VC++光纤光栅测温信号采集和处理软件设计(4)
2.2 光纤光栅的温度传感特性
图2.2所示为光纤光栅的结构图，它是将光纤置于周期性空间变化的紫外光源下，通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的。
图2.2 光纤光栅的结构
对于布拉格光纤光栅（FBG），反射条件又称为布拉格条件。图2.3是FBG的反射特性示意图，入射进光纤光栅的宽带光，只有满足一定条件的波长的光能被反射回来，其余的透射光谱则不受影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。光纤光栅传感的基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其FBG中心波长的移动，通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量的测量。
图2.3 FBG反射特性示意图
由耦合模理论可知，Bragg中心波长为 (2-5)
式中n是纤芯的有效折射率， 是光栅周期。
可见Bragg波长λb随n和 的变化而变化，而n和 的该百年与应变和温度有关。温度通过热光效应影响n，通过热膨胀效应影响 ，进而使λb 发生移动。
当材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上是唯一与材料系数相关的常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感可以得到很好的线性输出。
2.3 测温系统的硬件组成
光纤布拉格光栅传感器的基本原理结构如图2.4所示，其中包括宽谱光源（如面发光二级管SLED或放大自发辐射光源ASE等）、光传输与转换部分、FBG传感单元和波长测量系统。当布拉格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力等被测量时，光栅自身的折射率或栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力等值。
具体到光纤光栅测温系统，则其硬件组成如图2.5所示，ASE光源将有一定带宽的光通过光耦合器或者光环行器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，再通过耦合器或者环形器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化，最后由信号采集系统将收集到的信号传入计算机进行各项处理。
图2.4光纤光栅传感系统的基本组成
图2.5光纤光栅测温系统的硬件组成
图2.6光纤光栅测温系统的工作流程
3 光纤光栅数据信号解调技术与信号采集系统理论分析
3.1 基于波长的可调F-P滤波解调法
温度、应变和压力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变或压力等被测量信息。
光纤光栅传感系统包括传感过程和解调过程，传感过程是通过外界参量对光纤光栅中心波长的调制来实现的，而解调过程与传感过程相反，是将反射波长的变化量与外界参量的变化相应的过程。从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、波长解调、相位解调、频率解调、偏振解调等。其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。
目前，基于波长的解调方法很多，其中可调F-P滤波解调法是目前最常用、实用性和稳定性都较好的解调方法。F-P滤波器的功能是：当一束宽带光入射F-P腔，有一窄带光出射（谱宽小于0.3nm），出射光谱的中心波长与F-P腔的腔长相对应。滤波器的结构如图3.1所示，由两块互相平行的玻璃或石英板G1与G2、两个透镜L1、L2和压电体组成。两板G1和G2的内表面镀一层高反射膜，两板严格平行，中间夹杂着空气层，两平行板间隔由压电体改变，两板在移动过程中严格的保持平行。G1与G2构成了F-P腔，当入射光经过F-P腔时，若腔长L等于入射光的半个波长的整数倍时，即2L=nλ（n=0,1,2…）,则光束在其间多次反射产生多光束干涉而输出与腔长L对应的窄带光。腔长L随压电体的驱动电压的变化而变化，不同的驱动电压对应不同中心波长的窄带光射出F-P滤波器。