基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计说明书论文.docx

基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计说明书论文.docx

《基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计说明书论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计说明书论文.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究毕业设计说明书论文

毕业设计说明书

基于光纤Bragg光栅

的建筑物监测技术研究

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：

日期：

毕业论文（设计）授权使用说明

本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。

有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。

学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。

保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名：

指导教师签名：

日期：

日期：

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究

摘要

本文以建筑物监测中应变测量系统的设计和实验研究为目的，在对国内外研究现状进行了深入分析的基础上，归纳了当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的几个主要问题，并针对光纤布拉格光栅应变测量系统的实际需要，对光纤光栅应变测量系统的各个环节进行了研究。

首先，论文研究了光纤布拉格光栅的传感器原理，其中分析了均匀轴向、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。

从理论上说明光纤布拉格光栅对于应变测量的可行性。

其次，建立了基于光纤布拉格光栅的应变测量系统，主要选择应用光纤马赫－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，并进行了理论分析；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。

最后，通过光纤布拉格光栅应变特性实验，并对信号解调部分的锁定放大器、相敏检波参考信号和PZT驱动信号的发生器以及A/D转换电路进行了硬件设计与软件仿真，验证了系统的可行性。

关键词：

光纤布拉格光栅，光纤马赫－曾德尔干涉仪，信号解调

BuildingmonitoringtechnologyresearchbasedonfiberBragggrating

Abstract

Thepurposeofthispaperisthestrainmeasurementsystemdesignandexperimentalstudiesinthemonitoringofbuilding,onthebasisofin-depthanalysisoftheresearchstatus,summedupthethedevelopmenttrendofthefiberBragggratingsensorsandseveralmajorissuesthatneedtobeaddressedinpracticalapplications,accordingtotheactualneedsofthestrainmeasurementsystemforfiberBragggrating,carriedoutresearchonallaspectsofthefiberBragggratingstrainmeasurementsystem.

First,studiedtheprincipleoffiberBragggratingsensorsinthethesis,ofwhich,analyzedthecharacteristicsoffiberBragggratingsensorunderuniformaxialandtransversestress,fiberBragggratingtemperaturesensingproperties,andcrosssensitivitypropertiesofthefiberBragggratingstrainandtemperaturemeasurement.TheoreticallyshowthefeasibilityoffiberBragggratingsforstrainmeasurement.

Second,designedthestrainmeasurementsystembasedonfiberBragggratings,themethodmainlychoicelyiscombiningtheApplicationoffiberMach-Zehnderinterferometerwiththephasegeneratedcarriermodulationanddemodulationtechnologytoachievethedemodulationoffibergratingsensorsignal,andconductedthetheoreticalanalysis.Andbasedonthetemperatureresponsecharacteristicsoffibergrating,proposedadesignthatusingareferencegratingtoachievetemperaturecompensationforfiberBragggratingstrainmeasurement.

Finally,verifiedthefeasibilityofthesystembydoingtheexperimentoffiberBragggratingstraincharacteristics,andconductingthehardwaredesignandsoftwaresimulation,whichthelock-inamplifierofthesignaldemodulationpart,thesignalgeneratorofthereferencesignaltothephasesensitivedetectorandthesignaldrivingthePZTandcircuitofA/Dconvertercircuit.

Keyword:

FiberBraggGrating,OpticalFiberMach-ZehnderInterferometer,TheSignalDemodulation

1绪论

1.1引言

近年来，光纤光栅在光纤通信以及光纤传感领域得到了很大的发展。

以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器正成为传感器研究领域的又一大热点。

随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺饵光纤放大器（EDFA）技术之后的又一重大技术突破[1-3]。

光纤光栅作为一种新兴的光纤无源器件，是光纤技术进展的产物。

以光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating，简称为FBG）为主的光纤光栅传感器之所以能够如此受到关注，是因为它除了具有光纤传感器的抗电磁干扰、耐高温、体积小、灵活方便等优势，还具有其它传感技术无法替代的优点，如其传感信号是以波长调制的，所以测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响；避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题；其复用能力强，在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入（或粘于）被测结构，可同时得到几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。

因而，光纤光栅在光纤传感器领域具有十分广阔的应用前景[4-10]。

就目前来说，光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感领域。

随着光纤光栅制造技术的不断成熟和商用化，光纤光栅将改革人们在光纤技术应用中的传统思想，可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。

光纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们进入全光信息时代带来了无限生机和希望。

1.2课题研究的背景及意义

1.2.1课题研究的背景

光纤传感技术的研究始于20世纪70年代末，它是随光纤通信技术的发展而出现的一种新兴的光学技术。

1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应[11]，从而导致了一种所谓光纤光栅的新型光纤无源器件的出现。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅，相当于一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜[12]。

当外界环境改变时，由于热光效应、弹光效应、法拉第效应等的作用导致Bragg中心波长发生漂移，测量此波长的漂移量就可检测外界温度，应力，磁场等的变化，还可间接测量加速度、振动、浓度、液位、电流、电压等物理量。

