科毕业设计（文）
基光纤光栅电压传感器设计
XX 学
2010年6月
科毕业设计（文）
基光纤光栅电压传感器设计
学院（系）：
专 业： 电气工程动化
学生 姓名：
学 号：
指导 教师：
答辩 日期： 2010年6月20日
XX学毕业设计（文）务书
学院： 系级教学单位：电气工程系
学
号
学生
姓名
专 业
班 级
题
目
题目名称
基光纤光栅电压传感器设计
题目性质
1理工类：工程设计 （ ）工程技术实验研究型（ ）
理研究型（ ）计算机软件型（ ）综合型（ √ ）
2理类（ ）3外语类（ ）4艺术类（ ）
题目类型
1毕业设计（ √ ） 2文（ ）
题目源
科研课题（ √ ） 生产实际（ ）选题目（ ）
容
基光纤光栅应变敏感特性设计出套电压传感系统包括：
1 应变量电压量转换装置设计
2 光纤光栅种类选择
3 光源选择测量光路设计
基
求
1．遵守毕业设计期间纪律时参加答疑
2．独立完成设计务培养基科研力
3．设计说明书份（少2万字）A1图纸张英文资料翻译少3千字说明书求条理清晰文笔通符合毕业设计撰写规范求文图纸中文字符号符合国家现行标准
4．完成相关仿真实验反映文中附件形式出编写程序清单
参
考
资
料
1参考书：Fiber Bragg Grating 光电检测技术等
2期刊：中国激光 光学学报 光子学报 光电子·激光Electronics Letters Photonics Technology Letters
周 次
第1 ～4 周
第5～8 周
第9 ～12周
第13～16周
第17～18周
应
完
成
容
查阅收集相关资料研究容进行初步学
提出设计原理设计方案
系统结构光路设计
完成文初稿修改
撰写文准备答辩
指导教师：
职称： 2009年 12月 29日
系级教学单位审批：
2010年 月 日
摘
年着国济迅速发展电力需求日益增电压等级求越越高光学电压传感器重量轻体积频带宽动态范围容量受限制便计算机相连符合电力系统测量设备数字化动化发展求拥十分广阔应前景文总结现光学电压传感器基础提出光纤布拉格光栅传感探头实现电压实时监测文容分三模块具体：
第模块简介绍课题研究背景光学电压传感器国外研究现状存问题进行分析
第二模块介绍光传输通道光纤课题涉传感探头（光纤光栅）结构重参数推基光纤布拉格光栅传感器传感特性传感原理回顾光纤光栅传感器领域应
第三模块针电压传感系统组件工作原理工作性特点进行详细分析推理完整设计基光纤光栅电压传感器文章PCI7484功数采集卡采集实验数MATLAB环境中二法实验测量数进行曲线拟合出实验结果理推导基致正确结：外加电压布拉格（Bragg）波长成线性关系
关键词 光学电压传感器光纤布拉格光栅实时监测二法布拉格（Bragg）波长
Abstract
In recently with the rapid development of economy of various countries the demand for power of electric is rising sharply and the requests of voltage grades are also more and more higher Optics voltage sensor has many advantages such as small size broad band light weight a big dynamic range capacity does not receive limits and easy to connect with the computer It accords with the development of automation and digitization of electric power system measurement equipment thus has the extremely wide application prospect Based with the conclusion of the present Optical Voltage Transformer the paper supply a measure which use Fiber Bragg grating sensors to realize voltage realtime detection The main contents of the paper are made up by three modules and the detail as follows
The first part of the paper take a brief introduction about the background of this study and the present state of the research of Optical Voltage Transformer in domestic and overseas and make an analysis about its problem which is exposed
In the second place the paper recommend the structure and the important parameter about the fiber that is the transmission channels of light and the sensor probe (Fiber Bragg Grating) which is related in the task and emphases discuss the sensing properties and principle of the sensor based on FBG then retrospect FBG sensor that used in various field
The last part analyses the function and principle of all components of system and completely design the Voltage Sensor which based on FBG Using PCI7484 multifunctions data collection cards collected data is the new creation of this paper Finally using Least square method dispose experimental data in MATLAB environment and getting the right conclusion to show that there is a linear relationship between the measured voltage and the Bragg Wavelength
Keywords Optical Voltage Transformer Fiber Bragg Grating Realtime detection Least square method Bragg wavelength
目 录
摘 I
Abstract II
第1章 绪 1
11 课题研究背景 1
12 光学电压传感器国外发展状况 2
13 光学电压传感器存问题 3
14 课题研究容 5
第2章 光纤光栅传感器基原理 6
21 光纤光栅基概念 6
211 光纤 6
212 光纤光栅 7
22 光纤光栅传感原理 8
221 光纤光栅传感器基原理 10
222 光纤光栅传感器基指标 11
23 光纤光栅传感器应 12
24 章结 14
第3章 光纤光栅电压传感器设计 15
31 光学电压传感器基类型 15
311 基Kerr效应光学电压传感器 15
312 基Pockels效应光学电压传感器 16
313 基逆压电效应光学电压传感器 16
32 光纤光栅电压传感器系统设计 17
321 光纤光栅电压传感器结构 18
322 光纤光栅电压传感系统光源 18
323 光纤光栅电压传感器应变理分析 19
33 章结 22
第4章 解调系统设计 23
41 系统总体设计 23
42 光纤光栅传感信号解调技术 24
421 种常解调技术 24
422 基光纤FabryPerot滤波器解调技术 25
43 光电探测电路设计 28
44 信号处理寻址设计 31
45 实验数分析 34
46 章结 36
结 37
参考文献 38
致谢 41
附 录 42
第1章 绪
11 课题研究背景
着电力工业快速发展电压传感器电力系统中起着越越重作具广泛应电力系统中缺基测量设备高电压电流等参数准确测量电测量继电保护系统监测诊断电力系统分析前提条件电力系统安全济运行具重意义电压传感器电力系统提供计量控制继电保护必需信息[1]着电压等级断提高电力系统规模逐渐扩传统电磁感应式电容分压式电压传感器电力系统安全运行提高电力系统动化程度增强电测量精度等方面日益暴露出缺点表现绝缘结构日趋复杂体积质量重造价高抗电磁干扰力差存铁磁饱铁磁谐振现象易爆炸等诸方面致越越适应现代电力系统发展求[25]满足高电压等级测量需电压传感器更新换代必然研制出性稳定准确度高结构简单成低现代光通信技术兼容电压传感器成研究者追求目标目前研究热点[6]
光学电压传感器OVT(Optical Voltage Transformer)作光子承载信息传输技术领域年发展起种新型电压测量装置利电光晶体特定物理效应敏感电压通光学原件感应传输晶体应变响应信号方法测量电压确保高压侧低压侧电气完全隔离作新型电压测量设备具备诸优点OVT铁心电感存铁磁谐振铁心饱克服饱导致波形畸变传统电压互感器身压降测量精度降低等问题OVT供电网测量电路效隔离绝缘难度降低OVT油消燃烧爆炸危险OVT利光纤作传输介质效避免电网强磁场测量信号干扰提高测量精度OVT引入光学系统输出信号成弱电信号更利变电站数字化[711]总具体积重量轻集成现电力设备中耐腐蚀耐高压防燃防爆安全测量精度高抗电磁干扰远距离现场测量等众优点年诸学者直研究光学电压传感器代传统电压互感器OVT测量交流电压测量直流电压瞬态电压（脉电压击电压）具非常宽频带光纤传输网联网实现遥测遥控易满足型化智化功求优点传统电压测量设备法拟国外研究员青睐[12]
12 光学电压传感器国外发展状况
着科技员光学光学材料晶体物理特性深入研究光学传感器长足发展光学电压传感器应运生光学电压传感器具传统电压互感器拟优点许国家研究机构开展光学电压传感器研究取丰硕研究成果
激光问世古老光学已分化分支光纤光学中名词出现20世纪50年代着光纤技术迅猛发展广泛应容愈演愈丰富1978年加渥太通讯研究中心KOHill等首次掺锗石英光纤中发现光纤光敏效应采驻波写入法制成世界第光纤光栅1989年美国联合国技术研究中心GMeltz等利掺锗光纤紫外光敏特性形成光纤Bragg光栅光纤光栅制作技术实现突破性进展1993年KOHill等提出相位掩膜制造法光纤光栅制造技术重发展光纤光栅灵活批量制造成着光纤光栅写入技术断完善应成果日益增光纤光栅成目前发展前途具代表性光纤源器件[1314]
新生事物光纤光栅结合理体系成熟光学介质晶体材料科研员研制出种类型光学电压传感器（OVT）基Pockels效应OVT基Kerr效应OVT基逆压电效应OVT等国外八十年代投入量力财力事OVT研究国际公司（美国ABB公司法国GECALSTHOM公司日东电住友等公司）90年代进入产品化研究目前产品电力系统中试运行1987年日日立制作挂网试运行77kV OVT1989年美国田纳西州电局挂网试运行161kV OVT1995年法国GECALSTHOM公司美国奥兰Bonneville安装525千伏复合式光纤电压电流传感器现已123 kV765 kV电压等级样机分法国利时荷兰美国加电网试运行1996年美国ABB公司研制集成MOCTEOVT光学计量单元1997年该公司已60余套光电互感器分美国加德国智利电网挂网试运行[1517]
国OVT研究始八十年代1982年海召开激光工业应座谈会起步研究单位电子部2634清华学电力科学研究院陕西电力局中心试验海互感器厂北方交通学华中科技学(原华中理工学)等绝部分研究仅限实验室探索阶段中清华学电力部电科院承担国家七·五攻关项目研究出110kV OVT样机未长期挂网运行沈阳变压器研究单位研制220kV OVT样机现场年时间退出运行1993年底华中科技学广东省新会供电局联合开发OVT样机广东新会泽变电站1lOkV电网试运行三年七月成功挂网运行年1994年12月通电力部科技司技术鉴定达国领先水(02级1l0kV)1996年德特种变压器厂新会电力局华中科技学合作开发1l0kV三相OVT1998年新会市三江变电站挂网1997年华中科技学华中电力集团合作开发500kV组合式电流电压互感器目前已完成研究通电力工业部电气设备质量检验测试中心国标进行项测试通项电磁兼容试验河南南阳变电站挂网试运行2004年中国电力企业联合会OET700系列电子式电流互感器电压互感器进行成果鉴定批量生产[1819]
综述30年研究国外OVT研究技术已趋成熟国研究起步较晚取长足发展国际领先水相距甚远课题研究具十分重意义
13 光学电压传感器存问题
然光学电压传感器正逐步趋完善真正步入实化取代传统电压互感器问题须进步深入研究电力系统电压互感器稳定性性求高稳定性性光学电压互感器解决问题影响OVT稳定性性重素运行环境温度变化环境温度方面影响OVT性[2022]
（1）光源OVT工作光源般利LED具较长寿命性高LED发射光波波长受温度影响光波波长变化导致电光效应中相位延迟变化半波电压变化影响OVT工作稳定性外LED输出光强会着驱动电流变化变化光强度变化会影响侧量精度维持LED装置温度驱动电流恒定设计OVT需解决关键问题
（2）光学晶体OVT核心敏感元件性优劣直接关系OVT稳定性晶体具电光效应（Bi12GeO20Bi4Si3O12Si4Ge3O12等）中具弹光效应热光效应等干扰效应干扰效应直接影响OVT稳定性选择合适光学晶体设计OVT关键问题
（3）光路结构OVT聚焦透镜起偏器检偏器14波片90°转角棱镜晶体等光学元件组成光学元件通光学胶粘接温度变化会引起光路系统变化试验表明光路系统温度变化具较长迟滞时间重复性较差
（4）绝缘结构OVT绝缘体起构成传感器次部分OVT目前普遍结构分压形式绝缘体采充SF6气体机材料复合绝缘子复合绝缘子高度环境温度变化会发生微变化变化会影响绝缘子光学电压传感器工作稳定性时绝缘子SF6气体压力会温度变化压力变化会影响OVT工作稳定性
外光检测模块信号放电路部分产生波形畸变等现象严重影响光学电压传感器测量精度性波分析方法采集信号分解基波信号高次谐波信号进行处理较程度提高OVT精度[23]
总提高OVT稳定性性必进步深入研究OVT传感机理研究影响OVT性种素光源光学晶体光学元件光路系统结构粘结工艺传感结构绝缘结构隔热材料隔热措施温度补偿等方面进行改进根性原理OVT系统进行性设计分析提高OVT运行性稳定性真正达实化求
14 课题研究容
着光纤光栅理研究制作方法断提高光纤光栅传感技术巨进步该领域涌现出许新型传感器课题研究目设计种基光纤光栅电压传感器设计思想：（1）利晶体逆压电原理感应外加测电压变化（2）光纤布拉格光栅横粘贴压电陶瓷感知压电陶瓷应变量（3）光纤FabryPerot滤波器解调布拉格光栅反射回波长λB光波信号（4）通光电探测器检测解调信息光信号转换容易控制电信号（5）连续模拟电压信号PCI7484功数采集卡处理处理信息传送计算机处理便线观测（6）通测量反射回布拉格波长λB漂移量计算出施加压电陶瓷电压
文结构设计：
第章绪介绍光学电压传感器研究意义国外发展状况分析现存亟解决问题
第二章光纤光栅传感基原理介绍光纤光栅基概念结构特征分类中着重介绍光纤布拉格光栅外说明光纤光栅传感原理光纤光栅传感器途
第三章光纤光栅电压传感器设计介绍光学电压传感器基类型详述晶体逆压电效应着重介绍光纤光栅电压传感器结构设计
第四章解调系统设计设计整系统框图介绍种常光纤光栅传感信号解调方法述光电探测电路设计进行相关实验数分析
第2章 光纤光栅传感器基原理
光纤传感领域光纤光栅传感技术十年发展迅速技术传感系统身应领域均发展文章介绍光纤结构光纤光栅性指标传感原理叙述光纤光栅传感器民工程结构航天器船舶航运电力工业石化工业医学传感核工业中应
21 光纤光栅基概念
光纤光导纤维简写种利光玻璃塑料制成纤维中反射原理达成光传导工具光纤光栅光导纤维基础发展衍生面分光纤光纤光栅做详细介绍
211 光纤
光纤通信技术十年迅猛发展理体系逐渐完善光纤基结构十分简单般四部分组成：纤芯包层涂敷层护套光纤纤芯折射率周围包层略高光学材料制作成折射率差异引起全反射引导光线纤芯传播图21示纤芯包层折射率差需相差约1光纤包层外围保护光纤层面结构图22示然类型光纤纤芯包层
尺寸差图22中果1~3常称作裸光纤部分1~4般构成外径900μm光纤形式外观颜色白色颜色1~6般构成外径2mm3mm光纤形式外观般黄色橙色两种
数光纤高纯玻璃制造极掺杂调整光纤折射率化学角度讲通信纯光纤材料纯二氧化硅医传光纤明光纤低纯度玻璃制造光纤塑料做成然没玻璃光纤样透明场合显灵活易少数光纤塑料做包层材料般情况塑料作机械保护外部涂敷层
212 光纤光栅
光纤光栅利光纤材料光敏性（外界入射光子纤芯锗离子相互作引起折射率永久性变化）纤芯形成空间相位光栅作实质纤芯形成窄带（透射反射）滤波反射镜利特性构成许性独特光纤源器件（利光纤光栅窄带高反射率特性构成光纤反馈腔等）光纤身具低耗传输抗电磁干扰质轻径细柔韧化学稳定电绝缘等优点光纤光栅易光纤系统集成光纤光栅光纤通信光纤传感光信息处理等领域均着广阔应前景
（1）光纤光栅分类
光纤光栅结构空间周期分布否均匀分周期性光栅非周期性光栅两类周期结构器件制造简单特性受限制非周期结构制造复杂特性容易满足种求光纤光栅功分滤波型光栅色散补偿型光栅两类色散补偿型光栅非周期光栅称啁啾光栅光纤光栅质讲通波导光波相互作光纤中传输特定频率光波原前传输限定纤芯中模式耦合前传输限定包层纤芯中模式特定透射反射谱特性
均匀周期光纤光栅分光纤布拉格光栅闪耀光纤布拉格光栅长周期光栅非均匀周期光纤光栅分啁啾光纤光栅相移光纤光栅莫尔光纤光栅切趾光纤光栅超结构光纤光栅
（2）光纤布拉格光栅
光纤布拉格（Bragg）光栅早发展出种光纤光栅应广种光纤光栅光纤布拉格光栅折射率呈固定周期性调制分布调制深度光栅周期均常数光栅波矢方光纤轴线方相致图23示宽带光源发射光光纤布拉格光栅时满足布拉格相位匹配条件光会产生强反射满足布拉格相位匹配条件光微弱部分反射回类光纤光栅通信传感领域广泛应
目前作商品生产光纤布拉格光栅典型技术数：
（1）中心波长：980nm1020nm1550nm
（2）波长准确度：02nm
（3）反射率：0~99
（4）带宽：01~02±10nm
（5）插入损耗：< 01dB
光纤布拉格光栅需较长光栅长度（典型达十厘米）
22 光纤光栅传感原理
光纤传感器十年迅速发展起种新型传感器种类繁高分辨率测量许物理参数（温度压力位移加速度电流等）传统机电类传感器相光纤传感器具优势：质防爆抗电磁干扰电绝缘性抗腐蚀耐高温体积重量轻灵敏度高灵活方便恶劣环境工作光纤传感器应范围非常广泛具观应前景
光纤传感器传感原理分两类类称功型传感器光纤测信号兼敏感传输作具传感合特点类称非功型传感器光纤仅起传输作测信号感觉利光学敏感元件完成光波光纤中调制机理分：光强调制型相位调制型偏振态凋制型波长调制型等种形式[24]传统光纤传感器绝部分光强调制型相位调制型前者种利测量变化引起光纤中光强发生变化光纤传感器信息读取测量光强光源起伏光纤弯曲损耗连接损耗探测器老化等素会影响测量精度者利测参量光学敏感元件作敏感元件折射率传感常数光强发生变化光相位测参量变然干涉仪进行解调信息读取观察干涉条纹变化求干涉条纹清晰干涉条纹清晰求两路干涉光光强相等频率相振动方相相位差恒定光纤光路灵活连接方便等优点折扣种传感器种程传感器状态传感器必须固定参考点样光纤传感器应带难度
光纤光栅传感器具普通光纤传感器许优点外明显优光纤传感器方[25]中重传感信号波长调制具106~102四数量级线性响应绝测量良重复性传感机制处：（1）测量信号受光强起伏光纤弯曲损耗连接损耗探测器老化等素影响（2）避免般干涉型传感器中相位测量清晰固参考点需（3）方便波分复技术根光纤中串接布拉格光栅进行分布式测量外光纤光栅容易埋入材料中部应变温度进行高分辨率范围测量插入损耗低窄带波长反射提供利根单模光纤复实现光纤网络中星型环型串联联连接诸优点聚集身光纤光栅传感器认实现光纤灵巧结构理想器件光纤光栅首次传感直倍受国际科研员广泛关注取持续快速发展
221 光纤光栅传感器基原理
耦合波理满足相位匹配条件时光栅布拉格波长：
（21）
式中：λB布拉格波长neff光纤传播模式效折射率Λ光栅周期
布拉格波长峰值反射率透射率：
（22）
（23）
式中：Δnmax折射率变化量L光栅长度出Δn越反射率越高反射谱宽度越L越反射率越高反射谱宽度越窄
图24示宽带光源射入光纤光纤光栅会波长式（21）光反射回光绝部分透射光栅反射光中心波长信号λB光栅周期纤芯效折射率neff关外界测量引起光纤光栅温度应力改变时会导致反射中心波长变化说光纤光栅反射光中心波长变化反映外界测信号变化情况光纤光栅中心波长温度应变关系：
（24）
式中：光纤热膨胀系数
光纤材料热光系数
光纤材料弹光系数
1550nm窗口中中心波长温度系数约103pm℃应变系数1209pmμε果FBG封装温度增敏材料应变增敏材料中提高温度应变系数灵敏度进更测量精度
222 光纤光栅传感器基指标
设计传感器测量方法时应该仔细考虑FBG特征指标通指标满足特殊应面针应变测量谈谈光纤光栅传感器性指标
（1）传感器波长
传感器波长指FBG反射谱中尖峰中心波长峰值波长着应变温度改变改变温度升高应变增时FBG传感器峰值波长变长数FBG查询系统工作50nm窗口范围1520nm1570nm
（2）反射率
光纤光栅反射率越高返回测量系统光功率越相应测量距离越长反射率越高带宽较窄光栅越稳定果反射率越噪声影响越波长查询仪工作求越高影响测量精度获性推荐光栅反射率应该>90单纯强调高反射率时时考虑边模抑制说反射率决定信号强度边模抑制决定信噪
（3）传感器带宽
传感器带宽FBG 反射峰应带宽理FBG带宽越测量精度越高实际制作工艺水行精度合理值应该02nm03nm间通常取025nm外般解调设备峰值探测算法通常假设带宽025nm谱形光滑高斯型基础设计出带宽宽会降低波长测量准确性然带宽峰型行波长准确性会产生定影响
