李 薇，張志俊,程 立

(中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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憶阻橋放大效應(yīng)在光纖式結(jié)冰探測(cè)中的應(yīng)用*

李 薇，張志俊,程 立

(中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

鑒于雙光路通道差動(dòng)測(cè)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(tǒng)的光纖式結(jié)冰傳感器相結(jié)合，提出了納米級(jí)尺寸具有放大效應(yīng)的憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析了憶阻橋的放大效應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)了光電二極管光電流信號(hào)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(duì)冰層厚度進(jìn)行探測(cè)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該雙測(cè)量通道憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)有效消除光路擾動(dòng)和擴(kuò)大結(jié)冰厚度的測(cè)量范圍。

憶阻； 橋型結(jié)構(gòu)； 雙光路； 結(jié)冰探測(cè)

0 引 言

飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)是飛機(jī)機(jī)載結(jié)冰安全防護(hù)系統(tǒng)的前提和關(guān)鍵，光纖式結(jié)冰傳感器是目前世界上最先進(jìn)的結(jié)冰探測(cè)傳感器之一[1,2]。實(shí)際應(yīng)用中，在光源功率一定的情況下，接收光纖探測(cè)到的光信號(hào)較微弱[3]，且輸出信號(hào)呈現(xiàn)出雙值特性[4]，因此，在光纖式結(jié)冰傳感器的設(shè)計(jì)中會(huì)遇到以下兩個(gè)問(wèn)題：1)如何消除光源光功率波動(dòng)、探測(cè)環(huán)境背景光等對(duì)傳感器輸出的干擾[5,6]；2)如何擴(kuò)大冰層厚度的測(cè)量范圍，突破光纖探測(cè)信號(hào)前坡、后坡非線性的局限性。為了解決這些問(wèn)題，有些研究者曾提出了改進(jìn)方法[7,8]，但這些方法通常將集成電路芯片進(jìn)行互連來(lái)完成此類(lèi)信號(hào)處理問(wèn)題，較大的外形尺寸使其不易于安裝于機(jī)翼等面積較小、有一定弧度的探測(cè)部位[9]，這無(wú)疑成為機(jī)載設(shè)備微型化、智能蒙皮化的技術(shù)瓶頸。

本文將新型電路元件—憶阻器與傳統(tǒng)的光纖式結(jié)冰傳感器相結(jié)合，基于雙光路通道測(cè)量方法，構(gòu)建了納米級(jí)尺寸具有放大效應(yīng)的憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析了憶阻橋的放大效應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)了光電二極管光電流信號(hào)的放大，以感知憶阻兩端電壓作為傳感輸出，對(duì)冰層厚度進(jìn)行探測(cè)。試驗(yàn)仿真結(jié)果表明:該雙測(cè)量通道憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)有效消除光路擾動(dòng)和擴(kuò)大結(jié)冰厚度的測(cè)量范圍。

1 憶阻器的物理實(shí)現(xiàn)及其傳感特性

根據(jù)電路理論中四個(gè)基本變量之間對(duì)應(yīng)關(guān)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(duì)其進(jìn)行了闡述和定義[10]。直至2008年，惠普實(shí)驗(yàn)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(shí)物，并建立了憶阻器數(shù)學(xué)模型[11]。圖1為惠普實(shí)驗(yàn)室得到的首個(gè)憶阻器物理模型，由夾在2個(gè) (鉑)電極間的兩層二氧化鈦構(gòu)成，一層二氧化鈦中因缺少部分氧原子而存在正二價(jià)的氧空位，具有高的電導(dǎo)，稱(chēng)為摻雜層；另一層純二氧化鈦表現(xiàn)出絕緣性，稱(chēng)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(fā)生移動(dòng)，從而改變整個(gè)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(shì)。

(1)

(2)

式中 μv為離子在均勻場(chǎng)中移動(dòng)情況的常數(shù)。由式(2)積分可得

(3)

式中 w0為w(t)的初始狀態(tài)。

將式(3)代入式(2)可得

(4)

當(dāng)有電流流過(guò)憶阻器時(shí)，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(jīng)其的電流大小和方向有關(guān)。

2 光纖式雙光路測(cè)量通道

圖2為光纖式結(jié)冰傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。它是利用冰層對(duì)光的調(diào)制原理，將結(jié)冰狀態(tài)(冰層厚度、結(jié)冰類(lèi)型等)信息以光信號(hào)的形式返回到光電探測(cè)器中，從而轉(zhuǎn)換成電信息。

圖2 光纖式結(jié)冰傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig 2 Structure of fiber-optic icing sensor

發(fā)射光纖和接收光纖匯聚于一端形成探測(cè)頭端面，當(dāng)此端面無(wú)結(jié)冰發(fā)生時(shí)，發(fā)射光將沿發(fā)射光纖射入空氣，接收光纖探測(cè)不到任何發(fā)射光。當(dāng)探測(cè)頭端面有冰層時(shí)，光在冰層內(nèi)發(fā)生反射、散射、透射和吸收等現(xiàn)象，其中冰層—空氣界面的反射光以及在冰層內(nèi)的部分散射光經(jīng)傳感器探頭端面進(jìn)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(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于采用光強(qiáng)作為信息載體，不可避免地要受光電探測(cè)器噪聲、前置放大器零漂、光源功率波動(dòng)、光纖傳輸損耗以及環(huán)境雜散光等因素的影響，當(dāng)端面無(wú)結(jié)冰發(fā)生時(shí)，接收光纖中也會(huì)有相應(yīng)的噪聲光電流返回。為了消除此類(lèi)噪聲干擾，在測(cè)量探頭旁邊增設(shè)參考探頭，該探頭采用電加熱而始終處于無(wú)冰狀態(tài)。測(cè)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(yīng)工作原理

