工业用光纤光栅解调体系设计与实现

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1、工业用光纤光栅解调体系设计与实现第1章绪论1.1课题本课题于国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA041203):机械装备状态监测的光纤光栅传感器研发及应用。近年来随着光纤光栅写入工艺的逐步提高，光纤光栅传感器的种类越来越多己经达到几十种之多，测量范围从最初的应变、温度到现在的压强、加速度、流量、流速、电流、电压、液位、气体成分、液体浓度及成分等广泛的范围，应用领域也扩大到智能结构、工业制造（如：电力、大型机械船舶工业、核工业）、生物医学、自然生态（如：环境保护，地震监测[I5])及人居环境（如：桥梁健康监测、岩土工程等领域

2、，成为传感器领域发展较快的技术之一。通常把短周期（周期小于光纤光栅称为布拉格光纤光栅（nberBraggGrating,FBG)或者反射光栅（本文中无特殊说明时，光纤光栅指光纤布拉格光栅），布拉格光栅是最早发展起来的一种光栅，也是应用最广的一种光栅，在此主要研究光纤布拉格光栅的解调系统。由于其折射率呈固定的周期分布，调制深度与栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。1.2课题背景及意义自华裔英籍科学家高锟博士于1966年7月发表文章《介电波导管的光波传送》以来，光纤从理论研究逐步走向实践应用，以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和

3、传感技术日新月异，极大地推动了人类社会的进步。在光纤通信技术飞速发展的带动下，光纤与光纤器件的研究逐步深入，光纤的众多独特的性能逐渐被人们所发掘，作为检测器件的光纤传感器也越来越受到人们的重视，被广泛的研宄并应用到实际工程中去。光纤光栅是通过光刻等特定方法而形成的衍射光栅。光纤光栅可以起到色散补偿作用，此外光纤光栅又可以用作光纤激光器的腔镜等待，光纤光栅的这些特性为光纤通信提供了光纤信号处理的光学解决方案，因此光纤光栅的出现使得全光通信变为现实。由于光纤有效折射率、光栅周期、偏振态等量在受外界因素如温度[3，4]、应变13，4]、浓度[5，

4、6]、压力[7，8]等的变化影响。光波特征参数的变化又与这些物理参数的变化呈一定的对应关系，只要检测出特征参量的变化量即可得到相应物理参量的值。根据这些特性，可将光纤光栅制作成温度、位移、应变、浓度等多种光纤光栅传感器[9]。与传统传感器相比，光纤传感器具有其自身独特的物理特性：光纤质量轻、纤芯细、抗电磁干扰能力强、耐福射、信号传输衰减小、电绝缘性能好、几何形状可塑、传输容量大、便于分布式测量、集信息传感与传输于一体等，可用于许多传统的传感器难以涉足的恶劣的应用场合。第2章光纤光栅传感器及其解调原理2.1光纤光栅传感器的基本原理及其分类光纤

5、传感作为一个新的具有里程碑意义的技术领域，吸引着人们极大的兴趣去不断研究和探索，经过几十年的研究与实践，光纤光栅迅猛发展，光纤光栅传感器技术也得到飞速发展，传感器种类迅速增加，出现了各种非均勾光栅传感器、长周期光栅传感入邻近路线，抑制串扰。由于光纤纤芯的折射率比包层折射率大，当满足一定条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。光波在光纤光栅中传播时，特征参量会随外界因素的作用而直接或间接地发生变化，光纤传感器就是利用光波自身参量和外界因素的对应关系对外界待测参量进行波长编码调制，从而获得待测参量的变化量。具体过程为：从光纤光栅一端入射的光源，受周期

6、性变化的纤芯折射率影响，使向前和向后传播的光波相互稱合。如果电磁场满足光栅方程，则功率全部親合到后向传播的波形中并形成全反射。不满足光栅方程时，对其传输没有影响。这时反射光波在光纤光栅的特征波长A处形成波峰。光栅周期A就会随外部因素发生变化，从而波长/1光谱的峰值位置随之变化。只要测量出X光谱的峰值移动量，就可以测出待测量的参数变化值。2.2光纤光栅传感解调原理光纤布拉格光栅周期A就会随外部因素（如温度、磁场、电流、震动、应变、加速度等）发生变化，从而波长X光谱的峰值位置随之变化。在光纤光栅传感技术中，光信号的某些参数由被测量调制，光信号检

7、测过程是传感过程的逆过程，光纤光栅解调系统是从被调制的光信号中还原出原调制信号的技术，还原得到的信号将正相关于原始被测信号。解调系统根据光波光谱峰值位置的变化量来确定待测量的变化。尽管传感器机理是光学式的，但必须把光信号转变为电信号才能分析解调。设某一段光波长谱内依次排开的波长、Xn(波长间隔取决于解调装置的分辨率）经过扫描器件和光电转换器件后从空间域转换到时域的XIX，然后由解调系统中的数据处理单元捕获某一波长、时间轴上变化前后的位置和Xn、即可知道该波长折射率随外界因素变化而产生的变化量在时域的变化大小Ax，从而即和Flash进行测试，

8、功能完好后，在Nios中利用SOPC系统对SRAM和Hash单独进行读写测试，根据SOPC系统分配的起始地址，对各自的存储空间进行读写测试，在eclipse消息窗口中打印调试信息