鞏鑫，華燈鑫，李仕春，辛文輝，胡遼林

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

多年來復(fù)用技術(shù)一直是光纖Bragg光柵(FBG)傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。目前光纖光柵復(fù)用技術(shù)主要有波分復(fù)用(WDM)、時(shí)分復(fù)用(TDM)和空分復(fù)用(SDM)，波分復(fù)用是最直接也是最成熟的復(fù)用方式，但其光纖光柵復(fù)用數(shù)目通常受限于光源帶寬，通常只能實(shí)現(xiàn)數(shù)十支FBG的復(fù)用[3]，而SDW多應(yīng)用于航空和安全監(jiān)測(cè)方面，一般與其它復(fù)用方式組合構(gòu)成FBG傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)以增加探測(cè)可靠性。TDM用于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)可以降低FBG解調(diào)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度[4]。

隨著高性能光纖激光器的出現(xiàn)，眾多研究者關(guān)注到TDM在FBG傳感領(lǐng)域的復(fù)用優(yōu)勢(shì)，2002年Valente將OTDR用于解調(diào)時(shí)分和波分復(fù)用的低反射FBG傳感網(wǎng)絡(luò)，極大拓展了FBG復(fù)用數(shù)量[5]，2003年Zhang設(shè)計(jì)了一種可降低光源起伏和光纖彎曲損耗的結(jié)構(gòu)，提高了低反射FBG信號(hào)的探測(cè)可靠性[6]。2005年Enami利用OTDR進(jìn)行了低反射FBG的應(yīng)變測(cè)試，探測(cè)精度達(dá)10 με量級(jí)[7]，同時(shí)Joong則對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)試[8]，2007年Lo利用雙波段組合光源提高了空間分辨率[9]，2008年Liu從相干性方面對(duì)低反射FBG網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，提出了新的解調(diào)思路，并進(jìn)行了溫度傳感測(cè)試[10]。2009年Crunelle利用可調(diào)諧激光器研制出溫度傳感系統(tǒng)，精度可達(dá)0.1 ℃[11]，2010年劉川利用掃描激光方式對(duì)低反射FBG進(jìn)行解調(diào)，并通過摻鉺光纖和Raman混合放大技術(shù)提高傳感距離[12]，2011年Liu對(duì)FBG反射率與復(fù)用能力進(jìn)行了詳細(xì)分析[1]。因此，目前低反射FBG-TDM傳感網(wǎng)絡(luò)得到較多研究者關(guān)注，但是其解調(diào)大多采用OTDR技術(shù)，尚未開展專門相關(guān)技術(shù)研究。

2010年以來筆者課題組開展了低反射FBG復(fù)用技術(shù)的相關(guān)研究，提出了雙激光波長(zhǎng)拓展FBG應(yīng)變傳感范圍的實(shí)現(xiàn)技術(shù)[13]，目前已成功研制了納秒級(jí)激光器驅(qū)動(dòng)電路和高精度溫度控制的穩(wěn)頻技術(shù)[14-15]，該系統(tǒng)具有探測(cè)應(yīng)變范圍大，復(fù)用數(shù)量多，成本低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)應(yīng)變傳感測(cè)試，但其解調(diào)技術(shù)比單激光波長(zhǎng)系統(tǒng)復(fù)雜。本文將針對(duì)時(shí)分復(fù)用光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)的高速探測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)以高速峰值保持電路為核心的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG多點(diǎn)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試數(shù)據(jù)處理。

1 時(shí)分復(fù)用FBG傳感系統(tǒng)

時(shí)分復(fù)用FBG多點(diǎn)應(yīng)變傳感系統(tǒng)如圖1所示。將含有FBG的光纖埋入被測(cè)材料中，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)分布式應(yīng)變傳感測(cè)試。在窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路和溫控電路的作用下，DFB-LD激光器產(chǎn)生重復(fù)頻率為10 kHz的激光脈沖，其光譜帶寬為10 MHz，平均功率為10 mW。輸出激光脈沖由1∶9的光耦合器分光后，10%信號(hào)能量進(jìn)入光電探測(cè)器1(PIN _FET1)，作為脈沖能量的基準(zhǔn)信號(hào)，剩余90%能量經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入低反射率(約5%)FBG陣列，滿足FBG反射條件的激光脈沖部分能量反射，大部分能量透射，從而串聯(lián)FBG網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生多個(gè)反射信號(hào)脈沖，這些脈沖信號(hào)依次經(jīng)過光環(huán)行器進(jìn)入光電探測(cè)器2(PIN_ FET2)。兩個(gè)光電探測(cè)器的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信息的傳感測(cè)量。

