测试系统与组件电子测量技术第 30卷第 1期一种高精度光纤光栅传感器解调系统刘胜洋 1, 2 曹明娜 2 李刚 1(1. 天津大学 A DI 联合实验室天津 300072; 2. 蚌埠医学院蚌埠 233000摘要 :如何实时检测传感光栅 Br agg 波长的微小偏移 , 是光纤光栅传感器实用化面临的关键技术。

本文选择线性滤波法解调光纤光栅传感器。

为使设计的解调系统具有结构紧凑、便于携带、使用方便、适用于野外作业的特点 , 并达到系统对测量精度和动态范围的要求 , 本文采用锁相放大电路和 24位高精度 A /D 转换模块采集有用信号 , 降低了噪声 , 提高了信噪比 , 并且节省了系统的空间。

同时 , 本文采用 U SB 接口模块使数据存储和数据传输方便快捷 , 满足解调系统用于现场测量的要求。

文中给出了系统的硬件设计和软件实现。

最后通过实验和数据处理证明了该系统的精度。

关键词 :光纤光栅传感器 ; 信号解调 ; 线性滤波器 ; 便携式中图分类号 :T P212. 4 文献标识码 :AOptical fiber Bragg grating sensor demodulation system with high precisionL iu Sheng yan 1, 2 Cao M ing na 2 L i G ang 1(1. ADI Joint LAB, Tianjin Un iversity, T ianjin 300072; 2. Bengbu M edical Colleg e, Bengbu 233000Abstract:Wav eleng th detection is the key techno lo gy o f F iber Brag g G rating senso r. T he demo dulat ion mechanism is based o n linear filter demodulatio n method by using W DM. T he demo dulation system of fiber Bragg gr ating senso r not o nly has the outstanding featur es o f simple structure, low co st, easily o per ated and por tability, but also realizes r eal t ime and on line mo nitor ing. In o rder to meet the demands of highaccuracy, w ide dynamic r ang e and other features, a lock in amplifier detecting circuit and a hig h pr ecision A /D conver sion C w ere used in the paper to impr ove the sig nal to no ise ratio and simplify t he system st ruct ur e. Further more, U SB interface circuit was used t o facilitate data t ransm ission and sto rag e. T he hardwar e desig n and softw are implementatio n of the micro pr ocesso r sy stem w ere pr ovided in detail. Ex periments and data pro cessing which ar e also show ed in the paper demo nstr ate the stability and sensitiv ity of the demo dulation mechanism.Keywords:fiber br agg g rating sensor ; signal demodulatio n; W DM ; port able0 引言光纤光栅传感器通过波长编码传感信号 , 具有其他传感器无可比拟的优点 , 可用于应力、应变或温度等诸多物理量的传感测量 , 因而日益受到国内外科学研究工作者的重视 [1 2]。

光纤光栅传感器常用的解调方法有 :匹配滤波法 [3]、线性滤波器法 [4]、非平衡马赫 -泽德干涉法 [5]、可调谐 F P 腔法 [6], 其中线性滤波解调方法 , 对传输损失及光源波动引起的变化不敏感 [7], 具有较好的线性输出 [8], 提供了一种结构紧凑、便携灵巧的传感解调系统的实现途经 [9]。

但由于系统耦合器的分束比变化、光纤双折射及滤波器非线性都会影响测量精度 , 且分辨率较低 [10], 制约了线性滤波法光纤光栅传感器解调系统的应用。

本文介绍的 FBG 解调系统所用线性滤波器是波分复用器 WDM , 采用高精度24位 A/D 转换模块确保信号采集精度 , 提高动态范围 , 采用自校准的方法消除 2路模拟电路差异以及滤波器非线性的影响 , 从软件上优化系统性能。

