忆阻桥放大效应在光纤式结冰探测中的应用*

李 薇，张志俊,程 立

(中南民族大学 计算机科学学院，湖北 武汉 430074)



忆阻桥放大效应在光纤式结冰探测中的应用*

李 薇，张志俊,程 立

(中南民族大学 计算机科学学院，湖北 武汉 430074)

鉴于双光路通道差动测量方法能够有效去除共模干扰，本文将新型电路元件—忆阻器与传统的光纤式结冰传感器相结合，提出了纳米级尺寸具有放大效应的忆阻桥网络结构，分析了忆阻桥的放大效应原理，实现了光电二极管光电流信号的放大，以桥臂忆阻阻值和感知忆阻两端电压作为传感输出，对冰层厚度进行探测。仿真实验结果表明：该双测量通道忆阻桥网络结构能够同时有效消除光路扰动和扩大结冰厚度的测量范围。

忆阻； 桥型结构； 双光路； 结冰探测

0 引 言

飞机结冰探测是飞机机载结冰安全防护系统的前提和关键，光纤式结冰传感器是目前世界上最先进的结冰探测传感器之一[1,2]。实际应用中，在光源功率一定的情况下，接收光纤探测到的光信号较微弱[3]，且输出信号呈现出双值特性[4]，因此，在光纤式结冰传感器的设计中会遇到以下两个问题：1)如何消除光源光功率波动、探测环境背景光等对传感器输出的干扰[5,6]；2)如何扩大冰层厚度的测量范围，突破光纤探测信号前坡、后坡非线性的局限性。为了解决这些问题，有些研究者曾提出了改进方法[7,8]，但这些方法通常将集成电路芯片进行互连来完成此类信号处理问题，较大的外形尺寸使其不易于安装于机翼等面积较小、有一定弧度的探测部位[9]，这无疑成为机载设备微型化、智能蒙皮化的技术瓶颈。

本文将新型电路元件—忆阻器与传统的光纤式结冰传感器相结合，基于双光路通道测量方法，构建了纳米级尺寸具有放大效应的忆阻桥网络结构，分析了忆阻桥的放大效应原理，实现了光电二极管光电流信号的放大，以感知忆阻两端电压作为传感输出，对冰层厚度进行探测。试验仿真结果表明:该双测量通道忆阻桥网络结构能够同时有效消除光路扰动和扩大结冰厚度的测量范围。

1 忆阻器的物理实现及其传感特性

根据电路理论中四个基本变量之间对应关系的完备性，Chua于1971年在电阻、电容和电感之外提出了第四种基本电子元器件—忆阻器，并从理论上对其进行了阐述和定义[10]。直至2008年，惠普实验室的研究人员才意外得到基于金属和金属氧化物的忆阻器电子器件实物，并建立了忆阻器数学模型[11]。图1为惠普实验室得到的首个忆阻器物理模型，由夹在2个 (铂)电极间的两层二氧化钛构成，一层二氧化钛中因缺少部分氧原子而存在正二价的氧空位，具有高的电导，称为掺杂层；另一层纯二氧化钛表现出绝缘性，称为未掺杂层。

图1 惠普忆阻器物理模型Fig 1 HP memristor physical model

在外加电源u(t)的作用下，两层间的边界发生移动，从而改变整个忆阻器的电阻值M(t)，外加电源的方向决定其阻值的变化趋势。

(1)

(2)

式中 μv为离子在均匀场中移动情况的常数。由式(2)积分可得

(3)

式中 w0为w(t)的初始状态。

将式(3)代入式(2)可得

(4)

当有电流流过忆阻器时，其阻值变化为

ΔM=M(t)-M(0)

(5)

由式(5)可知，忆阻器的阻值变化与流经其的电流大小和方向有关。

2 光纤式双光路测量通道

图2为光纤式结冰传感器的结构原理示意图。它是利用冰层对光的调制原理，将结冰状态(冰层厚度、结冰类型等)信息以光信号的形式返回到光电探测器中，从而转换成电信息。

图2 光纤式结冰传感器的结构原理示意图Fig 2 Structure of fiber-optic icing sensor

发射光纤和接收光纤汇聚于一端形成探测头端面，当此端面无结冰发生时，发射光将沿发射光纤射入空气，接收光纤探测不到任何发射光。当探测头端面有冰层时，光在冰层内发生反射、散射、透射和吸收等现象，其中冰层—空气界面的反射光以及在冰层内的部分散射光经传感器探头端面进入接收光纤。接收光纤末端的光电二极管将接收到的光信号强度转换成电信号。由于采用光强作为信息载体，不可避免地要受光电探测器噪声、前置放大器零漂、光源功率波动、光纤传输损耗以及环境杂散光等因素的影响，当端面无结冰发生时，接收光纤中也会有相应的噪声光电流返回。为了消除此类噪声干扰，在测量探头旁边增设参考探头，该探头采用电加热而始终处于无冰状态。测量探头和参考探头端面光纤分布均采用同轴分布模式[12]。

3 忆阻桥放大效应工作原理

忆阻桥放大电路由5个忆阻器共同构成惠斯通电桥结构，两个电流源分别为测量光纤和参考光纤返回的光电流。桥臂忆阻Mi(i=1,2,3,4)和感知忆阻Mm的初始阻值均为ROFF，由电路叠加原理可知，图3(a)所示电路结构可由图3(b)与图3(c)所示电路结构叠加而成。

