基于DWDM與MATLAB的光纖光柵壓力傳感解調系統(tǒng)的研究

趙亞麗，李玉華，張春青

(1.承德石油高等?？茖W校 a.工業(yè)技術中心；b.機械工程系，河北 承德 067000；2.承德市質量技術監(jiān)督檢驗所，河北 承德 067000)

基于DWDM與MATLAB的光纖光柵壓力傳感解調系統(tǒng)的研究

趙亞麗1a，李玉華2，張春青1b

(1.承德石油高等專科學校 a.工業(yè)技術中心；b.機械工程系，河北 承德 067000；2.承德市質量技術監(jiān)督檢驗所，河北 承德 067000)

為了簡化光纖光柵壓力傳感器的解調系統(tǒng)結構、減少數(shù)據(jù)運算量提出了一種基于DWDM與MATLAB技術的光纖光柵壓力傳感解調系統(tǒng)。將DWDM作為動態(tài)解調元件，用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)處理，將二者結合，可以有效減少數(shù)據(jù)運算量，降低系統(tǒng)成本，對光纖光柵壓力傳感器的使用有著極為重要的促進意義，實驗表明，在0 MPa～6 MPa壓力范圍內，其波長分辨率約為0.28 pm。

DWDM；MATLAB；解調；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。其實用化的關鍵就是如何高精度地測量光纖光柵反射波長的移動量問題。國內外的專家學者提出了諸如光譜儀法、濾波法、干涉法、匹配光纖光柵法、可調諧波長光源法等多種解調方法。但是大多數(shù)解調系統(tǒng)結構復雜，成本較高，實用性較低。例如，Mach-Zehnder干涉儀法雖然靈敏度較高，但是僅適用于動態(tài)檢測；邊緣濾波法適用于動態(tài)測量，但是對濾波器的要求較高；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；可調諧濾波器法精度高，測量范圍大，可是成本太高；可調諧波長光源法的信噪比和分辨率較高但是復用性不好[1-3]。所以，研發(fā)出結構相對簡單、成本較低的解調產(chǎn)品，必然會使光纖光柵壓力傳感器的實用性得到大幅度地提升。隨著DWDM(dense wavelength division multiplexing，密集型波分復用器)技術的完善，研究人員開始嘗試將其作為解調工具[4]。經(jīng)過研究，筆者提出了一種基于DWDM和MATLAB軟件的解調系統(tǒng)，有效解決了當前存在的技術復雜、成本較高等問題。

1 光纖光柵壓力傳感器的DWDM解調

1.1 光纖光柵壓力傳感器

根據(jù)Bragg衍射原理，當寬帶光源發(fā)出的光入射到FBG中去，F(xiàn)BG將把以Bragg波長為中心的窄帶光譜范圍內的光反射回來。Bragg波長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，特定波長的光束便會被反射，這樣的光滿足下式：

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB為反射光的中心波長；Λ為光柵周期；neff為所使用光纖的有效直射率[5]。可見，光線光柵的中心波長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、壓力或應變的影響，當這些參數(shù)改變時，就會使得光纖光柵的中心波長發(fā)生偏移。光纖光柵壓力傳感器就是在這一基礎上提出來的。壓力的變化會使得光纖產(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構如圖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，實驗采用的是圖1(a)所示的壓力傳感器。

1.2 DWDM解調技術原理

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(密集波分復用器)進行解調，當光譜的中心波長移動到DWDM某一端口時，該通道可以得到最大化的輸出功率，但是由于相鄰通道的中心波長差異不大，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，通過測量各個信道的強度分布情況，再將其最大輸出功率通道及相鄰通道的輸出功率用MATLAB軟件進行曲線擬合，則該曲線最大值所對應的波長即為所測波長值，即窄帶光譜的中心波長。實驗系統(tǒng)選用8通道、信道間隔為0.4 nm的密集波分復用器。

2 實驗系統(tǒng)結構與結果分析

2.1 實驗系統(tǒng)總體結構

為了能夠準確得出DWDM解調技術以及MATLAB軟件的使用對光纖光柵壓力傳感器解調帶來的影響，設置了相應的實驗系統(tǒng)進行實驗，系統(tǒng)結構如圖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用器，在DWDM的不同信道就會有不同強度的光功率輸出，當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，DWDM各通道的光功率也會隨之改變，光電探測器測得各通道輸出值后再經(jīng)由MATLAB軟件進行處理即可得到所測波長值。

