楊 洋，楊 洋，劉 兵，王宗和，鄭 昊，張思睿

(1.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心,河北承德 067000;2.承德石油高等?？茖W(xué)校,河北承德 067000)

0 引言

壓力測量儀表是工業(yè)控制類儀表中應(yīng)用最為廣泛的一類儀表，而光纖類壓力傳感特性對于防爆等級要求很高的石油、石化等應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域具有特殊的價值[1]。多年來國內(nèi)多數(shù)研究內(nèi)容主要是針對波長解調(diào)方法、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靈敏度提升等方面開展工作的，沒有看到光纖光柵壓力測試儀整體研制開發(fā)的相關(guān)報(bào)道[2-5],。本文采用光纖光柵(FBG)壓力傳感器與密集型波分復(fù)用器(DWDM)解調(diào)技術(shù)相結(jié)合，并與微光探測技術(shù)、光電開關(guān)技術(shù)進(jìn)行有效集成，同時借助自行開發(fā)的信號處理軟件，研制了一種完整的全光纖壓力測試儀。研發(fā)過程中相關(guān)研發(fā)內(nèi)容涉及光學(xué)、電子學(xué)、測量學(xué)等多個領(lǐng)域，為了完成這一課題必須克服光纖光柵的微光放大、解調(diào)系統(tǒng)測量精度偏低等一系列技術(shù)問題。課題組在此之前已經(jīng)做了大量的工作，特別是圍繞傳感器的研制做了大量論證工作，并且取得一些成效[7-10]，為這一新型光纖光柵壓力測試儀的研制與開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

1 測試系統(tǒng)介紹

光纖光柵壓力測試儀的整個系統(tǒng)包括：光纖光柵傳感器、密集型波分復(fù)用器(DWDM)、光開關(guān)、ASE寬帶光源、光電探測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分。測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖光柵壓力測試儀結(jié)構(gòu)圖

其中：光開關(guān)的作用是將從DWDM輸出的8路光信號進(jìn)行分時讀取。而光電探測系統(tǒng)中光電探測器模塊的作用是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并將其進(jìn)行放大。

2 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

光纖光柵壓力傳感器是獨(dú)立研發(fā)的，這一傳感器是將光纖光柵附著在一個懸臂梁上，并將懸臂梁與波登管結(jié)合在一起的壓力傳感器[9]。壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 光纖光柵波登管壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

按照文獻(xiàn)[8]中有關(guān)光纖光柵懸臂梁技術(shù)原理可知,在傳感器受到壓力作用時，光纖光柵反射波長會發(fā)生改變，其相對改變量為

(1)

式中k為一個僅與懸臂梁結(jié)構(gòu)及光纖光柵特性有關(guān)的常量，被稱為壓力敏感系數(shù)。

根據(jù)上述原可知，利用這一傳感器通過測量光纖光柵中心反射波長的移動量就可以達(dá)到測量氣體或液體的壓力變化的目的。

3 解調(diào)技術(shù)方案的實(shí)施

系統(tǒng)解調(diào)部分應(yīng)用我們在此之前開發(fā)的8信道密集型波分復(fù)用器(DWDM)。其解調(diào)原理如下：由于FBG反射光譜是一個譜寬度一般在0.3～0.5 nm的窄帶光譜，當(dāng)DWDM某一個信道端口的波長值與這一窄帶光譜的中心波長一致時，這個信道端口上就會出現(xiàn)最大的光功率輸出，這就是說DWDM對FBG反射的窄帶光譜的中心波長相當(dāng)于一個波長選擇性探測器；但由于我們選用的DWDM兩個相鄰信道寬度只有0.4 nm ，因此光纖光柵反射光譜在整個DWDM的8個信道上就會出現(xiàn)圖3給出的結(jié)果：當(dāng)某一信道出現(xiàn)最大強(qiáng)度時，相鄰信道端口會出現(xiàn)次最大和再次最大的強(qiáng)度分布。因此借助DWDM各個信道強(qiáng)度分布可以得到各個信道中強(qiáng)度包絡(luò)曲線。當(dāng)壓力發(fā)生改變的情況下，F(xiàn)BG反射光譜中心波長會隨之產(chǎn)生改變，即移動到新的位置，這一情況將促使DWDM中各個信道強(qiáng)度發(fā)生重新分布，此時FBG反射窄帶光譜的中心與所形成的新的包絡(luò)曲線中心是一致的。因此如果借助DWDM各信道中出現(xiàn)的反射光譜所展現(xiàn)的中心位置，并能通過適當(dāng)?shù)膶し逅惴▽ふ业綇?qiáng)度包絡(luò)曲線的峰值位置，從而達(dá)到獲得反射光譜中心波長的最終目的[8]。

