仪表技术与传感器
Instrum ent T echn i que and Sensor 2008 N o 2
收稿日期:2007-03-23 收修改稿日期:2007-09-28
基于光纤F-P 滤波器的FBG 传感解调系统
赵立民,王 鑫,春暖
(沈阳工业大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳 110023)
摘要:通过对光纤F -P 滤波器原理的研究,提出了一种基于光纤滤波器的光纤B ragg 光栅(FBG )传感解调系统,该系统不仅具有体积小、价格低、光能利用率高、操作简单等优势,而且可以直接输出对应于波长变化的电信号,实现准确的多点同时测量。通过该系统测出一组典型数据后再运用曲线拟合或者插值等相关运算便可以确定光纤光栅反射中心波长的微小偏移量,进而得到外界物理量的变化。对该方案的主要器件选择、软硬件设计进行了详细介绍。该解调系统的动态扫描范围达50nm ,分辨率达到2pm .关键词:光纤光栅;光纤F -P 滤波器;DSP 系统
中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2008)02-0076-02
FBG Sensor D em odul ation System B ased on F -P Fiber Interferom eter F ilter
ZHAO L i m i n ,W ANG X in ,D I AO Chun nuan
(Schoo l of Infor mat i on Scien ce and Eng i neer i ng ,Shenyang Un i versity of T echno l ogy ,Shenyang 110023,Ch ina)Abstract :A fi ber B ragg grati ng (FB G )sensor de m odulation syste m w as i ntroduced ,wh i ch based on t he research of F -P fi ber i nterfero m ete r filter .T he syste m had t he advantages o f s ma ll vo l u m e ,low pr i ce ,h i gh utiliza ti on rate of ray ,si m ple operation and so on .It can also output e lectr i ca l si gnal directl y and m eas u re mu lti po i nt exactly .M icro offset of FB G wave l eng t h w as con fir m ed v i a curve i m ita te o r va l ue insert after a set of da ta tested ,t hen outsi de phys i ca l va l ue w as ga i ned .T he selection of ma i n i n stru m en ts and the desi gn o f hardwa re and soft w are w ere i ntroduced i n deta i.l T he range of dyna m i c m easure is 50n m and t he reso luti on is 2p m.
K ey word s :fi ber Bragg g ra ti ng ;F -P fi be r interfero m eter filter ;D SP syste m 0 引言
光纤光栅传感器是利用光纤光栅受到外界物理量作用时其反射中心波长发生偏移的机理而制成的新型光纤传感器,具有抗电磁干扰、尺寸小、质量轻、传输距离远、耐腐蚀和易形变等特点。此外,还具有波长编码特性及其可复用性[1-2]。由于光纤光栅波长解调仪器的性能很大程度上决定了该测量系统的测量范围、测量分辨率以及测量速度等参数,所以波长解调技术成为光纤光栅传感应用中的关键技术。
可调谐F -P 腔解调法的波长扫描范围为几十n m,波长分辨率达到p m 级,测量仪器的成本适中,这些特点满足很多工程应用的需要,因此,可调谐F -P 腔解调法成为近年来国内外研究的热点,并且得到了广泛的应用[3-4]。基于DSP 控制的FBG 波长解调系统不仅具有较高的分辨率和测量精度,而且可以实时准确地实现多点同时测量。1 主要光学器件的选择1 1 光纤F-P 滤波器
可调光纤F -P 滤波器是该解调系统的核心器件,它的性能对系统的测量有很大的影响,它有3个主要的性能参数:滤波中心波长、自由光谱范围、带宽。该系统选用滤波中心波长、自由光谱范围、带宽分别为1550n m 、80n m 、0 05n m 的光纤滤波器。
可调谐F -P 滤波器的原理[5-6]就是多光束干涉,当一束光通过光纤入射到F -P 腔中时,在F -P 腔的两端面发生多次反射,一部分光沿原路返回形成反射光,另一部分光从F -P 腔的另一端射出形成透射光,根据多光束干涉的原理可得反射光的发光强度为
I R =
I 0
1+
1-R 2
4R si n 2( /2)
(1)
透射光的发光强度为
I r =
I 0
1+
4R si n 2( /2)1-R 2
(2)
式中:I 0为入射光的发光强度;R 为F -P 腔壁的反射率; 为相邻两光束的相位差。
相位差 与F-P 腔的腔长h 满足式(3):
=2 /!=4n h cos i /!
