基于DWDM技术的光纤光栅压力测试仪的研究

杨 洋，杨 洋，刘 兵，王宗和，郑 昊，张思睿

(1.河北省仪器仪表工程技术研究中心,河北承德 067000;2.承德石油高等专科学校,河北承德 067000)

0 引言

压力测量仪表是工业控制类仪表中应用最为广泛的一类仪表，而光纤类压力传感特性对于防爆等级要求很高的石油、石化等应用技术领域具有特殊的价值[1]。多年来国内多数研究内容主要是针对波长解调方法、传感器结构设计、灵敏度提升等方面开展工作的，没有看到光纤光栅压力测试仪整体研制开发的相关报道[2-5],。本文采用光纤光栅(FBG)压力传感器与密集型波分复用器(DWDM)解调技术相结合，并与微光探测技术、光电开关技术进行有效集成，同时借助自行开发的信号处理软件，研制了一种完整的全光纤压力测试仪。研发过程中相关研发内容涉及光学、电子学、测量学等多个领域，为了完成这一课题必须克服光纤光栅的微光放大、解调系统测量精度偏低等一系列技术问题。课题组在此之前已经做了大量的工作，特别是围绕传感器的研制做了大量论证工作，并且取得一些成效[7-10]，为这一新型光纤光栅压力测试仪的研制与开发奠定了重要基础。

1 测试系统介绍

光纤光栅压力测试仪的整个系统包括：光纤光栅传感器、密集型波分复用器(DWDM)、光开关、ASE宽带光源、光电探测系统、数据处理系统等部分。测试仪系统结构如图1所示。

图1 光纤光栅压力测试仪结构图

其中：光开关的作用是将从DWDM输出的8路光信号进行分时读取。而光电探测系统中光电探测器模块的作用是将光信号转变为电信号，并将其进行放大。

2 传感器结构与原理

光纤光栅压力传感器是独立研发的，这一传感器是将光纤光栅附着在一个悬臂梁上，并将悬臂梁与波登管结合在一起的压力传感器[9]。压力传感器结构示意图如图2所示。

图2 光纤光栅波登管压力传感器结构示意图

按照文献[8]中有关光纤光栅悬臂梁技术原理可知,在传感器受到压力作用时，光纤光栅反射波长会发生改变，其相对改变量为

(1)

式中k为一个仅与悬臂梁结构及光纤光栅特性有关的常量，被称为压力敏感系数。

根据上述原可知，利用这一传感器通过测量光纤光栅中心反射波长的移动量就可以达到测量气体或液体的压力变化的目的。

3 解调技术方案的实施

系统解调部分应用我们在此之前开发的8信道密集型波分复用器(DWDM)。其解调原理如下：由于FBG反射光谱是一个谱宽度一般在0.3～0.5 nm的窄带光谱，当DWDM某一个信道端口的波长值与这一窄带光谱的中心波长一致时，这个信道端口上就会出现最大的光功率输出，这就是说DWDM对FBG反射的窄带光谱的中心波长相当于一个波长选择性探测器；但由于我们选用的DWDM两个相邻信道宽度只有0.4 nm ，因此光纤光栅反射光谱在整个DWDM的8个信道上就会出现图3给出的结果：当某一信道出现最大强度时，相邻信道端口会出现次最大和再次最大的强度分布。因此借助DWDM各个信道强度分布可以得到各个信道中强度包络曲线。当压力发生改变的情况下，FBG反射光谱中心波长会随之产生改变，即移动到新的位置，这一情况将促使DWDM中各个信道强度发生重新分布，此时FBG反射窄带光谱的中心与所形成的新的包络曲线中心是一致的。因此如果借助DWDM各信道中出现的反射光谱所展现的中心位置，并能通过适当的寻峰算法寻找到强度包络曲线的峰值位置，从而达到获得反射光谱中心波长的最终目的[8]。

图3 反射信号在不同信道上强度分布包络图

4 信号采集与放大

信号采集与放大是通过光电探测系统实现的，由光开关、光电探测放大器、信号采集控制器等部分构成，如图4所示。

图4 光电探测放大器功能框图

本测试系统中引入了光开关，其作用是将从DWDM输出的8路信号分时读取并传送给光电探测放大器。我们采用FSW-1×8机械式光开关，参数为工作波长1 550 nm，光纤类型为单模，插入损耗≤1 dB，光功率≤500 mW，转换时间≤8 ms。

本系统所选用的InGaAs-APD光电探测放大器模块。其内部所采用的升压模块输出的高压经过滤波处理后纹波极小，能够符合雪崩光电探测器对偏压的要求，该模块的另个一特点就是内置有负电压发生电路，从而使该模块中正负电压供电可以完全满足放大芯片所需求，放大电路的设计理念采用可以满足测量微弱小信号要求的高放大倍数设计，放大倍数高达105。输出信号通过SMA接口输出，同时为了应用方便，模块配有SMA转BNC射频线。

本系统所用信号采集控制器主要由STC89C52单片机、PCF8591 A/D转换器、电源等构成。其功能为：依据FSW-1×8光开关的要求，按分时复用的规则将8路光信号合并成1路光信号；将分时复用后的光功率信号放大，并完成同步数据采集；经单片机处理，完成同步采集后的数据传输。

