匹配光柵解調檢測光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設計

光纖布拉格光柵傳感器可用于直接檢測溫度和應變，以及與溫度和應變有關的其他許多物理量和化學量的間接測量。在光纖布拉格光柵傳感器的應用研究中，波長解調是一個重要的方面。波長解調方法主要有光譜儀、斜邊濾波法、可調諧濾波法、干涉掃描法、匹配光柵法等。近年來，匹配光柵法越來越受到人們的青睞。下面將介紹一種簡單、廉價且由兩個并聯(lián)的匹配光柵解調來檢測光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設計方法。

雙光柵匹配系統(tǒng)，寬帶光源發(fā)出的光經3 dB耦合器進入傳感FBG。再由FBG反射后進人兩路匹配光柵，對應的兩個光電探測器得到與其對應波長有關的光信號，然后由光電探測器將其轉換為電信號并進入信號采集處理電路提取有用信號，最后由后續(xù)信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。

普通的匹配法只有一個傳感光柵一個匹配光柵，對應只有一個△λ。當該△λ≥△λmin時，解調系統(tǒng)將無法繼續(xù)解調。對于雙光柵匹配解調系統(tǒng)，傳感光柵與兩個并聯(lián)的匹配光柵的中心波長近似相等，但略有差別三者。在理論上，雙光柵匹配解調系統(tǒng)總是至少有一個光電探測器可以探測到可用光信號。

匹配光柵反射回來的光入射到光電探測器(PD)上可轉換為電信號。光電轉換部分和信號采集部分主要完成對PD輸出電信號的采集，采集到的信號再轉化為數(shù)字信號由DSP進行處理。DSP主要完成數(shù)據(jù)的插值運算和尋峰處理，并根據(jù)處理結果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號控制步進電機完成下一步的解調工作，。

DSP系統(tǒng)的軟件部分主要由初始化程序、線性插值子程序或者曲線擬合子程序、顯示程序、驅動程序、中斷服務程序等幾部分組成，可以將A/D轉換和串行通訊代碼放在中斷服務程序中來實現(xiàn)。

初始化程序用于完成DSPI/O口、內部A/D轉換器、串行口、中斷等資源的初始化。為了協(xié)調A/D轉換和步進電機的控制，可由DSP發(fā)出控制信號來控制步進電機，以使經過A/D轉換所得的數(shù)字信號與加在匹配光柵上的步數(shù)一一對應。顯示部分的程序可將此數(shù)字信號經代數(shù)變換轉換為直接表示應力的數(shù)字量，然后通過查表動態(tài)實現(xiàn)應力顯示。

當匹配光柵反射波長與光纖光柵反射波的中心波長重疊時，光電轉換輸出脈沖信號，并向DSP請求中斷，然后由DSP執(zhí)行中斷服務程序，以將DSP內部A/D轉換器轉換所得的數(shù)字量讀入DSP并保存起來，最后通過串行口發(fā)送到上位機再中斷返回。

實驗中可通過增加砝碼的質量施加對懸臂梁不斷增加的拉伸應力。兩個匹配光柵反射光信號分別被各自對應的光電探測器所接收。光電探測器輸出的模擬電壓信號則由以DSP為核心的信號處理系統(tǒng)的一系列處理得出傳感光纖布拉格光柵所感測到的外界物理量的大小。

當 PD1對應處理后的電壓信號值為5 V時，對應的點為A和C，即對應的有兩個光纖布拉格光柵的波長值。因此，對于這個5 V電壓，解調系統(tǒng)無法直接判斷出對應的懸臂梁負載的質量是A點還是C點所對應的質量。對于雙光柵匹配解調系統(tǒng)，往往會存在兩個匹配光柵并對應兩個光電探測器。除存在PD1外，還存在PD2。系統(tǒng)可以通過PD1和PD2兩者所對應的電壓值來確定產生5V電壓時所添加的砝碼質量。實際上，可通過DSP系統(tǒng)的運算處理得到匹配光柵中心波長的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長變化量。對于雙光柵匹配解調系統(tǒng)，對應的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴大傳感光柵的測量范圍。

雙光柵匹配解調系統(tǒng)是以匹配法為基礎并加以改進新方法。它繼承了匹配法結構簡單、成本低、實現(xiàn)容易等優(yōu)點。同時，雙光柵匹配解調系統(tǒng)還解決了因光電探測器導致的測量范圍受限的問題，也解決了匹配法中存在的雙值問題。該解調系統(tǒng)將匹配光柵粘貼于特殊懸臂梁上，并采用DSP進行處理，不僅提高了響應速度，而且提高了解調的精度和穩(wěn)定性。