[发明专利]一种具有实时参考的光纤光栅解调系统

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅传感领域，涉及一种光纤光栅传感的波长解调系统，具体涉及一种具有实时参考的光纤光栅解调系统。

背景技术

随着光纤光栅制备技术的成熟，光纤光栅开始逐渐运用于传感领域。相对于传统的电气传感器，光纤光栅具有波长编码、绝对参考、抗电磁干扰能力强、化学性质稳定、体积小、重量轻、制作方便、易规模化低成本生产、易于复用等诸多特点。它在大型结构件的重要物理量（如：应变、温度、压力、加速度等）的准分布式测量和大型民用工程的结构健康监测方面都具有显著的优势。因此，近年来光纤光栅传感器一直备受包括测试测量、故障检测、结构健康监测等诸多领域的学者和工程技术人员的关注。

光纤光栅传感器采用的是波长编码，它将被测量的改变反映为输出光谱的布拉格波长（中心波长）的漂移。因此，对各个波长段的光强进行测量然后据此确定各个布拉格波长是实现光纤光栅精确测量的必不可少的环节，这就是光纤光栅的解调。光纤光栅解调系统是光纤光栅传感系统中的一个关键设备，当前光纤光栅解调系统常采用基于Fabry-Perot可调谐滤波器的解调方法。其原理如下：宽带光源经光纤光栅的作用后，会反射回具有特定中心波长的全光谱信号。随后该全光谱信号会经过Fabry-Perot可调谐滤波器，它会将透过波长以外的光滤除以输出某一特定波长段的光强值，若再对滤波器进行调谐即可分时输出各个波长段的光强值，对这些光强进行分析即可得到中心波长。

在原始的光纤光栅解调系统中，可调谐Fabry-Perot滤波器两端的压电晶体存在迟滞蠕动与非线性等误差。迟滞现象导致压电晶体在驱动电压下降到初始值时伸缩长度不能回到初始的长度上，这样导致在每个驱动周期中在相同的电压下压电晶体的伸缩量不同、滤波波长不同。而压电晶体的两端电压与伸缩长度之间的关系式非线性的导致了布拉格波长的相对位置与实际波长之间的关系的非线性。这些现象会导致整个系统出现时间漂移和温度漂移，从而使解调精度发生劣化。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明公开了一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，该系统在基于Fabry-Perot可调谐滤波器的解调方法构造的测量光路旁并联了一参考光路，通过参考光路的测量值可实时校准测量光路的测得结果，以提高解调的精度。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

包括光路环节、电路环节以及上位机，所述光路环节包括Fabry-Perot可调谐滤波器，Fabry-Perot可调谐滤波器的输出端设置有第一耦合器，第一耦合器将Fabry-Perot可调谐滤波器输出的光源分为两路，一路光源输入光纤光栅，另一路光源通过光纤隔离器后输入标准具，标准具为固定腔长的Fabry-Perot腔，电路环节包括信号采集环节，信号采集环节包括两路采集通道，一路采集通道设置于光纤光栅的反射光路或透射光路上，另一路采集通道设置于标准具的输出端，信号采集环节与上位机相连。

所述光路环节还包括宽带光源，宽带光源设置于Fabry-Perot可调谐滤波器的输入端。

所述光路环节还包括第二耦合器，第二耦合器设置于第一耦合器的输出端与光纤光栅之间。

所述电路环节还包括锯齿波发生环节，锯齿波发生环节与Fabry-Perot可调谐滤波器相连。

所述信号采集环节还包括多路选择器、A/D转换器以及DSP处理器，DSP处理器与上位机相连，A/D转换器分别与多路选择器以及DSP处理器相连，每路采集通道包括依次连接的光电管、放大调理电路以及采样保持器，采样保持器与多路选择器相连。

所述上位机中设置有软件程序，软件程序包括两路并行的信号处理流程，一路信号处理流程对由标准具输出的信号采用高斯拟合法确定布拉格波长出现时的驱动电压，然后利用多项式拟合得到驱动电压与透过波长的实时函数关系；另一路信号处理流程对由光纤光栅反射的信号采用高斯拟合法确定布拉格波长出现时的驱动电压，然后利用得到的实时函数关系对光纤光栅进行实时的解调。

针对原始的光纤光栅解调系统的缺陷或不足，即存在由Fabry-Perot可调谐滤波器两端的压电晶体的迟滞和蠕动导致的性能漂移，故而解调精度发生劣化，本发明提出一种具有实时参考的光纤光栅解调系统，它利用内部具有长周期的稳定的Fabry-Perot腔作为标准具，采用多项式拟合的方式得到整个系统驱动电压与透过波长之间的实时的函数关系，通过这个函数关系可以对测量光路的结果进行实时的解调，最终克服了时漂与温漂所导致的精度劣化问题。