基于LabVIEW的光纖布拉格光柵動態(tài)解調(diào)系統(tǒng)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)光纖光柵動態(tài)解調(diào)的目的，采用了一種基于長周期光柵(LPFG)邊緣濾波特性解調(diào)光纖布拉格光柵(FBG)的動態(tài)應(yīng)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(qiáng)調(diào)制，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換獲得電壓信號，通過高速數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW軟件設(shè)計(jì)結(jié)合由計(jì)算機(jī)采集。進(jìn)行了振動實(shí)驗(yàn)，采集信號的時(shí)域波形圖并進(jìn)行頻譜分析。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，可實(shí)現(xiàn)2．5 kHz以內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；光柵；邊緣濾波；動態(tài)解調(diào)

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(shù)領(lǐng)域發(fā)展帶來了一種新的發(fā)展趨勢。波長解調(diào)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感的關(guān)鍵，在光纖光柵的應(yīng)用領(lǐng)域，光纖光柵解調(diào)技術(shù)一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)課題。目前正在研究的光纖光柵傳感解調(diào)方案有許多，如利用干涉濾波法，可調(diào)諧光纖法布里-珀羅腔法，邊緣濾波解調(diào)法等，其中，干涉濾波法僅適用于測量動態(tài)應(yīng)變，無法測得絕對應(yīng)變；高精度的可調(diào)諧光纖法布里一珀羅腔價(jià)格高昂，濾波損耗大。因此能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多，特別是用于動態(tài)解調(diào)的解調(diào)設(shè)備，大多尤為昂貴，不利于工程應(yīng)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(yàn)結(jié)果表明，該解調(diào)系統(tǒng)能夠較好地檢測振動信號，相對于其他的解調(diào)方案，具有結(jié)構(gòu)簡單，解調(diào)速度快，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。本文利用高速數(shù)據(jù)采集卡讀取采集數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，通過LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了對動態(tài)應(yīng)變系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌控。

1 解調(diào)原理
基于長周期光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)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(jīng)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(nèi)，H(λ)近似線性函數(shù)，而R(λ)的光譜寬度遠(yuǎn)小于該波長范圍，因此I(λ)也近似線性函數(shù)，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(shí)現(xiàn)對FBG波長的檢測。