光纖光柵傳感器的系統方案解析

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，可用于直接檢測溫度和應變，以及與溫度和應變有關的其他許多物理量和化學量的間接測量。在光纖布拉格光柵傳感器的應用研究中，波長解調是一個重要的方面。目前限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調。波長解調方法主要有光譜儀、斜邊濾波法、可調諧濾波法、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，干涉儀沒有好的重復性，而可調諧濾波器的掃描周期較長。因此，近年來，匹配光柵法越來越受到人們的青睞。為此，文中介紹了一種簡單、廉價且由兩個并聯的匹配光柵解調來檢測光纖光柵傳感器的系統設計方法。

1雙光柵匹配原理

雙光柵匹配系統示意圖如圖1所示。寬帶光源發出的光經3 dB耦合器進入傳感FBG。再由FBG反射后進人兩路匹配光柵，對應的兩個光電探測器得到與其對應波長有關的光信號，然后由光電探測器將其轉換為電信號并進入信號采集處理電路提取有用信號，最后由后續信號處理系統實現數據的采集與處理。

圖1中，PD1和PD2為光電探測器，光電探測器所探測到的光功率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。兩者的反射功率譜函數均可用高斯函數近似表示：

式中，I0為反射譜強度峰值;λs為反射譜強度為I0時對應的波長值;△λs為反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測器所探測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λc與匹配光柵的中心波長λp的差值越小，對應的卷積值越大。由于△λ大于閾值△λmin時，卷積值過小可能無法繼續解調，因此，解調范圍會受到限制。

普通的匹配法只有一個傳感光柵一個匹配光柵，對應只有一個△λ。當該△λ≥△λmin時，解調系統將無法繼續解調。對于雙光柵匹配解調系統，傳感光柵與兩個并聯的匹配光柵的中心波長近似相等，但略有差別。三者關系為：λp1λcλp2，λp1和λp2分別表示兩個匹配光柵的中心波長。λc是傳感光柵的中心波長。傳感光柵在外界應力作用下時，△λ1=?λc-λp1?，△λ2=?λc-λp2?;當λc增大時△λ1增大，△λ2減小;當λc減小時，△λ1減小，△λ2增大。圖2所示為△λ1、△λ2和λc三者的關系圖，其中△λmin是光電探測器可以探測到的最小值。因此，根據圖2可知，在理論上，雙光柵匹配解調系統總是至少有一個光電探測器可以探測到可用光信號。

2 基于DSP的解調系統設計

2.1 系統硬件設計

匹配光柵反射回來的光入射到光電探測器(PD)上可轉換為電信號。光電轉換部分和信號采集部分主要完成對PD輸出電信號的采集，采集到的信號再轉化為數字信號由DSP進行處理。DSP主要完成數據的插值運算和尋峰處理，并根據處理結果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號控制步進電機完成下一步的解調工作，其系統硬件框圖如圖3所示。