圖1 時(shí)分復(fù)用應(yīng)變傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為提高FBG應(yīng)變傳感的空間分辨率，應(yīng)使激光脈沖盡可能窄，文中DFB-LD激光器的驅(qū)動(dòng)脈沖脈寬小于5 ns[14]，而FBG反射譜的展寬可被忽略，因此反射脈沖信號(hào)將是一系列脈寬約為5 ns的時(shí)域脈沖信號(hào)。FBG應(yīng)變信息體現(xiàn)在反射脈沖信號(hào)的峰值電壓上[12]。納秒級(jí)脈沖信號(hào)的檢測(cè)與處理目前仍有待于進(jìn)一步研究[16]，故納秒級(jí)信號(hào)調(diào)理器將是FBG解調(diào)系統(tǒng)的核心部分，它能夠獲得系列窄脈沖信號(hào)的峰值電壓。

2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速AD轉(zhuǎn)換是最基本的獲取信號(hào)峰值電壓的方法，即將FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的反射信號(hào)直接接入高速AD轉(zhuǎn)換電路，獲取脈沖信號(hào)全部信息，然后得到FBG對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)的最大值，但是該方法存在兩個(gè)缺陷，一是采樣值未必恰好是最大值，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理得到的最大值與原始脈沖信號(hào)的最大值之間存在誤差；二是在FBG反射脈沖信號(hào)極短的上升時(shí)間(約2.2 ns)內(nèi)采集脈沖峰值，大大增加解調(diào)系統(tǒng)成本，且數(shù)據(jù)處理量很大，不適用于工程應(yīng)用。

獲取脈沖信號(hào)峰值的第二種方法是采用具有峰值保持功能的信號(hào)調(diào)理器，準(zhǔn)確獲取峰值時(shí)刻并對(duì)峰值信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過低速率AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)峰值提取，采用該技術(shù)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是峰值保持電路中電容的積分作用與實(shí)際系統(tǒng)中的能量檢測(cè)相一致，可減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響。因此，本文中設(shè)計(jì)了一套以峰值保持電路為核心的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖2所示為該采集系統(tǒng)的框圖。

圖2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

圖2中FBG的反射信號(hào)通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后，首先經(jīng)過匹配電路(Matching circuit)后進(jìn)入峰值保持電路(Peak holding circuit)輸出脈沖信號(hào)峰值電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(A/D converter)的采樣信號(hào)輸入控制和處理器(Controller and processor)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，反射脈沖信號(hào)經(jīng)電壓比較器(Voltage comparator)后輸出的數(shù)字信號(hào)，直接用于峰值保持電路的復(fù)位和A/D轉(zhuǎn)換起始的控制。因此，該電路可極大降低A/D采樣速率的要求，而且降低了采集系統(tǒng)成本，減小了處理器的數(shù)據(jù)吞吐量，最重要的是可以準(zhǔn)確測(cè)量峰值電壓。

從上述信號(hào)處理過程可看出，該高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心組成部分是納秒級(jí)信號(hào)調(diào)理器(Signal conditioner)，它由匹配放大電路和峰值保持電路組成，其性能將直接影響數(shù)據(jù)采集的精度和速度。其中匹配放大電路技術(shù)較為成熟，因此峰值保持電路的性能尤為重要。

2.1 高速峰值保持電路

峰值保持電路主要由前置驅(qū)動(dòng)電路、二極管、保持電容、輸出電壓緩沖器和放電電路組成，其基本原理是，當(dāng)輸入電壓大于反饋輸出電壓時(shí)，經(jīng)二極管提供充電電流，當(dāng)輸入電壓小于反饋輸出電壓時(shí)，二極管截止，停止對(duì)電容充電，電容保持峰值電壓。前置驅(qū)動(dòng)電路可以是普通電壓放大器、跨導(dǎo)放大器和電壓比較器，主要功能是依據(jù)輸入電壓與反饋電壓的差異決定是否為峰值保持電容提供充電電流，充電電流越大，峰值保持電路的上升時(shí)間越短。輸出電壓緩沖器通常為電壓跟隨器，以提供較大的輸出能力。

