光纤布拉格光栅传感分析仪

 　　0 引言

　　光纤光栅传感网络分析仪作为一种新型的传感器，广泛用于测量温度[1]、应变[2]、压力[3]、位移[4]、振动[5]等对象，在航空航天、大坝桥梁、舰船车辆、隧道建筑、电磁干扰、灾害监测、智能材料等工程技术领域中具有重大的实用价值和广阔的应用前景。基于波长调制解调原理的光纤布拉格光栅( FiberBragg Grating，FBG) 传感器阵列，可以采用分布式网络，根据光栅中心波长漂移，对目标进行多方位信号测量和状态分析，从而能够实现对被测对象的在线监测以及故障诊断的功能。此外，FBG 传感器可按需要布设、精度高、响应快、传输距离远、安装方便、耐恶劣环境、抗电磁干扰能力强、可靠性高等特点，具有明显的技术优势。

　　目前，随着光纤传感技术的发展与进步，基于 FBG 原理的光纤光栅传感系统脱颖而出，受到广大用户的青睐，尤其在电力系统、交通运输、石油化工和工业安防等领域。文献[6]介绍了一种新颖的基于长周期与倾斜光纤布拉格光栅混合结构的高灵敏度应变传感器。文献[7]报道了一种基于光纤布拉格光栅与碳化纤维外壳复合结构的压力传感器。文献[8]叙述了利用单一光纤布拉格光栅分别测量应变和温度的新技术。文献[9 -10]报到了光纤布拉格光栅在温度、加速度测量中的应用。文中提出了一种基于 FPGA + DSP 硬件平台，通过数据采集、信号波峰自动检测、高斯曲线拟合、加权波长计算等措施来解调波长的设计方案，并经过实验验证，系统具有线性度好、精度高、速度快等优点。

　　1 FBG 传感原理

　　图 1 给出了光纤传感系统的原理结构图。高稳定宽带光源发出的光谱通过锯齿波驱动的可调谐滤波器( FFP) 之后，首先在耦合器的作用下，对标准光栅和测量光栅进行扫描，然后利用光电探测器来捕捉反射的光信号，经过光电转换和模拟信号调理电路，转换为合适的电压或电流形式的电信号。其中 1路为参考信号，其余为被测信号，数据采集处理电路主要完成18 路传感信号的数据同步采集( 其中 1 路为参考信号，另外 16路为测量信号，空余 1 路作为可靠性通道备份) ，将 16 路测量信号与参考信号进行分析与比较，最后将获取 16 路测量信号中包含的各传感器的实际测量值。

　　滤波器在1 525 ～1 565 nm 波长范围内开始扫描时，由于滤波器的扫描速度恒定为 42 nm/50 ms，而且数据采集模块的所有通道都是等间隔同步采集，所以，只需要知道测量通道内各传感器反射波峰相对于参考通道内传感器反射峰的扫描时间间隔，就可以算出各传感器相对于参考通道内某个传感器的时间差，然后根据滤波器的扫描速度( 波长/时间) 来求取各传感器相对于参考通道内该传感器的波长值偏移量。此外，由于该参考传感器的波长值是已知量，最终获得所有传感器的波长测量值。