光纤光栅传感信号的解调问题

FBG1 FBG2 FBG3
图 2 可调谐激光扫描法
由于激光信号较强，此方法具有较高的信噪比和分辨率。但 是，由于光源光功率的时间漂移和随波长变化的起伏特性，光检 测器存在着功率的起伏，这种偏差必然会引起布拉格反射光峰 值的变化，产生干扰，影响光检测器对峰值的判断，使中心波长
常广志 浅谈光纤光栅传感信号的解调问题
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的判定出现偏差。因此，可调谐激光扫描法的测量范围小和稳定
性比较差，且压电体需要一定的响应时间，从而限制了它的实际
应用［4］。
2.2 可调谐 F－P 滤波器法
宽带光源发出的光经过光隔离器进入 FBG。经布拉格光栅
反射的光经过耦合器进入可调谐 F－P 滤波器。F－P 触发信号控
制器产生的三角比作用于压电晶体，使可调谐滤波器工作波长
周期变化。当可调谐 F－P 滤波器的中心波长和光纤光栅 FBG 传
感器的中心波长相等时，则可让 FBG 传感器的反射光 λB 通过滤 波器。这样光检测器检测到较强的光功率信号，经放大器放大，
控制数据采集器记录当前 F－P 滤波器的谐振波长，即得到 FBG
驱动时，激光波长在一定范围内周期变化，耦合进光纤后，光纤
光栅传感器作为光纤激光器的一个反射端，把符合布拉格条件
的光波进行反射，此时在光电检测器处就接收到相应波长光的
一个峰值，此时可调谐窄带激光器的输出波长就是 FBG 传感器
当前的中心波长 λB。其系统结构见图 2。
控制器
可调谐 激光器
光检测器
耦合器
射波长。但是高精度的 F－P 滤波器成本太高，滤波损耗大［5］。
2.3 非平衡 M－Z 干涉仪法
干涉法是利用激光的干涉现象，通过干涉仪将反射光的波
长变化量转化为易于检测的光参量（如相位、强度等）来进行检
测。最常用的干涉法是非平衡 M－Z 干涉仪法。这种方法是将 FBG
的反射光波长变化量 △λ 转换为相位差 △Φ，再进行检测。其工
摘 要：阐述了光纤光栅传感器的基本工作原理，通过框图介绍了几种常见光栅传感
信号解调方法的基本原理、性能和特点，对各解调方法的优、缺点进行了分析比较，提
出了今后还需研究的问题，对促进光纤光栅解调器的国产化、产业化具有一定意义。
关键词：光纤光栅传感器；传感信号；信号解调
中图分类号：TN929.11
文献标识码：A
光强输出不为零，光检测器产生的信号改变干涉仪臂长，使两束
光的相位差重新回到 π。干涉仪臂长的该变量直接反映 △Φ 的大
解调系统通过检测 λB 的变化就可以间接实现对被测物理量 的测量。所以光纤光栅传感器的关键技术是其反射谱信号的解 调问题。
2 布拉格光纤传感信号的解调方法
解调 FBG 传感信号最直接的方法是使用单色仪、光谱仪等
设备测量布拉格光栅反射回来的光波谱，但这种方法要用到的
单色仪、光谱仪是实验仪器，操作复杂、体积庞大、价格昂贵，仅
光纤传感器是在 20 世纪 70 年代光纤通信技术飞速发展的 基础上发展起来的一种崭新的技术。光纤传感器对声场、电场、 压力、振动、温度、加速度等许多物理量敏感［1］。光纤由 SiO2 玻璃 制成，结构简单、制造工艺成熟，用光纤作为检测器件构成的传 感器具有抗干扰能力强、绝缘性好、耐高温、体积小、灵敏度高、 可根据需要做成各种形状等优点［2］。另外，由于激光在光纤中传 输损耗低，更便于远距离测量。
P
P
λ 入射光
λB
λ
出射光
反射光 λB
Λ
图 1 光纤布拉格光栅原理 满足布拉格条件的波长为： λB=2neffΛ 式中，λB 为 FBG 反射光的中心波长（特征波长）；Λ 为光栅周 期，neff 为布拉格波长上的有效折射率。neff 和 Λ 均随被测量的变
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化而改变，导致 FBG 反射光 λB 发生变化，通过检测解调 λB，就可 以得出被测的物理量。将改变后的 λB 与原始 λB 进行比较，就可 以确定被测物理量的变化程度［3］。
传感器的中心波长。其原理框图见图 3。
宽带 激光器
3 dB 耦合器 FBG1 FBG2 FBG3
可调 F-P 滤波器
F-P 触发信号 控制器
光检测器
光信号放大器
数据采集
输出
图 3 可调谐 F－P 滤波器法
这种解调方法适合对静态参数的测量，在 F－P 滤波器调谐
范围内均可接收信号，测量范围宽，且可同时测量多个 FBG 的反
科技情报开发与经济
SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT ＆ ECONOMY
2012 年 第 22 卷 第 24 期
文章编号：1005－6033（2012）24－0122-03
收稿日期：2012－10－08
浅谈光纤光栅传感信号的解调问题
常广志
（太原理工大学，山西太原，030024）
作原理见图 4。
宽带 激光器
3 dB 耦合器 FBG1 FBG2 FBG3
非平衡 MZT M-Z
干涉仪
光检 测器
带通 滤波器
数据 处理
使信号光源的相位与反射光的相位相同。非平衡 M－Z 干涉仪两
臂长度不一样，使两束光产生 π 的相位差，它们相互干涉后，输
出光强几乎为零。当 FBG 传感器中心波长 λB 发生改变时，干涉
适合于研究院所使用，工程实践中很难实现。如何通过简单实用
的设备、巧妙的方法，实现对光纤光栅传感信号高分辨力的解
调，是现在研究的热点之一。笔者从目前常用的解调方法入手，
进行比较分析，希望寻找比较实用的改进方法，以促进实现 FBG
解调器的国产化和产业化。来自2.1 可调谐激光扫描法
用压电晶体可调谐窄带激光器做光源，当压电体受到信号
光纤光栅传感器是光纤传感器的主要类型，它对激光的反 射特性随温度、受力情况的改变发生明显变化，利用这种特性， 制成的温度、应力等传感器具有许多独特的技术优势和应用前 景。
1 光纤光栅传感器原理
光纤光栅是一段通过特殊处理的光纤。它是利用光纤材料 的光敏特性，在光纤的纤芯处制造一段折射率沿其长度周期性 变化的区域，从而构成光纤光栅。常用的光纤光栅传感器由短周 期光纤布拉格光栅（FBG）构成。光纤布拉格光栅的传感原理简单 地说可以表示为：当入射光经过布拉格光栅区时，各个波长的光 在光栅的不同深度被反射，满足布拉格条件的光被反射回入射 端，其波长为 λB，其余光透射过光栅，见图 1。