基于DWDM与MATLAB的光纤光栅压力传感解调系统的研究

赵亚丽，李玉华，张春青

(1.承德石油高等专科学校 a.工业技术中心；b.机械工程系，河北 承德 067000；2.承德市质量技术监督检验所，河北 承德 067000)

基于DWDM与MATLAB的光纤光栅压力传感解调系统的研究

赵亚丽1a，李玉华2，张春青1b

(1.承德石油高等专科学校 a.工业技术中心；b.机械工程系，河北 承德 067000；2.承德市质量技术监督检验所，河北 承德 067000)

为了简化光纤光栅压力传感器的解调系统结构、减少数据运算量提出了一种基于DWDM与MATLAB技术的光纤光栅压力传感解调系统。将DWDM作为动态解调元件，用MATLAB软件进行数据处理，将二者结合，可以有效减少数据运算量，降低系统成本，对光纤光栅压力传感器的使用有着极为重要的促进意义，实验表明，在0 MPa～6 MPa压力范围内，其波长分辨率约为0.28 pm。

DWDM；MATLAB；解调；光纤光栅；压力传感器

光纤光栅压力传感器是一种新型的全光纤无源器件，是用FBG( fiber Bragg grating 光纤布拉格光栅)作敏感元件的功能型光纤传感器。其实用化的关键就是如何高精度地测量光纤光栅反射波长的移动量问题。国内外的专家学者提出了诸如光谱仪法、滤波法、干涉法、匹配光纤光栅法、可调谐波长光源法等多种解调方法。但是大多数解调系统结构复杂，成本较高，实用性较低。例如，Mach-Zehnder干涉仪法虽然灵敏度较高，但是仅适用于动态检测；边缘滤波法适用于动态测量，但是对滤波器的要求较高；匹配光纤光栅法有较高的分辨率，但是系统信噪比较低，线性误差大；可调谐滤波器法精度高，测量范围大，可是成本太高；可调谐波长光源法的信噪比和分辨率较高但是复用性不好[1-3]。所以，研发出结构相对简单、成本较低的解调产品，必然会使光纤光栅压力传感器的实用性得到大幅度地提升。随着DWDM(dense wavelength division multiplexing，密集型波分复用器)技术的完善，研究人员开始尝试将其作为解调工具[4]。经过研究，笔者提出了一种基于DWDM和MATLAB软件的解调系统，有效解决了当前存在的技术复杂、成本较高等问题。

1 光纤光栅压力传感器的DWDM解调

1.1 光纤光栅压力传感器

根据Bragg衍射原理，当宽带光源发出的光入射到FBG中去，FBG将把以Bragg波长为中心的窄带光谱范围内的光反射回来。Bragg波长λB由FBG的栅距A和有效折射率neff决定，根据耦合模理论可知：由于折射率发生了周期性变化，特定波长的光束便会被反射，这样的光满足下式：

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB为反射光的中心波长；Λ为光栅周期；neff为所使用光纤的有效直射率[5]。可见，光线光栅的中心波长与光栅周期和光纤纤芯折射率成正比。而光栅周期和光纤纤芯折射率受外界温度、压力或应变的影响，当这些参数改变时，就会使得光纤光栅的中心波长发生偏移。光纤光栅压力传感器就是在这一基础上提出来的。压力的变化会使得光纤产生形变，引起光纤整体折射率的变化，从而改变光纤光栅的中心波长位置。常用的光栅压力传感器有弹簧式、悬臂梁式和膜片式等几种，其中弹簧管和膜片式压力传感器结构如图1所示[6-8]。这两种光纤光栅压力传感器可以有效避免温度的影响，实验采用的是图1(a)所示的压力传感器。

1.2 DWDM解调技术原理

光纤的反射窄带光谱自身拥有一定的宽度，约为0.3～0.4 nm，用DWDM(密集波分复用器)进行解调，当光谱的中心波长移动到DWDM某一端口时，该通道可以得到最大化的输出功率，但是由于相邻通道的中心波长差异不大，所以在相邻信道端口也有功率输出[9]，只是小于最大信道输出功率值，而且这些功率值形成的曲线与光纤光栅反射光谱吻合，如图2所示。因此，通过测量各个信道的强度分布情况，再将其最大输出功率通道及相邻通道的输出功率用MATLAB软件进行曲线拟合，则该曲线最大值所对应的波长即为所测波长值，即窄带光谱的中心波长。实验系统选用8通道、信道间隔为0.4 nm的密集波分复用器。

