光纤光栅传感器解调技术研究.pdf

Research on Optical Fiber Grating Sensor

Demodulation Technology 

A Dissertation Submitted to
the Graduate School of Henan University
in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering Science


By
Zhang Shufang
Supervisor: Associate Prof. Zhang Jinlong
May,2013
摘 要
光纤光栅是近年来迅速发展的光纤器件，随着写入技术和解调技术的不断改进，光
纤光栅传感器逐渐在生活中得到应用。快速准确地对光栅信号解调是传感器系统设计的
关键问题之一，光纤光栅传感器测量的传感信息以波长编码的形式被解调系统接收，通
过测量波长的移动得到传感信号的变化情况。因此，如何检测光纤布拉格波长的微小变
化，即对波长编码的信号解调成为光纤光栅传感器应用研究的重点问题。
为实现高稳定性、高精度的波长干涉解调，本文在分析了光纤光栅传感器传感机理
和解调原理的基础上，针对如何提高光纤光栅传感器的解调技术及如何优化解调系统性
能的问题，开展了深入的研究。本论文的主要研究内容如下：
第一，详细地阐述了光纤传感器和光纤光栅传感器的传感机理和传感特性，并对两
类传感器进行了分析与比较，总结出各自的优缺点。
第二，针对现有的各种光纤光栅传感器解调技术，对其传感解调原理作了详细的研
究，分别对其特性、优缺点及其使用范围进行了深入地剖析和讨论。
第三，设计保偏光纤环镜(Polarization maintaining fiber, PMF)结构，提出了基于该结
构的光纤布拉格光栅传感解调方案，依据耦合模理论建立模型，应用 进行数
值仿真分析，验证了理论的正确性。
第四，在理论指导的基础上，运用光学系统仿真软件 搭建光路模块，
进行系统仿真及光路模拟，模拟解调系统中光信号的传输过程，进一步验证了该解调方
案的可行性。
第五，在 数值仿真和 系统光路模拟的基础上，搭建了解调
系统，并对所测得的实验数据分别进行了分析，探讨了输入光波长和输出光功率的分配
特性，讨论了结构参数对系统解调精度的影响，分析了该解调模型中保偏光纤长度、耦
合器耦合系数及两束偏振光相位差等参数的最优设置范围，证明系统具有很好的稳定
性、广泛的适用性和较高的检测灵敏度。
第六，调研了偏振分束器（polarizing beam splitters, PBS）在光纤光栅传感器波长
解调中的应用，提出了第二种解调方案——基于 PBS 的光纤光栅传感器解调方案。利
I
用 PBS 的 PMF 偏振模式间干涉原理，建立理论模型，运用矩阵光学方法分析光路传输
过程，研究温度对 PBS 两输出臂输出光功率的影响。
第七，依据基于 PBS 的光纤光栅传感器解调方案，搭建光路系统并设计适用各种
结构参数的电路模块和基于 LabVIEW 的参数测定软件，进行实验验证。实验结果及仿
真结果均与理论分析一致。在大于 1nm 解调范围内，波长平均解调精度小于 1pm（相
当于 ℃）。

关键词：光纤光栅传感器