算法。3.在LabVIEW环境下通过模块化编程，实现数据自动采集、自动处理（傅里叶变换和数据拟合），并设计出控制界面。4.对实验结果进行分析。第四章 对文章进行总结，并对其应用前景进行了展望。第二章 纤光栅传感器系统理论分析光栅折射率、栅距等会受到应变、温度、压强等外界环境变化的影响而发生改变，从而导致光栅的诸多特征参量，频率、强度、偏振态、相位等产生变化。这样，外界环境的应变、温度、压强等信息就可以通过检测光栅的参量变化而得知。这种关系实质上是将外界信号加载到传输的光波中，属于调制部分，然后从调制后的光波中提取所需信号并对其进行数据处理，属于解调部分。光纤光栅传感最重要的

31、技术就是调制和解调，也是传感技术研究的热点。本章节主要介绍光纤光栅传感系统中的传感理论及解调理论。2.1 光纤光栅传感理论2.1.1光纤光栅传感基本理论光纤光栅的反射谱和透射谱与外界参量应变、温度之间符合一定的量化关系，是光纤光栅传感器的基本理论依据。这样，对光纤光栅的反射谱和透射谱的变化进行检测，就可以获得待测物理量的相关信息。光纤光栅传感器系统主要由三部分组成：光源、光栅传感器和信号解调模块。光源提供整个系统所需的光能量，光栅传感器监测外界物理量的变化，信号解调模块解调经外界信号调制后的光波，提取待测物理量信息17。光纤光栅传感器系统结构如图2-1所示： 图2-1 光纤光栅传感系统结构图（

32、1） 宽带光源光源的性能决定了整个系统光信号性能的好坏 ，有着十分重要的作用 。为了达到分布式传感系统中多点多参量的测量要求 ，宽带光源必须具备频谱范围较宽的稳定输出 ，并且具有较强的能量输出能力 。随着光源技术的不断深入发展 ，可满足传感系统性能要求的宽带光源的选择也越来越多。（2） 解调模块光纤光栅传感系统的信号解调包括光信号处理和电信号处理两部分 。其中光信号处理主要是将经待测物理量调制后的光波信号转化为电信号 。经光电转换的电信号再通过A/D转换 ，将模拟信号转换成数字信号 ，利用电信号处理模块对光栅相位信息进行解码。（3） 光纤光栅光纤材料具有光敏特性，在纤芯内部可以形成空间相位光栅

33、，实质作用类似于在纤芯内部安装一个窄带滤光器或反射镜。目前市面上，光栅种类众多，其中布拉格光栅（FBG）最为常见，周期为10-1m左右。光栅结构示意图如图2-2所示： 图2-2 光纤光栅结构示意图当入射到FBG的光束满足Bragg条件（即：波长为）的光将被反射 ，反射光谱在Bragg波长处出现反射峰 ，透射光谱在Bragg波长处出现透射峰 ，这是布拉格光栅用于传感技术的基础。2.1.2光纤光栅的传感特性光纤光栅作为传感装置 ，当待测物理量发生改变时 ，其光谱也将发生相应的改变（如图2-3所示） ，反射谱的中心波长产生了漂移 ，通过检测波长漂移量 ，就可以推算待测物理量的变化。 图2-3 光纤光

34、栅传感原理谱图（1）温度对布拉格光纤光栅的影响 根据光纤光栅中心波长表达式 ，当光栅周围环境的温度发生改变时 ，通过微分可以确定Brrag波长漂移量DlB 的表达式： （2-1）式（2-1）中 ，指光纤光栅折射率-温度系数 ，用表示，指热膨胀效应引起的弹光效应 ，指由热膨胀效应引起光纤芯径变化而产生的波导效应 ，指光纤热膨胀系数 ，用表示 。式（2-1）可以简化为： （2-2） 由（2-2）式可以得到温度灵敏度： （2-3）式（2-3）中，为光纤的热膨胀系数 ，为热光系数 ，一般情况下 。对石英光纤来说 ，其热光系数 ，热膨胀系数 ，由上式可知对应的温度敏感系数为：。（2） 轴向应变对布拉格光

