郭振武，劉鐵根，李維祥

（1．天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072;2．南開大學(xué)濱海學(xué)院，天津 300270）

0 引言

光纖Bragg光柵（FBG）傳感器具有結(jié)構(gòu)小巧、不受電磁干擾、靈敏度高、易于實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點，而且它采用波長調(diào)制，其特點是不受光源功率穩(wěn)定性的影響，已廣泛應(yīng)用于工程實際［1，2］。但FBG傳感器卻存在波長解調(diào)的困難，目前，研究者提出了邊緣濾波法［3］、可調(diào)諧FP腔濾波器法［4］、可調(diào)諧掃描激光法［5］、參考光柵匹配法［6］等各種解調(diào)方法。在這些解調(diào)方法中，邊緣濾波法為強度解調(diào)方法，失去了光纖光柵波長調(diào)制的優(yōu)點;可調(diào)諧FP濾波器法和可調(diào)諧掃描激光法掃描范圍寬，可同時解調(diào)多個傳感器，但是其價格較高。參考光柵匹配法因其性價比高，被認(rèn)為具有較好的應(yīng)用前景。本文中設(shè)計了一種以壓電陶瓷疊堆和參考光纖光柵作為調(diào)諧濾波器的解調(diào)裝置，通過U型金屬支架結(jié)構(gòu)擴(kuò)展其掃描范圍，為了防止單側(cè)拉伸光纖光柵導(dǎo)致的PZT疊堆的彎曲形變，在U型金屬支架兩側(cè)分別粘貼光柵，并施以相同的預(yù)應(yīng)力，從而保證了解調(diào)的線性度，作為解調(diào)系統(tǒng)的參考光柵，應(yīng)放置于恒溫裝置中以保持中心波長恒定。本解調(diào)裝置具有解調(diào)速度快、性價比高、可方便擴(kuò)展等優(yōu)點。

1 光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計

1．1 系統(tǒng)組成

利用動態(tài)掃描、匹配光柵濾波法解調(diào)FBG傳感器波長信號的實驗系統(tǒng)如圖1，該系統(tǒng)可用來測量溫度和壓強，以及解調(diào)其它類型的光纖光柵傳感器。寬帶光源（BBS）發(fā)出的光經(jīng)耦合器（C1）送至FBG傳感器，傳感器反射的波長信號，再經(jīng)過粘貼于PZT疊堆上的參考光柵反射后，到達(dá)探測器（PD）。給PZT疊堆一定的電壓驅(qū)動，PZT的形變帶動參考光柵伸縮，當(dāng)參考光柵和傳感光柵中心反射波長匹配時，光電探測器探測到的光強信號強度達(dá)到最大。在周期性鋸齒波電壓驅(qū)動下，探測到的電壓波形周期性地出現(xiàn)。當(dāng)外界被測量變化后，傳感光柵的中心波長移動，經(jīng)解調(diào)后的電壓信號的波峰也隨之移動，其位置對應(yīng)于掃描鋸齒波的電壓的大小，由此可得到當(dāng)前被測量的值。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖Fig 1 Diagram of measurement

1．2 應(yīng)變放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理

PZT疊堆在最大電壓時應(yīng)變達(dá)到約1 000×10－6，這與光纖光柵本身的應(yīng)變系數(shù)相當(dāng)，因此，如果直接把FBG粘貼于PZT上，則FBG的最大應(yīng)變也只有1 000×10－6左右，而這個應(yīng)變值只能使FBG的中心波長移動1 nm左右［7～9］，不能覆蓋傳感FBG的變化范圍。因此，設(shè)計了應(yīng)變放大機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變放大機(jī)構(gòu)Fig 2 Strain magnifing mechanism

2個U型金屬帽分別套裝于PZT兩端，F(xiàn)BG位于兩金屬帽的空隙內(nèi)，當(dāng)PZT產(chǎn)生伸縮動作時，帶動兩金屬帽向相反的方向移動，由于PZT的端面與金屬帽粘貼在一起，則PZT產(chǎn)生的總伸縮量都反映在中間空隙部分，也就是說FBG的形變量就等于PZT的總伸縮量，這樣擴(kuò)大了FBG的掃描范圍。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)BG的掃描范圍擴(kuò)大了約3倍。

所采用的PZT疊堆為長為36 mm的立方體，其截面僅為5 mm×5 mm，其承載力要求垂直于其橫截面，因此，為了對PZT施于平衡拉力，分別在金屬帽兩側(cè)對稱位置放置2根光纖光柵，并對2個光柵施加相同的預(yù)應(yīng)力，這樣PZT不論是在靜止?fàn)顟B(tài)，還是在掃描狀態(tài)，其受力均是對稱的，根本上消除了PZT產(chǎn)生彎曲形變的可能，也就增強了它的掃描線性。而且，該結(jié)構(gòu)可以同時解調(diào)兩路FBG傳感器，通過光開關(guān)（OS）切換實現(xiàn)復(fù)用（見圖1）。

