基于光纤bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于光纤bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

性。 因而基于光纤光栅的传感系统具有很高 的可靠性和稳定性。 总之，光纤布拉格光栅除了具有光纤传感器的特点外，其波长编码特性使其感测结果不受光源功率波动及光的偏振态的变化的影响，并且便于利用复用 (波分、时分、空清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 4 页 共 33页 分等 )技术实现对应变的准分布式多点测量。 这在现代高科技及工业的发展诸如建筑结构、航空航天、水坝桥梁、强场探测等领域的智能结构中具有重大的实用价值。 光纤光栅传感器的发展现状 国外研究现状 美国是研究光纤传感器起步最早，水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。 美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。 如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。 美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发，如斯坦福大学、弗吉尼亚理工大学、 Babockamp。 Wilcox 公司、 Accuflber公司、 Fidberdy． Elamies 公司、 EOTcc 公司、 Optical 技术公司等。 据统计， 1993 年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以 30～ 40％的增长速度发展，到 20xx 年达到 100亿美元。 调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点己向民用 领域转移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。 日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。 日本在 80 年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。 90 年代，由东芝、日本电气等 15 家公司和研究机构，研究开发出 12 种具有一流水平的民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤温度传感器。 西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究与开发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国 的汤姆逊公司和德国的西门子 公司等 [1820]。 国内研究现状 我国在 70 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。 目前已有许多单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部 1426 所等。 他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。 但与发达国家相比，我国的研究水平还有很大的差距，主要表现在商品化和产业 化方面，大多数传感器品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用 [2021]。 当前，我国对光纤传感器的需求量很大，市场前景十分诱人。 国家 20xx 年远景规划和“十五”计划己将传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世界贸易组织，清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 5 页 共 33页 市场需求和发展空间的潜力非常巨大，其中光纤传感器将占有相当大的比例，这预示我国在光纤传感器领域将出现一场激烈的竞争和挑战。 在不久的将来，我国光纤传感器领域必将呈现前所未有的灿烂和辉煌。 课题研究内容及结构安排 本论文对光纤布拉格光栅测量的基本原理和传感原理进行了 分析；对近年来报道的光纤光栅传感系统信号解调的方法进行研究和比较，提出利用光纤马赫－曾德尔干涉仪进行应变测量，并用相位生成载波调制解调系统进行信号解调的测量系统。 论文主要包括以下几部分内容 第一章介绍了光纤光栅的发展过程及国内外光纤光栅的应用状况，分析了当前光纤光栅传感器实用化所需要解决的问题，论述了光纤光栅测量系统的研究意义以及论文的目的和主要内容。 第二章 研究了光纤布拉格光栅的传感器原理，分析了均匀轴向、横向应力下的光纤光栅传感特性，光纤布拉格光栅温度传感特性，以及光纤布拉格光栅应变、温度测量的交叉敏感 特性。 从而从理论上说明光纤布拉格光栅对于应变测量的可行性。 详细分析了光纤布拉格光栅测量系统的原理。 第三章 从光纤布拉格光栅应变测量系统的理论模型入手，论述了光纤布拉格光栅的应变测量原理，选择应用光纤马赫－曾德尔干涉仪与相位生成载波调制解调技术相结合的方法来实现光纤光栅传感信号的解调，通过详细的理论分析论证了系统方案的可行性。 并且基于光纤光栅的温度响应特性，提出用一个参考光栅来进行光纤光栅应变测量温度补偿的设计方案，并详细推导了其补偿原理，证明了该方法的可行性； 第四章 进行了光纤布拉格光栅应变特性实验，验证了 光纤 Bragg 光栅波长变化是与轴向应变呈线性关系的。 并对信号解调部分的锁定放大器、相敏检波参考信号和 PZT 驱动信号发生器以及 A/D 转换电路进行了硬件设计与软件仿真。 第五章对 论文的成果与不足进行分析， 同时对 今后的发展前景进行了展望。 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 6 页 共 33页 2 光纤 Bragg 光栅传感器的原理 随着光纤光栅写入技术的逐步完善，世界各国掀起了光纤光栅技术研究的热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现。 