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![一种光纤光栅低频应变传感解调系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/27789b1b700abb68a882fb67.png)
专利名称：一种光纤光栅低频应变传感解调系统专利类型：发明专利
发明人：黄稳柱,张文涛,李芳
申请号：CN201410180646.2
申请日：20140430
公开号：CN103940361A
公开日：
20140723
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，包括：窄线宽激光器，给整个解调系统提供窄线宽激光光源；电光/声光调制器，根据射频信号发生器产生的线性调频信号对所述激光光源进行调制；射频信号发生器，产生线性调频信号；电光相位调制器，根据信号发生器产生的正弦调制信号对调制后的所述激光光源进行相位调制；相位调制信号发生器，产生正弦调制信号；耦合器，将所述相位调制后的激光光源分为两路；第一、第二光纤光栅传感器，在所述两路光源的扫描下产生两路光纤光栅反射谱；光电探测器，将所述两路光纤光栅反射谱进行光电转换；数据采集卡，输出两路光纤传感数字信号；应变解调模块，用于对所述两路光纤传感数字信号进行解调。
申请人：中国科学院半导体研究所
地址：100083 北京市海淀区清华东路甲35号
国籍：CN
代理机构：中科专利商标代理有限责任公司
代理人：宋焰琴
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光纤布拉格光栅传感器的一种波长解调方法张红霞;郑林;黄岑;刘琨;贾大功;刘铁根;张以谟【摘要】光纤布拉格光栅(FBG)经过中心波长解调,可实现对应变、温度等物理量的高精度传感检测.在光纤光栅传感中,如何检测中心波长的微小移位是传感解调的核心问题.为此,文中介绍了一种基于互相关原理的FBG中心波长解调方法.FBG的初始光谱和被调制后的受扰光谱形状相似,只是中心波长产生了漂移,通过对初始光谱与受扰光谱互相关值的解算,即可解调出中心波长的位移量.将实验结果与自相关法、功率加权法和最小二乘法等波长解调方法进行了对比,结果表明互相关方法可以有效地进行中心波长解调.%By demodulating the central wavelength, fiber Bragg grating(FBG)can be used for high precision detection in strain, temperature and other physical quantities. The key problem of this demodulation method is the detection of the slight shift of the central wavelength. In this paper, a FBG central wavelength demodulation algorithm based on cross-correlation is presented. The perturbed and undisturbed spectra of FBG have the similar form, except a slight shift of the central wavelength. By computing the cross-correlation between the perturbed and undisturbed spectrums, the slight shift of the central wavelength can be obtained. Compared with the auto-correlation algorithm, the weighted wavelength algorithm and the least squares algorithm, the cross-correlation algorithm can demodulate the central wavelength shift effectively in experiments.