一种高精度光纤光栅传感器解调系统.

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基于USB2.0的高速光纤光栅解调系统的研制

；一一台一一一 — 光ｒ。一晃栅Ｇ
图１解调仪结构
宽带光谱经隔离器和耦合器入射到ＦＧ，ＦＧＢＢ
基金项目：国家自然科学基金项目一仪器专项（０２０２；６６７０）天津市应用基础重点项目（６ＦＺＣ００）天津市应用基础重点项目（４８３１）０ＹＪＪ０４０；０３０５１
２Ａｈ
（）１
其中：光栅中心波长；纤芯有效折射率；Ａ纤芯折射率调制周期。温度和应变的变化会引起光栅纤芯折射率调制
周期的伸缩，从而引起光纤光栅中心波长的变化，光纤光栅中心波长与温度、应变之间的关系如下：
３５
维பைடு நூலகம்资讯
现代仪船（＼，．ｄｒｉｔ．ｒ．ａ、ｆ＼ｍｏｅｎｎｒｏｇｃ）『、，，、、ｆｓｓ
反射回来的窄带光谱经线性滤波器ＷＤＭ后输出两路光功率（１Ｐ）Ｐ和２，两路光功率变化与入射的窄带光谱波长的关系如下：
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光栅用作传感以来，光纤光栅在传感方面的应用受到世界范围内的广泛重视，并且已经取得持续而快速的发展… ，目前的研究已经发展到实际工程应用阶段，可应用于桥梁、大坝、建筑、航海及矿业等领域。民用工程的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。光纤Ｂａｇ光栅传感器可将应变进行波长编ｒｇ码，因此如何实时、快速、准确地检测光纤光栅Ｂａｇ长的微小偏移，是光纤Ｂａｇ光栅传感器ｒｇ波ｒｇ实用化面临的关键技术之一。目前计算机技术非常成熟，而ＵＢ接口又具Ｓ有数据传输可靠、可同时挂接多个外设、独立供电、支持热拔插等诸多优点Ｊ因此在光纤光栅。解调仪内部完成数据高速采集和预处理，然后基于ＵＢ接口Ｓ将数据高速传往计算机进行进一步处理、显示以及存储，是一种很灵活的结构。同时基于计算机公共平台构建也可以很好地使光纤光栅传感器获得的信息与其他的传感数据来源进行数据融合。由于进行振动测量时，要求数据刷新速度为５Ｈ，本解调仪根据这一要求，基于边缘滤波器ｋｚ解调，并采用传输速度可达４０／的ＵＢ．８ＭＢＳＳ２０接口，从而可满足静态和动态测量的光纤光栅传感要求，且支持与各种笔记本电脑或台式机相连接，保证系统构建的灵活。

基于光纤光栅边沿解调精密光电检测系统设计

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒｇｒａｉｔｎｇ；ｅｄｅｇｄｅｍｏｄｕｌａｉｔｏｎ；ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｉｔｏｎ；ｗｅｋａｓｉｎａｇｌ；ｎｏｉｓｅｌｔｉｆｅｉｒｎｇ
ｗｅｋａｓｉｎａｇｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄｔＯｔａｋｅｔｈｅｍｅａｓｌｅｓｏｆｓｅｌｅｃｉｎｇｔｓｕｉｔａｂｌｅｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｅｖｉｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｆｉｌｔｅｒｉｎｇｈａｒｍｆｕｌｎｏｉｓｅｅｘｔｒａｃｔｉｎｇｕｓｅｆｕｌｗｅｋａｓｉｎａｇｌ，ａｎｄｈａｖｉｎｇａｆｌｅｆｆｅｃｉｔｖｅａｍｐｌｉｉｃｆａｉｏｔｎｆｏｒｓｉｎａｇｌｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｉ一ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｅｔｅｃｉｏｔｎｏｆｗｅｋａｓｉｎａｇｌｓ．
ＰｅｎｇＹａｎ
（ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＸａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ，３６１００５）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｉｏｔｎｓｙｓｔｅｍｉｓａｑｕｉｔｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｉｂｅｆｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｎｇ，ｅｓｐｅｃｉｌｌａｙｉｎｔｈｅｄｅｔｅｃｉｔｏｎｏｆｗｅａｋｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｓ

一种光纤光栅低频应变传感解调系统[发明专利]

专利名称：一种光纤光栅低频应变传感解调系统专利类型：发明专利
发明人：黄稳柱,张文涛,李芳
申请号：CN201410180646.2
申请日：20140430
公开号：CN103940361A
公开日：
20140723
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，包括：窄线宽激光器，给整个解调系统提供窄线宽激光光源；电光/声光调制器，根据射频信号发生器产生的线性调频信号对所述激光光源进行调制；射频信号发生器，产生线性调频信号；电光相位调制器，根据信号发生器产生的正弦调制信号对调制后的所述激光光源进行相位调制；相位调制信号发生器，产生正弦调制信号；耦合器，将所述相位调制后的激光光源分为两路；第一、第二光纤光栅传感器，在所述两路光源的扫描下产生两路光纤光栅反射谱；光电探测器，将所述两路光纤光栅反射谱进行光电转换；数据采集卡，输出两路光纤传感数字信号；应变解调模块，用于对所述两路光纤传感数字信号进行解调。