35、纤光栅的影响 在温度恒定条件下 ，应变不仅会改变Brrag光纤光栅的光栅常数 ，同时弹光效应导致FBG折射率发生改变 ，两者分别表示为： （2-4） （2-5） 式（2-5）中 ，和为弹光系数 ，为泊松比 ，因而有： （2-6） 通过变换表达方式可以得到应变灵敏度： （2-7） 式（2-7）中 ，pe为材料的弹光系数 ，可表示成： （2-8） 对纯熔融石英来说 ，、 ，可得出光纤光栅应变灵敏度系数为：0.784。（3） 压力对布拉格光纤光栅的影响 压力变化()对FBG中心波长产生的影响可由下式表示： （2-9） 由于： （2-10） （2-11）可得： （2-12）上述通过分析温度 、压力 、

36、应变等对光纤光栅中心波长的影响 ，可得知当光纤光栅所处环境的物理量发生改变时 ，会引起光纤光栅中心波长的漂移 ，因此只要检测出光纤光栅中心波长的漂移量 ，就可以推算出相应待测物理量的信息。2.2 光纤光栅解调理论光纤光栅传感器以其耐腐蚀 、抗电磁干扰 、传输损耗小 、体积小 、质量轻, 便于复用等独特优势已经成为目前光纤光栅传感器系统的研究热点 。目前波长解调技术是制约其发展的重要因素之一 ， 受到众多专家 、学者越来越多的关注 。近年来 ，提出的光纤光栅解调技术方法有 ：强度解调 、相位解调 、频率解调 、偏振解调 、波长解调等18 。常见的解调方法有 ：非平衡迈克尔逊干涉仪解调法 、非平衡

37、M-Z干涉仪解调法 、可调谐F-P（Fabry-Perot）腔滤波法 、匹配光栅滤波法 、边沿滤波解调等 。其中非平衡M-Z干涉解调法分辨率高 、插入损耗少 、响应快 、成本低 ；匹配光栅解调法解调速度快 、重复性好 、分辨率较高 。2.2.1波长解调技术理论 外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，从波长的变化中即可提取被测物理量，这种解调方式称之为波长解调。关于波长解调方法有很多，主要有光谱分析法，波长扫描法，光学滤波法等。 一、光谱分析法 光谱分析法原理：分光计将经传感头输出的光进行分光，CCD探测器根据不同波长的光波光强分布相异对其进行检测，光波长的偏移影响着光强

38、分布，计算机通过数据处理分析可推算出波长偏移量所对应的外界待测量。图2-1所示为光谱分析法结构示意图，其中，光纤光栅作为传感头使用。图2-4（a）为前向传输方式，2-4（b）为后向传输方式，参考光栅可以作为布拉格光栅反射波长lB的参考点。符合布拉格波长的光被FBG反射后，传输光谱中的布拉格波长成分将消失而形成谱谷，这样，参考FBG和传感FBG光谱谷的间距可由光谱分析仪测得，或者测量参考FBG谱谷和传感FBG的间距，说明外界信号（被测物理量）能够引起布拉格波长的偏移。该结构中的光谱分析仪，单色仪和傅里叶变换光谱仪都能满足实验要求。 （a）前向传输方式 （b）后向传输方式 图2-4 光谱分析检测法

39、示意图二、波长扫描法 波长扫描法原理：用可调谐激光光源代替系统中的宽带光源，使其谱宽小于布拉格波长反射光的谱线宽度，并且，使光源产生的波长与光栅光谱接近，这样，就可扫描可调谐激光输出波长的光谱。只有满足式的波长遇到FBG才会发生反射，因此，后向布拉格波长反射光要在探测器上产生强输出，必须满足l=lB，窄带光源的光波经过可调谐滤波器，可以使其中心波长锁定在该种状态，此时，即可测知lB。布拉格波长会受到外界信号的影响而发生偏移至，光源的波长也会随着布拉格波长的偏移而调谐至。参考FBG的参数设置可以和传感FBG基本一致，传感FBG的中心波长会随着参考光栅的布拉格反射波长的变化而发生偏移，从而被检测到