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2012(045)002【总页数】5页(P111-115)【关键词】光纤传感;光纤布拉格光栅;波长解调;互相关【作者】张红霞;郑林;黄岑;刘琨;贾大功;刘铁根;张以谟【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;天津大学光电信息技术教育部重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TN253光纤Bragg光栅(FBG)被广泛应用于各种条件下的传感测量．FBG传感器通过反射谱中心波长的位移来反映温度、应变等被测量的变化[1]．基于可调谐激光器[2-3]或者基于宽带光源结合可调谐滤波器[4-5]的解调系统，本质上都是应用扫描技术采集 FBG反射谱或透射谱的Bragg中心波长[6]来解调温度、应变等传感量．近年来，光纤光栅波长解调方法的研究一直是光纤光栅传感领域的研究热点．由于光纤光栅波长解调的优劣决定了检测范围、分辨率以及测量速度等，如何提高 FBG中心波长漂移量的检测精度是设计优良传感系统的关键之一．因此，采用合适的解调算法来精确计算FBG反射或透射光谱中心波长的位移成为需要解决的首要问题．目前，FBG波长解调的方法主要有功率加权法(weighted wavelength algorithm，WWA)[7]、最小二乘法(least squares algorithm，LSA)[8]、自相关(auto-correlation)法[9]和互相关(cross-correlation)法[10]等，笔者主要论述了一种基于互相关的解调算法，它通过计算受扰反射谱与未受扰反射谱的互相关值来确定其中心波长的位移．同时应用该方法对FBG的温度灵敏度进行了标定，补偿在应变测量中环境温度的影响．最后利用实验验证该算法的特性并与其他几种方法进行了比较．1 基本原理FBG传感器解调的基本原理是精确测量FBG反射谱的中心波长漂移量．测量之前先获得未受扰状态下FBG的反射谱，即初始光谱．设采样点数为N，则光谱序列为P (λi) ，i＝0，1，…，N−1．N 的大小为式中：λmax −λm in为光谱的扫描范围；δλ是扫描步长．设FBG的初始光谱为P (λi)，中心波长为λC；受温度或应变调制后受扰光谱为P ′(λi)，中心波长为．相对于初始光谱，受扰光谱中心波长发生了漂移[9]，即式中m为移位步数．用Δλ = m δλ表示受扰光谱与未受扰光谱中心波长移位量．利用式(2)计算受扰光谱与初始光谱之间的互相关值序列式中 jC是一个包含2N−1个元素的数列中的元素．等式假设超出P (λi )和P ′(λi)序号范围的值均为0．此外，由式(2)和式(3)可推出，互相关数列 C j的值是按高斯型分布的．位移量Δλ和受扰谱中心波长λC′可由式(4)求得，即式中 J表示高斯曲线取最大值处所对应的采样点数．可以看出λΔ与扫描步长δλ和J密切相关，选择合适的扫描步长以及对相关输出的序列进行高斯峰值拟合可有效提高检测精度．自相关法的基本原理是计算初始光谱和受扰光谱的相关函数A m =P(λi) P′(λi)，其中每个A是包含N个元素的向量，从每个向量中选取最大元素，重新组成新的数列，将该数列进行高斯拟合后即可得到中心波长的漂移量．功率加权法的基本原理是计算FBG反射波的波长对光功率的加权平均来定义其特征值，即计算中用特征值的漂移量代替中心波长的漂移量，选取合适的起始点和取点个数，使窗口中能够包含反射谱波形，求取取点窗口内n个脉冲点波长功率的加权平均即为反射波的特征值，从而解调出FBG反射波中心波长的漂移量．最小二乘线性拟合是根据最小二乘原理计算偏差平方和的最小值，确定线性拟合的最佳参数，从而解调出中心波长的漂移量．2 实验及数据处理FBG传感解调实验由光源、传感区和数据采集与处理3部分组成，实验系统如图1所示．图1 实验系统Fig.1 Experimental configuration实验系统表示，超辐射激光二极管(SLD)光源发出的激光经过 3,dB耦合器后进入FBG阵列中．从FBG反射回来的光再次通过 3,dB耦合器，经过Fabry-Perot(F-P)可调谐光滤波器对波长扫描后，由InGaAs光电探测器接收，并将采集到的数据经由数据采集(DAQ)设备传输到计算机以进行数据处理和显示．其中 SLD光源中心波长为 1,550,nm，3,dB带宽为 40,nm；F-P可调谐波长范围为 1,520,nm～1,620,nm，自由光谱范围(FSR)为 108,nm，3,dB 带宽为 10,pm；光电探测器自带温控设备，波长响应为800,nm～1,700,nm，噪声等效功率(NEP)小于1.5× 1 0- 14 W/；可调谐光滤波器由DAQ数据采集卡驱动．