目前，高速峰值保持電路通常采用跨導(dǎo)型峰值保持電路，其核心是運(yùn)算放大器，通常注重線性區(qū)工作時(shí)放大的準(zhǔn)確性，內(nèi)部設(shè)計(jì)有相位補(bǔ)償電路，以增加閉環(huán)工作穩(wěn)定性，但該類型峰值保持電路的脈沖上升速度一般大于5 ns[16]，因此不適用于本系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用輸出電流更大的電壓比較器型峰值保持電路，以減少峰值保持電路的上升時(shí)間。設(shè)計(jì)的高速峰值保持電路如圖3右半部分所示。圖中電壓比較器MAX961的正向輸入端接輸入信號(hào)，反向輸入端與MAX4104的輸出反饋端相連。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

而作為比較器型峰值保持電路核心的電壓比較器則更注重輸出電平的精度，一般工作在開環(huán)狀態(tài)且內(nèi)部無相位補(bǔ)償電路，但要求比較門限更精確，比較后的輸出邊沿上升或下降時(shí)間短，線性區(qū)的準(zhǔn)確度低。因此，采用延時(shí)短的電壓比較器可有效減少峰值保持電路的脈沖上升時(shí)間。以Maxim公司超高速電壓比較器MAX961搭建高速峰值保持電路的前置驅(qū)動(dòng)電路，其傳輸延時(shí)僅為4.5 ns，容性輸出電流典型值為60 mA，上升沿為2.3 ns，內(nèi)部具有3.5 mV滯回，可有效減少輸入信號(hào)毛刺引起的振蕩。

另外，由于輸出電路存在偏置電流、二極管反向漏電流和保持電容的絕緣電阻等，電容保持的峰值電壓會(huì)隨時(shí)間緩慢降低，而在后續(xù)脈沖輸入前，還需給保持電容放電至電壓為零。因此保持電容是峰值保持電路的重要元件，其性能直接影響電路的峰值保持精度和時(shí)間。因此，選擇絕緣電阻大，導(dǎo)電吸收弱的聚苯乙烯電容作為保持電容。為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，二極管采用肖特基(Schottky)二極管1N5817，其反向恢復(fù)時(shí)間極短(通常小于10 ns)，開啟電壓0.3 V，反向耐壓20 V，最大正向電流1 A。

MAX961輸出的高電平約為5 V，可保證二極管導(dǎo)通，但是低電平約為330 mV，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)330 mV低電平也有可能使二極管導(dǎo)通，因?yàn)樾ぬ鼗O管1N5817的開啟電壓約為300 mV，所以在比較器輸出端增加10 Ω輸出電阻R21，將輸出電平拉低至40 mV，以確保二極管截止。

采用帶寬1 GHz示波器測(cè)試該峰值保持電路功能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4(a)所示，2通道是FBG反射信號(hào)，3通道為探測(cè)峰值保持輸出信號(hào)?？煽闯龇逯当３中盘?hào)存在較大振蕩，通過阻抗匹配技術(shù)消除振蕩，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)信號(hào)輸出(見圖4(b))，峰值保持信號(hào)上升較為迅速且平滑。

圖4 阻抗匹配對(duì)峰值保持的影響

2.2 寬帶匹配放大電路

FBG反射信號(hào)屬于高頻微弱信號(hào)，信號(hào)上升時(shí)間約為2.2 ns，帶寬為175 MHz，幅值范圍為230 mV± 100 mV。如果直接對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行峰值保持，噪聲對(duì)峰值保持結(jié)果影響較大，而且，峰值保持電路后的AD轉(zhuǎn)換電路輸入信號(hào)范圍是±1 V，因此需要在峰值保持電路前加入匹配放大電路進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。

考慮AD轉(zhuǎn)換電路輸入幅值匹配且兼顧放大電路帶寬，選取MAX4105運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)匹配放大。它的放大倍數(shù)為5時(shí)，輸出小信號(hào)時(shí)3 dB帶寬為410 MHz，輸出大信號(hào)時(shí)3 dB帶寬為370 MHz，壓擺率1 400 V/μs，綜合考慮帶寬與壓擺率，MAX4105可滿足放大FBG反射信號(hào)的要求。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 峰值保持性能測(cè)試

