匹配光柵解調(diào)檢測(cè)光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖布拉格光柵傳感器可用于直接檢測(cè)溫度和應(yīng)變，以及與溫度和應(yīng)變有關(guān)的其他許多物理量和化學(xué)量的間接測(cè)量。在光纖布拉格光柵傳感器的應(yīng)用研究中，波長(zhǎng)解調(diào)是一個(gè)重要的方面。波長(zhǎng)解調(diào)方法主要有光譜儀、斜邊濾波法、可調(diào)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(jiǎn)單、廉價(jià)且由兩個(gè)并聯(lián)的匹配光柵解調(diào)來檢測(cè)光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

雙光柵匹配系統(tǒng)，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器進(jìn)入傳感FBG。再由FBG反射后進(jìn)人兩路匹配光柵，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光電探測(cè)器得到與其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)有關(guān)的光信號(hào)，然后由光電探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)入信號(hào)采集處理電路提取有用信號(hào)，最后由后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。

普通的匹配法只有一個(gè)傳感光柵一個(gè)匹配光柵，對(duì)應(yīng)只有一個(gè)△λ。當(dāng)該△λ≥△λmin時(shí)，解調(diào)系統(tǒng)將無法繼續(xù)解調(diào)。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，傳感光柵與兩個(gè)并聯(lián)的匹配光柵的中心波長(zhǎng)近似相等，但略有差別三者。在理論上，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)總是至少有一個(gè)光電探測(cè)器可以探測(cè)到可用光信號(hào)。

匹配光柵反射回來的光入射到光電探測(cè)器(PD)上可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換部分和信號(hào)采集部分主要完成對(duì)PD輸出電信號(hào)的采集，采集到的信號(hào)再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)由DSP進(jìn)行處理。DSP主要完成數(shù)據(jù)的插值運(yùn)算和尋峰處理，并根據(jù)處理結(jié)果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)完成下一步的解調(diào)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(qū)動(dòng)程序、中斷服務(wù)程序等幾部分組成，可以將A/D轉(zhuǎn)換和串行通訊代碼放在中斷服務(wù)程序中來實(shí)現(xiàn)。

初始化程序用于完成DSPI/O口、內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器、串行口、中斷等資源的初始化。為了協(xié)調(diào)A/D轉(zhuǎn)換和步進(jìn)電機(jī)的控制，可由DSP發(fā)出控制信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)，以使經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號(hào)與加在匹配光柵上的步數(shù)一一對(duì)應(yīng)。顯示部分的程序可將此數(shù)字信號(hào)經(jīng)代數(shù)變換轉(zhuǎn)換為直接表示應(yīng)力的數(shù)字量，然后通過查表動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力顯示。

當(dāng)匹配光柵反射波長(zhǎng)與光纖光柵反射波的中心波長(zhǎng)重疊時(shí)，光電轉(zhuǎn)換輸出脈沖信號(hào)，并向DSP請(qǐng)求中斷，然后由DSP執(zhí)行中斷服務(wù)程序，以將DSP內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(jī)再中斷返回。

實(shí)驗(yàn)中可通過增加砝碼的質(zhì)量施加對(duì)懸臂梁不斷增加的拉伸應(yīng)力。兩個(gè)匹配光柵反射光信號(hào)分別被各自對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器所接收。光電探測(cè)器輸出的模擬電壓信號(hào)則由以DSP為核心的信號(hào)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(cè)到的外界物理量的大小。

當(dāng) PD1對(duì)應(yīng)處理后的電壓信號(hào)值為5 V時(shí)，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為A和C，即對(duì)應(yīng)的有兩個(gè)光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)值。因此，對(duì)于這個(gè)5 V電壓，解調(diào)系統(tǒng)無法直接判斷出對(duì)應(yīng)的懸臂梁負(fù)載的質(zhì)量是A點(diǎn)還是C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，往往會(huì)存在兩個(gè)匹配光柵并對(duì)應(yīng)兩個(gè)光電探測(cè)器。除存在PD1外，還存在PD2。系統(tǒng)可以通過PD1和PD2兩者所對(duì)應(yīng)的電壓值來確定產(chǎn)生5V電壓時(shí)所添加的砝碼質(zhì)量。實(shí)際上，可通過DSP系統(tǒng)的運(yùn)算處理得到匹配光柵中心波長(zhǎng)的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長(zhǎng)變化量。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴(kuò)大傳感光柵的測(cè)量范圍。

雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)是以匹配法為基礎(chǔ)并加以改進(jìn)新方法。它繼承了匹配法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)還解決了因光電探測(cè)器導(dǎo)致的測(cè)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(diào)系統(tǒng)將匹配光柵粘貼于特殊懸臂梁上，并采用DSP進(jìn)行處理，不僅提高了響應(yīng)速度，而且提高了解調(diào)的精度和穩(wěn)定性。