羅 進(jìn)，江 山*，熊 巖

（1.武漢郵電科學(xué)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(diào)技術(shù)

羅 進(jìn)1，2，江 山1，2*，熊 巖2

（1.武漢郵電科學(xué)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(jiān)測的需求，基于長周期光柵的邊緣濾波原理，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本的光纖布喇格光柵振動傳感器解調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)在硬件部分采用雙光路結(jié)構(gòu)及低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路，解調(diào)及顯示軟件基于LabVIEW平臺開發(fā)。通過在可調(diào)諧振動臺上試驗(yàn)，證明了系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對振動傳感器可用范圍（0Hz～300Hz）內(nèi)振動信號頻率的解調(diào)，誤差在3％以內(nèi)。結(jié)果表明，振動加速度與模擬信號伏值成線性關(guān)系，擬合得到本系統(tǒng)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(nèi)的振動信號進(jìn)行振動加速度解調(diào)。

傳感器技術(shù)；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(diào)

引 言

近年來，光纖布喇格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）在傳感器領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了人們極大的興趣，相對于傳統(tǒng)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(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，其對溫度的測量已被廣泛地應(yīng)用于石油石化火災(zāi)報(bào)警、電力設(shè)備溫度監(jiān)測等眾多領(lǐng)域［1］。另一方面，越來越多的工業(yè)應(yīng)用中要求對振動信號進(jìn)行測量。例如大型的周界安防系統(tǒng)、石油勘探的地震檢波系統(tǒng)、橋梁建筑的結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)、機(jī)電領(lǐng)域中轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動等，都急需具有抗電磁干擾、大動態(tài)范圍、易復(fù)用、高靈敏度等高性能的加速度傳感裝置。而基于光波長調(diào)制的光纖傳感器在這些方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，因此，相對基于機(jī)電、壓電方法的傳統(tǒng)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(shí)，光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)也得到了不斷發(fā)展，人們相繼提出了多種傳感解調(diào)方案如非平衡馬赫-曾德爾干涉儀解調(diào)法、可調(diào)諧Fabry-Perot（F-P）腔法、可調(diào)諧窄帶光源法等。這些方法都已進(jìn)入商用，均具有較高的解調(diào)精度，但都結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)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(qū)的線性效應(yīng)作為邊帶濾波器，對傳感信息進(jìn)行解調(diào)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本系統(tǒng)的振動頻率解調(diào)儀［3］。能夠通過LabVIEW軟件實(shí)時(shí)繪制出振動信號，并調(diào)出振動傳感器的振動頻率及加速度。

1 原理分析

1.1 光學(xué)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(xué)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(dāng)應(yīng)變、溫度等外界環(huán)境因素變化時(shí)，相應(yīng)的參量Λ和neff會發(fā)生相應(yīng)改變，從而引起λB的偏移。假定溫度和應(yīng)變引起的中心反射波長λB變化是獨(dú)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(yīng)變靈敏度系數(shù)；α為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)；Δε為應(yīng)變的變化量；ΔT為溫度變化量。外界溫度或應(yīng)力變化信號作用于光柵時(shí)，就會導(dǎo)致光柵反射波長的變化，溫度或應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖1所示，懸臂梁末端固定有一重錘，F(xiàn)BG兩端的光纖固定在懸臂梁上的光纖固定槽中。當(dāng)振動傳感器振動時(shí)，重錘會做上下運(yùn)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(yīng)變引起的波長漂移可以寫成：

式中，Pc為彈光系數(shù)，對于通常的摻鍺光纖有Pc≈0.21。根據(jù)上式，在1550nm處的光纖光柵，其中心波長對軸向應(yīng)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(gè)跟傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量，E為懸臂梁材料的楊氏模量，同時(shí)考慮懸臂梁上和傳感光柵之間應(yīng)變的轉(zhuǎn)換因子η，近似認(rèn)為其值為1?？赏茖?dǎo)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?shù)幕ｑ詈系角跋騻鬏數(shù)陌鼘幽Ｖ?。近年來，由于其寬帶濾波、極低的背景反射等特點(diǎn)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(shè)計(jì)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(jìn)行模擬可以發(fā)現(xiàn)，LPFG在其透射峰附近具有一定范圍的線性區(qū)。在這一范圍內(nèi)，透射光的損耗與光波長成線性關(guān)系，利用這一特點(diǎn)，采用長周期光纖光柵作為線性的邊帶濾波器［8］。根據(jù)（2）式，當(dāng)FBG所受應(yīng)力或溫度變化時(shí)，其反射光的中心波長會發(fā)生改變，當(dāng)反射光的中心波長變化范圍位于LPFG透射峰的線性區(qū)時(shí)，則波長編碼的傳感信息將轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信號的變化，然后由光電探測系統(tǒng)進(jìn)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(qū)的變化如圖2所示。

Fig.2 Principle of edge filtering

根據(jù)上述分析可知，在1550.2nm～1553.8nm范圍內(nèi)，經(jīng)過LPFG邊緣濾波后的光信號的波長λ與光強(qiáng)成線性。若光電轉(zhuǎn)換后的信號電壓伏值V正比于光強(qiáng)，設(shè)線性比例因子為μ，則有V=μa。

