一種工業應用的高精度光纖光柵傳感解調儀研制與設計

劉小清 朱佳佳

摘 要：本文通過實時進行溫度補償的雙光柵參考法作為光纖光柵信號解調的波長校準方法，提高解調精度，同時研制透射通道，對透射型高斯光譜器件進行透射波長解調，使用國產化穩定可調光纖濾波器，提高性價比，滿足工程應用對解調儀高精度、低成本、透反同時測量的需求，推動光柵傳感的工業化應用進程。

關鍵詞：光纖光柵 波長解調 信號解調 濾波法 透射波長解調 雙光柵參考法

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0105-03

光纖光柵（Fiber Bragg grating，簡稱FBG）因其本征安全、體積小、重量輕、每根光纖可串接多個光柵，方便工程上大規模復用等優點，近些年得到了快速發展[1]；而光纖光柵信號解調一直是限制光纖傳感器工業應用的問題之一，目前，可工程應用為基于光纖可調濾波器法，此方法現還有精度受溫度影響較大、濾波器常年受國外壟斷、成本高等缺點[2]，因此本文將基于自主開發的高穩定可調濾波器，使用帶溫度補償的參考光柵進行波長校準，并開發可對透射器件進行測量的光纖傳感解調儀，以滿足需要透射型傳感器的場合，滿足工業應用的需要。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵是利用紫外激光光束照射光纖，被照射區間段纖芯的折射率將發生周期性的變化，在纖芯內形成一個窄帶濾波器或者反射鏡，對入射的寬帶光進行選擇性反射。

如圖1所示，當一束寬帶光源入射到光纖光柵時，滿足布拉格條件的光被反射，其余光透射，光纖布拉格光柵方程為：

λ=2neffΛ （1）

式中：λ為FBG的中心波長；neff為光纖纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。

當外部被測量發生變化時，將導致光柵的中心波長發生變化，使得對應FBG中心波長偏移，通過解調儀器解析出中心波長偏移量，根據標定好的待測量與中心波長的對應關系，達到信號傳感的目的。

2 光纖光柵解調原理

可調FP濾波法因解調范圍廣、準確度高、適用于大容量復用網絡解調而成為目前最主流，也最適合工程現場使用的解調方法（見圖2）。

寬帶光源發出的光，進入多個不同反射波長的傳感FBG，滿足一定條件的光反射回可調光纖F-P濾波器，給F-P腔上的壓電體（PZT）加載鋸齒波掃描電壓，用來調節F-P腔腔長，若F-P濾波器的透射波峰和FBG的反射波峰相重合時，F-P濾波器的透射光強達到最大，不同的掃描電壓所對應不同的透射光的波長，如此，在同一掃描周期的不同時刻，有多個FBG反射波長經過F-P腔，再通過光電轉換，把光信號轉化為電信號，經過放大、濾波等調理電路，最終進入數據采集卡將數據后送入計算機結合上位機軟件進行信號處理，最終，解調出被測信號。

現有解調儀有以下缺陷限制其精度和穩定性，從而限制工業應用。

（1）FP濾波器受溫度影響的溫漂未進行有效補償，導致長期精度低。

（2）因為核心器件的非線性，導致儀器分辨率精度過低。

（3）使用labview或者windows商業軟件作為開發軟件，不開源。

（4）現有儀器僅可測量反射型器件，一些需要測量透射傳感器的場合則需使用昂貴的光譜儀、波長計等。

3 光纖光柵解調儀的設計

綜上所述，本文將針對上述限制器工業應用的問題，進行針對性設計，開發出高精度、高穩定性、低成本的透反型的工業級光纖傳感解調儀。

3.1 自主開發光纖可調濾波器

本文使用深圳中科傳感自制的高穩定國產化工藝光纖可調濾波器，打破長期國外壟斷，同等品質產品，成本降低為國外的1/10，滿足工程大量應用的低成本要求。

3.2 實時溫度補償的參考光柵波長校準設計

可調FP濾波器的溫漂影響儀器解調精度，因此需采用相應的方案，提高儀器解調精度，本文使用實時監測溫度的雙光柵波長參考法，進行溫漂補償，可將儀器短期精度提高到±1pm，長期精度±2.5pm。

儀器內置兩個固定波長的參考光柵，用傳感光柵與固定波長參考光柵的相對位置來解調傳感光柵的波長，這樣避免了使用可調FP濾波器的電壓-腔長非線性關系來進行解調，為了避免溫漂造成的影響，提前標定出參考光柵的溫度系數，同時在光柵旁邊放置精度0.01度的熱電偶傳感器進行實時溫度監測，根據參考光柵的溫度系數進行軟件計算補償，以補償后的波長作為已知波長進行計算，改善溫漂造成的影響。算法原理如圖3。

圖3中，1和3為參考光柵譜線，中心波長分別為λ1和λ3，2為傳感光柵譜線，中心波長為λ2，N為采樣點，當外界參量（溫度或應變）使傳感光柵位置移動，如圖所示，從原本位置2移動到21時采樣點對應為N21，則：

（2）

由此只需得到傳感光柵相對參考光柵的相對位置，根據已知波長的參考光柵的波長，就可計算出傳感光柵的波長，即只需采集到傳感光柵和參考光柵峰值點對應的位置（采樣點），進行相關運算，便可完成解調。

3.3 透射型器件波長解調的光纖光柵解調儀器設計

在實際應用中，有一些透射型傳感器需進行信號解調，如長周期光柵等，現解調儀均不具備透射型器件的解調功能，本文將對解調軟硬件增設透射通道，其中反射通道用來入射光，透射通道用來接收透射光譜，再通過光電轉換、濾波、尋峰等，計算出透射波長，實現透射器件的波長解調，可根據實際需要，制作多路反射和透射同時測量的解調儀器（見圖4）。

3.4 解調軟件的設計

傳統解調儀大多使用windows或者labview軟件進行編程，工業可控性差，本文從底層開始使用linux+C語言來進行開發，除了傳統的原始波長、物理量采集功能，擬新加入靈活的傳感器設置、標定功能；波長自校準功能；加入強大的公式編輯、調用功能，大大提高了儀器的實用性，同時支持常用接口及協議，如RS232/485、TCP/IP、moubus等，方便數據與其他集控系統的傳送。

4 結語

本文從限制光柵傳感工業應用的現有問題出發，重點研制有溫度補償的波長校準方法，同時增加透射通道，使解調儀可以同時對反射和透射型光器件進行波長解調，使用國產化工藝的高穩定、低成本核心解調器件——光纖可調濾波器，提高儀器性價比，最終研制出高精度、低成本的工業級光纖光柵解調儀，波長解調長期精度可達±2pm，推進光纖傳感的工業化進程。

參考文獻

[1] 余有龍，譚玲，李茜，等.壓電陶瓷發熱對光纖光柵傳感信號干涉解調的影響[J].光學學報，2014，34（5）：51-55.

[2] 陳顯，余尚江，楊吉祥，等.線性濾波法高速解調技術中的測量有效性研究[J].光學學報，2009，29（1）：145-150.

[3] 劉琨，劉鐵根，江俊峰，等.基于FBG傳感系統的可調光濾波器非線性研究[J].光電子·激光，2010，21（7）：970-973.