光柵溫度傳感系統的設計與應用

摘 要： 系統地分析光纖光柵傳感原理及技術特點，綜合提出一種采用可調諧濾波器的波長解調方案。由于可調諧濾波器輸入輸出具有非線性的特點，且隨時間、溫度發生變化，所以系統中加入透射型標準具對其進行實時標定。在一個掃描周期中，標準具透射等間隔的窄帶波峰，通過測量每個掃描周期標準具輸出的窄帶波峰，即可對可調諧濾波器進行標定。系統中采用DSP作為信號采集裝置，通過USB 2.0口將采集數據傳送給PC機，進行數據處理和圖形顯示。

關鍵詞： 光纖布拉格光柵； 波長解調； DSP； 折射率； 透射型標準具

中圖分類號： TN710?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0141?02

Abstract：The fiber grating sensing principle and technology character are systematically analysed and then a scheme of wavelength demodulation with tunable filter is put forward. As the input and output of the tunable filter are nonlinear and changeful with time and surrounding temperature， an AERF （athermal etalon reference filter） is added to the system which can calibrate the tunable filter in real time. During a scanning period， the AERF outputs a set of equal interval narrowband peaks measured in every scanning period，so the tunable filter is calibrated. DSP performs as signal gathering device in the system. The gathered data are transferred to the host PC through USB2.0 interface in high speed mode. The host PC is responsible for the later data processing and the graphic display.

Keywords：fiber Bragg grating； wavelength demodulation； DSP； refractive index； AERF

光纖光柵是一種新型的光子器件，基于光纖光柵的傳感器是近年來發展最為迅速、應用最為廣泛的光纖傳感器之一，目前，光纖光柵的傳感器已成為結構健康診斷的先進技術手段之一[1]。波長解調方法是光纖光柵傳感器獲得推廣和發展的技術核心。

1 光纖布拉格光柵傳感原理

光纖光柵就是利用光纖中的光敏性制成的。光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化的特性。在纖芯內形成的空間相位光柵，其作用的本質就是在纖芯內形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。這些器件具有反射帶寬范圍大、體積小，易與光纖耦合，不受環境塵埃影響等一系列性能。

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感的原理：寬帶光信號經過光柵時，入射光能在相應頻率上被反射回來，其余光譜不受影響，這樣光纖布拉格光柵就起到光波選擇反射鏡的作用。當光柵周圍的待測物理量發生變化時，將導致光柵周期的變化，從而產生光纖布拉格光柵反射波長的位移，通過檢測并計算布拉格波長的位移，即可獲得待測物理量的變化，如圖1所示。

2 波長解調系統方案

選取可調諧濾波法進行波長解調[5]，具體實施方案如圖2所示。

光源發出的寬帶光直接射入可調諧濾波器[6]，在控制信號的周期作用下，由可調諧濾波器輸出與之對應波長的窄帶光波，把周期性掃描的窄帶光波經過耦合器被分成兩路。使其中一路經過光隔離器和耦合器入射到待測傳感光柵和參考光柵上，入射光掃描到該傳感光柵和參考光柵的特征波長時，經光耦合器反射到PIN管（光電二極管）；另一路光信號經光隔離器和耦合器入射到標準具，標準具透射的等間隔波峰進入另一路PIN管，這一部分用來對可調諧濾波器進行標定。經過PIN管光電轉換得到的微弱電信號，需要通過信號調理電路進行進一步的放大、調理，經過A/D采樣后，由微處理器進行濾波、波峰檢測等處理并存儲，然后通過USB 2.0高速串行口發送到PC主機[7]，進行后續處理。DSP同時控制輸出三角波信號作為可調諧濾波器的掃描驅動電壓。

3 溫度試驗

下面做0～50 ℃的升溫試驗。試驗過程如下：將溫度傳感器置于高低溫試驗箱中，溫控精度0.1 ℃。在0～50 ℃之間改變溫度，每次改變10 ℃，溫度變化緩慢可以認為是準靜態過程，每次測量都等到溫度已經穩定下來。記錄并計算不同溫度下光纖溫度傳感器的反射波長值，得出波長變化量與溫度變化之間的關系。升溫試驗界面顯示如圖3所示。

4 結 論

通過以上試驗可以看出，反射波長隨溫度的變化具有良好的線性度，光纖光柵溫度傳感器反射波長的溫度系數為9.6 pm/℃，與該傳感器的原始標定數據基本一致。

參考文獻

[1] 田石柱.結構健康監測新型傳感器：光纖Bragg光柵[J].低溫建筑技術，2002（4）：42?43.

[2] 姜德生，梁磊，南秋明.光纖Bragg光柵傳感特性的實驗研究[J].傳感器技術，2003，22（7）：7?9.

[3] 姜德生，何偉.光纖光柵傳感器的應用概況[J].光電子·激光，2002，13（4）：420?430.

[4] KERSEY A D， BERKOFF T A， MORSEY W W. Multiplexed fiber Bragg grating strain?sensor system with a fiber Fabry?Perot wavelength filter [J]. Optics Letters， 1993，18（16）：1370?1372.

[5] 張昕明，余有龍，朱勇.光纖光柵傳感系統信號解調技術[J].光電子技術與信息，2002，15（4）：17?20.

[6] 宋明，謝芳，馮其波.可調諧濾波器的研究進展[J].光學儀器，2006，28（5）：81?85.

[7] 馬偉.嵌入式USB主機系統的研究與設計.計算機測量與控制，2003，11（5）：381?384.