（4）传感器长度
传感光栅长度决定测量点精确程度理光栅长度越测量点越精确实际制作光栅时综合光栅种参数光栅越短反射率越低带宽越宽短光栅反射率带宽难达求三者间做中025nm带宽推荐传感器光栅物理长度应10nm长度适合数应然通改变带宽长度满足定求
然传感器指标仅仅考虑边模抑制传感器波长间隔缓区等指标
23 光纤光栅传感器应
光纤光栅传感器许拓展应领域早期军事应领域扩展诸建筑水利公路桥梁隧道边坡等民领域领域[2630]
民工程中结构监测光纤光栅传感器应活跃领域领域光纤光栅传感器已商品化基础结构状态力学参数测量桥梁坝隧道高层建筑运动场馆维护关重通测量建筑物分布应变预知局部负载状态光纤光栅传感器贴现存结构表面浇筑时埋入结构中结构进行实时检测监视结构缺陷形成生长外光纤光栅传感器串接成网络结构进行分布式监测传感信号传输长距离送中心监控室进行遥测民工程中光纤光栅传感器成结构监测重手段目前应光纤光栅传感器领域数桥梁安全监测
航空航天业传感器密集方架飞行器监测压力温度振动燃料液位起落架状态机翼方舵位置等需传感器达100传感器尺寸重量显尤重光纤光栅传感器根光纤敏感元件（光栅）制作纤芯中尺寸重量轻角度讲没传感器相航空航天业光纤光栅传感技术非常重视先进复合材料制造航空航天结构（机翼部件）必然趋势金属材料相先进复合材料具抗疲劳抗腐蚀重量轻等优点尤容易复合材料结构制造程中光纤光栅传感器埋入中实现飞行器运行程中机载传感系统实时健康性监视样减少飞行器重量缩短检查时间降低维护成改善性
光纤光栅传感器应方面唯飞行器相提船舶着船载控制系统复杂性断增加求越越精巧传感器引入整船舶需传感器数量断增唯限制传感系统成光纤传感器够现代船舶操作提供瞬时丰富传感信息进通提供船舶操作员需早期危险报警损伤评估保证船舶安全
电力工业中设备处强电磁场中般电类传感器法情况需高压区设备进行测量高压开关高压变压器绕组发电机定子等方温度位移参数实时测量方测量需传感器具绝缘性体积源器件光纤光栅传感器进行参数测量佳选择电力设备常位难达方荒山野岭漠荒原中传输电缆中继变电站分布式光纤光栅传感系统遥测力极减少设备维护费光纤光栅传感器电力工业中应前景
石化工业属易燃易爆领域电类传感仪器诸油气罐油气井油气等方测量存安全素光纤光栅传感器质安全性非常适合石油化工领域里应永久连续井传感利油田理优化发展目前少数油井永久连续井油田监控系统电类传感器高温操作长期稳定性求限制电类传感器光纤光栅传感器抗电磁干扰耐高温长期稳定抗高辐射非常适合井传感外石油碳氢化合物种害物质输油储油罐泄漏非常危险果时探测定位修复会造成严重环境污染甚灾难性果开发探测定位碳氢化合物泄漏快速反应系统非常重
医学应中传感器尺寸着非常重意义光纤光栅传感器现够做传感器光纤光栅传感器够通限度侵害方式体组织功进行部测量提供关温度压力声波场精确局部信息光纤光栅传感器体组织损害非常足避免正常医疗程干扰许医学应中传统热电耦热敏电阻温度计适高频电流微波激光进行热疗法代外科手术越越受医学界关注增诊断超声系统超声波输出拓宽高密度超声波医疗应种趋势医疗实践中强电磁场超声波压力场会体组织局部产生厘米十度温度梯度精确测出温度分布非常必光纤光栅传感器基实现
核工业量产生重组成部分核工业高辐射方核泄漏整类说极威胁核电站安全检测极重核电站包括两系统：原子蒸汽供系统包括工厂核反应堆水蒸汽间起转换作蒸汽驱动装置泵道等受蒸汽驱动涡轮式发电系统原子蒸汽供系统供电核装置老化需更维护修理终必须拆设计时预见需更传感器监控设备处理确定情况时核废料理变越越重需监测网络监视核废料站状况监视网络长期稳定求前未光纤光栅传感器核反应堆安全生产中已成关键检测技术
总光纤光栅传感器应方兴未艾领域着非常广阔发展前景
24 章结
章节介绍光纤光纤光栅基概念结构特征分类情况着重介绍光纤布拉格光栅工作机理光纤布拉格光栅典型生产技术指标外介绍光纤光栅传感器分类分析光纤光栅传感器基原理光纤光栅传感器性指标展光纤光栅传感器美前景叙述光纤光栅传感器民工程航空航天事业船舶制造业电力工业石化工业医学应核工业等方面途
第3章 光纤光栅电压传感器设计
电压传感器种类繁基光纤光栅电压传感器年着光纤光栅传感技术迅猛发展兴盛起章节务设计电压传感器基光纤光栅传感探头
31 光学电压传感器基类型
光学电压传感器种类传感探头种类增加增加传感探头利Kerr效应利Pockels效应利晶体逆压电效应利光纤FabryPerot腔波长调解等等面介绍种光学电压传感器原理
311 基Kerr效应光学电压传感器
克尔效应（Kerr effect）指放电场中物质分子受电场力作发生取（偏转）呈现异性结果产生双折射（两方物质光折射力）现象1875年克尔发现种电光效应观察克尔效应实验装置图31示[31]
盒装某种液体（硝基苯）行板电容器浸入中加电压产生横电场克尔盒放置两正交偏振片P1P2间电场时液体性光通P2施加电场时液体具单轴晶体性质光轴电场方时光通P2实验表明 电场作折射率差电场强度方成正电场改变时通P2光强着变化克尔效应光波进行调制根机理制成基克尔效应光学电压传感器克尔效应弱介质折射率变化量外加电场强度线性关系
312 基Pockels效应光学电压传感器
Pockels效应指光学晶体材料电场（电场方光传播方致）作改变异性性质产生双折射效应双折射现象电场强度变化呈线性关系1893年德国物理学家FCAPockels发现助双折射效应干涉方法精确测量外加电场（电压）变化基理制作Pockels效应光学电压传感器光电测量结构图32示[32]
基Pockels晶体电光效应电压传感器直接测量晶体两端电压需测量电场种测量方式免受邻相电场干扰电场影响种电光效应电压传感器许身法克服缺点光学器件加工粘接封装等工艺较复杂利规模生产
313 基逆压电效应光学电压传感器
压电效应分正压电效应逆压电效应正压电效应指：晶体受某固定方外力作时部产生电极化现象时某两表面产生符号相反电荷外力撤晶体恢复带电状态外力作方改变时电荷极性改变晶体受力产生电荷量外力成正逆压电效应指晶体极化方施加交变电场引起晶体机械变形现象正压电效应逆程基原理利逆压电效应引起晶体形变转换光信号通解调检测光信号实现电压光学传感
(1) 石英晶体
石英晶体天然结构理想外形正六面体晶体学中三根互相垂直轴线表示中轴Z光轴正六面体棱线垂直光轴电轴X光轴电轴垂直机械轴Y着石英晶体电轴方施加电压时晶体会机械轴方产生伸缩原理通光学元件精确测量石英晶体机械轴应变出测电压
(2) 压电陶瓷
压电陶瓷（PZT）种工极化处理晶体材料（般Z方极化）种类铅软酸铅系列压电陶瓷妮酸盐系列压电陶瓷够实现机械电互相转换功具敏感特性电信号转换微弱机械形变信号果光纤光栅横贴压电陶瓷切片机械轴极化方施加电压结果压电陶瓷发生机械形变引起光纤光栅栅距发生变化室温25℃条件单层压电陶瓷片电致伸缩特性微弱目前已广泛采压电堆叠提高压电陶瓷形变量种压电陶瓷陶瓷薄片堆叠成形变量干压电陶瓷片形变量文选压电陶瓷锆钛酸铅压电陶瓷压电叠堆片数150片尺寸10mm×10mm×40mm压电应变常数d31>700pCN
32 光纤光栅电压传感器系统设计
现技术条件设计光纤光栅电压传感器般需考虑八方面问题[3335](1)光纤光栅机械性光学性机械性指光纤光栅抗拉抗弯等性光学性指光栅反射率透射率波长带宽等光学参数环境变化(2)光纤光栅寿命利光纤光栅时间温度变化特性定量评估光纤光栅寿命(3)光纤光栅封装实光纤光栅应良封装般应考虑适衬底材料粘贴材料否会影响寿命(4)交叉敏感消光纤光栅应力应变温度等种参量程度敏感性(5)增敏敏通特种材料封装提高期参量传感灵敏度弱化关参量传感灵敏度检测中剥离滑光参量(6)宽光谱高功率光源获取光纤光栅传感器欲扩测量范围应宽光谱光源欲提高检测信噪应高功率输出光源(7)波长位移检测光纤光栅基础传感器传感量波长单位微位移传感系统中应精密波长波长检测装置(8)光检测装置分辨率基光纤光栅传感系统检测灵敏度直接取决检测波长变化灵敏度
321 光纤光栅电压传感器结构
光纤光栅传感系统部分构成：宽带光源光纤三分贝耦合器光纤光栅压电陶瓷中光源易传播信号转换易光线中传播光信号光纤里面起着传输光信号作耦合器作提供更信息传输路径器件光纤光栅压电陶瓷均感应器件中压电陶瓷感应测电压变化光纤光栅感应压电陶瓷机械形变光纤光栅电压传感器结构示意图：
图33外加电压作压电陶瓷压电陶瓷发生形变时贴附压电陶瓷光纤光栅栅距会着发生变化宽带光源发出宽谱光3dB耦合器入射光纤光栅光纤光栅栅距调制反射光携带外加电场信息分析反射光出外加电压信息
322 光纤光栅电压传感系统光源
光纤光栅传感系统光源作电信号转换光信号便光纤中传输目前光纤光栅传感系统中常光源：半导体发光二极LED半导体激光器LD半导体分布反馈激光器DFB等[36]
发光二极（Light Emiting Diode LED）利发辐射效应发光发辐射中产生光子具机方相位偏振态彼光出射光非相干光谱线较宽30mm60mm间辐射角度较低速率数字通信较窄带宽模拟通信系统中LED选佳电源驱动电路较简单产量高成低
半导体激光器（Laser Diode LD）利受激辐射原理发射光受激辐射中处高态电子受入射光子激发跃迁低态发射光子发射光子入射光子具相方频率相位偏振态样入射光放出射光相干光种发光器件体积价格低调制方便注入电流输出光功率呈线性关系直接产生激光振荡
半导体分布反馈激光器（DFB）利刻源区侧折射率周期变化波纹光栅提供激光振荡波纹光栅材料折射率周期性变化形成受激辐射产生光子提供周期性反射点定条件反射光相叠加产生激光振荡激光器具极强波长选择性实现发光波长单模式工作DFB激光器谱线窄线宽约普通型激光器线宽十分色散影响降低实现超高速传输
323 光纤光栅电压传感器应变理分析
光纤光栅布拉格衍射条件
(31)
式中λB反射光波长Λ栅距n纤芯效折射率
光纤产生应变时光纤光栅栅距折射率会发生变化引起反射光波长移动
(32)
式中ΔΛ栅距变化Δn折射率变化
光纤产生应变时折射率变化
(33)
中
(34)
式中ε横应变μ泊松
典型石英光纤参数n146μ016P11012P12027P022假设
(35)
式中L光纤光栅长度ΔL光纤光栅长度变化量式（32）改写
(36)
该式光纤光栅应变测量般公式
压电媒质中电学参量力学弹性参量间关系第类压电方程表示：
（37）
（38）
中iα123456jβ123
式（37）（38）中 Sα应变电场强度E常数时弹性柔系数 Ti应力 djα压电应变常数 Ei电场强度Dβ电位移应力T常数时介电常数
压电陶瓷机械电间相互耦合关系逆压电效应机电耦合系数K定义：
(39)
式中 Eec电转换成机械Eie输入电
图（34）示压电陶瓷Z轴方施加定电压陶瓷会产生X轴方横应变压电陶瓷横机电耦合系数K：
（310）
式中 d31压电陶瓷压电应变常数压电陶瓷恒定应力介电常数压电陶瓷恒定电场中弹性柔常数标13分表示机械位移方电场强度方
两电极间施加低频直流电压U压电陶瓷等效行板电容器储存电：
（311）
式中A压电陶瓷电极面积d电极间厚度
压电陶瓷种弹性体材料弹性理：准静态绝热理想弹性形变程中弹性体形变变形状态函数剪应力剪应变分量零X轴应力应变时压电陶瓷产生形变变形：
（312）
式中轴杨氏模量横应变
温度恒定考虑电压变化条件（36）（310）（311）（312）式光纤布拉格光栅电压传感关系式：
（313）
课题采压电陶瓷干瓷片堆叠成形变量干压电陶瓷片形变量表示：
（314）
式中ΔL压电叠堆形变量n压电叠堆中压电陶瓷片数量 d31横压电应变常数
（314）式代入（313）中：
（315）
式光纤光栅布拉格波长变化测电压关系式显易见光栅布拉格波长变化ΔλΒ测电压U间线性关系
33 章结
章节介绍基Kerr效应OVT基Pockels效应OVT逆压电效应OVT述说工作原理课题设计选部分传感原理基晶体逆压电效应着重介绍产生逆压电效应机理列举产生逆压电效应两种常晶体—石英晶体压电陶瓷课题设计选传感部分光纤光栅利光纤光栅微距变化灵敏特性检测压电陶瓷逆压电效应产生应变章节中心环节电压传感器设计电压传感器两传感部位（电压变化传感压电陶瓷应变传感）已构思理推导工作已完成章节务光纤光栅传感信息进行解调
第4章 解调系统设计
光纤光栅反射回布拉格波长光信号携带外加电压信息反射回光信号解调极重光纤光栅传感信号解调方法光谱仪解调法波长解调法调谐滤波器解调法CCD分光仪解调法干涉仪解调法等等课题采光纤FabryPerot滤波器解调法解调部分包括FP腔滤波器光电探测系统数采集系统
41 系统总体设计
系统工作原理：（1）外加电压作磁致伸缩材料——压电陶瓷发生形变引起贴附光纤光栅栅距发生变化栅距反射特定波长光波(2)宽带光源发射宽谱光耦合器入射光纤光栅时光纤光栅特性带外加电压信息布拉格波长光波反射回（3）反射光波3dB耦合器进入FP腔调解光电探测器接收转换电信号（4）电信号通滤波放电路处理功数采集板接受传送计算机实时处理图41光纤光栅电压传感器总体设计框图
42 光纤光栅传感信号解调技术
制作传感器目精确测量记录踪测信息变化全程信号检测传感系统中关键技术传感解调系统实质信息（量）转换传递检测系统准确迅速测量出测信号幅度失真现测信号时间变化程解调光波信号光纤光栅传感信息解调方案包括强度解调相位解调频率解调偏振解调波长解调等等方法长适传感系统需求中波长解调技术具感测信息进行波长编码中心波长处窄带反射必光纤连接器耦合器损耗光源输出功率起伏进行补偿等优点广泛应
421 种常解调技术
光纤光栅传感系统中中心波长漂移量ΔλΒ直接检测方法光谱分析仪检测工作原理图（42）示
光谱仪中通调节衍射光栅角度衍射光栅分离出波长分离出特定光波反射镜聚焦光阑孔（探测器）旋转衍射光栅波长范围进行扫描光谱仪进行测量光功率信噪信道增益方面够较理想结果波长进行测量分辨率达0001nm基满足光栅Bragg波长漂移量测量光谱仪价格偏高适宜普通户扫描慢适宜实时性求较高场合体积携带方便适宜户外现场检测
然种解调方法波长计解调法边缘滤波器解调法调谐滤波器解调法波长调谐光源解调方法CCD分光仪解调法傅里叶变换光谱解调法干涉仪解调法等等[3738]中波长计解调法测量精度非常高达00004nm系统噪声台功率测量方面光谱分析仪边缘滤波器解调方法基光强检测适动态静态测量具较线性输出测量范围探测器分辨率成反优点采较补偿措施够效抑制光源输出功率起伏连接干扰微弯干扰等利素系统反应快成低方便足处系统体积光学滤波器元件测量精度受严重影响调谐滤波器解调方法中滤波器光谱光栅匹配时输出值相应踪波长变化传感光栅波长移位关窄带扫描光滤波器扫描时间采样间隔成反测量精度受返回信号信噪限制受调谐滤波器传感光栅带宽限制波长谐调光源解调方法优点光纤激光器获宽带光源高信噪获高分辨率足处高精度PZT调谐器价格通常昂贵调谐范围限CCD分光仪解调法优点响应时间快抗干扰力强足处波长分辨率影响素较干涉仪解调法出高分辨率相位检测法消温度变化导致干涉仪相位漂移适准静态检测谐调滤波器解调法中种方法做基光纤FabryPerot滤波器解调法具体积价格低精度高等优点直接输出应波长变化电信号种较解调方法面详细介绍基光纤FabryPerot滤波器解调法工作原理
422 基光纤FabryPerot滤波器解调技术
FabryPerot腔作窄带滤波器定波长范围行光入射FP腔满足相干条件某特定波长光发生干涉产生相干极利FP腔特性FBG传感器反射回波长进行检测
调谐FP腔结构示意图图43示反射回光通聚焦透镜变成束行光进入FP腔出射行光聚焦透镜汇聚探测器构成FP腔两高反射镜固定外力作移动调节FP腔长H压电陶瓷PZT具较电机械转换特性外加电动势作产生形变压电陶瓷施加扫描电压压电陶瓷产生伸缩改变FP腔腔长透FP腔光波长发生改变果FP腔透射波长FBG反射波长吻合探测器探测光强时PZT施加电压V应着FBG反射波长通检测透射光强反射波波长进测参量
FabryPerot滤波器左侧入射光镜面间次反射右侧透射光实际光束干涉光波长满足相长干涉条件时透射谱中相应波长位置出现峰值相反满足相消干涉条件时会出现波谷面讨FabryPerot滤波器光束干涉设高反射面镜反射系数（反射波振幅入射波振幅）r透射系数（透射波振幅入射波振幅）t反射镜表明反射率R透射率Trt关系：根光束干涉原理出反射传输函数：
(41)
(42)
式中光腔回反射次相位差写：中nH分腔材料折射率腔长度λ光波长定义FP干涉仪谱宽（Free Spectral RangeFSR）两透射峰间频率（波长）间隔表示：
(43)
精细度定义谱宽（FSR）谐振峰线宽（W）表示：
(44)
根公式（42）R取值时透射图图（44）示紧极值附区域处透射光强度非常R越精细度F越
精细度F谱FSRΔλ表示FP传输函数式（42）表示：
(45)
设谐振峰处波长(m整数)偏离峰值处时
(46)
时利式（44）中W线款
(47)
假设两FP滤波器谐振峰值线宽相两FP级联复合滤波器传输函数表示：
（48）
线宽复合滤波器压窄线宽利提高精细度
43 光电探测电路设计
光电检测技术光学电子学相结合产生门新兴检测技术实现目解调光信号转换容易处理电信号进步通电路放处理达电信号输出目实现信息传递储存控制计算显示
光信号转换电信号关键器件光电探测器利光电效应（光电子发射效应光电导效应光生伏特效应光磁电效应等）探测光信息转变电信息器件[39]灵敏度响应时间响应波长等特征参数直接影响光电系统总体性探测器工作效应类：
光电子发射器件：光电光电倍增属外光电效应型
光电导器件：单晶型晶型合晶型等光敏电阻属光电效应型
光生伏特器件：雪崩光电光电二极等属光电效应型
较种光电探测器件性知光电二极频率响应时间响应光电线性特性灵敏度等方面较探测器光电二极输出电流外加电压低暗电流长期工作稳定性光电二极微弱快速光信号探测方面着非常广泛应光电二极中PIN二极具更特性试验中选PIN二极
半导体材料光吸收遵指数规律：
（49）
式中α(λ)光波长λ时吸收系数P0入射光探测器光功率P(x)距离x处吸收光功率
果耗区宽度ω考虑光电二极入射面反射率Rf光功率吸收产生均光电流IL式出：
（410）
中q电子电荷量hυ光子量
光情况PIN光电二极PN结伏安特性：
（411）
式中I0PN结反饱电流V包括外电压光电压实际结电压k玻尔兹曼常数T功探测器工作温度
应时求光伏探测器工作线性范围器件似短路方式工作输出电流：
（412）
光伏探测器件趋理想条件时：
（413）
中η光电探测器量子效应
（414）
相短路电流I入射探测器光功率P0成正受工作温度影响
光伏探测器感测输出电流容易受噪声干扰需设计性良低噪声前置放电路电流进行放驱动续电路工作[4041]图45光电探测原理框图
图46实现光电探测电路原理图中外反馈电路探测器输入光功率具高分辨率测量范围减电路噪声电压输出
（415）
中f信号频率R1反馈电阻信号频率范围
（416）
图46中A2R3R4C2组成反馈电路RC元件控制运算放器A2增益响应特性直流情况该反馈开路时运放开环增益两放器增益积合理设置R4R3值减噪声带宽
图中R2补偿R1造成直流误差R2联电容Cp消噪声干扰
外反馈电阻联电容C1消振电容果考虑反馈电容C1作输出噪声电压
（417）
考虑反馈电容C1输出噪声电压变
（418）
见加入反馈电容C1减少输出噪声电压C1值确定根信号频率求计算
（419）
实验中选材料InGaAsPIN光电二极接收面积灵敏度高结电容暗电流低放器选BURR—BROWN 公司提供低偏置电流单片运放OPAl29根测工频信号求分取
44 信号处理寻址设计
果示波器连接图46输出端子V0时实时显示探测连续模拟信号该信号实际传感器传感测电压信息便精确取值果想线数字显示需进行模数转换面信号处理信息线观测进行设计
线观测系统结构框图图47示FP腔出光信号光电信号转换电路转换电压信号V0该电压信号V0数采集卡处理数输送计算机
首先介绍种数采集板图48PCI7484数采集卡实物图PCI7484功数采集板工业PC机设计种功IO接口板板12位单端16路差分8路AD输入信号4路12位独立DA输出信号32路开关量输入输出信号3路定时光隔脉记数信号该板适种工业现场数测量控制中断查询方式工作占连续16IO址PCI7484板集成度高功强性数采集稳定价格低深受户欢迎综合种素考虑文选择功全位PCI7484数采集卡
图48 PCI7484功综合板
PCI7484模拟量输入ADDA输出脉信号XS1 37芯D型孔头接入通改变跳线器选择ADDA电压输入输出范围具体工作流程参PCI7484功综合板说明书图49PCI7484数采集卡工作原理图
图49 PCI板工作原理图
基PCI7484数采集卡光电探测数采集系统需模拟电压信号数进行实时采集存储处理显示图410数采集系统软件设计流程图
图410数采集系统软件流程图
45 实验数分析
实验中光纤布拉格光栅布拉格波长λB1551136nm压电陶瓷选片数n150锆钛酸铅压电陶瓷堆叠片尺寸10mm×10mm×40mm参数代入第三章（315）式：
（420）
该式光纤布拉格光栅布拉格波长漂移量外加电压理关系式
实验程中直流稳压电源压电陶瓷进行控制逐渐改变控制电压值利设计解调系统监测布拉格波长变化情况
室温25℃电压变化范围0~150V变化步长10V情况光纤布拉格光栅布拉格波长λB进行测量起始电压0VλB1551136nm测量数表41
表41外加电压光栅布拉格波长数处理表
U(V)
10
20
30
40
50
λB(nm)
1551243
1551321
1551485
1551576
1551601
ΔλB (nm)
0107
0078
0164
0091
0025
U(V)
60
70
80
90
100
λB(nm)
1551751
1551797
1551906
1551963
1552168
ΔλB (nm)
0150
0046
0109
0057
0205
U(V)
110
120
130
140
150
λB(nm)
1552189
1552291
1552413
1552521
1552605
ΔλB (nm)
0021
0102
0122
0108
0084
科学研究工程计算中常需组测量数（xy）出发寻找变量xy函数关系式时难找xy间精确表达式时根观察点数值利二曲线拟合构造似解析式利该方法拟合出函数曲线然保证通样点逼充分反映已知数间数量关系种方法生产实践科学实验中广泛应课题实验数MATLAB环境采二法处理结果：
Linear model（线性模型）Poly1：
f(x) p1*x + p2
Coefficients（系数）(with 95 confidence bounds)：
