基于FBGA的光纤光栅解调仪系统研究与开发

摘要

光纤因其本身的优越性,在通讯、传感领域得到了较快的发展,其中光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器在温度、压力检测等领域得到了较为广泛的应用。受外界参量的影响,FBG传感器中心波长会发生相应的偏移,通过检测光栅反射波长的偏移量可以实现对外界参量的测量。随着FBG传感系统的广泛应用,设计一种能够实现同步测量、精度高、成本低并能够满足复杂工程环境下应用的FBG传感解调系统,是现阶段研发的热点。
　　 FBG传感信号的解调方法有多种,主要分为功率化解调,波长解调和干涉解调等。其中,波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码、不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点,得到了广泛的应用。在课题的设计中选用基于衍射光栅的光谱辨析法实现FBG传感信号的解调。
　　 首先,本论文对比分析了基于光谱仪、边缘滤波器、可调谐滤波器的解调原理,介绍了应用于光纤传感系统的光电探测阵列,为设计解调仪系统提供了理论依据与参考。结合分辨率、工程化应用、开发周期、成本等设计要求来确定解调探测方案,选用了BaySpec公司生产的基于透射式衍射光栅技术和线阵铟砷化镓图像传感器技术的光纤布拉格光栅查询分析仪(Fiber Bragg Grating Interrogation Analyzer,FBGA)模块开发解调仪系统。
　　 其次,对FBGA光谱分析与光电探测单元的结构与原理作了详细介绍。在介绍衍射光栅原理基础上,分析了FBGA光谱分析单元中所采用的衍射光栅—全息体相位光栅(Volume Phase Holographic Grating,VPHG)的结构与原理,该结构实现FBG反射光光谱的记录与再现,是满足布拉格条件下的单缝衍射与多缝干涉的结果。同时,分析了FBGA探测单元所采用的基于铟砷化镓(Indium Gallium Arsenide,InGaAs)线阵PIN二极管探测阵列的结构与原理,该探测阵列包含256个单元,对其中的一个单元作了工作分析,并简单介绍了该探测阵列的驱动电路。不同波长的光会衍射到探测器的不同位置上,通过对不同波长下对应的探测功率进行检测、拟合可以得到FBG传感器的中心波长和谱形。
　　 再次,分析了FBGA模块的内部结构、工作原理、电气特性、通信协议、数据处理方式、编程流程等内容,并对FBGA解调仪进行了系统设计与安装。为了检验系统是否满足设计要求,对系统进行了相关的实验测试与工程应用测试。实验测试包括传感器标定、重复性、动态特性与稳态特性、灵敏度以及基于F-P扫描技术开发的解调仪系统与该系统性能的对比等实验内容,工程应用测试为在变电站现场的应用。通过实验数据对比与工程应用证明该解调仪系统具有分辨率高(±10pm,0.1℃)、光谱刷新速率快(50Hz),系统工作稳定、抗干扰强、体积小、价格低等优点,特别适合光纤光栅对隧道、大坝、高电压、强磁等复杂环境下的压力、温度等检测量的解调。
　　 最后,本课题在LabVIEW图形化开发环境下独立开发了FBGA解调仪上位机应用软件FBGA1.0,实现了数据的读取、处理、保存(TXT与MDB数据库可选),光谱显示、温度显示,探测参数配置,温度报警等功能。该软件分两个版本,一是单机版,用于实验室传感器标定和温度显示;另外一个是复用版本,与光开关相结合,实现多传感器的检测网络设计,用于实验室大量传感器标定和工程应用。经实际应用验证,该软件简单易操作,能够满足实验室和工程中的基本应用。
　　 截止到2011年4月,本课题所研究开发的解调仪系统已经组装了12台,广泛应用在实验室传感器标定,软件开发,济宁二号煤矿、日照五莲、潍坊创新大厦等地的变电站测温中。