40、。当传感FBG和参考FBG的中心波长相等时会产生强输出，因此，此时的参考FBG的中心波长就是所需测量值，如图2-5所示。静态波长偏移和低频动态波长偏移都可利用此种方法进行检测，且其测量分辨率较高。 图2-5 参考波长扫描法示意图三、光学滤波法 光学滤波解调的基本原理是，在光纤光栅的输出光路中安置滤波器，析出于被测量相应的波长偏移。（1）线性滤波法 线性滤波法原理：分束比为M/N的3dB耦合器C2将经过FBG的布拉格反射光分为两束，其中一束光通过以线性函数为光谱透射率的滤波器之后，将作为信号光IS，接着被光电探测器D1接收；另一束则作为参考光Ir直接被探测器D2接收。此种方法适合便携式的波长检测

41、，其结构原理如图2-6所示。图2-6 线性滤波法原理框图 可知： （2-13） 式（2-13）中，A为线性滤光器的斜率，l0为零输出（F(l)=0）波长。 两路信号经放大后相除，输出为： (2-14) 式（2-14）中，lB为FBG的标称布拉格波长，Dl为FBG波长偏移。 线性滤波法的优点是消除了光源波动的影响，并与波长偏移量成线性关系，而且可以做得体积小，轻巧灵便；缺点是测量分辨率不高。（2）可调谐光纤F-P滤波法 可调谐光纤F-P滤波法原理：利用3dB耦合将FBG的布拉格反射光耦合进可调谐光纤F-P滤光器（FPF），在FPF上加载锯齿波电压，这样，将使其在光栅特征波长的附近进行扫描，因此，

42、光栅的特征波长就是FPF过零点的输出波长。其原理结果如图2-7。 图2-7 可调谐F-P滤波法原理框图可调谐F-P滤波法可以用于绝对测量和相对测量，也可用于动态和静态测量。2.2.2相位解调技术理论目前光的强度信号可以直接由光探测器直接探测，但光的相位信号目前没有仪器可以直接探测，这样，就需要采取一些方式对光相位信号进行转换，将其转换为可以直接探测的光强信号，能够实现这种转换的方式就是干涉法，而干涉仪是构成干涉法的光学系统的统称，其输出是干涉条纹。由于光的相位被记录在光的干涉条纹上，这样，当干涉条纹产生改变时，暗示着相位也发生变化， 因此，要解调出光相位的变化，就可以通过探测干涉条纹的变化而得

43、知。相位解调方法中，以Mach-Zehnder干涉仪应用最多。假设相位调制量为，测量大小的方法有两种：一种光学方法，看变化，看条纹移动；另一种是电路方法，测与有关的光电流，得。分析可知，光强，当时，。当时，；当时，。其灵敏度为。当时，灵敏度最低；当时，灵敏度最低。因此，应选择此段工作区：两臂相差。要做到这一点，常采用压筒陶瓷（PZT）调制器作为移相器，加在干涉仪的参考臂上，产生的相位差，当有信号时就在此基础上移动，这种检测方法属于零差检测。零差检测意指信号臂与参考臂的光频差为0。一、零差检测此种检测方式的结构式全光纤的，如图2-8。图中，参考臂上的PZT为移相器。压电元件基本上都是由锆(Zr)

44、钛(Ti)酸铅(Pb)系统材料制成，故简称PZT。PZT具有电致伸缩现象即压电效应及其逆效应。其压电效应指在一定方向上对压电材料施加应力，则使相应的表面会产生电荷的现象。电致伸缩指压电材料的体积，会随着施加在材料表面的电压的改变而产生伸缩。实现对光纤纵向应变进行调制的最简便的方法是，采用一个空心的PZT陶瓷圆柱体，在这个圆柱体上缠绕一圈或多圈的光纤。由于PZT圆柱体的直径随驱动信号变化，这样使缠绕在它上面的光纤也随之伸缩，光纤承受到应力，使光的相位变化。在驱动电压大约30v，频率为几千赫兹范围内，PZT圆柱直径2.54cm时，获得每圈12rad的相位延迟。若在径向驱动时，延迟可加大到大约每圈1.5rad/v。光纤干涉仪若采用这样的PZT相位控制器，可以探测小至0.1rad的相位变化。检测系统的工作原理如下。光探测器D1和D2测得光功率分别为：