申请人：中国科学院半导体研究所
地址：100083 北京市海淀区清华东路甲35号
国籍：CN
代理机构：中科专利商标代理有限责任公司
代理人：宋焰琴
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一种高精度光纤光栅传感器解调系统

ｌｃ— ｍｐｉｅｅｅｔｉｕｔｄａｉｈｐｅｉｉＤｃｎｅｓｎＣｗｅｅｕｅｅｐｐｒｏｉｐｏｅｔｅｉｎｌｏｏｋｉａｌｉｒｔｉｃｃｉａｈｇｒｃｓｎＡ／ｖｒｉｒｓｄｉｔａｅｒｖｇａｔｎｆｄｃｎｒｇｎｏｏｏｎｈｔｍｈｓ
ＬｕＳｅｇａ￣ｉｈｎｙｎ’ ＣａｉｇａＬｎ＇ｏＭｎｎ２ｉＧａｇ
（．Ｉｏｎ１ＡＤｉｔＪＬＡＢ，ＴｉｊｉｅｓｙＴｉｎｉ００２２ｅｇｕＭｅｉｌｏｌｅＢｎｂ３００ａｉＵｎｖｒｉ，ａｊ３０７；．Ｂｎｂｄｃｌｇ，ｅｇｕ２３０）ｎｎｔｎａＣｅ
ＡｂｔａｔＷａｅｅｇｔｅｅｔｎｉｈｅｅｈｏｏｙｏｉｅａｇＧｒｔｇｓｎｏ．Ｔｈｅｄｕａｉｎｍｅｈｎｓｉｓｒｃ：ｖｌｎｈｄｔｃｉｔｅｋｙｔｃｎｌｇｆＦｂｒＢｒｇａｉｅｓｒｏｓｎｅｄｍｏｌｔｃａｉｍｓｏｂｓｄｏｎａｉｅｅｄｕａｉｎｍｅｈｙｕｉ弭ａｅｎｌｅｒｆｔｒｄｍｏｌｔｔｏｂｓｎｉｌｏｄｇｅｄｍｏｕａｉｎｓｓｅｏｉｅａｇｇａｉｅｓｒｎｔｅｄｌｔｙｔｍｆｆｒＢｒｇｒｔｓｎｏｏｂｇｎｏ
ｏｌａｈｕｓａｄｎｅｔｒｓｏｉｌｔｕｔｒ，ｌｗｏｔａｓｌｐｒｔｎｏｔｂｌｙ，ｂｔａｓｅｌｅｅｌｎｙｈｓｔｅｏｔｔｎｉｆａｕｅｆｓｍｐｅｓｒｃｕｅｏｃｓ，ｅｉｏｅａｅａｄｐｒａｉｔｇｙｄｉｕｌｒｉｓｒａ－ｏａｚ