2.2 實驗結果與分析

根據(jù)上述實驗系統(tǒng)進行實驗，并將實驗數(shù)據(jù)輸入到MATLAB軟件的命令窗口中用cftool工具進行數(shù)據(jù)擬合處理。在MATLAB主窗口中輸入cftool命令后回車會出現(xiàn)curve fitting tool窗口，點擊其中的fitting工具，就可以得到圖4中的畫面，從這個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果，由解調原理可知，DWDM各通道的輸出功率構成的曲線為高斯曲線，所以本實驗選擇高斯擬合。

圖5是當壓力為4.5 MPa時，各中心波長與光功率輸出較大的4個通道輸出功率的高斯擬合曲線，由實驗原理可以得出，擬合曲線頂點所對應的橫縱標就是中心波長，用MATLAB可以很方便的讀出頂點坐標值，在MATLAB中我們可以讀出當壓力為4.5 MPa時中心波長為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數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)在MATLAB中進行線性擬合，得出如圖6所示的線性關系圖。

同時，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量結果的精確程度。在實驗過程中，所測波長與壓力的變化呈現(xiàn)了較好的線性關系，即兩者之間存在著一個較為規(guī)范的函數(shù)關系，測量效果較好。在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，當使用的光纖光柵反射光譜的半寬度為0.1 nm～0.2 nm時，DWDM的8個信道輸出值只有不超過三個信號是有效的。當半寬為0.2 nm～0.3 nm時，有效數(shù)據(jù)明顯增多，達到4個或5個，由此，可以看出在使用DWDM進行解調時，光纖光柵半寬參數(shù)的選擇是極為重要的，所以，本次實驗中采用了半寬為0.26 nm的光纖光柵，保證了數(shù)據(jù)擬合的真實性。

3 結論

基于DWDM與MATLAB的解調系統(tǒng)為全光纖波長解調方式，與傳統(tǒng)的干涉儀法、可調諧波長光源法、 匹配光纖光柵法等相比，不需要電信號，受環(huán)境影響較低，結構簡單、安全防爆、成本低廉，且不受光強波動影響。且采用MATLAB作為數(shù)據(jù)處理軟件，可直接讀出各點坐標，減少了數(shù)據(jù)運算量，且得出的擬合結果與理論曲線一致性良好。選擇8個信道中擬合曲線斜率較小的曲線來計算波長分辨率，得出實驗系統(tǒng)在0 MPa～6 MPa壓力范圍內的波長分辨率約為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期監(jiān)測中的應用研究[J].承德石油高等?？茖W校學報,2006，8(1):42-45.

[2] 趙立民,刁春暖,王鑫.基于懸臂梁的光纖光柵匹配解調系統(tǒng)[J].沈陽工業(yè)大學學報,2008，30(6):672-674.

[3] 楊洋.基于邊緣解調技術的光纖光柵波登管壓力傳感器的研制[J].光學技術,2009，35(1):53-55.

[4] 劉欣,楊洋,劉兵,等.DWDM雙邊緣解調技術對光纖光柵壓力傳感器的影響[J].儀表技術與傳感器,2016(3):14-16.

[5] 譚波.一種高靈敏度光纖光柵壓力傳感器[J].光電子·激光,2012,23(11):2102-2105.

[6] 魯昌濤,周斌,姜恒和.光纖光柵壓力計及其傳感特性的研究[J].華南師范大學學報(自然科學版),2016,48(22):30-34.

[7] 王義平,唐劍,尹國路,等.光纖光柵制作方法及傳感應用[J].振動、測試與診斷,2015,35(5):809-817.

[8] 李劍芝,孫寶臣.新型光纖光柵溫度自補償方法理論分析[J].強激光與粒子束,2015,27(2):84-90.

[9] 楊洋,劉兵,趙勇,等.DWDM技術在新型波長解調方法中的應用[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系統(tǒng)的研究)：QN2016216；承德市科學技術研究與發(fā)展計劃項目(新型溫度壓力流量同時測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，主要從事光電檢測及光纖傳感技術研究，郵箱zhaoyali1982@163.com。

TN253

A

1008-9446(2016)06-0054-03