吴小蓉，顾金良，王康，夏言（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京210094）

基于耦合器的FBG应变解调系统

吴小蓉，顾金良，王康，夏言
（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京210094）

摘要：为了能简单精确地解调出光纤布喇格光栅（FBG）应变传感信号，提出一种基于耦合器的应变解调系统。介绍了该系统的解调原理和算法，描述了系统的标定过程，并通过实验验证了系统的解调性能。

关键词：光纤布喇格光栅；耦合器；相位解调；应变测试

0　引言

光纤布喇格光栅（FBG）作为一种无源器件，不仅能在强电磁干扰环境下进行测试，而且还具有灵敏度高、尺寸小、耐腐蚀和易于组成传感网络实现多点测量等特点，广泛应用于传感领域[1～4]。FBG能实现包括应变、温度和压力等多种物理量测量，其原理在于这些物理量的变化能使其中心波长发生偏移，因此，如何解调FBG传感信号成为测量中需要解决的关键问题[5]。1992年，Kersey A D等人首先提出了非平衡马赫-增德尔（M-Z）干涉解调法，他们将压电陶瓷（PZT）加载到两个2×2耦合器的其中一个参考臂上，构成了非平衡M-Z干涉仪，实现了FBG传感的解调[6]。2007年，李丽等人对非平衡M-Z干涉解调法的解调电路做了改进，运用相位载波零差解调算法（PGC）实现了高频振动信号的解调[7]。2014年，王景芳等人对PGC解调算法进行了仿真分析，仿真结果显示该算法对大于100Hz的传感信号有较好的解调效果[8]。目前，研究者们广泛采用两个2×2耦合器来构成非平衡M-Z干涉仪，但该方法需要引入相移补偿反馈系统驱动PZT电路来抵消直流零点的漂移，而且后续的解调算法电路比较复杂，增加了解调难度。为解决以上问题，本文运用2×2和3×3耦合器构成非平衡M-Z干涉仪，并采用LabVIEW编写相位解调软件来实现FBG应变传感信号的解调。

1　系统解调方案

图1　系统解调方案

本文设计的解调系统框图如图1所示，从宽带光源发出的光经隔离器后被送入2×2耦合器，2×2耦合器输出的光通过连接器耦合到FBG中，FBG粘贴在被测物体上，FBG感受到的应变与被测物体产生的应变保持一致。根据FBG传感原理，产生的应变使FBG中心波长发生偏移，偏移量与应变量成线性关系。FBG反射宽带光源中与其匹配的波长，反射波长通过2×2耦合器后输出到由2×2和3×3耦合器构成的非平衡M-Z干涉仪中。非平衡M-Z干涉仪将FBG中心波长的变化转变为相位变化，利用光电转换和信号调理电路将光信号转变为电压信号，并通过数据采集卡将其传送至上位机。在上位机中，通过虚拟仪器开发平台LabVIEW编写的解调软件对采集到的信号进行数据处理、存储和结果显示，并通过系数标定将相位变化还原为应变变化，从而实现FBG应变的解调。

2　系统解调原理

2.1非平衡M-Z干涉仪解调原理

对于本文设计的非平衡M-Z干涉仪，耦合器之间两臂的相位差为：

其中，n为光纤纤芯折射率，l为非平衡M-Z干涉仪的光程差，λB为FBG的中心波长。在无PZT驱动的非平衡M-Z干涉仪中时，相位变化仅由λB的变化引起。对λB进行微分，根据FBG传感原理，可以将式（1）改写为：

其中，kε为FBG应变传感系数。由于kε为常数,因此，解调出的相位与应变成线性关系，线性系数通过标定获得，相位变化通过解调算法获得。

2.2解调算法

假设非平衡M-Z干涉仪中的两个耦合器具有理想对称特性，即耦合器每个输出端的光强相等，反射光在非平衡M-Z干涉仪中完成干涉，从3×3耦合器的3个输出端输出，输出端之间的相位差为120°，则这3个输出端的光强In为：

其中，Id为光强的直流分量，Ia为光强的交流分量。对式（3）进行变形运算消除其中的直流分量和交流分量,得到干涉场的相位为：

本文采用LabVIEW2010软件根据式（4）编写相位解调程序，获得相位变化量。具体解调过程为：①调用采集到的3组电压数据，进行数字滤波去噪处理；②利用式（4）解算出相位大小。③解调后的相位总是在±90°范围内周期性变化，因为计算机总是返回这个区间的值，反三角函数存在多值性，所以需要对解调出的相位进行相位解包处理,得到实际的相位值。

3　系统标定与解调实验

3.1系统标定

相位解调得到的是相位值，它与FBG感受到的应变成线性关系,线性系数需要通过标定获得，标定的具体方法为：将FBG粘贴在陶瓷制动器上，使用驱动电源在陶瓷制动器上加载不同的阶跃电压，陶瓷制动器逆压电效应产生拉伸应变，而驱动电源所加的电压与陶瓷制动器的拉伸应变关系由生产厂家在恒温恒压恒湿的条件下标定。通过解调的相位和对应的应变可以获得线性系数，标定结果如表1所示。