2.1 FBG温度标定测量采用图 1所示系统，只使用 1个中心波长为1,528,nm的FBG传感器．将该FBG 置于恒温箱中，温度从30,℃升至70,℃，每次变化1,℃．每次升温后，利用LabVIEW 数据采集程序记录各温度下的反射谱．出于标定的目的，将各温度下的反射谱作为受扰谱，而其对应的高斯拟合作为理想的未受扰谱．利用互相关算法，求得各温度下反射谱的中心波长值．在坐标系上利用互相关法得到FBG的标定结果，如图2所示．图2 互相关法标定结果Fig.2 Calibration results for cross-correlation algorithm由图 2可知，FBG的中心波长与温度成线性关系，通过比较线性拟合方差大小，可以判断 FBG温度敏感性的好坏．其中直线的斜率表示 FBG传感器的温度敏感系数，同时计算0,℃时 FBG的中心波长，将实验数据用几种不同方法处理后进行了对比，结果如表1所示．表1 标定结果比较Tab.1 Comparison of calibration results算法互相关法WWA自相关法LSA直线斜率/(pm·(℃)−1) 波长/nm 方差/pm2 9.41 9.45 9.42 11.40 1 528.037 1 528.032 1 528.042 1 528.016 7.26 13.81 7.28 3 826.44由表 1可知，互相关算法与功率加权法、自相关法所得出的结果基本相同．而最小二乘法所得到的大方差值表明该解调算法的抗噪声能力远低于其他算法．2.2 FBG应变测量采用图1所示系统，4个FBG串接在 1根光纤上，分别标记为 FBG1、FBG2、FBG3和 FBG4．实验过程中选用的4个FBG中心波长分别为1,521,nm、1,527,nm、1,533,nm和1,539,nm，FBG的3,dB带宽约为0.2,nm．实验中，把具有最高反射功率的 FBG4作为传感系统的温度补偿光栅，以抵消环境温度浮动带来的影响．实验过程中，SLD光源出射的激光经过FP可调谐光滤波器，在1,520,nm～1,542,nm范围内扫描整个传感系统，得到4个FBG的反射谱(见图3)．图3 4个FBG的反射谱Fig.3 Reflected spectra of four FBGs利用LabVIEW程序控制F-P可调谐光滤波器进行重复扫描，记录每个扫描行程的反射谱．通过分析应变变化量，即标准差，便可得到算法的解调精度．分别计算FBG1～FBG3的应变量，其标准差可说明解调算法的优劣，标准差越小，解调算法越好．数据处理过程中，将第1个扫描行程的反射谱作为未受扰谱，与其他反射谱按互相关方法做解调运算．实验中通过设置窗口来决定反射谱上每次有多少采样点参与互相关运算，同时用 LabVIEW 程序控制窗口随着 FBG反射谱的微小位移而移动．将窗口大小从1,600,pm 逐步缩小至 100,pm，每次变化 100,pm，分别计算 FBG1～FBG3应变量的标准差，所得结果如图4所示．图4 应变标准差与窗口大小的关系Fig.4 Variation of standard deviation of strain resolution with wavelength window width由图 4可知，当窗口宽度设置在 300,pm～1,600,pm范围内时，互相关算法的解调精度浮动较小．当该宽度趋近FBG的3,dB带宽(200,pm)时，该算法的解调精度开始恶化．所以，在窗口宽度接近或小于FBG的3,dB带宽的情况下，该算法无法准确计算中心波长的位移．实验中设定所选窗口宽度为1,500,pm，扫描步长从5,pm增加到75,pm，每次变化5,pm，分别计算FBG1～FBG3应变量的标准差，所得结果如图5所示．由图5可知，扫描步长对应变标准差的影响较明显，当扫描步长大于 35,pm后，应变标准差出现明显波动，无法保证解调精度．因此，控制 F-P可调谐光滤波器的扫描步长在35,pm之内，则互相关算法仍可以保持较高的解调精度．从图 4、图 5中可以看出，FBG1与FBG2的应变标准差的测量结果比较接近，而FBG3的测量结果明显优于FBG1和FBG2，因此FBG3的稳定性更好．图5 应变标准差与扫描步长的关系Fig.5 Variation of standard deviation of strain resolution with wavelength step在精度测量实验中，笔者从应变标准差、窗口大小、扫描步长和解调速度4个方面，将互相关法、功率加权法和最小二乘法进行了比较，结果如表2所示．由表2可知，3种方法在应变标准差上的解调精度相当，而在其他 3项的比较中各有优劣，因此可以根据不同的应用环境选择不同的解调算法．