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自20世纪80年代，光纤法珀(F-P)传感器由于其高灵敏度、单端检测、便于解调等优点，近年来发展迅速。目前，基于光纤法珀腔的传感器可以检测温度、应变、压力、声音、气体浓度、金属腐蚀等诸多物理量和化学量，并且广泛应用于大坝、桥梁、大型机械的安全监测以及石油、军事等领域。光纤法珀传感器的解调可以分为强度解调和相位解调两类，而相位解调技术由于精度高、动态范围大的优点成为目前较为普遍采用的方法。光纤法珀传感器的相位解调方法主要有条纹计数法、离散腔长变换法、可调谐滤波器法以及菲索干涉仪法等。这些方法中很多都需要在光谱仪上获得干涉光谱，而光谱仪大多为实验室设备，体积庞大，价格昂贵，不适于工程应用。因此本文设计并实现了一种针对白光干涉型光纤法珀传感器的基于体光栅和线阵CCD的解调系统，并针对应变和温度的测量设计了解调系统软件。
2 白光干涉型光纤法珀传感器原理
白光干涉型光纤法珀传感器典型结构如图1所示，其核心结构为光纤法珀干涉腔。通常，使用低相干光源的十涉测量系统被称为“白光干涉仪”。低相干光源都具有一定的光谱宽度，网此可看成是多个波长λ1，λ2，…λn的迭加。光入射到F-P空腔后，不断地在F-P腔的两个端面平板之间反射和透射，使得在平板的反射方向和透射方向上分别产生多光束，形成多光束干涉，在本文所研究的端面反射率很低(0.4％)的情况下，反射光的干涉可看成双光束干涉，其干涉光强为
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式中：I0为人射光强度；R为F-P腔两端面的反射率；△φ为由F-P腔所产生的两束光的相位差。当F-P腔的腔长是传输光半波长的整数倍时，反射光强IR最大。通过对峰值波长移动量的测量即可得到待测物理量的变化情况，这就是白光干涉型传感器的波长调制机理。
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3 解调系统的硬件设计
根据白光干涉型光纤传感器的工作原理，设计了基于白光干涉的光纤F-P传感器的解调系统。该解调系统要实现的功能是利用光源提供合适的光信号，光信号经过光纤的传播进入传感器的F-P腔发生干涉，当外界参数变化引起两光纤的光程差变化时，干涉条纹就发生移动。干涉条纹经过光学系统成像于线阵CCD上，CCD将干涉条纹转变成电压信号，A／D转换器把模拟信号转换为数字信号，输入到计算机。计算机把采集的信号加工、处理、显示。解调系统的总体框图如图2所示。
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该光纤法珀传感器解调系统的光路部分如图3所示。由宽带白光光源发出的经过光纤进入准直透镜，经过准直后照射到体光栅上，体光栅将入射光分光并反射至聚焦透镜。经聚焦透镜聚焦后的光最后照射到线阵CCD上。线阵CCD采用Sony公司生产的ILX511线性传感器产品，每个单元包括电荷耦合单元、CDS电路、偏置补偿电路、移位寄存器和时钟发生器。经过理论计算和设计，确定光路部分各结构单元的位置后，将各部件通过紧固件和高性能光纤胶固定在基座上。
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经过光电转换之后，光信号变成模拟电信号，采用高性能的采集卡进行模／数转换后成为数字信号，通过USB接口传递给计算机进行信号的处理、显示和存储等。在系统经过标定后就可以得到信号的波长、峰值、功率和信噪比等参数。
4 系统的标定和测试
为了得到光纤传感器解调系统的性能指标，对解调系统进行了标定和测试。标定采用光纤法珀温度传感器进行，对-20～60℃中-20，-10，0，10，20，30，40，50，60℃共计9个温度点进行温度标定。具体方法为：将FISO公司的光纤法珀温度传感器放入RTS-60制冷恒温槽(工作温度范围：-60～95℃；温度波动度：≤±0.008℃)，待充分保温(30 min以上)使恒温槽中各点温度均匀一致后，开始记录解调系统输出的峰值波长，并采用精度为0.01℃的贝克曼温度计进行标准温度的测试。通过二者拟合曲线来标定解调系统的温度灵敏度系数，该系数被解调系统保存。当再次安装另外一个光纤法珀温度传感器时，解调系统根据该系数并结合输入的温度传感器灵敏度系数进行测量。用该解调系统和贝克曼温度计对同一温度场测量。其测量结果之差如图4所示。
从图4可以看出，该解调系统与标准温度计的测量误差在±1℃以内。基本可以满足一般工程测量的需要。
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5 结 论
本文设计了一种采用体光栅作为分光元件的光纤法珀传感器的解调系统。经过测试表明，该种技术方案切实可行，经过标定后的解调系统具有较高的测量精度。对温度的测试精度在±1℃以上。