强度解调的光纤光栅振动检测硬件电路设计与实验研究*

张法业，姜明顺*，隋青美，曹玉强，徐　伟，刘晓慧，耿湘宜

（1.山东大学控制科学与工程学院，济南250061；2.山东泰开自动化有限公司，山东泰安271000）

强度解调的光纤光栅振动检测硬件
电路设计与实验研究*

张法业1，姜明顺1*，隋青美1，曹玉强1，徐伟2，刘晓慧1，耿湘宜1

（1.山东大学控制科学与工程学院，济南250061；2.山东泰开自动化有限公司，山东泰安271000）

在对光纤光栅强度解调方法研究的基础上，利用FastFET放大器AD8065设计了高速光电转换电路，并基于边缘滤波强度解调原理构建了光纤光栅振动检测系统。该系统具有成本低、解调速度快等特点。在实验中，引入使用美国国家仪器（NI）有限公司的电子电路仿真软件Multisim的仿真实验与构建的光纤光栅振动检测系统进行对比。实验结果表明，光纤光栅振动检测系统具有良好的幅频响应，频率响应范围可达5 Hz～1 000 Hz，为光纤光栅振动检测提供了一种新的可靠手段。

光纤光栅；强度解调；Multisim仿真；振动；电路设计

EEACC：4125；4320F；7210doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2015.12.004

作为一种新型传感器技术，近年来光纤光栅传感器逐渐在电力、石油、桥梁等领域获得了越来越广泛的应用。光纤光栅传感器除了具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、耐腐蚀等优点外，还具有编码方式可靠、可波分复用和组网便捷等优势。特别是光纤光栅对振动的测量灵敏度高，微小位移测量最小可达纳米级，并且响应速度快，动态范围大，非常适合用于振动检测。基于此，国内外研制成功了许多光纤振动传感器，与传统振动传感器相比，具有抗电磁干扰、动态范围大、精度高、可工作于恶劣环境，而且体积轻小，获得了广泛的工程应用［1-4］。

根据处理对象的不同，光纤光栅解调方法主要分为两大类：波长解调型和光强解调型。波长解调型的原理是：利用光纤光栅的波长随温度、应变等物理量的变化，通过检测发射波长的漂移来间接测量被测物理量的变化，因此，测量时需要进行波长扫描，从而反应时间相对较长，测量速度慢［5］。同时，由于其必需的波长测量系统结构复杂、价格偏高，不利于大规模推广［6］。而强度解调型仅需要测量光电转换后的光信号强度，因此具有成本低，解调速度快等优点［7］，适合于光纤振动检测应用中的动态高速测量。

本文设计了动态响应范围为5 Hz～1 000 Hz高速光电转换电路，通过搭建Multisim仿真平台、构建基于非平坦ASE光源的光纤光栅强度解调系统和硬件电路设计，验证了其动态响应特性，获得了良好的实验结果，设计的高速硬件电路为光纤光栅振动检测提供了一种有效手段。

1　边缘滤波解调基本原理

边缘滤波解调是利用特定滤波器将FBG传感器反射信号光频率漂移转化为强度调制的方法，其基本原理［8-12］如图1所示。

图1　R边缘滤波解调原理图

设滤波器的功率谱密度p与波长λ的关系为线性，即

反射率为R0的FBG的反射光谱R（λ）近似为高斯分布，其表达式为

其中，R0为峰值反射率，为FBG的 3 dB带宽，λ0为中心波长。

当光信号照射在该FBG上时，其反射光强为

将式（1）、式（2）带入式（3）得

由上式可知，若滤波器的光功率谱为线性的，则经FBG反射的光强I（λ0）与FBG的中心波长λ0的关系也是线性的［13］。

因此，通过测量I（λ0）即可求出λ的值。

当FBG受到扰动时，其中心波长变为（λ0+Δλ），其中心波长变化量Δλ与反射光强变化量ΔI的关系也是线性的，即

当扰动作用在FBG上时，应变与其中心波长的漂移成线性变化关系，即Δλ=k'Δε，带入式（5）得

其中，k'为FBG的应变灵敏系数。式（6）表明，FBG反射光强变化量与动态应变的变化量呈线性关系。当应变为交变量时，式（6）可写成

其中，ε振动幅度；ω为振动频率。式（7）表明，反射光强变化量与交变扰动之间也呈线性关系。

因此，当振动FBG传感器的反射峰跟随外界振动激励源的变化出现漂移时，由于受到边缘滤波器的调制，反射峰的强度产生相应变化，这种变化可以通过光电接收装置检测，通过数据处理算出反射峰的漂移，得到外界振动激励源的信息，从而达到解调的目的。