单片机ADuC 847实现数据处理、数据存储传输、电路校准及系统智能化。

同时 , 该系统还具有结构紧凑、携带方便等优点。

文中给出了单片机控制系统的硬件设计和系统的软件实现 , 最后通过实验和数据处理证明了该系统的精度。

1 线性滤波法光纤光栅传感器解调系统原理用线性滤波法实现光纤光栅传感器波长解调的基本结构如图 1所示。

宽带光源发出的光经 3dB 耦合器进入传感光栅。

由传感布拉格光栅反射后形成窄带光谱 , 通过线性滤波器得到 2路出射光功率与波长有关的光信号。

光电探测器将其转换为电信号 , 进入信号采集处理电路提取有用信号 , 并由单片机控制系统实现数据采集与数据第 1期处理。

图 1 光纤光栅传感器波长解调系统结构图图 2为线性解调原理示意图。

假设窄频反射 Bragg 脉冲是典型高斯函数关系的谱宽 , 中心谱线波长为 B , 且滤波函数式为 :F ( =A ( 0 。

滤波光信号 I F , 参考光信号 I R 的比例为 :I FI R =A B - 0+式中 , A 为滤波斜率 ; 0为 F (=0时波长 [11]。

因此 , 通过检测滤波光信号和参考光信号 , 可得到 FBG 传感器反射峰的波长漂移。

图 2 线性解调原理示意图解调系统利用线性滤波的光波透过率变化特性来鉴别光波长。

在线性滤波器的工作范围内 , 每一个波长对应一个透过率 , 因此检测透过率 , 便可以反推出波长信息。

同时利用双光路探测来消除光源功率波动和温度变化的影响。

本文所述系统所用 WDM 两输出端出射光功率比值 10lg p 1-10lg p 2=10lg(p 1/p 2 随波长而线性变化 , 且斜率是 0. 45dB/nm 。

因此 , 通过测量 2路透射光功率的比值 p 1/p 2, 即可获得波长信息。

为准确解调波长信息 , 需要准确检测出 2路光信号功率。

信号采集处理电路和微控制器运算的精度将直接影响解调系统的检测精度。

2 解调系统的硬件设计目前常用的光电信号检测及处理系统由光探测器、一级放大电路、数据采集卡和计算机组成。

由于经线性滤波器 WDM 解调光纤光栅传感信号后 , 出射光功率仅为 nW 量级 , 光探测器暗电流、运放偏置电压等直流噪声以及高斯白噪声、杂散光等交流噪声附加在微弱的有用信号上 , 信噪比较低。

模拟信号经过简单放大就进入 A/D 转换模块 , 采样精度低 , 而且系统笨重 ,体积较大 , 为野外作业带来诸多不便。

为克服这些缺点和不足 , 同时考虑到线性滤波法解调系统具有器件非线性影响测量精度 , 分辨率较低等问题。

本文设计了信号采集处理电路及单片机控制系统 , 结构如图 3所示。

图 3 信号采集处理电路及单片控制系统的结构框图硬件设计的整体思路为 :通过光调制器 , 在宽带光源上附加 2kH z 的载波。

光源通过光纤光栅传感器调制后 , 反射光经线性滤波器分为 2束出射光。

2个光敏二极管作为光探测器接收光信号。

互阻抗放大电路将测得的光强度信号转换成电压信号。

经隔直放大电路和锁相放大电路提取有用信号 , 进入微处理器 ADuC847的A/D 采集模块 , 将模拟信号转换为数字信号。

数据通过分析计算后 , 微处理器将结果送液晶显示。

该硬件设计具有如下特点 :(1 采用 2路 PIN 光探测系统分别检测滤波光信号和参考光信号的光强 ; 由经模拟调理电路提取有用信号 , 进入微处理器进行数据处理 , 即可得到传感器反射的中心波长漂移量和待测的物理量 , 实现传感量的解调 ; 同时 , 采用这样的双光路探测电路还可消除光源功率波动和温度变化对电路的影响 ;(2 光探测器得到的电流信号通过互阻抗放大器转换为电压信号 , 隔直后进入放大器以去除光敏二极管暗电流、运算放大器偏置电压等直流噪声的影响 ;(3 通过控制光调制器 , 把光信息调制到高频交流光信号上。

采用由模拟乘法器和低通滤波器实现的锁相放大电路 , 把被测信号恢复出来 , 从而大大降低高斯白噪声、杂散光等交流噪声的影响 , 有效提取有用信号 , 提高信噪比 ;(4 采用单片机 ADuC847, 利用该芯片集成的 24位高精度 A/D 转换模块有效确保模数转换的精度 , 降低了噪声 , 提高了动态范围 , 同时结构简单 , 节省了系统的空间 ;第 30卷(5 采用 U SB 接口便于数据存储和数据传输 ; 工作于设备模式时 , 实现微控制器与计算机通信 , 便于数据后续分析和处理 ; 工作于主机模式时 , 满足解调系统用于现场测量和野外工作的要求 , 通过常用的 U SB 存储设备 (包括 U SB 硬盘 /USB 闪存盘 /U 盘即可实现数据的保存 ;(6 采用显示模块和人机对话模块实现系统的可视化和人性化 ;(7 通过单片机控制 DDS 输出 2路正交信号 , 以用于调制解调 , 操作方便;(8 通过自校准电路消除 2路模拟电路通道增益不同、器件性能差异等引入的误差。

3 解调系统的软件实现系统软件总体结构如图 4所示。

图 4 系统软件结构的总本设计程序在结构上分为 2层 , 底层是硬件驱动程序模块 , 上层是与功能相关的主控模块和各功能模块。

底层硬件驱动程序直接负责硬件操作 , 为上层主控模块和功能模块提供一系列的接口函数 ; 主控模块和功能模块控制整个程序的流程 , 当需要操作硬件时 , 仅调用硬件驱动子程序即可。