光纤光栅微弱信号检测的解调电路

基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路设计闫冰;丁锋【期刊名称】《光电技术应用》【年(卷),期】2013(000)005【摘要】研究了并设计了应用于光纤光栅地震勘探系统的光电检测电路。

宽带光源经光纤光栅传感器反射回来的布拉格信号波很微弱，这就对微弱信号的检测提出了一个很大的难题，也影响着整个地震勘探解调系统的检测精度。

在对一般电路设计的思路基础上，研究和设计了可探测微弱信号的光电转换电路。

经过实验证明，此电路的噪声仅为0.19 mV，从而提高了系统的解调精度和速度。

%A photoelectric detection circuit used in fiber Bragg grating (FBG) seismic surveying system is re-searched and designed. The Bragg signal wave reflected by a fiber grating reflector from a broadband light source is very weak. So the detection of weak signal is very difficult and the detection accuracy of the entire seismic de-modulation system is also influenced. Based on the general circuit design idea, a photoelectric conversion circuit detecting weak signals is researched and designed. Experimental results show that the noise in the circuit is only 0.19 mv. So the demodulation accuracy and speed of the system are improved.【总页数】4页(P65-68)【作者】闫冰;丁锋【作者单位】中国石化中原油田石油化工总厂仪表车间,河南濮阳,457000;中国石化中原油田勘察设计研究院,河南濮阳,457000【正文语种】中文【中图分类】TN911.23;TP368【相关文献】1.基于光纤光栅传感的地震检波器设计 [J], 贝翠琳;杨金鹏2.基于串口的光纤光栅解调仪多通道扩展电路设计 [J], 周勤峰;徐铁峰3.光纤光栅地震检波器信号解调系统的开发与设计 [J], 龙黎晓4.基于长周期光纤光栅的新型地震检波器 [J], 黎芳;江月松;张绪国5.基于边缘滤波解调的光纤光栅低频地震检波器 [J], 丁锋;李翠翠;乔学光;贾振安因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

光纤光栅解调仪电路原理
光纤光栅解调仪电路原理简介：
光纤光栅解调仪是一种利用光纤光栅进行传感和测量的装置，它通过对光纤光栅中反射光的监测和处理，实现对物理量的测量和控制。

其核心部件为解调电路，它能够将光栅中反射光的信号转换为电信号，并进行处理，得出要测量的物理量的信息。

光纤光栅解调仪电路原理：
解调电路是光纤光栅解调仪中最为关键的部分，它的主要功能是将由光纤光栅反射回来的光信号转换成电信号，然后进行信号处理。

光纤光栅解调电路的主要原理如下：
1. 信号检测。

光纤光栅中反射回来的光信号，由光电探测器（PD）转换为电信号，电信号经过放大电路（LNA）进行放
大和滤波，提高信号质量和可靠性，去除杂音和干扰；
2. 信号解调。

解调电路可以将被调制的信号分离成两个部分，即参考信号和调制信息。

通过平衡电路（Balun）以及锁相放
大器（PLL）实现参考信号的产生、提取和输出；
3. 信号处理。

经过信号解调后，得到的信号按照一定的算法进行处理，提取出要测量的物理量的信息，例如温度、压力、应力等。

光纤光栅解调电路完整的电路结构一般由以下几部分构成：前
置放大器、滤波器、平衡电路、锁相放大器和信号处理器等。

不同的应用场合和不同的测量目标，会有不同的电路设计和参数选择。

基于光纤光栅边沿解调精密光电检测系统设计【摘要】高精度光电检测系统是测量光纤光栅传感器信号的重要辅助设备，特别是在较微弱光纤光栅传感信号的检测中有着重要的应用。

本文基于光纤光栅中心波长边沿解调原理和传感信号特性，介绍一种精密光电检测系统的设计。

文中分析了影响微弱光电信号检测精度的多种原因，并通过对器件的参数分析与选型、差模信号提取与放大和噪声的有效滤除等方式来实现对微弱信号的高精度检测。

【关键词】光纤光栅；边沿解调；光电检测；微弱信号；噪声滤除1.引言随着光纤光栅传感器的广泛应用，光纤光栅传感信号的检测系统也有了很大的发展。

相比于传统采用单色仪、光谱仪扫描[1]等方式来检测光纤光栅传感信号的方式，采用光电转换方式，即把对光强信号的测量转变为对电压信号的测量方式有它的优越性，它具有检测设备制造成本低、方便携带、可以实现对实时变化信号高速检测和拥有更广的工程应用等优点。

