張 俊

(湖北省交通運(yùn)輸廳武黃高速公路管理處,武漢 430205)

壓電陶瓷型光柵解調(diào)儀雙邊沿解調(diào)修正方法

張 俊

(湖北省交通運(yùn)輸廳武黃高速公路管理處,武漢 430205)

為了提高光纖光柵解調(diào)儀表的速度與精度,提出了一種雙邊沿解調(diào)及非線性修正方法對(duì)PZT(壓電陶瓷)的遲滯效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)PZT兩端電壓的上升、下降沿同時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行交叉解調(diào)的方式,在提高解調(diào)速度的同時(shí)有效地消除了遲滯效應(yīng)。利用1個(gè)10探測(cè)點(diǎn)的C波段光柵對(duì)該修正方法進(jìn)行檢驗(yàn),修正效果較為理想,各波長(zhǎng)的解調(diào)誤差小于±5 pm。

壓電陶瓷;遲滯效應(yīng);雙邊沿;非線性修正

0 引 言

可調(diào)諧波長(zhǎng)濾波器是光纖光柵解調(diào)儀表中的核心器件,其種類繁多,包括電流調(diào)諧型、電壓調(diào)諧型和PZT(壓電陶瓷)型等[1]。其中PZT型由于具有響應(yīng)速度快、不發(fā)熱和推力大等諸多優(yōu)點(diǎn)[2],其與法布里―珀羅結(jié)構(gòu)相結(jié)合,通過(guò)PZT改變兩個(gè)反射鏡之間的距離能實(shí)現(xiàn)可變的波長(zhǎng)輸出[3-4]。以該類型可調(diào)諧波長(zhǎng)濾波器為核心的光纖光柵解調(diào)儀表被稱為PZT型光纖光柵解調(diào)儀,它在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用頗為廣泛,可以用于溫度、震動(dòng)和應(yīng)力等環(huán)境變量的測(cè)量[5-6]。但由于PZT的“電壓―位移”曲線為遲滯非線性[7],遲滯效應(yīng)引入的非線性失真影響了儀表的解調(diào)精度,嚴(yán)重地限制了PZT型光纖光柵解調(diào)儀表的發(fā)展。

目前針對(duì)PZT遲滯效應(yīng)的非線性修正的研究較多,并且絕大多數(shù)都是對(duì)PZT的非線性軌跡進(jìn)行建模,比如長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所提出了一種Duhem模型,通過(guò)逆補(bǔ)償與增量PID(比例積分微分控制)復(fù)合控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)PZT系統(tǒng)的遲滯非線性誤差校正[7-8];中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所對(duì)前人提出的經(jīng)典PI(π)模型進(jìn)行了修正,以適用于自身的PZT器件[9-10],但不同的PZT,其軌跡模型一定存在差異,即使再完美的模型也無(wú)法適用于所有的PZT。為提高PZT型光纖光柵解調(diào)儀的性能,本文提出了一種雙邊沿解調(diào)及非線性修正方法,能夠通過(guò)反饋的方式實(shí)時(shí)地修正PZT的遲滯效應(yīng),該方法適用于任何類型的PZT,并能達(dá)到較好的修正效果。

1 系統(tǒng)原理

PZT型光纖光柵解調(diào)儀一般采用對(duì)稱三角波對(duì)PZT進(jìn)行驅(qū)動(dòng),但PZT在三角波上升沿和下降沿期間的位移并不一致,其電壓―位移曲線如圖1所示。

圖1 PZT的電壓─位移曲線

PZT型光纖光柵解調(diào)儀基本原理如圖2所示。

圖2 PZT型光纖光柵解調(diào)儀表的基本原理

寬帶光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)PZT型可調(diào)諧波長(zhǎng)濾波器后被調(diào)制成掃頻光,經(jīng)一個(gè)分路器后同時(shí)通過(guò)待測(cè)光柵和2 nm波長(zhǎng)間隔的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)柵格生成器,最后被數(shù)據(jù)采集卡采集,通過(guò)對(duì)比分路后的波形即可解出待測(cè)光柵的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)。圖1中PZT的遲滯效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過(guò)2 nm標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)間隔光學(xué)柵格生成器后的波形失真,造成各波長(zhǎng)之間間隔不等,嚴(yán)重影響了待測(cè)光柵的解調(diào)結(jié)果,其波形圖如圖3所示,圖中矩形框區(qū)域內(nèi)可輕易地判斷出間隔不等即失真,若不采取任何修正方法,則會(huì)嚴(yán)重影響解調(diào)精度,造成較大誤差甚至錯(cuò)誤的結(jié)果。

圖3 經(jīng)過(guò)2 nm波長(zhǎng)間隔的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)柵格生成器后的波形

2 修正方法

本文所提出的雙邊沿解調(diào)修正方法的具體流程如圖4所示。

圖4中待測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)分別為通過(guò)待測(cè)光柵后的波形和通過(guò)2 nm波長(zhǎng)間隔的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)柵格生成器后的波形。2 nm波長(zhǎng)間隔的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)柵格生成器為無(wú)源器件,其額定波長(zhǎng)值為已知,令其為絕對(duì)參考值Ds;令上升沿采集到的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)數(shù)組為Du-s(上升沿的相對(duì)參考值),待測(cè)波長(zhǎng)數(shù)組為Du-m;下降沿采集到的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)數(shù)組為Dd-s(下降沿的相對(duì)參考值),待測(cè)波長(zhǎng)數(shù)組為Dd-m。