表2 几种解调算法的比较Tab.2 Comparison of different demodulation algorithms算法 FBG1 FBG2 FBG3 窗口大小/pm应变标准差/με互相关法 1.9 1.7 0.6 ＞300 WWA 2.0 1.5 0.5 ＞600 LSA 3.0 1.0 0.5 —扫描步长/pm 解调速度＜35 慢＜80 快＜100 慢3 结语介绍了一种基于互相关原理的光纤布拉格光栅传感器的解调算法，温度灵敏度标定实验显示，与其他算法相比，该算法具有最佳的抗噪声能力．应变测量实验显示，该算法在高反射率 FBG和低反射率FBG的应变传感精度分别达到了0.6,με和1.9,με，具有一定的优势，同时分析了窗口宽度和扫描步长对解调精度的影响．结果表明，该算法可以准确、高效地检测 FBG反射谱中心波长的漂移．利用互相关原理的波长解调算法不仅可以应用于与本系统相似的扫描光谱式的光纤传感系统，也可应用于其他 FBG传感系统中进行动态温度或应变传感．【相关文献】［1］ Kersey A D，Davis M A，Patrick H J，et al. Fiber grating sensors[J]. Journal of Lightwave Technology，1997，15(8)：1442-1463.［2］ Ball G A，Morey W W，Cheo P K. Fiber laser source/analyzer for Bragg grating sensor array interrogation[J]. Journal of Lightwave Technology，1994，12(4)：700-703. ［3］ Yan Lianshan，Yi Anlin，Pan Wei，et al. A simple demodulation method for FBG temperature sensors using a narrow band wavelength tunable DFB laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2010，22(18)：1391-1393.［4］ Kersey A D，Berkoff T A，Morey W W. Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor with a fiber Fabry-Perot wavelength filter[J]. Optics Letter，1993，18(6)：1370-1372.［5］ Allan W R，Graham Z W，Zayas J R，et al. Multiplexed fiber Bragg grating interrogation system using a microelectromechanical Fabry-Perot tunable filter[J].IEEE Sensors Journal，2009，9(8)：936-943.［6］李智忠，孙崇峰，杨华勇，等. 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测试系统与组件电子测量技术第 30卷第 1期一种高精度光纤光栅传感器解调系统刘胜洋 1, 2 曹明娜 2 李刚 1(1. 天津大学 A DI 联合实验室天津 300072; 2. 蚌埠医学院蚌埠 233000摘要 :如何实时检测传感光栅 Br agg 波长的微小偏移 , 是光纤光栅传感器实用化面临的关键技术。
本文选择线性滤波法解调光纤光栅传感器。
为使设计的解调系统具有结构紧凑、便于携带、使用方便、适用于野外作业的特点 , 并达到系统对测量精度和动态范围的要求 , 本文采用锁相放大电路和 24位高精度 A /D 转换模块采集有用信号 , 降低了噪声 , 提高了信噪比 , 并且节省了系统的空间。
同时 , 本文采用 U SB 接口模块使数据存储和数据传输方便快捷 , 满足解调系统用于现场测量的要求。
文中给出了系统的硬件设计和软件实现。
最后通过实验和数据处理证明了该系统的精度。