基于衍射光栅的光纤光栅传感器解调系统研究

图２双衍射光栅的空间布局示意图
可以保证在提高波长分辨力的同时减小解调器的空间尺寸。由于系统中心波长为１５ｍ，因此光电探测５０ｎ器选用对该波段敏感的ＩＧＡ线阵探测器。探测器ｎａｓ在硬件电路的控制下对像点进行离散采样，通过ＡＤ／
・
１６・
新技术新仪器
２１第３０１年１卷第４期
基于衍射光栅的光纤光栅传感器解调系统研究
冯忠伟，张力，何彦璋，申雅峰
（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京１０９）００５
摘要：研究并实现了一种基于双衍射光栅的光纤布拉格光栅（ＢＦＧ）传感器解调系统。该解调系统的光
（ｈｎｃｅｇＩｓｔｔｏＭｔｌｙ＆Ｍｅｓｒｍｎ，Ｂｉｎ００５ｈｎ）Ｃａｇｈｎｔｕｅｆｅｏｏｎｉｒｇａｕｅｅｔｅｉｇ１０９，Ｃｉｊａ
ＡｂｔａｔｅｄｌｔｎｓｓｅｂｓｄｏｏｂｅｄｆａｔｎｇａｉｇｏｂｒＢａｇｇａｉｇｓｎｏｓｉｒｓａｃｅｎｅｌｅ．Ｔｅｓｒｃ：Ａｄｍｏｕａｉｙｔｍａｅｎｄｕｌｉｒｃｉｒｔｓｆｒｆｅｒｇｔｅｓｒｓｅｅｒｈｄａｄｒａｉｄｏｆｏｎｉｒｎｚｈｏｔａａｈｆｒｔｅｄｍｏｕａｉｎｓｓｅｃｍｐｓｓｃｌｍａｏ，ｄｆａｔｎｇａｉｇ，ｒｆｃｏｎｅｅｔｒｈａａｌｌｂａｆｄｆｒｎｐｉｌｔｈｅｄｌｔｙｔｍｏｒｅｏｌｔｒｉｒｃｉｒｔｓｅｌｔｒａｄｄｔｃｏ．Ｔｅｐｒｌｅｍｓｏｉｅｅｔｃｐｏｏｉｉｆｏｎｅｅｆｗｖｌｎｔｒｍｈｏｌｔｒａｅｓｌｐｔｌｅｈｙｐｎｔｔｈｉｒｃｉｎｇａｉｇ，ａｄｔｅｏｕｅｎｔｅｉｇｎｌｎｆｔｅａｅｅｇｈｆｏｔｅｃｌｍａｏｒｐｉｓａｉｌｗｈｎｔｅｅｅｒｅｔｅｄｆａｔｒｔｓｎｈｎｆｃｓｄｏｍａｉｇｐａｅｏｉｔａｙａｆｏｎｈｈｄｔｃｏｙｔｅｒｆｃｏ．Ａｄｕｌ－ｒｔｇｓｕｔｒｓｅｌｙｄｔｍｐｏｅｔｅｏｔａｅｏｕｉｎｗｈｎｔｅｇｏｔｃｉｎｉｎｉｌｔｄ，ｅｅｔｒｂｅｅｔｒｏｂｅｇａｉｔｃｕｅｉｍｐｏｅｏｉｒｖｈｐｉｌｒｓｌｔｅｈｅｍｅｒａｄｍｅｓｏｉｅｈｌｎｒｃｏｉｌｓｍｉａｄｔｅｌｅｒａｒｙｄｔｃｏｓｉｔｏｕｅｉｌｙｔｅｍｅｈｎｃｌｓｃｕｅｈｔｎｉｉｔｉｕｉｎｏｅｂａｗｅｏｓｔｒｕｈｔｅｎｈｎａｒａｅｅｔｒｉｎｒｄｃｄｔｓｍｐｉｈｃａｉａｔｔｒ．Ｔｅｉｅｓｔｄｓｒｔｆｔｅｍｈｎｉｇｅｏｇｉｏｆｒｕｎｙｂｏｈｔｈｈｄｍｏｕａｉｎｓｓｅｉａａｙｅｈｏｅｉａｌ，ａｄｐａｅｒｈａｇｒｍａｅｎｐｌｎｍｉｔｓａｐｉｄｏｅｒｆｃｅｐｃｒｍｒｆｅｅｄｌｔｙｔｍｓｎｌｚｄｔｅｒｔｌｏｃｙｎｅｋｓａｃｌｏｉｈｔｂｓｄｏｏｙｏａｆｐｌｎｔｅｅｔｄｓｅｔｌｉｉｅｈｌｕｐｏｌｉｉｃｏｄｗｉｈｕｓｍｏｅｈｅｄｍｏｕａｉｎｔｃｎｑｅｉｒｖｄｔｅｗｉｉｈａｃｒｃｎｉｈｓａｉｔｙｔｅｒｓｌｃｍｐｒｏｎａｃｒｔｔｅＧａｓｄ．Ｔｅｄｌｔｅｈｉｕｓｐｏｅｏｂｔｈｇｃｕａｙａｄｈｇｔｂｌｙｂｈｅｕｔｏａｓｎｈｏｈｉｉ

光纤光栅的解调技术

可调谐波长的光纤F a b r y-Perot滤波器检测单个传感光栅的
跟踪模式
（2）声光可调谐滤波器
• 声-光可调谐滤波器（AOTF）是一种由射频（RF）驱动频率可调谐的固态光滤波器，其中，AOTF的波长调谐范围可宽至几个毫米，时间响应可小于5kHz，并具有窄的光谱带宽。该器件可工作于多种模式，如分光计、颤动滤波器和跟踪滤波器等。若提供覆盖整个工作范围的宽带光源或光源组，AOTF可应用于大规模光纤Bragg光栅阵列的波长复用。利用AOTF中不同频率的多射频信号，原理上可实现多光栅的并行检测。 • 声光可调谐滤波器有两种工作模式，即扫描模式和锁定模式。在扫描模式中，AOTF受电压控制振荡器（VCO）在传感波长范围内的调节，来自光栅的功率被记录下来；在锁定模式中，检测系统采用反馈环来跟踪特定的光栅波长，如图。 • 频率偏离与滤波传输、光栅反射率和强度噪声无关。该技术可跟踪多光栅的波长，工作于传输和反射结构。
声-光可调谐滤波器检测传感光栅的原理
4．匹配光栅检测法
在检测端设置一参考光栅，其光栅常数与传感光栅相同。参考光栅贴于一压电陶瓷片（PZT）上，PZT由一外加扫描电压控制，如图。当传感光栅处于自由态时，参考光栅的反射光最强，光探测器输出信号幅度最高。这时控制扫描信号发生器使之固定输出为零电平，当传感光栅感应外界温度和应变时，发生移位，使参考光栅的反射光强下降，信号发生器工作，使参考光栅的输出重新达到原有值，这时的扫描电压对应一定的外界物理量。
光纤光栅信号解调技术
信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。如图，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息的细致描述。相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。

