基于单片机的光纤光栅解调仪

1 引 言

    光纤光栅的传感器以其可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀、能在复杂的化学环境下工作等特点，有着广阔的发展前景，近年来使用光纤光栅的传感器对桥梁、大坝等大型建筑结构进行健康监测成为一个非常活跃的研究领域。目前，光纤光栅的解调方法有许多种，但是能够实际应用的解调产品并不多，而且许多产品价格昂贵，因此研究开发适用于实际工程应用的解调系统，且降低其成本，使得光纤光栅的传感器在实际工程中的产业化成为关键因素。

    该文提出的基于单片机的光纤光栅解调系统,即利用目前应用广泛、价格比较便宜的单片机作为信号采集和处理的 MCU，为了解决单片机运行速度相对较慢的问题，系统采用双 CPU 协同完成信号采集和与上位机通讯等多项任务。

2 光栅解调系统原理

    为了实现光纤传感技术的实用化与产业化，提出了很多种解调方法，主要有三大类，即滤波法、干涉法和可调光源扫描法，下面利用可调光纤F-P 滤波器来实现单通道 FBG 传感系统解调方法予以阐述^[1]，解调原理如图 1 所示。宽带光源（SLED－Super LED）发出的光通过一根光纤经3dB的耦合器进入多个不同反射波长的传感光栅 FBG，满足布拉格条件的光被反射后，再经 3dB 的耦合器进入可调光纤 F-P 滤波器（常用的有美国 MICRON公司产的 Fiber Fabry-Perot Tunable Filters 和武汉理工大学光纤中心自己研发的波长选择器），通过在 F-P 腔的压电体（PZT）上施加三角形的扫描电压调节其腔间隔，当 F-P 的透射波峰与 FBG 的反射波峰重合时，F-P 滤波器的透射光强最大，不同的扫描电压对应的透射光的中心波长不同，这样就使多个 FBG 在同一时刻反射回来的不同中心波长的光脉冲信号在同一扫描周期的不同时刻通过F－P 腔，再经过光电转换、放大、滤波等调理电路(有时还把电脉冲整形），把光脉冲转化为时序电脉冲信号，单片机采集数据后送入计算机进行信号处理，最终解调出被测信号^[2]。

3 光栅解调系统的定型

    方案的设计目标是要研究开发适于实际工程应用的解调系统，降低解调系统的成本，使光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广，因此价格是必须考虑的因素。现阶段可用的可调光纤 F-P滤波器通常有两种，美国 MICRON 公司生产的Fiber Fabry-Perot Tunable Filters 和武汉理工大学光纤中心研发的波长选择器，虽然国外的产品在速度和测量范围有一定的优势，但是国产的波长选择器在满足同等功能的条件下价格上有极大的优势，因此选择武汉理工大学光纤中心研发的波长选择器作为可调光纤 F-P 滤波器。