廈門大學(xué)光波技術(shù)研究所 彭 妍

基于光纖光柵邊沿解調(diào)精密光電檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廈門大學(xué)光波技術(shù)研究所 彭 妍

高精度光電檢測系統(tǒng)是測量光纖光柵傳感器信號的重要輔助設(shè)備，特別是在較微弱光纖光柵傳感信號的檢測中有著重要的應(yīng)用。本文基于光纖光柵中心波長邊沿解調(diào)原理和傳感信號特性，介紹一種精密光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文中分析了影響微弱光電信號檢測精度的多種原因，并通過對器件的參數(shù)分析與選型、差模信號提取與放大和噪聲的有效濾除等方式來實(shí)現(xiàn)對微弱信號的高精度檢測。

光纖光柵；邊沿解調(diào)；光電檢測；微弱信號；噪聲濾除

1.引言

隨著光纖光柵傳感器的廣泛應(yīng)用，光纖光柵傳感信號的檢測系統(tǒng)也有了很大的發(fā)展。相比于傳統(tǒng)采用單色儀、光譜儀掃描[1]等方式來檢測光纖光柵傳感信號的方式，采用光電轉(zhuǎn)換方式，即把對光強(qiáng)信號的測量轉(zhuǎn)變?yōu)閷﹄妷盒盘柕臏y量方式有它的優(yōu)越性，它具有檢測設(shè)備制造成本低、方便攜帶、可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)變化信號高速檢測和擁有更廣的工程應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

目前用于光纖光柵傳感器信號檢測的光電檢測系統(tǒng)很多，但很多仍存在對微弱信號檢測精度不高，對噪聲有效抑制能力弱等特點(diǎn)。而基于邊沿解調(diào)原理的光纖光柵中心波長解調(diào)方法是通過對光柵反射峰的光強(qiáng)測量來實(shí)現(xiàn)的，是一種對較為微弱光電信號進(jìn)行檢測的方式。此時(shí)，電路中所用器件的特性誤差和電路中所耦合進(jìn)的噪聲對信號檢測精度所造成的影響不可忽略，它們在一定程度上都會降低信號的檢測精度。因此，如何有效抑制電路中的噪聲，提高光電檢測系統(tǒng)對微弱信號測量精度是本文研究重點(diǎn)。

2.光纖光柵中心波長邊沿解調(diào)技術(shù)的基本原理

光纖光柵傳感器的基本原理是光柵受到應(yīng)力作用或溫度的變化是會改變它的中心波長，通過檢測波長的漂移就可以檢測到被測量物理量。當(dāng)前采用濾波法測量光柵中心波長主要有邊沿解調(diào)濾波法[2]、匹配光柵濾波法[2]、可調(diào)諧F-P腔濾波法[2]和聲光可調(diào)諧濾波掃描法等[2]，而基于邊沿解調(diào)方法上采用光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)檢測就是其中一種測量簡單、信號處理容易的低成本檢測方式。這種方法主要是根據(jù)光纖光柵傳感器中心波長的變化范圍，選擇一種波長范圍合適的邊沿濾波器，使經(jīng)過濾波器后的光纖光柵反射峰的光強(qiáng)隨中心波長移動呈現(xiàn)出線性變化的狀態(tài)，其基本原理圖如圖2.1所示。邊沿濾波器的透射函數(shù)曲線圖如圖所示，在一定的波長范圍內(nèi)，它的透射率函數(shù)與波長的線性關(guān)系可表示為[3]：

當(dāng)光纖光柵受到一定范圍內(nèi)的應(yīng)力或溫度等調(diào)制時(shí)，光柵反射峰的光強(qiáng)就會隨著中心波長的偏移而呈現(xiàn)線性變化，進(jìn)而使光電檢測系統(tǒng)所測量到的電壓值呈現(xiàn)出線性變化。采用這種解調(diào)方式將光纖光柵中心波長與電壓值對應(yīng)起來，從而將中心波長的測量轉(zhuǎn)化為對電壓的測量。

3.影響微弱光電信號檢測精度的原因分析與相應(yīng)解決方法

從光電檢測的角度看，當(dāng)光源光功率一定，且被分為多路使用時(shí)，測量光柵反射峰的光強(qiáng)是屬于一種較弱光電信號的檢測方式，而從光纖光柵邊沿解調(diào)原理看，它是通過檢測光柵反射峰光強(qiáng)的變化來測量光柵中心波長的偏移量，更是屬于一種對微弱光電信號變化量的.檢測方式，這就對所采用的光電檢測系統(tǒng)的檢測方法和它的檢測精度有更高的要求。在本光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，從光電信號的特性出發(fā)，分析了各種影響光電信號檢測精度的原因，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)解決方法。

