光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

馮 艷, 張 震,2, 張 華, 王飛文, 嚴明輝

(1. 南昌大學 機電工程學院, 江西省機器人與焊接自動化重點實驗室, 江西 南昌 310031； 2. 南昌大學 前湖學院, 江西 南昌 310031)

光纖Bragg光柵(FBG)傳感器具有波長編碼、波分復用、抗電磁干擾、傳感線性優(yōu)良等優(yōu)點,集信息傳輸與傳感于一體,在智能材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。在實際應(yīng)用中,將不同中心波長的FBG串聯(lián)在一根光纖上,可實現(xiàn)多點測量；結(jié)合空分復用技術(shù),通過光開關(guān)并聯(lián)多個FBG,實現(xiàn)多通道測量[5]。多通道FBG傳感解調(diào)信息的穩(wěn)定、高速采集以及較高的靈敏度和監(jiān)測精確度是FBG傳感器監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

LabVIEW是一種圖形化編程語言,廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科學測試中[6-7]。近年來,有關(guān)FBG解調(diào)系統(tǒng)的研究成果多有發(fā)表,例如用AT89C2051單片機制作光開關(guān)驅(qū)動電路實現(xiàn)4通道間切換[8]；采用光纖Bragg光柵傳感器和多點傳感系統(tǒng)實現(xiàn)多個傳感器的復用[9]；基于LabVIEW和可調(diào)諧光濾波器的光纖光柵傳感系統(tǒng)實現(xiàn)光纖光柵傳感的動態(tài)解調(diào)[10]；利用LabVIEW虛擬儀器平臺實現(xiàn)16通道的FBG傳感中心波長的動態(tài)更新[11]等。本文基于BaySpec高速FBGA解調(diào)模塊設(shè)計了一種雙通道、實時監(jiān)測溫度特性和應(yīng)變特性的光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可實時監(jiān)測中心波長變化,又可以監(jiān)測光譜變化,且操作方便靈活、靈敏度高。

1 FBG傳感檢測及傳感原理

當寬帶光在FBG中進行傳播,只有滿足一定條件的波長的光被反射回來,其余光被透射出去(見圖1)。反射光的峰值即Bragg波長λB為[12]

λB=2neffΛ

(1)

圖1 光纖Bragg光柵工作原理

式(1)中：neff是纖芯的有效折射率,Λ為光柵周期。

在應(yīng)力與應(yīng)變的作用之下,彈光效應(yīng)會使折射率發(fā)生變化,而材料的變形則會令光柵周期發(fā)生變化。因溫度而產(chǎn)生的熱光效應(yīng)使折射率發(fā)生變化,并產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，使光柵的周期發(fā)生變化。當應(yīng)力、應(yīng)變、環(huán)境溫度都發(fā)生變化時,忽略波導效應(yīng),FBG光柵的波長變化量可表示為[13]

(2)

式中：應(yīng)變靈敏度Kε=1-Pe,Pe為有效彈光系數(shù)；Δε為軸向應(yīng)變變化量；溫度靈敏度KT=α+ξ,α和ξ分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

2 FBG傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

傳感解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含工作波長為C+L波段(1 525～1 605nm)、輸出光功率為20dBm的ASE寬帶光源,1×4路的單模光開關(guān),STC89C52RC單片機,BaySpec公司的FBGA-F-1510-1590-FP快速解調(diào)模塊、光纖環(huán)形器等,如圖2所示。

圖2 傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)示意圖

其中,C+L波段ASE寬帶光源發(fā)出光經(jīng)環(huán)形器和光開關(guān),入射到串聯(lián)于一根光纖的FBG傳感元件,傳感元件反射不同中心波長的光波。反射光波經(jīng)環(huán)形器照射到FBGA-F-1510-1590-FP快速解調(diào)模塊,解調(diào)模塊通過USB端口與上位機相連,分析該傳感元件溫度特性或應(yīng)變特性。

FBG傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行光譜波長采集程序、Bragg波長識別程序和溫度傳感特性及應(yīng)變傳感特性分析程序,通過單片機控制板轉(zhuǎn)換通信電平后,執(zhí)行多通道光開關(guān)的切換以及采集并處理解調(diào)的傳感光譜信息。

2.2 LabVIEW軟件模塊設(shè)計

FBG傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)利用LabVIEW的DLL(動態(tài)鏈接庫),完成與解調(diào)模塊和上位機的通信,實現(xiàn)解調(diào)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲并顯示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及溫度超限警報和歷史數(shù)據(jù)回放等附加功能。

(1) 光譜數(shù)據(jù)處理和存儲。模塊數(shù)據(jù)獲取通過調(diào)用DLLGetspectra函數(shù)來實現(xiàn)。初始化一個512列的數(shù)組當作數(shù)據(jù)的緩存,將獲得的光譜數(shù)據(jù)pdblSpectrum轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光譜強度并進行存儲。

(2) 溫度監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲。通過調(diào)用DLLGetSearchPeak函數(shù)獲取中心峰值,該波長即為實時中心波長,再將其與標定波長相減得到波長變化量,波長變化量除以FBG溫度靈敏度即可得到溫度變化量,溫度變化量加上標定溫度便得到實時溫度。存儲溫度與中心波長數(shù)據(jù)。

(3) 應(yīng)變監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲。類似溫度監(jiān)測功能,通過調(diào)用DLLGetSearchPeak函數(shù)獲取中心峰值,將其與標定波長相減后除以FBG應(yīng)變靈敏度,加上標定應(yīng)變值便得到實時應(yīng)變。存儲實時應(yīng)變值與中心波長數(shù)據(jù)。