（1）p1 0009674 (0009305001004)
（2）p2 15510 (15511551)
Goodness of fit（拟合度）：
（1）SSE：001409
（2）Rsquare（拟合系数）：09956
（3）Adjusted Rsquare（调整拟合系数）：09953
（4）RMSE（均方根误差）：003172
拟合外加电压光纤光栅布拉格波长关系式：
（421）
图411外加电压光纤光栅布拉格波长关系图
理外加电压光纤光栅布拉格波长漂移间关系拟合参数：SEE001409R209956RMSE003172外加电压光纤布拉格光栅布拉格波长漂移量间关系图412示
两者间拟合关系式：
（422）
图412拟合函数式（422）定条件外加电压波长漂移间基呈线性关系实验结果理分析基符合
46 章结
章首先光纤光栅电压传感器总体设计思路作详细说明设计原理框图针解调系统模块作细致研究：首先介绍种常光纤光栅信号解调方法选FP腔滤波器解调方法作设计基解调方法次设计光电转换电路包括光电接收器件滤波电路信号放电路设计数线观测系统中器件PCI7484数采集卡实现数采集文实验测量数进行分析结果表明外加电压布拉格波长漂移量呈线性关系
结
文阅读量相关文献基础课题研究背景光学电压互感器国外状况光学电压传感器存问题进行简概述通光纤光栅传感特性进行深入分析研究设计基光纤光栅传电压传感器针系统中独立模块（电压传感探头光纤光栅传感信号解调实验数线观测）进行认真细致研究
传感系统中光源发出宽谱光波光纤传输通道耦合器进入传感光纤光栅传感光栅外场（应变场）作（静态时变）光波进行调制接着带外场信息调制光波传感光栅反射者透射耦合器进入光纤FabryPerot滤波器处理探测器接受解调输出探测器接受光谱包括外场作信息探测器检测出光谱分析相关变化获外场信息详细描述探测器接受处理信息连续模拟电压信号需进行数字化处理光电探测器输出模拟信号功数采集卡PCI7484接受处理模拟量转换数字量传送计算机实时处理
实验测量数MATLAB环境二法拟合关系式：
结果表明外加电压U反射回光纤布拉格光栅布拉格波长λΒ间呈线性关系光纤布拉格光栅布拉格波长漂移量ΔλΒ间线性关系理推导出外加电压光纤布拉格光栅反射回布拉格波长漂移量ΔλΒ间关系：
实验结果理分析基吻合出结：外加电压U布拉格波长漂移ΔλΒ成线性关系
参考文献
1 邹建龙刘晔王采堂等电力系统适光学电压传感器研究新进展电力系统动化2001(9)：6467
2 薛永乐．光学电流电压互感器发展述[J]．华通技术20025(4)： 2729
3 肖霞叶妙元陈金玲等．光学电压互感器设计试验[J]．电网技术200327(6)：4547
4 王国利郑毅郝艳捧等．变压器局部放电检测超高频传感器初步研究[J]中国机电工程学报200222(4)：154160
5 赵永鹏吴重庆光纤电压传感器研究现状应[J]仪表技术传感器1997(11)：813
6 毕卫红陈泽贵王海宝长周期光纤光栅电压传感器系统[J]压电声光200931（5）：649651
7 宋军强 周彪 杨煌普 新型光学电压互感器信号处理原理算法 电力系统动化200226(13)：5255
8 CJosemir M Cengiz Taplamacioglu Pockels HighVoltage Measurement System IEEE Transactions on Power Delivery 2000 15(1)813
9 K Hidaka Electric field and voltage measurement by using electrooptic sensor High Voltage Engineering 1999 2(23) l14
10 A Cruden Z J Richardson Optical crystal baseddevices for current and voltage easurement IEEE Transactions on Power Delivery 2003 15(1)12171223
11 肖悦娱种光纤电压传感器设计性研究[J]微计算机信息测控动化200925 (91)：2425
12 唐恕李仰耿波光学电压传感器探头电场计算分析高压电器2003639(3)：1620
13 Hill K O et alPhotosensitivity in optical fiber waveguides application fitler fabrication Appl Phys Lett 1978 (32) 647649
14 Meltz G et al Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transvers holographic method Opt Lett 1989 (14) 823825
15 郑勤红华金争郝建明解福瑶光学电压传感器进展分析激光光电子学进展2000 412（4）：14
16 S ZhengF Liu X Lu An Active Optical Fiber Current Transducer SPIE The International Society for Optical Engineering 2002 22(3)405409
17 张艳叶妙元徐雁等光电式直流电流互感器研制挂网运行高压电器200642(1)7376
18 叶国雄刘延冰张明明等500kV 组合式光学电流电压传感器电测仪表2001738（427）：2123
19 陈应林黄德祥孙志杰OET700电子式互感器结构性变压器200643(6)15
20 罗苏南叶妙元徐雁．光纤电压互感器稳定性分析．中国电机工程学报200320(12)1519
21 邹燕李鹏王峰光纤传感器光源驱动电路关键技术研究激光杂志200526(5)7879
22 孔勇发许京军张光寅功光电材料北京：科学出版社20054062
23 王晓雷吴必瑞波分析光纤电压传感器采集信号分析中应动化信息工程2007(3)：1214
24 丁王薇付连春光纤传感器分类应原理光谱学光谱分析2006626(6)：11761178
25 姜德生伟光纤光栅传感器引概况光电子激光2002413(4)：420428
26 Thursby GBetz DStaszewski W et al The Use of FBG Sensors for Damage Detection and Location in Structural Materials SPIE 2004 5502208212
27 Caponero M AColonna DGruppi M et alUse of FBG Sensors for Bridge Structural Monitoring and Traffic Control SPIE 2004 5502 480483
28 Foote P DFBG Strain sensors for aerospace smart structure[A] Proc SPIE[C] 1994 2361 162166
29 Wang Get alDigital demodulation and signal processing applied to FBG strain sensor arrays in monitoring transient loading effects on ship hull Proc of the Optical Fiber Sensors Conf (OFS212) Williamsburg VA USA 1997 612665
30 Henderson P J Current metering using bibregrating based interrogation of a conventional current transformer[A] Proc of the Optical Fiber Sensors Conf(OFS12)[C] Williamsburg VA USA 1997 186189
31 httpwtcshuaigespaceslivecomblogcnsAF6EC9A6DC7314CF460
32 张明明李红斌刘延冰基Pockels效应光学电压互感器传感器技术 2005(6)5864
33 廖延彪光纤光学北京：清华学出版社2000
34 勒伟廖延彪张志鹏等导波光学传感器原理技术北京：科学出版社1998
35 Measures R M Structural Monitoring with Fiber Optic Technology Academic Press USA 2001
36 赵勇光纤光栅传感技术北京：北京国防工业出版社20074650
37 姚远易肖进胜光纤光栅传感器波长解调技术研究进展光器件光通信技术：2007(11)4145
38 王瑜乔学光傅海威等光纤光栅传感系统信号解调新技术研究电光控制2008215(2)：8589
39 雷玉堂王庆加铭等光电检测技术北京：中国计量出版社19977477
40 刘彬张秋婵光电检测前置放电路设计XX学学报20037 27(3)：193196
41 霍戌文李伟李进等光电探测微信号放器设计浙江理工学学报2005922(3)：259262
致谢
附 录
附录1开题报告
附录2文献综述
附录3中期报告
附录4外文翻译
附录5外文原文
附录1
附录2
附录3
附录4
光纤布拉格光栅进行模态分析损坏检测
P CapoluongoC AmbrosinoS CampopianoA CutoloA Cusano：意利贝文托市Sannio学光电子部门技术科
M Giordano：分子生物细胞研究院国立研究委员会
I BoviocLLecce：意利斯市费里克学第二分校航空工程系
2005年10月9号收录
2006年4月12日接受格式修改
2006年5月30日线
摘
损坏检测定位结构安全检查关键问题针目相关技术提议未损坏损坏状态动态特征变化间存损坏通高频较信息量定位拥适带宽分辨率感测系统必带适询问系统光纤布拉格光栅传感器开发暴露结构存伤痕作第步宽频范围模态分析测试执行目证明光学器件检索高频结构动态特征作参考传感器激光普勒振动器加速器作应领域前工艺水代表开发实验结果证明光纤布拉格光栅突出优点仅仅检测损坏区程度损坏
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关键字：光纤布拉格光栅传感器（FBG）动态测量值模态分析频率响应功（FRF）结构健康检测（SHM）损坏检测
1绪
高度复杂现代结构系统损耗结合着运行高性安全需已世界工业学术结构安全检测损坏分析新方法带高度兴趣前腐蚀破裂检测系统赖声波检测效方法超声波模式分析者种实验方法检索身频率响应功机械结构动态特征（振频率振动形式阻尼率模式）传感器时间响应激励信号傅里叶变换间率线参数舒尔兹等认结构健康检测（SHM）方法基提概括损坏非损坏状态结构测量响应振动特征间差异程度损坏结构进行分类高频模式存微损伤探测定位非常效结构健康监测监视系统种强制性求较宽频带宽度连接非常低干扰中简化全部结构路技术高性事实作应领域传感系统非接触系统激光普勒振动器者电器加速器广泛应
结构健康监测应种效选择光纤传感器描述尤光纤布拉格光栅技术关键点减少规模连接固力时测量参数高阻抗衰减软化航空航天领域开发量先进合成材料具兼容性避免电磁干扰宽频带操作种路技术性
前光纤布拉格光栅成品真实结构执行模式分析航空航天应领域证根实验模式分析造卫星种元件铝制品进行测试种情况光纤布拉格光栅参加速器两者结合种结构表面光学器件第二弯曲模式谐振频率二维振动形式监测定位72120赫兹数值模拟参模拟输出初步达成较协议
外光纤布拉格光栅传感器表现嵌入式传感器航空应合成材料中进行实验研究：航空器模型机翼合成材料圆型晶体里安装器件种情况极性变化出现复杂应变场加速器作参考传感器利补偿结构复杂模型样种情况数值模拟通引传感器获结果协调测试器件补偿模式属170赫兹范围
工作中作结构健康监测原位传感器光纤布拉格光栅性开发值注意焦点尤目核实器件否宽频范围探测频率振模式振幅变化针目报道特钢构中损坏检测试验结果描述系列属损坏非损坏状态结构振态模态频率幅值变化先前步骤报道相结构执行高频（千赫兹）模态分析试验结果
2光纤布拉格光栅传感元件模态分析方法中应
种光纤光栅光纤纤芯折射率周期性半周期性永久性扰动种效应光栅宽带光源射时窄通带光谱信号反射回反射信号中心波长称作布拉格波长记做光栅物理参数关关系：
(1)
中n光纤部传播模式效折射率Λ光栅周期外界素改变（1）式参数导致布拉格波长变化尤光纤布拉格光栅收外界压力场影响变化量（包括nΛ变化）通微分获考虑（1）式两参数带入关系式获应变光学理果合成应变量光纤光栅反映话考虑偏振效应时中心波长偏移量满足面表达式：
j 方压力组成
i方偏振光
图（）应力光量计算坐标系统元素
(2)
式中n0非双折射光纤未受压力时效折射率pij弹光矩阵意子
中i23光纤传播光极化轴假设仅行光纤轴压力场显著影响布拉格光栅响应情况绑定结构振动涉较低振幅压力场测试安全进行意味着横压力致（ε2ε3）通泊松率轴方关样通利光纤pij称性[6]（8）变光偏振独立布拉格波长相关变化轴应变成例：
(3)
式中ν泊松率光纤布拉格光栅压力敏感系数标准光纤言应力光学矩阵元素泊松率典型数值：p11012p12027υ017中Sε078×106με1[6]（附录图）
光学仪器赖基连接宽频带访问滤波器低成率计技术模态分析试验里访问系统采通种啁啾强硬切趾光纤布拉格光栅获种带波长线性响应光学滤波器图2展示系统方框图图3展示通滤波器透射光谱
关图2组合光电探测器转换电压信号（υTυR）传感光栅光谱包含滤光器传播反射响应间卷积关两束探测信号电子处理取样频率总输出组成关系式[15]：
(5)
υn称作化电压程中附加系数K作补偿附加耦合
光电二 极
光学滤波器
宽带超发光电二极
光源
器反射信号υR滤光器引进光功率耗损传播反射模式时滤光器倾斜相等接受图形称线性变化滤光器情况产生标
准信号 种传感光栅光谱中心措施作布拉格波长[15]结果外赖波动强度关系布拉格波长变化布拉格波长次强烈着光栅部位局部应力关通（6）式计算出
（6）
式中Kυn标度常数λΒ0未受干扰布拉格波长通适排稳定光源带强烈变化效果着光学信道光功率损耗害微曲损耗维持类传感器利光强度灵敏操作鉴提议技术动性系统带宽仅仅局限涉单元接受电子电路图样系统具静态分辨率40nε(Hz12)@50KHz动态分辨率
波长 （nm）
反 射 率
模态分析应描述类动态测试传感器开发关基方面光纤布拉格光栅传感器结构动态特征调查关方法[3]中模态分析研究基元素报道原具输入激励信号输出相关传感器响应线性系统接机械结构结合传感器处输出电压重新获应力者位移适应适位置栅格通考虑输入置零时结构第j输出位置获激励信号第k输入采时响应傅里叶变换激励信号傅里叶变换间率获力学参数通种方法含角频率ω频率响应函数（FRFs）矩阵中排列函数获系统总响应通简单数学运算第r振动模式振脉动附频率响应函数表达式：
式中关第r种方式振脉动频率阻尼系数分第j第k相关特征量成分假设果结构容易衰减（阻尼系数趋零）特征量成分（）真实值（7）式实部零点处者虚部峰值相致反相处求出然频率（者脉动）者提供信息：传感器探头结构响应（位移应力）幅值[3]机械结构处激励传感器作作麦克斯韦相互性原理结[3]：意味着变化激励系统栅格焦点处利时传感器具优势
惯做法作模态分析测试加速器输出应考虑速率位移光纤布拉格光栅传感器情况测量应力成分应力频率响应函数光纤布拉格光栅检索调查研究结构模式特征相方法处理
附录5
Modal analysis and damage detection
by Fiber Bragg grating sensors
P CapoluongoC AmbrosinoS CampopianoA Cutolo A Cusano：Optoelectronic DivisionEngineering Department University of Sannio Piazza Garibaldi No 107 Benevento Italy
M Giordano： Institute for Composite and Biomedical Materials National Research Council (IMCBCNR) Piazzale E Fermi No 1 Portici (Napoli) Italy
I BoviocL Lecce： Department of Aeronautical Engineering University Federico II Via Claudio No 21 Napoli Italy
Received 9 December 2005 received in revised form 12 April 2006 accepted 17 April 2006
Available online 30 May 2006
Abstract
Damage detection and localization are critical issues for structural health monitoring To this aim many techniques have been proposed relating the presence of damage to variations of its dynamic features between the undamaged and damaged states Since a greater information content is localized at higher frequencies sensing systems with adequate bandwidth and resolution are required Here Fiber Bragg grating sensors with an adequate interrogation system are exploited to reveal the presence of damage on a structure As preliminary step modal analysis tests in a wide frequency range are performed in order to verify the performances of these optic devices to retrieve high frequency structural dynamic features As reference sensors laser Doppler vibrometers and accelerometers representative of the state of the art for this application field were exploited Experimental results confirm the excellent performances of Fiber Bragg gratings not only able to detect damage but also to discriminate between different damage levels
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Keywords Fiber Bragg grating sensors (FBG) Dynamic measurements Modal analysis Frequency response function (FRF) Structural health monitoring (SHM)Damage detection
1 Introduction
The high complexity and costs of modern structural systems combined with their high operational reliability and safety needs have brought to an increasing interest in new approaches for structural health monitoring (SHM) and damage analysis from both industrial and academic world Current corrosion and crack detection systems are based on acoustic emission monitoring and active methods such as ultrasound and modal analysis This latter is an experimental methodology able to retrieve the dynamic features (resonant frequencies vibration shapes and modal damping ratios) of a mechanical structure from its frequency response function (FRF) ie the ratio between the Fourier transforms of the sensors time responses and of the excitation signals Based on this line of arguments Schultz et al proposed SHM methods classifying the structures in various damage states based on the differences between vibration features extracted from the measured responses of the structure in the undamaged and damaged states Since high frequency modes are more effective to detect and localize the presence small damage one of the mandatory requirement for SHM surveillance systems is a wide bandwidth joined to a very low intrusivity and in order to simplify the overall architecture high multiplexing capability Actually as sensing systems for these applications noncontact systems like laser Doppler vibrometers or in situ electric devices like accelerometers are widely utilized