圖3 反射信號在不同信道上強(qiáng)度分布包絡(luò)圖

4 信號采集與放大

信號采集與放大是通過光電探測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，由光開關(guān)、光電探測放大器、信號采集控制器等部分構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 光電探測放大器功能框圖

本測試系統(tǒng)中引入了光開關(guān)，其作用是將從DWDM輸出的8路信號分時讀取并傳送給光電探測放大器。我們采用FSW-1×8機(jī)械式光開關(guān)，參數(shù)為工作波長1 550 nm，光纖類型為單模，插入損耗≤1 dB，光功率≤500 mW，轉(zhuǎn)換時間≤8 ms。

本系統(tǒng)所選用的InGaAs-APD光電探測放大器模塊。其內(nèi)部所采用的升壓模塊輸出的高壓經(jīng)過濾波處理后紋波極小，能夠符合雪崩光電探測器對偏壓的要求，該模塊的另個一特點(diǎn)就是內(nèi)置有負(fù)電壓發(fā)生電路，從而使該模塊中正負(fù)電壓供電可以完全滿足放大芯片所需求，放大電路的設(shè)計(jì)理念采用可以滿足測量微弱小信號要求的高放大倍數(shù)設(shè)計(jì)，放大倍數(shù)高達(dá)105。輸出信號通過SMA接口輸出，同時為了應(yīng)用方便，模塊配有SMA轉(zhuǎn)BNC射頻線。

本系統(tǒng)所用信號采集控制器主要由STC89C52單片機(jī)、PCF8591 A/D轉(zhuǎn)換器、電源等構(gòu)成。其功能為：依據(jù)FSW-1×8光開關(guān)的要求，按分時復(fù)用的規(guī)則將8路光信號合并成1路光信號；將分時復(fù)用后的光功率信號放大，并完成同步數(shù)據(jù)采集；經(jīng)單片機(jī)處理，完成同步采集后的數(shù)據(jù)傳輸。

信號采集器的具體控制方法為：

(1)向FSW-1×8光開關(guān)發(fā)送控制信號，選定所需光路；

(2)等待光路、電路信號穩(wěn)定后，控制PCF8591 A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)濾波后暫時保存數(shù)據(jù)；

(3)重復(fù)(1)、(2)完成8路數(shù)據(jù)的同步采集；

(4)將采集數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀經(jīng)串口傳送給數(shù)據(jù)處理與顯示模塊，完成一次測量。

5 數(shù)據(jù)處理與顯示

數(shù)據(jù)處理軟件部分采用C++語言編寫而成，軟件的主要功能是接收自串口傳來的數(shù)據(jù)，并采用高斯多項(xiàng)式擬合尋峰算法對其進(jìn)行處理，并獲得從FBG反射回來的光譜的中心波長，最終可實(shí)現(xiàn)對波長的壓力解調(diào)。

有關(guān)尋峰原理如下：LOBOAB等人在1997年的研究表明，F(xiàn)BG的反射光譜可以近似用高斯分布來描述[11]。按照上述假設(shè)，設(shè)定FBG的反射譜可以用高斯函數(shù)近似表示：

R(λ，λ0)=R0exp[-α(λ-λ0)2]

(2)

式中：R0為峰值反射率；α為FBG常數(shù)，α=4ln(2/h2)；h為FBG半寬度；λ0為FBG中心波長，也就是圖3中主峰的橫坐標(biāo)位置。

對式(2)兩邊取對數(shù)后有：

y=lnR

(3)

并定義：

a=-4ln(2/h2)

b=8ln(2λ0/h2)

c=lnR0-4ln2(λ0/h)2

則式(3)可簡化為

y=aλ2+bλ+c

(4)

再利用多項(xiàng)式擬合法，得到

(5)

顯然，通過對數(shù)變換，原來的對數(shù)分布變成了一個二次多項(xiàng)式的拋物線方程，而我們所要尋求的FBG反射光譜中心波長值就是這個拋物線方程的極值位置。

