一種新犁光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)

　　光纖光柵(FBG)傳感器通過(guò)波長(zhǎng)編碼傳感信號(hào)，可用于應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等諸多物理量的傳感測(cè)量，因而受到重視[1，2]。FBG傳感器常用的解調(diào)方法有匹配濾波法、線性濾波器法、非平衡馬赫澤德干涉法[3]和可調(diào)諧F-P腔法[4，5]。其中，線性濾波解調(diào)方法對(duì)傳輸損失及光源波動(dòng)引起的變化不敏感，具有較好的線性輸出[6]，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、便攜靈巧的傳感解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑。但由于系統(tǒng)耦合器的分束比變化、光纖雙折射及濾波器非線性都會(huì)影響測(cè)量精度，且分辨率較低，制約了線性濾波法FBG傳感器解調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　FBG傳感器的一個(gè)主要應(yīng)用是埋于智能結(jié)構(gòu)[7]，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、變形、振動(dòng)和壓力等參數(shù)監(jiān)測(cè)，這就需要傳感器解調(diào)系統(tǒng)可工作于戶外，具有體積小、便于攜帶等特點(diǎn)。然而目前多數(shù)FBG傳感器解調(diào)系統(tǒng)以PC機(jī)作為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示的主要單元，體積大、結(jié)構(gòu)笨重和不適宜野外作業(yè)。

　　本文介紹的FBG解調(diào)系統(tǒng)所用線性濾波器是波分復(fù)用器(WDM)采用高精度24位∑-△A/D轉(zhuǎn)換模塊確保信號(hào)采集精度，提高動(dòng)態(tài)范圍，采用自校準(zhǔn)的方法消除兩路模擬電路差異以及濾波器非線性的影響，從軟件上優(yōu)化系統(tǒng)性能。單片機(jī)ADuC847實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸、電路校準(zhǔn)及系統(tǒng)智能化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該系統(tǒng)高精度、便攜帶的特點(diǎn)。

　　2 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

　　用線性濾波法實(shí)現(xiàn)FBG傳感器波長(zhǎng)解調(diào)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器進(jìn)入傳感FBG。由FBG反射后形成窄帶光譜，通過(guò)線性濾波器得到兩路出射光功率與波長(zhǎng)有關(guān)的光信號(hào)。光電探測(cè)器PIN將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)采集處理電路提取有用信號(hào)，并由單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。

　　圖2為線性解調(diào)原理示意圖。假設(shè)窄頻反射Bragg脈沖服從典型高斯函數(shù)分布，其譜寬為Δλ，中心譜線波長(zhǎng)為λR，且濾波函數(shù)為F(λ)=A(λ-λ0)。濾波光信號(hào)IF、參考光信號(hào)IR的比例為

　　式中：A為濾波斜率;λ0為F(λ)=0時(shí)波長(zhǎng)。因此，通過(guò)檢測(cè)IF和IR可得到FBG傳感器反射峰的波長(zhǎng)漂移。

　　解調(diào)系統(tǒng)利用線性濾波的光波透過(guò)率變化特性來(lái)鑒別光波長(zhǎng)。在線性濾波器的工作范圍內(nèi)，每一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)透過(guò)率，因此檢測(cè)透過(guò)率便可以反推出波長(zhǎng)信息。同時(shí)利用雙光路探測(cè)來(lái)消除光源功率波動(dòng)和溫度變化的影響。所述系統(tǒng)所用WDM兩輸出端出射光功率比值101gP1=101gP2=101g(P1/P2)隨波長(zhǎng)而線性變化，且斜率是0.45 dB/nm。因此，通過(guò)測(cè)量?jī)陕吠干涔夤β实谋戎礟1/P2，即可獲得波長(zhǎng)信息Δλ。

　　為準(zhǔn)確解調(diào)波長(zhǎng)信息，需要準(zhǔn)確地檢測(cè)出2路光信號(hào)功率。信號(hào)采集處理電路和微控制器運(yùn)算的精度將直接影響解調(diào)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

　　3 解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　光電信號(hào)檢測(cè)及處理系統(tǒng)由光探測(cè)器、一級(jí)放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。線性濾波器WDM解調(diào)FBG傳感信號(hào)后，得到的出射功率僅為nW量級(jí)，光探測(cè)器暗電流、運(yùn)算偏置電壓等直流噪聲以及高斯白噪聲、雜散光等交流噪聲附加在微弱的有用信號(hào)上，信噪比較低。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單放大就進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊，采樣精度低。而且系統(tǒng)笨重、體積大，為野外作業(yè)帶來(lái)諸多不便。

　　為克服這些缺點(diǎn)和不足，同時(shí)考慮到線性濾波法解調(diào)系統(tǒng)具有器件非線性影響測(cè)量精度、分辨率低等問(wèn)題。為提高解調(diào)系統(tǒng)的靈敏度、優(yōu)化系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)的信號(hào)采集處理電路及單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　硬件設(shè)計(jì)的整體思路為：通過(guò)光調(diào)制器，在寬帶光源上附加2 kHz的載波。光源通過(guò)FBG傳感器解調(diào)制后，反射光經(jīng)線性濾波器分為兩束出射光。2個(gè)光敏二極管作為光探測(cè)器接收光信號(hào)。互阻抗放大電路將測(cè)得的光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。經(jīng)隔直放大電路和鎖相放大電路提取有用信號(hào)，進(jìn)入微處理器ADuC847內(nèi)置的A/D采集模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)通過(guò)分析計(jì)算后，微處理器將結(jié)果送液晶顯示。

