FBG傳感器微弱信號預(yù)處理

摘要 針對光纖Bragg光柵(FBG)傳感器微弱信號，設(shè)計了一種具有電流電壓轉(zhuǎn)換，多級放大和濾波功能的低噪聲光電信號預(yù)處理電路。仿真實驗表明，該電路具有增益大、信嗓比大、靈敏度高等特點，滿足FBG傳感系統(tǒng)的要求，可實現(xiàn)nW級微弱光信號檢測。
關(guān)鍵詞 FBG傳感器；F—P可調(diào)諧濾波器；信號預(yù)處理

    FBG傳感器是目前光纖光柵傳感領(lǐng)域的研究熱點之一，在煤礦圍巖、橋粱建筑、航空航天、石油化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。光纖F-P可調(diào)諧濾波器(Fiber Fabry—Perot Tunable Filter，F(xiàn)FP-TF)解調(diào)方法具有靈敏度高、調(diào)諧范圍大等優(yōu)點，是對FBG傳感光信號進行解調(diào)的有效方法之一，可直接輸出FBG中心波長所對應(yīng)的光解調(diào)信號。
    輸出的光信號由于光纖的插入損耗、端面反射等原因，十分微弱，在nW數(shù)量級，還存在器件噪聲、電路噪聲、背景噪聲等于擾因素，因此微弱信號的預(yù)處理是FBG傳感系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題。針對此問題，文中設(shè)計了一種具有增益大、信噪比高、精度高、靈敏度好、抗干擾能力強的微弱信號預(yù)處理電路，實現(xiàn)了傳感器信號的放大與濾波。

1 電路基本原理
1．1 光電二極管的工作模式
    (Positive-Intrinsic-Nvgative，PIN)光電二極管組成的光電檢測電路，實際上是一個光一電流一電壓變換器。該檢測電路所用的關(guān)鍵器件是FC型光電二極管(PIN A-07-13)，它由PIN光電二極管和FC連接器通過透鏡耦合而成，正常響應(yīng)范圍為1 000～1 650 nm，光譜響應(yīng)度≥0．8A／W(1 550 nm)，線性范圍-40～+30dBm，暗電流≤10nA，插接偏差±0．1 dB。
    光電二極管的工作模式有光導(dǎo)模式和光伏模式，如圖1和圖2所示。

    在光導(dǎo)模式下，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但線性度較差。實際上，在反偏置條件下，即使無光照，也會有暗電流，并且由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。
    在光伏模式下，光電二極管處于零偏置狀態(tài)，沒有暗電流、噪聲小，光信號和光電流可成良好的線性關(guān)系。
由于FBG解調(diào)信號比較微弱，暗電流的影響會明顯，因此采用光伏模式，此時主要噪聲為分壓阻的熱噪聲。
1．2 前置放大器的噪聲分析
    當(dāng)PIN管工作在光伏模式下時，放大器噪聲模型如圖3所示。

    圖3中虛線框中的部分為光電二極管的等效電路，其中Rp為等效電阻；Cp為結(jié)電容。把放大器的所有噪聲源都折算到輸入端，則En為噪聲電壓源；In為噪聲電流源；Rs為信號源電阻；Et為信號源電阻的熱噪聲電壓；Zi為放大器的輸入電阻。一個信號源與放大器組成的系統(tǒng)噪聲源可歸結(jié)為3個，即En、In、Et，它們的共同作用效果用Eni來表示。
    當(dāng)信號頻率較低時，忽略光電二極管結(jié)電容的影響，則放大器的輸出端信號電壓為
   
