分布式光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

方煒煒1，劉爾2，張翠2
(1北京信息科技大學(xué)  100085 ；2武漢理工大學(xué)光纖傳感重點實驗基地   430070)

                  
摘要    研制出一種新型的分布式光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，利用計算機并口驅(qū)動光纖光柵解調(diào)器對傳感信號進(jìn)行解調(diào)。本文討論了系統(tǒng)的解調(diào)原理、系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)。
關(guān)鍵詞   傳感 光纖布拉格光柵 解調(diào)
中圖分類號TP212.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

             Design of Distributed FBG demodulation system
Abstract    A new kind of distributed FBG demodulation system is reported. The sensing signal is demodulated by the  fiber grating demodulator in terms of computer parallel bus. In this paper, the demodulation principle ,structure and properties in the system are discussed.
Key words   sensor   FBG  demodulation

1．引言
光纖布拉格光柵(FBG)是國際上新興的一種在光纖通訊、光纖傳感等光電子處理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的基礎(chǔ)性光纖器件。當(dāng)前FBG的制作與應(yīng)用研究成為世界各國光纖技術(shù)研究的熱點和重點。作為傳感元件，光纖光柵將被感測信息轉(zhuǎn)化為其反射波長的移動，即波長編碼，因而不受光源功率波動和系統(tǒng)損耗的影響。另外，光纖光柵具有可靠性好、抗電磁干擾、抗腐蝕等特點，易于將多個光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上構(gòu)成光纖光柵陣列，實現(xiàn)分布式傳感，這是其他傳感元件所不及的。FBG傳感器的關(guān)鍵就在于精確的檢測Bragg反射波長的微小移動，即對波長編碼信號進(jìn)行解調(diào)。利用高精度的光譜分析儀可以達(dá)到這一目的，但由于其體積龐大，價格昂貴，很難用于實際應(yīng)用中。因而開發(fā)出高精度、低成本的FBG解調(diào)器是將FBG傳感器產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。武漢理工大學(xué)光纖傳感重點實驗基地經(jīng)過多年努力，自主研發(fā)出一種成本低、新型的分布式光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)，本文將對該系統(tǒng)的設(shè)計原理和方案做詳細(xì)地闡述。

2. 光纖布拉格光柵的解調(diào)原理
FBG光柵是指單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術(shù)形成的全新光纖型FBG光柵。成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產(chǎn)生FBG光柵效應(yīng)。這種光柵的基本光學(xué)特性就是以共振波長為中心的窄帶光學(xué)濾波器。
FBG光柵解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)原理是：外界測量加在傳感頭FBG上，根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)一寬光譜光源（如光柵原理圖）注入光纖，將產(chǎn)生模式耦合， FBG光柵將反射回一個中心波長為布喇格波長的窄帶光波，其布喇格波長為
        

其中 是光柵周期， 是纖芯的有效折射率。 和 均受外界環(huán)境的影響（如溫度、應(yīng)變），從而將導(dǎo)致FBG波長的改變。例如當(dāng)沿光纖光柵軸向施加應(yīng)力時，光纖產(chǎn)生應(yīng)變，光柵的布拉格波長發(fā)生漂移，這就是光纖光柵的應(yīng)變效應(yīng),應(yīng)變效應(yīng)可表示為：
                

這里 是由于應(yīng)變效應(yīng)光柵布拉格波長所產(chǎn)生的漂移， 是光柵的長度， 。任何對光柵的激勵影響如溫度或應(yīng)變，都將導(dǎo)致FBG波長的改變，這個改變可以從光柵的反射光譜中檢測出來，并且將這個改變的布拉格波長與以前沒受激勵影響時的布拉格波長進(jìn)行比較，可以測定光柵受激勵程度，然后通過標(biāo)定漂移，進(jìn)而通過計算機系統(tǒng)的計算和分析，可以得到不同點上所受到的壓力和應(yīng)變的大小。

分布式光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)則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(jīng)3dB耦合器取出反射光后，用波長探測解調(diào)系統(tǒng)同時對多個光柵的波長偏移進(jìn)行測量，從而檢測出相應(yīng)被測量的大小和空間分布。

