FBG传感解调技术

分类：免费论文    更新时间：08-06    来源：网络

 光纤布喇格光栅构成的传感系统，其传感量主要是以波长的微小位移为载体，所以传感系统中应有精密的波长检测装置。光纤布喇格光栅的温度和应变灵敏度很小，在附近，布喇格波长的温度和应变灵敏度的典型值约为0.01nm/℃和。为了达到1℃和的测量精度，中心反射波长位移的测量精度应高于0.01nm的量级。因此，的测量精度直接限制了整个系统的检测精度，的检测技术也就成为光纤光栅传感的关键技术之一。

光谱分析仪(OSA)是测量FBG传感器谐振波长位移最简单、最直接的方法，但由于其体积较大、价格较高以及被测信息显示不够直观等限制，OSA一般仅作为实验室使用的测量设备。到目前为止，虽然提出了许多解调方案，但真正工程实用化的并不多，其中有代表性的方法主要有:可调谐法布里一拍罗滤波解调法、可调谐匹配滤波解调法、非平衡M-Z干涉解调法、可调谐窄带光源法、边缘滤波法等。这里介绍直接解调法，可调谐匹配滤波解调法，可调谐窄带光源法，边缘滤波法。

3.1 直接解调法

光纤光栅传感器的波长变化最直接的检测方法就是利用光谱仪(或单色仪)检测输出光的中心反射波长的变化。如图3.1所示。外界待测量加在传感头上，光源出射的光在光纤布喇格光栅中传输时，布喇格中心波长产生移位，负载光被光纤布喇格光栅反射，经耦合器导入光谱分析仪，在光谱分析仪中可检测出，从而确定待测量。

 

这种方法的优点是采用波长编码、适于分布式传感，且检测方便、直观。这种方法结构简单适宜于实验室使用。但是受到光谱仪的分辨率的限制，传统的以色散棱镜或衍射光栅为基础的光谱仪分辨率较低，无法满足要求。而高分辨率的光纤光谱分析仪分辨率可以满足要求，但价格昂贵(分辨率为0.01nm，精度为0.1nm光谱仪价格高达数万美元)，体积庞大，由此构成的系统缺乏必要的紧凑性和牢固度。所以在一个面向实际应用的传感器系统中采用这种光谱仪检测光纤光栅的波长移位是极不现实的。更重要的是它不能直接输出对应于波长变化的电信号，这对于测量结果的纪录、存储和显示以及提供给控制回路必要的电信号传达到工业生产过程自动控制的目的都是不方便的。

3.2 可调匹配光栅滤波解调法

这种方法就是用一个与传感FBG相匹配的参考FBG去跟踪传感FBG的波长变化进行匹配滤波，由两个光栅相匹配时参考FBG的波长去推知传感FBG的波长[10]。可调匹配滤波解调法的原理图如图3.2所示。

 

图3.2 可调匹配光栅滤波解调法示意图

除了作为传感元件的光纤布喇格光栅外，还要使用一光纤布喇格光栅作为参考光栅用于解调，该光栅与传感光栅的布喇格波长完全相同。参考光栅在压电陶瓷PZT的作用下，其反射波长将在一定范围内来回移动，光谱移动范围涵盖了传感光栅的反射谱，传感光栅和解调光栅的布喇格光栅波峰重合时，探测器探测到的光信号最强，否则探测的光信号十分微弱。根据伺服系统作用在PZT上的电压与光栅波长的调谐关系即可测得作用于传感光栅的物理量。

采用该方法检测应变探测分辨率虽可达到，可不足之处是该法对光栅匹配要求高，要求两个光严格匹配。由于压电陶瓷的响应速度有限，使这种方法只适用于测量静态或低频变化的物理量，对于振动频率较高的物理量，则能力有限。而且光路中使用了较多的耦合器，光损耗较大，使系统信噪比较低。

到目前为止，己开发出很多基于匹配光栅的解调方法，如:Jackson等人报道的一种采用反射式结构的光纤光栅对参考法，Ferreira引入一个与传感光栅呈匹配关系的起滤波作用的参考光栅，提出了开环反射匹配光栅解调方案，关柏鸥等提出的一种利用匹配光栅调谐激光器波长扫描寻址的解调方案等等。

3.3 可调谐窄带光源法

Ball等人提出了一种采用经过定标的可调窄线宽激光光源来查询传感光栅阵列，从而确定布喇格波长的实用方法[11]。可调谐窄带光源法波长解调原理，如图3.3所示

 

图3.3 可调谐窄带光源法示意图

该方法是通过调谐窄线宽激光源的波长来主动扫描传感FBG反射谱，当激光波长调谐至光栅布喇格中心波长时，在探测器处接收的反射信号光强最大。探测的输出信号经过放大、滤波后，再进行信号采集和处理，如果用锯齿波驱动激光器来进行波长的线性调谐，则根据扫描电压与波长的对应关系可最终解调出传感FBG的中心反射波长。系统分辨率取决于激光器线宽与FBG反射谱的卷积。若在扫描电压上加一微小正弦电压根据探测电信号在扰动频率处为零时可锁定峰值波长来构造反馈闭环，可大大提高分辨率。激光源可选用可调谐单纵模激光器，但调谐范围小且比较昂贵。更实用的方法是制作光纤激光器，采用光纤F-P滤波器或FBG作为波长调谐元件来控制激光器的波长连续调谐输出。这类系统的信号光功率高，可以忽略噪声，适于测量静态或准静态参量。基于FFP的光纤激光器调谐范围可达40nm。

该方法的最高分辨率达到2.3pm，对温度的分辨率达到0.2℃，但要求可调谐窄带光源输出光谱线宽窄和光谱调谐范围宽。另外由于目前的光纤激光器的稳定性及可调谐范围不太理想，在一定程度上限制了光纤光栅传感器的个数和使用范围。

3.4 边缘滤波法

M.A.Davis等人利用波分耦合器的特殊传输特性来测量光纤光栅波长变化[11.12]。波分耦合器在1520~1560nln的波长范围内，耦合器的效率与波长基本呈线性关系，因而可以利用该特性来测量波长的变化。

测量系统如图3.4所示：

 

图3.4边缘滤波法示意图

如图3.4所示，宽带光源发出的光被传感光栅反射回来后进入耦合器。耦合器的出射光分为两束，这两束出射光通过光电探测器变成电信号，经过处理后消除光功率变化的影响，最后得到波长的变化量。

长周期光栅在较小带宽的范围内，具有与波分耦合器相似的传输特性，通过适当地选择长周期光栅常数，采用上述结构，用两个长周期光栅代替波分耦合器，同样可以测量FBG的波长[13]。

这种方法后续的电子处理电路极为简单，但由于受器件传输特性的影响，测量的分辨率较低。