光纤布拉格光栅传感器的一种波长解调方法

光纤布拉格光栅传感器的一种波长解调方法张红霞;郑林;黄岑;刘琨;贾大功;刘铁根;张以谟【摘要】光纤布拉格光栅(FBG)经过中心波长解调,可实现对应变、温度等物理量的高精度传感检测.在光纤光栅传感中,如何检测中心波长的微小移位是传感解调的核心问题.为此,文中介绍了一种基于互相关原理的FBG中心波长解调方法.FBG的初始光谱和被调制后的受扰光谱形状相似,只是中心波长产生了漂移,通过对初始光谱与受扰光谱互相关值的解算,即可解调出中心波长的位移量.将实验结果与自相关法、功率加权法和最小二乘法等波长解调方法进行了对比,结果表明互相关方法可以有效地进行中心波长解调.%By demodulating the central wavelength, fiber Bragg grating(FBG)can be used for high precision detection in strain, temperature and other physical quantities. The key problem of this demodulation method is the detection of the slight shift of the central wavelength. In this paper, a FBG central wavelength demodulation algorithm based on cross-correlation is presented. The perturbed and undisturbed spectra of FBG have the similar form, except a slight shift of the central wavelength. By computing the cross-correlation between the perturbed and undisturbed spectrums, the slight shift of the central wavelength can be obtained. Compared with the auto-correlation algorithm, the weighted wavelength algorithm and the least squares algorithm, the cross-correlation algorithm can demodulate the central wavelength shift effectively in experiments.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2012(045)002【总页数】5页(P111-115)【关键词】光纤传感;光纤布拉格光栅;波长解调;互相关【作者】张红霞;郑林;黄岑;刘琨;贾大功;刘铁根;张以谟【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TN253光纤Bragg光栅(FBG)被广泛应用于各种条件下的传感测量．FBG传感器通过反射谱中心波长的位移来反映温度、应变等被测量的变化[1]．基于可调谐激光器[2-3]或者基于宽带光源结合可调谐滤波器[4-5]的解调系统，本质上都是应用扫描技术采集 FBG反射谱或透射谱的Bragg中心波长[6]来解调温度、应变等传感量．近年来，光纤光栅波长解调方法的研究一直是光纤光栅传感领域的研究热点．由于光纤光栅波长解调的优劣决定了检测范围、分辨率以及测量速度等，如何提高 FBG中心波长漂移量的检测精度是设计优良传感系统的关键之一．因此，采用合适的解调算法来精确计算FBG反射或透射光谱中心波长的位移成为需要解决的首要问题．目前，FBG波长解调的方法主要有功率加权法(weighted wavelength algorithm，WWA)[7]、最小二乘法(least squares algorithm，LSA)[8]、自相关(auto-correlation)法[9]和互相关(cross-correlation)法[10]等，笔者主要论述了一种基于互相关的解调算法，它通过计算受扰反射谱与未受扰反射谱的互相关值来确定其中心波长的位移．同时应用该方法对FBG的温度灵敏度进行了标定，补偿在应变测量中环境温度的影响．最后利用实验验证该算法的特性并与其他几种方法进行了比较．1 基本原理FBG传感器解调的基本原理是精确测量FBG反射谱的中心波长漂移量．测量之前先获得未受扰状态下FBG的反射谱，即初始光谱．设采样点数为N，则光谱序列为P (λi) ，i＝0，1，…，N−1．N 的大小为式中：λmax −λm in为光谱的扫描范围；δλ是扫描步长．设FBG的初始光谱为P (λi)，中心波长为λC；受温度或应变调制后受扰光谱为P ′(λi)，中心波长为．相对于初始光谱，受扰光谱中心波长发生了漂移[9]，即式中m为移位步数．用Δλ = m δλ表示受扰光谱与未受扰光谱中心波长移位量．利用式(2)计算受扰光谱与初始光谱之间的互相关值序列式中 jC是一个包含2N−1个元素的数列中的元素．等式假设超出P (λi )和P ′(λi)序号范围的值均为0．此外，由式(2)和式(3)可推出，互相关数列 C j的值是按高斯型分布的．位移量Δλ和受扰谱中心波长λC′可由式(4)求得，即式中 J表示高斯曲线取最大值处所对应的采样点数．可以看出λΔ与扫描步长δλ和J密切相关，选择合适的扫描步长以及对相关输出的序列进行高斯峰值拟合可有效提高检测精度．自相关法的基本原理是计算初始光谱和受扰光谱的相关函数A m =P(λi) P′(λi)，其中每个A是包含N个元素的向量，从每个向量中选取最大元素，重新组成新的数列，将该数列进行高斯拟合后即可得到中心波长的漂移量．功率加权法的基本原理是计算FBG反射波的波长对光功率的加权平均来定义其特征值，即计算中用特征值的漂移量代替中心波长的漂移量，选取合适的起始点和取点个数，使窗口中能够包含反射谱波形，求取取点窗口内n个脉冲点波长功率的加权平均即为反射波的特征值，从而解调出FBG反射波中心波长的漂移量．最小二乘线性拟合是根据最小二乘原理计算偏差平方和的最小值，确定线性拟合的最佳参数，从而解调出中心波长的漂移量．2 实验及数据处理FBG传感解调实验由光源、传感区和数据采集与处理3部分组成，实验系统如图1所示．图1 实验系统Fig.1 Experimental configuration实验系统表示，超辐射激光二极管(SLD)光源发出的激光经过 3,dB耦合器后进入FBG阵列中．从FBG反射回来的光再次通过 3,dB耦合器，经过Fabry-Perot(F-P)可调谐光滤波器对波长扫描后，由InGaAs光电探测器接收，并将采集到的数据经由数据采集(DAQ)设备传输到计算机以进行数据处理和显示．其中 SLD光源中心波长为 1,550,nm，3,dB带宽为 40,nm；F-P可调谐波长范围为 1,520,nm～1,620,nm，自由光谱范围(FSR)为 108,nm，3,dB 带宽为 10,pm；光电探测器自带温控设备，波长响应为800,nm～1,700,nm，噪声等效功率(NEP)小于1.5× 1 0- 14 W/；可调谐光滤波器由DAQ数据采集卡驱动．2.1 FBG温度标定测量采用图 1所示系统，只使用 1个中心波长为1,528,nm的FBG传感器．将该FBG 置于恒温箱中，温度从30,℃升至70,℃，每次变化1,℃．每次升温后，利用LabVIEW 数据采集程序记录各温度下的反射谱．出于标定的目的，将各温度下的反射谱作为受扰谱，而其对应的高斯拟合作为理想的未受扰谱．利用互相关算法，求得各温度下反射谱的中心波长值．在坐标系上利用互相关法得到FBG的标定结果，如图2所示．图2 互相关法标定结果Fig.2 Calibration results for cross-correlation algorithm由图 2可知，FBG的中心波长与温度成线性关系，通过比较线性拟合方差大小，可以判断 FBG温度敏感性的好坏．其中直线的斜率表示 FBG传感器的温度敏感系数，同时计算0,℃时 FBG的中心波长，将实验数据用几种不同方法处理后进行了对比，结果如表1所示．表1 标定结果比较Tab.1 Comparison of calibration results算法互相关法WWA自相关法LSA直线斜率/(pm·(℃)−1) 波长/nm 方差/pm2 9.41 9.45 9.42 11.40 1 528.037 1 528.032 1 528.042 1 528.016 7.26 13.81 7.28 3 826.44由表 1可知，互相关算法与功率加权法、自相关法所得出的结果基本相同．而最小二乘法所得到的大方差值表明该解调算法的抗噪声能力远低于其他算法．2.2 FBG应变测量采用图1所示系统，4个FBG串接在 1根光纤上，分别标记为 FBG1、FBG2、FBG3和 FBG4．