一種新犁光纖光柵傳感器解調系統

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

　　FBG傳感器的一個(gè)主要應用是埋于智能結構[7]，實(shí)現應力、變形、振動(dòng)和壓力等參數監測，這就需要傳感器解調系統可工作于戶(hù)外，具有體積小、便于攜帶等特點(diǎn)。然而目前多數FBG傳感器解調系統以PC機作為系統控制和數據存儲顯示的主要單元，體積大、結構笨重和不適宜野外作業(yè)。

　　本文介紹的FBG解調系統所用線(xiàn)性濾波器是波分復用器(WDM)采用高精度24位∑-△A/D轉換模塊確保信號采集精度，提高動(dòng)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(xiàn)性的影響，從軟件上優(yōu)化系統性能。單片機ADuC847實(shí)現數據處理、數據存儲傳輸、電路校準及系統智能化。通過(guò)實(shí)驗和數據驗證了該系統高精度、便攜帶的特點(diǎn)。

　　2 系統原理及結構

　　用線(xiàn)性濾波法實(shí)現FBG傳感器波長(cháng)解調的基本結構如圖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(xiàn)性濾波器得到兩路出射光功率與波長(cháng)有關(guān)的光信號。光電探測器PIN將其轉換為電信號，進(jìn)入信號采集處理電路提取有用信號，并由單片機控制系統實(shí)現數據采集與數據處理。

　　圖2為線(xiàn)性解調原理示意圖。假設窄頻反射Bragg脈沖服從典型高斯函數分布，其譜寬為Δλ，中心譜線(xiàn)波長(cháng)為λR，且濾波函數為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(shí)波長(cháng)。因此，通過(guò)檢測IF和IR可得到FBG傳感器反射峰的波長(cháng)漂移。

　　解調系統利用線(xiàn)性濾波的光波透過(guò)率變化特性來(lái)鑒別光波長(cháng)。在線(xiàn)性濾波器的工作范圍內，每一個(gè)波長(cháng)對應一個(gè)透過(guò)率，因此檢測透過(guò)率便可以反推出波長(cháng)信息。同時(shí)利用雙光路探測來(lái)消除光源功率波動(dòng)和溫度變化的影響。所述系統所用WDM兩輸出端出射光功率比值101gP1=101gP2=101g(P1/P2)隨波長(cháng)而線(xiàn)性變化，且斜率是0.45 dB/nm。因此，通過(guò)測量?jì)陕吠干涔夤β实谋戎礟1/P2，即可獲得波長(cháng)信息Δλ。

　　為準確解調波長(cháng)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系統的檢測精度。

　　3 解調系統的硬件設計

　　光電信號檢測及處理系統由光探測器、一級放大電路、數據采集卡和計算機組成。線(xiàn)性濾波器WDM解調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(guò)簡(jiǎn)單放大就進(jìn)入A/D轉換模塊，采樣精度低。而且系統笨重、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(xiàn)性濾波法解調系統具有器件非線(xiàn)性影響測量精度、分辨率低等問(wèn)題。為提高解調系統的靈敏度、優(yōu)化系統性能，設計的信號采集處理電路及單片機控制系統結構如圖3所示。

　　硬件設計的整體思路為：通過(guò)光調制器，在寬帶光源上附加2 kHz的載波。光源通過(guò)FBG傳感器解調制后，反射光經(jīng)線(xiàn)性濾波器分為兩束出射光。2個(gè)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(jìn)入微處理器ADuC847內置的A/D采集模塊，將模擬信號轉換為數字信號。數據通過(guò)分析計算后，微處理器將結果送液晶顯示。

　　該硬件設計具有如下特點(diǎn)：

　　1)采用2路PIN光探測系統分別檢測濾波光信號和參考光信號的光強。由經(jīng)模擬調理電路提取有用信號，進(jìn)入微處理器進(jìn)行數據處理，即可得到傳感器反射的中心波長(cháng)漂移量和待測的物理量，實(shí)現傳感量的解凋。同時(shí)，采用這樣的雙光路探測電路還可消除光源功率波動(dòng)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(guò)互阻抗放大器轉換為電壓信號，隔直后進(jìn)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(guò)控制光調制器，把光信息調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(shí)現的鎖相放大電路，把被測信號恢復出來(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，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轉換模塊有效確保模數轉換的精度，降低了噪聲、提高了動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)結構簡(jiǎn)單，節省了系統的空間。

　　5)采用USB接口便于數據存儲和數據傳輸。工作于設備模式時(shí)，實(shí)現微控制器與計算機通信，便于數據后續分析和處理;工作于主機模式時(shí)，滿(mǎn)足解調系統用于現場(chǎng)測量和野外工作的要求，通過(guò)常用的USB存儲設備(包括USB硬盤(pán)/USB閃存盤(pán)/U盤(pán))即可實(shí)現數據的保存。

　　6)采用顯示模塊和人機對話(huà)模塊實(shí)現系統的可視化和人性化。

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

　　8)通過(guò)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 解調系統的軟件實(shí)現

　　任何系統的運行最終都離不開(kāi)軟件，而軟件實(shí)現得好壞將直接影響系統的人性化程度、可操作性及穩定性等性能，并且軟件的工作量往往要大于硬件設計的工作量?，F代電路的發(fā)展也是趨向于硬件軟件化。系統軟件總體結構如圖4所示。

　　程序在結構上分為2層，底層是硬件驅動(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。底層硬件驅動(dòng)程序直接負責硬件操作，為上層主控模塊和功能模塊提供一系列的接口函數;主控模塊和功能模塊控制整個(gè)程序的流程，當需要操作硬件時(shí)，僅調用硬件驅動(dòng)子程序即可。這種分層的程序結構將應用和具體硬件脫離，分工明確、結構清晰，不僅簡(jiǎn)化了程序設計，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，系統要自校準。

　　5 實(shí)驗及數據分析

　　所用FBG傳感系統的結構如圖1所示。FBG不受應力時(shí)中心波長(cháng)為1551.65 nm，WDM的零點(diǎn)波長(cháng)為1546 nm。

　　把信號采集處理電路和單片機控制系統接人FBG傳感系統，由LCD顯示解調系統所得FBG反射波長(cháng)，并由光譜分析儀監測。所得結果如圖5所示。

　　由圖5可知，解調系統結果對應變測量具有較好的線(xiàn)性，線(xiàn)性度為0.9993，測量誤差為13.0 pm，利用光譜儀測取數據得到FBG波長(cháng)應變靈敏度系數為1.367 pm/με，假如該值以光譜儀的測量值為標準，則設計的解調系統應變測量誤差為9.51με。解調系統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，FBG傳感器解調系統具有較好精度。

　　6 結論

　　提出了一種基于線(xiàn)性濾波法的便攜式FBG傳感器解調系統，給出了單片機控制系統的硬件設計和系統軟件實(shí)現。該解調系統線(xiàn)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(shí)現了系統的小型化，在智能結構參數監測中，具有較高的應用價(jià)值。