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
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。
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。
光纤光栅解调仪设计方案报告
1
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。
图1光纤光栅解调仪在结构健康监测系统中的应用
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。
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
图3可调谐窄带光源原理
可调谐F-P腔控制模块产生周期性的锯齿波电压，该电压加在可调谐F-P滤波器上，可调谐F-P滤波器的腔长随着锯齿波电压周期性的变化，可调谐F-P滤波器的不同腔长对应着不同的波长值。因此ASE光源发出的宽带光中只有波长与可调谐F-P滤波器腔长匹配的光能通过可调谐F-P滤波器，且在每一个时刻只能有一个确定波长值的能经过可调谐F-P滤波器。
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。
3
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
4.1
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。
图2光纤光栅解调仪原理图
4.3
4.3.1
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的波长及其变化范围，还要求光源的输出功率强，性能稳定，这样才能满足分布式传感网络中多点测量的要求。因此方案中所用的光源必须功率大、波段宽。常用的宽带光源光谱范围宽，但所测光纤光栅的光谱在整个光谱中所占的范围小，经滤波后光电探测器探得的光功率信号较微弱，容易湮没在系统噪声和回光反射中，导致信号缺失，系统信噪比因此降低。本方案采用可调谐窄带光源，由放大自发辐射光源（ASE）和可调谐F-P滤波器组合而成。原理如图3所示。
4.2
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
光纤光栅解调Βιβλιοθήκη 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
2
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。
4.3.1.1
光源是构成解调仪的一个极为重要的元器件，光源和可调谐F-P滤波器共同构成解调仪的可扫描激光光源。光源的功率对后续信号的功率的大小有着重要的作用，其性能决定了解调仪的寿命。
光源特性对光纤系统性能有着重要的影响。针对已经确定的可调F-P滤波器参数，选择系统的光源主要从以下几个基本方面考虑：