FBG传感器微弱信号预处理

摘要 针对光纤Bragg光栅(FBG)传感器微弱信号，设计了一种具有电流电压转换，多级放大和滤波功能的低噪声光电信号预处理电路。仿真实验表明，该电路具有增益大、信嗓比大、灵敏度高等特点，满足FBG传感系统的要求，可实现nW级微弱光信号检测。
关键词 FBG传感器；F—P可调谐滤波器；信号预处理

    FBG传感器是目前光纤光栅传感领域的研究热点之一，在煤矿围岩、桥粱建筑、航空航天、石油化学工业等领域有着良好的应用前景。光纤F-P可调谐滤波器(Fiber Fabry—Perot Tunable Filter，FFP-TF)解调方法具有灵敏度高、调谐范围大等优点，是对FBG传感光信号进行解调的有效方法之一，可直接输出FBG中心波长所对应的光解调信号。
    输出的光信号由于光纤的插入损耗、端面反射等原因，十分微弱，在nW数量级，还存在器件噪声、电路噪声、背景噪声等于扰因素，因此微弱信号的预处理是FBG传感系统的一个关键问题。针对此问题，文中设计了一种具有增益大、信噪比高、精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的微弱信号预处理电路，实现了传感器信号的放大与滤波。

1 电路基本原理
1．1 光电二极管的工作模式
    (Positive-Intrinsic-Nvgative，PIN)光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光一电流一电压变换器。该检测电路所用的关键器件是FC型光电二极管(PIN A-07-13)，它由PIN光电二极管和FC连接器通过透镜耦合而成，正常响应范围为1 000～1 650 nm，光谱响应度≥0．8A／W(1 550 nm)，线性范围-40～+30dBm，暗电流≤10nA，插接偏差±0．1 dB。
    光电二极管的工作模式有光导模式和光伏模式，如图1和图2所示。

    在光导模式下，光电二极管可实现较高的切换速度，但线性度较差。实际上，在反偏置条件下，即使无光照，也会有暗电流，并且由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
    在光伏模式下，光电二极管处于零偏置状态，没有暗电流、噪声小，光信号和光电流可成良好的线性关系。
由于FBG解调信号比较微弱，暗电流的影响会明显，因此采用光伏模式，此时主要噪声为分压阻的热噪声。
1．2 前置放大器的噪声分析
    当PIN管工作在光伏模式下时，放大器噪声模型如图3所示。

    图3中虚线框中的部分为光电二极管的等效电路，其中Rp为等效电阻；Cp为结电容。把放大器的所有噪声源都折算到输入端，则En为噪声电压源；In为噪声电流源；Rs为信号源电阻；Et为信号源电阻的热噪声电压；Zi为放大器的输入电阻。一个信号源与放大器组成的系统噪声源可归结为3个，即En、In、Et，它们的共同作用效果用Eni来表示。
    当信号频率较低时，忽略光电二极管结电容的影响，则放大器的输出端信号电压为
   
    当采用高精度、低噪声的放大器时，其等效噪声In一般为pA级。因此可忽略式(2)中的第2、4项，则放大器的输入噪声为
   
    由此可见，适当增大Rs可以减少放大器的输出噪声，提高信噪比。

2 信号预处理电路的设计
    本检测电路，主要包括4个部分：光电转换、前置放大电路、滤波电路和主放大电路，其结构框图如图4所示。

2．1 前置放大电路
    光电探测器前置放大电路的主要任务是放大PIN管所输出的微弱电信号，要求具有高增益、低噪声、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。设计选择OPA227作为前置放大器，具有低噪声()、高开环增益(160 dB)、低输入偏置电流(10 nA Max)等特点，电路如图5所示。

2．2 滤波电路
    根据Nyquist采样定律的要求，采用截止频率fc为70kHz的4阶低通Butterworth滤波器。为减少运放对滤波电路的负载效应，且便于调整，选用OPA2227。这是一个具有高精度、低噪声的可操作运算放大器。滤波电路由两个2阶低通滤波电路级联而成的4阶低通Butterworth滤波电路组成，如图6所示。

    设计过程中首先确定电容值C的大小，然后根据确定电阻R的大小，由于所需电阻阻值和常用电阻阻值存在偏差，可能导致截止频率fc比额定值稍有升高。对滤波电路进行仿真，图7为幅频响应波特图，由图可知，滤波器的截止频率fc≈70 Hz，当f>fc时，曲线以80dB／10倍频程衰减。因此，在f=10 MHz时，它从直流增益8．2 dB下降了约170 dB。

2．3 主放大电路
    设计的前置放大电路主要起到电流转电压的作用，输出的电压值为mV级，不能满足采样电压要求，因此还需应用主放大电路对其放大。放大器选用OPA376，具有低噪声()、低补偿电压(5μV)、低输入偏置电流(10 pA)等特点。主放大电路如8图所示。

3 实验及数据分析
    试验中，光源采用深圳朗光科技的C波段(1 525～1 565 nm)宽带光源(ASE—C型)，输出光功率为13 dBm，光谱密度≥-4 dBm／nm(1528～1560 nm)，约为0．4 mW／nm；FBG传感器(CB—FBG—GFRP—W01型)采用表面式应变传感器，反射光谱带宽为0．2 nm，反射率≥90％，则反射光功率为
    0．4 mW／nm×0．2 nm×0．9=0．072 nW=72 nW        (5)
    而PIN管的光谱响应度0．8 A／W，则光电流为
    72 nW×0．84 A／W=54．6 nA             (6)
    由此可见待检测的光功率和光电流均较小，分别为nW级和nA级。则该检测电路的理论输出为
    VTO=57．6 nA×100 kΩ x2．575×(277．78+1)≈4．43 V      (7)
    通过Tektronix示波器对本光电检测电路进行分析，Ch1通道为FBG光解调信号经预处理电路转换后的电压波形，精细标度为1 V，电压峰值约为3．8 V；Ch2通道为FFP—TF的驱动电压波形，为0～18 V的锯齿波。电压输出波形如图9所示。

    光信号在传输过程中，由于光纤的插入损耗、端面反射等原因，会出现实际峰值(3．8 V)比理论峰值(4．13 V)小的现象，但此电压值能够满足FBG传感系统的需要。

4 结束语
    文中针对FBG传感器解调信号微弱特点，设计了光电检测电路，实现了微弱解调光信号的提取、转换与放大。该电路的前置放大部分与PIN管直接相连，再经4阶低通Butterworth滤波电路滤波，最后通过主放大电路进行放大。该检测电路可将72 nW的光信号转换成3．8 V的电压信号，具有较高的信噪比，为后续的处理工作提供了稳定可靠的信号。