一种新犁光纤光栅传感器解调系统

光纤光栅(FBG)传感器通过波长编码传感信号，可用于应力、应变或温度等诸多物理量的传感测量，因而受到重视[1，2]。FBG传感器常用的解调方法有匹配滤波法、线性滤波器法、非平衡马赫泽德干涉法[3]和可调谐F-P腔法[4，5]。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，具有较好的线性输出[6]，提供了一种结构紧凑、便携灵巧的传感解调系统的实现途径。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，制约了线性滤波法FBG传感器解调系统的应用。

FBG传感器的一个主要应用是埋于智能结构[7]，实现应力、变形、振动和压力等参数监测，这就需要传感器解调系统可工作于户外，具有体积小、便于携带等特点。然而目前多数FBG传感器解调系统以PC机作为系统控制和数据存储显示的主要单元，体积大、结构笨重和不适宜野外作业。

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两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ADuC847实现数据处理、数据存储传输、电路校准及系统智能化。通过实验和数据验证了该系统高精度、便携带的特点。

2 系统原理及结构

用线性滤波法实现FBG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3 dB耦合器进入传感FBG。由FBG反射后形成窄带光谱，通过线性滤波器得到两路出射光功率与波长有关的光信号。光电探测器PIN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处理。

图2为线性解调原理示意图。假设窄频反射Bragg脉冲服从典型高斯函数分布，其谱宽为Δλ，中心谱线波长为λR，且滤波函数为F(λ)=A(λ-λ0)。滤波光信号IF、参考光信号IR的比例为

式中：A为滤波斜率;λ0为F(λ)=0时波长。因此，通过检测IF和IR可得到FBG传感器反射峰的波长漂移。

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。所述系统所用WDM两输出端出射光功率比值101gP1=101gP2=101g(P1/P2)随波长而线性变化，且斜率是0.45 dB/nm。因此，通过测量两路透射光功率的比值P1/P2，即可获得波长信息Δλ。

为准确解调波长信息，需要准确地检测出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。

3 解调系统的硬件设计

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。线性滤波器WDM解调FBG传感信号后，得到的出射功率仅为nW量级，光探测器暗电流、运算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、分辨率低等问题。为提高解调系统的灵敏度、优化系统性能，设计的信号采集处理电路及单片机控制系统结构如图3所示。

硬件设计的整体思路为：通过光调制器，在宽带光源上附加2 kHz的载波。光源通过FBG传感器解调制后，反射光经线性滤波器分为两束出射光。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内置的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，实现传感量的解凋。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。

5)采用USB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USB存储设备(包括USB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)通过单片机控制数字频率合成器(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。

4 解调系统的软件实现

任何系统的运行最终都离不开软件，而软件实现得好坏将直接影响系统的人性化程度、可操作性及稳定性等性能，并且软件的工作量往往要大于硬件设计的工作量。现代电路的发展也是趋向于硬件软件化。系统软件总体结构如图4所示。

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。这种分层的程序结构将应用和具体硬件脱离，分工明确、结构清晰，不仅简化了程序设计，而且易于程序的修改、优化和维护。

为消除2路模拟信号处理电路的差异，每次采集有用信号前，系统要自校准。

5 实验及数据分析

所用FBG传感系统的结构如图1所示。FBG不受应力时中心波长为1551.65 nm，WDM的零点波长为1546 nm。

把信号采集处理电路和单片机控制系统接人FBG传感系统，由LCD显示解调系统所得FBG反射波长，并由光谱分析仪监测。所得结果如图5所示。

由图5可知，解调系统结果对应变测量具有较好的线性，线性度为0.9993，测量误差为13.0 pm，利用光谱仪测取数据得到FBG波长应变灵敏度系数为1.367 pm/με，假如该值以光谱仪的测量值为标准，则设计的解调系统应变测量误差为9.51με。解调系统测量值与光谱仪测量值存在偏差，两者偏差平均值为34.5 pm，偏差的标准差为42.5 pm。凶此，FBG传感器解调系统具有较好精度。

6 结论

提出了一种基于线性滤波法的便携式FBG传感器解调系统，给出了单片机控制系统的硬件设计和系统软件实现。该解调系统线性度为0.9993，测量误差为13.0 pm。采用小体积的集成电路代替PC机的处理工作，有效地实现了系统的小型化，在智能结构参数监测中，具有较高的应用价值。

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