A valid alternative for SHM applications can be represented by fiber optic sensors and in particular by Fiber Bragg gratings (FBGs) Key points of this technology are reduced dimensions combined with the intrinsic capability to measure several parameters simultaneously the high resistance to corrosion and fatigue good compatibility with the most advanced composite materials exploited in the aeronautic and aerospace field immunity to electromagnetic interferences the wide bandwidth operation an excellent multiplexing capability
In recent works FBGs attitude to perform modal analysis on real structures for aerospace and aeronautic applications has been demonstrated Experimental modal analysis tests were carried out on the aluminum mock up of a component for an artificial satellite In this case both FBGs and reference accelerometers were bonded on the lower surface of this structure and optic devices were able to detect resonant frequencies and planar vibrational shapes for the first two flexural modes located at about 72 and 120 Hz in good agreement with preliminary numerical simulation and reference sensors outputs
Moreover FBG sensors performances as embedded sensors in a real composite structure for aeronautical applications were tested these devices were deployed in the spar of the wing of a composite materials aircraft model In this case a complex strain field due to their position was expected Accelerometers were exploited as reference sensors Several modes also with a complex shape were retrieved Also in this case a good agreement with numerical simulations and results obtained by reference sensors was obtained Retrieved modes for this test article belonged to range up to 170 Hz
In this work the attention is focused on the FBGs capability to be exploited as SHM in situ sensors In particular the intent is to verify whether these device can detect resonant modes frequency and amplitude variations in a wide frequency range To this aim results of damage detection tests on an ad hoc steel structure are reported Modal frequency and amplitude variations on a series of resonances belonging to the structure in the undamaged and damaged states are described As previous step results of high frequencies (up to kilohertz) modal analysis tests carried out on the same structure are reported
2 Fiber Bragg gratings as sensing elements and their application to the modal analysis method
A Fiber Bragg grating is a periodic or semiperiodic permanent perturbation of the refractive index of the core of an optic fiber As effect when a grating is irradiated with a broadband optical source a narrow band pass spectrum signal is reflected The central wavelength of this signal called also Bragg wavelength is related to the physical parameters of the grating by the following relationship
（1）
where n is the effective refractive index of the mode propagating inside the fiber andΛis the grating period Each external cause able to modify right hand terms of (1) causes a shift of the Bragg wavelength In particular when the FBG is subjected to strain fields relative variations of induced by n orΛchanges can be obtained by differentiating (1) respect to these two parameters and substituting the relationships obtained applying the strainoptic theory If complex strain is experienced by a FBG shift in the central wavelength taking into account polarization effects occurs according to the following expression
(2)
where is the effective refractive index of the unstrained not birefringent
optic fiber is the generic element of the elastooptic matrix where is the polarization axis of the light propagating along the optic fiber For bonded configuration and dynamic tests involving lower strain field amplitudes it can be safely assumed that only the strain field parallel the fiber axis significantly affects theFBG response This means that the transverse strain is uniform() and related to the axial one by the Poisson’s ratio In this wayby exploiting also the symmetry properties of the pij for the optic fibers [6] (8) becomes independent of the polarization of the light and the Bragg wavelength relative shift is proportional to axial strain
(3)
whereνis the Poisson’s ratio andis FBG strain sensitivity Typical values of strain–optic matrix elements and Poisson’s ratio for standard optic fibers are and while [6]
For these optic devices the interrogation system adopted in the modal analysis tests relies on a low cost ratiometric technique based on optical filtering combined with broadband interrogation By using a chirped and strongly apodized FBG an optic filter with a response linear in wavelength can be obtained while the transmitted spectrum of the involved filter are shown in Fig 3
With reference to the scheme in Fig 2 each voltage signal and converted by the photodetectors is related to the convolution between the sensing grating spectrum and respectively the transmission and reflection responses of the optical filter involved in The electronic processing of these two detected signals consists of taking the ratio of the difference and the sum of the outputs as follows [15]
(5)
The can be called normalized voltage In this procedure an additional coefficient K is introduced in order to compensate the asymmetry in the receiving scheme due the additional coupler used for the reflected signal the optical losses introduced by the filter and to equalize the filter slope in transmission and reflection modes In the case of linearly varying filter the so generated normalized signal is a good measure of the centroid of the sensing grating spectrum and as a consequence also of Bragg wavelength [15] Moreover it is not dependent on the intensity fluctuations but directly related to the Bragg wavelength shift which in turn is strongly related to the local applied strain along the grating region as can be observed in (6)
（6）
whereis a calibration constant and is the Bragg wavelength of the unperturbed grating By properly eliminating intensity variation effects due source instability optical losses and unwanted microbending effects along the optical chain it is possible to maintain the advantageous intensity insensitive operation of this class of sensors In light of the passive nature of the proposed technique system bandwidth is only limited by the electronic circuitry involved in the receiving unit Such a system is capable of a static resolution of and a dynamic one of [15]
A fundamental aspect related to the exploitation of this class of sensors to dynamic tests is represented by the application of modal analysis a methodology able to relate the FBG sensors responses to the dynamic features of the structure under investigation Basic element of the modal analysis approach are reported in [3] In principle a mechanical structure is approximated with a linear system having as inputs excitation signals and as outputs related sensors responses
Strain or displacement maps can be retrieved associating output values to the locations of sensors disposed on adequate location grids Mechanical parameters can be obtained by considering the features of the ratio between the Fourier transform of the response of the structure obtained at the jth output location under an excitation signal applied at the kth input when all other inputs are set to zero and the Fourier transform of this excitation signal In this way a frequency responses function （FRFs） with ω angular frequency can be obtained Arranging these function in a matrix the total response of the system can be obtained It can be shown after simple mathematical passages that each FRF in an around of rth vibrational mode resonant pulsation has the following expression [3]
(7)
where with reference to the rth mode is the resonant pulsation the damping coefficient are respectively the jth and the kth component of the related eigenvector It can be assumed that if the structure is lightly damped (ie the damping coefficient tends to zero) it all the components of each eigenvector ( ) are real quantities [3] and natural frequencies (or pulsations) can be evaluated from zero crossings of the real part of (7) or otherwise from corresponding to peaks of its imaginary part These latter give also another information the amplitude of the structure response (displacement or strain) at the point where the sensor is located [3] For the mechanical structures of interest excitations and sensors roles can be inverted as a consequence of the Maxwell’s reciprocity principle [3] this means that only a sensor can be placed while a mobile excitation system can be utilized on the points of the grid
In the common practice as outputs for modal analysis tests acceleration velocity or displacement are considered In the case of FBG sensors they measure strain components thus a strain frequency response function (SFRF) treated in the same way as the FRF to retrieve the modal feature of the structure under investigation
XX学毕业设计（文）评审意见表
指导教师评语：
成绩：
指导教师签字：
年 月 日
评阅评语：
成绩：
评阅签字：
年 月 日
XX学毕业设计（文）答辩委员会评语表
答辩委员会评语：
总成绩：
