基于LabVIEW的光纤布拉格光栅动态解调系统

摘要：为了实现光纤光栅动态解调的目的，采用了一种基于长周期光栅(LPFG)边缘滤波特性解调光纤布拉格光栅(FBG)的动态应变检测系统。将FBG作为传感元件，利用长周期光栅边缘滤波特性对光强调制，经光电转换获得电压信号，通过高速数据采集卡与LabVIEW软件设计结合由计算机采集。进行了振动实验，采集信号的时域波形图并进行频谱分析。试验结果表明该系统具有良好的动态响应特性，可实现2．5 kHz以内的动态应变监测。
关键词：虚拟仪器；光栅；边缘滤波；动态解调

0 引言
与传统电子传感器相比，光纤光栅传感器是目前最具发展前途的传感器之一。降低了自身的重量和体积，在抗电磁干扰能力、电气隔离和传输损耗等方面都有着优越的表现，光纤光栅的出现给传感器技术领域发展带来了一种新的发展趋势。波长解调技术是实现光纤光栅传感的关键，在光纤光栅的应用领域，光纤光栅解调技术一直是人们关注的重点课题。目前正在研究的光纤光栅传感解调方案有许多，如利用干涉滤波法，可调谐光纤法布里-珀罗腔法，边缘滤波解调法等，其中，干涉滤波法仅适用于测量动态应变，无法测得绝对应变；高精度的可调谐光纤法布里一珀罗腔价格高昂，滤波损耗大。因此能够实际应用的解调产品并不多，特别是用于动态解调的解调设备，大多尤为昂贵，不利于工程应用。本文利用长周期光栅(Long-Period Fiber Grating，LPFG)具有边缘滤波特性，自行研制了一套光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)动态检测系统并将其用于振动方面的测试。试验结果表明，该解调系统能够较好地检测振动信号，相对于其他的解调方案，具有结构简单，解调速度快，成本较低等优点。本文利用高速数据采集卡读取采集数据传送到PC机，通过LabVIEW进行数据分析，实现了对动态应变系统状态的实时准确掌控。

1 解调原理
基于长周期光纤光栅解调系统解调原理如图1所示。

图中，曲线A为光纤布拉格光栅(FBG)的反射光谱，曲线C为长周期光纤光栅(LPFG)的透射谱，FBG反射光经过LPFG滤波后，光功率信号I(λ)为：

式中：R(λ)为FBG的反射光谱；H(λ)为LPFG的透射光谱；在一定的波长范围内，H(λ)近似线性函数，而R(λ)的光谱宽度远小于该波长范围，因此I(λ)也近似线性函数，也即：

由式(3)可知，通过测量I(λ)／I1(λ)的值即可获得波长信息，从而实现对FBG波长的检测。