0 引言

　　光纖布拉格光柵傳(chuan) 感器(FBGS)是用光纖布拉格光柵(FBG)作敏感元件的功能型光纖傳(chuan) 感器，可用於(yu) 直接檢測溫度和應變，以及與(yu) 溫度和應變有關(guan) 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(chuan) 感器的應用研究中，波長解調是一個(ge) 重要的方麵。目前限製光纖光柵傳(chuan) 感器應用的最主要障礙是傳(chuan) 感信號的解調。波長解調方法主要有光譜儀(yi) 、斜邊濾波法、可調諧濾波法、幹涉掃描法、匹配光柵法等。但是，在這幾種方法中，光譜儀(yi) 成本較高，斜邊濾波法的分辨率較小，幹涉儀(yi) 沒有好的重複性，而可調諧濾波器的掃描周期較長。因此，近年來，匹配光柵法越來越受到人們(men) 的青睞。為(wei) 此，文中介紹了一種簡單、廉價(jia) 且由兩(liang) 個(ge) 並聯的匹配光柵解調來檢測光纖光柵傳(chuan) 感器的係統設計方法。

　　1雙光柵匹配原理

　　雙光柵匹配係統示意圖如圖1所示。寬帶光源發出的光經3 dB耦合器進入傳(chuan) 感FBG。再由FBG反射後進人兩(liang) 路匹配光柵，對應的兩(liang) 個(ge) 光電探測器得到與(yu) 其對應波長有關(guan) 的光信號，然後由光電探測器將其轉換為(wei) 電信號並進入信號采集處理電路提取有用信號，最後由後續信號處理係統實現數據的采集與(yu) 處理。　　

　　圖1中，PD1和PD2為(wei) 光電探測器，光電探測器所探測到的光功率P為(wei) ：　　

　　其中I1(λ)和I2(λ)分別為(wei) 傳(chuan) 感光柵和匹配光柵的反射功率譜密度函數。兩(liang) 者的反射功率譜函數均可用高斯函數近似表示：　　

　　式中，I0為(wei) 反射譜強度峰值;λs為(wei) 反射譜強度為(wei) I0時對應的波長值;△λs為(wei) 反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測器所探測到的光功率的大小與(yu) 傳(chuan) 感光柵和匹配光柵的反射譜的卷積大小成正比。傳(chuan) 感光柵的中心波長λc與(yu) 匹配光柵的中心波長λp的差值越小，對應的卷積值越大。由於(yu) △λ大於(yu) 閾值△λmin時，卷積值過小可能無法繼續解調，因此，解調範圍會(hui) 受到限製。

　　普通的匹配法隻有一個(ge) 傳(chuan) 感光柵一個(ge) 匹配光柵，對應隻有一個(ge) △λ。當該△λ≥△λmin時，解調係統將無法繼續解調。對於(yu) 雙光柵匹配解調係統，傳(chuan) 感光柵與(yu) 兩(liang) 個(ge) 並聯的匹配光柵的中心波長近似相等，但略有差別。三者關(guan) 係為(wei) ：λp1<λc<λp2，λp1和λp2分別表示兩(liang) 個(ge) 匹配光柵的中心波長。λc是傳(chuan) 感光柵的中心波長。傳(chuan) 感光柵在外界應力作用下時，△λ1=?λc-λp1?，△λ2=?λc-λp2?;當λc增大時△λ1增大，△λ2減小;當λc減小時，△λ1減小，△λ2增大。圖2所示為(wei) △λ1、△λ2和λc三者的關(guan) 係圖，其中△λmin是光電探測器可以探測到的最小值。因此，根據圖2可知，在理論上，雙光柵匹配解調係統總是至少有一個(ge) 光電探測器可以探測到可用光信號。

　　2 基於(yu) DSP的解調係統設計

　　2.1 係統硬件設計 

匹配光柵反射回來的光入射到光電探測器(PD)上可轉換為(wei) 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(wei) #p#分頁標題#e#數字信號由DSP進行處理。DSP主要完成數據的插值運算和尋峰處理，並根據處理結果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號控製步進電機完成下一步的解調工作，其係統硬件框圖如圖3所示。

