基于邊緣濾波法的光纖光柵振動傳感器解調技術

羅 進，江 山*，熊 巖

（1.武漢郵電科學研究院，武漢430074；2.武漢理工光科股份有限公司，武漢430074）

基于邊緣濾波法的光纖光柵振動傳感器解調技術

羅 進1，2，江 山1，2*，熊 巖2

（1.武漢郵電科學研究院，武漢430074；2.武漢理工光科股份有限公司，武漢430074）

為了滿足各種場合中對振動信號監測的需求，基于長周期光柵的邊緣濾波原理，設計了一種結構簡單、低成本的光纖布喇格光柵振動傳感器解調系統。系統在硬件部分采用雙光路結構及低噪聲光電轉換電路，解調及顯示軟件基于LabVIEW平臺開發。通過在可調諧振動臺上試驗，證明了系統能實現對振動傳感器可用范圍（0Hz～300Hz）內振動信號頻率的解調，誤差在3％以內。結果表明，振動加速度與模擬信號伏值成線性關系，擬合得到本系統的比例因子為0.94，擬合程度為0.9752，可對加速度在0～4.7g范圍內的振動信號進行振動加速度解調。

傳感器技術；光纖布喇格光柵；長周期光柵；邊緣濾波；振動加速度；頻率解調

引 言

近年來，光纖布喇格光柵（fiber Bragg grating，FBG）在傳感器領域中的應用引起了人們極大的興趣，相對于傳統的電磁類振動傳感器，光纖光柵不僅具有更高的靈敏度及精度，還具有抗電磁干擾、原子輻射、耐腐蝕、穩定性好等優點，其對溫度的測量已被廣泛地應用于石油石化火災報警、電力設備溫度監測等眾多領域［1］。另一方面，越來越多的工業應用中要求對振動信號進行測量。例如大型的周界安防系統、石油勘探的地震檢波系統、橋梁建筑的結構檢測系統、機電領域中轉子的高速轉動等，都急需具有抗電磁干擾、大動態范圍、易復用、高靈敏度等高性能的加速度傳感裝置。而基于光波長調制的光纖傳感器在這些方面展現了良好的應用前景，因此，相對基于機電、壓電方法的傳統傳感器，光纖光柵傳感正在受到越來越多的重視［2］。

與此同時，光纖光柵傳感解調技術也得到了不斷發展，人們相繼提出了多種傳感解調方案如非平衡馬赫-曾德爾干涉儀解調法、可調諧Fabry-Perot（F-P）腔法、可調諧窄帶光源法等。這些方法都已進入商用，均具有較高的解調精度，但都結構復雜價格昂貴。本文中采用特殊封裝的FBG振動傳感器，利用長周期光纖光柵在透射區的線性效應作為邊帶濾波器，對傳感信息進行解調，設計了一種結構簡單、低成本系統的振動頻率解調儀［3］。能夠通過LabVIEW軟件實時繪制出振動信號，并調出振動傳感器的振動頻率及加速度。

1 原理分析

1.1 光學原理分析

光纖布喇格光柵是一種能夠反射特定波長光的光學器件，其中心反射波長為：

式中，neff為光柵的有效折射率，Λ為光柵的周期。當應變、溫度等外界環境因素變化時，相應的參量Λ和neff會發生相應改變，從而引起λB的偏移。假定溫度和應變引起的中心反射波長λB變化是獨立的，則光纖光柵的中心反射波長λB變化為：

式中，αε為光纖光柵的應變靈敏度系數；α為光纖光柵的溫度靈敏度系數；Δε為應變的變化量；ΔT為溫度變化量。外界溫度或應力變化信號作用于光柵時，就會導致光柵反射波長的變化，溫度或應力信息通過檢測光信號前后的變化即可得到［4］。

基于FBG原理的振動傳感器結構如圖1所示，懸臂梁末端固定有一重錘，FBG兩端的光纖固定在懸臂梁上的光纖固定槽中。當振動傳感器振動時，重錘會做上下運動，則FBG會隨懸臂梁的形變被拉伸或是被壓縮。

Fig.1 Diagram of vibration sensor

振動傳感器軸向應變引起的波長漂移可以寫成：

式中，Pc為彈光系數，對于通常的摻鍺光纖有Pc≈0.21。根據上式，在1550nm處的光纖光柵，其中心波長對軸向應變的靈敏度為1.22pm/με［5］。三角形懸臂梁的厚度為H（z方向），長度為L（x方向），Wl表示三角形的底邊寬度（y方向），G為一個跟傳感器結構有關的常量，E為懸臂梁材料的楊氏模量，同時考慮懸臂梁上和傳感光柵之間應變的轉換因子η，近似認為其值為1。可推導出：