3.1 光電轉(zhuǎn)換電路中所選運(yùn)放的失調(diào)電流對檢測精度的影響分析

查閱相關(guān)光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文獻(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)，更多的文獻(xiàn)是從光電檢測的原理出發(fā)，通過改進(jìn)電路的原理設(shè)計(jì)來提高光電檢測精度，而沒有分析設(shè)計(jì)中所選用芯片本身的參數(shù)特性對檢測精度的影響。基于邊沿解調(diào)原理測量光纖光柵中心波長是一種較為微弱光電信號檢測方式，經(jīng)邊沿濾波器后的光柵反射峰被光電二極管轉(zhuǎn)換后的光電流為nA級的，這就要求檢測系統(tǒng)中帶有一個(gè)精密的前置光電轉(zhuǎn)電路[4]。在如圖3.1所示基于跨導(dǎo)互阻放大器的光電轉(zhuǎn)換電路中，運(yùn)放的參數(shù)特性與噪聲特性直接決定了光電檢測電路的分辨率，當(dāng)運(yùn)放的失調(diào)電流與光電二極管檢測到的光電流在同一數(shù)量級時(shí)，就會使信號的檢測精度大大降低。根據(jù)圖3.1中的光電轉(zhuǎn)換電路所示，不考慮運(yùn)放失調(diào)電流影響時(shí)，輸出光電轉(zhuǎn)換電壓Vo為：

式(2)中IP為光柵反射峰經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換輸出的光電流。當(dāng)運(yùn)放失調(diào)電流Io(偏置電流IIB與IIO/2總和)的影響不可忽略時(shí)，則此時(shí)的輸出光電轉(zhuǎn)換電壓Vo為：

由失調(diào)電流產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換電壓誤差ΔVo為：

此誤差電壓經(jīng)后級放大后，會使檢測精度降低。因此，在微弱光電信號檢測系統(tǒng)的前置光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)過程中，必須充分考慮所選芯片特性參數(shù)對信號檢測精度的影響。要降低芯片固有失調(diào)電流對光電轉(zhuǎn)換電流的影響，實(shí)現(xiàn)對微弱信號的高精度測量時(shí)，所選運(yùn)放的失調(diào)電流至少要低于光電轉(zhuǎn)換電流一個(gè)數(shù)量級。在本設(shè)計(jì)中，檢測的光電流為幾十nA，選用失調(diào)電流為50pA的LF353運(yùn)放能夠檢測到幾nA的微弱光電流。

3.2 差模信號提取電路設(shè)計(jì)

圖2.1 基于邊沿濾波器解調(diào)中心波長的基本原理圖

圖3.1 光電檢測基本原理圖

圖3.2

圖3.3 差模信號提取電路

圖4.1 檢測系統(tǒng)噪聲測量結(jié)果

圖4.2 電壓隨波長變化的測量結(jié)果

很多光電檢測系統(tǒng)很難對微弱信號實(shí)現(xiàn)一個(gè)大的波長的范圍的高精度檢測。為提高檢測精度，實(shí)驗(yàn)過程中就要將微弱光電信號進(jìn)行大幅度的放大，但這樣容易造成飽和現(xiàn)象。當(dāng)光柵在應(yīng)力的作用下中心波長移動如圖3.2(a)所示，此時(shí)增益倍數(shù)設(shè)置為一個(gè)較大值時(shí)，檢測系統(tǒng)只能檢測到中心波長在λ~(λ+3Δλ)范圍內(nèi)變化的光柵反射峰光電轉(zhuǎn)換的信號，而當(dāng)光柵的中心波長小于λ時(shí)，光電檢測系統(tǒng)就很容易進(jìn)入飽和狀態(tài)，無法檢測出光柵的中心波長?；谶呇貫V波器的解調(diào)方法主要是能過測量電壓來測量光柵中心波長，因此，光電檢測系統(tǒng)能否將由波長微小移動引起光強(qiáng)的微小變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，是實(shí)現(xiàn)對光柵中心波長微量移動的測量關(guān)鍵。從信號處理的角度看，可將圖3.2(a)所示的在邊沿濾波器作用下的光柵反射峰光功率隨中心波長線性變化特性圖看成圖3.2(b)和3.2(c)兩部分組成。在較小的波長范圍內(nèi)，圖3.2(b)所示為光柵各中心波長所帶有的相同大小的光功率成分，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后為一定值的電壓信號，可以視其為檢測信號的共模信號。圖3.2(c)所示為減去共模信號后的帶有功率與波長信息的信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后為不同大小的電壓信號，可視其為差模信號。根據(jù)檢測信號變化量的原則，在信號的測量過程中，要抑制共模信號的影響，最大程度地將差模信號進(jìn)行放大，因此在檢測電路的設(shè)計(jì)過程度采用減法電路，消除共模信號，提取差模信號再進(jìn)行多級放大，所設(shè)計(jì)的電路圖如圖3.3所示。采用這種方法測量的光柵中心波長即使在一個(gè)較大的波長范圍內(nèi)移動也不會使檢測信號進(jìn)入飽和狀態(tài)，同時(shí)又能使所要檢測的變化信號大程度地放大后供后級數(shù)據(jù)采集與分析。采用這種方法可以實(shí)現(xiàn)在較大的波長范圍內(nèi)對微弱信號的高精度檢測。