信号采集器的具体控制方法为：

(1)向FSW-1×8光开关发送控制信号，选定所需光路；

(2)等待光路、电路信号稳定后，控制PCF8591 A/D转换器进行模数转换，经滤波后暂时保存数据；

(3)重复(1)、(2)完成8路数据的同步采集；

(4)将采集数据构成数据帧经串口传送给数据处理与显示模块，完成一次测量。

5 数据处理与显示

数据处理软件部分采用C++语言编写而成，软件的主要功能是接收自串口传来的数据，并采用高斯多项式拟合寻峰算法对其进行处理，并获得从FBG反射回来的光谱的中心波长，最终可实现对波长的压力解调。

有关寻峰原理如下：LOBOAB等人在1997年的研究表明，FBG的反射光谱可以近似用高斯分布来描述[11]。按照上述假设，设定FBG的反射谱可以用高斯函数近似表示：

R(λ，λ0)=R0exp[-α(λ-λ0)2]

(2)

式中：R0为峰值反射率；α为FBG常数，α=4ln(2/h2)；h为FBG半宽度；λ0为FBG中心波长，也就是图3中主峰的横坐标位置。

对式(2)两边取对数后有：

y=lnR

(3)

并定义：

a=-4ln(2/h2)

b=8ln(2λ0/h2)

c=lnR0-4ln2(λ0/h)2

则式(3)可简化为

y=aλ2+bλ+c

(4)

再利用多项式拟合法，得到

(5)

显然，通过对数变换，原来的对数分布变成了一个二次多项式的抛物线方程，而我们所要寻求的FBG反射光谱中心波长值就是这个抛物线方程的极值位置。

基于此，数据处理系统软件部分实现压力测量过程大致分为2步：第一步得到标校曲线的线性关系式。实验中首先按一定规律在0～6 MPa范围内选取几个标准压力值，每个压力值下，数据处理系统软件接收自信号采集控制器传来的数据，并将接收数据以参数形式传入软件中所实现的高斯多项式拟合寻峰算法中对其进行处理,得到该压力值下相应的中心波长值，然后，以所取压力值为横坐标，以各个压力值下的中心波长为纵坐标，利用寻峰算法得到压力与波长关系标校曲线对应的函数关系式；第二步实现压力值的解调。首先在0～6 MPa压力范围内任意选取几个测试点，然后将测试点带入到第一步中所得标校曲线方程中，算得压力的测量值，并通过数据处理系统软件将测量结果显示出来，在此基础上将软件测试结果与压力测试台上标准表得到的压力值做比对，从而得到测量结果的引用误差。数据处理软件运行效果如图5所示。

图5 数据处理软件运行效果

6 实验测试过程

由宽带光源(ASE)发出的光经FBG反射后进入DWDM的输入端口，不同强度的光功率输出会出现在DWDM的8个输出信道上，在DWDM的8个输出端上利用1×8光开关进行分时扫描，再经过InGaAs-APD光电探测器模块将8个通道采集到的光信号进行放大并将其转化为电信号。当标准压力表中的压力从0～6 MPa过程中,传感器上FBG反射回的中心波长也发生改变，通过自动控制系统使光开关扫描DWDM的8个通道，光电探测系统便可以获得某一压力下所对应8个通道的光功率输出值，并将其转化为易于处理的电信号(电压值)；最后通过数据处理系统将所得到的测试数据进行数据分析，借助自主开发的软件并通过寻峰算法和显示系统可获得FBG反射中心波长和所对应的压力值。

在完成压力测试过程中，首先要做的是对压力传感器进行标校。表1给出了标校过程中实验结果。

表1 实验数据表(标校曲线)

利用表1的实验数据可以得到波长随压力变化的关系曲线，如图6所示。

图6 传感器的压力与波长变化关系曲线

并得出波长y与压力x的拟合函数表达式为

y=-0.281 1x+1 552.077 1

(6)

按照上述实验测试数据，在0～6 MPa范围内波长移动值为1.682 nm，按照定义可以得到波长调谐灵敏度为0.28 nm/MPa。

利用上述所得到的拟合曲线关系，便可以获得在0～6 MPa范围内任意点的压力测试值，同时通过与标准表的值做比对，便可得到该光纤光栅压力测试仪的引用误差，见表2。

表2 压力测试实验数据表

从实验结果可以看出，整个测试范围内最大引用误差为1%。

7 结论

与传统波长解调方法相比，以密集型波分复用器作为光纤光栅压力传感器中的解调工具，并利用光开关分时扫描输出端，再经过光探测器模块将光信号进行放大并转化为电信号，从而形成了一种结构简洁、成本低廉、可靠性高的新型波长解调方法，在实现波长解调的基础上，借助自行开发的信号处理软件，完成数据处理和压力显示，从而形成一台新型光纤光栅压力测试仪。压力测试仪的传感器波长调谐灵敏度为0.28 nm/MPa，引用误差为1%。这类仪表目前在我国国内市场还是空白，它的开发成功对于我国一些对安全防爆有极高等级要求的行业具有重要意义。