光纤Bragg光栅传感监测解调系统设计

冯 艳, 张 震,2, 张 华, 王飞文, 严明辉

(1. 南昌大学 机电工程学院, 江西省机器人与焊接自动化重点实验室, 江西 南昌 310031； 2. 南昌大学 前湖学院, 江西 南昌 310031)

光纤Bragg光栅(FBG)传感器具有波长编码、波分复用、抗电磁干扰、传感线性优良等优点,集信息传输与传感于一体,在智能材料与结构领域有着广泛的应用前景[1-4]。在实际应用中,将不同中心波长的FBG串联在一根光纤上,可实现多点测量；结合空分复用技术,通过光开关并联多个FBG,实现多通道测量[5]。多通道FBG传感解调信息的稳定、高速采集以及较高的灵敏度和监测精确度是FBG传感器监测解调系统的关键技术。

LabVIEW是一种图形化编程语言,广泛应用于工业和科学测试中[6-7]。近年来,有关FBG解调系统的研究成果多有发表,例如用AT89C2051单片机制作光开关驱动电路实现4通道间切换[8]；采用光纤Bragg光栅传感器和多点传感系统实现多个传感器的复用[9]；基于LabVIEW和可调谐光滤波器的光纤光栅传感系统实现光纤光栅传感的动态解调[10]；利用LabVIEW虚拟仪器平台实现16通道的FBG传感中心波长的动态更新[11]等。本文基于BaySpec高速FBGA解调模块设计了一种双通道、实时监测温度特性和应变特性的光纤Bragg光栅传感监测解调系统。该系统既可实时监测中心波长变化,又可以监测光谱变化,且操作方便灵活、灵敏度高。

1 FBG传感检测及传感原理

当宽带光在FBG中进行传播,只有满足一定条件的波长的光被反射回来,其余光被透射出去(见图1)。反射光的峰值即Bragg波长λB为[12]

λB=2neffΛ

(1)

图1 光纤Bragg光栅工作原理

式(1)中：neff是纤芯的有效折射率,Λ为光栅周期。

在应力与应变的作用之下,弹光效应会使折射率发生变化,而材料的变形则会令光栅周期发生变化。因温度而产生的热光效应使折射率发生变化,并产生热膨胀效应，使光栅的周期发生变化。当应力、应变、环境温度都发生变化时,忽略波导效应,FBG光栅的波长变化量可表示为[13]

(2)

式中：应变灵敏度Kε=1-Pe,Pe为有效弹光系数；Δε为轴向应变变化量；温度灵敏度KT=α+ξ,α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数；ΔT为温度变化量。

2 FBG传感监测解调系统设计

2.1 解调系统设计

传感解调系统结构包含工作波长为C+L波段(1 525～1 605nm)、输出光功率为20dBm的ASE宽带光源,1×4路的单模光开关,STC89C52RC单片机,BaySpec公司的FBGA-F-1510-1590-FP快速解调模块、光纤环形器等,如图2所示。

图2 传感监测解调系统示意图

其中,C+L波段ASE宽带光源发出光经环形器和光开关,入射到串联于一根光纤的FBG传感元件,传感元件反射不同中心波长的光波。反射光波经环形器照射到FBGA-F-1510-1590-FP快速解调模块,解调模块通过USB端口与上位机相连,分析该传感元件温度特性或应变特性。

FBG传感监测解调系统执行光谱波长采集程序、Bragg波长识别程序和温度传感特性及应变传感特性分析程序,通过单片机控制板转换通信电平后,执行多通道光开关的切换以及采集并处理解调的传感光谱信息。

2.2 LabVIEW软件模块设计

FBG传感监测解调系统利用LabVIEW的DLL(动态链接库),完成与解调模块和上位机的通信,实现解调数据采集、处理、存储并显示的数据采集系统以及温度超限警报和历史数据回放等附加功能。

(1) 光谱数据处理和存储。模块数据获取通过调用DLLGetspectra函数来实现。初始化一个512列的数组当作数据的缓存,将获得的光谱数据pdblSpectrum转化为相应的光谱强度并进行存储。

(2) 温度监测及数据存储。通过调用DLLGetSearchPeak函数获取中心峰值,该波长即为实时中心波长,再将其与标定波长相减得到波长变化量,波长变化量除以FBG温度灵敏度即可得到温度变化量,温度变化量加上标定温度便得到实时温度。存储温度与中心波长数据。

(3) 应变监测及数据存储。类似温度监测功能,通过调用DLLGetSearchPeak函数获取中心峰值,将其与标定波长相减后除以FBG应变灵敏度,加上标定应变值便得到实时应变。存储实时应变值与中心波长数据。

