一種工業(yè)應(yīng)用的高精度光纖光柵傳感解調(diào)儀研制與設(shè)計(jì)

劉小清 朱佳佳

摘 要：本文通過實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾p光柵參考法作為光纖光柵信號(hào)解調(diào)的波長(zhǎng)校準(zhǔn)方法，提高解調(diào)精度，同時(shí)研制透射通道，對(duì)透射型高斯光譜器件進(jìn)行透射波長(zhǎng)解調(diào)，使用國產(chǎn)化穩(wěn)定可調(diào)光纖濾波器，提高性價(jià)比，滿足工程應(yīng)用對(duì)解調(diào)儀高精度、低成本、透反同時(shí)測(cè)量的需求，推動(dòng)光柵傳感的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：光纖光柵 波長(zhǎng)解調(diào) 信號(hào)解調(diào) 濾波法 透射波長(zhǎng)解調(diào) 雙光柵參考法

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）02（a）-0105-03

光纖光柵（Fiber Bragg grating，簡(jiǎn)稱FBG）因其本征安全、體積小、重量輕、每根光纖可串接多個(gè)光柵，方便工程上大規(guī)模復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，近些年得到了快速發(fā)展[1]；而光纖光柵信號(hào)解調(diào)一直是限制光纖傳感器工業(yè)應(yīng)用的問題之一，目前，可工程應(yīng)用為基于光纖可調(diào)濾波器法，此方法現(xiàn)還有精度受溫度影響較大、濾波器常年受國外壟斷、成本高等缺點(diǎn)[2]，因此本文將基于自主開發(fā)的高穩(wěn)定可調(diào)濾波器，使用帶溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖脊鈻胚M(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)，并開發(fā)可對(duì)透射器件進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感解調(diào)儀，以滿足需要透射型傳感器的場(chǎng)合，滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵是利用紫外激光光束照射光纖，被照射區(qū)間段纖芯的折射率將發(fā)生周期性的變化，在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶濾波器或者反射鏡，對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射。

如圖1所示，當(dāng)一束寬帶光源入射到光纖光柵時(shí)，滿足布拉格條件的光被反射，其余光透射，光纖布拉格光柵方程為：

λ=2neffΛ （1）

式中：λ為FBG的中心波長(zhǎng)；neff為光纖纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。

當(dāng)外部被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，使得對(duì)應(yīng)FBG中心波長(zhǎng)偏移，通過解調(diào)儀器解析出中心波長(zhǎng)偏移量，根據(jù)標(biāo)定好的待測(cè)量與中心波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到信號(hào)傳感的目的。

2 光纖光柵解調(diào)原理

可調(diào)FP濾波法因解調(diào)范圍廣、準(zhǔn)確度高、適用于大容量復(fù)用網(wǎng)絡(luò)解調(diào)而成為目前最主流，也最適合工程現(xiàn)場(chǎng)使用的解調(diào)方法（見圖2）。

寬帶光源發(fā)出的光，進(jìn)入多個(gè)不同反射波長(zhǎng)的傳感FBG，滿足一定條件的光反射回可調(diào)光纖F-P濾波器，給F-P腔上的壓電體（PZT）加載鋸齒波掃描電壓，用來調(diào)節(jié)F-P腔腔長(zhǎng)，若F-P濾波器的透射波峰和FBG的反射波峰相重合時(shí)，F(xiàn)-P濾波器的透射光強(qiáng)達(dá)到最大，不同的掃描電壓所對(duì)應(yīng)不同的透射光的波長(zhǎng)，如此，在同一掃描周期的不同時(shí)刻，有多個(gè)FBG反射波長(zhǎng)經(jīng)過F-P腔，再通過光電轉(zhuǎn)換，把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波等調(diào)理電路，最終進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)后送入計(jì)算機(jī)結(jié)合上位機(jī)軟件進(jìn)行信號(hào)處理，最終，解調(diào)出被測(cè)信號(hào)。

現(xiàn)有解調(diào)儀有以下缺陷限制其精度和穩(wěn)定性，從而限制工業(yè)應(yīng)用。

（1）FP濾波器受溫度影響的溫漂未進(jìn)行有效補(bǔ)償，導(dǎo)致長(zhǎng)期精度低。

（2）因?yàn)楹诵钠骷姆蔷€性，導(dǎo)致儀器分辨率精度過低。

（3）使用labview或者windows商業(yè)軟件作為開發(fā)軟件，不開源。

（4）現(xiàn)有儀器僅可測(cè)量反射型器件，一些需要測(cè)量透射傳感器的場(chǎng)合則需使用昂貴的光譜儀、波長(zhǎng)計(jì)等。

3 光纖光柵解調(diào)儀的設(shè)計(jì)

