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1、光纤光栅解调仪设计方案报告目录1概述32产品功能和用途43技术要求44技术方案54.1方案概述54.2产品组成和原理框图54.2.1产品组成54.2.2原理框图54.3硬件设计64.3.1可调谐窄带光源64.3.2波长校准134.3.3光电探测器模块164.3.4数据采集与控制模块184.3.5其它光学器件204.4新技术、新材料、新工艺采用情况235关键技术的解决途径235.1波形同步循环235.2信号处理245.3增加系统光功率266可行性分析261 概述光纤光栅解调仪作为光纤光栅类传感器的通用解调设备，是与光纤光栅类传感器配套的不可或缺的设备。光纤光栅解调仪是对光纤光栅中心反射波长的微小
2、偏移进行精确测量，波长解调技术的优劣直接影响整个传感系统的检测精度，因此光纤光栅波长解调技术是实现光纤光栅传感的关键技术之一。图1光纤光栅解调仪在结构健康监测系统中的应用光纤光栅解调仪在结构健康监测有着非常重要的作用，它将光纤光栅传感器的波长信号解算出来，并传送给计算机，计算机里的上位机程序将各种波长信号转化为待测物理量的特征信号，即可对结构实行实时的监测。在结构健康监测系统中，如图1所示，传感器为网络中树叶，解调仪为树根，树干为传输光纤。解调仪的通道数量决定了树干光纤的芯数。多个解调仪即构成的树状结构组成了森林，该森林中树的数量仅受到计算机局域网内的IP地址限制。从一定程度上说，光纤光栅解调
3、仪决定了一套结构健康监测系统的成本。为了实现被测物理量的高精度测量，在过去的十多年里，相关科学家在光纤光栅传感器技术的研究和应用方面取得了突破性的进展，提粗了许多解调方法来检测光纤光栅中心波长的微小变化，比较典型的有：匹配滤波法、非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪法，可调谐光纤光栅滤波器法、可调谐Fabry-Perot（F-P）滤波器法等，如表1所示。表1 常用光纤光栅解调方法解解调方法基本原理特点适用场合匹配光栅法利用一个传感光栅参数一样的匹配光栅来滤波长优点：结构简单。分辨率较高缺点：自由谱范围窄，对匹配光栅要求高。静态测量或者低速测量边缘滤波器法将波长变化转化为光强变化优点：
4、成本较低，有较好的线性输出。缺点：分辨率不是很高。实验室非平衡M.Z干涉法将波长变化转化为相位变化分辨率高但是灵敏度和测量范围不容易调整，不稳定且不能复用动态变量测量可调谐F-P腔法利用F-P腔的可调谐滤波作用体积小、灵敏度高、光能利用高、解调比较方便工程应用从表1可以看出，边缘滤波法适用于实验室环境使用，匹配光栅法自由谱范围比较窄，不适合多通道的光纤光栅解调。基于可调谐F-P滤波器的解调原理可实现多通道同时解调，且在工程实际应用中最多，本方案中的解调原理采用基于可调谐F-P滤波器的方法。2 产品功能和用途光纤光栅解调仪可用于对光纤光栅类传感器的波长解算，并将解算出的波长信号传输给计算机，是作
5、为光纤光栅类传感器必需配备的产品。光纤光栅解调仪可用于基于光纤光栅传感器的各种结构健康监测系统中，如桥梁、大坝、航空航天、石油化工等行业。光纤光栅解调仪也可作为光纤光栅类传感器的解调设备，如光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅应变传感器等。3 技术要求a) 解调范围：15301560nmb) 通道数：8通道c) 扫描频率：20Hzd) 精度：10pme) 分辨率：2pmf) 尺寸：4 技术方案4.1 方案概述本方案的光纤光栅解调仪，采用基于可调谐F-P滤波器的可扫描窄带光源和基于F-P标准具的波长校准的解调原理。光纤光栅解调仪器主要由可扫描窄带光源、波长校准、数据采集与扫描控制几个