目前用于光纤光栅传感器信号检测的光电检测系统很多，但很多仍存在对微弱信号检测精度不高，对噪声有效抑制能力弱等特点。

而基于边沿解调原理的光纤光栅中心波长解调方法是通过对光栅反射峰的光强测量来实现的，是一种对较为微弱光电信号进行检测的方式。

此时，电路中所用器件的特性误差和电路中所耦合进的噪声对信号检测精度所造成的影响不可忽略，它们在一定程度上都会降低信号的检测精度。

因此，如何有效抑制电路中的噪声，提高光电检测系统对微弱信号测量精度是本文研究重点。

3.影响微弱光电信号检测精度的原因分析与相应解决方法从光电检测的角度看，当光源光功率一定，且被分为多路使用时，测量光栅反射峰的光强是属于一种较弱光电信号的检测方式，而从光纤光栅边沿解调原理看，它是通过检测光栅反射峰光强的变化来测量光栅中心波长的偏移量，更是属于一种对微弱光电信号变化量的.检测方式，这就对所采用的光电检测系统的检测方法和它的检测精度有更高的要求。

在本光电检测系统的设计过程中，从光电信号的特性出发，分析了各种影响光电信号检测精度的原因，在此基础上提出了相应解决方法。

光纤传感中的微弱信号检测电路设计摘要：光纤传感技术是20 世纪70年代末兴起的一项技术,现已与光纤通信并驾齐驱。

先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量压力、温度、应力(应变) 、磁场、折射率、形变、微震动、微位移、声压等,已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量已达70 多种。

光纤传感技术可分为传光型和传感型两类。

光纤传感技术的核心是光纤传感器,相应的光纤传感器也分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。

本文阐述了由单片机控制的对光纤传感中的微弱信号进行检测的电路设计方法，并在此基础上结合光纤传感的原理，设计并制作一个光纤位移传感器。

该系统包括光源部分，调理电路部分，A/D转换电路部分，AT89C51单片机部分，液晶显示部分。

整个系统，由光源发出光线，经光纤传输，传输到光敏三极管，进行光电转换，将光信号转变成为电信号，之后又经过放大，滤波电路，A/D转换电路，将信号进行处理，最后采集将数字信号输入到AT89C51进行数据处理，并由其控制液晶显示结果。

关键词：光纤传感；单片机；微弱信号；检测；位移中图分类号：TP273.2The design of detection circuit for the weak signal in the Optic Fiber Abstract：The Optic Fiber Sensing technology has been widely used from the 1970’s,which plays the same role as the Optic Fiber Communication technology now. The sensitivity of advanced Optic Fiber sensors could be much more higher than the traditional ones, we can use it to measure a lot of physical, like pressure, temperature, stress (strain), magnetic field, refractive index, strain, micro-vibration, micro-displacement, etc. The number of the physical it could be measured has been reached more than 70.The Optic Fiber Sensing technology including two types, one is light-type transmission, another is sensor type. The core of the Optic Fiber Sensing technology is Optic Fiber sensor, appropriately it can be divided into two types ,fiber optic transmission and sensing optical fiber sensors.In this article I will introduce an method of designing a detection circuit for the weak signal sensing in the Optic Fiber, and combine with the principle of Optic Fiber Sensing technology to design a kind of Optical Fiber Displacement Sensor. The entire system including Light part, the conditioning part of the circuit, A / D conversion circuit part, AT89C51 part, liquid crystal display part. The whole system begins with the light source emit the light ,than the Phototransistor gets the signal from the transmission fiber, after that it switches the light signal into the electric signal. Than this signal will be processing by the Amplifier circuit, filter circuit, A / D converter circuit, finally this digital signal will be transported to the AT89C51.In the at89c5 it will process the signal and control the display part to show us the result.Key words: Optical fiber sensing; SCM; weak signal; detection; displacement Classification: TP273.2目次摘要 (I)目次 (Ⅲ)1 绪论 (IV)1.1研究目的和意义 (1)1.2基本内容及章节安排 (1)2 总体方案设计 (2)2.1 光纤传感中的微弱光信号检测电路及光纤位移传感器项目 (2)2.2 系统总体结构规划 (3)3 系统硬件设计 (4)3.1 89C51单片机及相关电路 (4)3.1.1晶振电路 (5)3.1.2复位电路 (6)3.2 光源选取 (6)3.3光纤选取 (7)3.4光电传感器的选择 (8)3.4.1 光电传感器的类型 (9)3.4.2 相关原理 (10)3.5 显示电路 (11)3.6 信号调理电路 (11)3.6.1 放大滤波电路 (12)3.6.2 A/D转换 (14)4 系统软件设计 (19)4.1 主程序软件设计 (19)4.2 主要功能子程序设计 (20)4.2.1 A/D (20)4.2.3 显示模块 (20)4.3 程序设计 (18)5 调试及结论 (20)5.1调试情况 (20)5.2结果分析 (21)5.3 结束语 (21)参考文献 (23)作者简历 (22)学位论文数据集 (23)1绪论1.1研究目的和意义人类社会已进入信息化时代，工农业生产、交通、物资社会服务等方方面面都需要实时获取各种信息，而各类传感器通常是各种信息源头，是检测与自动化系统、智能化系统的“感觉器官”。