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答辩委员会席签字：
年 月 日
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科毕业设计（文）
基光纤光栅电压传感器设计
XX 学
2010年6月
科毕业设计（文）
基光纤光栅电压传感器设计
学院（系）：
专 业： 电气工程动化
学生 姓名：
学 号：
指导 教师：
答辩 日期： 2010年6月20日
XX学毕业设计（文）务书
学院： 系级教学单位：电气工程系
学
号
学生
姓名
专 业
班 级
题
目
题目名称
基光纤光栅电压传感器设计
题目性质
1理工类：工程设计 （ ）工程技术实验研究型（ ）
理研究型（ ）计算机软件型（ ）综合型（ √ ）
2理类（ ）3外语类（ ）4艺术类（ ）
题目类型
1毕业设计（ √ ） 2文（ ）
题目源
科研课题（ √ ） 生产实际（ ）选题目（ ）
容
基光纤光栅应变敏感特性设计出套电压传感系统包括：
1 应变量电压量转换装置设计
2 光纤光栅种类选择
3 光源选择测量光路设计
基
求
1．遵守毕业设计期间纪律时参加答疑
2．独立完成设计务培养基科研力
3．设计说明书份（少2万字）A1图纸张英文资料翻译少3千字说明书求条理清晰文笔通符合毕业设计撰写规范求文图纸中文字符号符合国家现行标准
4．完成相关仿真实验反映文中附件形式出编写程序清单
参
考
资
料
1参考书：Fiber Bragg Grating 光电检测技术等
2期刊：中国激光 光学学报 光子学报 光电子·激光Electronics Letters Photonics Technology Letters
周 次
第1 ～4 周
第5～8 周
第9 ～12周
第13～16周
第17～18周
应
完
成
容
查阅收集相关资料研究容进行初步学
提出设计原理设计方案
系统结构光路设计
完成文初稿修改
撰写文准备答辩
指导教师：
职称： 2009年 12月 29日
系级教学单位审批：
2010年 月 日
摘
年着国济迅速发展电力需求日益增电压等级求越越高光学电压传感器重量轻体积频带宽动态范围容量受限制便计算机相连符合电力系统测量设备数字化动化发展求拥十分广阔应前景文总结现光学电压传感器基础提出光纤布拉格光栅传感探头实现电压实时监测文容分三模块具体：
第模块简介绍课题研究背景光学电压传感器国外研究现状存问题进行分析
第二模块介绍光传输通道光纤课题涉传感探头（光纤光栅）结构重参数推基光纤布拉格光栅传感器传感特性传感原理回顾光纤光栅传感器领域应
第三模块针电压传感系统组件工作原理工作性特点进行详细分析推理完整设计基光纤光栅电压传感器文章PCI7484功数采集卡采集实验数MATLAB环境中二法实验测量数进行曲线拟合出实验结果理推导基致正确结：外加电压布拉格（Bragg）波长成线性关系
关键词 光学电压传感器光纤布拉格光栅实时监测二法布拉格（Bragg）波长
Abstract
In recently with the rapid development of economy of various countries the demand for power of electric is rising sharply and the requests of voltage grades are also more and more higher Optics voltage sensor has many advantages such as small size broad band light weight a big dynamic range capacity does not receive limits and easy to connect with the computer It accords with the development of automation and digitization of electric power system measurement equipment thus has the extremely wide application prospect Based with the conclusion of the present Optical Voltage Transformer the paper supply a measure which use Fiber Bragg grating sensors to realize voltage realtime detection The main contents of the paper are made up by three modules and the detail as follows
The first part of the paper take a brief introduction about the background of this study and the present state of the research of Optical Voltage Transformer in domestic and overseas and make an analysis about its problem which is exposed
In the second place the paper recommend the structure and the important parameter about the fiber that is the transmission channels of light and the sensor probe (Fiber Bragg Grating) which is related in the task and emphases discuss the sensing properties and principle of the sensor based on FBG then retrospect FBG sensor that used in various field
The last part analyses the function and principle of all components of system and completely design the Voltage Sensor which based on FBG Using PCI7484 multifunctions data collection cards collected data is the new creation of this paper Finally using Least square method dispose experimental data in MATLAB environment and getting the right conclusion to show that there is a linear relationship between the measured voltage and the Bragg Wavelength
Keywords Optical Voltage Transformer Fiber Bragg Grating Realtime detection Least square method Bragg wavelength
目 录
摘 I
Abstract II
第1章 绪 1
11 课题研究背景 1
12 光学电压传感器国外发展状况 2
13 光学电压传感器存问题 3
14 课题研究容 5
第2章 光纤光栅传感器基原理 6
21 光纤光栅基概念 6
211 光纤 6
212 光纤光栅 7
22 光纤光栅传感原理 8
221 光纤光栅传感器基原理 10
222 光纤光栅传感器基指标 11
23 光纤光栅传感器应 12
24 章结 14
第3章 光纤光栅电压传感器设计 15
31 光学电压传感器基类型 15
311 基Kerr效应光学电压传感器 15
312 基Pockels效应光学电压传感器 16
313 基逆压电效应光学电压传感器 16
32 光纤光栅电压传感器系统设计 17
321 光纤光栅电压传感器结构 18
322 光纤光栅电压传感系统光源 18
323 光纤光栅电压传感器应变理分析 19
33 章结 22
第4章 解调系统设计 23
41 系统总体设计 23
42 光纤光栅传感信号解调技术 24
421 种常解调技术 24
422 基光纤FabryPerot滤波器解调技术 25
43 光电探测电路设计 28
44 信号处理寻址设计 31
45 实验数分析 34
46 章结 36
结 37
参考文献 38
致谢 41
附 录 42
第1章 绪
11 课题研究背景
着电力工业快速发展电压传感器电力系统中起着越越重作具广泛应电力系统中缺基测量设备高电压电流等参数准确测量电测量继电保护系统监测诊断电力系统分析前提条件电力系统安全济运行具重意义电压传感器电力系统提供计量控制继电保护必需信息[1]着电压等级断提高电力系统规模逐渐扩传统电磁感应式电容分压式电压传感器电力系统安全运行提高电力系统动化程度增强电测量精度等方面日益暴露出缺点表现绝缘结构日趋复杂体积质量重造价高抗电磁干扰力差存铁磁饱铁磁谐振现象易爆炸等诸方面致越越适应现代电力系统发展求[25]满足高电压等级测量需电压传感器更新换代必然研制出性稳定准确度高结构简单成低现代光通信技术兼容电压传感器成研究者追求目标目前研究热点[6]
光学电压传感器OVT(Optical Voltage Transformer)作光子承载信息传输技术领域年发展起种新型电压测量装置利电光晶体特定物理效应敏感电压通光学原件感应传输晶体应变响应信号方法测量电压确保高压侧低压侧电气完全隔离作新型电压测量设备具备诸优点OVT铁心电感存铁磁谐振铁心饱克服饱导致波形畸变传统电压互感器身压降测量精度降低等问题OVT供电网测量电路效隔离绝缘难度降低OVT油消燃烧爆炸危险OVT利光纤作传输介质效避免电网强磁场测量信号干扰提高测量精度OVT引入光学系统输出信号成弱电信号更利变电站数字化[711]总具体积重量轻集成现电力设备中耐腐蚀耐高压防燃防爆安全测量精度高抗电磁干扰远距离现场测量等众优点年诸学者直研究光学电压传感器代传统电压互感器OVT测量交流电压测量直流电压瞬态电压（脉电压击电压）具非常宽频带光纤传输网联网实现遥测遥控易满足型化智化功求优点传统电压测量设备法拟国外研究员青睐[12]
12 光学电压传感器国外发展状况
着科技员光学光学材料晶体物理特性深入研究光学传感器长足发展光学电压传感器应运生光学电压传感器具传统电压互感器拟优点许国家研究机构开展光学电压传感器研究取丰硕研究成果
激光问世古老光学已分化分支光纤光学中名词出现20世纪50年代着光纤技术迅猛发展广泛应容愈演愈丰富1978年加渥太通讯研究中心KOHill等首次掺锗石英光纤中发现光纤光敏效应采驻波写入法制成世界第光纤光栅1989年美国联合国技术研究中心GMeltz等利掺锗光纤紫外光敏特性形成光纤Bragg光栅光纤光栅制作技术实现突破性进展1993年KOHill等提出相位掩膜制造法光纤光栅制造技术重发展光纤光栅灵活批量制造成着光纤光栅写入技术断完善应成果日益增光纤光栅成目前发展前途具代表性光纤源器件[1314]
新生事物光纤光栅结合理体系成熟光学介质晶体材料科研员研制出种类型光学电压传感器（OVT）基Pockels效应OVT基Kerr效应OVT基逆压电效应OVT等国外八十年代投入量力财力事OVT研究国际公司（美国ABB公司法国GECALSTHOM公司日东电住友等公司）90年代进入产品化研究目前产品电力系统中试运行1987年日日立制作挂网试运行77kV OVT1989年美国田纳西州电局挂网试运行161kV OVT1995年法国GECALSTHOM公司美国奥兰Bonneville安装525千伏复合式光纤电压电流传感器现已123 kV765 kV电压等级样机分法国利时荷兰美国加电网试运行1996年美国ABB公司研制集成MOCTEOVT光学计量单元1997年该公司已60余套光电互感器分美国加德国智利电网挂网试运行[1517]
国OVT研究始八十年代1982年海召开激光工业应座谈会起步研究单位电子部2634清华学电力科学研究院陕西电力局中心试验海互感器厂北方交通学华中科技学(原华中理工学)等绝部分研究仅限实验室探索阶段中清华学电力部电科院承担国家七·五攻关项目研究出110kV OVT样机未长期挂网运行沈阳变压器研究单位研制220kV OVT样机现场年时间退出运行1993年底华中科技学广东省新会供电局联合开发OVT样机广东新会泽变电站1lOkV电网试运行三年七月成功挂网运行年1994年12月通电力部科技司技术鉴定达国领先水(02级1l0kV)1996年德特种变压器厂新会电力局华中科技学合作开发1l0kV三相OVT1998年新会市三江变电站挂网1997年华中科技学华中电力集团合作开发500kV组合式电流电压互感器目前已完成研究通电力工业部电气设备质量检验测试中心国标进行项测试通项电磁兼容试验河南南阳变电站挂网试运行2004年中国电力企业联合会OET700系列电子式电流互感器电压互感器进行成果鉴定批量生产[1819]
综述30年研究国外OVT研究技术已趋成熟国研究起步较晚取长足发展国际领先水相距甚远课题研究具十分重意义
13 光学电压传感器存问题
然光学电压传感器正逐步趋完善真正步入实化取代传统电压互感器问题须进步深入研究电力系统电压互感器稳定性性求高稳定性性光学电压互感器解决问题影响OVT稳定性性重素运行环境温度变化环境温度方面影响OVT性[2022]
（1）光源OVT工作光源般利LED具较长寿命性高LED发射光波波长受温度影响光波波长变化导致电光效应中相位延迟变化半波电压变化影响OVT工作稳定性外LED输出光强会着驱动电流变化变化光强度变化会影响侧量精度维持LED装置温度驱动电流恒定设计OVT需解决关键问题
（2）光学晶体OVT核心敏感元件性优劣直接关系OVT稳定性晶体具电光效应（Bi12GeO20Bi4Si3O12Si4Ge3O12等）中具弹光效应热光效应等干扰效应干扰效应直接影响OVT稳定性选择合适光学晶体设计OVT关键问题
（3）光路结构OVT聚焦透镜起偏器检偏器14波片90°转角棱镜晶体等光学元件组成光学元件通光学胶粘接温度变化会引起光路系统变化试验表明光路系统温度变化具较长迟滞时间重复性较差
（4）绝缘结构OVT绝缘体起构成传感器次部分OVT目前普遍结构分压形式绝缘体采充SF6气体机材料复合绝缘子复合绝缘子高度环境温度变化会发生微变化变化会影响绝缘子光学电压传感器工作稳定性时绝缘子SF6气体压力会温度变化压力变化会影响OVT工作稳定性
外光检测模块信号放电路部分产生波形畸变等现象严重影响光学电压传感器测量精度性波分析方法采集信号分解基波信号高次谐波信号进行处理较程度提高OVT精度[23]
总提高OVT稳定性性必进步深入研究OVT传感机理研究影响OVT性种素光源光学晶体光学元件光路系统结构粘结工艺传感结构绝缘结构隔热材料隔热措施温度补偿等方面进行改进根性原理OVT系统进行性设计分析提高OVT运行性稳定性真正达实化求
14 课题研究容
着光纤光栅理研究制作方法断提高光纤光栅传感技术巨进步该领域涌现出许新型传感器课题研究目设计种基光纤光栅电压传感器设计思想：（1）利晶体逆压电原理感应外加测电压变化（2）光纤布拉格光栅横粘贴压电陶瓷感知压电陶瓷应变量（3）光纤FabryPerot滤波器解调布拉格光栅反射回波长λB光波信号（4）通光电探测器检测解调信息光信号转换容易控制电信号（5）连续模拟电压信号PCI7484功数采集卡处理处理信息传送计算机处理便线观测（6）通测量反射回布拉格波长λB漂移量计算出施加压电陶瓷电压
文结构设计：
第章绪介绍光学电压传感器研究意义国外发展状况分析现存亟解决问题
第二章光纤光栅传感基原理介绍光纤光栅基概念结构特征分类中着重介绍光纤布拉格光栅外说明光纤光栅传感原理光纤光栅传感器途
第三章光纤光栅电压传感器设计介绍光学电压传感器基类型详述晶体逆压电效应着重介绍光纤光栅电压传感器结构设计
第四章解调系统设计设计整系统框图介绍种常光纤光栅传感信号解调方法述光电探测电路设计进行相关实验数分析
第2章 光纤光栅传感器基原理
光纤传感领域光纤光栅传感技术十年发展迅速技术传感系统身应领域均发展文章介绍光纤结构光纤光栅性指标传感原理叙述光纤光栅传感器民工程结构航天器船舶航运电力工业石化工业医学传感核工业中应
21 光纤光栅基概念
光纤光导纤维简写种利光玻璃塑料制成纤维中反射原理达成光传导工具光纤光栅光导纤维基础发展衍生面分光纤光纤光栅做详细介绍
211 光纤
光纤通信技术十年迅猛发展理体系逐渐完善光纤基结构十分简单般四部分组成：纤芯包层涂敷层护套光纤纤芯折射率周围包层略高光学材料制作成折射率差异引起全反射引导光线纤芯传播图21示纤芯包层折射率差需相差约1光纤包层外围保护光纤层面结构图22示然类型光纤纤芯包层
尺寸差图22中果1~3常称作裸光纤部分1~4般构成外径900μm光纤形式外观颜色白色颜色1~6般构成外径2mm3mm光纤形式外观般黄色橙色两种
数光纤高纯玻璃制造极掺杂调整光纤折射率化学角度讲通信纯光纤材料纯二氧化硅医传光纤明光纤低纯度玻璃制造光纤塑料做成然没玻璃光纤样透明场合显灵活易少数光纤塑料做包层材料般情况塑料作机械保护外部涂敷层
212 光纤光栅
光纤光栅利光纤材料光敏性（外界入射光子纤芯锗离子相互作引起折射率永久性变化）纤芯形成空间相位光栅作实质纤芯形成窄带（透射反射）滤波反射镜利特性构成许性独特光纤源器件（利光纤光栅窄带高反射率特性构成光纤反馈腔等）光纤身具低耗传输抗电磁干扰质轻径细柔韧化学稳定电绝缘等优点光纤光栅易光纤系统集成光纤光栅光纤通信光纤传感光信息处理等领域均着广阔应前景
（1）光纤光栅分类
光纤光栅结构空间周期分布否均匀分周期性光栅非周期性光栅两类周期结构器件制造简单特性受限制非周期结构制造复杂特性容易满足种求光纤光栅功分滤波型光栅色散补偿型光栅两类色散补偿型光栅非周期光栅称啁啾光栅光纤光栅质讲通波导光波相互作光纤中传输特定频率光波原前传输限定纤芯中模式耦合前传输限定包层纤芯中模式特定透射反射谱特性
均匀周期光纤光栅分光纤布拉格光栅闪耀光纤布拉格光栅长周期光栅非均匀周期光纤光栅分啁啾光纤光栅相移光纤光栅莫尔光纤光栅切趾光纤光栅超结构光纤光栅
（2）光纤布拉格光栅
光纤布拉格（Bragg）光栅早发展出种光纤光栅应广种光纤光栅光纤布拉格光栅折射率呈固定周期性调制分布调制深度光栅周期均常数光栅波矢方光纤轴线方相致图23示宽带光源发射光光纤布拉格光栅时满足布拉格相位匹配条件光会产生强反射满足布拉格相位匹配条件光微弱部分反射回类光纤光栅通信传感领域广泛应
目前作商品生产光纤布拉格光栅典型技术数：
（1）中心波长：980nm1020nm1550nm
（2）波长准确度：02nm
（3）反射率：0~99
（4）带宽：01~02±10nm
（5）插入损耗：< 01dB
光纤布拉格光栅需较长光栅长度（典型达十厘米）
22 光纤光栅传感原理
光纤传感器十年迅速发展起种新型传感器种类繁高分辨率测量许物理参数（温度压力位移加速度电流等）传统机电类传感器相光纤传感器具优势：质防爆抗电磁干扰电绝缘性抗腐蚀耐高温体积重量轻灵敏度高灵活方便恶劣环境工作光纤传感器应范围非常广泛具观应前景
光纤传感器传感原理分两类类称功型传感器光纤测信号兼敏感传输作具传感合特点类称非功型传感器光纤仅起传输作测信号感觉利光学敏感元件完成光波光纤中调制机理分：光强调制型相位调制型偏振态凋制型波长调制型等种形式[24]传统光纤传感器绝部分光强调制型相位调制型前者种利测量变化引起光纤中光强发生变化光纤传感器信息读取测量光强光源起伏光纤弯曲损耗连接损耗探测器老化等素会影响测量精度者利测参量光学敏感元件作敏感元件折射率传感常数光强发生变化光相位测参量变然干涉仪进行解调信息读取观察干涉条纹变化求干涉条纹清晰干涉条纹清晰求两路干涉光光强相等频率相振动方相相位差恒定光纤光路灵活连接方便等优点折扣种传感器种程传感器状态传感器必须固定参考点样光纤传感器应带难度
光纤光栅传感器具普通光纤传感器许优点外明显优光纤传感器方[25]中重传感信号波长调制具106~102四数量级线性响应绝测量良重复性传感机制处：（1）测量信号受光强起伏光纤弯曲损耗连接损耗探测器老化等素影响（2）避免般干涉型传感器中相位测量清晰固参考点需（3）方便波分复技术根光纤中串接布拉格光栅进行分布式测量外光纤光栅容易埋入材料中部应变温度进行高分辨率范围测量插入损耗低窄带波长反射提供利根单模光纤复实现光纤网络中星型环型串联联连接诸优点聚集身光纤光栅传感器认实现光纤灵巧结构理想器件光纤光栅首次传感直倍受国际科研员广泛关注取持续快速发展
221 光纤光栅传感器基原理
耦合波理满足相位匹配条件时光栅布拉格波长：
（21）
式中：λB布拉格波长neff光纤传播模式效折射率Λ光栅周期
布拉格波长峰值反射率透射率：
（22）
（23）
式中：Δnmax折射率变化量L光栅长度出Δn越反射率越高反射谱宽度越L越反射率越高反射谱宽度越窄
图24示宽带光源射入光纤光纤光栅会波长式（21）光反射回光绝部分透射光栅反射光中心波长信号λB光栅周期纤芯效折射率neff关外界测量引起光纤光栅温度应力改变时会导致反射中心波长变化说光纤光栅反射光中心波长变化反映外界测信号变化情况光纤光栅中心波长温度应变关系：
（24）
式中：光纤热膨胀系数
光纤材料热光系数
光纤材料弹光系数
1550nm窗口中中心波长温度系数约103pm℃应变系数1209pmμε果FBG封装温度增敏材料应变增敏材料中提高温度应变系数灵敏度进更测量精度
222 光纤光栅传感器基指标
设计传感器测量方法时应该仔细考虑FBG特征指标通指标满足特殊应面针应变测量谈谈光纤光栅传感器性指标
（1）传感器波长
传感器波长指FBG反射谱中尖峰中心波长峰值波长着应变温度改变改变温度升高应变增时FBG传感器峰值波长变长数FBG查询系统工作50nm窗口范围1520nm1570nm
（2）反射率
光纤光栅反射率越高返回测量系统光功率越相应测量距离越长反射率越高带宽较窄光栅越稳定果反射率越噪声影响越波长查询仪工作求越高影响测量精度获性推荐光栅反射率应该>90单纯强调高反射率时时考虑边模抑制说反射率决定信号强度边模抑制决定信噪