2 实验系统结构与结果分析

2.1 实验系统总体结构

为了能够准确得出DWDM解调技术以及MATLAB软件的使用对光纤光栅压力传感器解调带来的影响，设置了相应的实验系统进行实验，系统结构如图3所示。

ASE 宽带光源发出的光经过光耦合器入射到光纤光栅，反射后入射到密集波分复用器，在DWDM的不同信道就会有不同强度的光功率输出，当光纤光栅压力传感器随着所承受的压力从0开始逐渐提升至6 MPa时，DWDM各通道的光功率也会随之改变，光电探测器测得各通道输出值后再经由MATLAB软件进行处理即可得到所测波长值。

2.2 实验结果与分析

根据上述实验系统进行实验，并将实验数据输入到MATLAB软件的命令窗口中用cftool工具进行数据拟合处理。在MATLAB主窗口中输入cftool命令后回车会出现curve fitting tool窗口，点击其中的fitting工具，就可以得到图4中的画面，从这个界面可以很方便地选择需要的数据拟合类型并得出拟合结果，由解调原理可知，DWDM各通道的输出功率构成的曲线为高斯曲线，所以本实验选择高斯拟合。

图5是当压力为4.5 MPa时，各中心波长与光功率输出较大的4个通道输出功率的高斯拟合曲线，由实验原理可以得出，拟合曲线顶点所对应的横纵标就是中心波长，用MATLAB可以很方便的读出顶点坐标值，在MATLAB中我们可以读出当压力为4.5 MPa时中心波长为1 551.06 nm。用这种方法可以得到压力为0 MPa～6 MPa之间的任意值下的中心波长数据，将数据在MATLAB中进行线性拟合，得出如图6所示的线性关系图。

同时，MATLAB软件给出图6中这条线的线性方程为：

y=-0.277 5x+1 552.295

(2)

由式(2)可看出，DWDM与MATLAB的使用一定程度上提高了测量结果的精确程度。在实验过程中，所测波长与压力的变化呈现了较好的线性关系，即两者之间存在着一个较为规范的函数关系，测量效果较好。在实验过程中我们发现，当使用的光纤光栅反射光谱的半宽度为0.1 nm～0.2 nm时，DWDM的8个信道输出值只有不超过三个信号是有效的。当半宽为0.2 nm～0.3 nm时，有效数据明显增多，达到4个或5个，由此，可以看出在使用DWDM进行解调时，光纤光栅半宽参数的选择是极为重要的，所以，本次实验中采用了半宽为0.26 nm的光纤光栅，保证了数据拟合的真实性。

3 结论

基于DWDM与MATLAB的解调系统为全光纤波长解调方式，与传统的干涉仪法、可调谐波长光源法、 匹配光纤光栅法等相比，不需要电信号，受环境影响较低，结构简单、安全防爆、成本低廉，且不受光强波动影响。且采用MATLAB作为数据处理软件，可直接读出各点坐标，减少了数据运算量，且得出的拟合结果与理论曲线一致性良好。选择8个信道中拟合曲线斜率较小的曲线来计算波长分辨率，得出实验系统在0 MPa～6 MPa压力范围内的波长分辨率约为0.28 pm，分辨率较高。

[1] 刘胜春,郝义昶,南秋明.光纤Bragg光栅传感器在桥梁系杆长期监测中的应用研究[J].承德石油高等专科学校学报,2006，8(1):42-45.

[2] 赵立民,刁春暖,王鑫.基于悬臂梁的光纤光栅匹配解调系统[J].沈阳工业大学学报,2008，30(6):672-674.

[3] 杨洋.基于边缘解调技术的光纤光栅波登管压力传感器的研制[J].光学技术,2009，35(1):53-55.

[4] 刘欣,杨洋,刘兵,等.DWDM双边缘解调技术对光纤光栅压力传感器的影响[J].仪表技术与传感器,2016(3):14-16.

[5] 谭波.一种高灵敏度光纤光栅压力传感器[J].光电子·激光,2012,23(11):2102-2105.

[6] 鲁昌涛,周斌,姜恒和.光纤光栅压力计及其传感特性的研究[J].华南师范大学学报(自然科学版),2016,48(22):30-34.

[7] 王义平,唐剑,尹国路,等.光纤光栅制作方法及传感应用[J].振动、测试与诊断,2015,35(5):809-817.

[8] 李剑芝,孙宝臣.新型光纤光栅温度自补偿方法理论分析[J].强激光与粒子束,2015,27(2):84-90.

[9] 杨洋,刘兵,赵勇,等.DWDM技术在新型波长解调方法中的应用[J].红外与激光工程,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

河北省教育厅青年基金(基于DWDM的光纤光栅压力传感解调系统的研究)：QN2016216；承德市科学技术研究与发展计划项目(新型温度压力流量同时测量的一体化光纤传感器)：20141204

2016-07-06

赵亚丽(1982-)，女，河北保定人，讲师，硕士，主要从事光电检测及光纤传感技术研究，邮箱zhaoyali1982@163.com。

TN253

A

1008-9446(2016)06-0054-03