憶阻橋放大電路由5個(gè)憶阻器共同構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電流源分別為測(cè)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(jié)構(gòu)可由圖3(b)與圖3(c)所示電路結(jié)構(gòu)疊加而成。

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

當(dāng)測(cè)量光纖中返回的光電流單獨(dú)作用于放大電路時(shí)，如圖3(b)所示，取此時(shí)的光電流方向?yàn)閰⒖挤较?。測(cè)量光纖中返回的光電流包括兩部分：測(cè)量端面所結(jié)冰層中返回的信號(hào)Ir和測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)Id，它們依次流經(jīng)憶阻M1,Mm,M4，且其阻值均減小。此時(shí)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(dāng)參考光纖中返回的光電流單獨(dú)作用于放大電路時(shí)，如圖3(c)所示，此時(shí)的光電流由測(cè)量過(guò)程中的噪聲所產(chǎn)生，該電流依次流經(jīng)憶阻M2,Mm,M3，使其阻值均減小。此時(shí)感知憶阻Mm兩端的電壓為

ΔV″=V″+-V″-=-Id·(Mm-Δd)

(7)

當(dāng)測(cè)量光纖和參考光纖中的返回光電流同時(shí)作用于憶阻橋放大電路時(shí)，感知憶阻Mm兩端的電壓為

=Ir·(Mm-Δr)

(8)

由此可見(jiàn)，通過(guò)采用參考光纖可進(jìn)行干擾補(bǔ)償，使得感知憶阻Mm兩端的電壓僅與由冰層狀態(tài)返回的光電流Ir有關(guān)，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(dāng)光纖中的光電流Ir變化較小時(shí)，ΔV的值也較大，從而具有較高的分辨率。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真分析

為了驗(yàn)證憶阻橋放大電路的有效性，構(gòu)建了結(jié)冰檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，以獲得憶阻橋的電流輸入信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析，仿真試驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。試驗(yàn)平臺(tái)由半導(dǎo)體制冷器件(主要用于在其工作臺(tái)面生成冰層)、激光探頭(用于測(cè)量冰層厚度)以及具有同軸分布模式探頭的雙通道結(jié)冰傳感器構(gòu)成。依照上述試驗(yàn)平臺(tái)，分別在-10 ℃和-20 ℃得到明冰和霜冰所對(duì)應(yīng)的接收光纖光電流信號(hào)。

圖4 結(jié)冰檢測(cè)仿真試驗(yàn)平臺(tái)Fig 4 Simulation experiment platform for icing detection

在-10 ℃試驗(yàn)環(huán)境下所結(jié)冰型為明冰，其外觀幾乎透明，因此,發(fā)射光纖中的光進(jìn)入冰體后在冰層—空氣界面發(fā)生反射，同時(shí)在冰體中發(fā)生散射。當(dāng)冰層很薄時(shí)，(測(cè)量)接收光纖接收的信號(hào)主要為界面的反射光和光路擾動(dòng)，此時(shí)進(jìn)入憶阻橋型放大電路的電流Ir,Id數(shù)量級(jí)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(zhǎng)，散射光和反射光同時(shí)增強(qiáng)，兩者之和在0.6 mm冰厚附近達(dá)到最大值，此時(shí)的光路擾動(dòng)相對(duì)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(zhǎng)到一定厚度時(shí)，進(jìn)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(duì)應(yīng)的感知憶阻Mm兩端的電壓變化情況如圖5(c)所示。

當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為-20 ℃時(shí)，所結(jié)冰型為霜冰，其外觀較明冰混濁，進(jìn)入到接收光纖中的信號(hào)以冰體中的散射光為主。(測(cè)量)接收光纖接收的信號(hào)主要為冰體中的散射光和光路擾動(dòng)，且在冰層很薄時(shí)，后者在接收信號(hào)中占較大比例，隨著冰層厚度的不斷增長(zhǎng)，冰體中的散射光越來(lái)越強(qiáng)，并在2.5 mm冰厚處達(dá)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(duì)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(duì)應(yīng)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(yàn)驗(yàn)證與仿真分析Fig 5 Experimental verification and simulation analysis

由以上分析可知，不論所結(jié)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(guān)系，且通過(guò)感知憶阻Mm兩端的電壓變化情況，可進(jìn)一步探測(cè)出結(jié)冰的種類(lèi)。

5 結(jié) 論

通過(guò)分析光纖式結(jié)冰傳感器的工作原理及特性，針對(duì)當(dāng)前此類(lèi)傳感器設(shè)計(jì)中存在的雙值甄別及實(shí)際安裝空間狹小等問(wèn)題，提出了一種采用新型電路元件—憶阻器與傳統(tǒng)的光纖式結(jié)冰傳感器相結(jié)合的方法，構(gòu)建了憶阻橋型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便在縮小安裝尺寸和降低能耗的前提下提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，證明該雙測(cè)量通道憶阻橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)有效消除光路擾動(dòng)和擴(kuò)大結(jié)冰厚度的測(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61503418)；中南民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)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(hào)處理與數(shù)據(jù)融合研究工作。