基于时分复用的FBG传感技术研究

王祥;金伟明;王建平

【摘 要】光纤布拉格光栅(FBG)以其独有的优越性在传感领域的应用越来越广泛.在这种情况下,深入研究了光纤布拉格光栅传感的基本原理,设计了一套FBG解调系统的整体方案,建立了一个以马赫-泽德干涉仪为解调核心、时分复用的分布式传感网络.以ARM9为中央核心处理系统,实现对传感信号的调制.实验结果表明,该系统稳定可靠,数据可信度高. 【期刊名称】《技术与市场》 【年(卷),期】2011(018)004 【总页数】3页(P6-7,9)

【关键词】时分复用;马赫-泽德干涉仪;FBG;ARM 【作 者】王祥;金伟明;王建平

【作者单位】东南大学,仪器科学与工程学院,江苏,南京,210096;东南大学,仪器科学与工程学院,江苏,南京,210096;东南大学,仪器科学与工程学院,江苏,南京,210096 【正文语种】中 文

光纤传感技术是20世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，是以光波为载体，光纤为媒介，来测量外界被测物理量的变化情况，其中光纤布拉格光栅(FBG)以其独有的优越性在传感领域的应用越来越广泛。

本文主要研究了基于时分复用的FBG传感技术，提出了以马赫—泽德干涉仪为核心的解调方案，并设计了相应的信号处理系统，系统安全可靠。

光纤布拉格光栅是利用石英光纤的紫外光敏性，使外界入射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿光纤轴方向的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。当宽带在其中传播时，两个反向传播的芯模之间产生能量耦合，形成特定波长为λB的反射波。对于前向传播的LP01模β1=β0，对于后向传播的LP01模β1=-β01。当两耦合模的传播常数差Δβ＝2β01,这种光栅就被称为布拉格光栅[1](Fiber Bragg Grating，FBG)。

当有光入射时，FBG能够反射波长，满足布拉格发射条件的特定波长的光。FBG返回的窄带光波的中心波长为λB（也称为布拉格波长）为：

式中，Kε，KT分别为应变、温度灵敏系数。由式（3）可知，通过检测反射波长的变化就能够计算出对应的温度和应变的变化，这就是FBG传感器测量温度和应变的基本原理。

光纤光栅传感器的信号解调技术就是精确测量信号偏移的技术。针对本系统，从解调系统的功能与系统设计要求的实际出发，最终确定了基于时分复用的马赫—泽德（M-Z）干涉仪解调方法。整个FBG分布式解调系统的光路结构如图1所示： 在该解调系统中，脉冲光源发出的光，经过耦合器，进入到传感光栅阵列，经过不同的时延被反射回来，在时域上形成一系列的脉冲串，这些光脉冲再经过M-Z干涉仪。这些脉冲光的波长偏移被转化为相位变化，通过由ARM9系统控制的D/A芯片的锯齿波输出，来调节M-Z干涉仪参考臂的压电陶瓷上的电压，形成干涉信号相移变化。采用高精度运放放大的信号经A/D采样，传输到ARM数据处理系统，最后经过数据分析处理实现了波长信号的解调。

M-Z干涉仪[3]是整个光路解调系统的核心器件,采用全光纤干涉仪。它的两个臂都使用光纤，且分路与合路也都是用3dB光纤耦合器。图2表示M-Z全光纤干涉仪的基本结构：

由图可见，激光器发出的相干光通过一个3dB耦合器分成相等的两束：一束在信

号臂光纤中传输，另一束在参考臂光纤中传输。外界信号S（t）作用于信号臂。第二个3dB耦合器把两束光再耦合，又分成两束光经光纤传送到两个光电探测器中。

M-Z干涉仪的调制方法属于相位调制，光波通过长度为l的光纤，相位延迟为： 式中β为光波在光纤中的传播常数，β＝nk0。其中n为纤芯折射率，k0为光在真空中的波数，k0=2π/λ0，λ0为光在真空中的波长。当传感光纤受机械力或温度变化时，将导致一系列物理效应，使光纤的参数变化。将公式（4）微分可得： 式中，第一项表示传感光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为传感光纤折射率变化引起的相位差（弹光效应或热光效应），第三项为传感光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应），由于其相对值很小，一般可忽略不计。 由上式可见，相位调制的关键就是分析光纤长度变化量Δl。目前，最常用的相位调制结构就是把光纤缠绕在压电陶瓷（PZT）筒上。压电陶瓷调相的主要原理是：当在压电陶瓷上施加电压时，由于压电陶瓷的逆压电效应，PZT筒的周长将发生变化，它将带动缠绕在PZT筒上的光纤长度也发生变化，从而改变光纤内传输的光波相位。

