強(qiáng)度解調(diào)的光纖光柵振動檢測硬件電路設(shè)計與實驗研究*

張法業(yè)，姜明順*，隋青美，曹玉強(qiáng)，徐　偉，劉曉慧，耿湘宜

（1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061；2.山東泰開自動化有限公司，山東泰安271000）

強(qiáng)度解調(diào)的光纖光柵振動檢測硬件
電路設(shè)計與實驗研究*

張法業(yè)1，姜明順1*，隋青美1，曹玉強(qiáng)1，徐偉2，劉曉慧1，耿湘宜1

（1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061；2.山東泰開自動化有限公司，山東泰安271000）

在對光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)方法研究的基礎(chǔ)上，利用FastFET放大器AD8065設(shè)計了高速光電轉(zhuǎn)換電路，并基于邊緣濾波強(qiáng)度解調(diào)原理構(gòu)建了光纖光柵振動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低、解調(diào)速度快等特點。在實驗中，引入使用美國國家儀器（NI）有限公司的電子電路仿真軟件Multisim的仿真實驗與構(gòu)建的光纖光柵振動檢測系統(tǒng)進(jìn)行對比。實驗結(jié)果表明，光纖光柵振動檢測系統(tǒng)具有良好的幅頻響應(yīng)，頻率響應(yīng)范圍可達(dá)5 Hz～1 000 Hz，為光纖光柵振動檢測提供了一種新的可靠手段。

光纖光柵；強(qiáng)度解調(diào)；Multisim仿真；振動；電路設(shè)計

EEACC：4125；4320F；7210doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2015.12.004

作為一種新型傳感器技術(shù)，近年來光纖光柵傳感器逐漸在電力、石油、橋梁等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。光纖光柵傳感器除了具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、電絕緣性好、耐腐蝕等優(yōu)點外，還具有編碼方式可靠、可波分復(fù)用和組網(wǎng)便捷等優(yōu)勢。特別是光纖光柵對振動的測量靈敏度高，微小位移測量最小可達(dá)納米級，并且響應(yīng)速度快，動態(tài)范圍大，非常適合用于振動檢測。基于此，國內(nèi)外研制成功了許多光纖振動傳感器，與傳統(tǒng)振動傳感器相比，具有抗電磁干擾、動態(tài)范圍大、精度高、可工作于惡劣環(huán)境，而且體積輕小，獲得了廣泛的工程應(yīng)用［1-4］。

根據(jù)處理對象的不同，光纖光柵解調(diào)方法主要分為兩大類：波長解調(diào)型和光強(qiáng)解調(diào)型。波長解調(diào)型的原理是：利用光纖光柵的波長隨溫度、應(yīng)變等物理量的變化，通過檢測發(fā)射波長的漂移來間接測量被測物理量的變化，因此，測量時需要進(jìn)行波長掃描，從而反應(yīng)時間相對較長，測量速度慢［5］。同時，由于其必需的波長測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格偏高，不利于大規(guī)模推廣［6］。而強(qiáng)度解調(diào)型僅需要測量光電轉(zhuǎn)換后的光信號強(qiáng)度，因此具有成本低，解調(diào)速度快等優(yōu)點［7］，適合于光纖振動檢測應(yīng)用中的動態(tài)高速測量。

本文設(shè)計了動態(tài)響應(yīng)范圍為5 Hz～1 000 Hz高速光電轉(zhuǎn)換電路，通過搭建Multisim仿真平臺、構(gòu)建基于非平坦ASE光源的光纖光柵強(qiáng)度解調(diào)系統(tǒng)和硬件電路設(shè)計，驗證了其動態(tài)響應(yīng)特性，獲得了良好的實驗結(jié)果，設(shè)計的高速硬件電路為光纖光柵振動檢測提供了一種有效手段。

1　邊緣濾波解調(diào)基本原理

邊緣濾波解調(diào)是利用特定濾波器將FBG傳感器反射信號光頻率漂移轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制的方法，其基本原理［8-12］如圖1所示。

圖1　R邊緣濾波解調(diào)原理圖

設(shè)濾波器的功率譜密度p與波長λ的關(guān)系為線性，即

反射率為R0的FBG的反射光譜R（λ）近似為高斯分布，其表達(dá)式為

其中，R0為峰值反射率，為FBG的 3 dB帶寬，λ0為中心波長。

當(dāng)光信號照射在該FBG上時，其反射光強(qiáng)為

將式（1）、式（2）帶入式（3）得

由上式可知，若濾波器的光功率譜為線性的，則經(jīng)FBG反射的光強(qiáng)I（λ0）與FBG的中心波長λ0的關(guān)系也是線性的［13］。

因此，通過測量I（λ0）即可求出λ的值。

當(dāng)FBG受到擾動時，其中心波長變?yōu)椋é?+Δλ），其中心波長變化量Δλ與反射光強(qiáng)變化量ΔI的關(guān)系也是線性的，即

當(dāng)擾動作用在FBG上時，應(yīng)變與其中心波長的漂移成線性變化關(guān)系，即Δλ=k'Δε，帶入式（5）得

其中，k'為FBG的應(yīng)變靈敏系數(shù)。式（6）表明，F(xiàn)BG反射光強(qiáng)變化量與動態(tài)應(yīng)變的變化量呈線性關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變?yōu)榻蛔兞繒r，式（6）可寫成