    當(dāng)采用高精度、低噪聲的放大器時，其等效噪聲In一般為pA級。因此可忽略式(2)中的第2、4項，則放大器的輸入噪聲為
   
    由此可見，適當(dāng)增大Rs可以減少放大器的輸出噪聲，提高信噪比。

2 信號預(yù)處理電路的設(shè)計
    本檢測電路，主要包括4個部分：光電轉(zhuǎn)換、前置放大電路、濾波電路和主放大電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2．1 前置放大電路
    光電探測器前置放大電路的主要任務(wù)是放大PIN管所輸出的微弱電信號，要求具有高增益、低噪聲、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。設(shè)計選擇OPA227作為前置放大器，具有低噪聲()、高開環(huán)增益(160 dB)、低輸入偏置電流(10 nA Max)等特點，電路如圖5所示。

2．2 濾波電路
    根據(jù)Nyquist采樣定律的要求，采用截止頻率fc為70kHz的4階低通Butterworth濾波器。為減少運放對濾波電路的負載效應(yīng)，且便于調(diào)整，選用OPA2227。這是一個具有高精度、低噪聲的可操作運算放大器。濾波電路由兩個2階低通濾波電路級聯(lián)而成的4階低通Butterworth濾波電路組成，如圖6所示。

    設(shè)計過程中首先確定電容值C的大小，然后根據(jù)確定電阻R的大小，由于所需電阻阻值和常用電阻阻值存在偏差，可能導(dǎo)致截止頻率fc比額定值稍有升高。對濾波電路進行仿真，圖7為幅頻響應(yīng)波特圖，由圖可知，濾波器的截止頻率fc≈70 Hz，當(dāng)f>fc時，曲線以80dB／10倍頻程衰減。因此，在f=10 MHz時，它從直流增益8．2 dB下降了約170 dB。

2．3 主放大電路
    設(shè)計的前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用，輸出的電壓值為mV級，不能滿足采樣電壓要求，因此還需應(yīng)用主放大電路對其放大。放大器選用OPA376，具有低噪聲()、低補償電壓(5μV)、低輸入偏置電流(10 pA)等特點。主放大電路如8圖所示。

3 實驗及數(shù)據(jù)分析
    試驗中，光源采用深圳朗光科技的C波段(1 525～1 565 nm)寬帶光源(ASE—C型)，輸出光功率為13 dBm，光譜密度≥-4 dBm／nm(1528～1560 nm)，約為0．4 mW／nm；FBG傳感器(CB—FBG—GFRP—W01型)采用表面式應(yīng)變傳感器，反射光譜帶寬為0．2 nm，反射率≥90％，則反射光功率為
    0．4 mW／nm×0．2 nm×0．9=0．072 nW=72 nW        (5)
    而PIN管的光譜響應(yīng)度0．8 A／W，則光電流為
    72 nW×0．84 A／W=54．6 nA             (6)
    由此可見待檢測的光功率和光電流均較小，分別為nW級和nA級。則該檢測電路的理論輸出為
    VTO=57．6 nA×100 kΩ x2．575×(277．78+1)≈4．43 V      (7)
    通過Tektronix示波器對本光電檢測電路進行分析，Ch1通道為FBG光解調(diào)信號經(jīng)預(yù)處理電路轉(zhuǎn)換后的電壓波形，精細標(biāo)度為1 V，電壓峰值約為3．8 V；Ch2通道為FFP—TF的驅(qū)動電壓波形，為0～18 V的鋸齒波。電壓輸出波形如圖9所示。

    光信號在傳輸過程中，由于光纖的插入損耗、端面反射等原因，會出現(xiàn)實際峰值(3．8 V)比理論峰值(4．13 V)小的現(xiàn)象，但此電壓值能夠滿足FBG傳感系統(tǒng)的需要。

4 結(jié)束語
    文中針對FBG傳感器解調(diào)信號微弱特點，設(shè)計了光電檢測電路，實現(xiàn)了微弱解調(diào)光信號的提取、轉(zhuǎn)換與放大。該電路的前置放大部分與PIN管直接相連，再經(jīng)4階低通Butterworth濾波電路濾波，最后通過主放大電路進行放大。該檢測電路可將72 nW的光信號轉(zhuǎn)換成3．8 V的電壓信號，具有較高的信噪比，為后續(xù)的處理工作提供了穩(wěn)定可靠的信號。