发布于：2008/5/29 9:30:47 | 1080 次阅读
光纤Bragg光栅(FBG)传感器的信号解调技术与普通的解调技术一样，都是对传感器的调制信号进行参量检测，再通过相应的运算处理来提取载波所承载的信息。由FBG传感器的传感原理可知，FBG传感器是将外界待测物理量的信息调制到光纤光栅反射信号光的波长量上，即待测物理量(温度、应变或压强)发生变化时，热光效应和弹光效应将引起纤芯折射率变化，热膨胀和机械拉伸将影响光栅周期，从而引起FBG中心波长的微小漂移。因此，通过地检测FBG反射信号光的中心波长或波长漂移量，再通过实时处理分析即可获得待测物理量的大小。
目前，国内外大量的解调方案的研究都是围绕如何提高或充分利用信号光功率和如何提高波长检测中的分辨力来展开的。如何对光纤光栅的波长编码信号进行解调是实现光纤光栅传感技术应用的关键。本文基于传感光栅反射谱峰值波长的变化量是根据FFP-TF透射谱峰值波长与电压的关系，提出通过FBG来实时校准可调谐F-P滤波器解调系统。
1 实验原理
由于传感光栅反射谱峰值波长的变化量是根据FFP-TF透射谱峰值波长与电压的关系得出，因此，FFP-TF作为本解调系统的元件，其透射谱峰值波长的标定，很大程度上决定了此解调系统波长检测的分辨力和。为验证FFP-TF的工作稳定性和重复性以及其透射谱峰值波长变化与驱动电压的线性对应关系，在室温下，通过数字式线性直流稳压电源每隔0.5V对FFP-TF加0～10V的定点电压，用光谱分析仪测量其透射谱的峰值波长，通过多次实验，抽取其中2次获得的实验数据绘出FFP-TF透射谱峰值波长与扫描电压的关系，如图1所示。由图中曲线可以明显看出：FFP-TF透射谱峰值波长与电压的关系具有明显地非线性和不重复性，若简单地应用某次实验得出的波长与电压的函数关系来确定传感光栅的波长变化量，而没有固定的波长作参考，则得到的数据将随时间或环境的变化而变得不可靠，从而导致很大的测量误差，以致无法满足系统波长检测的要求。因此，为保证系统的测量和重复性，必须对FFP-TF的输出波长进行实时动态校准，根据预先已知的多点稳定参考波长-电压的关系，然后，通过插值或数值拟合来获取测试光栅的峰值波长，从而补偿FFP-TF非线性和不重复性引起的误差。
其实质是对FFP-TF透射谱峰值波长与扫描电压的关系进行实时动态的分段线性拟合。具体做法是将参考光栅和传感光栅串接起来构成光纤光栅阵列接到解调系统信道中，原理如图2所示。实际应用时，应当考虑各传感光栅和参考光栅的反射谱可以分辨，即反射谱相互不重叠，并将参考光栅放在恒温箱内以保证每个参考光栅的反射谱峰值固定，且保证传感光栅受外界物理量影响的波长变化范围(△λsx)在相邻2个参考光栅固定波长(△λBi，△λBi+1)之差的范围内，即△λsx<△λBi+1-△λBi。若信道中布置m个参考光栅△λB1，△λB2，…，△λBm，n个传感光栅△λs1，△λs2，…，△λsn，其光谱分布与扫描电压的关系如图3所示。由于各光栅的反射谱峰值波长互不重叠，且在一个扫描周期内，其相对位置事先已知，因此，系统经过D／A线性递增输出锯齿波扫描电压，同时，A／D逐点采集光电探测器输出的电压信号，并传送到DSP中运算处，找到各光栅峰值所对应的采集数据的值和点数，并记录存储。 由此数据的点数即可得知此时锯齿波的电压值UB1，UB2，…，UBm和Us1，Us2，…，Usn以及各光栅的位置。由于m个参考光栅的峰值波长是固定的，因此，它们将扫描光谱范围分成了m-1段。
由两点确定一条直线即可对每一小段进行线性拟合