关键词 :光纤光栅传感器 ; 信号解调 ; 线性滤波器 ; 便携式中图分类号 :T P212. 4 文献标识码 :AOptical fiber Bragg grating sensor demodulation system with high precisionL iu Sheng yan 1, 2 Cao M ing na 2 L i G ang 1(1. ADI Joint LAB, Tianjin Un iversity, T ianjin 300072; 2. Bengbu M edical Colleg e, Bengbu 233000Abstract:Wav eleng th detection is the key techno lo gy o f F iber Brag g G rating senso r. T he demo dulat ion mechanism is based o n linear filter demodulatio n method by using W DM. T he demo dulation system of fiber Bragg gr ating senso r not o nly has the outstanding featur es o f simple structure, low co st, easily o per ated and por tability, but also realizes r eal t ime and on line mo nitor ing. In o rder to meet the demands of highaccuracy, w ide dynamic r ang e and other features, a lock in amplifier detecting circuit and a hig h pr ecision A /D conver sion C w ere used in the paper to impr ove the sig nal to no ise ratio and simplify t he system st ruct ur e. Further more, U SB interface circuit was used t o facilitate data t ransm ission and sto rag e. T he hardwar e desig n and softw are implementatio n of the micro pr ocesso r sy stem w ere pr ovided in detail. Ex periments and data pro cessing which ar e also show ed in the paper demo nstr ate the stability and sensitiv ity of the demo dulation mechanism.Keywords:fiber br agg g rating sensor ; signal demodulatio n; W DM ; port able0 引言光纤光栅传感器通过波长编码传感信号 , 具有其他传感器无可比拟的优点 , 可用于应力、应变或温度等诸多物理量的传感测量 , 因而日益受到国内外科学研究工作者的重视 [1 2]。
光纤光栅传感器常用的解调方法有 :匹配滤波法 [3]、线性滤波器法 [4]、非平衡马赫 -泽德干涉法 [5]、可调谐 F P 腔法 [6], 其中线性滤波解调方法 , 对传输损失及光源波动引起的变化不敏感 [7], 具有较好的线性输出 [8], 提供了一种结构紧凑、便携灵巧的传感解调系统的实现途经 [9]。
但由于系统耦合器的分束比变化、光纤双折射及滤波器非线性都会影响测量精度 , 且分辨率较低 [10], 制约了线性滤波法光纤光栅传感器解调系统的应用。
本文介绍的 FBG 解调系统所用线性滤波器是波分复用器 WDM , 采用高精度24位 A/D 转换模块确保信号采集精度 , 提高动态范围 , 采用自校准的方法消除 2路模拟电路差异以及滤波器非线性的影响 , 从软件上优化系统性能。
单片机ADuC 847实现数据处理、数据存储传输、电路校准及系统智能化。
同时 , 该系统还具有结构紧凑、携带方便等优点。
文中给出了单片机控制系统的硬件设计和系统的软件实现 , 最后通过实验和数据处理证明了该系统的精度。
1 线性滤波法光纤光栅传感器解调系统原理用线性滤波法实现光纤光栅传感器波长解调的基本结构如图 1所示。
宽带光源发出的光经 3dB 耦合器进入传感光栅。
由传感布拉格光栅反射后形成窄带光谱 , 通过线性滤波器得到 2路出射光功率与波长有关的光信号。
光电探测器将其转换为电信号 , 进入信号采集处理电路提取有用信号 , 并由单片机控制系统实现数据采集与数据第 1期处理。