6、模块和一些光学辅助器件组成。光纤光栅解调仪可以解算出光纤光栅类传感器的波长信息，是对光纤光栅类传感器的一种通用型解算设备。 4.2 产品组成和原理框图光纤光栅解调仪用于对光纤光栅类传感器的解调。它主要由可扫描窄带光源、波长校准、光电转换、数据采集等几部分组成。4.2.1 产品组成光纤光栅解调仪组成如表1所示。表1 光纤光栅解调仪组成光纤光栅解调仪名称组成可扫描窄带光源ASE光源可调谐F-P滤波器相应控制电路波长校准F-P标准具相应算法光电转换器光电转换器相应调理电路数据采集NI6361数据采集卡其它器件光隔离器可调光衰减器光耦合器光分路器4.2.2 原理框图在本解调系统中，宽带光源发出的光进入
7、可调谐 F-P滤波器，在锯齿波扫描电压的作用下，不同波长的光信号周期性地通过F-P滤波器，然后经耦合器分成两个支路。其中一路约90%的光经耦合器入射到传感光栅阵列中，阵列中所有光栅的布拉格反射波长必须全部在F-P滤波器的扫描范围内，并且每个光栅的反射波长都不相同，以避免信号串扰；另一路约10%的光则经耦合器入射到F-P标准具中，该支路用来对可调谐F-P滤波器进行校准，以消除可调谐F-P滤波器腔长漂移对测量精度造成的影响。在传感光栅通道中，当F-P滤波器的扫描波长与光纤光栅的反射波长一致时，光电检测器探测到的光能量最大。此时，采集光电检测器输出的电信号，当电信号最大时，记录相应的锯齿波电压，然后
8、根据锯齿波电压与波长的关系可以得到反射波长的值，从而达到传感信号解调的目的。图2 光纤光栅解调仪原理图4.3 硬件设计4.3.1 可调谐窄带光源在光纤光栅传感解调系统中，光源的性能决定了整个系统内光信号的强度和其他重要参量，而且对系统的成本影响非常大，甚至在相当程度上决定了系统的成本和性能。由于光纤光栅的中心波长是整个传感系统中的待测变量，这就要求光源的光谱范围要足够宽，能够包含尽可能多的传感器的波长及其变化范围，还要求光源的输出功率强，性能稳定，这样才能满足分布式传感网络中多点测量的要求。因此方案中所用的光源必须功率大、波段宽。常用的宽带光源光谱范围宽，但所测光纤光栅的光谱在整个光谱中所占的
9、范围小，经滤波后光电探测器探得的光功率信号较微弱，容易湮没在系统噪声和回光反射中，导致信号缺失，系统信噪比因此降低。本方案采用可调谐窄带光源，由放大自发辐射光源（ASE）和可调谐F-P滤波器组合而成。原理如图3所示。 图3可调谐窄带光源原理可调谐F-P腔控制模块产生周期性的锯齿波电压，该电压加在可调谐F-P滤波器上，可调谐F-P滤波器的腔长随着锯齿波电压周期性的变化，可调谐F-P滤波器的不同腔长对应着不同的波长值。因此ASE光源发出的宽带光中只有波长与可调谐F-P滤波器腔长匹配的光能通过可调谐F-P滤波器，且在每一个时刻只能有一个确定波长值的能经过可调谐F-P滤波器。4.3.1.1 ASE光源
10、光源是构成解调仪的一个极为重要的元器件，光源和可调谐F-P滤波器共同构成解调仪的可扫描激光光源。光源的功率对后续信号的功率的大小有着重要的作用，其性能决定了解调仪的寿命。光源特性对光纤系统性能有着重要的影响。针对已经确定的可调 F-P 滤波器参数，选择系统的光源主要从以下几个基本方面考虑：（1）辐射频谱特性。光源辐射的频谱特性应与光纤波导的传输频响特性匹配。在波长为 1527nm1565nm的区域内，传输损耗较低，能满足不同的系统要求。（2）电光转换特性。施加于光源的电偏置对光输出有直接影响。通常，输出功率值随电激励的增加而增加，器件的温度也随电激励的增加而升高。对于大多数电光变换器来说，非恒