其中，ε振動幅度；ω為振動頻率。式（7）表明，反射光強(qiáng)變化量與交變擾動之間也呈線性關(guān)系。

因此，當(dāng)振動FBG傳感器的反射峰跟隨外界振動激勵源的變化出現(xiàn)漂移時，由于受到邊緣濾波器的調(diào)制，反射峰的強(qiáng)度產(chǎn)生相應(yīng)變化，這種變化可以通過光電接收裝置檢測，通過數(shù)據(jù)處理算出反射峰的漂移，得到外界振動激勵源的信息，從而達(dá)到解調(diào)的目的。

2　光纖光柵振動實驗系統(tǒng)搭建

光纖光柵振動實驗系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由未經(jīng)平坦的ASE光源、光隔離器、耦合器、振動平臺、光纖光柵振動傳感器、USB數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)組成，其中，利用未經(jīng)平坦的ASE光源作為邊緣濾波器。從ASE光源發(fā)出的光經(jīng)光隔離器、分路器和3 dB耦合器后，進(jìn)入光纖光柵振動傳感器，傳感器反射光的光強(qiáng)變化與振動平臺懸臂梁的振動頻率相關(guān)。反射光經(jīng)過耦合器后，進(jìn)入寬帶光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成類正弦波信號，該信號的頻率與振動平臺懸臂梁的振動頻率相對應(yīng)。因此，通過USB數(shù)據(jù)采集卡采集該類正弦波信號，并計算其頻率，可獲得振動平臺懸臂梁的振動頻率，實現(xiàn)了振動信號的測量。

圖2　R光纖光柵振動實驗系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖

實驗中選用的光纖光柵振動傳感器的頻率響應(yīng)范圍為5 Hz～1 000 Hz，傳感器的中心波長最大變化量為±100 pm。選用的ASE光源的光譜圖如圖3所示。

圖3　R未經(jīng)平坦的ASE光源光譜圖

由圖3可以看出，ASE光源有4個單調(diào)區(qū)間，選擇斜率最大的1 533 nm～1 536 nm區(qū)間，選定傳感器的中心波長為1 534.995 nm，則經(jīng)過光電二極管后輸入信號變化量為：

3　寬帶光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

光電二極管屬于高阻抗傳感器，用于檢測光的強(qiáng)度。它沒有內(nèi)部增益，但相比其它光檢測器，可在更高的光強(qiáng)下工作。光電二極管工作時采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光導(dǎo)）模式。光伏模式可獲得最精確的線性運算，而讓二極管工作在光導(dǎo)模式可實現(xiàn)更高的開關(guān)速度，但代價是降低線性度。選用線性度更好的光伏模式，所設(shè)計的寬帶光電二極管前置放大器電氣模型如圖4所示。

圖4　R寬帶光電二極管前置放大器電氣模型

該模型的基本傳遞函數(shù)為：

其中，IPHOTO為光電二極管的輸出電流，RF和CF的并聯(lián)組合設(shè)置信號帶寬。理想情況下，光電二極管的全部輸出電流均通過RF，但由于所有運算放大器都存在輸入偏置電流，導(dǎo)致其輸出產(chǎn)生誤差。因此，最好能夠?qū)⑦\算放大器的輸入偏置電流限制在數(shù)pA范圍內(nèi)，并且壓低輸入失調(diào)電壓，以使誤差最小。本文所選用的放大器AD8065的輸入偏置電流僅為2 pA，輸入失調(diào)電壓僅為400 μV。

此前置放大器所能實現(xiàn)的穩(wěn)定帶寬是以下參數(shù)的函數(shù)：RF、放大器的增益帶寬積（65 MHz），以及放大器求和點的總電容CIN。所設(shè)計電路為5 V滿量程輸出，最大光電二極管電流為191 μA。由此確定反饋電阻值：

本文所設(shè)計電路選用二極管AA-I0917P0050TO46（Associated Opto-Electronics（Chongqing）Corp.）的最大電容值為CS=0.5 pF。AD8065共模輸入電容為CM=2.1 pF，差模輸入電容為CD=4.5 pF。因此，總輸入電容為CIN=7.1 pF

在45°相位裕量f（45）下，所設(shè)計電路最大信號帶寬可以表示為：

RF和CIN在放大器的環(huán)路傳遞函數(shù)中產(chǎn)生一個極點，它可能會導(dǎo)致峰化和電路不穩(wěn)定，如圖5。因此，需要增加反饋電容CF，在環(huán)路的傳遞函數(shù)中創(chuàng)建一個零點來補(bǔ)償上述極點的影響并降低信號帶寬。