（4）式表明，傳感光柵的波長變化Δλ正比于被測物體的加速度a。

長周期光纖光柵（long-period fiber grating，LPFG）是一類特殊的光纖光柵，其傳光原理是將前向傳輸的基模耦合到前向傳輸的包層模中。近年來，由于其寬帶濾波、極低的背景反射等特點引起了人們的重視，是一種新型的寬帶帶阻濾波器［6-7］。本設計中選用纖芯折射率為1.4681、包層折射率為1.4628、光柵長度為30mm的LPFG。利用MATLAB對LPFG傳輸譜進行模擬可以發現，LPFG在其透射峰附近具有一定范圍的線性區。在這一范圍內，透射光的損耗與光波長成線性關系，利用這一特點，采用長周期光纖光柵作為線性的邊帶濾波器［8］。根據（2）式，當FBG所受應力或溫度變化時，其反射光的中心波長會發生改變，當反射光的中心波長變化范圍位于LPFG透射峰的線性區時，則波長編碼的傳感信息將轉化為強度信號的變化，然后由光電探測系統進行測量，從而推知傳感信號的變化［9］。FBG反射光波長在LPFG透射峰線性區的變化如圖2所示。

Fig.2 Principle of edge filtering

根據上述分析可知，在1550.2nm～1553.8nm范圍內，經過LPFG邊緣濾波后的光信號的波長λ與光強成線性。若光電轉換后的信號電壓伏值V正比于光強，設線性比例因子為μ，則有V=μa。

1.2 光電轉換電路設計

在傳統的光電轉換電路中，前端電流-電壓轉換電路通常采用跨阻放大電路，這種電路結構簡單便于計算，但是如果入射光光強較小，則需要一個大的電阻來實現放大（通常在1MΩ～5MΩ之間），這樣大的一個電阻會給電路帶來很多不穩定的因素，十分容易受外界的干擾。本設計方案中，將前端電路轉電壓電路改為T型網絡，通過使用3個阻值較小的電阻即可實現大倍數放大，同時也有效避免了使用大的跨阻帶來的漂移誤差。

令3個電阻的交點為V1，流過光敏管的電流為I，則經過T型放大網絡后的電壓V0的數學模型為：

使R11＞＞R12，即可做到通過3個阻值較小的電阻去實現較大的放大，而3個小阻值構成的電流-電壓轉換電路也可以很好地避免外界的干擾。但是，由于實際中運算放大器在其輸入端存在一個小的偏置電流，可能會影響到該T型電路的性能，因此要選用低偏置電流的運放。

由于光電探測器存在暗電流的影響，經過多級放大后暗電流所產生的直流分量會對實驗結果的分析產生影響，因此在第2級放大電路中，利用減法電路將暗電流產生的直流分量濾除。第3級為可調諧正向放大電路，通過調整R9與R11的阻值可以對整個放大電路零點的位置及放大倍數進行調整。第4級放大前放置隔直電容，進一步濾除直流分量。整個光電轉換電路如圖3所示。

Fig.3 Light-electricity conversion circuit

2 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示，寬帶光源采用在1550nm～580nm的波長區間具有良好的穩定性的半導體激光器抽運的摻鉺光纖超熒光光源（superfluorescent fiber source，SFS）。光源發出的寬譜線光經過環形器入射到已封裝好的振動傳感器上，振動傳感器固定于振動臺，其振動頻率與振動加速度可由振動臺自由調諧。為了防止光纖的斷面反射而影響傳感信號，將光纖尾端浸入匹配液（index matching liquid，IMG）。光源發出的激光經過FBG振動傳感器反射入環形器后進入3dB耦合器，分為兩束相同的光：光路1和光路2。光路1進入LPFG邊緣濾波器然后進入PIN光電探測器（photoconductive detector，PD）PD1，再經電流電壓轉換放大后進入除法器的分子輸入端。光路2作為參考光路直接進入PD2，經過電流電壓轉換放大后進入除法器的分母輸入端。除法器輸出的模擬信號由數據采集卡采集，并完成A/D變換。最后在上位機利用LabVIEW進行數據處理，即可將振動信號還原，實現對振動信號加速度及頻率的解調［10］。

Fig.4 Experimental setup

3 實驗結果

試驗中分別對振動頻率與振動加速度進行解調。首先恒定振動臺的振動加速度，調諧振動頻率，記錄裝置解調出來的振動信號，再通過對解調出的信號做快速傅里葉變換得到信號頻譜并做記錄。圖5為振動臺振動加速度為4.6g（g為重力加速度）、振動頻率為17Hz時LabVIEW界面所顯示解調出的振動波形。

