開題報告-適用于惡劣環(huán)境的光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)研制

1、天 津 師 范 大 學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目開題報告 項目名稱：適用于惡劣環(huán)境的光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)研制 項目負責人姓名：運營 負責人所在學院：電子與通信工程學院項目負責人學號：1230060200項目負責人專業(yè)： 電子信息科學與技術專業(yè)項目負責人年級： 2012級指導教師： 王為 撰寫日期：2014年5月11日目錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc356653585 一、選題緣由 PAGEREF _Toc356653585 h 1 HYPERLINK l _Toc356653586 二、研究目的和意義 PAGEREF _Toc356653586 h 1 H

2、YPERLINK l _Toc356653587 （一）項目研究的目的： PAGEREF _Toc356653587 h 1 HYPERLINK l _Toc356653588 （二）項目研究的意義： PAGEREF _Toc356653588 h 1 HYPERLINK l _Toc356653589 三、國內外研究現(xiàn)狀綜述 PAGEREF _Toc356653589 h 2 HYPERLINK l _Toc356653590 四、研究的理論基礎 PAGEREF _Toc356653590 h 5 HYPERLINK l _Toc356653591 五、研究的主要內容、方法、步驟 PAGER

3、EF _Toc356653591 h 5 HYPERLINK l _Toc356653592 （一）研究內容 PAGEREF _Toc356653592 h 5 HYPERLINK l _Toc356653593 （二）研究方法和研究對象 PAGEREF _Toc356653593 h 5 HYPERLINK l _Toc356653594 （三）研究進度安排 PAGEREF _Toc356653594 h 5 HYPERLINK l _Toc356653595 （四）經費使用計劃 PAGEREF _Toc356653595 h 5 HYPERLINK l _Toc356653596 六、研究

4、條件和現(xiàn)存問題 PAGEREF _Toc356653596 h 5 HYPERLINK l _Toc356653597 （一）研究條件 PAGEREF _Toc356653597 h 5 HYPERLINK l _Toc356653598 （二）現(xiàn)存問題 PAGEREF _Toc356653598 h 5 HYPERLINK l _Toc356653599 七、研究成果的表現(xiàn)形式 PAGEREF _Toc356653599 h 5 HYPERLINK l _Toc356653600 參考文獻 PAGEREF _Toc356653600 h 5一、選題緣由由于光纖光柵是波長型傳感器，其波長變化量

5、與應變或溫度成線性關系。為了實現(xiàn)物理量的測量，需要解調出光纖光柵Bragg波長，即波長解調方法是光纖光柵傳感器實用化的核心技術之一。目前實驗室常用光譜儀或單色儀對光纖光柵進行波長解調，該方法特點是解調精度高，分辨率能達1pm以下，但是儀器成本高，體積大不適合工程現(xiàn)場使用。所以，我們會采用干涉法和濾波法更好地將光纖光柵從其系統(tǒng)當中解調出來。二、研究目的和意義（一）項目研究的目的：鑒于目前光纖光柵主要有以下問題：(1)儀器均需配備外接電源；(2)價格昂貴；(3)屬于民用級，抗惡劣環(huán)境性能差；(4)數(shù)據(jù)傳輸不方便。這些不足使得目前在惡劣環(huán)境、野外壞境下使用光纖光柵測量系統(tǒng)帶來了不便。本項目將研究能自

6、給供電和遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w光柵動態(tài)解調系統(tǒng)，使之適用于野外惡劣環(huán)境工作，為各種結構健康監(jiān)測提供新的技術基礎。（二）項目研究的意義：由于現(xiàn)在的光纖光柵解調系統(tǒng)大都是無法進行遠距離的傳輸功能，并且許多儀器均需配備外接電源，會給大家在日常生活中帶來不便，所以該項目針對目前光纖光柵解調系統(tǒng)中的不足，提出了一種帶有自給電源和遠距離數(shù)據(jù)傳輸功能的光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)，具有重要的研究意義和實用價值。三、國內外研究現(xiàn)狀綜述光纖光柵（Fiber optic grating）是通過改變光纖纖芯折射率進而在纖芯內形成空間相位光柵的一種有效的光無源傳感和通信器件。它具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不

7、敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護、 帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性。因此，各種光纖光柵傳感器，如應變傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、加速度傳感器等，相繼問世，引發(fā)了傳感領域的一股熱潮，贏得了人們的青睞。光纖光柵傳感器作為新型光纖傳感器，除具有重量輕，抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫等光纖傳感器的特點外，還具有許多獨特的優(yōu)點：可以實現(xiàn)絕對測量、具有更強的抗干擾抗腐蝕能力、易于組建各種形式的傳感網絡、測量結果具有良好的重復性和穩(wěn)定性等。鑒于光纖光柵良好的應變傳感性能和優(yōu)良的抗電磁干擾、抗腐蝕能力及體積小等優(yōu)點，使得光纖光柵廣泛