圖5　R輸入電容補(bǔ)償分析

選定RF=26 kΩ，則產(chǎn)生1 kHz帶寬的CF的大小為：

產(chǎn)生45°相位裕量所需的電容CF的大小為：

由于選定的CF?6.1pF高于0.818 pF的最小值，而通過增加電容值便可增加相位裕量，因此系統(tǒng)穩(wěn)定。

綜上，寬帶光電轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6　R寬帶光電轉(zhuǎn)換電路

4　仿真及實驗驗證

4.1仿真實驗

寬帶光電轉(zhuǎn)換電路Multisim仿真電路圖7所示。

在仿真試驗中，使用交流電流信號源I1模擬光電管的電流輸出響應(yīng)，交流電流信號源I1的輸出信號為sin（ωt），該信號經(jīng)過寬帶光電轉(zhuǎn)換電路后，通過Multisim仿真軟件自帶的示波器XCS2記錄輸出信號。分別將交流電流信號源I1的輸出信號的頻率設(shè)定為5 Hz、50 Hz、200 Hz、400 Hz、600 Hz和1 000 Hz，示波器記錄XCS2的輸出信號輸出波形如圖8所示。

圖7　R寬帶光電轉(zhuǎn)換電路Multisim仿真電路圖

由圖8（a）～8（g）可知，設(shè)計電路在5 Hz～1000 Hz內(nèi)具有良好的幅頻響應(yīng)特性，能夠滿足光纖光柵振動檢測的要求。

圖8　R寬帶光電轉(zhuǎn)換電路Multisim仿真數(shù)據(jù)分析

4.2振動實驗驗證

按照圖5所示，搭建振動實驗系統(tǒng)來驗證所設(shè)計的高速光電轉(zhuǎn)換電路的幅頻響應(yīng)特性。設(shè)定清華大學(xué)ZJY-601T振動與控制教學(xué)實驗儀的振動加速度為5 m·s2，振動頻率分別為5 Hz、50 Hz、200 Hz、400 Hz、600 Hz和1 000 Hz，使用數(shù)據(jù)采集卡FCFRUSB2070記錄光電轉(zhuǎn)換電路的電壓輸出數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)如圖9所示。由圖9（a）～9（f）可知，在振動實驗中，設(shè)計電路能夠良好響應(yīng)5 Hz～1 000 Hz振動信號，其信號波形與仿真分析吻合良好，響應(yīng)一致。振動頻率與電壓峰峰值之間的關(guān)系如圖9（g）所示。可以看出，在5 Hz～1 000 Hz范圍內(nèi)，振動靈敏度最高可達(dá)1.42 V/（m·s2），靈敏度因頻率不同而有所差異。

圖9　R寬帶光電轉(zhuǎn)換電路振動實驗數(shù)據(jù)分析

5　結(jié)論

實驗結(jié)果表明，在5 Hz～1 000 Hz正弦激勵振動信號下，所設(shè)計的光電轉(zhuǎn)換電路有良好的幅頻響應(yīng)特性，并且具有良好的低噪聲性能。實驗表明，使用本文設(shè)計的搭建的振動檢測系統(tǒng)對于振動信號有良好的分辨率，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍可達(dá)5 Hz～1 000 Hz，為光纖光柵振動檢測提供了一種有效的手段。

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Hardware Circuit Design and Experimental Study of Fiber Bragg Grating Vibration Detection Using Intensity Demodulation Method*

ZHANG Faye1，JIANG Mingshun1*，SUI Qingmei1，CAO Yuqiang1，XU Wei2，LIU Xiaohui1，GENG Xiangyi1
（1.Control Science and Technology School，Shandong University，Ji'nan 250061，China；2.Shandong TaiKai Automation Co.Ltd.，Tai'an Shandong 271000，China）

On the basis of the research on intensity demodulation method of Fiber Bragg Grating，High speed photoelectric conversion circuit was designed with FastFET amplifier AD8065 and a Fiber Bragg Grating vibration detection system based on edge filter demodulation is established.The system has advantages of low cost，fast response and so on.In the experiments，simulation experiments results from National Instruments（NI）Ltd Electronic Multisim circuit simulation software are used to compare with the results of the fiber grating vibration demodulation system.The results show that The Fiber Bragg Grating vibration detection system has good amplitude frequency response，and its frequency response range is 5 Hz～1 000 Hz，which provides a new reliable method for Fiber Bragg Grating vibration detection.

fiber grating；intensity demodulation；multisim simulation；vibration；circuit design

張法業(yè)（1984-）男，山東臨沂人，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，碩士，工程師，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置，zhangfaye@sdu.edu.cn；

姜明順（1981-）男，山東泰安人，山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，博士，副教授，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置，sdujiangmingshun@163.com；

隋青美（1963-）女，教授、博士、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院過程控制研究所所長，檢測技術(shù)與自動化裝置學(xué)科點學(xué)術(shù)帶頭人。主要研究方向為檢測理論及應(yīng)用、光纖傳感技術(shù)、檢測技術(shù)與自動化裝置，在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物和國際國內(nèi)學(xué)術(shù)會上交流學(xué)術(shù)論文90余篇。

TP277

A

1004-1699（2015）12-1760-06

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（61505097，41472260）；山東省自然科學(xué)基金項目（2014ZRE27372）；山東大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費項目（2014YQ009）

2015-06-05修改日期：2015-09-21