光纖光柵傳感器的系統(tǒng)方案解析

0 引言

光纖布拉格光柵傳感器(FBGS)是用光纖布拉格光柵(FBG)作敏感元件的功能型光纖傳感器，可用于直接檢測(cè)溫度和應(yīng)變，以及與溫度和應(yīng)變有關(guān)的其他許多物理量和化學(xué)量的間接測(cè)量。在光纖布拉格光柵傳感器的應(yīng)用研究中，波長(zhǎng)解調(diào)是一個(gè)重要的方面。目前限制光纖光柵傳感器應(yīng)用的最主要障礙是傳感信號(hào)的解調(diào)。波長(zhǎng)解調(diào)方法主要有光譜儀、斜邊濾波法、可調(diào)諧濾波法、干涉掃描法、匹配光柵法等。但是，在這幾種方法中，光譜儀成本較高，斜邊濾波法的分辨率較小，干涉儀沒(méi)有好的重復(fù)性，而可調(diào)諧濾波器的掃描周期較長(zhǎng)。因此，近年來(lái)，匹配光柵法越來(lái)越受到人們的青睞。為此，文中介紹了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)且由兩個(gè)并聯(lián)的匹配光柵解調(diào)來(lái)檢測(cè)光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1雙光柵匹配原理

雙光柵匹配系統(tǒng)示意圖如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器進(jìn)入傳感FBG。再由FBG反射后進(jìn)人兩路匹配光柵，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光電探測(cè)器得到與其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)有關(guān)的光信號(hào)，然后由光電探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)入信號(hào)采集處理電路提取有用信號(hào)，最后由后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。

圖1中，PD1和PD2為光電探測(cè)器，光電探測(cè)器所探測(cè)到的光功率P為：

其中I1(λ)和I2(λ)分別為傳感光柵和匹配光柵的反射功率譜密度函數(shù)。兩者的反射功率譜函數(shù)均可用高斯函數(shù)近似表示：

式中，I0為反射譜強(qiáng)度峰值;λs為反射譜強(qiáng)度為I0時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值;△λs為反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測(cè)器所探測(cè)到的光功率的大小與傳感光柵和匹配光柵的反射譜的卷積大小成正比。傳感光柵的中心波長(zhǎng)λc與匹配光柵的中心波長(zhǎng)λp的差值越小，對(duì)應(yīng)的卷積值越大。由于△λ大于閾值△λmin時(shí)，卷積值過(guò)小可能無(wú)法繼續(xù)解調(diào)，因此，解調(diào)范圍會(huì)受到限制。

普通的匹配法只有一個(gè)傳感光柵一個(gè)匹配光柵，對(duì)應(yīng)只有一個(gè)△λ。當(dāng)該△λ≥△λmin時(shí)，解調(diào)系統(tǒng)將無(wú)法繼續(xù)解調(diào)。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，傳感光柵與兩個(gè)并聯(lián)的匹配光柵的中心波長(zhǎng)近似相等，但略有差別。三者關(guān)系為：λp1λcλp2，λp1和λp2分別表示兩個(gè)匹配光柵的中心波長(zhǎng)。λc是傳感光柵的中心波長(zhǎng)。傳感光柵在外界應(yīng)力作用下時(shí)，△λ1=?λc-λp1?，△λ2=?λc-λp2?;當(dāng)λc增大時(shí)△λ1增大，△λ2減小;當(dāng)λc減小時(shí)，△λ1減小，△λ2增大。圖2所示為△λ1、△λ2和λc三者的關(guān)系圖，其中△λmin是光電探測(cè)器可以探測(cè)到的最小值。因此，根據(jù)圖2可知，在理論上，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)總是至少有一個(gè)光電探測(cè)器可以探測(cè)到可用光信號(hào)。

2 基于DSP的解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

匹配光柵反射回來(lái)的光入射到光電探測(cè)器(PD)上可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換部分和信號(hào)采集部分主要完成對(duì)PD輸出電信號(hào)的采集，采集到的信號(hào)再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)由DSP進(jìn)行處理。DSP主要完成數(shù)據(jù)的插值運(yùn)算和尋峰處理，并根據(jù)處理結(jié)果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)完成下一步的解調(diào)工作，其系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。