图3 忆阻桥放大电路检测示意图Fig 3 Diagram of memristor bridge amplifier circuit

当测量光纤中返回的光电流单独作用于放大电路时，如图3(b)所示，取此时的光电流方向为参考方向。测量光纤中返回的光电流包括两部分：测量端面所结冰层中返回的信号Ir和测量过程中产生的噪声信号Id，它们依次流经忆阻M1,Mm,M4，且其阻值均减小。此时感知忆阻Mm两端的电压为

(6)

式中 Δd为由Id引起的感知忆阻Mm阻值减小值，Δr为由Ir引起的Mm阻值减小值。

当参考光纤中返回的光电流单独作用于放大电路时，如图3(c)所示，此时的光电流由测量过程中的噪声所产生，该电流依次流经忆阻M2,Mm,M3，使其阻值均减小。此时感知忆阻Mm两端的电压为

ΔV″=V″+-V″-=-Id·(Mm-Δd)

(7)

当测量光纤和参考光纤中的返回光电流同时作用于忆阻桥放大电路时，感知忆阻Mm两端的电压为

=Ir·(Mm-Δr)

(8)

由此可见，通过采用参考光纤可进行干扰补偿，使得感知忆阻Mm两端的电压仅与由冰层状态返回的光电流Ir有关，能够有效减小背景光等干扰，理论上可完全消除干扰。且由于感知忆阻Mm的初始阻值ROFF较大，当光纤中的光电流Ir变化较小时，ΔV的值也较大，从而具有较高的分辨率。

4 试验验证与仿真分析

为了验证忆阻桥放大电路的有效性，构建了结冰检测试验平台，以获得忆阻桥的电流输入信号，并对其进行仿真验证分析，仿真试验结构框图如图4所示。试验平台由半导体制冷器件(主要用于在其工作台面生成冰层)、激光探头(用于测量冰层厚度)以及具有同轴分布模式探头的双通道结冰传感器构成。依照上述试验平台，分别在-10 ℃和-20 ℃得到明冰和霜冰所对应的接收光纤光电流信号。

图4 结冰检测仿真试验平台Fig 4 Simulation experiment platform for icing detection

在-10 ℃试验环境下所结冰型为明冰，其外观几乎透明，因此,发射光纤中的光进入冰体后在冰层—空气界面发生反射，同时在冰体中发生散射。当冰层很薄时，(测量)接收光纤接收的信号主要为界面的反射光和光路扰动，此时进入忆阻桥型放大电路的电流Ir,Id数量级相等，M1,M4的阻值变化速度与M2,M3的阻值变化速度基本相同。随着冰厚的增长，散射光和反射光同时增强，两者之和在0.6 mm冰厚附近达到最大值，此时的光路扰动相对变小且基本保持不变，因此,M1,M4的阻值变化明显加快，而M2,M3的阻值变化速度基本保持不变。直至冰层增长到一定厚度时，进入接收光纤的光不再增加，从而使得M1,M4的阻值变化速度也基本保持不变，如图5(a)所示。与明冰相对应的感知忆阻Mm两端的电压变化情况如图5(c)所示。

当试验环境为-20 ℃时，所结冰型为霜冰，其外观较明冰混浊，进入到接收光纤中的信号以冰体中的散射光为主。(测量)接收光纤接收的信号主要为冰体中的散射光和光路扰动，且在冰层很薄时，后者在接收信号中占较大比例，随着冰层厚度的不断增长，冰体中的散射光越来越强，并在2.5 mm冰厚处达到饱和，较之明冰而言，由于反射光减少，使得忆阻M1,M4的阻值变化速度相对较缓慢，M2,M3的阻值变化情况基本与明冰一致，如图5(b)所示。与霜冰相对应的感知忆阻Mm两端的电压变化情况如图5(d)所示。

图5 试验验证与仿真分析Fig 5 Experimental verification and simulation analysis

由以上分析可知，不论所结冰层为明冰还是霜冰，忆阻桥型放大电路中忆阻M1,M4的阻值与冰层厚度呈近似线性关系，且通过感知忆阻Mm两端的电压变化情况，可进一步探测出结冰的种类。

5 结 论

通过分析光纤式结冰传感器的工作原理及特性，针对当前此类传感器设计中存在的双值甄别及实际安装空间狭小等问题，提出了一种采用新型电路元件—忆阻器与传统的光纤式结冰传感器相结合的方法，构建了忆阻桥型网络结构，以便在缩小安装尺寸和降低能耗的前提下提高测量的准确性。通过实验仿真，证明该双测量通道忆阻桥网络结构能够同时有效消除光路扰动和扩大结冰厚度的测量范围。

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Application of amplification effect in memristor-bridge for fiber-optic icing detection*

LI Wei,ZHANG Zhi-jun,CHENG Li

(College of Computer Science,South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074,China)

Considering the effectiveness of double optical path method for solving common-mode interference problems,a memristor-bridge structure is proposed,which has signification amplification effect with nanometer-grade area.Application principle of photocurrent in the photodiode is analyzed.The memristor-bridge detects the ice thickness by sensing voltage across the perception memristor.Simulation results show that the structure is capable to eliminate optical path disturbance and enlarge ice thickness measurement range.

memristor;bridge structure;double optical path;icing detection

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0154—03

2016—08—15

国家自然科学基金资助项目(61503418)；中南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CZY15008)

TM 93

A

1000—9787(2016)11—0154—03

李 薇(1982-)，女，湖北黄石人，博士，讲师，主要从事新型传感器、信号处理与数据融合研究工作。