基于bragg光栅磁场测量解调系统毕业论文(编辑修改稿)

基于bragg光栅磁场测量解调系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

ragg 光纤光栅磁场测量解调系统。 第 1 章为光纤光栅的基本知识，包括什么是光纤光栅，以及光纤光栅传感技术；第 2 章为光的偏振及光通过波片能量变化；第 3 章提出了使用光纤光栅测量电磁 场的新方法，介绍系统设计，主要是对模块功能的介绍，并且用 MATLAB 软件对结果的仿真。 基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 2 1 光纤光栅的基本概念 光纤的基本概念 光纤的结构十分简单。 光纤的纤芯是由折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，折射率的差异引起全反射，引导光纤在纤芯内传播。 光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。 自内向外为：纤芯（芯层） → 包层 →涂覆层（被覆层）（如图 11）。 核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。 其中 涂覆层又称被覆层，是一层高分子涂层，主要对裸光纤提供机械保护，因裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差，韧性差，为提高光纤的微弯性能，涂覆高分子涂层。 且如将若干 根这样 的裸光纤集束成一捆，相互间极易产生磨损，导致光纤表面损伤而影响光纤的传输性能。 为防止这种损伤采取的有效措施就是在裸光纤表面涂高分子 层。 图 11 光纤的结构 光纤纤芯和包层的尺寸根据用途不同，有许多类型。 按照制造光纤所用的材料分类有：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤。 按折射率分布情况分 类：光纤主要有三种基本类型：突变型多模光纤（多模阶跃折射率光纤）、渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤）、单模光纤。 光纤光栅器件 光纤光栅 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 3 射镜。 当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。 图 12 均匀周期光纤光栅结构图 图 13 原理图 FBG 好像一个窄带的反光镜，只反射一个波长而透射其余的波长。 被反射的波长称为 Bragg 波长，满足条件： Bneff 2 (11) 这里 错误 !未找到引用源。 是纤芯等效折射率； 错误 !未找到引用源。 是光栅周期（相邻折射率最大点间的距离）。 可以看出改变光栅的有效折射率或周期就能改变光栅反射的中心波长，利用这一特性可以将光纤光栅用于许多物理量的传感测量。 例如温度和应力是光纤光栅能够直接敏感的两个物理量。 光纤光栅的光学特性 光纤光栅是一种参数周期变化的波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分地或完全地转移到另一个光纤模式中区来改变入射光的频谱。 主要依赖于相位匹配条件： 错误 ! 未 找 到 引 用 源。 （ 12） 基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 4 光纤光栅的分类 按周期长短 光纤光栅按折射率变化周期的长短可以分为两类 （ 1） 短周期光纤光栅（ FBG，也叫反射或布喇格光栅）： 光栅周期一般为零点几个微米，耦合发生在正向与反向传输的模式之间， 它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去。 图 14 短周期光栅（ FBG） （ 2） 长周期光纤光栅（ LPG，也叫传输光栅）： 光栅周期在 m100 以上，耦合发生在同向传输的模式之间，它的特性是将导波中某频段的光耦合到包层中损耗掉而让其他频段的光通过。 图 15 长周期光栅（ LPF） 按折射率分布 光纤光栅按常见的折射率分布大体可分为周期性光纤光栅和非周期性光栅。 周期性光纤光栅也叫均匀光纤光栅，而非周期性光纤光栅又称为啁啾光（ chirped gratings），又可分为线性 Chirped 光栅、 Taper 型光栅和 Blazed 型光栅等类型。 基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 5 光纤光栅传感系统 光纤光栅系统的组成 光纤布喇格光栅传感器的基本原理结构如图 16 所示，其中包括宽谱光源（如面发光二极管 SLED 或放大自发辐射光源 ASE 等）将有一定带宽的光通过光耦合器或者光环行器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长具有选择性作用，符合条件的光被反射回来，再通过耦合器或者环行器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化。 当布喇格光纤光栅做探头装置测量外界的温度、压力或应力等被测量时，光栅自身的折射率或栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长变化推导出外界被测温度、压力或应力等值。 图 16 光纤光栅（ FBG）传感原理图 在光纤光栅传感系统中，有各种各样的器件巧妙地将光路连接起来，处理光信号。 主要分为无源器件和有源器件两种。 所谓无源器件就是光纤器件在工作过程中无需外加驱动电源；而有源器件就是需要加入外加驱动单元才能正常工作的器件。 光纤光栅传感系统中的无源器件 光纤耦合器 利用连接器可以将两端光纤连接起来，这样可以满足两个器件之间的光信号的传输。 但是在很多应用中，需要连接的不只是仪器的两个端口。 耦合器就是用来连接 3 个或者更多的连接点。 耦合器是将输入信号分成两路或更多路 输出，或将两路或更多路输入合并成一路输出。 光信号在每条支路中的比例分配可以相同，也可以不同。 光纤隔离器及环形器 基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 6 与光纤耦合器不同，光纤隔离器只能沿一个方向传输光信号。 它们在光纤系统中起着非常重要的作用，可以阻止后向反射和散射的光达到敏感器件，尤其是激光器。 