3.3 噪聲的影響分析及噪聲的有效濾除

光電轉(zhuǎn)換電路中的噪聲是影響光電檢測系統(tǒng)精度的重要因素，當(dāng)電路檢測的信號為微弱信號時(shí)，噪聲的處理尤為重要。當(dāng)目標(biāo)信號中疊加有噪聲時(shí)，會大大地削弱系統(tǒng)的檢測精度，而當(dāng)耦合到信號中的噪聲與信號的強(qiáng)度可比擬時(shí)，并與信號一同被放大，則會出現(xiàn)目標(biāo)信號淹沒在噪聲中的現(xiàn)象，使此種方式的信號檢測達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)[5]。因此，有效抑制噪聲是提高系統(tǒng)檢測精度的一種重要方法。上文中的基于器件參數(shù)分析后的選型、共模信號的減除都是降低噪的聲影響和提高系統(tǒng)檢測精度的有效手段。此外，在檢測電路的PCB制板過程中考慮到模擬信號和數(shù)字信號對檢測系統(tǒng)分別造成的影響，采用模擬地與數(shù)字地有效隔離的布線方式也是濾除噪聲的有效方法。由于此檢測系統(tǒng)用于微弱信號的檢測，還應(yīng)考慮漏電對信號檢測精度的影響。漏電是指實(shí)際微弱信號的走線會受到附近強(qiáng)信號走線的干擾從而引起的漏電流，對目標(biāo)信號來說，也是一種極其有害的噪聲干擾，所以布線的過程中采用了保護(hù)環(huán)(GuardRing)技術(shù)來有效抑制漏電對信號檢測的影響[6]。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，電路板中容易引入頻率為50Hz的工頻干擾，若能將制作好的電路板裝入一個(gè)屏蔽效果好的鐵盒中，并將電路板的地線與鐵盒接在一起，能夠有效抑制50Hz的工頻噪聲對電路的干擾。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 光電檢測系統(tǒng)噪聲測試

噪聲的處理效果直接決定了光電轉(zhuǎn)換檢測系統(tǒng)的精度與性能，對微弱檢測信號能夠有效放大的同時(shí)最大程度地抑制噪聲才是一個(gè)理想的檢測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)前，對所做的系統(tǒng)進(jìn)行噪聲測量，將電路放大倍數(shù)設(shè)置為最大增益倍數(shù)，示波器的耦合方式調(diào)到交流檔，周期和幅值都調(diào)到較小的合適檔位，電路在無光輸入的情況下，用示波器觀察檢測系統(tǒng)的輸出信號，得到如圖4.1所示的噪聲特性。由圖4.1可知，電路噪聲的峰－峰值約為3mV，這樣低的噪聲可以滿足檢測系統(tǒng)對噪聲的要求。

4.2 光電檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用了中心波長在1556nm附近的光柵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度改變光柵中心長時(shí)，光電檢測系統(tǒng)的輸出電壓隨波長變化的結(jié)果如圖4.2所示。從測量結(jié)果看，當(dāng)光柵中心波長在一定的范圍內(nèi)移動時(shí)，光電檢測系統(tǒng)輸出的電壓值隨著中心波長的變化呈現(xiàn)出較好的線性度。

5.結(jié)論

本文基于光纖光柵中心波長邊沿解調(diào)原理，針對微弱信號檢測中的檢測精度和噪聲問題設(shè)計(jì)了一種對微弱光電流信號的高精度檢測系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程，從信號的特性出發(fā)，分析了影響檢測精度的多種問題，并提出了相應(yīng)的有效解決方法。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱信號的高精度檢測。

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Design of Precision photoelectric detection system based on fiber grating edge demodulation principle

Peng Yan
（Lightwave Technology Institute of Xamen University，Xiamen，361005）

photoelectric detection system is a quite important equipment for fi ber Bragg grating sensor signal detecting，especially in the detection of weak signals.This article describes the design of a precision photoelectric detection system based on fi ber Bragg grating center wavelength edge demodulation principle.The article analyzes various reasons of the impact of weak signal detection accuracy，and to take the measures of selecting suitable device based on the analysis of device parameters，f i ltering harmful noise extracting useful weak signal，and having an effective amplif i cation for signal to achieve high-precision detection of weak signals.

f i ber grating；edge demodulation；photoelectric detection；weak signal；noise fi ltering