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1、中北大学2013届毕业设计说明书目录1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.1.1课题研究的背景11.1.2课题研究的意义21.2 光纤光栅传感器的发展现状31.2.1国外发展现状31.2.2国内发展现状41.3 论文的主要研究内容52 光纤Bragg光栅传感特性分析62.1 光纤光栅的定义62.2 光纤光栅的类型及其特点62.3 光纤光栅的基本结构及传感原理分析72.4 均匀轴向应力下的光纤Bragg光栅传感特性分析92.5 均匀横向应力下的光纤Bragg光栅传感特性分析112.6 光纤Bragg光栅温度传感特性分析112.7 光纤Bragg光栅应变、温度测量的交叉敏感132.8 本章小
2、结133 光纤Bragg光栅应变监测系统的设计153.1 光纤Bragg光栅应变监测系统示意图153.2 非平衡马赫曾德尔干涉仪163.2.1光纤马赫曾德尔干涉仪解调的结构163.2.2光纤马赫曾德尔干涉仪的参数计算163.3 光纤Bragg光栅应变监测系统的硬件选择173.3.1 系统光源的选择173.3.2 光器件的互连173.3.3 光电探测器的选择183.3.4 压电陶瓷的调制及参数计算183.4 反馈放大电路的设计203.4.1 反馈放大电路的电路设计203.4.2 反馈放大电路的作用203.5 信号处理模块的设计213.5.1信号解调的分析与研究213.5.2光纤光栅传感信号的调制
3、研究223.5.3光纤光栅传感信号的解调分析223.6 本章小结244 系统的硬件仿真与实验254.1 光纤Bragg光栅应变特性实验254.2 相敏检波参考信号和PZT驱动信号发生器的设计与仿真284.3 信号解调模块的设计与仿真304.4 A/D转换电路的设计与仿真314.5 本章小结325 结论与展望335.1 结论335.2 展望33参考文献35致谢38第II页 共页1 绪论本章介绍了光纤Bragg光栅在建筑物应变监测技术的背景及意义，综述了相关技术在国内外的发展现状，在此基础上，确定了本论文的工作重点以及具体研究内容。1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 课题研究的背景自20世纪5
4、0年代以来，建筑物健康监测的重要性就逐步被认识，但受检测、监测手段比较落后的限制，在应用上一直未得到推广和重视。近年来随着大跨径建筑物的轻柔化及形式与功能的复杂化，光纤光栅应用于建筑物上的健康监测技术成为国内外学术界、工程界的研究热点1。许多国家都在一些已建和在建的建筑物上进行了有益的尝试：丹麦曾对总长1726m的Faroe跨海斜拉桥进行施工阶段及通车首年的监测，另外，他们在主跨1624m的Great Belt East悬索桥上也开始了相关的尝试；泰国与韩国目前已开始在重要建筑物上安装永久性的实时结构整体与安全性报警设备；香港的许多建筑在施工阶段也已开始传感器的安装，以备将来运营期间的实时监测
5、2。光纤光栅监测技术的成功开发与应用将起到确保建筑物安全运营、延长建筑物使用寿命的作用。同时通过早期建筑物应变的监测能大大节约建筑物的维修费用，可以避免最终频繁大修所引起的重大损失3。近年来，国内发生的几起大型的建筑物坍塌或局部损坏事故在很大程度上是由于构建疲劳加之监测养护措施跟不上，从而严重影响构建的承重能力和结构的使用。因此，对建筑物结构健康监测非常必要和迫切。光纤光栅是一种新型光纤无源器件，它是在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，只对特定波长的光具有反射或透射作用，从而使该波长的光在其中的传播行为得以改变和控制。光纤光栅是性能优良的敏感光学元件，其中心波长随温度、应变等外界物理量的
6、改变而改变4。自从20世纪80年代末Morey等人首次对光纤Bragg光栅在应变与温度传感领域进行研究以来，世界各地都对其十分关注并展开广泛的研究，使得光纤光栅传感器在许多领域的研究和应用都取得很大的成功5。1.1.2 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
7、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6。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。第一，传统的电阻应变片传感元件的性能虽
8、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。第二，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。第三，已广泛研究的光纤微弯传
9、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7。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
10、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8。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
11、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9。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Bragg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10。1.2 光纤光栅传感器的发展现状1.2.1 国外发展现状目前光纤光栅传感器在动态信号检测领域的研
12、究主要集中于高频振动的测量与分析和地球技术勘测的应用以及地球内部的辐射等领域，在建筑物检测方面还不是很成熟。 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等。1989年，美国布朗大学（Brown University）的门德斯（Mendez）等人首先提出了把光纤Bragg光栅用于混凝土结构的健康监测11。在此之后，加拿大、日本、英国、德国等国家的研究人员也对光纤光栅系统在土木工程中的应用做了大量的研究工作。1997
13、年，在美国俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的高楼，埋入了光纤Bragg光栅，通过互联网有规律地监视楼房的荷载响应和跟踪连接绳索的长期性能12。1999 年，在美国新墨西哥Las Cruces 10号州际高速公路的钢结构桥梁上，安装了多达120条光纤Bragg光栅，是当时在桥梁上使用光纤Bragg光栅最多的记录13。2002年，Tomasel等人把光纤Bragg光栅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。2004年，Yoji Okabe等人提出了一种用CFG检测建筑物复合材料CFRP中微裂缝的新方法。沿材料的纵向施加力的作用，然后，撤掉材料中产生的裂缝（在栅
14、区范围内）将释放残余应力，改变Bragg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。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14。1.2.2 国内发展现状我国在70年代末就开始了光纤光栅传感器的研究，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
15、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。2003年6月,同济大学桥梁系史家均老师主持的建筑物健康检测项目中,采用了光纤布拉格光栅传感器,用于检测建筑物在各种情况下的应力应变和温度变化情况。国内的建筑物材料行业对光纤Bragg光栅传感器非常重视,各公司争先注册了许多光纤Bragg光栅传感器的技术专利。2005年8月，刘波等提出了一种能够在实际工程中应用的光纤光栅位移测量装置，首先将光纤光栅的一端固定于固定端，另一端与可移动的滑块相连，通过滑块的左右移动对光纤光栅进行拉压，测出结构的位移.这种测量装置中的光栅容易折断，一般测量范围较小、精度较高，仅适合于精密位移测量15。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。 光纤Bragg光栅在建筑物动态应变测试方面的技术在国外应用已很普遍，由于其结构复杂且性能还不是特别稳定，故在我国建筑检测中的应用尚少。但可以预见，随我国设计、制造水平的提高，这种技术将越来越多地出现在我国的建筑物上。1.3 论文的主要研究内容论文的工作是以光纤B
