基于Labview的光纤光栅波长解调系统

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基于光纤光栅边沿解调精密光电检测系统设计　

厦门大学光波技术研究所彭妍　

【摘要】高精度光电检测系统是测量光纤光栅传感器信号的重要辅助设备，特别是在较微弱光纤光栅传感信号的检测中有着重要的应用。本文基于光纤光栅中心波长边　

沿解调原理和传感信号特性，介绍一种精密光电检测系统的设计。文中分析了影响微弱光电信号检测精度的多种原因，并通过对器件的参数分析与选型、差模信号提取　

与放大和噪声的有效滤除等方式来实现对微弱信号的高精度检测。　

【关键词】光纤光栅；边沿解调；光电检测；微弱信号；噪声滤除　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　

ｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｅｄｇｅ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　

ＰｅｎｇＹａｎ　

（Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＸａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ，３６１００５）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａ　ｑｕｉｔｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｉｇｎａｌ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　

ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｅｄｇｅ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　

ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄｔＯｔａｋｅｔｈｅｍｅａｓｌｅｓ　ｏｆ　ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｄｅｖｉｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｆｉｌｔｅｒｉｎｇｈａｒｍｆｕｌｎｏｉｓｅ　ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇｕｓｅｆｕｌｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ　

・１６・　新技术新仪器　２０１１年第３１卷第４期　

基于衍射光栅的光纤光栅传感器解调系统研究　

冯忠伟，张力，何彦璋，申雅峰　

（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京１０００９５）　

摘要：研究并实现了一种基于双衍射光栅的光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）传感器解调系统。该解调系统的光　路由准直镜、衍射光栅、柱面反射镜和光电探测器等器件组成。通过准直镜后不同波长的平行光束经过衍射光　栅后在空间展开，通过柱面反射镜聚焦在光电探测器成像面上。该光路通过采用两块衍射光栅的方法在减小解　调系统尺寸的同时提高光学空间分辨力，采用线阵探测器替代扫描机构从而简化系统结构。从理论上分析了光　束经过该系统后的空间光强分布，根据光强的高斯分布采用多项式拟合的方法实现了反射光谱峰值定位算法。　通过与高精度光谱仪的测量结果对比表明，该解调方法具有较高的波长解调精度和稳定性。　关键词：光学；光纤光栅；衍射光栅；解调；多项式拟合　中图分类号：ＴＮ２５３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７４—５７９５（２０１１）０４—００１６—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｇｒａｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＦＢＧ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　

ＦＥＮＧ　Ｚｈｏｎｇｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ，ＨＥ　Ｙａｎｚｈａｎｇ，ＳＨＥＮ　Ｙａｆｅｎｇ　（Ｃｈａｎｇｃｈｅｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ＆Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｏｕｂｌｅ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇｓ　ｆｏｒ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐａｔｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ　ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ，ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇｓ，ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｂｅａｍｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ　ａｒｅ　ｓｐｌｉｔ　ｓｐａｔｉａｌｌｙ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅｙ　ｐｅｎｅｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｐｌａｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ．Ａ　ｄｏｕｂｌｅ－ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｉｓ　ｌｉｍｉｔｅｄ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ａｒｒａｙ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｐｌｉｆｙ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ　ｗｈｅｎ　ｉｔ　ｇｏｅｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ　ｐｅａｋ　ｓｅａｒｃｈ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　ｆｉｔ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｇａｕｓｓ　ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ；ｆｉｂｅｒ　ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ；ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇ；ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　ｆｉｔｔｉｎｇ　

