3.4 常用的光纖布拉格光柵解調(diào)方法

光纖光柵傳感器的信號(hào)解調(diào)是整個(gè)光纖傳感系統(tǒng)中的核心部分之一，其實(shí)質(zhì)是將光纖光柵傳感器的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)、采集及分析后完整再現(xiàn)傳感器所探測(cè)物理量時(shí)程變化，是決定整個(gè)傳感系統(tǒng)精度、實(shí)時(shí)性、多點(diǎn)化的關(guān)鍵。作為傳感系統(tǒng)關(guān)鍵的解調(diào)儀核心技術(shù)，目前主要集中在美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，如表3-2所示。

★3.4.1 基于光纖F-P可調(diào)諧濾波法

1993年，由Kersey A D提出的基于光纖F-P可調(diào)諧濾波器的解調(diào)方案，解調(diào)方法如圖3-9所示。它是由兩塊平行鏡面構(gòu)成的諧振腔，一塊鏡面固定，另一塊鏡面可以移動(dòng)，以改變諧振腔的長(zhǎng)度。鏡面是經(jīng)過精細(xì)加工并鍍有金屬膜或者多層介質(zhì)膜的玻璃板，光纖的輸入光經(jīng)過諧振腔反射一次后，聚焦在輸出光纖斷面上，通過改變諧振腔的長(zhǎng)度來達(dá)到選擇相應(yīng)光信號(hào)的目的。

基于光纖F-P可調(diào)諧濾波器的解調(diào)原理是：寬帶光源產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)入光纖光柵，反射的光信號(hào)通過耦合器后射入F-P可調(diào)諧濾波器，F(xiàn)-P可調(diào)諧濾波器的腔長(zhǎng)變化由壓電陶瓷來控制，由驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制壓電陶瓷，F(xiàn)-P可調(diào)諧濾波器不斷掃描光信號(hào)，當(dāng)透射光波長(zhǎng)和FBG的反射波長(zhǎng)相匹配時(shí)，這時(shí)的探測(cè)電路可以檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的最大光強(qiáng)，而此時(shí)給F-P可調(diào)諧濾波器施加的驅(qū)動(dòng)電壓便對(duì)應(yīng)著光纖光柵反射的中心波長(zhǎng)。

這種基于F-P可調(diào)諧濾波器的解調(diào)方法不僅可以實(shí)現(xiàn)小型化，而且靈敏度、光能利用率都很高，適于工程使用。

★3.4.2 基于光譜儀檢測(cè)的解調(diào)技術(shù)

采用光譜儀來直接檢測(cè)FBG中心波長(zhǎng)的漂移，解調(diào)方法如圖3-10所示。FBG反射回來的光信號(hào)通過耦合器后射入光譜儀，由光譜儀直接顯示出中心波長(zhǎng)的變化。光譜儀適用于實(shí)驗(yàn)室的科研要求，雖然現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室用的光譜儀或者單色儀相比于傳統(tǒng)的光譜儀在測(cè)量精度、分辨率、響應(yīng)速度方面都有明顯的提高，但是光譜儀的價(jià)格昂貴、體積大，除了在實(shí)驗(yàn)室使用之外，不適合在現(xiàn)場(chǎng)勘查的過程中使用，嚴(yán)重制約了它的使用范圍。

★3.4.3 非平衡Mach-Zender干涉法

干涉法的解調(diào)原理是當(dāng)傳感光柵受到外場(chǎng)的作用時(shí)，導(dǎo)致干涉儀中的光程被調(diào)制，其中干涉儀的作用相當(dāng)于一個(gè)波長(zhǎng)掃描器，將波長(zhǎng)移位轉(zhuǎn)換為干涉儀輸出端的相位變化，通過對(duì)其輸出的相位信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)即可得到傳感光柵的中心波長(zhǎng)變化。該方案可給出高分辨率的相位檢測(cè)，但無法消除溫度影響，故不適用于準(zhǔn)靜態(tài)的檢測(cè)，主要適合于動(dòng)態(tài)相位信號(hào)。圖3-11所示為一個(gè)應(yīng)用非平衡Mach-Zender干涉法的探測(cè)系統(tǒng)。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器進(jìn)入傳感光柵，傳感光柵的反射光先后經(jīng)兩個(gè)耦合器進(jìn)入非平衡Mach-Zender干涉儀，其中的相位補(bǔ)償反饋系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)PZT是為了抵消直流零點(diǎn)漂移而引入的。