一種新犁光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)

　　光纖光柵(FBG)傳感器通過波長編碼傳感信號，可用于應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等諸多物理量的傳感測量，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)方法對傳輸損失及光源波動引起的變化不敏感，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影響測量精度，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傳感器的一個主要應(yīng)用是埋于智能結(jié)構(gòu)[7]，實現(xiàn)應(yīng)力、變形、振動和壓力等參數(shù)監(jiān)測，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。然而目前多數(shù)FBG傳感器解調(diào)系統(tǒng)以PC機作為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)存儲顯示的主要單元，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)換模塊確保信號采集精度，提高動態(tài)范圍，采用自校準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ADuC847實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲傳輸、電路校準及系統(tǒng)智能化。通過實驗和數(shù)據(jù)驗證了該系統(tǒng)高精度、便攜帶的特點。

　　2 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

　　用線性濾波法實現(xiàn)FBG傳感器波長解調(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耦合器進入傳感FBG。由FBG反射后形成窄帶光譜，通過線性濾波器得到兩路出射光功率與波長有關(guān)的光信號。光電探測器PIN將其轉(zhuǎn)換為電信號，進入信號采集處理電路提取有用信號，并由單片機控制系統(tǒng)實現(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，中心譜線波長為λR，且濾波函數(shù)為F(λ)=A(λ-λ0)。濾波光信號IF、參考光信號IR的比例為

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

　　解調(diào)系統(tǒng)利用線性濾波的光波透過率變化特性來鑒別光波長。在線性濾波器的工作范圍內(nèi)，每一個波長對應(yīng)一個透過率，因此檢測透過率便可以反推出波長信息。同時利用雙光路探測來消除光源功率波動和溫度變化的影響。所述系統(tǒng)所用WDM兩輸出端出射光功率比值101gP1=101gP2=101g(P1/P2)隨波長而線性變化，且斜率是0.45 dB/nm。因此，通過測量兩路透射光功率的比值P1/P2，即可獲得波長信息Δλ。

　　為準確解調(diào)波長信息，需要準確地檢測出2路光信號功率。信號采集處理電路和微控制器運算的精度將直接影響解調(diào)系統(tǒng)的檢測精度。

　　3 解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　光電信號檢測及處理系統(tǒng)由光探測器、一級放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成。線性濾波器WDM解調(diào)FBG傳感信號后，得到的出射功率僅為nW量級，光探測器暗電流、運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上，信噪比較低。模擬信號經(jīng)過簡單放大就進入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)帶來諸多不便。

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

　　硬件設(shè)計的整體思路為：通過光調(diào)制器，在寬帶光源上附加2 kHz的載波。光源通過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個光敏二極管作為光探測器接收光信號?；プ杩狗糯箅娐穼y得的光強度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。經(jīng)隔直放大電路和鎖相放大電路提取有用信號，進入微處理器ADuC847內(nèi)置的A/D采集模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)通過分析計算后，微處理器將結(jié)果送液晶顯示。

　　該硬件設(shè)計具有如下特點：

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

　　3)通過控制光調(diào)制器，把光信息調(diào)制到高頻交流光信號上。采用由模擬乘法器和低通濾波器實現(xiàn)的鎖相放大電路，把被測信號恢復(fù)出來，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，提高信噪比。

　　4)采用單片機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、提高了動態(tài)范圍，同時結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省了系統(tǒng)的空間。

　　5)采用USB接口便于數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸。工作于設(shè)備模式時，實現(xiàn)微控制器與計算機通信，便于數(shù)據(jù)后續(xù)分析和處理;工作于主機模式時，滿足解調(diào)系統(tǒng)用于現(xiàn)場測量和野外工作的要求，通過常用的USB存儲設(shè)備(包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存。

　　6)采用顯示模塊和人機對話模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化和人性化。

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

　　8)通過自校準電路消除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)的軟件實現(xiàn)

　　任何系統(tǒng)的運行最終都離不開軟件，而軟件實現(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)動程序直接負責(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程序的流程，當需要操作硬件時，僅調(diào)用硬件驅(qū)動子程序即可。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，不僅簡化了程序設(shè)計，而且易于程序的修改、優(yōu)化和維護。

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

　　5 實驗及數(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)力時中心波長為1551.65 nm，WDM的零點波長為1546 nm。

　　把信號采集處理電路和單片機控制系統(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，并由光譜分析儀監(jiān)測。所得結(jié)果如圖5所示。

　　由圖5可知，解調(diào)系統(tǒng)結(jié)果對應(yīng)變測量具有較好的線性，線性度為0.9993，測量誤差為13.0 pm，利用光譜儀測取數(shù)據(jù)得到FBG波長應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.367 pm/με，假如該值以光譜儀的測量值為標準，則設(shè)計的解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)變測量誤差為9.51με。解調(diào)系統(tǒng)測量值與光譜儀測量值存在偏差，兩者偏差平均值為34.5 pm，偏差的標準差為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)，給出了單片機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。該解調(diào)系統(tǒng)線性度為0.9993，測量誤差為13.0 pm。采用小體積的集成電路代替PC機的處理工作，有效地實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化，在智能結(jié)構(gòu)參數(shù)監(jiān)測中，具有較高的應(yīng)用價值。