基于可调谐法布里—珀罗滤波器的驱动系统设计毕业论文.doc

基于可调谐法布里—珀罗滤波器的驱动系统设计毕业论文 / 目 录摘要IAbstractIII第1章绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状及分析21.2.1 FBG传感器发展概况21.2.2 可调谐F-P滤波器解调技术研究现状41.3 本文研究内容6第2章可调谐F-P滤波器基本原理及参数优选82.1 FBG传感原理及特性82.1.1 FBG传感原理82.1.2 FBG应变传感特性92.2 基于可调谐F-P滤波器的FBG解调原理及分析92.2.1 解调原理92.2.2 可调谐F-P滤波器光学性能基本要求132.3 F-P滤波器重要参数132.4 可调谐F-P滤波器光学参数确定182.5 本章小结19第3章可调谐F-P滤波器结构研究213.1 微位移驱动器213.1.1 PZT微位移驱动器213.1.2 GMM微位移驱动器223.1.3 基于磁场梯度力的微位移驱动器233.1.4 基于电场力的微位移驱动器253.1.5 微位移驱动器的方案选择273.2 可调谐F-P滤波器结构设计283.2.1 可调谐F-P滤波器结构加工及安装方法293.2.2 结构谐振频率293.2.3 测量结果与分析313.3 可调谐F-P滤波器的低温漂结构仿真设计313.3.1 可调谐F-P滤波器温度稳定性实验323.3.2 有限元建模仿真333.3.3 可调谐F-P滤波器低温漂结构设计363.4 本章小结38第4章解调系统的实时动态校正技术研究394.1 实时动态校正系统研究与设计394.1.1 串联型实时动态校正系统394.1.2 并联型实时动态校正系统404.1.3 实时动态校正方案选择与改进414.2 本章小结43结论44参考文献45致谢47附录48第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义近三十年来光纤传感器得到了长足的发展,通常测量温度、应变和压力信号。

此外光纤传感器还能测量电流、电压、化学量、振动量<加速度>[1]、位移量和生物信息等在各种光纤传感器中,光纤光栅传感器是近年来的研究热点,FBG传感器的出现,使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能,极大地拓宽了光纤技术的应用范围基于FBG的传感器,其传感过程是通过外界参量<应变、温度等>对FBG中心波长的调制来实现的,属于波长调制型光纤传感器FBG传感器除了具备光纤传感器的各种优点外,还有以下的独特优点：<1>FBG的波长调制特性排除了各种光强起伏引起的干扰,因而基于FBG的传感系统具有很高的可靠性和稳定性；<2>FBG的白参考特性使得它可用于对外界参量的绝对测量；<3>多个FBG传感器可写入同一根光纤中,便于构成各种形式的光纤传感网络FBG走向实际应用的关键技术是FBG波长解调技术由FBG构成的传感系统,传感量主要是以波长的微小漂移作为调制信号,所以传感系统中应有精密的波长或者波长变化的检测装置对于FBG的理论分析与实验研、究表明,FBG的温度和应变灵敏度很小例如,在FBG反射中心波长为1500nm时,典型的温度灵敏度为1lpm/℃[2]。

为了达到1℃的测量精度,对于中心波长的测量精度应优于10pm的量级可见波长解调器的测量精度直接限制了整个系统的检测精度,这也是波长解调技术被视为FBG传感关键技术的原因根据FBG信息波长编码、全光纤设计等特点,针对不同的测试对象,人们提出了各种解调方法从系统结构和检测手段考虑,可以归纳为3种：窄带激光扫描；宽带光源配合窄带滤波扫描；参量转化解调以传感信号的时间响应角度可分为动态、静态<准静态>和静态与动态结合三类[3]以待测传感FBG所处的激励状态可分为,无源解调和有源解调以解调系统的机理可分为滤波法和干涉法常用的滤波法有匹配FBG法、可调谐法布里一珀罗滤波器法和边缘滤波法等无论采用哪种解调方法都应该使FBG解调系统具有更高的分辨力、更高的测量准确度和更强的实用性这三点要求也是解调系统能否得到推广的关键目前FBG传感器在各个领域已经得到了广泛的应用,研究出一种成本不高、性能稳定的FBG解调系统具有重要的现实意义1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 FBG传感器发展概况1978年,加拿大的K．O．Hill等人在实验中观察到氖离子激光在光纤中相向传输并形成驻波,形成折射率周期分布的光栅,称为"Hill光栅"。