2　光纤光栅振动实验系统搭建

光纤光栅振动实验系统的原理结构图如图2所示。该系统主要由未经平坦的ASE光源、光隔离器、耦合器、振动平台、光纤光栅振动传感器、USB数据采集卡和计算机组成，其中，利用未经平坦的ASE光源作为边缘滤波器。从ASE光源发出的光经光隔离器、分路器和3 dB耦合器后，进入光纤光栅振动传感器，传感器反射光的光强变化与振动平台悬臂梁的振动频率相关。反射光经过耦合器后，进入宽带光电转换电路转换成类正弦波信号，该信号的频率与振动平台悬臂梁的振动频率相对应。因此，通过USB数据采集卡采集该类正弦波信号，并计算其频率，可获得振动平台悬臂梁的振动频率，实现了振动信号的测量。

图2　R光纤光栅振动实验系统的原理结构图

实验中选用的光纤光栅振动传感器的频率响应范围为5 Hz～1 000 Hz，传感器的中心波长最大变化量为±100 pm。选用的ASE光源的光谱图如图3所示。

图3　R未经平坦的ASE光源光谱图

由图3可以看出，ASE光源有4个单调区间，选择斜率最大的1 533 nm～1 536 nm区间，选定传感器的中心波长为1 534.995 nm，则经过光电二极管后输入信号变化量为：

3　宽带光电转换电路设计

光电二极管属于高阻抗传感器，用于检测光的强度。它没有内部增益，但相比其它光检测器，可在更高的光强下工作。光电二极管工作时采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光导）模式。光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。选用线性度更好的光伏模式，所设计的宽带光电二极管前置放大器电气模型如图4所示。

图4　R宽带光电二极管前置放大器电气模型

该模型的基本传递函数为：

其中，IPHOTO为光电二极管的输出电流，RF和CF的并联组合设置信号带宽。理想情况下，光电二极管的全部输出电流均通过RF，但由于所有运算放大器都存在输入偏置电流，导致其输出产生误差。因此，最好能够将运算放大器的输入偏置电流限制在数pA范围内，并且压低输入失调电压，以使误差最小。本文所选用的放大器AD8065的输入偏置电流仅为2 pA，输入失调电压仅为400 μV。

此前置放大器所能实现的稳定带宽是以下参数的函数：RF、放大器的增益带宽积（65 MHz），以及放大器求和点的总电容CIN。所设计电路为5 V满量程输出，最大光电二极管电流为191 μA。由此确定反馈电阻值：

本文所设计电路选用二极管AA-I0917P0050TO46（Associated Opto-Electronics（Chongqing）Corp.）的最大电容值为CS=0.5 pF。AD8065共模输入电容为CM=2.1 pF，差模输入电容为CD=4.5 pF。因此，总输入电容为CIN=7.1 pF

在45°相位裕量f（45）下，所设计电路最大信号带宽可以表示为：

RF和CIN在放大器的环路传递函数中产生一个极点，它可能会导致峰化和电路不稳定，如图5。因此，需要增加反馈电容CF，在环路的传递函数中创建一个零点来补偿上述极点的影响并降低信号带宽。

图5　R输入电容补偿分析

选定RF=26 kΩ，则产生1 kHz带宽的CF的大小为：

产生45°相位裕量所需的电容CF的大小为：

由于选定的CF≅6.1pF高于0.818 pF的最小值，而通过增加电容值便可增加相位裕量，因此系统稳定。

综上，宽带光电转换电路如图6所示。

图6　R宽带光电转换电路

4　仿真及实验验证

4.1仿真实验

宽带光电转换电路Multisim仿真电路图7所示。

在仿真试验中，使用交流电流信号源I1模拟光电管的电流输出响应，交流电流信号源I1的输出信号为sin（ωt），该信号经过宽带光电转换电路后，通过Multisim仿真软件自带的示波器XCS2记录输出信号。分别将交流电流信号源I1的输出信号的频率设定为5 Hz、50 Hz、200 Hz、400 Hz、600 Hz和1 000 Hz，示波器记录XCS2的输出信号输出波形如图8所示。

