趙亞麗，李玉華，張春青

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 a.工業(yè)技術(shù)中心；b.機(jī)械工程系，河北 承德 067000；2.承德市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 承德 067000)

基于DWDM與MATLAB的光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)的研究

趙亞麗1a，李玉華2，張春青1b

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 a.工業(yè)技術(shù)中心；b.機(jī)械工程系，河北 承德 067000；2.承德市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 承德 067000)

為了簡(jiǎn)化光纖光柵壓力傳感器的解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量提出了一種基于DWDM與MATLAB技術(shù)的光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)。將DWDM作為動(dòng)態(tài)解調(diào)元件，用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將二者結(jié)合，可以有效減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量，降低系統(tǒng)成本，對(duì)光纖光柵壓力傳感器的使用有著極為重要的促進(jìn)意義，實(shí)驗(yàn)表明，在0 MPa～6 MPa壓力范圍內(nèi)，其波長(zhǎng)分辨率約為0.28 pm。

DWDM；MATLAB；解調(diào)；光纖光柵；壓力傳感器

光纖光柵壓力傳感器是一種新型的全光纖無源器件，是用FBG( fiber Bragg grating 光纖布拉格光柵)作敏感元件的功能型光纖傳感器。其實(shí)用化的關(guān)鍵就是如何高精度地測(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量問題。國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者提出了諸如光譜儀法、濾波法、干涉法、匹配光纖光柵法、可調(diào)諧波長(zhǎng)光源法等多種解調(diào)方法。但是大多數(shù)解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，實(shí)用性較低。例如，Mach-Zehnder干涉儀法雖然靈敏度較高，但是僅適用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)；邊緣濾波法適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，但是對(duì)濾波器的要求較高；匹配光纖光柵法有較高的分辨率，但是系統(tǒng)信噪比較低，線性誤差大；可調(diào)諧濾波器法精度高，測(cè)量范圍大，可是成本太高；可調(diào)諧波長(zhǎng)光源法的信噪比和分辨率較高但是復(fù)用性不好[1-3]。所以，研發(fā)出結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低的解調(diào)產(chǎn)品，必然會(huì)使光纖光柵壓力傳感器的實(shí)用性得到大幅度地提升。隨著DWDM(dense wavelength division multiplexing，密集型波分復(fù)用器)技術(shù)的完善，研究人員開始嘗試將其作為解調(diào)工具[4]。經(jīng)過研究，筆者提出了一種基于DWDM和MATLAB軟件的解調(diào)系統(tǒng)，有效解決了當(dāng)前存在的技術(shù)復(fù)雜、成本較高等問題。

1 光纖光柵壓力傳感器的DWDM解調(diào)

1.1 光纖光柵壓力傳感器

根據(jù)Bragg衍射原理，當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光入射到FBG中去，F(xiàn)BG將把以Bragg波長(zhǎng)為中心的窄帶光譜范圍內(nèi)的光反射回來。Bragg波長(zhǎng)λB由FBG的柵距A和有效折射率neff決定，根據(jù)耦合模理論可知：由于折射率發(fā)生了周期性變化，特定波長(zhǎng)的光束便會(huì)被反射，這樣的光滿足下式：

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB為反射光的中心波長(zhǎng)；Λ為光柵周期；neff為所使用光纖的有效直射率[5]?？梢?，光線光柵的中心波長(zhǎng)與光柵周期和光纖纖芯折射率成正比。而光柵周期和光纖纖芯折射率受外界溫度、壓力或應(yīng)變的影響，當(dāng)這些參數(shù)改變時(shí)，就會(huì)使得光纖光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移。光纖光柵壓力傳感器就是在這一基礎(chǔ)上提出來的。壓力的變化會(huì)使得光纖產(chǎn)生形變，引起光纖整體折射率的變化，從而改變光纖光柵的中心波長(zhǎng)位置。常用的光柵壓力傳感器有彈簧式、懸臂梁式和膜片式等幾種，其中彈簧管和膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示[6-8]。這兩種光纖光柵壓力傳感器可以有效避免溫度的影響，實(shí)驗(yàn)采用的是圖1(a)所示的壓力傳感器。

1.2 DWDM解調(diào)技術(shù)原理

光纖的反射窄帶光譜自身擁有一定的寬度，約為0.3～0.4 nm，用DWDM(密集波分復(fù)用器)進(jìn)行解調(diào)，當(dāng)光譜的中心波長(zhǎng)移動(dòng)到DWDM某一端口時(shí)，該通道可以得到最大化的輸出功率，但是由于相鄰?fù)ǖ赖闹行牟ㄩL(zhǎng)差異不大，所以在相鄰信道端口也有功率輸出[9]，只是小于最大信道輸出功率值，而且這些功率值形成的曲線與光纖光柵反射光譜吻合，如圖2所示。因此，通過測(cè)量各個(gè)信道的強(qiáng)度分布情況，再將其最大輸出功率通道及相鄰?fù)ǖ赖妮敵龉β视肕ATLAB軟件進(jìn)行曲線擬合，則該曲線最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為所測(cè)波長(zhǎng)值，即窄帶光譜的中心波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用8通道、信道間隔為0.4 nm的密集波分復(fù)用器。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了能夠準(zhǔn)確得出DWDM解調(diào)技術(shù)以及MATLAB軟件的使用對(duì)光纖光柵壓力傳感器解調(diào)帶來的影響，設(shè)置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