实验过程中选用的4个FBG中心波长分别为1,521,nm、1,527,nm、1,533,nm和1,539,nm，FBG的3,dB带宽约为0.2,nm．实验中，把具有最高反射功率的 FBG4作为传感系统的温度补偿光栅，以抵消环境温度浮动带来的影响．实验过程中，SLD光源出射的激光经过FP可调谐光滤波器，在1,520,nm～1,542,nm范围内扫描整个传感系统，得到4个FBG的反射谱(见图3)．图3 4个FBG的反射谱Fig.3 Reflected spectra of four FBGs利用LabVIEW程序控制F-P可调谐光滤波器进行重复扫描，记录每个扫描行程的反射谱．通过分析应变变化量，即标准差，便可得到算法的解调精度．分别计算FBG1～FBG3的应变量，其标准差可说明解调算法的优劣，标准差越小，解调算法越好．数据处理过程中，将第1个扫描行程的反射谱作为未受扰谱，与其他反射谱按互相关方法做解调运算．实验中通过设置窗口来决定反射谱上每次有多少采样点参与互相关运算，同时用 LabVIEW 程序控制窗口随着 FBG反射谱的微小位移而移动．将窗口大小从1,600,pm 逐步缩小至 100,pm，每次变化 100,pm，分别计算 FBG1～FBG3应变量的标准差，所得结果如图4所示．图4 应变标准差与窗口大小的关系Fig.4 Variation of standard deviation of strain resolution with wavelength window width由图 4可知，当窗口宽度设置在 300,pm～1,600,pm范围内时，互相关算法的解调精度浮动较小．当该宽度趋近FBG的3,dB带宽(200,pm)时，该算法的解调精度开始恶化．所以，在窗口宽度接近或小于FBG的3,dB带宽的情况下，该算法无法准确计算中心波长的位移．实验中设定所选窗口宽度为1,500,pm，扫描步长从5,pm增加到75,pm，每次变化5,pm，分别计算FBG1～FBG3应变量的标准差，所得结果如图5所示．由图5可知，扫描步长对应变标准差的影响较明显，当扫描步长大于 35,pm后，应变标准差出现明显波动，无法保证解调精度．因此，控制 F-P可调谐光滤波器的扫描步长在35,pm之内，则互相关算法仍可以保持较高的解调精度．从图 4、图 5中可以看出，FBG1与FBG2的应变标准差的测量结果比较接近，而FBG3的测量结果明显优于FBG1和FBG2，因此FBG3的稳定性更好．图5 应变标准差与扫描步长的关系Fig.5 Variation of standard deviation of strain resolution with wavelength step在精度测量实验中，笔者从应变标准差、窗口大小、扫描步长和解调速度4个方面，将互相关法、功率加权法和最小二乘法进行了比较，结果如表2所示．由表2可知，3种方法在应变标准差上的解调精度相当，而在其他 3项的比较中各有优劣，因此可以根据不同的应用环境选择不同的解调算法．表2 几种解调算法的比较Tab.2 Comparison of different demodulation algorithms算法 FBG1 FBG2 FBG3 窗口大小/pm应变标准差/με互相关法 1.9 1.7 0.6 ＞300 WWA 2.0 1.5 0.5 ＞600 LSA 3.0 1.0 0.5 —扫描步长/pm 解调速度＜35 慢＜80 快＜100 慢3 结语介绍了一种基于互相关原理的光纤布拉格光栅传感器的解调算法，温度灵敏度标定实验显示，与其他算法相比，该算法具有最佳的抗噪声能力．应变测量实验显示，该算法在高反射率 FBG和低反射率FBG的应变传感精度分别达到了0.6,με和1.9,με，具有一定的优势，同时分析了窗口宽度和扫描步长对解调精度的影响．结果表明，该算法可以准确、高效地检测 FBG反射谱中心波长的漂移．利用互相关原理的波长解调算法不仅可以应用于与本系统相似的扫描光谱式的光纤传感系统，也可应用于其他 FBG传感系统中进行动态温度或应变传感．【相关文献】［1］ Kersey A D，Davis M A，Patrick H J，et al. Fiber grating sensors[J]. Journal of Lightwave Technology，1997，15(8)：1442-1463.［2］ Ball G A，Morey W W，Cheo P K. Fiber laser source/analyzer for Bragg grating sensor array interrogation[J]. Journal of Lightwave Technology，1994，12(4)：700-703. ［3］ Yan Lianshan，Yi Anlin，Pan Wei，et al. A simple demodulation method for FBG temperature sensors using a narrow band wavelength tunable DFB laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2010，22(18)：1391-1393.［4］ Kersey A D，Berkoff T A，Morey W W. Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor with a fiber Fabry-Perot wavelength filter[J]. Optics Letter，1993，18(6)：1370-1372.［5］ Allan W R，Graham Z W，Zayas J R，et al. Multiplexed fiber Bragg grating interrogation system using a microelectromechanical Fabry-Perot tunable filter[J].IEEE Sensors Journal，2009，9(8)：936-943.［6］李智忠，孙崇峰，杨华勇，等. FBG中心波长的可调谐光源法检测中光强起伏研究[J]. 光电子·激光，2005，16(4)：413-417.Li Zhizhong，Sun Chongfeng，Yang Huayong，et al.Study on optical power fluctuation measurement in FBG center wavelength detecting with tunable laser[J]. Journal of Optoelectronics·Laser， 2005 ， 16(4) ： 413-417(in Chinese).［7］井文才，王光辉，刘琨，等. 功率加权法用于光纤Bragg光栅特征波长检测[J]. 光电子·激光，2007，18(9)：1022-1025.Jing Wencai，Wang Guanghui，Liu Kun，et al. Application of weighted wavelength algorithm on the demodulation of a fiber Bragg grating optical sensing system[J].Journalof Optoelectronics·Laser，2007，18(9)：1022-1025(in Chinese).［8］董海，井文才，刘琨，等. 一种光纤 Bragg光栅波长移位量的计算方法[J]. 光电子·激光，2007，18(2)：144-146.Dong Hai，Jing Wencai，Liu Kun，et al. A calculating method for obtaining the wavelength shift of fiber Bragg grating[J]. Journal of Optoelectronics·Laser，2007，18(2)：144-146(in Chinese).［9］ Caucheteur C，Chah K，Lhommé F，et al. Autocorrelation demodulation technique for fiber Bragg grating sensor[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2004，16(10)：2320-2322.［10］ Huang Cen，Jing Wencai，Liu Kun，et al. Demodulation of fiber Bragg grating sensor using cross-correlation algorithm[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2007，19(9)：707-709.。

