摘 要

光纤光栅作为一种新型的技术，受到了广泛的关注。光纤光栅传感器也应用于越来越多的领域中，在水利水电工程，工业建筑等领域的结构检测中也有了很多应用^[1]。光纤光栅的解调信号是由波长编码的，把传感信号反映在光纤光栅中心波长的漂移上，一般是采用高精度光谱分析仪来解调的^[2]。但是，光谱仪提及庞大，价格昂贵，在很多场合并不适用光谱仪。因此研究更为简单，成本较低的解调方式也是光纤光栅传感器的重点。

本文根据光纤光栅传感原理以及位移检测的原理，设计了光纤光栅位移传感器。传感器结构由悬臂梁、弹簧管以及位移杆和四周的封装外壳组成。传感器的解调系统采用的静态方法：匹配光纤光栅滤波解调法^[3]。显示电路选用的AD7705AD转换芯片、STC89C52单片机以及LCD显示屏显示测量位移值。设计的传感器量程为10mm,精度为10μm。

本次设计的传感器有以下特点：结构简单，体积小，便于安装；精度较高。

关键词：光纤光栅位移传感器；FBG；悬臂梁；解调；单片机显示

Abstract

Fiber Bragg grating (FBG) has attracted wide attention as a new technology. Fiber Bragg grating sensors are also used in more and more fields, and have many applications in structural detection of water conservancy and hydropower projects, industrial buildings and other fields. The demodulation signal of the fiber Bragg grating is encoded by the wavelength, and the sensing signal is reflected on the drift of the central wavelength of the fiber Bragg grating, which is usually demodulated by a high-precision spectral analyzer. However, the spectrometer is large and expensive, and it is not suitable for many spectrometers in many fields. Therefore, the study of simpler and lower cost demodulation is also the focus of FBG sensors. In this paper, a fiber grating displacement sensor is designed according to the principle of fiber grating sensing and the principle of displacement detection. The sensor structure is composed of a cantilever beam, a spring tube, a displacement rod and a package enclosure around it. The static method used in the demodulation system of the sensor is the matched fiber Bragg grating filtering demodulation method. The AD7705AD conversion chip, STC89C52 microcontroller and LCD display circuit are used to display the measured displacement value. The designed sensor range is 10mm, and the precision is 10 u m.

The design of the sensor has the following characteristics: simple structure, small volume, easy installation, high accuracy.

Key words: FBG displacement sensor; FBG; cantilever beam; demodulation; SCM display

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 光纤光栅发展状况 1

1.3论文总纲 2

第2章 系统方案设计 3

2.1 传感器结构原理 3

2.2 光纤光栅理论 5

2.2.1 光纤光栅的分类及理论模型 5

2.2.2 光纤光栅应变的理论 6

2.2.3 光纤光栅解调原理 7

2.3 系统方案 9

第3章 传感器结构设计 10

3.1 弹簧的选用 10

3.2 悬臂梁尺寸设计 10

3.3 光纤光栅的粘贴 12

3.4 光纤光栅的温度补偿 13

3.5 光纤光栅的封装 13

3.6 传感器精度校验 14

3.7主要零件的三维图及装配图 15

3.7.1外壳套筒 15

3.7.2装配体三维图 16

第4章 解调部分设计 17

4.1 解调系统原理图 17

4.2 光源的选择 17

4.3 光电探测器 18

4.4 放大电路 19

4.5 二次放大电路 20

4.6 单片机显示模块 21

4.6.1 AD转换 22

4.6.2 STC89C52单片机 23

4.6.3 LCD1602 23

4.6.4 显示模块总电路原理图 24

4.6.5 显示模块实物演示 25

总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

附录：程序清单 29

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

在水利水电工程，工农业等领域中的建筑经过长时间的使用以及周围环境的影响，难免会造成或多或少的损坏，有的甚至会伤害到工作人员或者周围人群的生命安全，例如建筑产生的裂缝和接缝开口等等，因此一定要有适合这种位移检测的传感器来对这些结构进行长期监控，实时发现危险并及时的处理，保障其他人员的人生安全，以及及时维护，保障建筑的使用寿命^[4]。

传统的位移传感器一般为机械类型，或者电阻电容式的，这种传感器容易受环境的影响，而且在某些场合不宜安装和维护。所以研究更加小巧，便于安装和精度较高，抗干扰能力强的传感器是必要的选择。光纤光栅位移传感器，传感元件是光学元件，有很高的精度以及不易受电磁干扰以及耐腐蚀等特点，故而成为了研究的重点。

本次设计的目的是设计出一种基于光纤光栅的精度较高的传感器，并对该传感器的位移测量灵敏度以及温度补偿进行了理论分析。

设计一个光纤光栅位移传感器，要求能够实现10mm位移的检测，检测精度要求达到10µm，并能够将波长转换为位移量进行显示。

1.设计光纤光栅位移传感器的结构。

2.进行波长的解调计算。

3.达到要求的精度与灵敏度。.