系统的硬件设计主要包括ARM9[4]中央核心处理系统、AD669信号调理电路和MAX1183信号调理电路及各种外扩的通信接口。以ARM9为核心的系统要完成的主要功能如下：

（1）控制D/A芯片的信号输出来控制M-Z干涉仪的臂长变化； （2）接收MAX1183采集的电信号； （3）ARM9核心处理系统对信号的分析。 硬件结构如图3所示：

本系统选择在Embedded Visual C++[5]环境下进行软件开发。

根据实现的功能的不同，我们把软件划分为四个模块，分别为应用程序模块、数据

存储模块、数据处理模块和驱动程序模块。应用程序模块主要实现人机的交互功能，数据处理模块主要是对取得的数据进行软件上的处理和分析，数据存储模块主要是通过数据库的方式来存储处理后的数据，驱动程序[6]模块主要是实现对外围的、没有成熟可用驱动的芯片的驱动。图4所示为系统软件框架图： 4.1.1 数字滤波

为了提高信噪比，要对所采集的信号进行一定的滤波处理[7]。本文采用以巴特沃思模拟滤波器为原型的低通数字滤波方法，它是根据幅度响应在通带内具有最平特性而定义的滤波器，

图5展示了滤波前的光栅光谱，可以看出噪声对信号的影响，在信号曲线上产生了很多的毛刺。图6展示了滤波后的效果，可以看出滤波后毛刺基本被滤除，曲线平滑了很多。 4.1.2 中心波长的计算

图7展示了电压与波长之间的关系，理论上来说电压最大的地方就是波峰，即中心波长。本系统选择质心法[8]作为中心波长检测的计算方法。波长检测中的质心法可表示为:

其中，为波长的质心，λi表示每一点的波长，Ii表示每一点的光强。由于本系统测量将产生一定量的数据，所以需要设计一个数据库对数据进行优化和保存，我们选择Microsoft的SQL Server CE作为我们的存储数据库。

本文主要研究了基于时分复用的FBG传感技术，提出了以马赫—泽德干涉仪为核心的解调方案，构建了马赫—泽德干涉仪等器件组成的光路系统，并从总体上对时分复用的分布式多点解调系统方案进行了论证，同时设计了硬件解调电路，实现了光电信号的转换。实验表明，系统结构稳定，数据准确性高，有较高的参考价值。

【相关文献】

[1] A.D.Kersey,T.A.Berkoff,W.W.Morey.Multiplexed fiber Bragg gratingstrain-sensorsystem with a fiberFabry-Perot wavelength filter[J].Opt Lett,1993,18(16):1370-1372. [2] Y.J.Rao,A.B.L.Ribeiro,D.A.Jackson,et al.Simultaneous spatial,time andwavelength division multiplexed in-fiber grating sensing network[J].Opt Commun,1996(125):53-58. [3] LIN Lin.Absolute Measurement of the Path Difference between Two Arms of Fiber Mach-Zender Interferometer[J].Optoelectronic Technology&Information，2006，19（3）:23-27.

[4] 黄益斌.ARM9在FBG波长解调仪上的应用研究[D].东南大学硕士学位论文，2007. [5] 周鸣扬.Visual C++界面编程技术[M].北京：北京希望电子出版社，2003.

[6] 孙天泽，袁文菊，张海峰.嵌入式设计及Linux驱动开发指南——基于ARM9处理器[M].北京：电子工业出版社，2005.

[7] 付丽琴，桂志国，王黎明.数字信号处理原理及实现[M].北京：国防工业出版社，2005. [8] 巩宪锋，李忠富，王长松，等.质心原理在光纤光栅传感波长解调中的应用 [J].北京科技大学学报，2004，（8）：429-432.