利用这一特性可制成用以检测多种参量的光纤传感器和光纤传感网。

随着光纤光栅写入技术和传感器封装技术的不断完善，一些光纤光栅传感器己开始规模化生产。

目前，光纤光栅传感器除在航空航天飞行器、舰船及武器系统等军事领域应用外，还扩展到建筑、桥梁、隧道、公路、电力工业、化工产业、生物医学工程等民用领域。

日益增多的应用成果表明，光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一[13,14]。

从1992年Prohaska等首次将光纤光栅埋入到土木结构中测量应变之后,引起了国内外学者对光纤光栅传感器在土木工程中应用的广泛关注.光纤光栅传感器具有许多传统传感器无法比拟的优点,如体积小、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构形式灵活、测量对象广泛、分布或者准分布式测量、耐久性好等[15-17]。

由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视，各发达国家更是竞相研究开发并引起了激烈的竞争。

1.2.2课题研究的意义

近二十年来，我国经济的快速发展为建筑业的发展带来了契机，大型结构如桥梁、高层建筑、大坝、核电站等工程建设进入了前所未有的高潮时期。

建筑结构的多样化和复杂化，带来了建筑结构工程科研、设计、施工、监理和管理水平的全面提升，也带动和促进了相关产业的发展。

同时，其安全可靠性己成为当今社会普遍关注的重大问题。

因为如果不能及时发现这些重要结构在服役期内的损伤位置及其对整个结构的危害性，其灾难性后果不仅会造成无法估量的经济损失，还会严重危及到人们的生命财产安全。

结构监测的前提是从结构中提取能反映结构特征的参数。

最能反映结构局部特征，便于结构安全评价与损伤定位的是应变信号，应变是材料与结构的重要物理特性，是重要工程结构健康监测最为重要的参数之一。

因此，建筑物检测中对于大型结构应变，进行长期、实时、在线监测，具有十分重要的意义。

目前，对结构的应变检测主要采用常规的检测手段，即电类传感测量技术，如电阻应变片、钢弦计等，它们虽在大型工程结构的施工质量控制及竣工验收中得到广泛应用，但就对结构的长期、实时、在线监测而言，则存在着根本不足。

①传统的电阻应变片传感元件的性能虽然在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的，但其受环境影响较大，如电磁干扰、潮湿、化学腐蚀等都会使其零点发生长期漂移，因此长期应变测试的结果会严重失真。

②在混凝土应力的测试中，短期观测可使用电阻应变片式的应变砖，而工程中更多地使用振弦式应变传感器。

后者输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好。

由于钢弦丝长期处于张紧状态，蠕变现象十分严重，国产钢弦应变传感器的正常使用期为3年左右。

总之，上述常规的电类传感检测手段存在传感元件寿命短、测量易受环境影响、不能进行分布测量等缺点，因而均不能实现对重大工程结构安全状态的长期监测。

③已广泛研究的光纤微弯传感器始终存在一些难以克服的缺点，如受光强影响大、光纤弯曲损耗和连接损耗大。

同时，这种传感器的数据采集系统采用的是光时域反射技术，由于该技术的空间分辨率决定于光纤对背散射光信号进行偏振分析的时间分辨率，这一局限性导致光纤微弯传感器的空间分辨率不可能很高。

另外，背散射不能够提供光纤偏振的所有信息，固定传感器的位置时需要很长的光纤且不能随意布置，因此它也是制约这种传感器应用推广的障碍。

通过国内外同行的大量研究和实践，已将应变测量锁定在光纤光栅传感技术上。

传感器的嵌入带来诸多好处。

首先，在结构件的制作过程中，通过这些嵌入的传感器能够实时地监测诸如温度、压力、粘滞性、固化程度和残余应变等过程参数，从而实现制作过程的优化和控制。

其次，在结构件制作好并用于某种应用后，同样是这些传感器还能够使应用在不间断运行的情况下对结构件的受力、损伤等情况进行动态监测，从而及时地发现故障点、故障程度并采取相应的处理措施。

光纤光栅传感器之所以如此受到关注是因为它具有其它传感技术无法替代的优点：

（1）光纤光栅具有体积小、重量轻、强度高和弯曲性能好等特点，适于大面积对各种形状的物体进行实时监测。

（2）光纤具有细柔韧的特点，使得它容易掩埋或贴附到各种材料中形成光纤神经网络。

（3）具有比其它传感器高得多的灵敏度，一旦形成智能材料，便可以对各种监测对象进行高精度的自诊断和自治愈功能。

（4）抗干扰能力强，一方面因为普通的光纤传输不会影响传输光波的频率特性；另一方面是因为光源光强的起伏、光纤微弯效应等引起的随机起伏以及耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性。

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。

1.3光纤光栅传感器的发展现状

1.3.1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、Babock&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2000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[18-20]。

1.3.2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[20-21]。

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2010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，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。

1.4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。

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：

（2.1）

式中，

为光栅的中心反射波长，

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（2.1）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：

（2.2）

式中：

为光纤布拉格光栅轴向应变，

为温度变化量，

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。

2.1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（2.1）两边微分并移项可得：

（2.3）

将式（2.3）两端分别除以式（2.1）两边项，得

（2.4）

从式（2.4）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

（2.5）

式中

——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；

（2.6）

式中

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：

（2.7）

令

（2.8）

称为光纤的有效弹光系数，对于石英光纤，

0.22[22]。

由式（2.7）和（2.8），可得：

（2.9）

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传感的基本关系式。

式中

为微应变，由式（2.9）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：

（2.10）

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。

2.2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：

（2.11）

令

，由式（2.7）和（2.8），可得：

（2.12）

对于石英光纤，