(3)
式中: 为相邻两光束光程差;n 为F -P 腔的折射率;!为光波
的波长;i 为入射角。
由式(1)可知,R 越大则反射光越强,但透射光总是存在的。由式(2)可以看出,当 =2k 时反射光强为零,透射光强达到最大。由式(3)可以看出,相位差 与n 及h 有关,因此,调谐h 和n 均可以达到改变入射光的发光强度和透射光的发光强度的目的。在一定波长范围内,若以平行光入射到F -P 腔,则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉,
第2期
赵立民等:基于光纤F -P 滤波器的FBG 传感解调系统
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产生相干极大,因此,利用F -P 腔的这个特性可以对FBG 传感器的反射波长进行检测。1 2 光源
传感解调系统中的光源要求有较大的带宽、较强的输出功率、稳定性好、模式好、易于同光纤耦合等一系列优点。根据该系统所选的可调谐F -P 滤波器的中心波长和自由光谱范围,宽带光源的中心波长应在1550n m 左右,带宽约为30n m,出纤功率应该越大越好,因为出纤功率大可以提高光电探测器的信噪比和测量精度。1 3 光电探测器
信号处理系统对光电探测器的要求主要表现在以下几个方面[7]:在工作波段内的响应率或灵敏度要高;由光电探测器引入的附加噪声应尽量低,其暗电流和漏电流要小;光电探测器的工作特性对环境条件的敏感性要低;光电探测器的几何尺寸要易于同电路连接,且利于与光纤耦合。该系统选用R SPD715型大面积In G aA s 光电二极管作为光电转换器件,它的光路部分有PC /FC 插头,可以与光纤连接器进行相连,对波长为1100~1650n m 的光有良好的线性输出,满足该系统对中心波长为1550n m 的光纤光栅的解调实验要求。2 基于光纤F-P 滤波器的解调原理
解调系统主要由以下几部分构成:宽带光源、3dB 耦合器、光纤Bragg 光栅(FBG )、可调谐F -P 腔、高灵敏度的光电探测器、I /V 转换和小信号的放大、滤波电路以及由DSP 系统构成的驱动和信号采集电路。解调系统的组成框图如图1所示。宽带光源发出的光经过隔离器和3dB 耦合器入射到传感光纤光栅上,其透射光被折射率匹配液吸收,反射光经过3dB 耦合器被引导进入光纤F -P 滤波器,其腔长在DSP 系统所产生的驱动电压的作用下不断变化,从而扫描反射光的波长。滤波器的透射光被光电探测器探测到并转换为电信号,该信号经过放大、滤波后输入到D SP 信号采集系统中进行处理。由于可调谐F -P 滤波器的导通频带很窄,当F -P 滤波器的透射波峰与FB G 的反射中心波长相等时,F -P 滤波器的驱动电压就对应于FBG 的反射中心波长。光纤F -P 滤波器的透射光波的波长与其两端所加电压成线性关系,因此可以通过探测F -P 腔上所加电压来获知FBG 的反射中心波长的信息,进而得到传感量的信息,从而实现对FBG
波长编码信号的解调。
图1 基于光纤F-P 滤波器的FBG 解调原理图
3 解调系统的硬件设计
FB G 传感解调系统的核心部分是对光电探测器转换输出的电信号进行处理的部分。该部分主要完成对光电探测器输出的电信号进行I /V 转换、放大、滤波、采集和运算处理以提取待测物理量的大小,并以熟悉的形式显示和存储。3 1
I/V 转换电路
为了将光电探测器转换输出的弱电流信号转换为常用的电压信号,往往都会在后级电路的最前端配置一个I /V 转换电路。所设计的I /V 转换电路是由高精密运算放大器OP07和反馈电阻构成。由于运放的开环增益很大,所以反馈电阻应选阻值较大的电阻,使光电二极管的内阻相对于反馈电阻可以忽略。光电二极管在光的照射下产生的电流流过反馈电阻,使得运放的输出电压是反馈电阻和流过光电探测器电流的乘积,从而实现了由光到电流再到电压的转换。3 2 小信号的放大、滤波电路
由于P I N 光电二极管的输出信号较弱且带有噪声,因此为了不使小信号被电路的噪声所淹没,就必须对其进行放大、滤波[8]。系统的放大器采用负反馈放大电路,这样可以减小输入噪声,提高电路接收弱信号的能力。滤波电路由二阶低通滤波电路构成,截止频率为2k H z ,信号经过该低通滤波电路传输给下一电路进行处理。3 3 驱动及信号采集电路
D SP 的数据运算和处理能力强大,但是逻辑控制能力较差;而单片机具有丰富的通用I /O 口,适合作为逻辑控制,但是数据运算和处理能力却较差。因此,该系统选择了DSP 和单片机结合的方案,其中单片机作为主处理器,一方面不断检测来自A /D 转换器的与F -P 腔透射光波的光强信号对应的电信号,并将其送到双口RAM 中,等待D SP 读取;另一方面将DSP 插值之后得到的光纤光栅的波长偏移量通过双口RAM 和单片机送到显示单元进行显示。D SP 作为协处理器,一方面通过其内部的加减计数器产生F -P 腔驱动电压的数字量并将其送入D /A 转换器中进行数模转换,得到的模拟电压驱动F -P 腔使其导通频带扫描整个反射光谱;另一方面不断从双口RAM 中读取F -P 腔透射光波经光电探测器转换输出的电信号并与上一次所读取的信号进行比较,直到找到最大值,则此时F -P 腔的透射波长与FBG 的反射中心波长重合,将此时的F -P 腔驱动电压存储起来。3 4 显示和键盘接口电路
