光纤传感空分复用下多点温度与应力的监测显示

摘要：多参量多点实时监测显示是传感研究领域的一项重要技术。以光纤Fabry-Perot(F-P)腔与光纤Bragg光栅(FBG)传感器的串联复用结构为单元构建空分复用(SDM)系统，设计了温度、应力多点实时显示的方案。由FPGA构建的SOPC与NiosⅡ完成对多监测点的数据采集，由VB串口通信接收FPGA存储器存储的采集数据，再把此数据由高斯曲线拟合方程处理得到温度和应力的参数值，最后用VB实现监测显示。结果表明F-P腔与FBG串联能有效克服温度与应力的交叉敏感，FPGA结合VB能很方便的实现多参量多点的实时监测显示。
关键词：光纤传感；空分复用；温度与应力显示；FPGA；VB

0 引言
近年来，光纤光栅传感技术的应用在各行各业中得到了快速的发展。人们对待测物理量在精度、性能、容量以及多参数等方面提出了更高的要求。这极大地促进了光纤光栅传感复用类型相关理论和技术的研究，而解调显示技术正是其中的一个重要环节，现常以ARM，DSP，FP GA等芯片为核心控制多路数据信号的采集、存储和处理，并用LabVIEW，VB，Matlab及其混合使用等做界面显示处理。
文中FPGA与VB结合实现多参量的监测显示，得益于FPGA高度集成、内部资源丰富、功能强大、时序控制精确、支持并行处理、编程灵活等优点；VB简洁易懂、界面设计简单。
本文主要完成了对多监测点双参数监控显示的研究。FBG能通过反射或透射波长实现对温度的测量；F-P可用做可调谐F-P腔、滤波器、传感器等，调节腔长与电压的关系能实现对应力解调。故首先设计了一种基于FBG与F-P腔传感器串联复用，并对其进行空分复用，构建成能实现多监测点双参数高精度解调的系统。分析F-P腔与FBG串联复用的光谱，可知能实现待测信号的高精度解调：即F-P腔长(应力)和FBG反射中心波长(温度)的同时测量。并使用FBG和F-P腔分别对温度与应力进行测量，进而与F-P腔和FBG串联复用所得结果进行比较，通过实验对该方法进行了验证。而空分复用就能实现多个监测点的双参数高精度解调。此后由FPGA构建的SOPC与NiosⅡ完成对多监测点双参数的数据采集；由VB串口通信进行数据接收，并把采集到的数据带入高斯曲线拟合方程中，求出具体的温度与应力，并用VB界面实现了监控显示。

1 原理分析与理论模型
1．1 FBG的应变和温度响应
根据光纤耦合模型理论可知，满足Bragg条件的反射光波长为：
λB=2neffΛ (1)
式中：Λ为光栅周期；neff为有效折射率。当Λ和neff因外界同时引起较小的变化ΔΛ和Δneff时，由Bragg条件可知，反射波长会发生移位ΔλB。ΔλB可表示为：
△λB=2△neffΛ+2neffΔΛ (2)
若温度、应变共同作用时，产生的Bragg波长位移ΔλB，用线性关系可表示为：

式中：α是光纤材料的热膨胀系数；△T是温度变化量；pmn为材料的光弹系数；v2，v3为泊松比。由式(3)可知，由单一FBG在测得中心波长移动ΔλB时，还需知道温度才能求出应变，这就是温度与应变的交叉敏感问题。当应变和温度同时发生变化时，光纤光栅无法区分由二者独自引起的波长变化，测量其中一个量时，总会受到另一个量的影响。为解决交叉敏感问题，人们提出了多种方法，其中串联复用传感就是一种有效的方法。如光纤布拉格光栅和长周期光栅结合的传感器系统，该系统能实现油气井下应力和温度的同时测量。本文研究F-P腔与FBG串联复用传感，能消除交叉敏感影响，并对该串联复用传感器进行空分复用实行多点监测，最终用VB编码实现数值界面显示。
1．2 F-P腔与FBG串联复用传感器的解复用
因为F-P腔有温度-压力交叉敏感性能实现对温度的补偿，能使测量精度提高，故可采用F-P腔与FBG串联复用传感器的解复用。其结构如图1所示。

原理阐述：光从光纤左端入射Iin，进入FBG与F-P腔串联复用的结构中，首先经过FBG温度传感器，此时Bragg反射波长附近的一部分光I1被反射，而透射光I2入射到F-P腔传感器，得到F-P反射光谱为一低反衬度的F-P腔干涉光谱I3，I3再通过FBG传感器，其透射光部分为I4。与之前的FBG传感器反射光I1相叠加形成最终的输出光谱Iout。其数学表达式为：
Iout=I1+I4=Iin[fFBG+(1-fFBG)2fF-P] (4)
式中：fFBG=R·exp[-(λ-λB)2／c2]，即用高斯分布来表示FBG的反射谱，R为光栅峰值反射率；λB为Bragg反射中心波长；c值的大小用于表征反射峰的宽度；fF-P=2r[1+cos(4πL／λ+π)]，其中r为光纤端面反射率。L为F-P腔的腔长，λ为光波长。
由式(4)可知，由传感器返回的光谱并不是FBG传感器与F-P腔传感器各自反射光谱的简单叠加。此时，若直接采集光谱信号中的FBG反射峰值波长作为FBG传感器的温度解调信号，将导致结果发生偏差，影响温度测量精度。为了得到精确的FBG反射光谱信号，将式(4)展开成为关于fFBG的一元二次方程：

解此方程，可得精确的FBG反射光谱，进而通过对解出的光谱峰值部分进行高斯拟合，求解出中心位置，即可解出FBG的中心波长。式(5)中Iout和Iin是可直接测量得到的光谱分布数据，fF-P通过F-P腔反射光谱的交叉相关解调算法得到。消除FBG对F-P腔解调的影响只需找到FBG的粗略峰值位置，将FBG峰值部分光谱数据从光谱中扣除。由于FBG光谱宽度远小于宽谱光源宽度，而交叉相关计算对于小范围光谱数据的缺失不敏感，因而不影响F-P腔解调结果的精度。