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光纖光柵(FBG)傳感器通過波長編碼傳感信號，可用于應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等諸多物理量的傳感測量，因而受到重視[1，2]。FBG傳感器常用的解調(diào)方法有匹配濾波法、線性濾波器法、非平衡馬赫澤德干涉法[3]和可調(diào)諧F-P腔法[4，5]。其中，線性濾波解調(diào)方法對傳輸損失及光源波動引起的變化不敏感，具有較好的線性輸出[6]，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、便攜靈巧的傳感解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑。但由于系統(tǒng)耦合器的分束比變化、光纖雙折射及濾波器非線性都會影響測量精度，且分辨率較低，制約了線性濾波法FBG傳感器解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。
FBG傳感器的一個(gè)主要應(yīng)用是埋于智能結(jié)構(gòu)[7]，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、變形、振動和壓力等參數(shù)監(jiān)測，這就需要傳感器解調(diào)系統(tǒng)可工作于戶外，具有體積小、便于攜帶等特點(diǎn)。然而目前多數(shù)FBG傳感器解調(diào)系統(tǒng)以PC機(jī)作為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)存儲顯示的主要單元，體積大、結(jié)構(gòu)笨重和不適宜野外作業(yè)。
本文介紹的FBG解調(diào)系統(tǒng)所用線性濾波器是波分復(fù)用器(WDM)采用高精度24位∑-△A/D轉(zhuǎn)換模塊確保信號采集精度，提高動態(tài)范圍，采用自校準(zhǔn)的方法消除兩路模擬電路差異以及濾波器非線性的影響，從軟件上優(yōu)化系統(tǒng)性能。單片機(jī)ADuC847實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲傳輸、電路校準(zhǔn)及系統(tǒng)智能化。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該系統(tǒng)高精度、便攜帶的特點(diǎn)。
2 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)
用線性濾波法實(shí)現(xiàn)FBG傳感器波長解調(diào)的基本結(jié)構(gòu)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。由FBG反射后形成窄帶光譜，通過線性濾波器得到兩路出射光功率與波長有關(guān)的光信號。光電探測器PIN將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)入信號采集處理電路提取有用信號，并由單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。
圖2為線性解調(diào)原理示意圖。假設(shè)窄頻反射Bragg脈沖服從典型高斯函數(shù)分布，其譜寬為Δλ，中心譜線波長為λR，且濾波函數(shù)為F(λ)=A(λ-λ0)。濾波光信號IF、參考光信號IR的比例為
