基于LabVIEW的光纖布拉格光柵動態(tài)解調系統(tǒng)

摘要：為了實現(xiàn)光纖光柵動態(tài)解調的目的，采用了一種基于長周期光柵(LPFG)邊緣濾波特性解調光纖布拉格光柵(FBG)的動態(tài)應變檢測系統(tǒng)。將FBG作為傳感元件，利用長周期光柵邊緣濾波特性對光強調制，經光電轉換獲得電壓信號，通過高速數據采集卡與LabVIEW軟件設計結合由計算機采集。進行了振動實驗，采集信號的時域波形圖并進行頻譜分析。試驗結果表明該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應特性，可實現(xiàn)2．5 kHz以內的動態(tài)應變監(jiān)測。
關鍵詞：虛擬儀器；光柵；邊緣濾波；動態(tài)解調

0 引言
與傳統(tǒng)電子傳感器相比，光纖光柵傳感器是目前最具發(fā)展前途的傳感器之一。降低了自身的重量和體積，在抗電磁干擾能力、電氣隔離和傳輸損耗等方面都有著優(yōu)越的表現(xiàn)，光纖光柵的出現(xiàn)給傳感器技術領域發(fā)展帶來了一種新的發(fā)展趨勢。波長解調技術是實現(xiàn)光纖光柵傳感的關鍵，在光纖光柵的應用領域，光纖光柵解調技術一直是人們關注的重點課題。目前正在研究的光纖光柵傳感解調方案有許多，如利用干涉濾波法，可調諧光纖法布里-珀羅腔法，邊緣濾波解調法等，其中，干涉濾波法僅適用于測量動態(tài)應變，無法測得絕對應變；高精度的可調諧光纖法布里一珀羅腔價格高昂，濾波損耗大。因此能夠實際應用的解調產品并不多，特別是用于動態(tài)解調的解調設備，大多尤為昂貴，不利于工程應用。本文利用長周期光柵(Long-Period Fiber Grating，LPFG)具有邊緣濾波特性，自行研制了一套光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)動態(tài)檢測系統(tǒng)并將其用于振動方面的測試。試驗結果表明，該解調系統(tǒng)能夠較好地檢測振動信號，相對于其他的解調方案，具有結構簡單，解調速度快，成本較低等優(yōu)點。本文利用高速數據采集卡讀取采集數據傳送到PC機，通過LabVIEW進行數據分析，實現(xiàn)了對動態(tài)應變系統(tǒng)狀態(tài)的實時準確掌控。

1 解調原理
基于長周期光纖光柵解調系統(tǒng)解調原理如圖1所示。

圖中，曲線A為光纖布拉格光柵(FBG)的反射光譜，曲線C為長周期光纖光柵(LPFG)的透射譜，F(xiàn)BG反射光經過LPFG濾波后，光功率信號I(λ)為：

式中：R(λ)為FBG的反射光譜；H(λ)為LPFG的透射光譜；在一定的波長范圍內，H(λ)近似線性函數，而R(λ)的光譜寬度遠小于該波長范圍，因此I(λ)也近似線性函數，也即：

由式(3)可知，通過測量I(λ)／I1(λ)的值即可獲得波長信息，從而實現(xiàn)對FBG波長的檢測。