(4) 其他功能。在FBG傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)中,基于光纖Bragg光柵傳感器的空分復用技術(shù),引入了多通道單模光開關(guān),提供應(yīng)變監(jiān)測與溫度監(jiān)測的選擇功能。將上文所述存儲的光譜數(shù)據(jù)及中心波長、對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)以圖形的方式展現(xiàn)出來,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回放。另外,通過通道選擇開關(guān)的開啟,每只FBG設(shè)有溫度或者應(yīng)變上下極限,當超出范圍時將報警。

3 實驗與分析

通過STC89C52RC單片機控制光開關(guān)通道實時監(jiān)測溫度和應(yīng)變。傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)的硬件如圖3所示。選用FBG1和FBG2用于溫度傳感,FBG3和FBG4用于應(yīng)變傳感。FBG1和FBG2在室溫下的初始中心波長分別為1 543.966nm和1 555.861nm；FBG3和FBG4在室溫下的初始中心波長分別為1 530.042nm和1 530.116nm。

采用杭州聚華光電科技有限公司的JH-FBG-A3光纖光柵解調(diào)儀進行溫度和應(yīng)變的標定。該解調(diào)儀波長分辨率為0.1pm,波長精度±1pm。恒溫儀采用杭州佑寧儀器有限公司的MiNiC-100迷你金屬浴,該恒溫器溫度范圍為-10℃～100℃,控溫誤差小于0.3℃,測溫分辨率為0.5℃。

將FBG置于干式恒溫儀中,恒溫儀溫度調(diào)節(jié)范圍設(shè)置20℃～100℃,每次上升10℃并保持5min,解調(diào)儀記錄中心波長,得到FBG1、FBG2的溫度標定靈敏度分別為10.37pm/℃,10.50pm/℃。

將FBG3與FBG4分別粘貼懸臂梁上下表面同一位置,在懸臂梁的自由端施加0g、50g、100g、150g、200g、250g、300g砝碼,解調(diào)儀記錄兩只傳感器中心波長,得FBG3、FBG4的應(yīng)變標定靈敏度分別為2.946pm/με和-2.646pm/με。

圖3 傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)

3.1 溫度傳感實驗

3.1.1 設(shè)計原理

將FBG1和FBG2分布式連接,其中FBG1置于干式恒溫儀中,FBG2處于室溫環(huán)境,如圖4所示。

圖4 溫度傳感性能監(jiān)測分布示意圖

3.1.2 實驗結(jié)果

在室溫20 ℃下,選用傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)的2個通道,記錄2只傳感器的溫度與中心波長,實現(xiàn)FBG傳感器的空分復用。其中FBG1測溫平均偏差為

測溫標準差為

均小于恒溫儀分辨力0.5 ℃,溫度監(jiān)測效果較好。

3.1.3 靈敏度分析

根據(jù)FBG1溫度監(jiān)測20 ℃～100 ℃數(shù)據(jù)以及溫度標定數(shù)據(jù)點(見圖5),傳感線性度S保持良好的線性,與標定靈敏度的靈敏度誤差為

溫度靈敏度誤差小于1%,實驗表明有良好的溫度傳感監(jiān)測精度。

3.2 應(yīng)力傳感實驗

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

應(yīng)變傳感單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。在懸臂梁同一位置上下表面粘貼FBG3和FBG4(FBG3和FBG4相同),構(gòu)成差動式連接,既補償環(huán)境溫度變化誤差,同時也提高應(yīng)變傳感的靈敏度。

圖5 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6 應(yīng)變傳感監(jiān)測分布示意圖

懸臂梁彈性模量為E,梁寬b,梁厚h,梁長l,施加力為F,則FBG位置軸向處應(yīng)變ε為

(3)

由式(2)可得：

(4)

進一步可得：

(5)

(6)

3.2.2 實驗結(jié)果

懸臂梁的彈性模量為97.85 GPa,梁寬b=4 mm,梁厚h=1.5 mm,梁長l=13.5 mm。在傳感監(jiān)測實驗中,基于空分復用技術(shù),通過單片機控制選用應(yīng)變監(jiān)測分路,解調(diào)系統(tǒng)記錄2只傳感器監(jiān)測應(yīng)變及中心波長。監(jiān)測應(yīng)變平均偏差為

監(jiān)測應(yīng)變標準差sε為

均遠小于最小應(yīng)變分辨率65 με。實驗表明,應(yīng)變傳感監(jiān)測效果良好。

3.2.3 靈敏度分析

根據(jù)FBG應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)與應(yīng)變標定數(shù)據(jù)點(見圖7),傳感的線性度S保持優(yōu)良的線性,與標定靈敏度的靈敏度誤差分別為：

應(yīng)變靈敏度誤差均小于1%,實驗表明有較好的監(jiān)測精度。

3 結(jié)論

所設(shè)計的光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測中心波長和光譜的變化,通過單片機控制光開關(guān)實現(xiàn)了溫度和應(yīng)變傳感的實時監(jiān)測。實驗表明：在20 ℃～100 ℃溫度范圍內(nèi),溫度監(jiān)測平均誤差0.3 ℃,標準差0.163 ℃,解調(diào)系統(tǒng)所測靈敏度與標定靈敏度之間的靈敏度誤差為0.29%；在0～390 με應(yīng)變范圍內(nèi),應(yīng)變監(jiān)測平均誤差2.79 με,標準差2.63 με,解調(diào)系統(tǒng)所測靈敏度與標定靈敏度之間的靈敏度誤差分別為0.10%、0.19%,說明該傳感解調(diào)系統(tǒng)具有高精度的溫度和應(yīng)變的實時監(jiān)測功能。該系統(tǒng)可實現(xiàn)分布式FBG傳感監(jiān)測和切換監(jiān)測通道,并且操作方便、靈活,可靠性高,具有實際應(yīng)用價值。

圖7 應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)