（3）传感器带宽
传感器带宽FBG 反射峰应带宽理FBG带宽越测量精度越高实际制作工艺水行精度合理值应该02nm03nm间通常取025nm外般解调设备峰值探测算法通常假设带宽025nm谱形光滑高斯型基础设计出带宽宽会降低波长测量准确性然带宽峰型行波长准确性会产生定影响
（4）传感器长度
传感光栅长度决定测量点精确程度理光栅长度越测量点越精确实际制作光栅时综合光栅种参数光栅越短反射率越低带宽越宽短光栅反射率带宽难达求三者间做中025nm带宽推荐传感器光栅物理长度应10nm长度适合数应然通改变带宽长度满足定求
然传感器指标仅仅考虑边模抑制传感器波长间隔缓区等指标
23 光纤光栅传感器应
光纤光栅传感器许拓展应领域早期军事应领域扩展诸建筑水利公路桥梁隧道边坡等民领域领域[2630]
民工程中结构监测光纤光栅传感器应活跃领域领域光纤光栅传感器已商品化基础结构状态力学参数测量桥梁坝隧道高层建筑运动场馆维护关重通测量建筑物分布应变预知局部负载状态光纤光栅传感器贴现存结构表面浇筑时埋入结构中结构进行实时检测监视结构缺陷形成生长外光纤光栅传感器串接成网络结构进行分布式监测传感信号传输长距离送中心监控室进行遥测民工程中光纤光栅传感器成结构监测重手段目前应光纤光栅传感器领域数桥梁安全监测
航空航天业传感器密集方架飞行器监测压力温度振动燃料液位起落架状态机翼方舵位置等需传感器达100传感器尺寸重量显尤重光纤光栅传感器根光纤敏感元件（光栅）制作纤芯中尺寸重量轻角度讲没传感器相航空航天业光纤光栅传感技术非常重视先进复合材料制造航空航天结构（机翼部件）必然趋势金属材料相先进复合材料具抗疲劳抗腐蚀重量轻等优点尤容易复合材料结构制造程中光纤光栅传感器埋入中实现飞行器运行程中机载传感系统实时健康性监视样减少飞行器重量缩短检查时间降低维护成改善性
光纤光栅传感器应方面唯飞行器相提船舶着船载控制系统复杂性断增加求越越精巧传感器引入整船舶需传感器数量断增唯限制传感系统成光纤传感器够现代船舶操作提供瞬时丰富传感信息进通提供船舶操作员需早期危险报警损伤评估保证船舶安全
电力工业中设备处强电磁场中般电类传感器法情况需高压区设备进行测量高压开关高压变压器绕组发电机定子等方温度位移参数实时测量方测量需传感器具绝缘性体积源器件光纤光栅传感器进行参数测量佳选择电力设备常位难达方荒山野岭漠荒原中传输电缆中继变电站分布式光纤光栅传感系统遥测力极减少设备维护费光纤光栅传感器电力工业中应前景
石化工业属易燃易爆领域电类传感仪器诸油气罐油气井油气等方测量存安全素光纤光栅传感器质安全性非常适合石油化工领域里应永久连续井传感利油田理优化发展目前少数油井永久连续井油田监控系统电类传感器高温操作长期稳定性求限制电类传感器光纤光栅传感器抗电磁干扰耐高温长期稳定抗高辐射非常适合井传感外石油碳氢化合物种害物质输油储油罐泄漏非常危险果时探测定位修复会造成严重环境污染甚灾难性果开发探测定位碳氢化合物泄漏快速反应系统非常重
医学应中传感器尺寸着非常重意义光纤光栅传感器现够做传感器光纤光栅传感器够通限度侵害方式体组织功进行部测量提供关温度压力声波场精确局部信息光纤光栅传感器体组织损害非常足避免正常医疗程干扰许医学应中传统热电耦热敏电阻温度计适高频电流微波激光进行热疗法代外科手术越越受医学界关注增诊断超声系统超声波输出拓宽高密度超声波医疗应种趋势医疗实践中强电磁场超声波压力场会体组织局部产生厘米十度温度梯度精确测出温度分布非常必光纤光栅传感器基实现
核工业量产生重组成部分核工业高辐射方核泄漏整类说极威胁核电站安全检测极重核电站包括两系统：原子蒸汽供系统包括工厂核反应堆水蒸汽间起转换作蒸汽驱动装置泵道等受蒸汽驱动涡轮式发电系统原子蒸汽供系统供电核装置老化需更维护修理终必须拆设计时预见需更传感器监控设备处理确定情况时核废料理变越越重需监测网络监视核废料站状况监视网络长期稳定求前未光纤光栅传感器核反应堆安全生产中已成关键检测技术
总光纤光栅传感器应方兴未艾领域着非常广阔发展前景
24 章结
章节介绍光纤光纤光栅基概念结构特征分类情况着重介绍光纤布拉格光栅工作机理光纤布拉格光栅典型生产技术指标外介绍光纤光栅传感器分类分析光纤光栅传感器基原理光纤光栅传感器性指标展光纤光栅传感器美前景叙述光纤光栅传感器民工程航空航天事业船舶制造业电力工业石化工业医学应核工业等方面途
第3章 光纤光栅电压传感器设计
电压传感器种类繁基光纤光栅电压传感器年着光纤光栅传感技术迅猛发展兴盛起章节务设计电压传感器基光纤光栅传感探头
31 光学电压传感器基类型
光学电压传感器种类传感探头种类增加增加传感探头利Kerr效应利Pockels效应利晶体逆压电效应利光纤FabryPerot腔波长调解等等面介绍种光学电压传感器原理
311 基Kerr效应光学电压传感器
克尔效应（Kerr effect）指放电场中物质分子受电场力作发生取（偏转）呈现异性结果产生双折射（两方物质光折射力）现象1875年克尔发现种电光效应观察克尔效应实验装置图31示[31]
盒装某种液体（硝基苯）行板电容器浸入中加电压产生横电场克尔盒放置两正交偏振片P1P2间电场时液体性光通P2施加电场时液体具单轴晶体性质光轴电场方时光通P2实验表明 电场作折射率差电场强度方成正电场改变时通P2光强着变化克尔效应光波进行调制根机理制成基克尔效应光学电压传感器克尔效应弱介质折射率变化量外加电场强度线性关系
312 基Pockels效应光学电压传感器
Pockels效应指光学晶体材料电场（电场方光传播方致）作改变异性性质产生双折射效应双折射现象电场强度变化呈线性关系1893年德国物理学家FCAPockels发现助双折射效应干涉方法精确测量外加电场（电压）变化基理制作Pockels效应光学电压传感器光电测量结构图32示[32]
基Pockels晶体电光效应电压传感器直接测量晶体两端电压需测量电场种测量方式免受邻相电场干扰电场影响种电光效应电压传感器许身法克服缺点光学器件加工粘接封装等工艺较复杂利规模生产
313 基逆压电效应光学电压传感器
压电效应分正压电效应逆压电效应正压电效应指：晶体受某固定方外力作时部产生电极化现象时某两表面产生符号相反电荷外力撤晶体恢复带电状态外力作方改变时电荷极性改变晶体受力产生电荷量外力成正逆压电效应指晶体极化方施加交变电场引起晶体机械变形现象正压电效应逆程基原理利逆压电效应引起晶体形变转换光信号通解调检测光信号实现电压光学传感
(1) 石英晶体
石英晶体天然结构理想外形正六面体晶体学中三根互相垂直轴线表示中轴Z光轴正六面体棱线垂直光轴电轴X光轴电轴垂直机械轴Y着石英晶体电轴方施加电压时晶体会机械轴方产生伸缩原理通光学元件精确测量石英晶体机械轴应变出测电压
(2) 压电陶瓷
压电陶瓷（PZT）种工极化处理晶体材料（般Z方极化）种类铅软酸铅系列压电陶瓷妮酸盐系列压电陶瓷够实现机械电互相转换功具敏感特性电信号转换微弱机械形变信号果光纤光栅横贴压电陶瓷切片机械轴极化方施加电压结果压电陶瓷发生机械形变引起光纤光栅栅距发生变化室温25℃条件单层压电陶瓷片电致伸缩特性微弱目前已广泛采压电堆叠提高压电陶瓷形变量种压电陶瓷陶瓷薄片堆叠成形变量干压电陶瓷片形变量文选压电陶瓷锆钛酸铅压电陶瓷压电叠堆片数150片尺寸10mm×10mm×40mm压电应变常数d31>700pCN
32 光纤光栅电压传感器系统设计
现技术条件设计光纤光栅电压传感器般需考虑八方面问题[3335](1)光纤光栅机械性光学性机械性指光纤光栅抗拉抗弯等性光学性指光栅反射率透射率波长带宽等光学参数环境变化(2)光纤光栅寿命利光纤光栅时间温度变化特性定量评估光纤光栅寿命(3)光纤光栅封装实光纤光栅应良封装般应考虑适衬底材料粘贴材料否会影响寿命(4)交叉敏感消光纤光栅应力应变温度等种参量程度敏感性(5)增敏敏通特种材料封装提高期参量传感灵敏度弱化关参量传感灵敏度检测中剥离滑光参量(6)宽光谱高功率光源获取光纤光栅传感器欲扩测量范围应宽光谱光源欲提高检测信噪应高功率输出光源(7)波长位移检测光纤光栅基础传感器传感量波长单位微位移传感系统中应精密波长波长检测装置(8)光检测装置分辨率基光纤光栅传感系统检测灵敏度直接取决检测波长变化灵敏度
321 光纤光栅电压传感器结构
光纤光栅传感系统部分构成：宽带光源光纤三分贝耦合器光纤光栅压电陶瓷中光源易传播信号转换易光线中传播光信号光纤里面起着传输光信号作耦合器作提供更信息传输路径器件光纤光栅压电陶瓷均感应器件中压电陶瓷感应测电压变化光纤光栅感应压电陶瓷机械形变光纤光栅电压传感器结构示意图：
图33外加电压作压电陶瓷压电陶瓷发生形变时贴附压电陶瓷光纤光栅栅距会着发生变化宽带光源发出宽谱光3dB耦合器入射光纤光栅光纤光栅栅距调制反射光携带外加电场信息分析反射光出外加电压信息
322 光纤光栅电压传感系统光源
光纤光栅传感系统光源作电信号转换光信号便光纤中传输目前光纤光栅传感系统中常光源：半导体发光二极LED半导体激光器LD半导体分布反馈激光器DFB等[36]
发光二极（Light Emiting Diode LED）利发辐射效应发光发辐射中产生光子具机方相位偏振态彼光出射光非相干光谱线较宽30mm60mm间辐射角度较低速率数字通信较窄带宽模拟通信系统中LED选佳电源驱动电路较简单产量高成低
半导体激光器（Laser Diode LD）利受激辐射原理发射光受激辐射中处高态电子受入射光子激发跃迁低态发射光子发射光子入射光子具相方频率相位偏振态样入射光放出射光相干光种发光器件体积价格低调制方便注入电流输出光功率呈线性关系直接产生激光振荡
半导体分布反馈激光器（DFB）利刻源区侧折射率周期变化波纹光栅提供激光振荡波纹光栅材料折射率周期性变化形成受激辐射产生光子提供周期性反射点定条件反射光相叠加产生激光振荡激光器具极强波长选择性实现发光波长单模式工作DFB激光器谱线窄线宽约普通型激光器线宽十分色散影响降低实现超高速传输
323 光纤光栅电压传感器应变理分析
光纤光栅布拉格衍射条件
(31)
式中λB反射光波长Λ栅距n纤芯效折射率
光纤产生应变时光纤光栅栅距折射率会发生变化引起反射光波长移动
(32)
式中ΔΛ栅距变化Δn折射率变化
光纤产生应变时折射率变化
(33)
中
(34)
式中ε横应变μ泊松
典型石英光纤参数n146μ016P11012P12027P022假设
(35)
式中L光纤光栅长度ΔL光纤光栅长度变化量式（32）改写
(36)
该式光纤光栅应变测量般公式
压电媒质中电学参量力学弹性参量间关系第类压电方程表示：
（37）
（38）
中iα123456jβ123
式（37）（38）中 Sα应变电场强度E常数时弹性柔系数 Ti应力 djα压电应变常数 Ei电场强度Dβ电位移应力T常数时介电常数
压电陶瓷机械电间相互耦合关系逆压电效应机电耦合系数K定义：
(39)
式中 Eec电转换成机械Eie输入电
图（34）示压电陶瓷Z轴方施加定电压陶瓷会产生X轴方横应变压电陶瓷横机电耦合系数K：
（310）
式中 d31压电陶瓷压电应变常数压电陶瓷恒定应力介电常数压电陶瓷恒定电场中弹性柔常数标13分表示机械位移方电场强度方
两电极间施加低频直流电压U压电陶瓷等效行板电容器储存电：
（311）
式中A压电陶瓷电极面积d电极间厚度
压电陶瓷种弹性体材料弹性理：准静态绝热理想弹性形变程中弹性体形变变形状态函数剪应力剪应变分量零X轴应力应变时压电陶瓷产生形变变形：
（312）
式中轴杨氏模量横应变
温度恒定考虑电压变化条件（36）（310）（311）（312）式光纤布拉格光栅电压传感关系式：
（313）
课题采压电陶瓷干瓷片堆叠成形变量干压电陶瓷片形变量表示：
（314）
式中ΔL压电叠堆形变量n压电叠堆中压电陶瓷片数量 d31横压电应变常数
（314）式代入（313）中：
（315）
式光纤光栅布拉格波长变化测电压关系式显易见光栅布拉格波长变化ΔλΒ测电压U间线性关系
33 章结
章节介绍基Kerr效应OVT基Pockels效应OVT逆压电效应OVT述说工作原理课题设计选部分传感原理基晶体逆压电效应着重介绍产生逆压电效应机理列举产生逆压电效应两种常晶体—石英晶体压电陶瓷课题设计选传感部分光纤光栅利光纤光栅微距变化灵敏特性检测压电陶瓷逆压电效应产生应变章节中心环节电压传感器设计电压传感器两传感部位（电压变化传感压电陶瓷应变传感）已构思理推导工作已完成章节务光纤光栅传感信息进行解调
第4章 解调系统设计
光纤光栅反射回布拉格波长光信号携带外加电压信息反射回光信号解调极重光纤光栅传感信号解调方法光谱仪解调法波长解调法调谐滤波器解调法CCD分光仪解调法干涉仪解调法等等课题采光纤FabryPerot滤波器解调法解调部分包括FP腔滤波器光电探测系统数采集系统
41 系统总体设计
系统工作原理：（1）外加电压作磁致伸缩材料——压电陶瓷发生形变引起贴附光纤光栅栅距发生变化栅距反射特定波长光波(2)宽带光源发射宽谱光耦合器入射光纤光栅时光纤光栅特性带外加电压信息布拉格波长光波反射回（3）反射光波3dB耦合器进入FP腔调解光电探测器接收转换电信号（4）电信号通滤波放电路处理功数采集板接受传送计算机实时处理图41光纤光栅电压传感器总体设计框图
42 光纤光栅传感信号解调技术
制作传感器目精确测量记录踪测信息变化全程信号检测传感系统中关键技术传感解调系统实质信息（量）转换传递检测系统准确迅速测量出测信号幅度失真现测信号时间变化程解调光波信号光纤光栅传感信息解调方案包括强度解调相位解调频率解调偏振解调波长解调等等方法长适传感系统需求中波长解调技术具感测信息进行波长编码中心波长处窄带反射必光纤连接器耦合器损耗光源输出功率起伏进行补偿等优点广泛应
421 种常解调技术
光纤光栅传感系统中中心波长漂移量ΔλΒ直接检测方法光谱分析仪检测工作原理图（42）示
光谱仪中通调节衍射光栅角度衍射光栅分离出波长分离出特定光波反射镜聚焦光阑孔（探测器）旋转衍射光栅波长范围进行扫描光谱仪进行测量光功率信噪信道增益方面够较理想结果波长进行测量分辨率达0001nm基满足光栅Bragg波长漂移量测量光谱仪价格偏高适宜普通户扫描慢适宜实时性求较高场合体积携带方便适宜户外现场检测
然种解调方法波长计解调法边缘滤波器解调法调谐滤波器解调法波长调谐光源解调方法CCD分光仪解调法傅里叶变换光谱解调法干涉仪解调法等等[3738]中波长计解调法测量精度非常高达00004nm系统噪声台功率测量方面光谱分析仪边缘滤波器解调方法基光强检测适动态静态测量具较线性输出测量范围探测器分辨率成反优点采较补偿措施够效抑制光源输出功率起伏连接干扰微弯干扰等利素系统反应快成低方便足处系统体积光学滤波器元件测量精度受严重影响调谐滤波器解调方法中滤波器光谱光栅匹配时输出值相应踪波长变化传感光栅波长移位关窄带扫描光滤波器扫描时间采样间隔成反测量精度受返回信号信噪限制受调谐滤波器传感光栅带宽限制波长谐调光源解调方法优点光纤激光器获宽带光源高信噪获高分辨率足处高精度PZT调谐器价格通常昂贵调谐范围限CCD分光仪解调法优点响应时间快抗干扰力强足处波长分辨率影响素较干涉仪解调法出高分辨率相位检测法消温度变化导致干涉仪相位漂移适准静态检测谐调滤波器解调法中种方法做基光纤FabryPerot滤波器解调法具体积价格低精度高等优点直接输出应波长变化电信号种较解调方法面详细介绍基光纤FabryPerot滤波器解调法工作原理
422 基光纤FabryPerot滤波器解调技术
FabryPerot腔作窄带滤波器定波长范围行光入射FP腔满足相干条件某特定波长光发生干涉产生相干极利FP腔特性FBG传感器反射回波长进行检测
调谐FP腔结构示意图图43示反射回光通聚焦透镜变成束行光进入FP腔出射行光聚焦透镜汇聚探测器构成FP腔两高反射镜固定外力作移动调节FP腔长H压电陶瓷PZT具较电机械转换特性外加电动势作产生形变压电陶瓷施加扫描电压压电陶瓷产生伸缩改变FP腔腔长透FP腔光波长发生改变果FP腔透射波长FBG反射波长吻合探测器探测光强时PZT施加电压V应着FBG反射波长通检测透射光强反射波波长进测参量
FabryPerot滤波器左侧入射光镜面间次反射右侧透射光实际光束干涉光波长满足相长干涉条件时透射谱中相应波长位置出现峰值相反满足相消干涉条件时会出现波谷面讨FabryPerot滤波器光束干涉设高反射面镜反射系数（反射波振幅入射波振幅）r透射系数（透射波振幅入射波振幅）t反射镜表明反射率R透射率Trt关系：根光束干涉原理出反射传输函数：
(41)
(42)
式中光腔回反射次相位差写：中nH分腔材料折射率腔长度λ光波长定义FP干涉仪谱宽（Free Spectral RangeFSR）两透射峰间频率（波长）间隔表示：
(43)
精细度定义谱宽（FSR）谐振峰线宽（W）表示：
(44)
根公式（42）R取值时透射图图（44）示紧极值附区域处透射光强度非常R越精细度F越
精细度F谱FSRΔλ表示FP传输函数式（42）表示：
(45)
设谐振峰处波长(m整数)偏离峰值处时
(46)
时利式（44）中W线款
(47)
假设两FP滤波器谐振峰值线宽相两FP级联复合滤波器传输函数表示：
（48）
线宽复合滤波器压窄线宽利提高精细度
43 光电探测电路设计
光电检测技术光学电子学相结合产生门新兴检测技术实现目解调光信号转换容易处理电信号进步通电路放处理达电信号输出目实现信息传递储存控制计算显示
光信号转换电信号关键器件光电探测器利光电效应（光电子发射效应光电导效应光生伏特效应光磁电效应等）探测光信息转变电信息器件[39]灵敏度响应时间响应波长等特征参数直接影响光电系统总体性探测器工作效应类：
光电子发射器件：光电光电倍增属外光电效应型
光电导器件：单晶型晶型合晶型等光敏电阻属光电效应型
光生伏特器件：雪崩光电光电二极等属光电效应型
较种光电探测器件性知光电二极频率响应时间响应光电线性特性灵敏度等方面较探测器光电二极输出电流外加电压低暗电流长期工作稳定性光电二极微弱快速光信号探测方面着非常广泛应光电二极中PIN二极具更特性试验中选PIN二极
半导体材料光吸收遵指数规律：
（49）
式中α(λ)光波长λ时吸收系数P0入射光探测器光功率P(x)距离x处吸收光功率
果耗区宽度ω考虑光电二极入射面反射率Rf光功率吸收产生均光电流IL式出：
（410）
中q电子电荷量hυ光子量
光情况PIN光电二极PN结伏安特性：
（411）
式中I0PN结反饱电流V包括外电压光电压实际结电压k玻尔兹曼常数T功探测器工作温度
应时求光伏探测器工作线性范围器件似短路方式工作输出电流：
（412）
光伏探测器件趋理想条件时：
（413）
中η光电探测器量子效应
（414）
相短路电流I入射探测器光功率P0成正受工作温度影响
光伏探测器感测输出电流容易受噪声干扰需设计性良低噪声前置放电路电流进行放驱动续电路工作[4041]图45光电探测原理框图
图46实现光电探测电路原理图中外反馈电路探测器输入光功率具高分辨率测量范围减电路噪声电压输出
（415）
中f信号频率R1反馈电阻信号频率范围
（416）
图46中A2R3R4C2组成反馈电路RC元件控制运算放器A2增益响应特性直流情况该反馈开路时运放开环增益两放器增益积合理设置R4R3值减噪声带宽
图中R2补偿R1造成直流误差R2联电容Cp消噪声干扰
外反馈电阻联电容C1消振电容果考虑反馈电容C1作输出噪声电压
（417）
考虑反馈电容C1输出噪声电压变
（418）
见加入反馈电容C1减少输出噪声电压C1值确定根信号频率求计算
（419）
实验中选材料InGaAsPIN光电二极接收面积灵敏度高结电容暗电流低放器选BURR—BROWN 公司提供低偏置电流单片运放OPAl29根测工频信号求分取
44 信号处理寻址设计
果示波器连接图46输出端子V0时实时显示探测连续模拟信号该信号实际传感器传感测电压信息便精确取值果想线数字显示需进行模数转换面信号处理信息线观测进行设计
线观测系统结构框图图47示FP腔出光信号光电信号转换电路转换电压信号V0该电压信号V0数采集卡处理数输送计算机
首先介绍种数采集板图48PCI7484数采集卡实物图PCI7484功数采集板工业PC机设计种功IO接口板板12位单端16路差分8路AD输入信号4路12位独立DA输出信号32路开关量输入输出信号3路定时光隔脉记数信号该板适种工业现场数测量控制中断查询方式工作占连续16IO址PCI7484板集成度高功强性数采集稳定价格低深受户欢迎综合种素考虑文选择功全位PCI7484数采集卡
图48 PCI7484功综合板
PCI7484模拟量输入ADDA输出脉信号XS1 37芯D型孔头接入通改变跳线器选择ADDA电压输入输出范围具体工作流程参PCI7484功综合板说明书图49PCI7484数采集卡工作原理图
图49 PCI板工作原理图
基PCI7484数采集卡光电探测数采集系统需模拟电压信号数进行实时采集存储处理显示图410数采集系统软件设计流程图
图410数采集系统软件流程图
45 实验数分析
实验中光纤布拉格光栅布拉格波长λB1551136nm压电陶瓷选片数n150锆钛酸铅压电陶瓷堆叠片尺寸10mm×10mm×40mm参数代入第三章（315）式：
（420）
该式光纤布拉格光栅布拉格波长漂移量外加电压理关系式
实验程中直流稳压电源压电陶瓷进行控制逐渐改变控制电压值利设计解调系统监测布拉格波长变化情况
室温25℃电压变化范围0~150V变化步长10V情况光纤布拉格光栅布拉格波长λB进行测量起始电压0VλB1551136nm测量数表41
表41外加电压光栅布拉格波长数处理表
U(V)
10
20
30
40
50
λB(nm)
1551243
1551321
1551485
1551576
1551601
ΔλB (nm)
0107
0078
0164
0091
0025
U(V)
60
70
80
90
100
λB(nm)
1551751
1551797
1551906
1551963
1552168
ΔλB (nm)
0150
0046
0109
0057
0205
U(V)
110
120
130
140
150
λB(nm)
1552189
1552291
1552413
1552521
1552605
ΔλB (nm)
0021
0102
0122
0108
0084
科学研究工程计算中常需组测量数（xy）出发寻找变量xy函数关系式时难找xy间精确表达式时根观察点数值利二曲线拟合构造似解析式利该方法拟合出函数曲线然保证通样点逼充分反映已知数间数量关系种方法生产实践科学实验中广泛应课题实验数MATLAB环境采二法处理结果：
