匹配光栅解调检测光纤光栅传感器的系统设计

光纤布拉格光栅传感器可用于直接检测温度和应变，以及与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的间接测量。在光纤布拉格光栅传感器的应用研究中，波长解调是一个重要的方面。波长解调方法主要有光谱仪、斜边滤波法、可调谐滤波法、干涉扫描法、匹配光栅法等。近年来，匹配光栅法越来越受到人们的青睐。下面将介绍一种简单、廉价且由两个并联的匹配光栅解调来检测光纤光栅传感器的系统设计方法。

双光栅匹配系统，宽带光源发出的光经3 dB耦合器进入传感FBG。再由FBG反射后进人两路匹配光栅，对应的两个光电探测器得到与其对应波长有关的光信号，然后由光电探测器将其转换为电信号并进入信号采集处理电路提取有用信号，最后由后续信号处理系统实现数据的采集与处理。

普通的匹配法只有一个传感光栅一个匹配光栅，对应只有一个△λ。当该△λ≥△λmin时，解调系统将无法继续解调。对于双光栅匹配解调系统，传感光栅与两个并联的匹配光栅的中心波长近似相等，但略有差别三者。在理论上，双光栅匹配解调系统总是至少有一个光电探测器可以探测到可用光信号。

匹配光栅反射回来的光入射到光电探测器(PD)上可转换为电信号。光电转换部分和信号采集部分主要完成对PD输出电信号的采集，采集到的信号再转化为数字信号由DSP进行处理。DSP主要完成数据的插值运算和寻峰处理，并根据处理结果反馈给DSP，由DSP依照反馈信号控制步进电机完成下一步的解调工作，。

DSP系统的软件部分主要由初始化程序、线性插值子程序或者曲线拟合子程序、显示程序、驱动程序、中断服务程序等几部分组成，可以将A/D转换和串行通讯代码放在中断服务程序中来实现。

初始化程序用于完成DSPI/O口、内部A/D转换器、串行口、中断等资源的初始化。为了协调A/D转换和步进电机的控制，可由DSP发出控制信号来控制步进电机，以使经过A/D转换所得的数字信号与加在匹配光栅上的步数一一对应。显示部分的程序可将此数字信号经代数变换转换为直接表示应力的数字量，然后通过查表动态实现应力显示。

当匹配光栅反射波长与光纤光栅反射波的中心波长重叠时，光电转换输出脉冲信号，并向DSP请求中断，然后由DSP执行中断服务程序，以将DSP内部A/D转换器转换所得的数字量读入DSP并保存起来，最后通过串行口发送到上位机再中断返回。

实验中可通过增加砝码的质量施加对悬臂梁不断增加的拉伸应力。两个匹配光栅反射光信号分别被各自对应的光电探测器所接收。光电探测器输出的模拟电压信号则由以DSP为核心的信号处理系统的一系列处理得出传感光纤布拉格光栅所感测到的外界物理量的大小。

当 PD1对应处理后的电压信号值为5 V时，对应的点为A和C，即对应的有两个光纤布拉格光栅的波长值。因此，对于这个5 V电压，解调系统无法直接判断出对应的悬臂梁负载的质量是A点还是C点所对应的质量。对于双光栅匹配解调系统，往往会存在两个匹配光栅并对应两个光电探测器。除存在PD1外，还存在PD2。系统可以通过PD1和PD2两者所对应的电压值来确定产生5V电压时所添加的砝码质量。实际上，可通过DSP系统的运算处理得到匹配光栅中心波长的变化量，从而得到传感光栅的中心波长变化量。对于双光栅匹配解调系统，对应的传感光栅可以取反射谱的双边，从而扩大传感光栅的测量范围。

双光栅匹配解调系统是以匹配法为基础并加以改进新方法。它继承了匹配法结构简单、成本低、实现容易等优点。同时，双光栅匹配解调系统还解决了因光电探测器导致的测量范围受限的问题，也解决了匹配法中存在的双值问题。该解调系统将匹配光栅粘贴于特殊悬臂梁上，并采用DSP进行处理，不仅提高了响应速度，而且提高了解调的精度和稳定性。