图7　R宽带光电转换电路Multisim仿真电路图

由图8（a）～8（g）可知，设计电路在5 Hz～1000 Hz内具有良好的幅频响应特性，能够满足光纤光栅振动检测的要求。

图8　R宽带光电转换电路Multisim仿真数据分析

4.2振动实验验证

按照图5所示，搭建振动实验系统来验证所设计的高速光电转换电路的幅频响应特性。设定清华大学ZJY-601T振动与控制教学实验仪的振动加速度为5 m·s2，振动频率分别为5 Hz、50 Hz、200 Hz、400 Hz、600 Hz和1 000 Hz，使用数据采集卡FCFRUSB2070记录光电转换电路的电压输出数据。实验数据如图9所示。由图9（a）～9（f）可知，在振动实验中，设计电路能够良好响应5 Hz～1 000 Hz振动信号，其信号波形与仿真分析吻合良好，响应一致。振动频率与电压峰峰值之间的关系如图9（g）所示。可以看出，在5 Hz～1 000 Hz范围内，振动灵敏度最高可达1.42 V/（m·s2），灵敏度因频率不同而有所差异。

图9　R宽带光电转换电路振动实验数据分析

5　结论

实验结果表明，在5 Hz～1 000 Hz正弦激励振动信号下，所设计的光电转换电路有良好的幅频响应特性，并且具有良好的低噪声性能。实验表明，使用本文设计的搭建的振动检测系统对于振动信号有良好的分辨率，系统的频率响应范围可达5 Hz～1 000 Hz，为光纤光栅振动检测提供了一种有效的手段。

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Hardware Circuit Design and Experimental Study of Fiber Bragg Grating Vibration Detection Using Intensity Demodulation Method*

ZHANG Faye1，JIANG Mingshun1*，SUI Qingmei1，CAO Yuqiang1，XU Wei2，LIU Xiaohui1，GENG Xiangyi1
（1.Control Science and Technology School，Shandong University，Ji'nan 250061，China；2.Shandong TaiKai Automation Co.Ltd.，Tai'an Shandong 271000，China）

On the basis of the research on intensity demodulation method of Fiber Bragg Grating，High speed photoelectric conversion circuit was designed with FastFET amplifier AD8065 and a Fiber Bragg Grating vibration detection system based on edge filter demodulation is established.The system has advantages of low cost，fast response and so on.In the experiments，simulation experiments results from National Instruments（NI）Ltd Electronic Multisim circuit simulation software are used to compare with the results of the fiber grating vibration demodulation system.The results show that The Fiber Bragg Grating vibration detection system has good amplitude frequency response，and its frequency response range is 5 Hz～1 000 Hz，which provides a new reliable method for Fiber Bragg Grating vibration detection.

fiber grating；intensity demodulation；multisim simulation；vibration；circuit design

张法业（1984-）男，山东临沂人，山东大学控制科学与工程学院，硕士，工程师，研究方向为检测技术与自动化装置，zhangfaye@sdu.edu.cn；

姜明顺（1981-）男，山东泰安人，山东大学控制科学与工程学院，博士，副教授，研究方向为检测技术与自动化装置，sdujiangmingshun@163.com；

隋青美（1963-）女，教授、博士、博士生导师，现任山东大学控制科学与工程学院过程控制研究所所长，检测技术与自动化装置学科点学术带头人。主要研究方向为检测理论及应用、光纤传感技术、检测技术与自动化装置，在国内外重要学术刊物和国际国内学术会上交流学术论文90余篇。

TP277

A

1004-1699（2015）12-1760-06

项目来源：国家自然科学基金项目（61505097，41472260）；山东省自然科学基金项目（2014ZRE27372）；山东大学基本科研业务费项目（2014YQ009）

2015-06-05修改日期：2015-09-21