Linear model（线性模型）Poly1：
f(x) p1*x + p2
Coefficients（系数）(with 95 confidence bounds)：
（1）p1 0009674 (0009305001004)
（2）p2 15510 (15511551)
Goodness of fit（拟合度）：
（1）SSE：001409
（2）Rsquare（拟合系数）：09956
（3）Adjusted Rsquare（调整拟合系数）：09953
（4）RMSE（均方根误差）：003172
拟合外加电压光纤光栅布拉格波长关系式：
（421）
图411外加电压光纤光栅布拉格波长关系图
理外加电压光纤光栅布拉格波长漂移间关系拟合参数：SEE001409R209956RMSE003172外加电压光纤布拉格光栅布拉格波长漂移量间关系图412示
两者间拟合关系式：
（422）
图412拟合函数式（422）定条件外加电压波长漂移间基呈线性关系实验结果理分析基符合
46 章结
章首先光纤光栅电压传感器总体设计思路作详细说明设计原理框图针解调系统模块作细致研究：首先介绍种常光纤光栅信号解调方法选FP腔滤波器解调方法作设计基解调方法次设计光电转换电路包括光电接收器件滤波电路信号放电路设计数线观测系统中器件PCI7484数采集卡实现数采集文实验测量数进行分析结果表明外加电压布拉格波长漂移量呈线性关系
结
文阅读量相关文献基础课题研究背景光学电压互感器国外状况光学电压传感器存问题进行简概述通光纤光栅传感特性进行深入分析研究设计基光纤光栅传电压传感器针系统中独立模块（电压传感探头光纤光栅传感信号解调实验数线观测）进行认真细致研究
传感系统中光源发出宽谱光波光纤传输通道耦合器进入传感光纤光栅传感光栅外场（应变场）作（静态时变）光波进行调制接着带外场信息调制光波传感光栅反射者透射耦合器进入光纤FabryPerot滤波器处理探测器接受解调输出探测器接受光谱包括外场作信息探测器检测出光谱分析相关变化获外场信息详细描述探测器接受处理信息连续模拟电压信号需进行数字化处理光电探测器输出模拟信号功数采集卡PCI7484接受处理模拟量转换数字量传送计算机实时处理
实验测量数MATLAB环境二法拟合关系式：
结果表明外加电压U反射回光纤布拉格光栅布拉格波长λΒ间呈线性关系光纤布拉格光栅布拉格波长漂移量ΔλΒ间线性关系理推导出外加电压光纤布拉格光栅反射回布拉格波长漂移量ΔλΒ间关系：
实验结果理分析基吻合出结：外加电压U布拉格波长漂移ΔλΒ成线性关系
参考文献
1 邹建龙刘晔王采堂等电力系统适光学电压传感器研究新进展电力系统动化2001(9)：6467
2 薛永乐．光学电流电压互感器发展述[J]．华通技术20025(4)： 2729
3 肖霞叶妙元陈金玲等．光学电压互感器设计试验[J]．电网技术200327(6)：4547
4 王国利郑毅郝艳捧等．变压器局部放电检测超高频传感器初步研究[J]中国机电工程学报200222(4)：154160
5 赵永鹏吴重庆光纤电压传感器研究现状应[J]仪表技术传感器1997(11)：813
6 毕卫红陈泽贵王海宝长周期光纤光栅电压传感器系统[J]压电声光200931（5）：649651
7 宋军强 周彪 杨煌普 新型光学电压互感器信号处理原理算法 电力系统动化200226(13)：5255
8 CJosemir M Cengiz Taplamacioglu Pockels HighVoltage Measurement System IEEE Transactions on Power Delivery 2000 15(1)813
9 K Hidaka Electric field and voltage measurement by using electrooptic sensor High Voltage Engineering 1999 2(23) l14
10 A Cruden Z J Richardson Optical crystal baseddevices for current and voltage easurement IEEE Transactions on Power Delivery 2003 15(1)12171223
11 肖悦娱种光纤电压传感器设计性研究[J]微计算机信息测控动化200925 (91)：2425
12 唐恕李仰耿波光学电压传感器探头电场计算分析高压电器2003639(3)：1620
13 Hill K O et alPhotosensitivity in optical fiber waveguides application fitler fabrication Appl Phys Lett 1978 (32) 647649
14 Meltz G et al Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transvers holographic method Opt Lett 1989 (14) 823825
15 郑勤红华金争郝建明解福瑶光学电压传感器进展分析激光光电子学进展2000 412（4）：14
16 S ZhengF Liu X Lu An Active Optical Fiber Current Transducer SPIE The International Society for Optical Engineering 2002 22(3)405409
17 张艳叶妙元徐雁等光电式直流电流互感器研制挂网运行高压电器200642(1)7376
18 叶国雄刘延冰张明明等500kV 组合式光学电流电压传感器电测仪表2001738（427）：2123
19 陈应林黄德祥孙志杰OET700电子式互感器结构性变压器200643(6)15
20 罗苏南叶妙元徐雁．光纤电压互感器稳定性分析．中国电机工程学报200320(12)1519
21 邹燕李鹏王峰光纤传感器光源驱动电路关键技术研究激光杂志200526(5)7879
22 孔勇发许京军张光寅功光电材料北京：科学出版社20054062
23 王晓雷吴必瑞波分析光纤电压传感器采集信号分析中应动化信息工程2007(3)：1214
24 丁王薇付连春光纤传感器分类应原理光谱学光谱分析2006626(6)：11761178
25 姜德生伟光纤光栅传感器引概况光电子激光2002413(4)：420428
26 Thursby GBetz DStaszewski W et al The Use of FBG Sensors for Damage Detection and Location in Structural Materials SPIE 2004 5502208212
27 Caponero M AColonna DGruppi M et alUse of FBG Sensors for Bridge Structural Monitoring and Traffic Control SPIE 2004 5502 480483
28 Foote P DFBG Strain sensors for aerospace smart structure[A] Proc SPIE[C] 1994 2361 162166
29 Wang Get alDigital demodulation and signal processing applied to FBG strain sensor arrays in monitoring transient loading effects on ship hull Proc of the Optical Fiber Sensors Conf (OFS212) Williamsburg VA USA 1997 612665
30 Henderson P J Current metering using bibregrating based interrogation of a conventional current transformer[A] Proc of the Optical Fiber Sensors Conf(OFS12)[C] Williamsburg VA USA 1997 186189
31 httpwtcshuaigespaceslivecomblogcnsAF6EC9A6DC7314CF460
32 张明明李红斌刘延冰基Pockels效应光学电压互感器传感器技术 2005(6)5864
33 廖延彪光纤光学北京：清华学出版社2000
34 勒伟廖延彪张志鹏等导波光学传感器原理技术北京：科学出版社1998
35 Measures R M Structural Monitoring with Fiber Optic Technology Academic Press USA 2001
36 赵勇光纤光栅传感技术北京：北京国防工业出版社20074650
37 姚远易肖进胜光纤光栅传感器波长解调技术研究进展光器件光通信技术：2007(11)4145
38 王瑜乔学光傅海威等光纤光栅传感系统信号解调新技术研究电光控制2008215(2)：8589
39 雷玉堂王庆加铭等光电检测技术北京：中国计量出版社19977477
40 刘彬张秋婵光电检测前置放电路设计XX学学报20037 27(3)：193196
41 霍戌文李伟李进等光电探测微信号放器设计浙江理工学学报2005922(3)：259262
致谢
附 录
附录1开题报告
附录2文献综述
附录3中期报告
附录4外文翻译
附录5外文原文
附录1
附录2
附录3
附录4
光纤布拉格光栅进行模态分析损坏检测
P CapoluongoC AmbrosinoS CampopianoA CutoloA Cusano：意利贝文托市Sannio学光电子部门技术科
M Giordano：分子生物细胞研究院国立研究委员会
I BoviocLLecce：意利斯市费里克学第二分校航空工程系
2005年10月9号收录
2006年4月12日接受格式修改
2006年5月30日线
摘
损坏检测定位结构安全检查关键问题针目相关技术提议未损坏损坏状态动态特征变化间存损坏通高频较信息量定位拥适带宽分辨率感测系统必带适询问系统光纤布拉格光栅传感器开发暴露结构存伤痕作第步宽频范围模态分析测试执行目证明光学器件检索高频结构动态特征作参考传感器激光普勒振动器加速器作应领域前工艺水代表开发实验结果证明光纤布拉格光栅突出优点仅仅检测损坏区程度损坏
© 2006 Elsevier BV版权
关键字：光纤布拉格光栅传感器（FBG）动态测量值模态分析频率响应功（FRF）结构健康检测（SHM）损坏检测
1绪
高度复杂现代结构系统损耗结合着运行高性安全需已世界工业学术结构安全检测损坏分析新方法带高度兴趣前腐蚀破裂检测系统赖声波检测效方法超声波模式分析者种实验方法检索身频率响应功机械结构动态特征（振频率振动形式阻尼率模式）传感器时间响应激励信号傅里叶变换间率线参数舒尔兹等认结构健康检测（SHM）方法基提概括损坏非损坏状态结构测量响应振动特征间差异程度损坏结构进行分类高频模式存微损伤探测定位非常效结构健康监测监视系统种强制性求较宽频带宽度连接非常低干扰中简化全部结构路技术高性事实作应领域传感系统非接触系统激光普勒振动器者电器加速器广泛应
结构健康监测应种效选择光纤传感器描述尤光纤布拉格光栅技术关键点减少规模连接固力时测量参数高阻抗衰减软化航空航天领域开发量先进合成材料具兼容性避免电磁干扰宽频带操作种路技术性
前光纤布拉格光栅成品真实结构执行模式分析航空航天应领域证根实验模式分析造卫星种元件铝制品进行测试种情况光纤布拉格光栅参加速器两者结合种结构表面光学器件第二弯曲模式谐振频率二维振动形式监测定位72120赫兹数值模拟参模拟输出初步达成较协议
外光纤布拉格光栅传感器表现嵌入式传感器航空应合成材料中进行实验研究：航空器模型机翼合成材料圆型晶体里安装器件种情况极性变化出现复杂应变场加速器作参考传感器利补偿结构复杂模型样种情况数值模拟通引传感器获结果协调测试器件补偿模式属170赫兹范围
工作中作结构健康监测原位传感器光纤布拉格光栅性开发值注意焦点尤目核实器件否宽频范围探测频率振模式振幅变化针目报道特钢构中损坏检测试验结果描述系列属损坏非损坏状态结构振态模态频率幅值变化先前步骤报道相结构执行高频（千赫兹）模态分析试验结果
2光纤布拉格光栅传感元件模态分析方法中应
种光纤光栅光纤纤芯折射率周期性半周期性永久性扰动种效应光栅宽带光源射时窄通带光谱信号反射回反射信号中心波长称作布拉格波长记做光栅物理参数关关系：
(1)
中n光纤部传播模式效折射率Λ光栅周期外界素改变（1）式参数导致布拉格波长变化尤光纤布拉格光栅收外界压力场影响变化量（包括nΛ变化）通微分获考虑（1）式两参数带入关系式获应变光学理果合成应变量光纤光栅反映话考虑偏振效应时中心波长偏移量满足面表达式：
j 方压力组成
i方偏振光
图（）应力光量计算坐标系统元素
(2)
式中n0非双折射光纤未受压力时效折射率pij弹光矩阵意子
中i23光纤传播光极化轴假设仅行光纤轴压力场显著影响布拉格光栅响应情况绑定结构振动涉较低振幅压力场测试安全进行意味着横压力致（ε2ε3）通泊松率轴方关样通利光纤pij称性[6]（8）变光偏振独立布拉格波长相关变化轴应变成例：
(3)
式中ν泊松率光纤布拉格光栅压力敏感系数标准光纤言应力光学矩阵元素泊松率典型数值：p11012p12027υ017中Sε078×106με1[6]（附录图）
光学仪器赖基连接宽频带访问滤波器低成率计技术模态分析试验里访问系统采通种啁啾强硬切趾光纤布拉格光栅获种带波长线性响应光学滤波器图2展示系统方框图图3展示通滤波器透射光谱
关图2组合光电探测器转换电压信号（υTυR）传感光栅光谱包含滤光器传播反射响应间卷积关两束探测信号电子处理取样频率总输出组成关系式[15]：
(5)
υn称作化电压程中附加系数K作补偿附加耦合
光电二 极
光学滤波器
宽带超发光电二极
光源
器反射信号υR滤光器引进光功率耗损传播反射模式时滤光器倾斜相等接受图形称线性变化滤光器情况产生标
准信号 种传感光栅光谱中心措施作布拉格波长[15]结果外赖波动强度关系布拉格波长变化布拉格波长次强烈着光栅部位局部应力关通（6）式计算出
（6）
式中Kυn标度常数λΒ0未受干扰布拉格波长通适排稳定光源带强烈变化效果着光学信道光功率损耗害微曲损耗维持类传感器利光强度灵敏操作鉴提议技术动性系统带宽仅仅局限涉单元接受电子电路图样系统具静态分辨率40nε(Hz12)@50KHz动态分辨率
波长 （nm）
反 射 率
模态分析应描述类动态测试传感器开发关基方面光纤布拉格光栅传感器结构动态特征调查关方法[3]中模态分析研究基元素报道原具输入激励信号输出相关传感器响应线性系统接机械结构结合传感器处输出电压重新获应力者位移适应适位置栅格通考虑输入置零时结构第j输出位置获激励信号第k输入采时响应傅里叶变换激励信号傅里叶变换间率获力学参数通种方法含角频率ω频率响应函数（FRFs）矩阵中排列函数获系统总响应通简单数学运算第r振动模式振脉动附频率响应函数表达式：
式中关第r种方式振脉动频率阻尼系数分第j第k相关特征量成分假设果结构容易衰减（阻尼系数趋零）特征量成分（）真实值（7）式实部零点处者虚部峰值相致反相处求出然频率（者脉动）者提供信息：传感器探头结构响应（位移应力）幅值[3]机械结构处激励传感器作作麦克斯韦相互性原理结[3]：意味着变化激励系统栅格焦点处利时传感器具优势
惯做法作模态分析测试加速器输出应考虑速率位移光纤布拉格光栅传感器情况测量应力成分应力频率响应函数光纤布拉格光栅检索调查研究结构模式特征相方法处理
附录5
Modal analysis and damage detection
by Fiber Bragg grating sensors
P CapoluongoC AmbrosinoS CampopianoA Cutolo A Cusano：Optoelectronic DivisionEngineering Department University of Sannio Piazza Garibaldi No 107 Benevento Italy
M Giordano： Institute for Composite and Biomedical Materials National Research Council (IMCBCNR) Piazzale E Fermi No 1 Portici (Napoli) Italy
I BoviocL Lecce： Department of Aeronautical Engineering University Federico II Via Claudio No 21 Napoli Italy
Received 9 December 2005 received in revised form 12 April 2006 accepted 17 April 2006
Available online 30 May 2006
Abstract
Damage detection and localization are critical issues for structural health monitoring To this aim many techniques have been proposed relating the presence of damage to variations of its dynamic features between the undamaged and damaged states Since a greater information content is localized at higher frequencies sensing systems with adequate bandwidth and resolution are required Here Fiber Bragg grating sensors with an adequate interrogation system are exploited to reveal the presence of damage on a structure As preliminary step modal analysis tests in a wide frequency range are performed in order to verify the performances of these optic devices to retrieve high frequency structural dynamic features As reference sensors laser Doppler vibrometers and accelerometers representative of the state of the art for this application field were exploited Experimental results confirm the excellent performances of Fiber Bragg gratings not only able to detect damage but also to discriminate between different damage levels
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Keywords Fiber Bragg grating sensors (FBG) Dynamic measurements Modal analysis Frequency response function (FRF) Structural health monitoring (SHM)Damage detection
1 Introduction
The high complexity and costs of modern structural systems combined with their high operational reliability and safety needs have brought to an increasing interest in new approaches for structural health monitoring (SHM) and damage analysis from both industrial and academic world Current corrosion and crack detection systems are based on acoustic emission monitoring and active methods such as ultrasound and modal analysis This latter is an experimental methodology able to retrieve the dynamic features (resonant frequencies vibration shapes and modal damping ratios) of a mechanical structure from its frequency response function (FRF) ie the ratio between the Fourier transforms of the sensors time responses and of the excitation signals Based on this line of arguments Schultz et al proposed SHM methods classifying the structures in various damage states based on the differences between vibration features extracted from the measured responses of the structure in the undamaged and damaged states Since high frequency modes are more effective to detect and localize the presence small damage one of the mandatory requirement for SHM surveillance systems is a wide bandwidth joined to a very low intrusivity and in order to simplify the overall architecture high multiplexing capability Actually as sensing systems for these applications noncontact systems like laser Doppler vibrometers or in situ electric devices like accelerometers are widely utilized