3．解調(diào)系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)
我們所設(shè)計的分布式FBG解調(diào)系統(tǒng)在一根光纖中串接多個FBG傳感器S1,S2,S3……Sn(在目前系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)下n可達(dá)30)，寬帶光源照射光纖時，每一個FBG反射回一個不同布拉格波長的窄帶光波。任何對光纖光柵的激勵影響如溫度或應(yīng)變，都將導(dǎo)致這個光纖光柵布拉格波長的改變。分布式光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)通過測量各測試點光纖光柵傳感器反射光波長的精細(xì)變化來測量各點的待測參量的變化。本解調(diào)系統(tǒng)用耦合器導(dǎo)引光纖光柵反射光進(jìn)入可調(diào)諧窄帶光纖F-P濾波器，通過電控壓電陶瓷改變?yōu)V波器中F-P的腔長來改變 F-P濾波器的導(dǎo)通頻帶。在調(diào)諧控制信號的作用下，光纖F-P濾波器的導(dǎo)通頻帶掃描整個光柵反射光光譜。由于光纖F-P濾波器的導(dǎo)通頻帶很窄，當(dāng)光纖F-P濾波器的導(dǎo)通中心波長與某一光纖光柵的
布拉格波長相等時，有且僅有一個光纖光柵的反射光通過光纖F-P濾波器進(jìn)入到光電探測器，光電探測器將這一光纖光柵的反射光變換成電信號, 這個信號的峰頂對應(yīng)于從這一光纖光柵反射回的波長。當(dāng)某個被測FBG例如S2在某時刻的被測物理量如溫度或者是應(yīng)變發(fā)生改變（如圖三），相應(yīng)的反射FBG波長發(fā)生改變，檢測出的反射波長的改變對應(yīng)被測物理量的變化。通過這種解調(diào)方式，此解調(diào)系統(tǒng)能以幾百Hz頻率甚至幾 kHz的頻率進(jìn)行掃描，在可調(diào)諧 F-P 濾波器的每個掃描周期中，所有光纖光柵傳感器的布拉格波長能得到快速測定。此解調(diào)系統(tǒng)可應(yīng)用于各類分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)中。

3．1解調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件由以下5個組成部分：
⑴寬帶光源組件：發(fā)光二極管LED。
⑵光纖波分復(fù)用器：1×3 光纖耦合器（DBC）和可調(diào)諧光濾波器組成。
⑶光電轉(zhuǎn)換器件：PIN光電二極管和放大器組成。
⑷信號采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：由計算機并口雙通道進(jìn)行高速采集，預(yù)裝在主機上的傳感器系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
⑸光纖傳感探頭：裸光纖外層包以塑料護(hù)套，以防止外界硬物對光纖的損傷。
由計算機并口發(fā)出脈沖，啟動發(fā)光二極管LED的脈沖驅(qū)動電流源工作，驅(qū)動LED工作。LED出光經(jīng)過耦合支傳感光纖，傳感光纖放在待測應(yīng)變場中。來自傳感光纖的后向散射光再經(jīng)過耦合器耦合到接受通道，由濾波器進(jìn)行濾波，光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，放大器進(jìn)行放大。計算機通過并口對數(shù)字信號進(jìn)行雙通道采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將測量結(jié)果顯示在計算機屏幕上，并顯示波長、應(yīng)變的變化曲線圖，亦可由打印機打印數(shù)據(jù)結(jié)果和曲線圖。

3．2 解調(diào)系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件是用面向?qū)ο笳Z言Visual Basic編制的 ，可在win9x及winXP上運行。友好的用戶界面為用戶提供了友好的人機對話環(huán)境，用戶可根據(jù)工作要求選擇主界面上的菜單，確定采樣速率、循環(huán)采樣次數(shù)、測量對象、繪圖類型、存儲數(shù)據(jù)等。軟件運行后，可將測量出來的各點光柵的每一時刻的波長值、應(yīng)變值顯示在主界面，并動態(tài)地繪制出波長和應(yīng)變的變化曲線圖。
 