　　為(wei) 了實現高精度的數據采樣，本係統選用美國AD公司推出的一種12位帶並行微機接口的逐次逼近型模/數轉換芯片AD1674來實現係統的模數轉換，AD1674內(nei) 部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準電壓源、時鍾源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態輸出緩衝(chong) 器。

　　本係統采用TMS320VC5402作為(wei) 主控芯片。這種定點DSP芯片可實現光纖光柵傳(chuan) 感信號的處理、步進電機的控製和顯示等。該芯片具有強大的數據運算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內(nei) 實現乘累加運算。其靈活的循環緩衝(chong) 區和高效的C語言可使TMS320VC5402方便地實現數據的循環尋址與(yu) 卷積運算，從(cong) 而實現高速度解調。

2.2　 係統軟件設計

　　DSP係統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。

　　初始化程序用於(yu) 完成DSPI/O口、內(nei) 部A/D轉換器、串行口、中斷等資源的初始化。為(wei) 了協調A/D轉換和步進電機的控製，可由DSP發出控製信號來控製步進電機，以使經過A/D轉換所得的數字信號與(yu) 加在匹配光柵上的步數一一對應。顯示部分的程序可將此數字信號經代數變換轉換為(wei) 直接表示應力的數字量，然後通過查表動態實現應力顯示。

　　當匹配光柵反射波長與(yu) 光纖光柵反射波的中心波長重疊時，光電轉換輸出脈衝(chong) 信號，並向DSP請求中斷，然後由DSP執行中斷服務程序，以將DSP內(nei) 部A/D轉換器轉換所得的數字量讀入DSP並保存起來，最後通過串行口發送到上位機再中斷返回。

        3　 實驗結果分析

　　由實驗可得，在砝碼質量從(cong) 0 g增加到60 g的過程中，粘貼在懸臂梁上的FBG1中心波長漂移0.716 nm，圖4所示為(wei) FBG1中心波長隨砝碼質量變化的曲線圖。由圖4可知，懸臂梁上的FBG中心波長變化量與(yu) 懸臂梁自由端所施加的砝碼質量成較好的線性關(guan) 係，並且具有較高的靈敏度。

　　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(liang) 個(ge) 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(wei) 核心的信號處理係統的一係列處理得出傳(chuan) 感光纖布拉格光柵所感測到的外界物理量的大小。

　　當 PD1對應處理後的電壓信號值為(wei) 5 V時，對應的點為(wei) A和C，即對應的有兩(liang) 個(ge) 光纖布拉格光柵的波長值。因此，對於(yu) 這個(ge) 5 V電壓，解調係統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。對於(yu) 雙光柵匹配解調係統，往往會(hui) 存在兩(liang) 個(ge) 匹配光柵並對應兩(liang) 個(ge) 光電探測器。除存在PD1外，還存在PD2。係統可以通過PD1和PD2兩(liang) 者所對應的電壓值來確定產(chan) 生5V電壓時所添加的砝碼質量。實際上，可通過DSP係統的運算處理得到匹配光柵中心波長的變化量，從(cong) 而得到傳(chuan) 感光柵的中心波長變化量。對於(yu) 雙光柵匹配解調係統，對應的傳(chuan) 感光柵可以取反射譜的雙邊，從(cong) 而擴大傳(chuan) 感光柵的測量範圍。光電探測器的輸出經信號調理電路後的電壓隨應力的變化曲線如圖5所示。 

　　4 結束語

　　雙光柵匹配解調係統是以匹配法為(wei) 基礎並加以改進新方法。它繼承了匹配法結構簡單、成本低、實現容易等優(you) 點。同時，雙光柵匹配解調係統還解決(jue) 了因光電探測器導致的測量範圍受限的問題，也解決(jue) 了匹配法中存在的雙值問題。該解調係統將匹配光柵粘貼於(yu) 特殊懸臂梁上，並采用DSP進行處理，不僅(jin) 提高了響應速度，而且提高了解調的精度和穩定性。減小了匹配光柵因應力過大而損壞的可能性。利用拉力作為(wei) 係統的待測量進行解調實驗證明該係統具有良好的線性度、解調精度、速度及靈敏度。