光纤光栅传感器应用技术研究

率或最小透射功率便可测出传感光栅的波长移动量，进而推知待测量。该传感方法结构简单、造价低廉，测试结果不受光源谱线包络可能存在的精细结构叠加的影响。其静态轴向应变分辨率约为

图一 匹配光栅法解调原理图

3.2 非平衡M-Z干涉解调法

相干解调法具有最高精度，用这种方法解调可以大大提高传感分辨率。1992年，由A.D.Kersey等人提出的非平衡M-Z干涉解调法，如图二所示：

图二 非平衡M-Z干涉仪解调FBG波长原理图

宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送入非平衡M-Z干涉仪，通过干涉仪把Bragg波长漂移量转化为相位变化式中n为光纤的折射率，d为干涉仪的两臂长度差。由上式可见，只要用相位计探测出相位的变化，便可得知波长的移动量，另外，为了抵消直流零点漂移，可以利用一锯齿型电压（由图中的信号源产生）控制压电陶瓷，以调节干涉仪的一个臂，使干涉仪输出为一调制光，以信号源为参考用相位计检测输出信号的相位，因相位计可检测±1800，故波长可检测范围宽。

实验表明，此方案具有低于纳级相对应变的传感分辨率，当所检测的应变振源频率为10HZ时，分辨率为2n/ ,振源频率为500Hz时，分辨率为0.6n。

此方案具有宽带宽、分辨率高等优点，但其随机相移的影响决定了该方案只能适应于动态解调系统中。

3.3 基于迈克耳逊干涉仪的解调法

迈克耳逊干涉解调原理如图三所示：

图三 迈克耳逊干涉仪解调原理图

宽带光源发出的光由耦合器进入传感光栅，经其反射后进入由两镜面及光纤构成的迈克耳逊干涉仪，由3dB耦合器一端输出干涉光，再经光电转换、放大、滤波处理后的信号（干涉信号）与信号发生器的信号（参考信号）一起进入相位计检测其相位，调整驱动信号（由图中信号发生器发出的）的幅值及其直流电平的大小，使干涉信号变化的频率与参考信号的频率一致，此时相位计所显示值与传感光栅的波长移动量呈现一定的关系。波长变化引起的相位改变可表示为

该装置具有检测动态和准静态应变的能力，对工作环境要求不高，应变分辨率为5.5，灵敏度为1.8o/。

3.4 XPM解调法

XPM是指由不同波长、传输方向或偏振态的光波共同传输时，一种光场引起另一种光场的非线性相移。非线性光学介质中，XPM可表现为其折射率对光强的依赖关系。

由两个光纤耦合器及一定长度的光纤串联构成一个全光纤M-Z干涉仪。如图四所示:

图四 反馈控制的M-Z干涉仪

M-Z干涉仪的输出端口的光强为：

其中,分别为两臂的光振幅衰减系数，为两臂的相位差。

由两部分决定：XPM引入的非线性相移和两臂的光程差引入的相移。

I. XPM产生的非线性相移：

II.两臂光程差产生的相移：

得：

由上式可得如下结论：

I.信号光在两个输出端口的光强分布取决于信号光的波长和对信号光产生交叉相位调制的辅助光的强度。

II.信号光在两个输出端口的光强分布随呈余弦变化，且在时光强随波长变化灵敏度最高，时灵敏度为零。

式中和是未知量且存在一一对应关系，因此当反馈网络调整至两输出臂光强相等时，CPU通过辅助光强度可计算出FBG的中心波长，并显示给液晶显示屏或发送到PC机。

4 总结

自光纤光栅(FBG) 出现以来，光纤光栅传感技术得到了快速发展，并逐渐应用到民用工程领域。解调技术是光纤光栅传感系统的关键，直接决定了传感系统的性能，人们发展了许多用于波长编码的解调技术，可降低成本，方便快捷。本文就已有的光纤光栅传感器解调技术进行了总结，其中干涉法解调方案，以其分辨率高、易于实现多路解调、结构相对简单等优点,故此方案被广泛应用于光纤光栅波长移位的检测中。

张锦龙（1977.5-），男，在读博士，讲师，河南开封人，现就读于北京邮电大学电子工程学院，主要从事光纤传感、光纤通信方面的研究，感兴趣的方向有：光纤光栅传感、光放大、光交换。