1、基于 FP 滤波器光纤光栅解调系统.芟心 9j图基于 FP 滤波器光纤光栅解调系统金永兴,刘涛,方涛,康娟,沈为民,刘红林(中国计量学院光学与电子科技学院.杭州 310018)摘要:提出并实验演示了一种基于 F-P 可调滤波法对光纤光栅波长解调的新方案 ,利用参考光栅温度与其反射波长关系来检测传感光栅的波长移动量,该解调方法成本低.实验结果证明:采用此方法的解调系统波长测量精度达到 5pm 以上,有很高的稳定性 ,具有实际应用价值.关键词:光纤 Bragg 光栅;波长测量;温度测量;标定中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002.5561(2008)02.0014.03lnte
2、rrO!=IatIOnsystemtorriderDrav 一.q.q.qratinqbasedOnfabry-perotfilterJINYong-xing,LTao,FANGTao,KANGJuan,sHENWei-min,L1UHong-lin(OptoelectronicsTechnologyInstitute,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)Abstract:AnewmethodwavelengthinterrogationsystembasedontheopticalfiberFabry-Perot(F-P,tunablefi
3、lterisproposedandexperimentallydemonstratedinthispaper.ThewavelengthshiftsofthesensingFBGisdetectedbyuseoftherelationshipbetweenthereferenceFBGStemperatureanditsreflectedwavelength,andthemethodischaracteristicoflowcost.Itisprovedthatthedemodulationmethodhascharacteristicsofthemeasurementprecisionsof
4、5pm,dgoodstabilityandtheapplicablevalue.,Keywords:fiberBragggrating;wavelengthmeasurement;temperaturemeasurement;calibration1 引言光纤布喇格光栅 fFBG)是一种新型的光纤传感器 1978 年,加拿大的 Hill 发现掺锗光纤的光敏性制作成光纤光栅 1989 年美国的 Melt 等人用紫外激光横向写入技术制成 FBG 后,使得其制作技术发展迅速.为其广泛应用奠定了基础.由于光纤光栅与光纤系统兼容.插入损耗低,体积小,重量轻,结构简单等优点.在光纤传感和光纤通信领域有广泛
5、的应用【l2】.光纤光栅由于其抗电磁干扰,耐腐蚀,体积小,质量轻.传输损耗小.便于复用等特点已经成为目前光纤传感器系统的研究热点.其可用工作范围可覆盖易燃易爆的油气,化工,军事,国防等领域31.光纤光栅传感器则是利用 FBG 的布拉格波长对温度,应力参量的敏感特性而制成光纤传感器.只要检测出 FBG 发射波长的变化就可以检测出外界的温度,应力等被测信号.所以如何高精度的检测传感光栅 Bragg 波长的 pm级偏移量.是 FBG 传感器系统的核心技术本文探讨收稿 13 期:2007 一 1024.基金项目:国家自然科学基金资助项目(60608008);浙江省重大科技资助项目.作者简介:金永兴(1
6、972 一),男,副教授,主要从事光纤放大器和光纤传感器技术研究.兜遣话致书 2008m2 湖 .一一了机基于 FP 滤波法波长解调的原理提出了一种基于 FP 可调滤波法对光纤光栅波长解调系统温度标定的新方案.2 基于 FP 滤波器的解调实验光纤光栅的关键是如何测出光纤光栅的波长移动.即对波长编码信号进行解调.为了实现光纤传感技术的实用化.人们提出了许多解调方法.主要有光谱分析法,波长滤波法,光学滤波法,相干法等.本文实验研究的是属于波长滤波法的可调光纤 FP 滤波解调法.这种方法是目前比较实用和稳定的一种解调方法.本系统的测量装置如图 l 宽带光源发出的光经FP 滤波器.通过在 FP 腔的压
7、电体上施加锯齿波扫描电压变成可调光源.经 3dB 耦合器分成两束光.分别进入传感光栅通道和内置的参考光栅通道满足Bragg 条件的光反射后 .在经 3dB 耦合器后汇聚一束光到达 PIN 光电转换,放大,滤波等电路.把光脉冲信号转换成电脉冲时序信号,通过 AD 采集卡后进入计算机进行信号处理.最后解调波长.得到被测信号我们的实验装置接了两个通道.一个是传感通FBG 传感器图 1 实验装置图1555.2O15S5.181555.161555.12图 2F-P 滤波器波长解调图3_43?63?8Volta4ge0/V4_24_44?6图 3 参考光栅 3Bragg 波长与测温电压3.43.63.8
8、4.0424.44.6Voltage/V图 4 参考光栅 5Bragg 波长与测温电压会永.:jj,I,滤坡器光纤咒栅解州系统道,用来检测外界的温度变化,另一个是参考通道,一【般要线性比较l 案来I一一f放在恒温装置内.主要用来校正 F-P 滤波器的非和迟滞效应,由于要求精度很高,恒温装置价格贵.而且体积比较大,我们提出了另外一种新方完成同样的功能,实验证明,能达到同样的效果.3 参考波长的标定图 2 是实验得到的 FP 滤波器波长解调图 .共有6 个峰值,其中从左第 l,2,3,5,6 为参考光栅,第 4 个为传感光栅.这里用多个参考光栅只是为了以后扩容备用,本实验只用到第 3,5 两个为参
