光纖傳感空分復(fù)用下多點溫度與應(yīng)力的監(jiān)測顯示

摘要：多參量多點實時監(jiān)測顯示是傳感研究領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。以光纖Fabry-Perot(F-P)腔與光纖Bragg光柵(FBG)傳感器的串聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)為單元構(gòu)建空分復(fù)用(SDM)系統(tǒng)，設(shè)計了溫度、應(yīng)力多點實時顯示的方案。由FPGA構(gòu)建的SOPC與NiosⅡ完成對多監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集，由VB串口通信接收FPGA存儲器存儲的采集數(shù)據(jù)，再把此數(shù)據(jù)由高斯曲線擬合方程處理得到溫度和應(yīng)力的參數(shù)值，最后用VB實現(xiàn)監(jiān)測顯示。結(jié)果表明F-P腔與FBG串聯(lián)能有效克服溫度與應(yīng)力的交叉敏感，FPGA結(jié)合VB能很方便的實現(xiàn)多參量多點的實時監(jiān)測顯示。
關(guān)鍵詞：光纖傳感；空分復(fù)用；溫度與應(yīng)力顯示；FPGA；VB

0 引言
近年來，光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用在各行各業(yè)中得到了快速的發(fā)展。人們對待測物理量在精度、性能、容量以及多參數(shù)等方面提出了更高的要求。這極大地促進(jìn)了光纖光柵傳感復(fù)用類型相關(guān)理論和技術(shù)的研究，而解調(diào)顯示技術(shù)正是其中的一個重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)常以ARM，DSP，F(xiàn)P GA等芯片為核心控制多路數(shù)據(jù)信號的采集、存儲和處理，并用LabVIEW，VB，Matlab及其混合使用等做界面顯示處理。
文中FPGA與VB結(jié)合實現(xiàn)多參量的監(jiān)測顯示，得益于FPGA高度集成、內(nèi)部資源豐富、功能強(qiáng)大、時序控制精確、支持并行處理、編程靈活等優(yōu)點；VB簡潔易懂、界面設(shè)計簡單。
本文主要完成了對多監(jiān)測點雙參數(shù)監(jiān)控顯示的研究。FBG能通過反射或透射波長實現(xiàn)對溫度的測量；F-P可用做可調(diào)諧F-P腔、濾波器、傳感器等，調(diào)節(jié)腔長與電壓的關(guān)系能實現(xiàn)對應(yīng)力解調(diào)。故首先設(shè)計了一種基于FBG與F-P腔傳感器串聯(lián)復(fù)用，并對其進(jìn)行空分復(fù)用，構(gòu)建成能實現(xiàn)多監(jiān)測點雙參數(shù)高精度解調(diào)的系統(tǒng)。分析F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用的光譜，可知能實現(xiàn)待測信號的高精度解調(diào)：即F-P腔長(應(yīng)力)和FBG反射中心波長(溫度)的同時測量。并使用FBG和F-P腔分別對溫度與應(yīng)力進(jìn)行測量，進(jìn)而與F-P腔和FBG串聯(lián)復(fù)用所得結(jié)果進(jìn)行比較，通過實驗對該方法進(jìn)行了驗證。而空分復(fù)用就能實現(xiàn)多個監(jiān)測點的雙參數(shù)高精度解調(diào)。此后由FPGA構(gòu)建的SOPC與NiosⅡ完成對多監(jiān)測點雙參數(shù)的數(shù)據(jù)采集；由VB串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并把采集到的數(shù)據(jù)帶入高斯曲線擬合方程中，求出具體的溫度與應(yīng)力，并用VB界面實現(xiàn)了監(jiān)控顯示。