8、的應用于橋梁、飛行器、海洋結構等結構健康監(jiān)測領域具有十分廣泛的應用前景。光纖光柵是波長型傳感器，其波長變化量與應變或溫度成線性關系。為了實現(xiàn)物理量的測量，需要解調出光纖光柵Bragg波長，即波長解調方法是光纖光柵傳感器實用化的核心技術之一。目前實驗室常用光譜儀或單色儀對光纖光柵進行波長解調，該方法特點是解調精度高，分辨率能達1pm以下，但是儀器成本高，體積大不適合工程現(xiàn)場使用。迄今為止，針對光纖光柵波長解調技術，研究人員提出了許多方法，其中主要基于兩種技術：干涉法和濾波法。干涉法是利用光波的相干性，將光纖光柵的波長信息編碼轉換成相位編碼，這種方法具有很高的精度和分辨率，特別適合高分辨率信號的檢

9、測。濾波法是指采用各種光濾波器，使指定波段的信號通過，而抑制其余波段的信號，以達到解調的目的。表1對目前常見的光纖光柵波長解調技術進行了總結，并描述了各自特點。目前國外國內有數(shù)家公司已有光纖光柵解調儀產品，如美國Micro-optic公司的Sm125、Sm130；英國Smartfiber公司的Smart Scan；國內如品傲光電、寧波杉工等均有自己的產品。但是這些產品目前主要有以下問題：(1)儀器均需配備外接電源；(2)價格昂貴；(3)屬于民用級，抗惡劣環(huán)境性能差；(4)數(shù)據(jù)傳輸不方便。這些不足使得目前在惡劣環(huán)境、野外壞境下使用光纖光柵測量系統(tǒng)帶來了不便。本項目將針對這些問題，研究一套適用于野

10、外惡劣環(huán)境具有自給電源與無線數(shù)據(jù)傳輸功能的光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)。表1：光纖光柵波長解調技術總結類型解調技術特 點濾波法被動式波長比率法結構簡單，抑制了光源的強度噪聲，但靜態(tài)應變分辨率為375，分辨率不高，同時動態(tài)性能不好，測量頻率不能超過100Hz；聲光可調諧濾波器法有極高的溫度靈敏度，但是聲光可調諧濾波器是偏振相關器件，入射光的偏振態(tài)對測量影響較大；匹配光纖光柵濾波法該方法分為反射式匹配濾波法和透射式匹配濾波法，結構簡單，成本低，實現(xiàn)簡單；但實現(xiàn)測量的量程較小；可調諧Fabry-Perot(F-P)濾波器法該方法是目前最為廣泛使用的光纖光柵解調技術，解調波譜范圍寬，解調精度可達1pm，對光源

11、穩(wěn)定性要求低，體積小，便于工程實用；波長掃描極值法該方法用可調諧光纖光柵環(huán)形腔激光器作為掃描光源，對光柵波長進行掃描；方法簡單，但掃描光源價格較高；干涉法非平衡Mach-Zehnder干涉法該方法具有寬帶寬、高解析度等特點，但只能用于動態(tài)應變測量，且測量范圍有限，會出現(xiàn)絕對波長測量的損耗；經改進后可實現(xiàn)以下的準靜態(tài)應變測量；非平衡Michelson干涉法該方法適合靜態(tài)應變的測量，檢測靈敏度高，但由于干涉儀容易受到外界環(huán)境干擾，影響測量的信噪比；Sagnac干涉法該方法具有高檢測靈敏度，同時由于干涉儀輸出與光纖長度無關，具有很高的穩(wěn)定性；其他方法傅立葉變換譜法該方法可以直接獲得光纖光柵反射譜，精

12、度高；但是由于光學器件存在，不易實用；CCD分光計法該方法光能利用率高，響應速度快，抗干擾能力強，直接實現(xiàn)光纖光柵傳感復用解調；但波長分辨率低。四、研究的理論基礎(1) 基于F-P濾波器的光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)設計基于F-P濾波器的光纖光柵解調系統(tǒng)是目前技術最為成熟、穩(wěn)定性最好的波長探測技術，其原理如圖1所示，寬帶光源通過耦合器后進入光纖光柵傳感器陣列，反射光進入F-P濾波器。同時濾波器由掃描電壓驅動進行全波段掃描，并與輸入的光纖光柵窄帶反射光進行卷積，輸出光由光電探測系統(tǒng)進行轉換。通過對比光電轉換信號與周期掃描電壓進而確定光纖光柵傳感陣列中心波長，實現(xiàn)系統(tǒng)解調。本部分將選用micro-opti