其中，系数A1，B1，A2，B2，…，Am-1，Bm-1可由相邻两参考光栅的固定波长和每次扫描所对应的电压值实时求得，由此就完成了FFP-TF透射谱峰值波长与电压关系的实时动态校准，然后，将传感光栅峰值所对应的电压值代入其所处的小波段范围的拟合方程中，即可计算出此时传感光栅的峰值波长。 该方法简单易行，且通过增加参考光栅数目，减小线性拟合的波段范围，可进一步提高系统度，以保证系统的复用能力和测量。
2 实验结果与分析
解调系统中采用宽带光源的功率为3 dBm，3 dB带宽为85nm(1 525～1610 nm)，采用的光纤F-P滤波器的可调谐区间为1520～1570 nm，自由谱FSR=75 nm，选用室温下中心波长λB1，λB2分别为1550.3206nm和1554.021 nm，反射率大于90％的FBG作参考光栅。光纤光栅传感器为实验室设计的FBG温度传感器，该传感器在室温下的中心波长为1551.347 nm，峰值波长与温度的定标关系为λs=1551.107+0.0112 T。为了验证解调系统原理的正确性，将选用的FBG温度传感器置入温度可调恒温箱内，用为0.1℃的万用表测量传感器所处的环境温度，并将光纤F-P滤波器的输出直接连接AQ6319型光谱仪(光谱仪工作范围为50～2250 nm，分辨力选择0.01 nm)，从30℃开始持续加温，直到130℃，每隔10℃记录温度与F-P滤波器的透射波长。将测量的实验数据绘于图4中，同时，作线性拟合可得该传感器的波长与温度的关系为λB1=1551.1+0.0104T，且线性拟合度为0.9993，该式与FBG温度传感器的定标关系相比，两系数差分别为0.007和0.0008。显然所用的这种光栅校准解调系统的方法是可行的。 为了进一步确定解调系统的性能，用万用表直接测量传感器所处环境的温度，同时用解调系统进行温度分析，再从30℃开始持续加温，直到130℃，每隔10℃记录数据，将测量的两组数据同时绘于图5中进行对比。通过解调系统对温度的测量结果与万用表的测量结果相比，可以发现：温度的最小偏差为0.06℃，平均偏差为0.52℃，对波长的检测结果与光谱仪的检测结果相比，最小偏差为0.002 nm，平均偏差为0.017 nm。实验系统测试误差主要由2个因素造成，一是参考光栅所处环境会受到一定的外界温度与压力的影响；二是光纤F-P滤波器的透射谱峰值波长与电压的关系并非的线性。因此，通过改进硬件设计，增加参考光栅的数量，对波长-电压关系作高阶拟合，可进一步提高系统的稳定性和测量。
3 结论
通过置于恒温箱内的参考FBG和传感光栅得到2个波长稳定的光谱，近似拟合出光纤F-P滤波器在光纤传感器波长变化处的电压-波长线性关系，较为地获得传感器的波长漂移，提高了解调的。在30～130℃范围内，对试验室设计的温度传感器进行试验，其温度的最小偏差为0.06℃，平均偏差为0.52℃。因此，通过进一步光纤光栅实时校准设计并减小噪声干扰，消除光电探测器输出的电信号的抖动和增加系统A／D采集点数以获得FFP-TF实时动态波长校准方案，则可进一步提高系统的稳定性和测量。
TME-TransferMultisortElektronikSp.zo.o. 深圳特美意电子贸易有限公司 是波兰TransferMultisortElektronikSp.zo.o.公司在中国设立的子公司。 2018年在深圳成立，是TME公司在亚洲的第一个子公司，主要负责TME在中国大陆、中国香港和中国台湾市场的业务及市场拓展。 TME波兰总公司始创于1989年 初是两兄弟开设的电
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