第２３卷第５期　２００８年１０月　光电技术应用　７　ｐ一臼Ｐ　己Ｃ　Ｙ　，（　７１，（　，　ＶｏＬ２３，Ｎｏ．５　Ｏｃｔｏｂｅｒ．２ｏ０８　文章编号：１６７３—１２５５（２００８）０５—００３６—０３　Ｌａｂ　ＶＩＥＷ实现光纤光栅传感干涉解调技术的研究　张颖，张春丽，夏秀君　（燕山大学测试计量技术与仪器河北省重点实验室，河北秦皇岛０６６０００）　摘要：结合虚拟仪器技术和光纤光栅传感技术，自行设计了一套光纤光栅传感解调系统．系统采用了基于迈克尔逊干涉技　术的解调方法，将包含被测应变信息的ＦＢＧ波长信号转变成相位信号，通过以Ｌａｂ　ＶＩＥＷ为核心的虚拟仪器系统检测相位的　变化，从而得到被测应变的大小．该干涉解调系统避开了传统解调系统受电磁干扰和环境等方面的影响，因此使得测量精度　有了很大的提高．虚拟仪器系统可用于静态应变和动态应变的检测，具有高分辨力、大测量范围的特点．　关键词：ＦＢＧ光纤光栅；迈克尔逊干涉解调技术；相位测量；Ｌａｂ　ＶＩＥｗ；频谱分析法　中图分类号：ＴＰ２１２．２　文献标识码：Ａ　、　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌａｂ　ＶＩＥＷ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｃｈｕｎ—ｌｉ，ＸＩＡ　Ｘｉｕ—ｊｕｎ　（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＫｅｙＬａｂ　ｏｆＨｅｂ￣＂Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｙａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｓｅｎｓｉｎｇ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ＯＩ＂１　Ｌａｂ　ＶＩＥＷ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈ—　ｎｉｑｕｅ　ｔｒａｎｓｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ＦＢＧ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｓｉｇｎａｌ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｉｎ　ｉｎｔｏ　ｐｈａｓｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ｐｈａｓｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌａｂ　ＶＩＥＷ．Ｔｈｉｓ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｖｏｉｄｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｏｎｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃ—　ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｒｅｍｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｉｄｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｒａｎｇｅ，ｔｈｉｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒａｉｎ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｔｒａｉｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ；Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｐｈａｓｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；Ｌａｂ　ＶＩＥＷ：Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　近年来，光纤光栅在传感技术方面的应用研究　取得了较大的发展　１　．光纤材料具有体积小、质量　轻、抗腐蚀、抗电磁干扰、易与其他建筑材料结合、适　合在潮湿和强电磁辐射等恶劣环境中长期有效工作　的优点＿３，　，因此光纤光栅在大型桥梁、建筑等诸多　领域得到了广泛的应用＿５’６　Ｊ．　光纤光栅传感技术的关键在于如何有效的解调　传感信号以及采用准分部式机构实现复用传感．解　调方法历来是研究的重点，它是解调传感信号和实　现复用技术的基础．目前提出的方法由干涉法和滤　波法两大类．本系统采用的是基于非平衡迈克尔逊　干涉原理的解调方法．它将来自传感光栅的包含应　变信息的波长信号转变为相位信号，再通过测量相　位的变化来确定待测应变的大小．该系统具有高分　辨率、大测量范围和体积小等优点．　虚拟仪器用于解调电信号有很大的优势，它作　为一种理想器件，抗干扰能力强，是试验装置不能比　拟的，也是物理不可实现的，因此提高了解调精度和　收稿日期：２００８—０９—２０　基金项目：河北省自然科学基金　作者简介：张颖（１９６３一），男，河北秦皇岛人，博士，教授，主要从事光纤光栅网络传感方面的研究；张春丽（１９８４一），女，硕士，主要从事光纤光　

武汉中地恒达科技有限公司企业标准ZDHD-QS-JS039-1.0-2020光纤光栅静态解调仪使用说明书2020-6-1实施本说明书由武汉中地恒达科技有限公司编制使用说明书

地址：武汉市武大航域二区A2栋305号网址：电话：027-86698900第1

页1.硬件设备说明1.1产品简介FBG-2000是武汉中地恒达科技有限公司研发设计的一款专用监测仪器，配套光纤光栅传感器使用。专用于桥梁、隧道、大坝、边坡等的工程结构在线监测。具有多种多功能、操作简单、接口方便，同时适合于用户进行二次开发。产品采用了先进的技术路线，采集出带宽范围内的海量光谱点，并根据运算规则计算出光谱中峰值的中心位置。同时结合了工程应用的需要。系统既提供高精度的波长分辨率，又满足工程环境长期稳定运行的要求。FBG-2000主机采用优化的数字逻辑进行电路运算处理，可以快速找到中心波长的位置。同时采用光学标准具进行校准，保证系统温度测量的准确性和稳定性。其主机设计包括的基本配置：扫描光源,光探测器，电路、软件处理、光路、电源等部分组成，系统最大化地集成了各个模块，使得各模块独立工作，又互相联系，保证了系统的良好的一致性，也方便了用户的使用维修。钢筋计适用于长期埋设在混凝土结构物内部，测量结构物内部的钢筋应力。1.2装箱清单光纤光栅解调仪主机x1铝合金包装箱x1电源线x1使用说明书

地址：武汉市武大航域二区A2栋305号网址：电话：027-86698900第2

页检测报告x1合格证x1使用说明书x11.3产品规格指标参数指标通道（用户选择）8/16/32波长范围1528nm-1568nm波长精度1pm动态范围50dB扫描速度（用户选择）1/100Hz光学接口类型FC/APC通信接口RJ45、USB*2、HDMI工作温度-5℃~45℃供电电源AC220V允许电压波动100V-240V功耗＜50W尺寸（宽/高/深）480×89×320（通用型）重量8KG（机器）3KG（包装箱）使用说明书