首先假設(shè)不存在遲滯效應(yīng),上升沿的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)組Du-s與絕對(duì)參考值Ds完全一致,即Du-s=Ds。將下降沿的標(biāo)準(zhǔn)光譜與上升沿的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)比,由于Du-s=Ds,即每個(gè)波長(zhǎng)均為已知且兩波長(zhǎng)之間間距為2 nm,根據(jù)線性插值的方法可以計(jì)算出下降沿的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)組Dd-s。若不存在任何遲滯效應(yīng),則下降沿的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)組Dd-s與絕對(duì)參考值Ds應(yīng)完全一致,但由于遲滯效應(yīng)的存在,Dd-s≠Ds;將Dd-s與Ds進(jìn)行逐峰作差可獲得上升沿修正數(shù)組Du-c,最后再使用Du-c對(duì)上升沿的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)組Du-s進(jìn)行修正,即可完全消除遲滯效應(yīng)的影響,其中Du-c、Du-s和Ds應(yīng)滿足:

圖4 雙邊沿解調(diào)修正流程圖

由于該修正過(guò)程是利用下降沿的標(biāo)準(zhǔn)光譜來(lái)修正上升沿的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)參考值,因此稱其為雙邊沿修正。上升沿標(biāo)準(zhǔn)光譜的相對(duì)參考值Du-s會(huì)根據(jù)式(1)和式(2)實(shí)時(shí)進(jìn)行修正,最后使用線性插值法對(duì)下降沿的待測(cè)光譜Dd-m進(jìn)行解調(diào)。此時(shí)根據(jù)Du-s計(jì)算出的Dd-s與絕對(duì)參考Ds一致,因此根據(jù)Du-s計(jì)算出的Dd-m為絕對(duì)準(zhǔn)確的波長(zhǎng)。這種用上升沿標(biāo)準(zhǔn)光譜對(duì)下降沿待測(cè)光譜進(jìn)行解調(diào)的方法稱之為雙邊沿解調(diào)。

同理可利用上升沿的標(biāo)準(zhǔn)光譜來(lái)修正下降沿的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)參考值,最后利用修正后的下降沿標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)參考值Dd-s對(duì)上升沿的待測(cè)光譜Du-m進(jìn)行解調(diào)。該方法不僅消除了遲滯效應(yīng)帶來(lái)的非線性失真,使解調(diào)結(jié)果更加精確,而且將解調(diào)速度提升到單邊沿方式的兩倍。

圖5所示為雙邊沿修正法示意圖。

圖5 雙邊沿解調(diào)修正法示意圖

3 修正結(jié)果

為對(duì)雙邊沿交叉解調(diào)及修正方法的實(shí)際效果進(jìn)行檢驗(yàn),以該方法為基礎(chǔ)對(duì)一已知波長(zhǎng)的10個(gè)O波段光柵進(jìn)行測(cè)量,其實(shí)際波長(zhǎng)值與解調(diào)波長(zhǎng)值的對(duì)比如表1所示。

表1 10點(diǎn)光柵的實(shí)際波長(zhǎng)值與解調(diào)波長(zhǎng)值

由表1可知,解調(diào)誤差為―5～+4 pm,已達(dá)到儀表本身的測(cè)量誤差(長(zhǎng)時(shí)間波長(zhǎng)穩(wěn)定性在±5 pm以內(nèi))。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙邊沿解調(diào)及修正方法的效果良好,基本消除了PZT遲滯效應(yīng)帶來(lái)的誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái),光纖傳感行業(yè)的發(fā)展十分迅猛,在火災(zāi)報(bào)警、周界安防、應(yīng)力監(jiān)測(cè)和聲波測(cè)量等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。PZT型光纖光柵解調(diào)儀表具有響應(yīng)速度快、波長(zhǎng)分辨率高和成本低等優(yōu)勢(shì),有著廣闊的發(fā)展前景。但PZT的遲滯效應(yīng)是這一技術(shù)推廣和應(yīng)用的主要難點(diǎn)。本文提出了一種雙邊沿解調(diào)修正方法對(duì)遲滯效應(yīng)進(jìn)行修正,利用上升沿和下降沿的交叉解調(diào)修正,有效消除了遲滯效應(yīng)給解調(diào)帶來(lái)的影響,并且適用于所有類型的PZT個(gè)體,使該類型光纖光柵解調(diào)儀表可達(dá)到更高的精度從而拓展高端的應(yīng)用市場(chǎng)。

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A Double-Edge Demodulation and Correction Method of the PZT Type Grating Demodulation Instrument

Zhang Jun
(Wuhuang Expressway Management Office,Department of Transportation of Hubei Province,Wuhan 430205,China)

In order to improve the demodulating speed and precision of the instrument,this paper propose a double-edge demodulation and nonlinear correction method to modifythe hysteresis effectof the piezoelectric ceramic.The demodulating speed and accuracy of the instrument has been improved by a cross-demodulation method using the data at rising edge and failing edge of triangle voltage at the same time.The effectiveness of thenonlinear correction method has been verified using a C band grating with 10 detection points.It is found that the wavelength demodulation error is less than±5 pm.

PZT;hysteresis effect;double-edge;nonlinear correction

TN247

A

1005-8788(2016)06-0053-03

10.13756/j.gtxyj.2016.06.015

2016-07-25

張俊(1979―),女,湖北荊門人。高級(jí)工程師,主要從事智能交通關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究與工程應(yīng)用。