為測(cè)試峰值保持電路性能，對(duì)不同幅值脈沖信號(hào)的輸出峰值電壓進(jìn)行測(cè)試，比較輸入脈沖峰值與峰值保持電路輸出電壓，進(jìn)而分析峰值保持性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。圖中橫坐標(biāo)為輸入脈沖信號(hào)峰值，縱坐標(biāo)為峰值保持電路輸出信號(hào)，實(shí)測(cè)值用散點(diǎn)表示，直線為擬合直線，其斜率為0.991，截距為2.91，線性相關(guān)度為0.999 2，線性度優(yōu)于2%，表明電壓比較器型峰值保持電路具有較高的保持精度和可靠性，可用于高速采集系統(tǒng)以獲取FBG反射脈沖的峰值電壓。

圖5 峰值保持電路性能測(cè)試

3.2 FBG傳感信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證高速采集系統(tǒng)的有效性，基于多根低反射率(約5%)FBG串聯(lián)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[14]，測(cè)試了中間某根FBG應(yīng)變傳感特性。實(shí)驗(yàn)中將該FBG貼于懸臂梁上，通過給懸臂梁增加砝碼改變懸臂梁的應(yīng)變，進(jìn)而改變FBG中心波長(zhǎng)。隨著砝碼重量增加，懸臂梁FBG的應(yīng)力逐漸增大，導(dǎo)致中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移，增加反射光功率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)

圖6中圓點(diǎn)表示測(cè)得正程(砝碼逐漸增加)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后減少砝碼重量，棱形表示返程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可看出未出現(xiàn)明顯遲滯，輸入輸出單調(diào)性明顯。另外，隨著負(fù)載增加，信號(hào)峰值先是緩慢增加，負(fù)載在3 kg至4 kg變化時(shí)，脈沖峰值變化較快，而負(fù)載繼續(xù)增加，峰值變化又比較緩慢，基本體現(xiàn)了FBG頻譜的非線性變化趨勢(shì)，采用如下非線性擬合方程:

(1)

擬合結(jié)果如圖6中實(shí)線所示，其方程為：

(2)

其相對(duì)誤差除第1個(gè)點(diǎn)由于信號(hào)中噪聲較大為8%外，其余擬合精度優(yōu)于4%，且隨著信號(hào)幅值增加，擬合精度越高。在信號(hào)幅值較低時(shí)系統(tǒng)整體誤差較大，說明噪聲對(duì)傳感系統(tǒng)影響較大。

如果將光纖光柵應(yīng)用于建筑安全檢測(cè)領(lǐng)域，只需運(yùn)用力學(xué)知識(shí)推導(dǎo)出建筑主體受力與FBG的受力關(guān)系，就可以通過FBG反射信號(hào)的峰值電壓推算出FBG的受力，進(jìn)而得出建筑主體的受力情況。

4 結(jié) 論

針對(duì)低反射率TDM-FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的高速解調(diào)系統(tǒng)，研制了一種FBG多點(diǎn)應(yīng)變傳感測(cè)量的高速采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電壓比較器型峰值保持電路為核心，結(jié)合寬帶匹配放大電路，實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)的高速采集技術(shù)，可對(duì)脈寬5 ns，上升時(shí)間2.2 ns的FBG反射脈沖進(jìn)行峰值保持；性能測(cè)試表明，穩(wěn)定時(shí)間約為15 ns，線性相關(guān)度為0.999 2，線性度優(yōu)于2%。懸臂梁的FBG應(yīng)力傳感實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)傳感誤差約為4%，驗(yàn)證了以電壓比較器型峰值保持電路為核心的高速采集系統(tǒng)的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jackson D A, Ribeiro A B L, Reekie L, et al. Simple multiplexing scheme for a fiber-optic grating sensor network[J]. Opt. Lett, 1993, 18(14): 1192-1194.

[2] Liu J, Zhang J, Li X, et al. Study on multiplexing ability of identical Fiber Bragg Gratings in a single fiber[J]. Chinese Journal of Aeronautics,2011,24(5): 607-612.