1.2 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換電路中，前端電流-電壓轉(zhuǎn)換電路通常采用跨阻放大電路，這種電路結(jié)構(gòu)簡單便于計(jì)算，但是如果入射光光強(qiáng)較小，則需要一個(gè)大的電阻來實(shí)現(xiàn)放大（通常在1MΩ～5MΩ之間），這樣大的一個(gè)電阻會給電路帶來很多不穩(wěn)定的因素，十分容易受外界的干擾。本設(shè)計(jì)方案中，將前端電路轉(zhuǎn)電壓電路改為T型網(wǎng)絡(luò)，通過使用3個(gè)阻值較小的電阻即可實(shí)現(xiàn)大倍數(shù)放大，同時(shí)也有效避免了使用大的跨阻帶來的漂移誤差。

令3個(gè)電阻的交點(diǎn)為V1，流過光敏管的電流為I，則經(jīng)過T型放大網(wǎng)絡(luò)后的電壓V0的數(shù)學(xué)模型為：

使R11＞＞R12，即可做到通過3個(gè)阻值較小的電阻去實(shí)現(xiàn)較大的放大，而3個(gè)小阻值構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路也可以很好地避免外界的干擾。但是，由于實(shí)際中運(yùn)算放大器在其輸入端存在一個(gè)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(yùn)放。

由于光電探測器存在暗電流的影響，經(jīng)過多級放大后暗電流所產(chǎn)生的直流分量會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析產(chǎn)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(chǎn)生的直流分量濾除。第3級為可調(diào)諧正向放大電路，通過調(diào)整R9與R11的阻值可以對整個(gè)放大電路零點(diǎn)的位置及放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。第4級放大前放置隔直電容，進(jìn)一步濾除直流分量。整個(gè)光電轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

Fig.3 Light-electricity conversion circuit

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，寬帶光源采用在1550nm～580nm的波長區(qū)間具有良好的穩(wěn)定性的半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)的摻鉺光纖超熒光光源（superfluorescent fiber source，SFS）。光源發(fā)出的寬譜線光經(jīng)過環(huán)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(diào)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(fā)出的激光經(jīng)過FBG振動傳感器反射入環(huán)形器后進(jìn)入3dB耦合器，分為兩束相同的光：光路1和光路2。光路1進(jìn)入LPFG邊緣濾波器然后進(jìn)入PIN光電探測器（photoconductive detector，PD）PD1，再經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換放大后進(jìn)入除法器的分子輸入端。光路2作為參考光路直接進(jìn)入PD2，經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換放大后進(jìn)入除法器的分母輸入端。除法器輸出的模擬信號由數(shù)據(jù)采集卡采集，并完成A/D變換。最后在上位機(jī)利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可將振動信號還原，實(shí)現(xiàn)對振動信號加速度及頻率的解調(diào)［10］。

Fig.4 Experimental setup

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中分別對振動頻率與振動加速度進(jìn)行解調(diào)。首先恒定振動臺的振動加速度，調(diào)諧振動頻率，記錄裝置解調(diào)出來的振動信號，再通過對解調(diào)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(shí)LabVIEW界面所顯示解調(diào)出的振動波形。

Fig.5 Display of LabvIEW interface

圖6為對該17Hz的振動信號進(jìn)行快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）后的頻譜圖形。通過本實(shí)驗(yàn)裝置對振動平臺上不同頻率的振動信號做頻率解調(diào)，得到該解調(diào)儀能對振動傳感器可用范圍（0Hz～300Hz）內(nèi)的振動信號做出響應(yīng)并解調(diào)其振動頻率。將振動臺的振動頻率與系統(tǒng)解調(diào)出的頻率進(jìn)行對比，通過計(jì)算得到其最大誤差小于3％。

Fig.6 FFT spectrum graph

再固定振動頻率，調(diào)整振動臺的振動加速度，記錄系統(tǒng)的解調(diào)信號。如圖7所示，將振動平臺所施加的加速度a與經(jīng)過光電轉(zhuǎn)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(diào)至4.7g時(shí)，放大電路輸出即已達(dá)到飽和電壓（5V）。即該解調(diào)系統(tǒng)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(diào)范圍為0～4.7g。

Fig.7 Linear fitting of acceleration and voltage

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)在LPFG透射譜的線性區(qū)（1550.2nm～1553.8nm）內(nèi)，能對0Hz～300Hz內(nèi)的振動信號做頻率解調(diào)，解調(diào)出的信號頻率與振源頻率誤差不大于3％。并且驗(yàn)證在振動過程中，F(xiàn)BG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(tǒng)中外界振源加速度與響應(yīng)電壓伏值正比的比例因子μ=0.94，振動加速度的解調(diào)范圍為0～4.7g。

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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(jìn)（1987-），男，碩士研究生，主要從事光纖光柵解調(diào)儀表的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：jshan＠wri.com.cn

2012-10-30；

2012-11-08