非平衡干涉检测光纤光栅复用传感系统研究

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1、基于M-Z干涉仪的光纤光栅复用传感系统研究摘要：本文利用非平衡M-Z干涉仪对光纤光栅传感器进行解调，提出一种利用软件进行相位解调的新方案。系统采用压电陶瓷（PZT）实现相位载波调制，利用分辨率为12bit，单端16路模拟量数据采集输入通道的数据采集卡（AMPCI9101A）对载波信号进行采集，通过离散傅里叶变换（DFT）对相位调制信号进行检测，实现了对多路复用传感的同步、实时解调。该解调系统利用软件进行相位解调，并对M-Z干涉仪进行了封装，有效的降低了噪声的引入，系统结构简单，成本低，可同时检测静态信号

2、和低频动态信号。关键词：M-Z干涉仪，AMPCI9101A，复用传感器，软件解调KeyWord:Mach–ZehnderInterferometer,AMPCI9101A,multipliedsensors,softwareinterrogation1、引言近年来，光纤光栅以其抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻,传输损耗小,便于复用等特点已经成为目前光纤传感器系统的研究热点[1]。目前波长解调技术是限制其发展的重要因素之一。光纤光栅传感器常用的解调方法有：匹配滤波法[3]、非平衡M-Z干涉仪法、可调谐F

3、-P腔法[4]等，其中非平衡M-Z干涉仪具有响应快、分辨率高、插入损耗少、成本低等优点，但是仅适用于小幅度动态信号的检测。通过在固定环境中加参考光栅的方法，可以实现对静态信号的测量[5]。本文介绍了一种基于全光纤非平衡M-Z干涉仪的解调系统，计算机控制AMPCI9101A数据采集卡输出调制信号，通过压电陶瓷（PZT）实现对M-Z干涉仪的相位调制，光纤光栅反射光信号，经光/电和模/数转换后，通过分辨率为12bit的AMPCI9101A数据采集卡进行采入计算机，由计算机实现数据处理、数据存储传输及系统智能化

4、等。该系统具有较高的分辨率和测量精度，可实现对多路复用传感的同步解调，并可以实现对静态信号和低频动态信号的检测。2、非平衡M-Z干涉仪的解调原理非平衡M-Z干涉解调法是1992年由A.D.Kersey等人提出的，其原理图如图1所示。宽带光源经3db耦合器入射到光纤光栅，其反射光经两个3db耦合器进入非平衡M-Z干涉仪。由干涉原理可知，光电探测器检测到的干涉仪输出光强I为[2]：（1）式中为M-Z干涉仪不等臂长引起的相位差，d是干涉仪原始臂长差，n为光纤有效折射率，λB为光纤光栅中心波长；I0为峰值光强，

5、与输入光强及系统损耗有关；为环境因素引起的系统随机误差；k（k<=1）为MZI的消光系数。当外界环境发生变化，引起光纤光栅中心波长发生ΔλB的漂移，通过干涉仪引起的相位变化量为：（2）由（2）式可知，只要解调出即可得到波长的漂移量，即可求得待测物理量的变化。图1M-Z干涉仪波长解调原理框图3、光纤光栅传感系统原理由（2）式可知，干涉仪的解调原理是将波长的漂移量转化为相位差。由温度引起相位差变化，（2）式可写成如下的形式：（3）其中是光栅温度的变化，是光栅对温度的响应系数。图2是传感器的系统框图，具有平坦

6、光谱的宽带光源（ASE）经隔离器后，被耦合进入非平衡M-Z干涉仪，在其输出端口形成具有梳状谱特性的干涉光：（4）（5）式中I为光源的平均光功率水平。干涉仪的两个输出端口分别经过3db耦合器将干涉光耦合进四路光纤，四路光纤分别接光纤光栅FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，每一根光栅从干涉仪输出光中选择了一个窄带成分，并且在光电探测器上形成干涉信号（其中FBG1、FBG2、FBG3为传感光栅；FBG4为参考光栅，克服干涉仪随机相位波动引起的分辨率降低）。如图2所示，M-Z干涉仪的参考臂被缠绕在PZT上，

7、组成了一个相位调制器。由计算机控制AMPCI9101A数据采集卡输出调制电压，PZT在调制电压的作用下产生伸缩，引起干涉仪臂长差的变化，导致干涉仪输出信号随调制信号有规律的变化，实现对干涉仪的相位调制。光电探测器的输出信号经隔直、放大电路后，生成了两个具有如下形式的电信号：（6）（7）（8）（9）其中、、、是跟光功率、损耗、光电探测器增益、放大器放大系数有关的幅度，是所用相位调制信号的频率。s1、s2、s3、s4分别表示，经干涉仪相位调制，携带有光纤光栅FBG1、FBG2、FBG3和FBG4相位漂移信息

8、的载波。该信号经放大、模/数转换后采入计算机，由软件控制采集频率，并对采集到的数字信号进行离散傅里叶变换，获取载波s1和s4的初始相位差。以为参考值，当传感光栅中心波长改变时载波的相位差变成，由可以得出传感光栅FBG1的相位变化，同理可得传感光栅FBG2、FBG3的相位变化分别为：，。该解调方法可以有效的克服干涉仪随机相位波动引起的分辨率降低，适用于静态信号和低频动态信号的检测，且具有很高的分辨率。图2光纤光栅传感器系统框图4、实验与结果4