该系统的人机对话接口主要包括键盘和液晶显示。键盘主要是在系统调试时为系统设置一些初始参数,一旦系统开始运行,此键盘将不再用。由于该系统设置的主要参数为数字,所以其键盘主要由10个数字键和一些功能键组成,考虑到单片机的I /O 口有限,因此通过1片8155对系统外围I /O 接口进行扩展。
系统的显示部分采用液晶显示,其主要是将解调的物理量用数字量的形式显示,便于观察压力、温度或者是波长等参数。
(下转第79页)
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曹晓华等:高可靠性光电计数系统
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图3 光电接收电路
当输入光信号较强时,T 3集电极信号有变强趋势,导致光电三极管T 2基极的直流工作点电压下降,从而使T 2和T 3的交流输出均减小。因此,这个负反馈系统将使T 3的交流输出信号在很大范围内与T 2得到的发光强度大小几乎无关。可知,该接收电路在输入光发生变化时,T 3输出信号变化不大。即光源和光电三极管之间的距离变化,在很大范围内对T 3输出信号影响不大。只有光源被充分隔挡之后,T 3输出20k H z 信号才有明显变化[3]。
图3中的U 11组成二阶带通滤波器,可以滤去20k H z 以外的信号。该级增益为1,Q 值为6,截止频率、中心频率以及滤波特性容易调整。二极管D 1和电容C 14组成检波电路,可以从20k H z 信号上解调出包络信号。上述2部分电路可以滤除阳光、日光灯、白炽灯等干扰源的作用。
图3中的输出电路由放大级U 12和施密特电路U 13组成。U 13的迟滞作用可以消除光电开关的临界抖动现象,避免光电开关的误翻现象。光电开关的输出状态由发光二极管D 2显示。4 结束语
光电计数系统电路具有如下特点:
(1)由于使用了调制和解调电路,系统在各种磁、电、光干扰之下,都能可靠工作。接收电路负反馈使接收光电三极管不
容易饱和,只要该管不饱和,外光干扰就能抑制。
(2)由于电路尽量采用集成电路,特别是大功率FET 的应用,使电路更适于阵列式光电开关应用的场合。
(3)由于采用了AG C 电路,使接收灵敏度几乎无需调整就可以正常工作。另外电路中的施密特电路可以对开关进行消抖。
实验证明:该系统具有很高的实用价值,一经使用,可带来可观的社会效益。参考文献:
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作者简介:曹晓华(1972 ),讲师,主要从事测控技术与仪器的研究。
E -m a i :l xiaohuacao @163.co m
(上接第77页)
4 解调系统的软件设计
系统的软件部分主要由DSP 部分的软件设计和M CU 部分的软件设计组成。光纤B ragg 光栅解调系统的软件可以采用汇编语言和高级语言(如C 语言)混合编程,目前光纤光栅的解调算法还没有统一的可用公式,因此必须通过试验来测出一组典型数据,然后利用插值算法或者曲线拟合算法来确定传感光栅的中心波长的偏移量,进而计算出被测物理量[8-9]。
该系统的M CU 部分的软件设计主要包括M C U 的初始化子程序、键盘处理和液晶显示子程序以及A /D 转换子程序。D SP 部分的软件设计主要包括D SP 的初始化子程序、存储器烧录子程序、Boot Load 子程序、D /A 转换子程序、求最大值子程序和线性插值子程序。5 系统的实验研究
该系统的传感解调必须在以下几个实验的基础上实现:光源光谱和光纤光栅的反射、透射光谱检测实验,以确定所选光源和光纤光栅满足实验要求;光纤光栅的应力传感特性实验,验证光纤光栅中心波长和应力的线性关系;光纤F -P 滤波器的调谐特性实验,验证光纤F -P 滤波器的透射波长与驱动电压的线性关系,从而证实了F -P 滤波器可以实现对光纤光栅中心波长的测量。通过以上实验验证了该解调方案的可行性,因此可以利用所设计的系统实现波长信号的解调。6 结束语
光纤Bragg 光栅近几年在国内的发展非常迅速,但是对其波长编码信号的解调一直是制约着光纤B ragg 光栅传感器广泛应用的技术难点。基于光纤F -P 滤波器的FBG 传感解调系统
不仅具有体积小、价格低、光能利用率高、操作简单等优势,而且可以直接输出对应于波长变化的电信号,实现准确的多点同时测量,因此是目前最具发展前景且实用性较好的解调方法。随着研究的不断深入,光纤光栅解调系统会向着实用性更强的方向发展。该解调方案还有待于进一步完善来提高其解调精度和速度以达到更好的解调效果。参考文献:
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作者简介:赵立民(1963 ),教授,主要研究方向为光电检测技术。
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