　　該硬件設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：

　　1)采用2路PIN光探測(cè)系統(tǒng)分別檢測(cè)濾波光信號(hào)和參考光信號(hào)的光強(qiáng)。由經(jīng)模擬調(diào)理電路提取有用信號(hào)，進(jìn)入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可得到傳感器反射的中心波長(zhǎng)漂移量和待測(cè)的物理量，實(shí)現(xiàn)傳感量的解凋。同時(shí)，采用這樣的雙光路探測(cè)電路還可消除光源功率波動(dòng)和溫度變化對(duì)電路的影響。 2)光探測(cè)器得到的電流信號(hào)通過(guò)互阻抗放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，隔直后進(jìn)入放大器以去除光敏二極管暗電流、運(yùn)算放大器偏置電壓等直流噪聲的影響。

　　3)通過(guò)控制光調(diào)制器，把光信息調(diào)制到高頻交流光信號(hào)上。采用由模擬乘法器和低通濾波器實(shí)現(xiàn)的鎖相放大電路，把被測(cè)信號(hào)恢復(fù)出來(lái)，從而大大降低高斯白噪聲、雜散光等交流噪聲的影響，有效提取有用信號(hào)，提高信噪比。

　　4)采用單片機(jī)ADuC847，利用該芯片集成的24位∑-△高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊有效確保模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，降低了噪聲、提高了動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省了系統(tǒng)的空間。

　　5)采用USB接口便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸。工作于設(shè)備模式時(shí)，實(shí)現(xiàn)微控制器與計(jì)算機(jī)通信，便于數(shù)據(jù)后續(xù)分析和處理;工作于主機(jī)模式時(shí)，滿足解調(diào)系統(tǒng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和野外工作的要求，通過(guò)常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備(包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存。

　　6)采用顯示模塊和人機(jī)對(duì)話模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化和人性化。

　　7)通過(guò)單片機(jī)控制數(shù)字頻率合成器(DDS)輸出2路正交信號(hào)，以用于調(diào)制解調(diào)，操作方便。

　　8)通過(guò)自校準(zhǔn)電路消除2路模擬電路通道增益不同、器件性能差異等引入的誤差。

　　4 解調(diào)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

　　任何系統(tǒng)的運(yùn)行最終都離不開(kāi)軟件，而軟件實(shí)現(xiàn)得好壞將直接影響系統(tǒng)的人性化程度、可操作性及穩(wěn)定性等性能，并且軟件的工作量往往要大于硬件設(shè)計(jì)的工作量?，F(xiàn)代電路的發(fā)展也是趨向于硬件軟件化。系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　程序在結(jié)構(gòu)上分為2層，底層是硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊，上層是與功能相關(guān)的主控模塊和各功能模塊。底層硬件驅(qū)動(dòng)程序直接負(fù)責(zé)硬件操作，為上層主控模塊和功能模塊提供一系列的接口函數(shù);主控模塊和功能模塊控制整個(gè)程序的流程，當(dāng)需要操作硬件時(shí)，僅調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)子程序即可。這種分層的程序結(jié)構(gòu)將應(yīng)用和具體硬件脫離，分工明確、結(jié)構(gòu)清晰，不僅簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，而且易于程序的修改、優(yōu)化和維護(hù)。

　　為消除2路模擬信號(hào)處理電路的差異，每次采集有用信號(hào)前，系統(tǒng)要自校準(zhǔn)。

　　5 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

　　所用FBG傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。FBG不受應(yīng)力時(shí)中心波長(zhǎng)為1551.65 nm，WDM的零點(diǎn)波長(zhǎng)為1546 nm。

　　把信號(hào)采集處理電路和單片機(jī)控制系統(tǒng)接人FBG傳感系統(tǒng)，由LCD顯示解調(diào)系統(tǒng)所得FBG反射波長(zhǎng)，并由光譜分析儀監(jiān)測(cè)。所得結(jié)果如圖5所示。

　　由圖5可知，解調(diào)系統(tǒng)結(jié)果對(duì)應(yīng)變測(cè)量具有較好的線性，線性度為0.9993，測(cè)量誤差為13.0 pm，利用光譜儀測(cè)取數(shù)據(jù)得到FBG波長(zhǎng)應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.367 pm/με，假如該值以光譜儀的測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)，則設(shè)計(jì)的解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)變測(cè)量誤差為9.51με。解調(diào)系統(tǒng)測(cè)量值與光譜儀測(cè)量值存在偏差，兩者偏差平均值為34.5 pm，偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為42.5 pm。兇此，F(xiàn)BG傳感器解調(diào)系統(tǒng)具有較好精度。

　　6 結(jié)論

　　提出了一種基于線性濾波法的便攜式FBG傳感器解調(diào)系統(tǒng)，給出了單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。該解調(diào)系統(tǒng)線性度為0.9993，測(cè)量誤差為13.0 pm。采用小體積的集成電路代替PC機(jī)的處理工作，有效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化，在智能結(jié)構(gòu)參數(shù)監(jiān)測(cè)中，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。