李佰鶴，魏計林，邱選兵，關利樂

(1.太原科技大學 應用科學學院，山西 太原030024;2.太原理工大學 信息工程學院，山西 太原030024)

FBG傳感器是目前光纖光柵傳感領域的研究熱點之一，在煤礦圍巖、橋梁建筑、航空航天、石油化學工業(yè)等領域有著良好的應用前景。光纖F－P可調諧濾波器(Fiber Fabry－Perot Tunable Filter，F(xiàn)FP－TF)解調方法具有靈敏度高、調諧范圍大等優(yōu)點，是對FBG傳感光信號進行解調的有效方法之一，可直接輸出FBG中心波長所對應的光解調信號［1－2］。

輸出的光信號由于光纖的插入損耗、端面反射等原因，十分微弱，在nW數(shù)量級，還存在器件噪聲、電路噪聲、背景噪聲等干擾因素，因此微弱信號的預處理是FBG傳感系統(tǒng)的一個關鍵問題。針對此問題，文中設計了一種具有增益大、信噪比高、精度高、靈敏度好、抗干擾能力強的微弱信號預處理電路，實現(xiàn)了傳感器信號的放大與濾波。

1 電路基本原理

1.1 光電二極管的工作模式

(Positive－Intrinsic－Negative，PIN)光電二極管組成的光電檢測電路，實際上是一個光—電流—電壓變換器。該檢測電路所用的關鍵器件是FC型光電二極管(PIN A－07－13)，它由PIN光電二極管和FC連接器通過透鏡耦合而成，正常響應范圍為1 000～1 650 nm，光譜響應度≥0.8A/W(1 550 nm)，線性范圍－40～+30 dBm，暗電流≤10 nA，插接偏差±0.1 dB［3］。

光電二極管的工作模式有光導模式和光伏模式，如圖1和圖2所示。

圖1 光導模式

圖2 光伏模式

在光導模式下，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但線性度較差。實際上，在反偏置條件下，即使無光照，也會有暗電流，并且由于導電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。

在光伏模式下，光電二極管處于零偏置狀態(tài)，沒有暗電流、噪聲小，光信號和光電流可成良好的線性關系。由于FBG解調信號比較微弱，暗電流的影響會明顯，因此采用光伏模式，此時主要噪聲為分壓阻的熱噪聲。

1.2 前置放大器的噪聲分析

當PIN管工作在光伏模式下時，放大器噪聲模型如圖3所示［4］。

圖3 放大器噪聲模型

圖3中虛線框中的部分為光電二極管的等效電路，其中Rp為等效電阻;Cp為結電容。把放大器的所有噪聲源都折算到輸入端，則En為噪聲電壓源;In為噪聲電流源;Rs為信號源電阻;Et為信號源電阻的熱噪聲電壓;Zi為放大器的輸入電阻。一個信號源與放大器組成的系統(tǒng)噪聲源可歸結為3個，即En、In、Et，它們的共同作用效果用Eni來表示。

當信號頻率較低時，忽略光電二極管結電容的影響，則放大器的輸出端信號電壓為

式中，R=Rs∥Rp，Au為電壓增益。而放大器輸入噪聲為

當采用高精度、低噪聲的放大器時，其等效噪聲In一般為pA級。因此可忽略式(2)中的第2、4項，則放大器的輸入噪聲為

由此可見，適當增大Rs可以減少放大器的輸出噪聲，提高信噪比。

2 信號預處理電路的設計

本檢測電路，主要包括4個部分:光電轉換、前置放大電路、濾波電路和主放大電路，其結構框圖如圖4所示。

圖4 光電檢測系統(tǒng)原理框圖

2.1 前置放大電路

光電探測器前置放大電路的主要任務是放大PIN管所輸出的微弱電信號，要求具有高增益、低噪聲、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。設計選擇OPA227作為前置放大器，具有低噪聲()、高開環(huán)增益(160 dB)、低輸入偏置電流(10 nA Max)等特點［6］，電路如圖5所示。