图 1 光纤光栅传感器波长解调系统结构图图 2为线性解调原理示意图。
假设窄频反射 Bragg 脉冲是典型高斯函数关系的谱宽 , 中心谱线波长为 B , 且滤波函数式为 :F ( =A ( 0 。
滤波光信号 I F , 参考光信号 I R 的比例为 :I FI R =A B - 0+式中 , A 为滤波斜率 ; 0为 F (=0时波长 [11]。
因此 , 通过检测滤波光信号和参考光信号 , 可得到 FBG 传感器反射峰的波长漂移。
图 2 线性解调原理示意图解调系统利用线性滤波的光波透过率变化特性来鉴别光波长。
在线性滤波器的工作范围内 , 每一个波长对应一个透过率 , 因此检测透过率 , 便可以反推出波长信息。
同时利用双光路探测来消除光源功率波动和温度变化的影响。
本文所述系统所用 WDM 两输出端出射光功率比值 10lg p 1-10lg p 2=10lg(p 1/p 2 随波长而线性变化 , 且斜率是 0. 45dB/nm 。
因此 , 通过测量 2路透射光功率的比值 p 1/p 2, 即可获得波长信息。
为准确解调波长信息 , 需要准确检测出 2路光信号功率。
信号采集处理电路和微控制器运算的精度将直接影响解调系统的检测精度。
2 解调系统的硬件设计目前常用的光电信号检测及处理系统由光探测器、一级放大电路、数据采集卡和计算机组成。
由于经线性滤波器 WDM 解调光纤光栅传感信号后 , 出射光功率仅为 nW 量级 , 光探测器暗电流、运放偏置电压等直流噪声以及高斯白噪声、杂散光等交流噪声附加在微弱的有用信号上 , 信噪比较低。
模拟信号经过简单放大就进入 A/D 转换模块 , 采样精度低 , 而且系统笨重 ,体积较大 , 为野外作业带来诸多不便。
为克服这些缺点和不足 , 同时考虑到线性滤波法解调系统具有器件非线性影响测量精度 , 分辨率较低等问题。
本文设计了信号采集处理电路及单片机控制系统 , 结构如图 3所示。
图 3 信号采集处理电路及单片控制系统的结构框图硬件设计的整体思路为 :通过光调制器 , 在宽带光源上附加 2kH z 的载波。
光源通过光纤光栅传感器调制后 , 反射光经线性滤波器分为 2束出射光。
2个光敏二极管作为光探测器接收光信号。
互阻抗放大电路将测得的光强度信号转换成电压信号。
经隔直放大电路和锁相放大电路提取有用信号 , 进入微处理器 ADuC847的A/D 采集模块 , 将模拟信号转换为数字信号。
数据通过分析计算后 , 微处理器将结果送液晶显示。
该硬件设计具有如下特点 :(1 采用 2路 PIN 光探测系统分别检测滤波光信号和参考光信号的光强 ; 由经模拟调理电路提取有用信号 , 进入微处理器进行数据处理 , 即可得到传感器反射的中心波长漂移量和待测的物理量 , 实现传感量的解调 ; 同时 , 采用这样的双光路探测电路还可消除光源功率波动和温度变化对电路的影响 ;(2 光探测器得到的电流信号通过互阻抗放大器转换为电压信号 , 隔直后进入放大器以去除光敏二极管暗电流、运算放大器偏置电压等直流噪声的影响 ;(3 通过控制光调制器 , 把光信息调制到高频交流光信号上。
采用由模拟乘法器和低通滤波器实现的锁相放大电路 , 把被测信号恢复出来 , 从而大大降低高斯白噪声、杂散光等交流噪声的影响 , 有效提取有用信号 , 提高信噪比 ;(4 采用单片机 ADuC847, 利用该芯片集成的 24位高精度 A/D 转换模块有效确保模数转换的精度 , 降低了噪声 , 提高了动态范围 , 同时结构简单 , 节省了系统的空间 ;第 30卷(5 采用 U SB 接口便于数据存储和数据传输 ; 工作于设备模式时 , 实现微控制器与计算机通信 , 便于数据后续分析和处理 ; 工作于主机模式时 , 满足解调系统用于现场测量和野外工作的要求 , 通过常用的 U SB 存储设备 (包括 U SB 硬盘 /USB 闪存盘 /U 盘即可实现数据的保存 ;(6 采用显示模块和人机对话模块实现系统的可视化和人性化 ;(7 通过单片机控制 DDS 输出 2路正交信号 , 以用于调制解调 , 操作方便;(8 通过自校准电路消除 2路模拟电路通道增益不同、器件性能差异等引入的误差。
3 解调系统的软件实现系统软件总体结构如图 4所示。
图 4 系统软件结构的总本设计程序在结构上分为 2层 , 底层是硬件驱动程序模块 , 上层是与功能相关的主控模块和各功能模块。
底层硬件驱动程序直接负责硬件操作 , 为上层主控模块和功能模块提供一系列的接口函数 ; 主控模块和功能模块控制整个程序的流程 , 当需要操作硬件时 , 仅调用硬件驱动子程序即可。