[3] 吳俊, 陳偉民, 章鵬, 等. 金屬直接連接的布拉格光纖光柵應(yīng)變測(cè)量方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2012, 33(12): 2711-2712.

Wu Jun, Chen Weimin, Zhang Peng, et al . Stain sensing method based on directly metallized bonding FBG to substrate[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2012, 33(12): 2711-2712.

[4] Weis R S, Kersey A D, Berkoff T A. A four-element fiber grating sensor array with phase-sensitive detection[J]. Photonics Technology Letters, IEEE,1994,6(12): 1469-1472.

[5] Valente L C G, Braga A M B, Ribeiro A S, et al. Time and wavelength multiplexing of fiber Bragg grating sensors using a commercial OTDR[C]//Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest, Ofs 2002, 15th, 10-10 May 2002.

[6] Zhang P, Cerecedo-Nu′n～ez H H, Qi B, et al. Optical time-domain reflectometry interrogation of multiplexing low-reflectance Bragg-grating-based sensor system[J]. Optical Engineering,2003, 42(6): 1597-1603.

[7] Enami Y, Iwashima H, Kobayashi T. Fiber strain sensor using low reflective fiber Bragg gratings[C]//Lasers and Electro-Optics. Baltimore, Maryland, May 22, 2005.

[8] Joong E T, Kim M J, LEE B H, et al. Temperature monitoring system based on Fiber Bragg Grating arrays with a wavelength tunable OTDR[J]. IEICE Trans Electron (Inst Electron Inf Commun Eng), 2005, E88-C(5): 933-937.

[9] Lo Y L, Xu S H. New sensing mechanisms using an optical time domain reflectometry with fiber Bragg gratings[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2007,136(1): 238-243.

[10] Liu Weisheng, Guan Zuguang, Liu Guorong, et al. Optical low-coherence reflectometry for a distributed sensor array of fiber Bragg gratings[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 144(1): 64-68.

[11] Crunelle C, Wuilpart M, Caucheteur C, et al. Original interrogation system for quasi-distributed FBG-based temperature sensor with fast demodulation technique [J]. Sensors and Actuators A: Physical. 2009, 150(2): 192-198.

[12] 劉川, 饒?jiān)平? 冉曾令, 等. 基于時(shí)分復(fù)用和窄波長(zhǎng)掃描激光的長(zhǎng)距離光纖布喇格光柵傳感系統(tǒng)[J], 光子學(xué)報(bào),2010, 39(11): 2004-2007.

Liu Chuan, Rao Yunjiang, Ran Zengling, et al. Long-distance fiber Bragg grating sensor system based on time division multiplexing and narrow wavelength swept laser[J]. Acta Photonica Sinica,2010, 39(11): 2004-2007.

[13] Gong Xin, Hua Dengxin, Zhang Pengbo, et al. Alternate dual pulses technique for fiber Bragg grating Ultra-multi-point strain measurement[C]//Eighth International Symposium on Precision Engineering Measurement and Instrumentation, January 31, 2013, 8759: 271-276.

[14] 章鵬博, 胡遼林, 華燈鑫，等. 光時(shí)域反射-光纖光柵傳感系統(tǒng)中雙激光器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)激光,2012, 39(4): 91-96.

Zhang Pengbo, Hu Liaolin, Hua Dengxin, et al. Design of dual lasers driving circuits in OTDR-FBG system[J]. Chinese Journal of Lasers,2012, 39(4): 91-96.

[15] 胡遼林, 章鵬博, 華燈鑫，等. 時(shí)分復(fù)用光纖光柵傳感陣列中DFB激光器的高精度溫控設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012, 25(7): 921-925.

Hu Liaolin, Zhang Pengbo, Hua Dengxin, et al. Design of DFB laser’s high performance temperature controller in TDM FBG sensing array[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2012, 25(7): 921-925.

[16] 胡賢龍, 翁?hào)|山, 馮旗, 等. 窄脈沖信號(hào)峰值保持器[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2009,29(1): 42-45.

Hu Xianlong, Weng Dongshan, Feng Qi, et al . A peak hold circuit for narrow pulse[J]. Nuclear Electronics and Detection Technology, 2009, 29(1): 42-45.