（圖五 軟件主界面）
軟件的主要功能包含了9個功能模塊：
⑴采集速率的測試及調(diào)節(jié)模塊：由用戶通過移動選擇菜單中的滾動條來選擇采集速率，主界面顯示出軟件的當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的速率。
⑵數(shù)據(jù)采集模塊：通過計算機并口雙通道不斷地自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并按用戶選擇的循環(huán)采集次數(shù)和平滑點數(shù)求其平均值，使得采集的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。
⑶數(shù)據(jù)存儲和讀取模塊：可按用戶要求從任一時刻開始將采集的數(shù)據(jù)并行存儲到*.txt中，并將計算出來的波長值、應(yīng)變值存儲在*.txt中，或在運行時從*.txt讀取標(biāo)定數(shù)據(jù)以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
⑷數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示模塊：根據(jù)做實驗得出的標(biāo)定數(shù)據(jù)（中心波長偏移量與工作波長的對應(yīng)關(guān)系和工作波長與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系）對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，可由兩點式和截距式兩種方法求出受應(yīng)變影響下的波長值和應(yīng)變值，并在主界面上顯示出各點每時刻的光柵的波長值、應(yīng)變值。
⑸波長和應(yīng)變的曲線圖的繪制模塊：實時地繪制出波長和應(yīng)變的曲線圖。當(dāng)鼠標(biāo)放在選定的波長或應(yīng)變曲線圖象上，該圖象就會自動放大便于用戶查看曲線變化趨勢。
⑹數(shù)據(jù)回放模塊：當(dāng)停止采集數(shù)據(jù)后，用戶可從主界面菜單選擇數(shù)據(jù)回放功能，軟件則將先前采集的波長、應(yīng)變曲線圖再次顯示出來。
⑺掃描光柵圖的繪制模塊：該模塊對波長進(jìn)行掃描尋址并在主界面上動態(tài)地顯示出當(dāng)前工作光柵和參考光柵的條數(shù)和工作光柵中心波長相對于參考光柵中心波長的偏移位置。
⑻打印模塊：將計算出來的波長值、應(yīng)變值及其波長和應(yīng)變曲線圖打印出來。
⑼退出模塊：退出軟件，返回操作系統(tǒng)。  

4.系統(tǒng)的主要技術(shù)性能指標(biāo)
2003年4月由湖北省科學(xué)技術(shù)廳主持專家鑒定會正式通過鑒定，鑒定結(jié)論為：“該系統(tǒng)測量精確、性能可靠，是新一代的非電感應(yīng)新產(chǎn)品，填補了國內(nèi)空白，并達(dá)到國際先進(jìn)水平。建議擴(kuò)大實驗應(yīng)用范圍，盡快實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)�！�
系統(tǒng)的主要特性如下：
應(yīng)變測量范圍：  0～ 8000με 
頻率響應(yīng)：      0～ 50Hz 
靈敏度：         1με
掃描速度：         1.5s
長期穩(wěn)定性：      ±5με
傳輸距離：         5km

5．結(jié)束語
由于本系統(tǒng)的傳感量是它反射波長的位移量，且該位移量與被測量對象應(yīng)變變化呈線形關(guān)系，對系統(tǒng)中光源強度起伏、光纖損耗、光波相位、偏振等均不敏感，從根本上克服了強度干擾這一最為突出的問題。通過一根數(shù)據(jù)總線多只光纖光柵實現(xiàn)了對物理量的分布式測量，又結(jié)合了采用微機并口雙通道采集數(shù)據(jù)和信號處理軟件的方案能較好的處理PIN輸出的模擬信號，得到準(zhǔn)確的應(yīng)變場的空間分布狀態(tài)和時間變化的信息。
本系統(tǒng)是集光機電和計算機一體化的分布式光纖解調(diào)系統(tǒng)，信噪比高，其穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性都很好，應(yīng)變可測范圍大，制作成本低，適合在惡劣環(huán)境下使用。現(xiàn)正與企業(yè)合作批量生產(chǎn)分布式光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。

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