一种高精度光纤光栅传感器解调系统.

测试系统与组件电子测量技术第 30卷第 1期

一种高精度光纤光栅传感器解调系统

刘胜洋 1, 2 曹明娜 2 李刚 1

(1. 天津大学 A DI 联合实验室天津 300072; 2. 蚌埠医学院蚌埠 233000

摘要 :如何实时检测传感光栅 Br agg 波长的微小偏移 , 是光纤光栅传感器实用化面临的关键技术。本文选择线性滤波法解调光纤光栅传感器。为使设计的解调系统具有结构紧凑、便于携带、使用方便、适用于野外作业的特点 , 并达到系统对测量精度和动态范围的要求 , 本文采用锁相放大电路和 24位高精度 A /D 转换模块采集有用信号 , 降低了噪声 , 提高了信噪比 , 并且节省了系统的空间。同时 , 本文采用 U SB 接口模块使数据存储和数据传输方便快捷 , 满足解调系统用于现场测量的要求。文中给出了系统的硬件设计和软件实现。最后通过实验和数据处理证明了该系统的精度。

关键词 :光纤光栅传感器 ; 信号解调 ; 线性滤波器 ; 便携式

中图分类号 :T P212. 4 文献标识码 :A

Optical fiber Bragg grating sensor demodulation system with high precision

L iu Sheng yan 1, 2 Cao M ing na 2 L i G ang 1

(1. ADI Joint LAB, Tianjin Un iversity, T ianjin 300072; 2. Bengbu M edical Colleg e, Bengbu 233000

Abstract:Wav eleng th detection is the key techno lo gy o f F iber Brag g G rating senso r. T he demo dulat ion mechanism is based o n linear filter demodulatio n method by using W DM. T he demo dulation system of fiber Bragg gr ating senso r not o nly has the outstanding featur es o f simple structure, low co st, easily o per ated and por tability, but also realizes r eal t ime and on line mo nitor ing. In o rder to meet the demands of hig

haccuracy, w ide dynamic r ang e and other features, a lock in amplifier detecting circuit and a hig h pr ecision A /D conver sion C w ere used in the paper to impr ove the sig nal to no ise ratio and simplify t he system st ruct ur e. Further more, U SB interface circuit was used t o facilitate data t ransm ission and sto rag e. T he hardwar e desig n and softw are implementatio n of the micro pr ocesso r sy stem w ere pr ovided in detail. Ex periments and data pro cessing which ar e also show ed in the paper demo nstr ate the stability and sensitiv ity of the demo dulation mechanism.

Keywords:fiber br agg g rating sensor ; signal demodulatio n; W DM ; port able

0 引言

光纤光栅传感器通过波长编码传感信号 , 具有其他传感器无可比拟的优点 , 可用于应力、应变或温度等诸多物理量的传感测量 , 因而日益受到国内外科学研究工作者的重视 [1 2]。光纤光栅传感器常用的解调方法有 :匹配滤波法 [3]、线性滤波器法 [4]、非平衡马赫 -泽德干涉法 [5]、可调谐 F P 腔法 [6], 其中线性滤波解调方法 , 对传输损失及光源波动引起的变化不敏感 [7], 具有较好的线性输出 [8], 提供了一种结构紧凑、便携灵巧的传感解调系统的实现途经 [9]。但由于系统耦合器的分束比变化、光纤双折射及滤波器非线性都会影响测量精度 , 且分辨率较低 [10], 制约了线性滤波法光纤光栅传感器解调系统的应用。

本文介绍的 FBG 解调系统所用线性滤波器是波分复用器 WDM , 采用高精度24位 A/D 转换模块确保信号采集精度 , 提高动态范围 , 采用自校准的方法消除 2路模拟电路差异以及滤波器非线性的影响 , 从软件上优化系统性能。单片机ADuC 847实现数据处理、数据存储传输、电路校准及系统智能化。同时 , 该系统还具有结构紧凑、携带方便等优点。文中给出了单片机控制系统的硬件设计和系统的软件实现 , 最后通过实验和数据处理证明了该系统的精度。

1 线性滤波法光纤光栅传感器解调系统原理

用线性滤波法实现光纤光栅传感器波长解调的基本结构如图 1所示。宽带光源发出的光经 3dB 耦合器进入传感光栅。由传感布拉格光栅反射后形成窄带光谱 , 通过线性滤波器得到 2路出射光功率与波长有关的光信号。光电探测器将其转换为电信号 , 进入信号采集处理电路提取有用信号 , 并由单片机控制系统实现数据采集与数据

第 1期

处理。