13、cs公司的Fiber Fabry-Perot Tunable Filter(如圖2所示)，主要解決F-P驅動電路以及中心波長獲取算法設計，以實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定性的光纖光柵波長解調。（2）自給供電系統(tǒng)與遠程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計本部分研究解調系統(tǒng)的自給供電部分和無線數(shù)據(jù)傳輸部分。一方面主要根據(jù)解調系統(tǒng)的功率參數(shù)研究合適的電池系統(tǒng)，同時兼顧解調儀的體積與重量。另一方面主要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需要，選擇合適的無線傳輸技術，并提供接入Internet網絡接口，使得隨時隨地能進行數(shù)據(jù)接收進而實現(xiàn)結構狀態(tài)的分析處理，其系統(tǒng)結構圖如圖3所示。五、研究的主要內容、方法、步驟（一）研究內容 本項目將研究具有自給電源和遠程數(shù)

14、據(jù)傳輸功能的光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)，具體研究內容包括：(1)光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)設計本項目將采樣目前較為成熟的F-P濾波法進行解調系統(tǒng)的設計，完成系統(tǒng)光路和電路設計、以及中心波長提取算法，實現(xiàn)光纖光柵動態(tài)解調。(2)自給供電系統(tǒng)與遠程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計本項目將采用電池供電模式，結合Internet網絡接入的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)適用于野外遠距離監(jiān)測的光纖光柵解調系統(tǒng)設計。（二）研究方法和研究對象 (1)光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)設計由于一般結構健康監(jiān)測主要通過長期實時監(jiān)測結構關鍵部位的應力應變載荷，例如常見的橋梁、公路、鐵軌、海洋結構、飛行器、大壩等，通過監(jiān)測關鍵部位的應力應變變化能分析結構的狀態(tài)，

15、以便于及早的發(fā)現(xiàn)損失，減小損失。通常這些載荷變化屬于動態(tài)信號，頻率在1KHz以內。本項目將采樣目前較為成熟的F-P濾波法進行解調系統(tǒng)的設計，完成系統(tǒng)光路和電路設計、以及中心波長提取算法，實現(xiàn)光纖光柵動態(tài)解調。(2)自給供電系統(tǒng)與遠程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計目前解調系統(tǒng)通常需要外接電源，自帶數(shù)據(jù)存儲和處理單元或者通過線纜連接到PC機進行處理。這一方面不利于解調儀器的野外使用，另一方面不適于對長距離監(jiān)測如鐵軌、管道等監(jiān)測領域。本項目將采用電池供電模式，結合Internet網絡接入的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)適用于野外遠距離監(jiān)測的光纖光柵解調系統(tǒng)設計。（三）研究進度安排本項目預期一年完成，具體進度安排如下:

16、2014.01-2014.02：光纖光柵解調技術、現(xiàn)有解調系統(tǒng)調研，確定光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)設計方案；2014.03-2014.06：完成光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)設計和實驗調試；2014.07-2014.08：完成光纖光柵解調系統(tǒng)自給電源系統(tǒng)設計；2014.09-2014.11：完成光纖光柵解調系統(tǒng)遠距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計；2014.12-2015.01：進行系統(tǒng)連調，并撰寫結題報告。六、研究條件和現(xiàn)存問題（一）研究條件 本項目的指導教師在該領域已有多年研究，在光纖光柵的動靜態(tài)解調、惡劣環(huán)境結構健康監(jiān)測等領域均有所成果，這些均為本項目的順利實施奠定了基礎。同時本項目組成員已學完電子基礎等課程，在后續(xù)

17、的解調系統(tǒng)設計上有了理論知識儲備。（二）現(xiàn)存問題目前實驗室已有Micro-optics公司Sm-125解調系統(tǒng)一套，寬帶光源一臺，這些均為項目中解調系統(tǒng)的調試和標定提供了基礎。但本項目需要設計的解調系統(tǒng)各個器件均需購買，成本較為昂貴，本項目指導教師準備自籌一定資金用于本項目的研究開發(fā)。七、研究成果的表現(xiàn)形式本項目預期完成如下成果：(1)完成適用于惡劣環(huán)境下光纖光柵動態(tài)解調系統(tǒng)設計報告一份；(2)設計解調系統(tǒng)設備一套；(3)以第一作者發(fā)表EI檢索論文1篇。參考文獻1 Melle S M, Liu K, Measure R M. A passive wavelength demodulation

18、system for guided-wave Bragg grating sensorsJ. IEEE Photonics Technology Letters,1992:5165182 Xu M G, Geiger H, Archambault J L, et al. Novel interrogating system for fiber Bragg grating sensors using an acousto-optic tunable filterJ. Electron. Lett.,1993,29(17):151015113 Geiger H, Xu M G, Eaton J P

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