一种光纤光栅加速度传感系统

１传感及解调系统工作原理
为了检测振动引起光栅中心波长的微小偏移，２光纤光栅传感器解调过程需要把波长编码信息转化为］
收稿日期：０８０—７２０—８２
基金项目：国家高技术研究发展计划（３划）目（０６Ａ６２７２０Ａ０Ｚ１）８计６项２０Ａ０Ｚ０；６Ａ６２３。０作者简介：良柱（８一）男，马１３，助理工程师，９主要从事光纤传感器及应用研究。Ｅｍｉｘｏａ３７６．．ａ：ｉｍ１＠１３㈣ｌａ５
ａｃｌｒｔｎｔｈｇｈｅｃｎｒｌｗａｅｅｇｈｏＢＧ，ａｄｗｈｃａｆｃｉｅｙｅｉｎｔｅｅｅｔｏｃｅｅｉｏｃａｅｔｅｔａｖｌｎｔｆＦａｏｎｎｉｈｃｎｅｅｔｌｌｍａｅｔｆｃｆｖｉｈｔｍｐｒｔｒｒｆｏｅｍｅｓｒｍｅｔｏｙａｃｓｒｉＴｅｒｓｌｈｗｈｔｔｅｓｎｏｏｅｆｅｕｎｙｅｅａｕｅｄｉｔｎｔａｕｅｎｆｄｎｍｉｔａｎ．ｈｅｕｔｓｏｔａｅｓｒｗｈｓｒｑｅｃｈｓｈ
Ａｂｔａｔｈｓａｅｒｓｎｓｌｗ－ｏｔｉｈｐｅｉｉｎＢＧａｃｌｒｔｏｓｎｏｓｓｅ，ｗｈｃｉｓｒｃ：Ｔｉｐｐｒｐｅｅｔａｏｃｓｈｇ — ｒｃｓｏＦｃｅｅｉｎｅｓｒｙｔｍａｉｈｓａｐｉａｌｔｓｃｅｇｎｅｉｇＨｐｌｂｅｏｕｈｎｉｅｒｎａ璐ｃａｓｉｍｉｅｐｏａｉｎ，ｍｎｓｆｔｓｅｓｃｘｌｒｔｏｉｅａｅｙ，ｅｃ．ｗｈｃｅｌｙｔ，ｉｈｍｐｏｓ