基于此，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件部分實(shí)現(xiàn)壓力測量過程大致分為2步：第一步得到標(biāo)校曲線的線性關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)中首先按一定規(guī)律在0～6 MPa范圍內(nèi)選取幾個標(biāo)準(zhǔn)壓力值，每個壓力值下，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件接收自信號采集控制器傳來的數(shù)據(jù)，并將接收數(shù)據(jù)以參數(shù)形式傳入軟件中所實(shí)現(xiàn)的高斯多項(xiàng)式擬合尋峰算法中對其進(jìn)行處理,得到該壓力值下相應(yīng)的中心波長值，然后，以所取壓力值為橫坐標(biāo)，以各個壓力值下的中心波長為縱坐標(biāo)，利用尋峰算法得到壓力與波長關(guān)系標(biāo)校曲線對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式；第二步實(shí)現(xiàn)壓力值的解調(diào)。首先在0～6 MPa壓力范圍內(nèi)任意選取幾個測試點(diǎn)，然后將測試點(diǎn)帶入到第一步中所得標(biāo)校曲線方程中，算得壓力的測量值，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件將測量結(jié)果顯示出來，在此基礎(chǔ)上將軟件測試結(jié)果與壓力測試臺上標(biāo)準(zhǔn)表得到的壓力值做比對，從而得到測量結(jié)果的引用誤差。數(shù)據(jù)處理軟件運(yùn)行效果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理軟件運(yùn)行效果

6 實(shí)驗(yàn)測試過程

由寬帶光源(ASE)發(fā)出的光經(jīng)FBG反射后進(jìn)入DWDM的輸入端口，不同強(qiáng)度的光功率輸出會出現(xiàn)在DWDM的8個輸出信道上，在DWDM的8個輸出端上利用1×8光開關(guān)進(jìn)行分時掃描，再經(jīng)過InGaAs-APD光電探測器模塊將8個通道采集到的光信號進(jìn)行放大并將其轉(zhuǎn)化為電信號。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)壓力表中的壓力從0～6 MPa過程中,傳感器上FBG反射回的中心波長也發(fā)生改變，通過自動控制系統(tǒng)使光開關(guān)掃描DWDM的8個通道，光電探測系統(tǒng)便可以獲得某一壓力下所對應(yīng)8個通道的光功率輸出值，并將其轉(zhuǎn)化為易于處理的電信號(電壓值)；最后通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將所得到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，借助自主開發(fā)的軟件并通過尋峰算法和顯示系統(tǒng)可獲得FBG反射中心波長和所對應(yīng)的壓力值。

在完成壓力測試過程中，首先要做的是對壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)校。表1給出了標(biāo)校過程中實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表(標(biāo)校曲線)

利用表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到波長隨壓力變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 傳感器的壓力與波長變化關(guān)系曲線

并得出波長y與壓力x的擬合函數(shù)表達(dá)式為

y=-0.281 1x+1 552.077 1

(6)

按照上述實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，在0～6 MPa范圍內(nèi)波長移動值為1.682 nm，按照定義可以得到波長調(diào)諧靈敏度為0.28 nm/MPa。

利用上述所得到的擬合曲線關(guān)系，便可以獲得在0～6 MPa范圍內(nèi)任意點(diǎn)的壓力測試值，同時通過與標(biāo)準(zhǔn)表的值做比對，便可得到該光纖光柵壓力測試儀的引用誤差，見表2。

表2 壓力測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，整個測試范圍內(nèi)最大引用誤差為1%。

7 結(jié)論

與傳統(tǒng)波長解調(diào)方法相比，以密集型波分復(fù)用器作為光纖光柵壓力傳感器中的解調(diào)工具，并利用光開關(guān)分時掃描輸出端，再經(jīng)過光探測器模塊將光信號進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)化為電信號，從而形成了一種結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉、可靠性高的新型波長解調(diào)方法，在實(shí)現(xiàn)波長解調(diào)的基礎(chǔ)上，借助自行開發(fā)的信號處理軟件，完成數(shù)據(jù)處理和壓力顯示，從而形成一臺新型光纖光柵壓力測試儀。壓力測試儀的傳感器波長調(diào)諧靈敏度為0.28 nm/MPa，引用誤差為1%。這類儀表目前在我國國內(nèi)市場還是空白，它的開發(fā)成功對于我國一些對安全防爆有極高等級要求的行業(yè)具有重要意義。