传感系统【DOC精选】.docVIP

第四章 基于可调谐F-P滤波器FBG传感阵列的研究 4.1 可调谐F-P滤波器解调原理 图4.1 可调谐F-P滤波器解调系统 可调谐F-P滤波器解调系统如图4.1所示。宽带光源发出的光经过隔离器后到达一3dB耦合器，然后进入传感光栅FBG，根据第二章的光纤模式耦合原理，当宽带光在Bragg光栅中传播时，只有满足Bragg反射条件的波长被反射，其余的波段的光可以不受影响的透射。被传感光栅反射后形成的窄带光源，再次经过耦合器后到达可调谐F-P滤波器，其透射光最后到达光电探测器PD，图中，检测系统由低噪声放大器、数字滤波器和数字表组成的输出，IMG为折射率匹配液，用于减少光纤反射光的干扰。 根据第三章分析，当光通过F-P腔时，在其两个反射面之间产生多光束干涉，根据干涉条件，当入射光波长时，透射光光强取极大值，此时，调谐波长为： （4.1.1） 式中为F-P腔两平行反射面之间介质的折射率，为腔长，m为整数。从上式可以看出，通过改变或者都可以改变的变化。在本系统中，通过在压电陶瓷（PZT）上加锯齿电压来控制腔长的变化，这样使得F-P的腔长随着电压呈线性变化，有： （4.1.2） 式中为加电压后F-P的腔长，为一常数，为调谐电压，为未加电压时的固有腔长。 将（4.1.2）代入（4.1.1）有 （4.1.3） 由（4.1.3）可以看出，当调谐电压变化时，F-P腔的调谐波长随着线性地变化，当F-P腔的调谐波长与光纤Bragg光栅的波长重合时，既时，探测器PD有最大值，此时记录的调谐电压值，再与波长已标定的参考光栅的电压值进行比较，就可以唯一确定被测光纤光栅的Bragg波长。再经过一定的计算，可以把被测光纤光栅的Bragg波长求出来。 由式（4.1.3）和可得： （4.1.4） 式中，都为常数。可以看出，光纤Bragg光栅的波长与调谐电压成线性关系。 4.2 可调谐F-P滤波器解调的分析 对于静态或准静态系统，光电探测器PD上的输入光强为可调谐F-P滤波器的透射扫描函数与传感光栅FBG的反射谱线函数进行卷积运算的结果，即。在动态测量时，传感光栅的波长随着外界条件的变化而小幅度的变化，而可调谐F-P滤波器的透射谱是相对固定的，所以光电探测器PD上的输入光强可以用可调谐F-P滤波器的透射谱线函数与传感FBG的反射谱函数的卷积运算来表示。 在系统中，宽带光源的带宽是远大于传感光栅的带宽的，所以，在光纤光栅传感范围内将入射光看作恒定。由光纤光栅的耦合理论可知，光纤光栅的反射率是波长的复杂函数。对于切趾光纤光栅，当其反射率不是很高的时候，光纤光栅的真实反射谱型可以看作为高斯谱线。 研究系统的输出谱特性时，传感光栅FBG的反射谱函数可以取近似高斯分布[43]，有： (4.2.1) 对于可调谐F-P滤波器，其透射函数为: (4.2.2) 当其两个端面的反射率较小时，可以用双光束干涉代替多光束干涉，此时有： (4.2.3) 在实际的工程应用中，理想的宽带光源是不存在的，实际的光源分布为近似的高斯分布，则F-P滤波器的透射谱函数也可以表示为： (4.2.4) 式中，为传感光栅的峰值反射率、为可调谐F-P滤波器的峰值透射率，、为峰值波长，、为半强度带宽。 对于静态和准静态测量，在忽略连接损耗时，光电检测器PD接收到的光功率为 (4.2.5) 上式中，为耦合器分光比造成的总的衰耗，3dB的耦合器分光比为0.5。由于宽带光源发出的光前后共两次经过一个3dB耦合器，所以，。为入射光场的光强。假设可调谐F-P滤波器在线性调谐的周期中，反射波形保持不变，将记作变量，则上式可以改写为 (4.2.6) 从上式中可以看到，当可调谐F-P滤波器线性调谐(时，光电探测器接PD所收到的强度变化曲线即是输出光谱曲线，而曲线中极大峰值的位置即为传感FBG的峰值波长。当传感光栅FBG受到温度或应力的影响时，其光栅峰值波长会发生相应的变化，导致输出曲线的极大值位置也将会相应的改变。 图4.2：探测器接收光功率与可调谐滤波器带宽的关系曲线 图4.2为用Matlab仿真得到的探测器接收光功率与可调谐F-P滤波器带宽之间的关系曲线，其中，横坐标表示的波长为，，，，，，图中，曲线自上而下分别表示的可调谐F-P滤波器的带宽分别等于1.0nm、0.8nm、0.6nm和0.4nm时的情况。同理，若可调谐F-P滤