光纤光栅传感器实时解调系统

工程应用，光纤传感领域具有广泛的应用前景。在现场可编程门阵列ＦＧｆｌｐｏａｍａｌｇｔａｒ）ＰＡ（ｅｒｇｍｂｅａｅｒｙ是ｉｄｒａ
一
若Ｆ—Ｐ腔则
测到最大光强，时给压电陶瓷施加的电压就代表了ＦＧ的此Ｂ反射波长ｊ。利用压电陶瓷构成的可调谐Ｆ— Ｐ腔测量光纤光栅传感器
ｎｍｉｅｓｒｓ５ｎｍ，ｈｅｒｓｌｉｎｉ．ｍ．ａｃｍａｕｅｉ０ｔｅｏｕｔｏｓ１８ｐ
Ｋｅｒｓｆｅｒｇｒｔｇ；ｅｄｌｔｎｓｓｍ； —ＰｆｂｒｉｔｒｅｏｔｒＦＧＡｙｗｏｄ：ｂｒｂａｇｇａｉｄｍｏｕａｉｙｔｉｎｏｅＦｅｎｅｆｒｍｅｅ；Ｐｉ
的驱动电压就对应于ＦＧ的反射中心波长。实验表明，纤ＦＢ光
—
Ｐ滤波器的透射光波的波长与其两端所加电压成线性关系，
因此可以通过探测Ｆ—Ｐ腔上所加电压来获知ＦＧ的反射中心Ｂ
波长的信息，进而得到传感量的信息，现对ＦＧ波长编码信实Ｂ
７１
到改善，此外，系统中要探测的光电流信号很微弱，因此，置前放大器首先应该起到最大限度抑制噪声的作用，以获得最大的
信噪比，同时必须具有很高的增益。高精密运算放大器Ｏ０Ｐ７是一种低噪声，斩波稳零的单运算放大器集成电路，非具有输
虑到系统的速度、精度和分辨率等要求，系统采用高速１６位低功耗ＡＤ转换器Ａ９６／Ｄ７Ａ实现模／数转换。数／转换是驱动电路的核心，模系统中数／模转换的主要作

实现高精度、高稳定性的工程化光纤光栅解调系统的研究

ＴｈｅＡｐｐｌｃｔｏｆＧａｉａｉｎｏｓＡｂｓｒｔｏｌｉｈｅＥｎｇｎｅｉｇｏｐｉｎＣｅｌｎｔｉｅｒｎＦｉｒＧｒｔｎｎｓｒＳｙｔｍｂｅａｉｇＳｅｏｓｅ
ＺＨＡＮＪａＬＵＢＫＡｉ．ｕＧＡｏｎ — ｅ，ＨＩｎＳｉｂｎ，ＯＮＧａ－ｉＧｉｎ，Ｉｏ，ＩＧｕ — ｎ，ＹＨｏｇ．ｉＳｇ，ｉ－ｉＤｗＱｉＬＸｉｏｙ
ｓａｅｄｖｓｏｌｐｅａｅｄｓｎｄａｈｇｃｕａｙｈｇｔｂｌｎｉｅｒｇｆｅｒｔｇｓｎｏｅｄｌｔｇｐｃｉｉｉｎｍｕｔｌｘｗｅｈｖｅｉｅｉｈａｃｃ，ｉｈｓａｉｔｅｇｎｅｎｂｒｇａｉｅｓｒｄｍｏｕａｉｉｇｒｉｙｉｉｎｎ
Ａｂｓｒｃ：Ｔｈｅｃａｇｎｍｐｒｔｒｎｅｓｒｌａｆｃｈｈｉｔｏａｂｏｐｔｎｓｅｔｕｍｕｈｌｓｈｎｔａｔｈｎｉｇｏｆｔｅｅａｕｅａｄｐｒｓｕｅｗｉｌｆｅｔｔｅｓｆｆｇｓａｓｒｉｐｃｒｍｃｅｓｔａｏ
感器的感测物理量的变化。因而，传感系统的波长测量精度尤为重要。目前所采用的各种解调方案中，所用的器件
均易受环境温度、压强等的影响，如非平衡Ｍ— ｚ干涉仪检测法中，参考臂的长度会随环境温度的变化而变化，使得Ｍ．ｚ干涉仪的输出谱线发生很大的漂移，严重降低了测量的信噪比，甚至无法测量。同时，在实际应用时，由于系统中各部件如光学器件和电子器件，均不可避免地存在温漂。因此，为了提高系统的测量精度，必须采用系统波长校正的方法，采用标准波长参考器件，对系统进行实时校正。目前，ＦＧ传感系统，对Ｂ普遍采用由多只ＦＧ级联作为参考波长的方法，Ｂ对其采用控温等方法，使各参考ＦＧＢ的波长稳定。但由于ＦＧ的中心波长是温度的函数，其温度系数约为ｌｐ／Ｂ０ｍ￣Ｃ，因此，必须对级联的参考ＦＧ进Ｂ

光纤光栅传感解调

光纤光栅传感解调
光纤光栅传感解调是一种利用光纤光栅作为传感器，通过测量光纤光栅反射或透射光谱的变化，来获取外界物理量（如温度、应变、压力等）的信息的技术。

光纤光栅传感解调的基本原理是：当外界物理量作用在光纤光栅上时，会导致光纤光栅的折射率或长度发生变化，从而改变光纤光栅的布拉格波长（即反射或透射最强的波长），这种变化与外界物理量有一定的关系，因此可以通过测量布拉格波长的变化来获取外界物理量的信息。