蔡文检测技术与自动化装置光栅信号处理电路光栅信号有光栅传感器输出，其输出为相差90°的矩形方波，具体的信号分为两种，一种是u1超前u2，90°，为为正向移动，另一种是u2超前u190°，为反向移动。

因此要确定光栅尺的具体位移，必须对过来的信号进行辨相处理，根据辨别出来的方向后，即光栅尺是正向移动，计数器加计数，反之计数器减计数，实现精确的位移测量。

电路原理图：如下原理性的说明：光栅传感器输出的是相差90°的矩形波，图1以上是电路的基本结构信号输入的u1u2已经是传感器处理好了的矩形方波幅值为5V，因此整形放大的这个环节可以不用。

反相通过74LS04来实现信号的方向。

微分环节该环节的微分时间常数需要根据光栅尺的最快滑过的速度来决定。

光栅尺2米，最少滑过2米所需的时间为1s，光栅尺50线（即一毫米50刻线）在未经过细分的情况下，走过一线，产生一个正弦波，因此光栅尺的最大频率f=2000/1*50=100000,为100khz,周期为10us。

相差90°微分时间常数不得大于0.25*10=2.5us选用RC微分电路，时间常数为1us，为防止过压，在vo1处接4.7v的稳压管到地图2两微分信号与另一相差90°的矩形波相与，其中一路输出为电平，另一路输出为脉冲。

这样通过Y1和Y2的输出，二者相或得到计数的脉冲。

另一方面Y1和Y2在某一条件下总是一个输出为脉冲，另一个输出为低电平。

通过采用或非门构成的RS触发器，实现在某种情况下输出为高，另一种情况下，输出为低，实现加计数和减计数的控制。

在计数前，要先确保加减计数控制，然后再实现脉冲到来的计数。

因此防止计数脉冲先于加减控制状态信号的到来，计数脉冲通路加延时，可用RC构成的积分电路实现小延时，延时时间为1us。

图3图4图5计数器采用74190同步10进制加减可逆计数器。

单时钟输入。

异步预置，超前进位借位功能。

关于光纤光栅解调原理的研究【摘要】光纤光栅的传感信息采用波长编码，如何辨别分布式传感器中光栅的位置和检测布拉格波长的移动，如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移是光纤布拉格光栅传感器实用化面临的关键问题。

本文介绍光纤光栅解调的原理，分析了几种比较常见的解调方法的工作原理、特点和性能，为信号解调设计提供依据。

【关键词】光纤光栅传感器原理由耦合波理论可得，当满足相位匹配条件时，光栅的布拉格波长为：式中：λ B为布拉格波长；n eff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅周期。

