憶阻橋放大效應在光纖式結冰探測中的應用*

李 薇，張志俊,程 立

(中南民族大學 計算機科學學院，湖北 武漢 430074)

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憶阻橋放大效應在光纖式結冰探測中的應用*

李 薇，張志俊,程 立

(中南民族大學 計算機科學學院，湖北 武漢 430074)

鑒于雙光路通道差動測量方法能夠有效去除共模干擾，本文將新型電路元件—憶阻器與傳統的光纖式結冰傳感器相結合，提出了納米級尺寸具有放大效應的憶阻橋網絡結構，分析了憶阻橋的放大效應原理，實現了光電二極管光電流信號的放大，以橋臂憶阻阻值和感知憶阻兩端電壓作為傳感輸出，對冰層厚度進行探測。仿真實驗結果表明：該雙測量通道憶阻橋網絡結構能夠同時有效消除光路擾動和擴大結冰厚度的測量范圍。

憶阻； 橋型結構； 雙光路； 結冰探測

0 引 言

飛機結冰探測是飛機機載結冰安全防護系統的前提和關鍵，光纖式結冰傳感器是目前世界上最先進的結冰探測傳感器之一[1,2]。實際應用中，在光源功率一定的情況下，接收光纖探測到的光信號較微弱[3]，且輸出信號呈現出雙值特性[4]，因此，在光纖式結冰傳感器的設計中會遇到以下兩個問題：1)如何消除光源光功率波動、探測環境背景光等對傳感器輸出的干擾[5,6]；2)如何擴大冰層厚度的測量范圍，突破光纖探測信號前坡、后坡非線性的局限性。為了解決這些問題，有些研究者曾提出了改進方法[7,8]，但這些方法通常將集成電路芯片進行互連來完成此類信號處理問題，較大的外形尺寸使其不易于安裝于機翼等面積較小、有一定弧度的探測部位[9]，這無疑成為機載設備微型化、智能蒙皮化的技術瓶頸。

本文將新型電路元件—憶阻器與傳統的光纖式結冰傳感器相結合，基于雙光路通道測量方法，構建了納米級尺寸具有放大效應的憶阻橋網絡結構，分析了憶阻橋的放大效應原理，實現了光電二極管光電流信號的放大，以感知憶阻兩端電壓作為傳感輸出，對冰層厚度進行探測。試驗仿真結果表明:該雙測量通道憶阻橋網絡結構能夠同時有效消除光路擾動和擴大結冰厚度的測量范圍。

1 憶阻器的物理實現及其傳感特性

根據電路理論中四個基本變量之間對應關系的完備性，Chua于1971年在電阻、電容和電感之外提出了第四種基本電子元器件—憶阻器，并從理論上對其進行了闡述和定義[10]。直至2008年，惠普實驗室的研究人員才意外得到基于金屬和金屬氧化物的憶阻器電子器件實物，并建立了憶阻器數學模型[11]。圖1為惠普實驗室得到的首個憶阻器物理模型，由夾在2個 (鉑)電極間的兩層二氧化鈦構成，一層二氧化鈦中因缺少部分氧原子而存在正二價的氧空位，具有高的電導，稱為摻雜層；另一層純二氧化鈦表現出絕緣性，稱為未摻雜層。

圖1 惠普憶阻器物理模型Fig 1 HP memristor physical model

在外加電源u(t)的作用下，兩層間的邊界發生移動，從而改變整個憶阻器的電阻值M(t)，外加電源的方向決定其阻值的變化趨勢。

(1)

(2)

式中 μv為離子在均勻場中移動情況的常數。由式(2)積分可得

(3)

式中 w0為w(t)的初始狀態。

將式(3)代入式(2)可得

(4)

當有電流流過憶阻器時，其阻值變化為

ΔM=M(t)-M(0)

(5)

由式(5)可知，憶阻器的阻值變化與流經其的電流大小和方向有關。

2 光纖式雙光路測量通道

圖2為光纖式結冰傳感器的結構原理示意圖。它是利用冰層對光的調制原理，將結冰狀態(冰層厚度、結冰類型等)信息以光信號的形式返回到光電探測器中，從而轉換成電信息。

圖2 光纖式結冰傳感器的結構原理示意圖Fig 2 Structure of fiber-optic icing sensor

發射光纖和接收光纖匯聚于一端形成探測頭端面，當此端面無結冰發生時，發射光將沿發射光纖射入空氣，接收光纖探測不到任何發射光。當探測頭端面有冰層時，光在冰層內發生反射、散射、透射和吸收等現象，其中冰層—空氣界面的反射光以及在冰層內的部分散射光經傳感器探頭端面進入接收光纖。接收光纖末端的光電二極管將接收到的光信號強度轉換成電信號。由于采用光強作為信息載體，不可避免地要受光電探測器噪聲、前置放大器零漂、光源功率波動、光纖傳輸損耗以及環境雜散光等因素的影響，當端面無結冰發生時，接收光纖中也會有相應的噪聲光電流返回。為了消除此類噪聲干擾，在測量探頭旁邊增設參考探頭，該探頭采用電加熱而始終處于無冰狀態。測量探頭和參考探頭端面光纖分布均采用同軸分布模式[12]。

3 憶阻橋放大效應工作原理

憶阻橋放大電路由5個憶阻器共同構成惠斯通電橋結構，兩個電流源分別為測量光纖和參考光纖返回的光電流。橋臂憶阻Mi(i=1,2,3,4)和感知憶阻Mm的初始阻值均為ROFF，由電路疊加原理可知，圖3(a)所示電路結構可由圖3(b)與圖3(c)所示電路結構疊加而成。