綜上所述，本文將針對(duì)上述限制器工業(yè)應(yīng)用的問題，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，開發(fā)出高精度、高穩(wěn)定性、低成本的透反型的工業(yè)級(jí)光纖傳感解調(diào)儀。

3.1 自主開發(fā)光纖可調(diào)濾波器

本文使用深圳中科傳感自制的高穩(wěn)定國產(chǎn)化工藝光纖可調(diào)濾波器，打破長(zhǎng)期國外壟斷，同等品質(zhì)產(chǎn)品，成本降低為國外的1/10，滿足工程大量應(yīng)用的低成本要求。

3.2 實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖脊鈻挪ㄩL(zhǎng)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

可調(diào)FP濾波器的溫漂影響儀器解調(diào)精度，因此需采用相應(yīng)的方案，提高儀器解調(diào)精度，本文使用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的雙光柵波長(zhǎng)參考法，進(jìn)行溫漂補(bǔ)償，可將儀器短期精度提高到±1pm，長(zhǎng)期精度±2.5pm。

儀器內(nèi)置兩個(gè)固定波長(zhǎng)的參考光柵，用傳感光柵與固定波長(zhǎng)參考光柵的相對(duì)位置來解調(diào)傳感光柵的波長(zhǎng)，這樣避免了使用可調(diào)FP濾波器的電壓-腔長(zhǎng)非線性關(guān)系來進(jìn)行解調(diào)，為了避免溫漂造成的影響，提前標(biāo)定出參考光柵的溫度系數(shù)，同時(shí)在光柵旁邊放置精度0.01度的熱電偶傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，根據(jù)參考光柵的溫度系數(shù)進(jìn)行軟件計(jì)算補(bǔ)償，以補(bǔ)償后的波長(zhǎng)作為已知波長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，改善溫漂造成的影響。算法原理如圖3。

圖3中，1和3為參考光柵譜線，中心波長(zhǎng)分別為λ1和λ3，2為傳感光柵譜線，中心波長(zhǎng)為λ2，N為采樣點(diǎn)，當(dāng)外界參量（溫度或應(yīng)變）使傳感光柵位置移動(dòng)，如圖所示，從原本位置2移動(dòng)到21時(shí)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)為N21，則：

（2）

由此只需得到傳感光柵相對(duì)參考光柵的相對(duì)位置，根據(jù)已知波長(zhǎng)的參考光柵的波長(zhǎng)，就可計(jì)算出傳感光柵的波長(zhǎng)，即只需采集到傳感光柵和參考光柵峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置（采樣點(diǎn)），進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，便可完成解調(diào)。

3.3 透射型器件波長(zhǎng)解調(diào)的光纖光柵解調(diào)儀器設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，有一些透射型傳感器需進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，如長(zhǎng)周期光柵等，現(xiàn)解調(diào)儀均不具備透射型器件的解調(diào)功能，本文將對(duì)解調(diào)軟硬件增設(shè)透射通道，其中反射通道用來入射光，透射通道用來接收透射光譜，再通過光電轉(zhuǎn)換、濾波、尋峰等，計(jì)算出透射波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)透射器件的波長(zhǎng)解調(diào)，可根據(jù)實(shí)際需要，制作多路反射和透射同時(shí)測(cè)量的解調(diào)儀器（見圖4）。

3.4 解調(diào)軟件的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)解調(diào)儀大多使用windows或者labview軟件進(jìn)行編程，工業(yè)可控性差，本文從底層開始使用linux+C語言來進(jìn)行開發(fā)，除了傳統(tǒng)的原始波長(zhǎng)、物理量采集功能，擬新加入靈活的傳感器設(shè)置、標(biāo)定功能；波長(zhǎng)自校準(zhǔn)功能；加入強(qiáng)大的公式編輯、調(diào)用功能，大大提高了儀器的實(shí)用性，同時(shí)支持常用接口及協(xié)議，如RS232/485、TCP/IP、moubus等，方便數(shù)據(jù)與其他集控系統(tǒng)的傳送。

4 結(jié)語

本文從限制光柵傳感工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)有問題出發(fā)，重點(diǎn)研制有溫度補(bǔ)償?shù)牟ㄩL(zhǎng)校準(zhǔn)方法，同時(shí)增加透射通道，使解調(diào)儀可以同時(shí)對(duì)反射和透射型光器件進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，使用國產(chǎn)化工藝的高穩(wěn)定、低成本核心解調(diào)器件——光纖可調(diào)濾波器，提高儀器性價(jià)比，最終研制出高精度、低成本的工業(yè)級(jí)光纖光柵解調(diào)儀，波長(zhǎng)解調(diào)長(zhǎng)期精度可達(dá)±2pm，推進(jìn)光纖傳感的工業(yè)化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

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