摘 要

光纤光栅自问世以来，由于其独特的优势已经逐步被运用于光纤传感领域。因为具有反应灵敏度高、抗腐蚀、制作成本低等有优点，光纤光栅传感器的研究受到了世界各国的高度重视。由于温度和应变是直接引起光纤光栅的中心波长变化的物理量，所以光纤光栅传感器主要用于温度和应变的测量。

但是在实际的生产生活应用中，光纤光栅传感器在传感测量时始终存在交叉敏感问题。当使用光纤光栅传感器进测量温度和应变时，由于交叉敏感问题的存在，我们没有办法区分出究竟是温度还是应变引起了光纤光栅传感器反射波的中心波长的改变。并且，当光纤光栅传感器用于传感测量时，解调系统首先得到的是波长值，需要通过计算将其转化为对应的温度值或应变值。为了避免交叉敏感问题，明确光纤光栅传感器的位置信息同时将波长值与温度/应变值对应起来，我们需要对光纤光栅的传感值进行标记与标定。而传统的手工标定工作量大、效率不高、精确度较低，这不利于光纤光栅传感器的大规模应用。为了使光纤光栅传感器的标定工作更加高效、精确的进行，需要开发一种软件来代替传统的纯手工操作来完成对光纤光栅传感值的标记与标定工作。

在这一背景下，本文主要研究了面向光纤光栅传感值标记与标定功能的软件实现问题。本次软件的设计工作在Microsoft Visual Studio软件平台上完成，主要利用了Microsoft Visual Studio中微软公司提供的类库——微软基础类库（简称MFC）来设计软件系统。在建好MFC工程后，本文利用GIRDCTRL控件设计出了界面所需要的表格。与此同时，通过对工程中各种控件的运用，逐步实现了对光纤光栅传感值的标记与标定功能。本文的特色在于详细介绍了光纤光栅的传感原理并讨论了光纤光栅传感值（波长）与引起其变化的物理量（温度、应变）之间的对应关系。最后，重点叙述了软件的详细设计过程与测试结果。

关键词：光纤光栅温度/应变传感器 标记与标定 C MFC

Abstract

Since fiber grating’s inception, it have been gradually used in the field of optical fiber sensing, because of its unique advantages. Fiber grating sensor research and development has been highly concerned at home and abroad because of their high sensitivity, corrosion resistance, electrical insulation, anti-electromagnetic interference, low cost and so on. Because the temperature and strain are the physical quantities that directly cause the central wavelength of the fiber grating, the fiber grating sensor is mainly used for temperature and strain measurements.

However, there are always cross-sensitive problems in fiber grating sensors in practical application, that is, fiber gratings are sensitive to both temperature and strain. When the fiber grating is used for sensing measurements, it is impossible to tell whether the wavelength of the fiber grating is changed caused by temperature or strain. At the same time, when the fiber grating is used for sensing measurements, the demodulation system first obtains the wavelength value that needs to be converted to the corresponding temperature or strain value by calculation. In order to avoid the cross-sensitive problem, clear the position information of the fiber grating sensor and correspond the wavelength value to the temperature / strain value, we need to mark and calibrate the sensing value of the fiber grating. However, the traditional manual calibration is tedious, inefficient and error large, which is not conducive to large-scale application of fiber grating sensors. In order to make the fiber Bragg grating sensor calibration work more efficient and accurate, it is necessary to develop a software to replace the traditional pure manual operation to complete the marking and calibration of the fiber grating sensing values.

In this context, this paper mainly studies the software implementation problem for marking and calibration function of fiber Bragg grating sensor. The software design is mainly designed on the Microsoft Visual Studio software platform. In the course of software design, this article mainly uses the Microsoft Foundation Classes (MFC), which is provided by Microsoft, to design the interface. After building the MFC project, this article used the GIRDCTRL control to design the table required for the interface. At the same time, through the use of various controls in the project, this paper realizes the marking and calibration function of the fiber grating temperature / strain sensor sensing value. The characteristic of this paper is to introduce the sensing principle of fiber grating sensor in detail and discuss the correspondence between the fiber grating sensing value (wavelength) and the physical quantity (temperature, strain) that causes it to change. Finally, this paper focuses on the detailed design process and test results of the software.

Key words: fiber grating temperature / strain Marking and Calibrating C MFC

目录

第一章 绪论 1

1.1课题的研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文结构 3

第二章 光纤光栅传感器基本原理 4

2.1光纤光栅的传感原理 4

2.2光纤光栅传感器 6

2.3光纤光栅温度传感器 7

2.4光纤光栅应变传感器 8

2.5分布式传感 8

第三章 软件系统的设计与实现 10

3.1软件设计方案 10

3.2实验得温度系数和应变系数 11

3.3显示界面设计 14

3.4标定功能实现 15

3.5温度实验验证 18

第四章 总结与展望 19

4.1工作总结 19

4.2未来展望 19

参考文献 20

致谢 21

第一章 绪论

1.1课题的研究目的及意义

1989年，美国的Morey等人首次进行了对光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的研究与开发，这引起了世界各国的高度关注并逐步开展了对其的应用研究工作。截止到目前，光纤光栅传感器已有了相当高的水平，并成功运用于众多领域，如结构健康检测、电力工业、船舶航运、土木工程、石油工业、复合材料、化学、医学等领域^[1]。并且随着光纤传感技术和全光通信网络的发展，光纤光栅传感器将在我们的生活中发扮演越来越重要的角色。

和普通的传感器相比，光纤光栅传感器除了具有体积小、易形变、耐腐蚀、便于传输等优点以外，其突出优点是将被测量信号转换为波长信号进行测量，这样传感器对光的偏振态和光强的波动等特征反应迟钝，因此具有很好的抗干扰能力。利用光纤光栅传感器的这些特点，在高速光纤光栅解调系统中，很容易应用波分复用等技术在单通道中串联多个光纤光栅传感器，使其形成分布式光纤光栅传感网络。这样不仅仅能够节省大量的人力物力，降低生产成本，而且使的光纤光栅传感器的检测更加快速、简单、方便。

但是，在实际的工程应用中，由于光强变化或光纤的形变会导致某些光纤光栅出现掉值现象，导致解调的光栅次序出现变化，出现传感位置信息错误。与此同时，分布式传感器在实际应用中，需要确定每个传感器的位置信息，并且不同的物理量如温度、应变^[2]等有交叉敏感，需要对光纤光栅传感器类型加以区分。因此我们需要对接入的串联光纤光栅传感器进行标记，以便于观察和后期处理。另外，在实际应用中，光纤光栅解调系统解调得到的是波长值，需要通过标定得到光纤光栅传感器的温度敏感性或应变敏感性，将解调波长转换为外界环境的温度值或应变值，这就需要编写一个专门的软件来实现这一功能。在解调系统上位机上实现这一功能，可以使信息反映更加直观，便于后期的工程观测与分析。上位机软件还可以对接收到的数据进行滤波、在线标定和数据储存，非常方便快捷地实现工程应用。在本文中主要介绍了软件对光纤光栅传感值的标记与标定这一功能的实现过程。