Fig.5 Display of LabvIEW interface

圖6為對該17Hz的振動信號進行快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）后的頻譜圖形。通過本實驗裝置對振動平臺上不同頻率的振動信號做頻率解調，得到該解調儀能對振動傳感器可用范圍（0Hz～300Hz）內的振動信號做出響應并解調其振動頻率。將振動臺的振動頻率與系統解調出的頻率進行對比，通過計算得到其最大誤差小于3％。

Fig.6 FFT spectrum graph

再固定振動頻率，調整振動臺的振動加速度，記錄系統的解調信號。如圖7所示，將振動平臺所施加的加速度a與經過光電轉換電路后的電壓伏值V做線性擬合，得到斜率為0.94，線性度為0.9752。將振動加速度調至4.7g時，放大電路輸出即已達到飽和電壓（5V）。即該解調系統中，加速度a與電壓伏值V的比例因子μ=0.94，線性度為0.9752，且對振動加速度的解調范圍為0～4.7g。

Fig.7 Linear fitting of acceleration and voltage

4 結 論

本系統在LPFG透射譜的線性區（1550.2nm～1553.8nm）內，能對0Hz～300Hz內的振動信號做頻率解調，解調出的信號頻率與振源頻率誤差不大于3％。并且驗證在振動過程中，FBG中心波長的漂移量正比于外界加速度的大小。通過線性擬合得到本系統中外界振源加速度與響應電壓伏值正比的比例因子μ=0.94，振動加速度的解調范圍為0～4.7g。

［1］ZHAN Y G，LU Q，XIANG X Q.Optimization of fiber grating sensormatching grating demodulation method［J］.Acta Photonica Sinica，2004，33（6）：711-715（in Chinese）.

［2］REN L.Fiber grating sensing technology in structural healthmonitoring［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2008：1-165（in Chinese）.

［3］LIU Y Q，LIU S L，LIU Z G，et al.All-fiber grating sensors based on long-period grating filter［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2000，24（4）：242-245（in Chinese）.

［4］ZENG N.A number of key technology of the fiber optic accelerometer［D］.Beijing：Tsinghua University，2005：1-121（in Chinese）.

［5］WANG Z.Fiber optic accelerometer technology research［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2008：1-79（in Chinese）.

［6］HUANG P.Study on the excursion rule of resonant waves of long period fiber grating［J］.Laser Technology，2012，36（5）：674-676（in Chinese）.

［7］WEIY S，ZHOU Ch X，ZENG X K，et al.Study on temperature characteristics of the transmission spectra three-layer model long period fiber gratings［J］.Laser Technology，2011，35（2）：252-254（in Chinese）.

［8］LIU B，TONG Z R，CHEN SH.A long period fiber grating edge filter linear demodulation method［J］.Acta Optica Sinica，2004，24（2）：199-202（in Chinese）.

［9］ZHANG JH，WANGY B，WANG X C.FBG demodulation system based on the edge of the filter［J］.Electro-Optic Technology Application，2012，33（4）：232-234（in Chinese）.

［10］SHENG X Y，LIN Y C，FU L H，et al.FBG sensor demodulation with labview［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2008，21（1）：61-65（in Chinese）.

Demodulation technique of fiber grating vibration sensor based on the edge filter method

LUO Jin1，2，JIANG Shan1，2，XIONG Yan2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunication，Wuhan 430074，China；2.WUTOS Technology Co.Ltd.，Wuhan 430074，China）

In order tomeet the needs of vibration signalmonitoring on various occasions，based on long-period grating edge filtering principle，a fiber Bragg grating vibration sensor demodulation system with simple structure and low cost was designed.Dual optical path structure and low noise photoelectric conversion circuit were used in the hardware part.Demodulation system and display softwarewere based on LabVIEW platform.After the testing on a tunable vibration bench，the demodulation of vibration signal frequency was obtained in the available range（0Hz～300Hz）of vibration sensors.The error was less than 3％.The results show that vibration acceleration analog signal volt value is a linear relationship，the fitting scale factor of the system is0.94，the fitting extent is0.9752 and vibration acceleration demodulation can be realized in the range of0～4.7g of the acceleration of vibration signal.

sensor technique；fiber Bragg grating；long-period fiber grating；edge filter；vibration acceleration；frequency demodulation

TP212.4+4

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.012

1001-3806（2013）04-0469-04

羅 進（1987-），男，碩士研究生，主要從事光纖光柵解調儀表的研究。

*通訊聯系人。E-mail：jshan＠wri.com.cn

2012-10-30；

2012-11-08