布拉格波长的峰值反射率和透射率为(1-2)式中：△n max是折射率最大变化量，L是光栅长度。

可以看出，△n越大，反射率越高，反射谱宽越宽；L越大，反射率越高，反射谱宽越窄。

如图1所示，当一宽谱光源入射进入光纤后，经过光纤光栅会有波长为式（1-1）的光返回，其他的光将透射。

反射的中心波长信号λ B，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。

图1 光纤光栅结构与传光原理1 滤波法1.1匹配FBG可调滤波检测法匹配滤波法是利用另一个FBG（参考光栅），在驱动元件的作用下借助外差载波技术来跟总踪FBG（传感光栅）的波长变化，使得参考光栅的反射波长在某个时刻或者某段时间内和传感光栅的反射波长一致。

反射法到达接收端的光信号传输中分路若太多，会使系统的信噪比下降，而且每对光栅都需要自己的探测器，增加了系统的复杂度。

于是出现了改进的透射式结构，该结构只需要一个探测器，减小了光功率损耗，提高了系统的分辨率。

1.2边缘滤波法边缘滤波法是利用耦合器在一定波长范围（1520nm～1560nm）内，耦合器的效率与波长基本呈线性关系的特性来测量光纤光栅的波长变化。

宽带光源发出的光被传感光栅反射回来后进入耦合器。

耦合器的出射光分为两束，这两束光的功率与入射光的功率关系在同一坐标系下形如X。

两束出射光通过光电探测器变成电信号，经过处理后消除光功率变化的影响，最后得到波长的变化量。

光纤光栅微弱信号检测的解调电路贾振安;郑德琳【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2012(000)005【摘要】为了在光纤光栅匹配解调系统中实现对光纤光栅微弱信号的检测与处理,在应用微弱光电信号检测原理的基础上设计一种高信噪比、高检测精度的解调电路,该解调电路采用低噪声电路元件参数选取原则和前置放大器设计的一般方法,在雪崩光电二极管与信号数模转换之间采用互阻放大器、巴特沃斯滤波电路和多级放大电路,实现了电路的最佳噪声匹配,有效地抑制了电路的噪声和干扰.该解调电路在光纤光栅匹配解调系统中具有很高的信噪比和测量精度,且具有很好的灵敏度,在测量低频率振动信号试验中具有优异的性能.实验表明:该电路解调系统在25 ～200 Htz 正弦激励振动信号下具有很好的低噪声性能,精确的测试出振动信号,同时该电路所采用的方法与措施对其他测量系统也有借鉴意义.【总页数】3页(P79-81)【作者】贾振安;郑德琳【作者单位】西安石油大学,陕西省光电传感测井重点实验室,教育部重点实验室,陕西西安710065;西安石油大学,陕西省光电传感测井重点实验室,教育部重点实验室,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TB29【相关文献】1.基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路设计 [J], 闫冰;丁锋2.强度解调的光纤光栅振动检测硬件电路设计与实验研究 [J], 张法业;姜明顺;隋青美;曹玉强;徐伟;刘晓慧;耿湘宜3.强度解调的光纤光栅振动检测硬件电路设计及实验研究 [J], 陈树芳;张法业;姜明顺;隋青美;贾磊;;;;;4.用于光纤光栅传感解调系统的线阵InGaAs驱动时序电路的设计 [J], 陶珺;杜平5.光纤光栅传感信号解调关键硬件电路的实验研究 [J], 贾振安;张磊;乔学光;马超因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

光纤光栅信号解调技术，光纤光栅传感器复用技术一．光纤光栅信号解调技术信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。

从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。

其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。

如图1，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出。

由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息的细致描述。

相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。

图1 光纤光栅传感解调系统由上述可知，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的移动。

通常测量光波长都是用光谱分析仪，包括单色仪和傅立叶变换光谱仪等。

它的波长测量范围宽，分辨率高，能测量出微小的应变量，用于分布式测量也极为简便，但它体积大，价格昂贵，一般都用于实验室中，不宜实际现场使用。

在实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性，研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，以用于工程结构的现场实测与监控。

目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案：光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法，CCD 分光仪检测法，非平衡M-Z 干涉仪检测法等。

1．光谱仪和多波长计检测法在光纤光栅传感系统中，对波长移位最直接的检测方法是：利用宽带光源（如 发光二极管LED ），输入光纤光栅，再用光谱仪（或多波长计）检测输出光的中心波长移位B λ∆，如图2。