圖3 憶阻橋放大電路檢測示意圖Fig 3 Diagram of memristor bridge amplifier circuit

當測量光纖中返回的光電流單獨作用于放大電路時，如圖3(b)所示，取此時的光電流方向為參考方向。測量光纖中返回的光電流包括兩部分：測量端面所結冰層中返回的信號Ir和測量過程中產生的噪聲信號Id，它們依次流經憶阻M1,Mm,M4，且其阻值均減小。此時感知憶阻Mm兩端的電壓為

(6)

式中 Δd為由Id引起的感知憶阻Mm阻值減小值，Δr為由Ir引起的Mm阻值減小值。

當參考光纖中返回的光電流單獨作用于放大電路時，如圖3(c)所示，此時的光電流由測量過程中的噪聲所產生，該電流依次流經憶阻M2,Mm,M3，使其阻值均減小。此時感知憶阻Mm兩端的電壓為

ΔV″=V″+-V″-=-Id·(Mm-Δd)

(7)

當測量光纖和參考光纖中的返回光電流同時作用于憶阻橋放大電路時，感知憶阻Mm兩端的電壓為

=Ir·(Mm-Δr)

(8)

由此可見，通過采用參考光纖可進行干擾補償，使得感知憶阻Mm兩端的電壓僅與由冰層狀態返回的光電流Ir有關，能夠有效減小背景光等干擾，理論上可完全消除干擾。且由于感知憶阻Mm的初始阻值ROFF較大，當光纖中的光電流Ir變化較小時，ΔV的值也較大，從而具有較高的分辨率。

4 試驗驗證與仿真分析

為了驗證憶阻橋放大電路的有效性，構建了結冰檢測試驗平臺，以獲得憶阻橋的電流輸入信號，并對其進行仿真驗證分析，仿真試驗結構框圖如圖4所示。試驗平臺由半導體制冷器件(主要用于在其工作臺面生成冰層)、激光探頭(用于測量冰層厚度)以及具有同軸分布模式探頭的雙通道結冰傳感器構成。依照上述試驗平臺，分別在-10 ℃和-20 ℃得到明冰和霜冰所對應的接收光纖光電流信號。

圖4 結冰檢測仿真試驗平臺Fig 4 Simulation experiment platform for icing detection

在-10 ℃試驗環境下所結冰型為明冰，其外觀幾乎透明，因此,發射光纖中的光進入冰體后在冰層—空氣界面發生反射，同時在冰體中發生散射。當冰層很薄時，(測量)接收光纖接收的信號主要為界面的反射光和光路擾動，此時進入憶阻橋型放大電路的電流Ir,Id數量級相等，M1,M4的阻值變化速度與M2,M3的阻值變化速度基本相同。隨著冰厚的增長，散射光和反射光同時增強，兩者之和在0.6 mm冰厚附近達到最大值，此時的光路擾動相對變小且基本保持不變，因此,M1,M4的阻值變化明顯加快，而M2,M3的阻值變化速度基本保持不變。直至冰層增長到一定厚度時，進入接收光纖的光不再增加，從而使得M1,M4的阻值變化速度也基本保持不變，如圖5(a)所示。與明冰相對應的感知憶阻Mm兩端的電壓變化情況如圖5(c)所示。

當試驗環境為-20 ℃時，所結冰型為霜冰，其外觀較明冰混濁，進入到接收光纖中的信號以冰體中的散射光為主。(測量)接收光纖接收的信號主要為冰體中的散射光和光路擾動，且在冰層很薄時，后者在接收信號中占較大比例，隨著冰層厚度的不斷增長，冰體中的散射光越來越強，并在2.5 mm冰厚處達到飽和，較之明冰而言，由于反射光減少，使得憶阻M1,M4的阻值變化速度相對較緩慢，M2,M3的阻值變化情況基本與明冰一致，如圖5(b)所示。與霜冰相對應的感知憶阻Mm兩端的電壓變化情況如圖5(d)所示。

圖5 試驗驗證與仿真分析Fig 5 Experimental verification and simulation analysis

由以上分析可知，不論所結冰層為明冰還是霜冰，憶阻橋型放大電路中憶阻M1,M4的阻值與冰層厚度呈近似線性關系，且通過感知憶阻Mm兩端的電壓變化情況，可進一步探測出結冰的種類。

5 結 論

通過分析光纖式結冰傳感器的工作原理及特性，針對當前此類傳感器設計中存在的雙值甄別及實際安裝空間狹小等問題，提出了一種采用新型電路元件—憶阻器與傳統的光纖式結冰傳感器相結合的方法，構建了憶阻橋型網絡結構，以便在縮小安裝尺寸和降低能耗的前提下提高測量的準確性。通過實驗仿真，證明該雙測量通道憶阻橋網絡結構能夠同時有效消除光路擾動和擴大結冰厚度的測量范圍。

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Application of amplification effect in memristor-bridge for fiber-optic icing detection*

LI Wei,ZHANG Zhi-jun,CHENG Li

(College of Computer Science,South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074,China)

Considering the effectiveness of double optical path method for solving common-mode interference problems,a memristor-bridge structure is proposed,which has signification amplification effect with nanometer-grade area.Application principle of photocurrent in the photodiode is analyzed.The memristor-bridge detects the ice thickness by sensing voltage across the perception memristor.Simulation results show that the structure is capable to eliminate optical path disturbance and enlarge ice thickness measurement range.

memristor;bridge structure;double optical path;icing detection

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0154—03

2016—08—15

國家自然科學基金資助項目(61503418)；中南民族大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CZY15008)

TM 93

A

1000—9787(2016)11—0154—03

李 薇(1982-)，女，湖北黃石人，博士，講師，主要從事新型傳感器、信號處理與數據融合研究工作。