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1、重庆理工大学毕业论文 光纤布拉格光栅应变测量系统研究 编号 毕业设计（论文）题目 光纤布拉格光栅应变测量系统研究 二级学院 电子信息及其自动化学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 测控技术与仪器（一）班 学生姓名 学号 11007030119 指导教师 职称 讲师 时 间 目录摘 要IAbstractII1章 绪 论111 课题研究背景及意义1引言1111 光纤光栅的发展动态2112 光纤光栅传感系统的研究意义512 光纤光栅传感器应用的发展现状71.2.1 国外研究现状71.2.2 国内研究现状813 课题研究内容92章 光纤布拉格光栅应变测量系统的设计1021 光纤光栅应变测量系统的结构1
2、022传感头的设计12221 光纤布拉格光栅的耦合模理论分析12222 光纤布拉格光栅的应变测量原理1323 光纤光栅应变测量系统解调模块的设计14231 光纤光栅传感系统解调方案152. 32 边缘滤波法15233 被动解调法16234 可调光纤F-P滤波器解调法16235 可调谐窄带激光器扫描法17236 锁模调制法18237 环型反射器法19238 非平衡M-Z光纤干涉仪解调2024 光纤马赫一曾德尔干涉仪系统设计2224. 1 光纤马赫一曾德尔干涉仪解调的原理22242 光纤马赫-曾德尔干涉仪光纤系统构成23243 光纤马赫一曾德尔干涉仪的参数计算23244 压电陶瓷的调制及参数计24
3、25 后续信号处理模块的设计25251 信号解调的基本原理262 .52 光纤光栅传感信号的解调262. 6 限制光纤马赫一曾德尔干涉仪动态范围的关键因素272. 6. 1 低通滤波器的约束特性28262 有限的载波频率2827 本章小结293章 系统的实验方案设计3031 光纤布拉格光栅应变测量系统实验研究3032 系统应变测量实验研究3032. 1 应变加载的实现31322 测量数据的处理3133 本章小结324章 实验系统分析3341 测量系统误差分析33411 系统误差来源33412 系统温度补偿的分析33413 光纤布拉格光栅的温度特性334. 14 温度补偿的实现3442 实验分析
4、34421 系统应变测量实验分析34422 相位生成载波解调系统实验分析3543 本章小结355章 结论37致谢38参考文献39摘 要本文以光纤布拉格光栅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，论文从光纤布拉格光栅应变测量系统的理论模型入手，着重对光纤光栅应变传感特性进行了系统的分析，论证了光纤布拉格光栅作为传感头用于应变测量的优越性；在分析比较了常见的信号解调技术的优缺点基础上，提出应用光纤
5、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；并指出了限制光纤马赫-曾德尔干涉仪动态范围上限的关键因素。其次，对光纤布拉格光栅应变测量系统进行了实验方案设计。通过光纤布拉格光栅应变特性的测试实验，验证了光纤布拉格光栅中心反射波长与应变的线性关系：对应变测量系统进行了实验方案设计和仿真实验研究，证明了系统所设计的解调方案能够实现系统的高精度测量。最后，对实验系统进行了分析。基于光纤光栅的温度晌应特性，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；此外，系统
6、在进行温度补偿的同时也消除了外界干扰对应变测量的影响。关键词:光纤布拉格光栅;光纤光栅测量系统;应变测量;光纤马赫-曾德尔干涉仪;信号解调;相位生成载波AbstractIn the thesis，strain measurement system of FBG is designed systemically and researched by experimentBased on analysis of domestic and foreign study actualitieson FBG development trend and several main problems of FBG
7、 sensor in application are summarizedAnd to meet the need of practical strain measurement system，we research each aspect as design for strain measurement system of FBGFirst，starting with theoretic model of strain measurement system of FBG，focuses on the systematic analysis of the strain sensing prop
8、erties of fiber Bragg grating，proves the superiority of the application of FBG as sensor to strainm easurement；on the basis of analyzing advantages and disadvantages of familiar demodulationTechniques a method that combines non-balanced fiber MachZehnder interferometer(FMZI)and phase generated carri
9、er(PGC) modulation and demodulationtechnique is proposed to realize signal demodulation of FBG sensing system，andthe proposed system scheme is testified to be feasible by analyzing detailedtyand theoreticallyAs the same time，factors limited the upper limitation of the dynamic range in fiber MachZehn
10、der interferometer is analyzed theoreticallyNext，experiment scheme of strain measement system of FBG is designedStrain performance of FBG is tested experimentally,which proves that the center wavelength of FBG is linear to strainExperiment scheme design and simulation of strain measurement are made
11、to testify that the demodulation schemed esigned by systemcan realize the high-accuracy measurementLast，the systemic is analyzedDue to temperature performance of FBG,a reference FBG is adopted to compensate temperatureThe proposed system scheme is testified by deriving the compensation principle det
12、ailedlyMoreover，this scheme not only realizes temperature compensation but also eliminates the effect of environment fluctuation acting on strain measurement。Keywords:Fiber Bragg grating；FBG measurement system；Strain measurement； Fiber MachZehnder interferometer； Signal demodulation；Phase generated
13、carrierII1章 绪 论11 课题研究背景及意义引言近年来，在国防、工业与农业生产、环境保护、生物医学、计量测试、交通运输、自动控制等领域，对3S(smart material，smart structure，smart skin)系统的研究与应用已引起了科学界极大的关注并成为研究热点。其中对应变测量系统的研究与应用就是重点研究内容之一。3S系统1含义是：把高超的光纤光栅技术、光纤网络、光纤制动仪器有机地融为一体。利用掩埋或贴附的方法把它们复合到制造现代运载体(如飞机、舰船、坦克等)或各种建筑体(如桥墩、大坝、楼房等)的框架和承力件外蒙皮的复合材料中，制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏反映的智
14、能传感系统。该系统对被测体的应变、温度、应力、老化、裂变等各种物理量进行大面积实时综合测量、诊断和控制，并通过测量和数据处理系统进行状态分析，同时对各种越限行为及时告警，必要时采取应急措施。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2。以光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，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；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3-5。就目前来说，光纤