我们采用Matlab软件对标定数据进行最小二乘拟合，拟合曲线如图2所示。通过计算拟合曲线的斜率可以得到标定的线性系数为6.51με/°。

表1　通道1标定数据

图2　拟合曲线

3.2解调实验

为验证本系统的解调性能，我们进行了解调实验，使用陶瓷制动器产生振动应变源，驱动电源除了可以输出阶跃信号外还可以输出交变的动态信号。实验首先通过驱动电源给陶瓷制动器输入一个幅值为120V，频率为200Hz的方波信号，陶瓷制动器发生振动致使粘贴在其表面的FBG波长发生变化，反射光在非平衡M-Z干涉仪中完成干涉，干涉信号从3×3耦合器的输出端输出，经过光电转换和信号调理放大后被数据采集卡采集，采集到的电压信号如图3所示。

图3　200Hz方波电压信号

图4　200Hz方波解调信号

采集到的3路电压信号被解调算法处理软件调用，经过数字滤波、相位解调和相位解包等算法处理后得到与应变量成线性关系的相位信息，如图4所示。从相位变化可以看出，所加的方波信号被无失真的解调出来，相位变化的最大值为180.94°，通过标定的线性系数可得此时产生的最大应变为1177.92。

驱动电源输出信号的频率越大，输出信号点数越小，即驱动电源输出信号频率越高，信号的失真度就越大。本次实验采用的驱动电源最大输出信号频率为2kHz,为了验证解调系统对施加在FBG的更高频率的振动信号也有解调能力，我们又给陶瓷制动器施加了幅值为120V,频率分别为500Hz、1kHz和1.5kHz的方波信号，解调波形分别如图5、图6和图7所示。1kHz 和1.5kHz的方波信号解调存在一定失真，这是由于驱动电源输出较大频率信号时本身存在一定的失真度，造成了后续解调波形的失真。但是，解调信号的频率与驱动电源输出信号的频率保持一致，且最大相位变化量也基本保持一致，即在相同的电压下，FBG感受到的应变与被测物保持一致。这表明本解调系统解调较高频率的动态应变也能取得较好的解调效果。

图5　500Hz方波解调信号

图6　1kHz方波解调信号

图7　1.5kHz方波解调信号

4　结束语

本文运用耦合器和虚拟仪器平台LabVIEW组建了FBG应变解调系统，通过Matlab软件进行二项式拟合标定出解调系统的线性系数。我们采用陶瓷制动器产生了500Hz、1kHz和1.5kHz的动态应变信号，依次施加在解调仪上进行解调实验。实验结果表明，对于不同频率的应变信号，本文设计的解调仪都有良好的解调效果。本文的研究成果为今后采用FBG进行应变测试奠定了基础。

参考文献:

[1]朱玉萍，林玉池，王为.光纤FBG用于高频应变测试的研究[J].光工程,2007,34(6):135-139.

[2]柴敬,邱标,魏世明.岩层变形检测的植入式光纤FBG应变传递分析与应用[J].岩石力学与工程学报,2008,27(12):2551-2556.

[3]孙丽,李宏男,朱彤，等.FBG应变传感器的动态特性及其应用范围[J].振动与冲击.2006,25(3):29-34.

[4]李冬生,周智,欧进萍.光纤光栅智能复合筋传感特性及其工程应用[J].光子·激光,2009,20(10):1294-1297.

[5]张婷,张珂殊.光纤Bragg光栅传感器信号解调技术研究[J].光器件, 2009（4）:29-32.

[6] KERSWY A D, BERKOFF T A, MOREY W W. High-resulation fiber-grating based strain sensor with interferometric wavelength-shift detection[J].Opt. Lett.,1993,18(1):72-74.

[7]李丽,林玉池,沈小燕,等. FBG在动态应变测量中的研究[J].传感技术学报，2007，20(5):994-997.

[8]王景凡,刘芳芳,陈丽娟.FBG微应变测量系统的相位解调技术研究[J].工具技术,2015,49(4):82-84.

FBG strain demodulation system based on the coupler

WUXiao-rong，GUJin-liang，WANGKang，XIAYan
(National Key Laboratory of Transient Physics, NUST, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to demodulate the strain sensing signal of fiber Bragg grating (FBG) simply and precisely, the paper proposes a strain demodulation system based on the coupler. Introduces the principle and algorithm of the system, describes the calibration process of the system, and verifies the demodulating performance of the system by experiment.

Key words:fiber Bragg grating(FBG), coupler, phase demodulation, strain measurement

中图分类号：TP216

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0019-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.006

收稿日期：2015-09-07。

基金项目：国防重点实验室项目（9140C300502130C30001）资助。

作者简介：吴小蓉，女（1991-），硕士研究生，主要研究方向为传感技术与应用。