1.2 光纤光栅发展状况

光纤光栅是一种很新的技术领域，现在受到了广泛的关注与研究。由光纤光栅制作的传感器可以测量的量有很多，例如：温度、应变、位移、加速度、液位、压强、压力、磁场、电压等。为什么要研究光纤光栅制作的传感器啦？因为光纤光栅传感器有如下特点：

传感器的结构比较简单，体积较小，重量较轻，方便安装。适合运用于各种大型或中小型结构中，可以方便的测量结构中的裂缝等损伤。

光纤光栅是无源器件，抗干扰能力好，光纤与光纤之间兼容性好，易于复用。

封装好的光纤光栅传感器能够在恶劣环境中工作，由于具有非传导性，对被测的结构影响较小，抗腐蚀，抗干扰能力强。

一根光纤光栅可以分为很多块单独的对不同的物理量进行测量。

测量信息是由波长编码的，因此损耗较低。

检测的灵敏度和分辨率较高。

1989年，美国布朗大学的Mendez等人首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的健康监测。在这之后越来越多的研究人员意识到了光纤传感器的这些优点，慢慢的发展到了土木工程、水利水电工程、道路桥梁领域，在这些领域中，光纤光栅传感器也有着很大的作用和适应性^[5]。

运用的广泛，研究的深入，相对性的就会发现应用方面的难题。首先的难题就是光栅光纤封装的问题，由于裸光纤光栅易于受到环境的影响，因此光纤光栅应该被保护起来进行封装，在这样的基础上就发展出了保护性封装技术，分为表贴式封装和管式封装^[6]。由于保护性封装只是保护光纤光栅不被破坏，但是没有考虑到光纤光栅灵敏度的问题。不同的应用场合对光纤光栅的灵敏系数不同，有些场合需要灵敏度较高（需要增敏），有些场合希望不要太灵敏（需要减敏）。为实现这种情形，发展出了敏化封装，分为增敏和减敏另种方式^[7]。由于光纤光栅对应变和温度交叉敏感问题，因此在测量单一的量的时候需要消除另外的量的影响，这种情况就需要对影响的量进行补偿就产生了补偿性封装^[8]。

与光纤光栅传感技术息息相关的是光纤光栅的解调技术^[9]，一个好的解调方案，可以大大增加光纤光栅传感器的精度和灵敏度。由于光纤光栅传感器是以波长作为编码方式进行信号传感的，传感信号要从波长编码中出来，转换为电信号，然后在进行处理和显示^[10]。解调技术是各种光纤光栅传感系统中的关键部分，也是难点，一直受到广泛的关注和研究。

现在的解调方法主要有两大类：静态解调方法和动态解调方法。

静态解调法适用于传感信号变化缓慢的信号，主要通过光滤波器，使指定的波长信号通过，这样去达到解调的目的。这种方法包括：匹配光纤光栅滤波解调法、可调谐光纤F-P滤波检测法、可调窄带光源检测法^[11]。

动态解调法适用于传感信号变化较快的测量系统。包括一下几种方法：干涉解调法、边沿滤波法、光谱成像法和啁啾光纤光栅解调法。

这些关键技术的慢慢发展，光纤光栅会应用于其他更多的领域，充分发挥它的优点。

1.3论文总纲

第一章绪论：介绍了本次设计光纤光栅位移传感器的目的意义、及其发展状况。

第二章系统方案设计：说明了传感器和解调系统的原理以及总方案的提出。

第三章传感器结构设计：计算并确定了传感器的各部件的结构，校验了弹性梁的强度，确定了光纤光栅的封装方案，以及精度的校验。

第四章解调部分设计：选用了光源以及光电探测器，设计了解调电路，并且设计了显示模块以及进行了显示模块的实物演示。

第2章 系统方案设计

光纤光栅位移传感器包含传感器和解调系统两个部分，下面回分为两大块来设计整体的传感器的系统方案。

2.1 传感器结构原理

位移传感器的位移检测一般采用弹性元件加移动拉杆的结构模式，由于位移要达到10mm，避免损坏弹性元件，我在弹性元件和拉杆之间加了一个连接装置--弹簧，起到放大位移的作用，保护悬臂梁。

