葉片應力檢測用F—P腔分布式FBG解調技術
摘要：風能作為一種清潔能源越來越受到_廿界的重視，葉片是吸收機械能最直接的部分，因此檢測葉片承受的應力是非常重要的。本文采用Bragg光纖光柵作為席力傳感器，分析了Br犍g傳感器測應變的原彈，主要研究了基于F—P腔的分布式FBG解調技術。
關鍵詞：風力發電；Bragg光纖光柵；F—P腔解調
0引言
目前，人類使用的能源主要是以石油、煤、天然氣等為主的化石能源。一方而，由于這些化石燃料的大量消耗已導致全球氣候變暖，以及嚴重的環境污染；另一方面，化石能源為不可再生
能源，不僅儲量有限，分布也不均勻。面對諸多問題，人們開始大力發展取之小盡、用之不竭的可再生能源。
風力發電是采用機電能量轉換裝簧把風能轉化為電能的一種技術，其原理是天然風吹轉葉片，帶動發電機的轉子旋轉而發出電能，所以是一種取之小盡的清潔能源”0。其中，葉片是吸收
機械能最直接的部分。風吹動葉片旋轉，從而帶動發電機轉子旋轉發電。因此葉片的偏轉角度，以及葉片承受風壓的能力都是必須考慮的問題。
為了檢測葉片承受的壓力值，本文采用了光纖光柵傳感器作為檢測應力的傳感器，并研究了其傳感原理和解調技術。
1 Bragg光纖光柵傳感器的工作原理
1 1 Bmgg光纖光柵傳感器的結構
Bragg光纖光柵的結構，如圖1所示，入射到光纖布拉格光柵的寬帶光，只有滿足Bragg條件的波長的光才能被反射到來，其余的光都被透射出去。光纖光柵傳感的基本原理是利用光纖光柵的有效折射率和光柵周期對外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉化為其布拉格波長的移動，通過檢測光柵反射的中心波長移動實現對外界參量的測量“0。
1 2 Bragg光柵測應變算法
Bragg條件為如下的光學方程：
式中：丑e——B¨agg波長；以一——纖芯折射率的調制周期；-光柵區的纖芯有效折射率。一般和“為微米量級。一個Bmgg光柵中含有多個折射率變化的周期，總長度為幾毫米。當光纖發生應變F時，即
其中，4如／4s=昆，為Bragg光柵應變靈敏度。當九=l 5Ⅲ時，由式(5)可得到品=l 209×10 nⅡl／肛，即光纖Bragg光柵對每一微變給出1 209×10 nm的波長漂移。
上述特性表明，Bragg波長b受光柵周期變化和折射率擾動的影響，因此通過監測4如的變化可測出外界應力擾動。
2基于F—P腔的分布式FBG解調技術
本文主要研究口J調諧F—P濾波器解調法。此方法屬于波域分布式解調方法的一種。波域分布式解調方法是在一根傳感光纖上制作許多個布拉格光柵，每個光柵的工作波長相互分開，經：3dB耦合器取出反射光后，用波長探測解調系統測出每個光柵的波長或波長偏移，從而檢測出相應被測量的大小和空間分布。
2 1可調F—P腔濾波解調原理
光纖光柵的傳感信息以波長編碼的形式被解調系統接收，通過波長解調得到傳感信號的變化情況。波長解調方法有很多，由于F—P濾波器解調法具有光能利用率高，具有高靈敏度，體積小，操作簡單等優點。因此本文主要研究可調諧F—P濾波器解調法�？烧{諧F—P腔的結構如圖2所示。從光纖入射的光經透鏡L1變成平行光入射到F。P腔內，出射光經透鏡L2匯聚到光電
探測器上。構成F—P腔的兩個高反射鏡中的一個固定，另一個(其背面貼有一一個PzT壓電陶瓷)可在外力的作用下移動。
可調諧F。P腔濾波解調示意圖如圖3所示。寬帶光源發出的光經隔離器進入到FBG，反射光信號經耦合器到達可調諧F—P腔濾波器，F—P腔濾波器工作在掃描狀態，鋸齒波掃描電壓加在壓電元件PZT上，PzT在掃描電壓的作用下產生伸縮，從而改變F—P腔的腔長h。當F—P腔透射波長與傳感光柵的反射波長重合時，濾波器的透射光強****。所以，可由此時的F—P腔濾波器上的PzT的電壓一波長關系測得FBG反射譜峰值位置。
當寬帶光源發出的光(：3dB帶寬為1498nm一155911n1)經過傳感FBG反射后到達F—P腔時，在O一60"v。鋸齒波電壓驅動的PzT的一個掃描周期內，光電探測器的輸出與PzT上的驅動電壓的關系如圖4所示，此時記錄透射波峰(點2)所對應的PzT上的驅動電壓值(點1)作為測量結果。其中曲線1為P玎的驅動電壓，曲線2為F—P腔的光電探測器接收到的光強信號，然后由PzT的電壓。波長調諧關系即可獲得傳感FBG的中心反射波氏。再根據式(5)即可求出應變的大小”0。
由于光電探測器接收到的光譜是FBG反射譜與F—P腔干涉濾波函數的卷積，會使帶寬增加，分辨率減小。為此，在掃描電壓上加一小的正弦擾動電壓，如圖4所示，輸出經混頻器和低通濾波器測量擾動信號的頻率。
2 2基于F—P腔的分布式FBG解調方案 根據可調諧F．P腔濾波解調法，可進一步設計出基于F—P腔的分布式FBG解調方案，如圖5所示。
此解調系統可通過單片機／DSP生成PzT驅動電壓的數字量，經過D，A轉換成模擬驅動電壓進行周期性循環掃描，使F—P腔的導通頻帶掃描整個FBG反射光譜。當FBG反射波長與F—P腔干涉濾波透射波長重合時，光電探測器探測到****光強，將此光強信號更換成電信號，給定一個閾值電壓對它整形，得到規則的方波脈沖信號。將方波信號送到DsP系統中，I)SF嗵過檢測方波脈沖的上升沿和下降沿對應的驅動電壓值計算FBG中心波長對應的電壓值，進而求出FBG的中心反射波長。
3結語
工業上，常用的光纖光柵傳感器解調技術大體可分為可調F—P濾波器解調法、邊緣濾波解調法、匹配FBG可調濾波解調法、體全息濾波器解調法、副載波調頻濾波法，非平衡M—z干涉儀
法等等。由于F—P濾波器解調法具有光能利用率高，具有高靈敏度，體積小，操作簡單等優點，因此本文主要研究可調諧F—P濾波器解調法。本文酋先研究了FBG的工作原理，然后介紹了可
調F—P腔濾波解調原理，最后進一步介紹了基于F—P腔的分布式FBG解調方案。
參考文獻
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