光纤光栅解调仪设计方案报告

光纤光栅解调仪设计方案报告目录1概述............................................................................................................................................32产品功能和用途........................................................................................................................43技术要求....................................................................................................................................44技术方案....................................................................................................................................54.1方案概述.................................................................................................................................54.2产品组成和原理框图.............................................................................................................54.2.1产品组成..............................................................................................................................54.2.2原理框图..............................................................................................................................54.3硬件设计.................................................................................................................................64.3.1可调谐窄带光源..................................................................................................................64.3.2波长校准............................................................................................................................134.3.3光电探测器模块................................................................................................................164.3.4数据采集与控制模块........................................................................................................184.3.5其它光学器件....................................................................................................................204.4新技术、新材料、新工艺采用情况...................................................................................235关键技术的解决途径..............................................................................................................235.1波形同步循环.......................................................................................................................235.2信号处理...............................................................................................................................245.3增加系统光功率...................................................................................................................266可行性分析..............................................................................................................................261概述光纤光栅解调仪作为光纤光栅类传感器的通用解调设备，是与光纤光栅类传感器配套的不可或缺的设备。光纤光栅解调仪是对光纤光栅中心反射波长的微小偏移进行精确测量，波长解调技术的优劣直接影响整个传感系统的检测精度，因此光纤光栅波长解调技术是实现光纤光栅传感的关键技术之一。远程实时监测远程实时监测光纤光栅重载车识别光纤光栅应变传感器光纤光栅温度传感器光纤光栅振动传感器光纤光栅压力计光纤光栅测力计光纤光栅索力计光纤光栅解调仪（多通道）对桥梁的多物理量结构健康监测传感网络（WDM、TDM、SDM）图1光纤光栅解调仪在结构健康监测系统中的应用光纤光栅解调仪在结构健康监测有着非常重要的作用，它将光纤光栅传感器的波长信号解算出来，并传送给计算机，计算机里的上位机程序将各种波长信号转化为待测物理量的特征信号，即可对结构实行实时的监测。在结构健康监测系统中，如图1所示，传感器为网络中树叶，解调仪为树根，树干为传输光纤。解调仪的通道数量决定了树干光纤的芯数。多个解调仪即构成的树状结构组成了森林，该森林中树的数量仅受到计算机局域网内的IP地址限制。从一定程度上说，光纤光栅解调仪决定了一套结构健康监测系统的成本。为了实现被测物理量的高精度测量，在过去的十多年里，相关科学家在光纤光栅传感器技术的研究和应用方面取得了突破性的进展，提粗了许多解调方法来检测光纤光栅中心波长的微小变化，比较典型的有：匹配滤波法、非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪法，可调谐光纤光栅滤波器法、可调谐Fabry-Perot（F-P）滤波器法等，如表1所示。表1常用光纤光栅解调方法解解调方法基本原理特点适用场合匹配光栅法利用一个传感光栅参数一样的匹配光栅来滤波长优点：结构简单。分辨率较高缺点：自由谱范围窄，对匹配光栅要求高。静态测量或者低速测量边缘滤波器法将波长变化转化为光强变化优点：成本较低，有较好的线性输出。缺点：分辨率不是很高。实验室非平衡M.Z干涉法将波长变化转化为相位变化分辨率高但是灵敏度和测量范围不容易调整，不稳定且不能复用动态变量测量可调谐F-P腔法利用F-P腔的可调谐滤波作用体积小、灵敏度高、光能利用高、解调比较方便工程应用从表1可以看出，边缘滤波法适用于实验室环境使用，匹配光栅法自由谱范围比较窄，不适合多通道的光纤光栅解调。基于可调谐F-P滤波器的解调原理可实现多通道同时解调，且在工程实际应用中最多，本方案中的解调原理采用基于可调谐F-P滤波器的方法。2产品功能和用途光纤光栅解调仪可用于对光纤光栅类传感器的波长解算，并将解算出的波长信号传输给计算机，是作为光纤光栅类传感器必需配备的产品。光纤光栅解调仪可用于基于光纤光栅传感器的各种结构健康监测系统中，如桥梁、大坝、航空航天、石油化工等行业。光纤光栅解调仪也可作为光纤光栅类传感器的解调设备，如光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅应变传感器等。3技术要求a)解调范围：1530~1560nmb)通道数：8通道c)扫描频率：20Hzd)精度：10pme)分辨率：2pmf)尺寸：4技术方案4.1方案概述本方案的光纤光栅解调仪，采用基于可调谐F-P滤波器的可扫描窄带光源和基于F-P标准具的波长校准的解调原理。光纤光栅解调仪器主要由可扫描窄带光源、波长校准、数据采集与扫描控制几个模块和一些光学辅助器件组成。光纤光栅解调仪可以解算出光纤光栅类传感器的波长信息，是对光纤光栅类传感器的一种通用型解算设备。4.2产品组成和原理框图光纤光栅解调仪用于对光纤光栅类传感器的解调。它主要由可扫描窄带光源、波长校准、光电转换、数据采集等几部分组成。4.2.1产品组成光纤光栅解调仪组成如表1所示。表1光纤光栅解调仪组成光纤光栅解调仪名称组成可扫描窄带光源ASE光源可调谐F-P滤波器相应控制电路波长校准F-P标准具相应算法光电转换器光电转换器相应调理电路数据采集NI6361数据采集卡其它器件光隔离器可调光衰减器光耦合器光分路器4.2.2原理框图在本解调系统中，宽带光源发出的光进入可调谐F-P滤波器，在锯齿波扫描电压的作用下，不同波长的光信号周期性地通过F-P滤波器，然后经耦合器分成两个支路。其中一路约90%的光经耦合器入射到传感光栅阵列中，阵列中所有光栅的布拉格反射波长必须全部在F-P滤波器的扫描范围内，并且每个光栅的反射波长都不相同，以避免信号串扰；另一路约10%的光则经耦合器入射到F-P标准具中，该支路用来对可调谐F-P滤波器进行校准，以消除可调谐F-P滤波器腔长漂移对测量精度造成的影响。在传感光栅通道中，当F-P滤波器的扫描波长与光纤光栅的反射波长一致时，光电检测器探测到的光能量最大。此时，采集光电检测器输出的电信号，当电信号最大时，记录相应的锯齿波电压，然后根据锯齿波电压与波长的关系可以得到反射波长的值，从而达到传感信号解调的目的。FFP-TFNI6361F-PEtalonComputer(LabView)MagnifyandfilterDrivingvoltageCouplesPotoelectricconversionOpticalTappingElementChannel1Channel2Channel3Channeln…123n………OpticallineElectrilineOpticalattenuatorASELightSouce90%10%图2光纤光栅解调仪原理图4.3硬件设计4.3.1可调谐窄带光源在光纤光栅传感解调系统中，光源的性能决定了整个系统内光信号的强度和其他重要参量，而且对系统的成本影响非常大，甚至在相当程度上决定了系统的成本和性能。由于光纤光栅的中心波长是整个传感系统中的待测变量，这就要求光源的光谱范围要足够宽，能够包含尽可能多的传感器