A valid alternative for SHM applications can be represented by fiber optic sensors and in particular by Fiber Bragg gratings (FBGs) Key points of this technology are reduced dimensions combined with the intrinsic capability to measure several parameters simultaneously the high resistance to corrosion and fatigue good compatibility with the most advanced composite materials exploited in the aeronautic and aerospace field immunity to electromagnetic interferences the wide bandwidth operation an excellent multiplexing capability
In recent works FBGs attitude to perform modal analysis on real structures for aerospace and aeronautic applications has been demonstrated Experimental modal analysis tests were carried out on the aluminum mock up of a component for an artificial satellite In this case both FBGs and reference accelerometers were bonded on the lower surface of this structure and optic devices were able to detect resonant frequencies and planar vibrational shapes for the first two flexural modes located at about 72 and 120 Hz in good agreement with preliminary numerical simulation and reference sensors outputs
Moreover FBG sensors performances as embedded sensors in a real composite structure for aeronautical applications were tested these devices were deployed in the spar of the wing of a composite materials aircraft model In this case a complex strain field due to their position was expected Accelerometers were exploited as reference sensors Several modes also with a complex shape were retrieved Also in this case a good agreement with numerical simulations and results obtained by reference sensors was obtained Retrieved modes for this test article belonged to range up to 170 Hz
In this work the attention is focused on the FBGs capability to be exploited as SHM in situ sensors In particular the intent is to verify whether these device can detect resonant modes frequency and amplitude variations in a wide frequency range To this aim results of damage detection tests on an ad hoc steel structure are reported Modal frequency and amplitude variations on a series of resonances belonging to the structure in the undamaged and damaged states are described As previous step results of high frequencies (up to kilohertz) modal analysis tests carried out on the same structure are reported
2 Fiber Bragg gratings as sensing elements and their application to the modal analysis method
A Fiber Bragg grating is a periodic or semiperiodic permanent perturbation of the refractive index of the core of an optic fiber As effect when a grating is irradiated with a broadband optical source a narrow band pass spectrum signal is reflected The central wavelength of this signal called also Bragg wavelength is related to the physical parameters of the grating by the following relationship
（1）
where n is the effective refractive index of the mode propagating inside the fiber andΛis the grating period Each external cause able to modify right hand terms of (1) causes a shift of the Bragg wavelength In particular when the FBG is subjected to strain fields relative variations of induced by n orΛchanges can be obtained by differentiating (1) respect to these two parameters and substituting the relationships obtained applying the strainoptic theory If complex strain is experienced by a FBG shift in the central wavelength taking into account polarization effects occurs according to the following expression
(2)
where is the effective refractive index of the unstrained not birefringent
optic fiber is the generic element of the elastooptic matrix where is the polarization axis of the light propagating along the optic fiber For bonded configuration and dynamic tests involving lower strain field amplitudes it can be safely assumed that only the strain field parallel the fiber axis significantly affects theFBG response This means that the transverse strain is uniform() and related to the axial one by the Poisson’s ratio In this wayby exploiting also the symmetry properties of the pij for the optic fibers [6] (8) becomes independent of the polarization of the light and the Bragg wavelength relative shift is proportional to axial strain
(3)
whereνis the Poisson’s ratio andis FBG strain sensitivity Typical values of strain–optic matrix elements and Poisson’s ratio for standard optic fibers are and while [6]
For these optic devices the interrogation system adopted in the modal analysis tests relies on a low cost ratiometric technique based on optical filtering combined with broadband interrogation By using a chirped and strongly apodized FBG an optic filter with a response linear in wavelength can be obtained while the transmitted spectrum of the involved filter are shown in Fig 3
With reference to the scheme in Fig 2 each voltage signal and converted by the photodetectors is related to the convolution between the sensing grating spectrum and respectively the transmission and reflection responses of the optical filter involved in The electronic processing of these two detected signals consists of taking the ratio of the difference and the sum of the outputs as follows [15]
(5)
The can be called normalized voltage In this procedure an additional coefficient K is introduced in order to compensate the asymmetry in the receiving scheme due the additional coupler used for the reflected signal the optical losses introduced by the filter and to equalize the filter slope in transmission and reflection modes In the case of linearly varying filter the so generated normalized signal is a good measure of the centroid of the sensing grating spectrum and as a consequence also of Bragg wavelength [15] Moreover it is not dependent on the intensity fluctuations but directly related to the Bragg wavelength shift which in turn is strongly related to the local applied strain along the grating region as can be observed in (6)
（6）
whereis a calibration constant and is the Bragg wavelength of the unperturbed grating By properly eliminating intensity variation effects due source instability optical losses and unwanted microbending effects along the optical chain it is possible to maintain the advantageous intensity insensitive operation of this class of sensors In light of the passive nature of the proposed technique system bandwidth is only limited by the electronic circuitry involved in the receiving unit Such a system is capable of a static resolution of and a dynamic one of [15]
A fundamental aspect related to the exploitation of this class of sensors to dynamic tests is represented by the application of modal analysis a methodology able to relate the FBG sensors responses to the dynamic features of the structure under investigation Basic element of the modal analysis approach are reported in [3] In principle a mechanical structure is approximated with a linear system having as inputs excitation signals and as outputs related sensors responses
Strain or displacement maps can be retrieved associating output values to the locations of sensors disposed on adequate location grids Mechanical parameters can be obtained by considering the features of the ratio between the Fourier transform of the response of the structure obtained at the jth output location under an excitation signal applied at the kth input when all other inputs are set to zero and the Fourier transform of this excitation signal In this way a frequency responses function （FRFs） with ω angular frequency can be obtained Arranging these function in a matrix the total response of the system can be obtained It can be shown after simple mathematical passages that each FRF in an around of rth vibrational mode resonant pulsation has the following expression [3]
(7)
where with reference to the rth mode is the resonant pulsation the damping coefficient are respectively the jth and the kth component of the related eigenvector It can be assumed that if the structure is lightly damped (ie the damping coefficient tends to zero) it all the components of each eigenvector ( ) are real quantities [3] and natural frequencies (or pulsations) can be evaluated from zero crossings of the real part of (7) or otherwise from corresponding to peaks of its imaginary part These latter give also another information the amplitude of the structure response (displacement or strain) at the point where the sensor is located [3] For the mechanical structures of interest excitations and sensors roles can be inverted as a consequence of the Maxwell’s reciprocity principle [3] this means that only a sensor can be placed while a mobile excitation system can be utilized on the points of the grid
In the common practice as outputs for modal analysis tests acceleration velocity or displacement are considered In the case of FBG sensors they measure strain components thus a strain frequency response function (SFRF) treated in the same way as the FRF to retrieve the modal feature of the structure under investigation
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