吳小蓉，顧金良，王康，夏言（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實驗室，南京210094）

基于耦合器的FBG應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)

吳小蓉，顧金良，王康，夏言
（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實驗室，南京210094）

摘要：為了能簡單精確地解調(diào)出光纖布喇格光柵（FBG）應(yīng)變傳感信號，提出一種基于耦合器的應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的解調(diào)原理和算法，描述了系統(tǒng)的標(biāo)定過程，并通過實驗驗證了系統(tǒng)的解調(diào)性能。

關(guān)鍵詞：光纖布喇格光柵；耦合器；相位解調(diào)；應(yīng)變測試

0　引言

光纖布喇格光柵（FBG）作為一種無源器件，不僅能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下進(jìn)行測試，而且還具有靈敏度高、尺寸小、耐腐蝕和易于組成傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多點(diǎn)測量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域[1～4]。FBG能實現(xiàn)包括應(yīng)變、溫度和壓力等多種物理量測量，其原理在于這些物理量的變化能使其中心波長發(fā)生偏移，因此，如何解調(diào)FBG傳感信號成為測量中需要解決的關(guān)鍵問題[5]。1992年，Kersey A D等人首先提出了非平衡馬赫-增德爾（M-Z）干涉解調(diào)法，他們將壓電陶瓷（PZT）加載到兩個2×2耦合器的其中一個參考臂上，構(gòu)成了非平衡M-Z干涉儀，實現(xiàn)了FBG傳感的解調(diào)[6]。2007年，李麗等人對非平衡M-Z干涉解調(diào)法的解調(diào)電路做了改進(jìn)，運(yùn)用相位載波零差解調(diào)算法（PGC）實現(xiàn)了高頻振動信號的解調(diào)[7]。2014年，王景芳等人對PGC解調(diào)算法進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果顯示該算法對大于100Hz的傳感信號有較好的解調(diào)效果[8]。目前，研究者們廣泛采用兩個2×2耦合器來構(gòu)成非平衡M-Z干涉儀，但該方法需要引入相移補(bǔ)償反饋系統(tǒng)驅(qū)動PZT電路來抵消直流零點(diǎn)的漂移，而且后續(xù)的解調(diào)算法電路比較復(fù)雜，增加了解調(diào)難度。為解決以上問題，本文運(yùn)用2×2和3×3耦合器構(gòu)成非平衡M-Z干涉儀，并采用LabVIEW編寫相位解調(diào)軟件來實現(xiàn)FBG應(yīng)變傳感信號的解調(diào)。

1　系統(tǒng)解調(diào)方案

圖1　系統(tǒng)解調(diào)方案

本文設(shè)計的解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示，從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器后被送入2×2耦合器，2×2耦合器輸出的光通過連接器耦合到FBG中，F(xiàn)BG粘貼在被測物體上，F(xiàn)BG感受到的應(yīng)變與被測物體產(chǎn)生的應(yīng)變保持一致。根據(jù)FBG傳感原理，產(chǎn)生的應(yīng)變使FBG中心波長發(fā)生偏移，偏移量與應(yīng)變量成線性關(guān)系。FBG反射寬帶光源中與其匹配的波長，反射波長通過2×2耦合器后輸出到由2×2和3×3耦合器構(gòu)成的非平衡M-Z干涉儀中。非平衡M-Z干涉儀將FBG中心波長的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔蛔兓?，利用光電轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理電路將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺⑼ㄟ^數(shù)據(jù)采集卡將其傳送至上位機(jī)。在上位機(jī)中，通過虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW編寫的解調(diào)軟件對采集到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲和結(jié)果顯示，并通過系數(shù)標(biāo)定將相位變化還原為應(yīng)變變化，從而實現(xiàn)FBG應(yīng)變的解調(diào)。

2　系統(tǒng)解調(diào)原理

2.1非平衡M-Z干涉儀解調(diào)原理

對于本文設(shè)計的非平衡M-Z干涉儀，耦合器之間兩臂的相位差為：

其中，n為光纖纖芯折射率，l為非平衡M-Z干涉儀的光程差，λB為FBG的中心波長。在無PZT驅(qū)動的非平衡M-Z干涉儀中時，相位變化僅由λB的變化引起。對λB進(jìn)行微分，根據(jù)FBG傳感原理，可以將式（1）改寫為：

其中，kε為FBG應(yīng)變傳感系數(shù)。由于kε為常數(shù),因此，解調(diào)出的相位與應(yīng)變成線性關(guān)系，線性系數(shù)通過標(biāo)定獲得，相位變化通過解調(diào)算法獲得。

2.2解調(diào)算法

假設(shè)非平衡M-Z干涉儀中的兩個耦合器具有理想對稱特性，即耦合器每個輸出端的光強(qiáng)相等，反射光在非平衡M-Z干涉儀中完成干涉，從3×3耦合器的3個輸出端輸出，輸出端之間的相位差為120°，則這3個輸出端的光強(qiáng)In為：

其中，Id為光強(qiáng)的直流分量，Ia為光強(qiáng)的交流分量。對式（3）進(jìn)行變形運(yùn)算消除其中的直流分量和交流分量,得到干涉場的相位為：