11、温的输出光功率比恒温的稍低；此外，温度的变化还会引起辐射波长漂移。对于半导体发光器件，这可能是由于能带间隙随温度产生微小变化引起的。光源输出强度和频率通常都是电偏置的函数，同时也会受到环境温度等因素的影响。（3）输出功率特性。对于一个带有光纤输出的光源，要求从光纤终端射出的光通量为最大。这个量的大小取决于光源的功率和射入光纤的光通量。射入光纤的光通量与光源和光纤的耦合效率以及光源的亮度有关。从外部特性考虑时，出纤功率则是衡量输出功率特性的最重要的指标之一。该系统中选用的光源为深圳浩源光电有限公司的ASE光源模块，该光源具有高功率、平坦度优，波长覆盖范围广，光谱、光功率稳定性好、电功率损耗低等特
12、点。参数如表2所示。表2 ASE光源模块参数参数单位工作波长nm15271565输出功率dBm10.013.0光谱密度dBm/nm-11-8光谱平坦度dB1.5光谱稳定性dB0.0005(15min)输出功率短期稳定性dB0.005(15min)输出功率长期稳定性dB0.02(8h)工作温度-20+60存储温度-20+70相对湿度RH2080功耗（25）W1.0最大功耗W3尺寸mm1007019尾纤类型SMF-28接头类型FC/PC或者FC/APC报警信号低电平报警电源DC+3.3V，5A该光源功率为10 dBm 13dBm，即为0.01w0.02w，平坦度好，如图4所示。图4 ASE光源光谱
13、图4.3.1.2 可调谐F-P滤波器图5 F-P腔结构可调谐 F-P 滤波器的 F-P 腔结构如图5所示，在一定波长范围内，从光纤入射的光经透镜 L1准直变成平行光进入 F-P 腔，在两个具有高反射率的平行反射镜之间产生多光束干涉，出射光经透镜 L2聚焦汇聚到探测器上。构成 F-P腔的两个高反射镜中一个固定，另一个在外力的作用下可以移动，且背面贴有压电陶瓷。F-P 腔腔长的伸长量与所加驱动电压成正比，当给压电陶瓷施加一个锯齿波扫描电压时，压电陶瓷将产生伸缩，从而可以改变 F-P 腔的腔长，使F-P 腔的透射光波长发生变化，实现对透射光波长可调谐的目的。表征可调谐F-P滤波器性能的参数主要有自由
14、光谱范围（FSR）、精细度（Finesse）和带宽（）。可调谐F-P滤波器必须具备以下几个基本的要求：首先，每一次只能有一条分离的谱线被通过，谱线的宽度要足够小，不能太宽；其次，在可调的 F-P 腔腔长变化范围内，要让所有的光谱都能依次通过；另外，腔长随时间变化的函数关系不应该太复杂，而应该相对简单些，最好是线性的，这样有助于控制 F-P 腔的腔长，从而简化后续计算；最后，应该考虑到，在实际的光纤光栅传感器系统中，所用宽带光源的出纤功率一般都比较小。因此，如果每一次通过可调谐 F-P 滤波器的光谱宽度趋于无穷小，则每次通过滤波器的光强会很弱，这样在光电探测部分所得到的光强也会很弱，这会增大后续
15、信号处理的难度。若增加可调谐F-P滤波器的光谱带宽，则每次通过滤波器的光强会增强，但会降低分辨率。对此，本方案中建立了光谱的高斯数学模型，并进行了仿真，如图6图8所示，给出了带宽为0.2nm的光纤光栅传感器与带宽分别为0.01、0.17、0.25nm的可调谐F-P滤波器的关系。左边的图表明了可调谐F-P滤波器带宽与输出光强的关系，右边的图标明了可调谐F-P滤波器与光纤光栅传感器的分辨率的关系。图6 可调谐F-P滤波器带宽为0.01nm图7可调谐F-P滤波器带宽为0.17nm图8 可调谐F-P滤波器带宽为0.25nm光电探测器所检测到的光强是可调谐F-P滤波器带宽和光纤光栅传感器带宽的卷积，即为上述左侧图中红色包络线和蓝色包络线的重叠部分