光纤光栅传感器的调制解调技术光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor，FBG）是一种基于光纤技术的传感器，凭借其卓越的灵敏度、抗电磁干扰能力以及体积小巧的特点，广泛应用于温度、压力和应变等物理量的检测。

光纤光栅的工作原理基于布拉格反射（Bragg Reflection），通过改变光在光纤中的传播特性，实现对外界刺激的响应。

在此基础上，调制解调技术为光纤光栅传感器的信号处理提供了强有力的支持，保证了数据的准确性和可靠性。

1、光纤光栅的基本概念光纤光栅是一种周期性折射率变化的光纤结构，其核心在于对特定波长的光起到反射作用。

当光纤受到外部物理量的变化，如温度升高或压力增大时，光纤光栅的波长会相应发生变化。

这种波长的变化可以通过调制解调技术加以提取，从而获得相关的物理量信息。

2、调制技术光纤光栅传感器中常用的调制技术有相位调制、幅度调制和频率调制等。

其中，幅度调制是最为常见的方式，通过改变信号的振幅来传递信息。

在DK-3716-F050-P光纤光栅传感器的应用中，幅度调制主要体现在将外部物理量变化所导致的反射波长变化信息转化为电信号。

相位调制在光纤光栅传感器中的应用则依赖于光干涉原理，能够有效提高传感器的灵敏度。

这种调制方法适用于对微小变化的高精度测量，例如在结构健康监测中对微小裂缝或变形的检测。

随着技术的发展，频率调制方法逐渐受到重视，这种技术通过改变信号的频率来实现信息的传递，能够在噪声环境下提供更高的抗干扰能力。

3、解调技术解调技术是光纤光栅传感器中必不可少的一环，其主要任务是将调制后的信号转换回可读的物理量。

解调技术的实现方式多种多样，主要有光谱分析法、相位检测法和时域反射法等。

光谱分析法是通过分析光信号的光谱变化来获取传感器所测量的物理量。

该方法的优势在于能够同时获取多个光纤光栅传感器的信号，并且对波长变化的分辨率非常高。

利用光谱分析法，多个光纤光栅传感器可以通过一根光纤同时进行信号探测，适用于大范围的监测需求。

光纤光栅传感信号解调关键硬件电路的实验研究3贾振安,张　磊33,乔学光,马　超(西安石油大学陕西省光电传感测井重点实验室,陕西西安710065)摘要:基于可调谐光纤Fabry2Perot(TF F2P)滤波扫描传感光纤布拉格光栅(FBG)的反射峰的原理,针对多次实验结果,设计了构成光纤光栅信号解调稳定性所需的关键电路系统。

实验结果表明,硬件优化后的解调系统与光谱仪和万用表测量的数据相比较达到了预期的目标。

经过标定后的系统分辨率可达1pm,动态测量范围可达50nm。

关键词:光纤布拉格光栅(FBG);可调谐光纤Fabry2Perot(TF,F2P)滤波器;放大电路;信号解调中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:100520086(2008)0320315203E xp erim ental study of signal d emodu lation k ey h ardw are electric circuit for fib er gratingJ IA Zhen2an,ZHANG Lei33,QIAO Xue2guang,MA Chao(Shanxi K ey Laboratory of Photoelectric Sensing Logging,X i′an Shiyou University,X i′an710065,China)Abstract:Based on the principle of tunable fiber Fabry2Perot(TF F2P)filter which scans the reflected peak of fiber Bragg grating(FBG),is designed to constitute a stable FBG signal demodulation system.Experimental results show that hardware2 optim ized demodulation system and the data measured by multimeter can reach the expected target.The system resolution after demarcating can reach a1pm,dynam ic state′s measuring scope can reach50nm.K ey w ords:fiber Bragg grating(FBG);tunable fiber Fabry2Perot(TFF2P)fiber;amplification circuit;signal demodu2 lation1　引　言 光纤光栅传感信号的光电转换和接收以及电信号的电子处理是光纤布拉格光栅(FBG)传感信息解调系统研究的关键[1],由于FBG传感器是以光信号为变换的传输载体,因此要借助电子处理构成硬件解调仪器。

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