9、考光栅.光电探测器峰值输出对应的是 FP 滤波器的输出波长等于光栅的 Bragg 波长.通过参考光栅的 Bragg 波长及其峰值输出对应的驱动电压可建立波长与驱动电压的关系式.利用该关系式可把传感光栅的光谱峰值输出对应的驱动电压标定为波长.在较小的扫描周期内.波长和电压可以近似的呈线性关系.所以,图 2 中第3,4,5 三个光栅的波长和电压可以近似呈线性关系:(入 4-_A3)/(v,-v3)=(AsA3)/(v3)(1)式中,A 分别为三个光栅的 Bragg 波长,分别为测量到的三个峰值对应的 FP 的驱动电压.传感光栅的 Bragg 波长儿为 :/T,T,A4=:(A5 一 A3)+A3(
10、2)y4 一 y3一般参考光栅需采用对温度不敏感.同时光栅需要放在恒温箱中进行波长校准才能达到比较高的精度.恒温箱成本比较高,一般不采用.采用温度补偿的办法来实现波长校准,优点是成本比较低.同时又能达到比较高的精度采用 AD590 芯片来测量参考光栅的温度.实际上我们得到测温电路通过 AD 采集卡得到的电压值.通过测量到电压值来校准参考光栅的波长.图 3 和 4 实验测量得到参考光栅 3 和 5Bragg 波长与测温电路电压的关系,曲线具有很好的线性.线性度分别为 0.9997 和 0.9996A3=1547.63919+0.08376V(3)A5=1551.72822+0.10161V(4)
11、这样在进行传感光栅温度解调时.根据不同的测温电压代人式(3), 式(4), 得到参考光栅的波长 A 和 A,代人 f1)得到传感光栅的波长.4 实验结果与结论实验中采用的参考光栅 FBG3,FBG5 的 Bragg 中心波长分别为 1547.6 和 1551.7rim.测量光栅 FBG4 的Bragg 波长为 1549nm.波长解调精度达到 5pm.分辨率为 lpm,传感光栅没有增敏,所以温度的精度在 0.5.测量到的温度精度在 0.1图 5 是实验测量到的实验室常温下的温度曲线.测量时间近 l2 个小时.从图中可以看出.测量的温度一一一一一一.2008销 2 纠 j 龟客织书 j20864O
12、O99g887774444455555_lIg 口几 p00;金水.等:牲 jF-I,滤波器觅纤光栅鲥渊系统gD 一一70 一60 一口甘5O 一4030201r_圈俯453427“5OO3O0O03253CaO0037500 鹰 aD0o425OO45013测试时间/S图 5 常温下的测量温度曲线,l050O100015002000250O300O:3500t00045005l测试时间/S图 6 温度控制曲线值有很高的稳定性.虽然 l2 小时中间环境温度相差比较大,但测量值波动范围很小,在 28.4C28.6之问.图 6 是把传感光栅放到水浴控温箱中温度变化的曲线,先把控温箱中水的温度加到
13、85C右时,传感光栅放到控温箱中,然后温度自然冷却的温度曲线.实验结果表明,通过这种方式的波长校准,一方面成本比较低,同时可以消除 F-P 滤波器线性度差,波长输出重复性差的问题.不易受外界的影响.可以提高温度的测量精度和测量结果的稳定性.参考文献:1MELTZG,MOREYWW,GLENNWH.FormationofBragggratingsinopticalfibersbyatransverseholographicmethodJ】.OpticalLetter,1989,14(15):823?825.2KERSEYAD,BERKOFFTA,MORSEYWW.Multiplexedfiber
14、BmgggratingstrainsnsorsystemwithafiberFabry-Perotwavelengthm?terJ.OptLett,1993,18(16):1370?1372.3KERSEYAD,DAVISMD,PATR/CKHJ,eta1.FiberBraggsensor【J.IEEEJournalofLightwaveTechnology,1997,15:11421463.4周智.武湛君 ,田石柱,等.光纤布喇格光栅温度传感特性研究【J. 压电与声光,2002,24(6):430-433.5陈长勇,乔学光 ,贾振安.等.光纤光栅传感应用中的波长编码信号解调技术【J】.半导体
15、光电,2003,24(2):121126.6周广丽.鄂书林 ,邓文渊.光纤温度传感器的研究和应用【J. 光通信技术.2007,31(61:5557.7付建伟,肖立志 ,张元中,等.提高光纤 Bragg 光栅波长测量精度的方法【J.光电工程,2006.33(2):123125.送给科研奉献者电子测量技术(ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY)订阅单 i;值此电子测舞技术创刊 30 周年之际.为答谢广大科研工作者为科技进步的奉献,我杂志社特推出订干 u 优惠活;动.凡通过我杂志社发行部直接订阅电子测箍技术 2008 年刊的读者.皆可获得“ 订阅半年期(6 个月)9 折和全年;注 t|c 时请注明 .彳鼍款;jc|c址?北.|市东区北河橱大街 79 号 电予量技术发行部 lmi 将订啊|-L 填写宪蔓后,连同 j款底|IL 复印件簟寄鬟以地址或传真至;010-.6406“/8i 订阅热线:010-64041812 转 102 传真:010-64067828E-MaiI:墼.卫!盟: 曼.允龟詹氛2008第 2 期一一一一一.一一一一-一 _._一86t2786t2.2.珂珂珂孙孙孙孙瞧