圖5 前置放大電路

2.2 濾波電路

根據(jù)Nyquist采樣定律的要求，采用截止頻率fc為70 kHz的4階低通Butterworth濾波器。為減少運放對濾波電路的負載效應，且便于調整，選用OPA2227［6］。這是一個具有高精度、低噪聲的可操作運算放大器。濾波電路由兩個2階低通濾波電路級聯(lián)而成的4階低通Butterworth濾波電路組成，如圖6所示。

圖6 4階低通Butterworth濾波電路

圖7 幅頻響應波特圖

2.3 主放大電路

設計的前置放大電路主要起到電流轉電壓的作用，輸出的電壓值為mV級，不能滿足采樣電壓要求，因此還需應用主放大電路對其放大。放大器選用OPA376，具有低噪聲(7.5 nV/)、低補償電壓(5μV)、低輸入偏置電流(10 pA)等特點［7］。主放大電路如8圖所示。

圖8 主放大電路

3 實驗及數(shù)據(jù)分析

試驗中，光源采用深圳朗光科技的C波段(1 525～1 565 nm)寬帶光源(ASE－C型)，輸出光功率為13 dBm，光譜密度≥－4 dBm/nm(1528～1560 nm)，約為0.4 mW/nm［8］;FBG傳感器(CB－FBG－GFRPW01型)采用表面式應變傳感器，反射光譜帶寬為0.2 nm，反射率≥90%［9］，則反射光功率為

而PIN管的光譜響應度0.8 A/W，則光電流為

由此可見待檢測的光功率和光電流均較小，分別為nW級和nA級。則該檢測電路的理論輸出為

通過Tektronix示波器對本光電檢測電路進行分析，Ch1通道為FBG光解調信號經(jīng)預處理電路轉換后的電壓波形，精細標度為1 V，電壓峰值約為3.8 V;Ch2通道為FFP－TF的驅動電壓波形，為0～18 V的鋸齒波。電壓輸出波形如圖9所示。

圖9 電壓信號輸出波形

光信號在傳輸過程中，由于光纖的插入損耗、端面反射等原因，會出現(xiàn)實際峰值(3.8 V)比理論峰值(4.13 V)小的現(xiàn)象，但此電壓值能夠滿足FBG傳感系統(tǒng)的需要。

4 結束語

文中針對FBG傳感器解調信號微弱特點，設計了光電檢測電路，實現(xiàn)了微弱解調光信號的提取、轉換與放大。該電路的前置放大部分與PIN管直接相連，再經(jīng)4階低通Butterworth濾波電路濾波，最后通過主放大電路進行放大。該檢測電路可將72 nW的光信號轉換成3.8 V的電壓信號，具有較高的信噪比，為后續(xù)的處理工作提供了穩(wěn)定可靠的信號。

［1］ 江毅，唐才杰.光纖Fabry－Perot干涉儀原理及應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［2］劉鵬.基于ARM和FPGA的時間同步儀控制單元設計［J］.電子科技，2012，25(5):58－61.

［3］ 海特光電有限公司.FC型光電二極管［M］.北京:海特光電有限公司，2010.

［4］ 韓麗英，崔海霞.光電變換與檢測技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［5］ 劉衛(wèi)東，劉延冰，劉建國.檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設計［J］.電測與儀表，1999，36(4):27－30.

［6］Burr－Brown.OPA227 OPA2227 OPA4227 OPA228 OPA2228 OPA4228［M］.USA:Burr－Brown，2008.

［7］Texas Instruments.OPA376 OPA2376 OPA4376［M］.USA:Texas Instruments，2010.

［8］ 深圳朗光科技有限公司.ASE光源［M］.深圳:深圳朗光科技有限公司，2006.

［9］ 寧波杉工儀器設備有限公司.FBG－W01型表面應變傳感器［M］.寧波:寧波杉工儀器設備有限公司，2012.