这种光栅在光纤中起到布喇格反射器的作用,它可以将满足布喇格条件的前向传输光变作反向传输光[4],其反射率在长时间光照达到饱和时可达到100％,带宽很窄的反射光波长与光栅栅格常数和折射率有关光照除去后,光栅还存在1989年,美国的Meltz等发明了紫外侧写入技术,他们利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面写入了光栅这项技术不仅大大提高了光栅的写入效率,而且可以通过改变两束相干光的夹角达到控制布喇格波长的目的紫外侧写入技术问世后世界各国对FBG及其应用研究迅速发展起来,FBG的制作及光纤光敏化技术不断发展1993年,K．O．Hill等提出了位相掩模写入技术,利用紫外激光经过位相掩模衍射后的士l级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入FBG[5]此技术的提出极大地放宽了对写入光源相干性的要求,使得FBG的制作更加容易,并使得FBG的批量生产成为可能同年,P．J．Lemaire等提出了一种提高光纤敏感性的简单有效方法,即低温高压载氢技术他们将光纤浸入20～750个大气压、20～75℃的氢气中使得氢分子充分扩散进入光纤纤芯内部然后再用紫外光写入FBG,这样可以使光纤敏感性提高近两个数量级载氢技术极大地降低了FBG的制作成本,人们可以不使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤,在普通通信光纤上就可以很容易地制出高反射率的FBG。

由于FBG中心波长受外界应力和温度的影响,因此FBG传感器的测量领域以温度和应力为主,或将被测物理量转化为温度或应力再通过FBG传感器进行测量美国布朗大学的Mendez等首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的健康检测在此之后,各个国家的研究人员也对FBG系统在土木工程中的应用做了大量的研究工作1997年,在美国俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁[6],埋入了FBG应变传感器,通过互联网有规律地监视桥梁的荷载响应和跟踪连接绳索的长期性能1999年,在美国新墨西哥LasCrucesl0号州际高速公路的钢结构桥梁上,安装了多达120个FBG传感器,创下当时在桥梁上使用FBG传感器最多的记录20XX,瑞士的研究人员[7]将FBG传感器埋入混凝土,对混凝土断裂延伸带的宽度进行了测量20XX,F．G Tomasel等把FBG用于钢缆的健康检测,并进行了实验研究,实现了20个点的分布式应变传感德国西门子公司把FBG温度传感器安装在空冷发电机的转子绕组上,同时还安装了3个电流传感器,大大节省了空间,降低了发电机成本置于细钢管中的FBG传感器可用作海上钻探平台的管道或管子温度及延展测量的光缆采用FBG传感系统可以对长距离油气管道实行分布式实时的监测。

V．V．Spirin等设计了一种用于漏油监测的FBG传感器他们将FBG封装在聚合物丁基合成橡胶中,这种聚合物具有良好的遇油膨胀特性,当管道或储油罐漏油后,传感器被石油浸泡,聚合物膨胀拉伸FBG,使FBG中心波长漂移,通过监测这个漂移达到报警目的20XX,Yoshiyuki Kaji,Yoshinori Matsui等[8]把FBG压力传感器置于高放射性环境中测量应力,得到了应力和温度的关系曲线实验证明由于在反应堆内部和外部FBG的温度特性相同,用一根FBG测量反应堆内部残余应力的方法是可行的Ho等利用FBG设计了一种测量系统,该系统可以对压力、应变、温度等静态、动态物理量实现同时测量,可以用来研究非静态流体场中热量的传输问题,也可以与波分复用等技术相结合应用在民用、航空结构健康监测和复合材料检测等领域20XX,余有龙等[9]把2根FBG粘贴在均质、等厚、等腰三角形悬臂梁上下表面作为环形腔光纤激光器端镜,当机械振动激励自由端时,通过观测激光输出脉冲,对施加于自由端的机械振动频率进行了实时监测20XX,Yoji Okabe等[10]提出了一种用啁啾FBG检测复合结构CFRP中微裂缝的新方法。