ASE 寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過光耦合器入射到光纖光柵，反射后入射到密集波分復(fù)用器，在DWDM的不同信道就會(huì)有不同強(qiáng)度的光功率輸出，當(dāng)光纖光柵壓力傳感器隨著所承受的壓力從0開始逐漸提升至6 MPa時(shí)，DWDM各通道的光功率也會(huì)隨之改變，光電探測(cè)器測(cè)得各通道輸出值后再經(jīng)由MATLAB軟件進(jìn)行處理即可得到所測(cè)波長(zhǎng)值。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到MATLAB軟件的命令窗口中用cftool工具進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理。在MATLAB主窗口中輸入cftool命令后回車會(huì)出現(xiàn)curve fitting tool窗口，點(diǎn)擊其中的fitting工具，就可以得到圖4中的畫面，從這個(gè)界面可以很方便地選擇需要的數(shù)據(jù)擬合類型并得出擬合結(jié)果，由解調(diào)原理可知，DWDM各通道的輸出功率構(gòu)成的曲線為高斯曲線，所以本實(shí)驗(yàn)選擇高斯擬合。

圖5是當(dāng)壓力為4.5 MPa時(shí)，各中心波長(zhǎng)與光功率輸出較大的4個(gè)通道輸出功率的高斯擬合曲線，由實(shí)驗(yàn)原理可以得出，擬合曲線頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫縱標(biāo)就是中心波長(zhǎng)，用MATLAB可以很方便的讀出頂點(diǎn)坐標(biāo)值，在MATLAB中我們可以讀出當(dāng)壓力為4.5 MPa時(shí)中心波長(zhǎng)為1 551.06 nm。用這種方法可以得到壓力為0 MPa～6 MPa之間的任意值下的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行線性擬合，得出如圖6所示的線性關(guān)系圖。

同時(shí)，MATLAB軟件給出圖6中這條線的線性方程為：

y=-0.277 5x+1 552.295

(2)

由式(2)可看出，DWDM與MATLAB的使用一定程度上提高了測(cè)量結(jié)果的精確程度。在實(shí)驗(yàn)過程中，所測(cè)波長(zhǎng)與壓力的變化呈現(xiàn)了較好的線性關(guān)系，即兩者之間存在著一個(gè)較為規(guī)范的函數(shù)關(guān)系，測(cè)量效果較好。在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用的光纖光柵反射光譜的半寬度為0.1 nm～0.2 nm時(shí)，DWDM的8個(gè)信道輸出值只有不超過三個(gè)信號(hào)是有效的。當(dāng)半寬為0.2 nm～0.3 nm時(shí)，有效數(shù)據(jù)明顯增多，達(dá)到4個(gè)或5個(gè)，由此，可以看出在使用DWDM進(jìn)行解調(diào)時(shí)，光纖光柵半寬參數(shù)的選擇是極為重要的，所以，本次實(shí)驗(yàn)中采用了半寬為0.26 nm的光纖光柵，保證了數(shù)據(jù)擬合的真實(shí)性。

3 結(jié)論

基于DWDM與MATLAB的解調(diào)系統(tǒng)為全光纖波長(zhǎng)解調(diào)方式，與傳統(tǒng)的干涉儀法、可調(diào)諧波長(zhǎng)光源法、 匹配光纖光柵法等相比，不需要電信號(hào)，受環(huán)境影響較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全防爆、成本低廉，且不受光強(qiáng)波動(dòng)影響。且采用MATLAB作為數(shù)據(jù)處理軟件，可直接讀出各點(diǎn)坐標(biāo)，減少了數(shù)據(jù)運(yùn)算量，且得出的擬合結(jié)果與理論曲線一致性良好。選擇8個(gè)信道中擬合曲線斜率較小的曲線來計(jì)算波長(zhǎng)分辨率，得出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在0 MPa～6 MPa壓力范圍內(nèi)的波長(zhǎng)分辨率約為0.28 pm，分辨率較高。

[1] 劉勝春,郝義昶,南秋明.光纖Bragg光柵傳感器在橋梁系桿長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2006，8(1):42-45.

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[9] 楊洋,劉兵,趙勇,等.DWDM技術(shù)在新型波長(zhǎng)解調(diào)方法中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程,2016,45(8):0822007-1-0822007-7.

Bragg Grating Pressure Sensor Demodulation System Based on DWDM and MATLAB

ZHAO Ya-li1a, LI Yu-hua2, ZHANG Chun-qing1b

(1.a.Industrial Technology Center; b.Department of Mechanical Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China; 2.Chengde Quality and Technical Supervision and Inspection Institute, Chengde 067000, Hebei, China)

In order to simplify the structure of the fiber grating pressure sensor system and reduce the computations, a Bragg grating pressure sensor demodulation system based on DWDM and MATLAB was proposed. Taking DWDM as dynamic demodulation components and MATLAB software for data processing can reduce the data operation and system cost with the combination of the two, which has a very important promoting significance for the use of fiber Bragg grating pressure sensor. Experiments showed that the wavelength demodulation resolution is about 0.28 pm under the pressure range of 0～6 MPa.

DWDM; MATLAB; demodulation; fiber Bragg grating; pressure sensor

河北省教育廳青年基金(基于DWDM的光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)的研究)：QN2016216；承德市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(新型溫度壓力流量同時(shí)測(cè)量的一體化光纖傳感器)：20141204

2016-07-06

趙亞麗(1982-)，女，河北保定人，講師，碩士，主要從事光電檢測(cè)及光纖傳感技術(shù)研究，郵箱zhaoyali1982@163.com。

TN253

A

1008-9446(2016)06-0054-03