1．3 波長解調(diào)原理

光纖光柵反射譜可以近似表示為高斯型分布［10］，設(shè)傳感光柵在某一參量下的中心波長為 λs，其半強度帶寬為Δλs，則其反射譜為

其中，R1為傳感光柵的峰值反射率。

掃描參考光柵的中心波長λr隨著掃描電壓的改變而變化，設(shè)其帶寬為Δλr，則其反射譜為

其中，R2為參考光柵的峰值反射率。

系統(tǒng)所使用光源為放大自發(fā)輻射光源（amplified spontaneous emission，ASE）光源，在參考光柵的掃描范圍內(nèi)，光強可看成恒定值I0，將耦合器看成是理想的3 dB耦合器，忽略其他損耗，則在探測器端的光強為［11］

由式（3）可見，在參考光柵的掃描過程中，探測到的光強信號仍然是高斯分布。光強隨參考光柵與傳感光柵的中心波長差變化的曲線如圖3所示。

圖3 輸出信號的波形Fig 3 Waveform of the output signal

由圖3可見，由參考光柵反射輸出的光信號，其光譜仍為高斯分布，當(dāng)參考光柵的中心波長等于傳感光柵的中心波長時，λr=λs，光強達(dá)到最大。通過對該信號進(jìn)行高斯擬合，可以得到波形的位置和幅度參數(shù)，這2個參數(shù)分別對應(yīng)于鋸齒波的瞬間電壓和光強最大值點，得到當(dāng)前參考光柵的λr，這就是傳感光柵的中心波長λs，從而實現(xiàn)波長解調(diào)。

2 實驗與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)傳感光柵的波長值，選取2個參考光柵，封裝后的參考光柵的中心波長應(yīng)小于傳感光柵，以其中之一為例，初始中心波長為1538．87 nm，帶寬0．13 nm，光纖光柵有效長度約為10mm。對兩光柵施以相同應(yīng)力后，該光柵的中心波長移到1539．20 nm，按圖2方式粘貼光柵，兩金屬帽之間的間距為12 mm，完全容納整個光柵，則總長36 mm的PZT的伸長量完全作用于12 mm的光纖上。

封裝后的參考光柵的波長與加在PZT上的電壓的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 PZT電壓與參考光柵波長的關(guān)系曲線Fig 4 Relation curve of wavelength of the reference grating vs the voltage of the PZT stack

由圖4可見，PZT的位移有遲滯效應(yīng)，由于測試速度較慢，圖中的遲滯效應(yīng)不是很明顯。當(dāng)驅(qū)動鋸齒波的頻率確定之后，可以根據(jù)實際波形進(jìn)行曲線擬合來補償由于PZT的遲滯效應(yīng)帶來的誤差。在0～200V電壓驅(qū)動PZT的情況下，光柵的中心波長移動掃描了3．8 nm，在這個范圍內(nèi)可根據(jù)實際情況分布2～3只光柵傳感器。

用該系統(tǒng)測試光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器，測試曲線如圖5和圖6。

圖5 光纖光柵溫度傳感器測試曲線Fig 5 Measurement curve of the fiber grating temperature sensor

圖6 測試光纖光柵壓力傳感器曲線Fig 6 Measurement curve of the fiber grating pressure sensor

采用最小二乘法的方法來對測量點進(jìn)行線性擬合，對于圖5所示的溫度傳感器，擬合的方程為y=0．009 822x+1540，系統(tǒng)的線性擬合度達(dá)到了0．999以上，溫度測試靈敏度為9．825 pm/℃。對于圖6所示的壓力傳感器，擬合的方程為y=－0．001763x+1542，線性擬合度達(dá)到了0．999以上，壓強測試靈敏度為1．755 pm/kPa。

3 結(jié)論

提出并實驗驗證了一種擴(kuò)展匹配光柵調(diào)諧范圍的波長解調(diào)方法，該方法利用2個U型金屬帽分別套接在壓電陶瓷疊堆的兩端，比傳統(tǒng)的直接粘貼方式擴(kuò)展了調(diào)諧范圍，在本系中統(tǒng)調(diào)諧范圍擴(kuò)展了3倍;采用2根光纖光柵并施以相同的預(yù)應(yīng)力，使壓電陶瓷平衡受力，同時可以實現(xiàn)兩路信號的解調(diào)。在0～60℃溫度范圍內(nèi)和0～1200kPa的壓強范圍內(nèi)，分別對溫度傳感器和壓力傳感器進(jìn)行了解調(diào)測試，實驗測量結(jié)果與傳感器特性一致。在利用匹配光柵濾波方法動態(tài)解調(diào)光纖光柵傳感器的波長信號時，所提出的解決方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，適合于實際應(yīng)用。

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