光纤光栅传感解调的主要组成部分有：宽频光源、分路器、光纤光栅传感器阵列、合路器、解调器和信号处理器。

宽频光源发出宽频的光信号，通过分路器分成多路，分别照射到不同的光纤光栅传感器上，然后通过合路器合成一路，输入到解调器中，解调器对合成的光信号进行光谱分析，得到各个光纤光栅的布拉格波长，并将其转换为电信号，输入到信号处理器中，信号处理器对电信号进行滤波、放大、数字化等处理，并通过算法计算出外界物理量的信息。

光纤光栅解调仪工作原理

光纤光栅解调仪工作原理【文章】光纤光栅解调仪工作原理1. 引言光纤光栅解调仪（Fiber Bragg Grating Interrogator）是一种关键光纤传感器，能够精确测量光纤光栅的物理量，并将其转化为电信号。

本文将深入探讨光纤光栅解调仪的工作原理，介绍其基本原理和应用领域，并分享我对其的观点和理解。

2. 光纤光栅解调仪的基本原理光纤光栅解调仪基于光纤光栅的原理工作。

光纤光栅是一种通过在光纤中形成周期性折射率改变的光学结构。

它可以将入射光束按照波长进行解析，产生谱线。

光纤光栅解调仪通过监测这些谱线的变化，实现对光纤光栅的解调和测量。

3. 光纤光栅解调仪的工作流程光纤光栅解调仪的工作流程可以分为以下几个步骤：3.1 入射光束的传输入射光束通过光纤传输到光纤光栅中。

光纤光栅的特殊结构使得入射光束与光纤内部的周期性折射率改变相互作用。

3.2 光纤光栅的反射与解调光纤光栅解调仪利用光栅的反射特性，将部分光信号反射回解调单元。

解调单元通过光学元件和探测器，将反射回的光信号转换为电信号，并进行处理。

3.3 信号处理与分析解调单元将光信号转换的电信号进行进一步处理和分析，获得与光纤光栅相关的物理量信息。

常见的物理量包括温度、压力、应变等。

解调单元会根据预先设定的算法和模型，将电信号转化为相应的物理量信息。

3.4 数据输出与显示解调单元将获得的物理量信息进行整理和计算，并将结果输出到数据终端。

通过数据终端，用户可以实时监测和分析所测量的物理量。

4. 光纤光栅解调仪的应用领域光纤光栅解调仪在多个领域具有广泛的应用。

以下列举几个典型的应用领域：4.1 结构健康监测光纤光栅解调仪可以用于结构健康监测，例如桥梁、建筑物、飞机等。

它可以实时测量和监测结构的应变和变形，提供重要的结构健康信息，确保结构的安全性和稳定性。

4.2 油气井与管道监测在油气井和管道领域，光纤光栅解调仪可以测量温度、压力和应变等物理量信息，实时监测油气井和管道的工作状态，提供重要的监控和预警功能。

光纤光栅传感器的调制解调技术

光纤光栅传感器的调制解调技术光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor，FBG）是一种基于光纤技术的传感器，凭借其卓越的灵敏度、抗电磁干扰能力以及体积小巧的特点，广泛应用于温度、压力和应变等物理量的检测。

光纤光栅的工作原理基于布拉格反射（Bragg Reflection），通过改变光在光纤中的传播特性，实现对外界刺激的响应。

在此基础上，调制解调技术为光纤光栅传感器的信号处理提供了强有力的支持，保证了数据的准确性和可靠性。

1、光纤光栅的基本概念光纤光栅是一种周期性折射率变化的光纤结构，其核心在于对特定波长的光起到反射作用。

当光纤受到外部物理量的变化，如温度升高或压力增大时，光纤光栅的波长会相应发生变化。

这种波长的变化可以通过调制解调技术加以提取，从而获得相关的物理量信息。

2、调制技术光纤光栅传感器中常用的调制技术有相位调制、幅度调制和频率调制等。

其中，幅度调制是最为常见的方式，通过改变信号的振幅来传递信息。

在DK-3716-F050-P光纤光栅传感器的应用中，幅度调制主要体现在将外部物理量变化所导致的反射波长变化信息转化为电信号。

相位调制在光纤光栅传感器中的应用则依赖于光干涉原理，能够有效提高传感器的灵敏度。

这种调制方法适用于对微小变化的高精度测量，例如在结构健康监测中对微小裂缝或变形的检测。

随着技术的发展，频率调制方法逐渐受到重视，这种技术通过改变信号的频率来实现信息的传递，能够在噪声环境下提供更高的抗干扰能力。

3、解调技术解调技术是光纤光栅传感器中必不可少的一环，其主要任务是将调制后的信号转换回可读的物理量。

解调技术的实现方式多种多样，主要有光谱分析法、相位检测法和时域反射法等。

光谱分析法是通过分析光信号的光谱变化来获取传感器所测量的物理量。

该方法的优势在于能够同时获取多个光纤光栅传感器的信号，并且对波长变化的分辨率非常高。

利用光谱分析法，多个光纤光栅传感器可以通过一根光纤同时进行信号探测，适用于大范围的监测需求。