1 原理分析與理論模型
1．1 FBG的應(yīng)變和溫度響應(yīng)
根據(jù)光纖耦合模型理論可知，滿足Bragg條件的反射光波長為：
λB=2neffΛ (1)
式中：Λ為光柵周期；neff為有效折射率。當(dāng)Λ和neff因外界同時引起較小的變化ΔΛ和Δneff時，由Bragg條件可知，反射波長會發(fā)生移位ΔλB。ΔλB可表示為：
△λB=2△neffΛ+2neffΔΛ (2)
若溫度、應(yīng)變共同作用時，產(chǎn)生的Bragg波長位移ΔλB，用線性關(guān)系可表示為：

式中：α是光纖材料的熱膨脹系數(shù)；△T是溫度變化量；pmn為材料的光彈系數(shù)；v2，v3為泊松比。由式(3)可知，由單一FBG在測得中心波長移動ΔλB時，還需知道溫度才能求出應(yīng)變，這就是溫度與應(yīng)變的交叉敏感問題。當(dāng)應(yīng)變和溫度同時發(fā)生變化時，光纖光柵無法區(qū)分由二者獨自引起的波長變化，測量其中一個量時，總會受到另一個量的影響。為解決交叉敏感問題，人們提出了多種方法，其中串聯(lián)復(fù)用傳感就是一種有效的方法。如光纖布拉格光柵和長周期光柵結(jié)合的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)油氣井下應(yīng)力和溫度的同時測量。本文研究F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用傳感，能消除交叉敏感影響，并對該串聯(lián)復(fù)用傳感器進(jìn)行空分復(fù)用實行多點監(jiān)測，最終用VB編碼實現(xiàn)數(shù)值界面顯示。
1．2 F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用傳感器的解復(fù)用
因為F-P腔有溫度-壓力交叉敏感性能實現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償，能使測量精度提高，故可采用F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用傳感器的解復(fù)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

原理闡述：光從光纖左端入射Iin，進(jìn)入FBG與F-P腔串聯(lián)復(fù)用的結(jié)構(gòu)中，首先經(jīng)過FBG溫度傳感器，此時Bragg反射波長附近的一部分光I1被反射，而透射光I2入射到F-P腔傳感器，得到F-P反射光譜為一低反襯度的F-P腔干涉光譜I3，I3再通過FBG傳感器，其透射光部分為I4。與之前的FBG傳感器反射光I1相疊加形成最終的輸出光譜Iout。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
Iout=I1+I4=Iin[fFBG+(1-fFBG)2fF-P] (4)
式中：fFBG=R·exp[-(λ-λB)2／c2]，即用高斯分布來表示FBG的反射譜，R為光柵峰值反射率；λB為Bragg反射中心波長；c值的大小用于表征反射峰的寬度；fF-P=2r[1+cos(4πL／λ+π)]，其中r為光纖端面反射率。L為F-P腔的腔長，λ為光波長。
由式(4)可知，由傳感器返回的光譜并不是FBG傳感器與F-P腔傳感器各自反射光譜的簡單疊加。此時，若直接采集光譜信號中的FBG反射峰值波長作為FBG傳感器的溫度解調(diào)信號，將導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生偏差，影響溫度測量精度。為了得到精確的FBG反射光譜信號，將式(4)展開成為關(guān)于fFBG的一元二次方程：

解此方程，可得精確的FBG反射光譜，進(jìn)而通過對解出的光譜峰值部分進(jìn)行高斯擬合，求解出中心位置，即可解出FBG的中心波長。式(5)中Iout和Iin是可直接測量得到的光譜分布數(shù)據(jù)，fF-P通過F-P腔反射光譜的交叉相關(guān)解調(diào)算法得到。消除FBG對F-P腔解調(diào)的影響只需找到FBG的粗略峰值位置，將FBG峰值部分光譜數(shù)據(jù)從光譜中扣除。由于FBG光譜寬度遠(yuǎn)小于寬譜光源寬度，而交叉相關(guān)計算對于小范圍光譜數(shù)據(jù)的缺失不敏感，因而不影響F-P腔解調(diào)結(jié)果的精度。