如图2.1所示，等腰三角形悬臂梁和位移杆之间由弹簧连接，位移的量程由位移杆和固定块确定，固定块不仅保证了位移杆的轴向位移，而且可以保证位移杆的移动不超过量程。

当有力作用在位移杆上时，传动杆产生位移，使弹簧伸长，弹簧的拉伸力作用在悬臂梁的自由端，使悬臂梁产生变形，粘贴与悬臂梁两面的光纤光栅也会产生变形。上表面的光纤光栅收到拉伸力，下表面的光纤光栅受到压缩力，受力使光纤光栅变形，应变直接导致光纤光栅的波长变化，从而进行后面的解调。

图2.1光纤光栅位移传感器的结构图

图2.2悬臂梁与弹簧系统形变示意图

如图2.2，是弹簧和悬臂梁组成的系统的形变示意图。当拉传动杆使位移为L时，位移杆会带动弹簧，导致弹簧伸长△d，弹簧伸长产生的拉伸力F作用于悬臂梁的自由端，使悬臂梁变形，悬臂梁的挠度为，则

(2-1）

弹簧伸长时，产生的拉力F为：

（2-2）

其中，为传动弹簧的刚度，G、D、d和N分别是弹簧的切变模量、弹簧直径、直径和弹簧的匝数。

悬臂梁在弹簧的作用下，自由端受拉力为F，产生的挠度为

（2-3）

根据公式1，公式2，公式3可得到传感器位移L和悬臂梁的自由端受到的拉力F的关系式：

（2-4）

a：悬臂梁的长度；

：等腰三角形底端的宽度；

h:悬臂梁的厚度；

E：弹性模量。

悬臂梁的自由端受到的拉力为F时，等强度悬臂梁的各点的应变为：

（2-5）

上式表明悬臂梁表面的应变在任何位置都是相等的。

由此可得到，传动杆位移L与悬臂梁产生的应变的对应关系，从而对应到光纤光栅应变片的应变，引起光纤光栅中心波长的偏移，从而解调出，位移与中心波长偏移的关系。

2.2 光纤光栅理论

2.2.1 光纤光栅的分类及理论模型
  光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种光学元件。由于光纤光栅体积很小，能量损耗低，便于安装以及对温度，应变，加速度等等物理量很敏感的特点，被广泛用于传感器领域，作为传感元件来使用。

光纤光栅主要可以分为均匀周期光纤光栅和非均匀周期光纤光栅两类.其中均匀周期光纤光栅的光学周期沿轴向保持不变，主要分为FBG、长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅。

FBG全称为Fiber Bragg Grating，即为光纤光栅，又称光纤布拉格光栅，即在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅。

光纤光栅的纤芯是石英做成，利于光在光纤中的传播。最外层250μm的敷层保护光线并且增加光纤的机械性能。

FBG中光谱如下：

图3.4FBG原理图

2.2.2 光纤光栅应变的理论

通过耦合理论，入射到光纤光栅的光波，当满足以下条件使，会被反射

    （2-6）

公式中,--纤芯中相应模式的有效折射率; --光栅的空间周期。当受到温度、应变等影响时，和会改变,而且应变和温度能够相互独立地引起光纤光栅中心波长的漂移，不会互相干扰。

当温度和应变都作用在光纤上时，光纤独立的感受两个因素的影响，因而波长的漂移就是两个因素影响的相加：

（2-7）

式中,：光栅反射中心波长;

：反射波长的变化量;

：光纤的有效弹光系数;

m：光纤的热膨胀系数;

：光纤的热光系数;

△T：外界温度变化量。

2.2.3 光纤光栅解调原理

经过光纤光栅传感器的信号必须经过解调处理，才能被后续的处理模块运用，才能达到传感的目的。本次设计中，测量的是位移量，是一个静态的物理量，因此可以用静态解调法。

本设计采用的解调方法是匹配光纤光栅滤波解调法。选一个匹配光栅，这个匹配光栅的中心波长要与传感光栅的相匹配。当传感光栅感应应变变化而引起中心波长变化时，在驱动信号作用下，调谐匹配光栅，当两光纤光栅的反射光谱完全重合时，驱动信号达到最大值，这时的驱动信号的电压信号就对应解调出的信号。

匹配光纤光栅滤波解调系统有反射式和透射式两种结构，如下图所示。

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