(4) 其他功能。在FBG传感监测解调系统中,基于光纤Bragg光栅传感器的空分复用技术,引入了多通道单模光开关,提供应变监测与温度监测的选择功能。将上文所述存储的光谱数据及中心波长、对应的温度数据和应变数据以图形的方式展现出来,实现数据的回放。另外,通过通道选择开关的开启,每只FBG设有温度或者应变上下极限,当超出范围时将报警。

3 实验与分析

通过STC89C52RC单片机控制光开关通道实时监测温度和应变。传感监测解调系统的硬件如图3所示。选用FBG1和FBG2用于温度传感,FBG3和FBG4用于应变传感。FBG1和FBG2在室温下的初始中心波长分别为1 543.966nm和1 555.861nm；FBG3和FBG4在室温下的初始中心波长分别为1 530.042nm和1 530.116nm。

采用杭州聚华光电科技有限公司的JH-FBG-A3光纤光栅解调仪进行温度和应变的标定。该解调仪波长分辨率为0.1pm,波长精度±1pm。恒温仪采用杭州佑宁仪器有限公司的MiNiC-100迷你金属浴,该恒温器温度范围为-10℃～100℃,控温误差小于0.3℃,测温分辨率为0.5℃。

将FBG置于干式恒温仪中,恒温仪温度调节范围设置20℃～100℃,每次上升10℃并保持5min,解调仪记录中心波长,得到FBG1、FBG2的温度标定灵敏度分别为10.37pm/℃,10.50pm/℃。

将FBG3与FBG4分别粘贴悬臂梁上下表面同一位置,在悬臂梁的自由端施加0g、50g、100g、150g、200g、250g、300g砝码,解调仪记录两只传感器中心波长,得FBG3、FBG4的应变标定灵敏度分别为2.946pm/με和-2.646pm/με。

图3 传感监测解调系统

3.1 温度传感实验

3.1.1 设计原理

将FBG1和FBG2分布式连接,其中FBG1置于干式恒温仪中,FBG2处于室温环境,如图4所示。

图4 温度传感性能监测分布示意图

3.1.2 实验结果

在室温20 ℃下,选用传感监测解调系统的2个通道,记录2只传感器的温度与中心波长,实现FBG传感器的空分复用。其中FBG1测温平均偏差为

测温标准差为

均小于恒温仪分辨力0.5 ℃,温度监测效果较好。

3.1.3 灵敏度分析

根据FBG1温度监测20 ℃～100 ℃数据以及温度标定数据点(见图5),传感线性度S保持良好的线性,与标定灵敏度的灵敏度误差为

温度灵敏度误差小于1%,实验表明有良好的温度传感监测精度。

3.2 应力传感实验

3.2.1 结构设计原理

应变传感单元结构如图6所示。在悬臂梁同一位置上下表面粘贴FBG3和FBG4(FBG3和FBG4相同),构成差动式连接,既补偿环境温度变化误差,同时也提高应变传感的灵敏度。

图5 温度监测数据

图6 应变传感监测分布示意图

悬臂梁弹性模量为E,梁宽b,梁厚h,梁长l,施加力为F,则FBG位置轴向处应变ε为

(3)

由式(2)可得：

(4)

进一步可得：

(5)

(6)

3.2.2 实验结果

悬臂梁的弹性模量为97.85 GPa,梁宽b=4 mm,梁厚h=1.5 mm,梁长l=13.5 mm。在传感监测实验中,基于空分复用技术,通过单片机控制选用应变监测分路,解调系统记录2只传感器监测应变及中心波长。监测应变平均偏差为

监测应变标准差sε为

均远小于最小应变分辨率65 με。实验表明,应变传感监测效果良好。

3.2.3 灵敏度分析

根据FBG应变监测数据与应变标定数据点(见图7),传感的线性度S保持优良的线性,与标定灵敏度的灵敏度误差分别为：

应变灵敏度误差均小于1%,实验表明有较好的监测精度。

3 结论

所设计的光纤Bragg光栅传感监测解调系统实现了实时监测中心波长和光谱的变化,通过单片机控制光开关实现了温度和应变传感的实时监测。实验表明：在20 ℃～100 ℃温度范围内,温度监测平均误差0.3 ℃,标准差0.163 ℃,解调系统所测灵敏度与标定灵敏度之间的灵敏度误差为0.29%；在0～390 με应变范围内,应变监测平均误差2.79 με,标准差2.63 με,解调系统所测灵敏度与标定灵敏度之间的灵敏度误差分别为0.10%、0.19%,说明该传感解调系统具有高精度的温度和应变的实时监测功能。该系统可实现分布式FBG传感监测和切换监测通道,并且操作方便、灵活,可靠性高,具有实际应用价值。

图7 应变监测数据