光纤光栅被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域。 光纤布拉格光栅的中心波长域有效折射率的数学关系史研究光栅传 感器的基础。 从麦克斯韦经典方程出发，结合光纤耦合模理论，利用光纤光栅传输模式的正交关系，得到布拉格光栅反射波长的基本表达式为：  effB n2 （ ） 式中， B 为光栅的中心反射波长， efn 为纤芯的有效折射率，  为 光栅的周期。 光纤的周期可通过两相干紫外光束的相对角度而得到调整，通过这种方法，就可以制作出不同反射波长的布拉格光栅，目前已有的布拉格光栅写入技术有：相位掩模技术、振幅掩模技术、逐点写入技术和全息成栅技术、在线写入技术等，这些技术中广泛应用的相位掩模技术。 从式（ ）这个方程可以看出任何能够改变光栅有效折射率或光栅周期的物理量都能改变光栅中心波长。 应变 (或应力 )和温度是最能直接显著改变 Bragg 光栅波长的物理量。 其引起的光纤 Bragg 光栅波长的飘移克表示为：     TpeBB   1 （ ） 式中：  为光纤布拉格光栅轴向应变， T 为温度变化量， ep 为有效弹光系数，  、  分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数。 当光纤 Bragg光栅受到外界应变作用时，光栅周期会发生不变化，同时光弹效应会导致光 栅有效折射率变化；当光纤 Bragg 光栅受到外界温度影响时，热膨胀会使光栅周期发生变化，同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。 目前已有的基于光纤 Bragg 光栅的各种传感器基本上都是直接或间接的利用应变或温度改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。 鉴于此，充分研究光纤Bragg 光栅的应变与温度传感特性、灵敏度误差、应变传感器的温度补偿技术以及应变与温度的耦合效应史研究开发光纤 Bragg 光栅传感器的基础。 均匀轴向应力下的光纤光栅传感特性分析 对于光纤 Bragg 光栅方程式（ ）两边微分并移项 可得： 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 7 页 共 33页  e ffe ffB nn 22 （ ） 将式（ ）两端分别除以式（ ）两边项，得  effeffBB nn （ ） 从式（ ）可以看出，凡是能够导致光纤光栅有效折射率变化或者光栅周期变化的物理量都能引起波长的变化。 在线弹性范围内，由于光栅布拉格光栅为均匀周期的光栅，所以有 x （ ） 式中 x —— 轴向应变。 不考虑波导效应，即不考虑光纤径向变形对折射率的影响，只考虑轴向变形的弹光效应，光纤在轴向弹性形变下的折射率变化如下；   xe ffe ffe ff pppnnn 12111222  （ ） 式中  2,11 ipi 是单模光纤的弹光常数，即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化； 是泊松比。 所以光纤布拉格光栅产生应变时，有周期和有效折射率导致的总和的布拉格波长相对变化为：   xe ffB B pppn   121112221 （ ） 令    xe ffe pppnP  12111222  （ ） eP 称为光纤的有效弹光系数，对于石英光纤， eP  [22]。 由式（ ）和（ ），可得：  xxeBB Pd   （ ） 上式为光纤 Bragg 光栅轴向应变下的波长变化数学表达式，它是处理光纤光栅应变清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 8 页 共 33页 传感的基本关系式。 式中 x 为微应变，由式（ ）可以计算光纤光栅的理论应变灵敏系数，例如，当光纤光栅中 心波长为 1550nm时，光纤光栅的轴向理论应变灵敏度为：  / 36 nmBxB   （ ） 可以看出，当光纤光栅的材料一旦确定后，光纤光栅应变灵敏度基本上为常数，这就从理论上保证了光纤光栅作为应变传感器有很好的线性输出。 均匀横向应力下的光纤光栅传感特性分析 在弹光效应下，当光栅只受到横向压力且不存在剪力时，与上节轴向应力下的传感分析方法一样，横向应力导致的光栅折射率变化为：  ye ffe ffe ff pppnnn    1112122 212 （ ） 令    121112239。 212 pppnP e ffe ，由式（ ）和（ ），可得：  yeBB P  39。 1 （ ） 对于石英光纤， 39。 eP ，同样可得光纤光栅中心波长为 1550nm 时，光纤光栅的横向理论应变灵敏度为：  / 36 nmBxB   （ ） 在只考虑弹光效应时，表面上看来，光纤光栅的中心波长变化对横向应力下的应变更为敏感，然而这是一个误解，是因为我们敬爱能够两者的应变看成是相等的。 若从应力灵敏度的角度来看，纵向拉伸的应力灵敏度约为横向应力的 倍。 因此，弹光效应下，光纤光栅对纵向应力较横向应力更为敏感。 若进一步考虑波导效应，在相同的应力作用下，纵向应变较前一种情况增加   5/1   倍，所以波导效应将显著的多，而波导效应与弹光效应正好相反，即减小光栅的横 向应变灵敏度。 综合考虑弹光和波导效应，光纤光栅对横向应力的灵敏度较纵向小的多，因此在复杂应力状态下，光纤纵向应力引起的波长变化占主要位置。 这就是我们通常只考虑光纤光栅纵向应变传感的原因 [23]。 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 9 页 共 33页 光纤 Bragg 光栅温度传感特性 温度对 FBG 的影响主要有两个方面：一是热膨胀产生热应变导致栅距变化；二是热光效应导致有效折射率改变。 不考虑波导效应，将式（ ）对温度 T 求导，可得：   TnTnT e ffe ffB 2 （ ） 式（ ）两边分别除上式两端，可得 TTTnn e ffe ffB B   11 （ ） 令 Tnn effeff 1 （ ） T 1 （ ）  称为光纤的热光系数；  称为光纤的热膨胀系数，从而可得：   TBB   （ ） 对于常用的石英光纤，热膨胀系数 C06 / 。