光隔离器的内部工作机制依赖于偏振。 它包括一对线偏振器，两个偏振器的偏振面放置成 错误 !未找到引用源。 光环行器的功能与光隔离器的类似。 它的功能是作为一个单行道使光 通过一系列的端口。 和光隔离器一样，环行器的工作也利用了偏振现象。 光开关 光开关是光纤通信中光交换系统的基本单元，并广泛用于光路监控系统和光纤传感系统。 光开关在光传输过程中的作用有 3 类：其一是将某一光纤通道的光信号切断或开通；其二是将波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；其三是在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）。 根据工作原理的不同，光开关分为微机电开关、电光开关、热光开关、液晶光开关和磁光效应光开关。 波分复用器 在光纤通信系统中采用光的频分复用的方法来提 高系统的传输容量，在接收端使用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。 波分复用器有光栅型波分复用器、介质薄膜滤波器型波分复用器、熔锥型波分复用器和集成光波导型（ WDM）器件。 光纤光栅传感器 光纤光栅传感器（ Fiber Bragg Grating Sensor）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（ Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。 由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵 列，实现准分布式传感，加上光纤光栅具有普通光纤的许多优点外，且本身的传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗不受光源功率波动和系统损耗影响的特点，因此光纤光栅在传感领域的应用引起了世界各国有关学者的广泛关注和极大兴趣。 自从 1989 年 Morey 等人首先对光纤光栅的应变和温度传感特性进行了研究后，光纤光栅传感器的应用领域不断拓展，现在人们已将其逐步应用于多种物理量的测量，制成了各种传感器。 基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 7 2 光的解调及解调系统的理论分析 光的偏振 光的偏振 光是横波，光的振动方向始终与光的传播 方向垂直。 但是，在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量还可以有不同的振动状态，我们称在垂直于光传播方向的二维平面内，光矢量的振动状态叫做光波的偏振态。 光波按偏振态来划分，可分为三大类：自然光，完全偏振光 ， 部分偏振光。 自然光 普通光源中包含许许多多分子和原子，不同的原子或分子所发光波，或同一原子不同时刻所发光波，其振动方向、振幅、初始相位各不相同。 在垂直于光传播方向的平面内，在观测最小时间间隔内，光振动在各个方向的几率相同，没有那一个方向占更大优势，我们称这种光为自然光。 用来表示垂直于光传播方向的平 面内，光振动方向的矢量图。 叫做迎光矢量图。 该图表示迎着光传播方向看到的光振动的情况。 在迎光矢量图上，自然光是一些均匀分布的辐射线。 图 21 自然光的表示 完全偏振光 完全偏振光分三种： 基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 8 (1)线偏振光 这种偏振光，光振动电矢量总是在一个固定的平面内，所以这种偏振光又叫做平面偏振光。 在与光传播方向垂直的平面内，电矢量端点的轨迹是一条直线光振动只改变振幅大小，不改变方向，如图 22 所示。 图 22 线偏振光 上图中线段表示光振动平行于图面的线偏振光，点子表示光振动垂直于图面。 画出相同的点和线 段表示自然光，用来表示各个方向光振动几率相同。 （ 2）圆偏振光 在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的大小不变，但随时间以角速度错误 !未找到引用源。 旋转，其末端的轨迹是圆。 这种光叫做圆偏振光。 在某一固定时刻 错误 !未找到引用源。 ，在传播方向上各点对应的光矢量的端点轨迹是螺旋线。 随着时间推移，螺旋线以相速前移。 若在迎光的传播方向观察圆 偏振光的光矢量随时间变化是右旋的，则这种圆偏振光叫做右旋圆偏振光 ， 反之 ， 叫做左旋圆偏振光。 图 23 圆偏振光 基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 9 (3)椭圆偏振光 在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的方向和大小都在随时间改变，光矢量的端点描出一个椭圆，这样的偏振光叫做椭圆偏振光。 以上三种偏振光称为完全偏振光，可以由两个互相垂直的，有相位关系的，同频率的线偏振光合成。 反之，完全偏振光也可以分解为两个任意方向，相互 垂直，有相位关系的同频率的线偏振光。 设两线偏振光沿 z 方向传播， 在 错误 !未找到引用源。 的平面内 ,两光振动表达式为： cos( )xxE A t kz （ 21） 0c o s ( )yyE A t k z   （ 22） 将两方程消去 t，得电矢量端点的轨迹方程： 错误 ! 未找到引用源。  22222 s inc os2 yxyxyyxx AA EEAEAE (23) 式中 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 为两线偏振光的振幅，  为两线偏振光在 错误 !未找到引用源。 点的相位差。 它们决定了合成偏振光的偏振态。 下图是不同的相位差对应的偏振态： 图 24 不同的相位差对应的偏振态 基于 Bragg 光栅磁场测量解调系统的研究 10 ○ 1 当  k2 时， ( ...2,1,0 k )合成指向 3 象限的线偏振光。 当  )12(  k 时，（ ...2,1,0 k ） 合成指向 4 象限的线偏振光。 ○ 2 当 错误 !未找到引用源。 且 错误 !未找到引用源。 时，合成（正）椭圆偏振光。 当  )2 12(  k 错误 !未找到引用源。 ，且 yx AA 时，合成圆偏振光。 ○ 3 当 错误 !未找到引用源。 是上面 ○ 1 和 ○ 2 中以外的相位值时，合成椭圆偏振光。 部分偏振光 由自然光和完全偏振光组成的光，叫做部分偏振光。 (1)。