0 引言

光纖布拉格光柵傳感器(FBGS)是用光纖布拉格光柵(FBG)作敏感元件的功能型光纖傳感器，可用于直接檢測溫度和應變，以及與溫度和應變有關的其他許多物理量和化學量的間接測量。在光纖布拉格光柵傳感器的應用研究中，波長解調是一個重要的方面。目前限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調。波長解調方法主要有光譜儀、斜邊濾波法、可調諧濾波法、干涉掃描法、匹配光柵法等。但是，在這幾種方法中，光譜儀成本較高，斜邊濾波法的分辨率較小，干涉儀沒有好的重復性，而可調諧濾波器的掃描周期較長。因此，近年來，匹配光柵法越來越受到人們的青睞。為此，文中介紹了一種簡單、廉價且由兩個并聯的匹配光柵解調來檢測光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設計方法。

1雙光柵匹配原理

雙光柵匹配系統(tǒng)示意圖如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的光經3 dB耦合器進入傳感FBG。再由FBG反射后進人兩路匹配光柵，對應的兩個光電探測器得到與其對應波長有關的光信號，然后由光電探測器將其轉換為電信號并進入信號采集處理電路提取有用信號，最后由后續(xù)信號處理系統(tǒng)實現數據的采集與處理。



圖1中，PD1和PD2為光電探測器，光電探測器所探測到的光功率P為：



其中I₁(λ)和I₂(λ)分別為傳感光柵和匹配光柵的反射功率譜密度函數。兩者的反射功率譜函數均可用高斯函數近似表示：



式中，I₀為反射譜強度峰值；λs為反射譜強度為I₀時對應的波長值；△λs為反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測器所探測到的光功率的大小與傳感光柵和匹配光柵的反射譜的卷積大小成正比。傳感光柵的中心波長λc與匹配光柵的中心波長λp的差值越小，對應的卷積值越大。由于△λ大于閾值△λmin時，卷積值過小可能無法繼續(xù)解調，因此，解調范圍會受到限制。

普通的匹配法只有一個傳感光柵一個匹配光柵，對應只有一個△λ。當該△λ≥△λmin時，解調系統(tǒng)將無法繼續(xù)解調。對于雙光柵匹配解調系統(tǒng)，傳感光柵與兩個并聯的匹配光柵的中心波長近似相等，但略有差別。三者關系為：λp1<λc<λp2，λp1和λp2分別表示兩個匹配光柵的中心波長。λc是傳感光柵的中心波長。傳感光柵在外界應力作用下時，△λ1=∣λc-λp1∣，△λ2=∣λc-λp2∣；當λc增大時△λ1增大，△λ2減??；當λc減小時，△λ1減小，△λ2增大。圖2所示為△λ1、△λ2和λc三者的關系圖，其中△λmin是光電探測器可以探測到的最小值。因此，根據圖2可知，在理論上，雙光柵匹配解調系統(tǒng)總是至少有一個光電探測器可以探測到可用光信號。



2  基于DSP的解調系統(tǒng)設計

2.1  系統(tǒng)硬件設計

匹配光柵反射回來的光入射到光電探測器(PD)上可轉換為電信號。光電轉換部分和信號采集部分主要完成對PD輸出電信號的采集，采集到的信號再轉化為數字信號由DSP進行處理。DSP主要完成數據的插值運算和尋峰處理，并根據處理結果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號控制步進電機完成下一步的解調工作，其系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。



為了實現高精度的數據采樣，本系統(tǒng)選用美國AD公司推出的一種12位帶并行微機接口的逐次逼近型模／數轉換芯片AD1674來實現系統(tǒng)的模數轉換，AD1674內部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準電壓源、時鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存／三態(tài)輸出緩沖器。

本系統(tǒng)采用TMS320VC5402作為主控芯片。這種定點DSP芯片可實現光纖光柵傳感信號的處理、步進電機的控制和顯示等。該芯片具有強大的數據運算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內實現乘累加運算。其靈活的循環(huán)緩沖區(qū)和高效的C語言可使TMS320VC5402方便地實現數據的循環(huán)尋址與卷積運算，從而實現高速度解調。

2.2  系統(tǒng)軟件設計

DSP系統(tǒng)的軟件部分主要由初始化程序、線性插值子程序或者曲線擬合子程序、顯示程序、驅動程序、中斷服務程序等幾部分組成，可以將A／D轉換和串行通訊代碼放在中斷服務程序中來實現。

初始化程序用于完成DSPI／O口、內部A／D轉換器、串行口、中斷等資源的初始化。為了協(xié)調A／D轉換和步進電機的控制，可由DSP發(fā)出控制信號來控制步進電機，以使經過A／D轉換所得的數字信號與加在匹配光柵上的步數一一對應。顯示部分的程序可將此數字信號經代數變換轉換為直接表示應力的數字量，然后通過查表動態(tài)實現應力顯示。

當匹配光柵反射波長與光纖光柵反射波的中心波長重疊時，光電轉換輸出脈沖信號，并向DSP請求中斷，然后由DSP執(zhí)行中斷服務程序，以將DSP內部A／D轉換器轉換所得的數字量讀入DSP并保存起來，最后通過串行口發(fā)送到上位機再中斷返回。

3  實驗結果分析

由實驗可得，在砝碼質量從0 g增加到60 g的過程中，粘貼在懸臂梁上的FBG1中心波長漂移0.716 nm，圖4所示為FBG1中心波長隨砝碼質量變化的曲線圖。由圖4可知，懸臂梁上的FBG中心波長變化量與懸臂梁自由端所施加的砝碼質量成較好的線性關系，并且具有較高的靈敏度。



實驗中可通過增加砝碼的質量施加對懸臂梁不斷增加的拉伸應力。兩個匹配光柵反射光信號分別被各自對應的光電探測器所接收。光電探測器輸出的模擬電壓信號則由以DSP為核心的信號處理系統(tǒng)的一系列處理得出傳感光纖布拉格光柵所感測到的外界物理量的大小。

當PD1對應處理后的電壓信號值為5 V時，對應的點為A和C，即對應的有兩個光纖布拉格光柵的波長值。因此，對于這個5 V電壓，解調系統(tǒng)無法直接判斷出對應的懸臂梁負載的質量是A點還是C點所對應的質量。對于雙光柵匹配解調系統(tǒng)，往往會存在兩個匹配光柵并對應兩個光電探測器。除存在PD1外，還存在PD2。系統(tǒng)可以通過PD1和PD2兩者所對應的電壓值來確定產生5V電壓時所添加的砝碼質量。實際上，可通過DSP系統(tǒng)的運算處理得到匹配光柵中心波長的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長變化量。對于雙光柵匹配解調系統(tǒng)，對應的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴大傳感光柵的測量范圍。光電探測器的輸出經信號調理電路后的電壓隨應力的變化曲線如圖5所示。



4 結束語

雙光柵匹配解調系統(tǒng)是以匹配法為基礎并加以改進新方法。它繼承了匹配法結構簡單、成本低、實現容易等優(yōu)點。同時，雙光柵匹配解調系統(tǒng)還解決了因光電探測器導致的測量范圍受限的問題，也解決了匹配法中存在的雙值問題。該解調系統(tǒng)將匹配光柵粘貼于特殊懸臂梁上，并采用DSP進行處理，不僅提高了響應速度，而且提高了解調的精度和穩(wěn)定性。減小了匹配光柵因應力過大而損壞的可能性。利用拉力作為系統(tǒng)的待測量進行解調實驗證明該系統(tǒng)具有良好的線性度、解調精度、速度及靈敏度。