光纤光栅解调仪设计方案报告

目录

1 概述............................................................................................................................................ 3

2 产品功能和用途 ........................................................................................................................ 4

3 技术要求 .................................................................................................................................... 4

4 技术方案 .................................................................................................................................... 5

4.1 方案概述 ................................................................................................................................. 5

4.2 产品组成和原理框图 ............................................................................................................. 5

4.2.1 产品组成 .............................................................................................................................. 5

4.2.2 原理框图 .............................................................................................................................. 5

4.3 硬件设计 ................................................................................................................................. 6

4.3.1 可调谐窄带光源 .................................................................................................................. 6

4.3.2 波长校准 ............................................................................................................................ 13

4.3.3 光电探测器模块 ................................................................................................................ 16

4.3.4 数据采集与控制模块 ........................................................................................................ 18

4.3.5 其它光学器件 .................................................................................................................... 20

4.4 新技术、新材料、新工艺采用情况 ................................................................................... 23

5 关键技术的解决途径 .............................................................................................................. 23

5.1 波形同步循环 ....................................................................................................................... 23

5.2 信号处理 ............................................................................................................................... 24

5.3 增加系统光功率 ................................................................................................................... 26

6 可行性分析 .............................................................................................................................. 26

1 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：1530~1560nm

b) 通道数：8通道

c) 扫描频率：20Hz

d) 精度：10pm

e) 分辨率：2pm f) 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