本文采用LabVIEW2010軟件根據(jù)式（4）編寫相位解調(diào)程序，獲得相位變化量。具體解調(diào)過程為：①調(diào)用采集到的3組電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波去噪處理；②利用式（4）解算出相位大小。③解調(diào)后的相位總是在±90°范圍內(nèi)周期性變化，因為計算機(jī)總是返回這個區(qū)間的值，反三角函數(shù)存在多值性，所以需要對解調(diào)出的相位進(jìn)行相位解包處理,得到實際的相位值。

3　系統(tǒng)標(biāo)定與解調(diào)實驗

3.1系統(tǒng)標(biāo)定

相位解調(diào)得到的是相位值，它與FBG感受到的應(yīng)變成線性關(guān)系,線性系數(shù)需要通過標(biāo)定獲得，標(biāo)定的具體方法為：將FBG粘貼在陶瓷制動器上，使用驅(qū)動電源在陶瓷制動器上加載不同的階躍電壓，陶瓷制動器逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，而驅(qū)動電源所加的電壓與陶瓷制動器的拉伸應(yīng)變關(guān)系由生產(chǎn)廠家在恒溫恒壓恒濕的條件下標(biāo)定。通過解調(diào)的相位和對應(yīng)的應(yīng)變可以獲得線性系數(shù)，標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

我們采用Matlab軟件對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，擬合曲線如圖2所示。通過計算擬合曲線的斜率可以得到標(biāo)定的線性系數(shù)為6.51με/°。

表1　通道1標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖2　擬合曲線

3.2解調(diào)實驗

為驗證本系統(tǒng)的解調(diào)性能，我們進(jìn)行了解調(diào)實驗，使用陶瓷制動器產(chǎn)生振動應(yīng)變源，驅(qū)動電源除了可以輸出階躍信號外還可以輸出交變的動態(tài)信號。實驗首先通過驅(qū)動電源給陶瓷制動器輸入一個幅值為120V，頻率為200Hz的方波信號，陶瓷制動器發(fā)生振動致使粘貼在其表面的FBG波長發(fā)生變化，反射光在非平衡M-Z干涉儀中完成干涉，干涉信號從3×3耦合器的輸出端輸出，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理放大后被數(shù)據(jù)采集卡采集，采集到的電壓信號如圖3所示。

圖3　200Hz方波電壓信號

圖4　200Hz方波解調(diào)信號

采集到的3路電壓信號被解調(diào)算法處理軟件調(diào)用，經(jīng)過數(shù)字濾波、相位解調(diào)和相位解包等算法處理后得到與應(yīng)變量成線性關(guān)系的相位信息，如圖4所示。從相位變化可以看出，所加的方波信號被無失真的解調(diào)出來，相位變化的最大值為180.94°，通過標(biāo)定的線性系數(shù)可得此時產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?177.92。

驅(qū)動電源輸出信號的頻率越大，輸出信號點(diǎn)數(shù)越小，即驅(qū)動電源輸出信號頻率越高，信號的失真度就越大。本次實驗采用的驅(qū)動電源最大輸出信號頻率為2kHz,為了驗證解調(diào)系統(tǒng)對施加在FBG的更高頻率的振動信號也有解調(diào)能力，我們又給陶瓷制動器施加了幅值為120V,頻率分別為500Hz、1kHz和1.5kHz的方波信號，解調(diào)波形分別如圖5、圖6和圖7所示。1kHz 和1.5kHz的方波信號解調(diào)存在一定失真，這是由于驅(qū)動電源輸出較大頻率信號時本身存在一定的失真度，造成了后續(xù)解調(diào)波形的失真。但是，解調(diào)信號的頻率與驅(qū)動電源輸出信號的頻率保持一致，且最大相位變化量也基本保持一致，即在相同的電壓下，F(xiàn)BG感受到的應(yīng)變與被測物保持一致。這表明本解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)較高頻率的動態(tài)應(yīng)變也能取得較好的解調(diào)效果。

圖5　500Hz方波解調(diào)信號

圖6　1kHz方波解調(diào)信號

圖7　1.5kHz方波解調(diào)信號

4　結(jié)束語

本文運(yùn)用耦合器和虛擬儀器平臺LabVIEW組建了FBG應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)，通過Matlab軟件進(jìn)行二項式擬合標(biāo)定出解調(diào)系統(tǒng)的線性系數(shù)。我們采用陶瓷制動器產(chǎn)生了500Hz、1kHz和1.5kHz的動態(tài)應(yīng)變信號，依次施加在解調(diào)儀上進(jìn)行解調(diào)實驗。實驗結(jié)果表明，對于不同頻率的應(yīng)變信號，本文設(shè)計的解調(diào)儀都有良好的解調(diào)效果。本文的研究成果為今后采用FBG進(jìn)行應(yīng)變測試奠定了基礎(chǔ)。

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FBG strain demodulation system based on the coupler

WUXiao-rong，GUJin-liang，WANGKang，XIAYan
(National Key Laboratory of Transient Physics, NUST, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to demodulate the strain sensing signal of fiber Bragg grating (FBG) simply and precisely, the paper proposes a strain demodulation system based on the coupler. Introduces the principle and algorithm of the system, describes the calibration process of the system, and verifies the demodulating performance of the system by experiment.

Key words:fiber Bragg grating(FBG), coupler, phase demodulation, strain measurement

中圖分類號：TP216

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）01-0019-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.006

收稿日期：2015-09-07。

基金項目：國防重點(diǎn)實驗室項目（9140C300502130C30001）資助。

作者簡介：吳小蓉，女（1991-），碩士研究生，主要研究方向為傳感技術(shù)與應(yīng)用。