他们在两个0°层之间夹一个90°层,并在90°层和上面的0°层之间粘贴啁啾光栅材料中产生的裂缝<在栅区内>将释放残余应力,改变光栅的栅格周期和有效折射率,从而在反射谱相应的位置出现凹陷裂缝和凹陷是一一对应的,因此,检测反射谱凹陷的波长就可以确定裂缝所在的位置Guan Bai-ou等[11]设计了一种基于FBG的倾角传感器,不仅可以测量倾斜角度的大小,还可以确定倾斜的方向该传感器由4根FBG和1个钟摆组成,通过测量相对的2个FBG中心波长的差,有效地消除了温度对测量结果的影响增加钟摆的质量或优化系统结构的其他参数可以提高测量精度和分辨力该方法原理简单、操作方便、精度高,但使用FBG数目较多LoYu-lung等提出了一种测量扭矩的FBG传感系统该系统采用高双折射光纤传感探头,白光光源发出的光经3dB耦合器入射到高双折射FBG,反射的2个波长的光再经3dB耦合器、偏振控制器进入扭转的高双折射FBG探头,再经偏振片送到光谱仪分析由于输出2个波长的光强的比值与高双折射光纤探头的扭矩是一一对应的,因此求得这个比值就能得到所测扭矩的大小,高双折射光纤对温度敏感,系统受环境温度影响较大姜德生等[12]采用机械限位原理,设计和组装了一种有保护装置的FBG漏油传感器。

该传感器在检测过程中,通过限制敏感材料的膨胀长度能有效防止FBG因承受较大应力而断裂董兴法等提出了一种适用于建筑结构传感的FBG传感器,用细的不锈钢管匹配叠套方式保护FBG,此传感器对应力和温度响应具有良好的线性关系,分段封装FBG使之具有双反射峰,通过测量两反射峰的漂移能够消除温度交扰效应对于基于FBG的电流传感器很多科研机构也进行了研究20XX熊燕玲等[13]建立了FBG作为传感头的交流电流传感系统,用50Hz交流信号对系统进行实验验证,结果表明该系统能较好地检测出被测信号的幅值、频率和相位,应用高阶方程组拟合具有磁滞线特性的系统传递函数,可实时准确地重建被测电流波形1.2.2 可调谐F-P滤波器解调技术研究现状可调谐F-P滤波器法是一种光学滤波解调方法可调谐F-P滤波器法通过微驱动器调谐入射角度或腔长扫描传感FBG,可调谐F-P滤波器具有良好的滤波特性,其透射峰带宽可低于0.2nm,甚至0.05nm其灵敏度高、调谐范围大,能够满足对多点FBG进行解调的要求因此在各种滤波解调方案中得到了广泛的应用20XX余有龙等[14]提出利用可调谐F-P滤波器对4个FBG组成的传感器阵列进行波长扫描,借助示波器和PD对滤波光束的时序分布进行观察,实现地址查询。

比较波长漂移前后传感阵列的反射谱,可用于解调选用了反射率相差悬殊的FBG作传感器件,增加了测量范围但是仅对此方法进行了实验验证,没有解调精度的相关报道20XX邸志刚等[15]使用步进电机调节射入F-P标准具光束的入射角调节透过F-P标准具的光波波长,由聚焦阵CCD上透射光的位置即可得到FBG的中心波长经过实验证明,其测量精度达到0.1nm此方法由于没有采用工艺复杂的光纤F-P滤波器,且不需要调节F-P滤波器腔长,因此实现简单,但是测量精度不高为了进一步提高FBG解调系统的性能,20XX李营等[16]提出和研究了一种新颖的基于可调。