壓電陶瓷型光柵解調儀雙邊沿解調修正方法

張 俊

(湖北省交通運輸廳武黃高速公路管理處,武漢 430205)

壓電陶瓷型光柵解調儀雙邊沿解調修正方法

張 俊

(湖北省交通運輸廳武黃高速公路管理處,武漢 430205)

為了提高光纖光柵解調儀表的速度與精度,提出了一種雙邊沿解調及非線性修正方法對PZT(壓電陶瓷)的遲滯效應進行補償。通過對PZT兩端電壓的上升、下降沿同時采集數據并進行交叉解調的方式,在提高解調速度的同時有效地消除了遲滯效應。利用1個10探測點的C波段光柵對該修正方法進行檢驗,修正效果較為理想,各波長的解調誤差小于±5 pm。

壓電陶瓷;遲滯效應;雙邊沿;非線性修正

0 引 言

可調諧波長濾波器是光纖光柵解調儀表中的核心器件,其種類繁多,包括電流調諧型、電壓調諧型和PZT(壓電陶瓷)型等[1]。其中PZT型由于具有響應速度快、不發熱和推力大等諸多優點[2],其與法布里―珀羅結構相結合,通過PZT改變兩個反射鏡之間的距離能實現可變的波長輸出[3-4]。以該類型可調諧波長濾波器為核心的光纖光柵解調儀表被稱為PZT型光纖光柵解調儀,它在光纖傳感領域的應用頗為廣泛,可以用于溫度、震動和應力等環境變量的測量[5-6]。但由于PZT的“電壓―位移”曲線為遲滯非線性[7],遲滯效應引入的非線性失真影響了儀表的解調精度,嚴重地限制了PZT型光纖光柵解調儀表的發展。

目前針對PZT遲滯效應的非線性修正的研究較多,并且絕大多數都是對PZT的非線性軌跡進行建模,比如長春光學精密機械與物理研究所提出了一種Duhem模型,通過逆補償與增量PID(比例積分微分控制)復合控制,實現對PZT系統的遲滯非線性誤差校正[7-8];中國科學院光電技術研究所對前人提出的經典PI(π)模型進行了修正,以適用于自身的PZT器件[9-10],但不同的PZT,其軌跡模型一定存在差異,即使再完美的模型也無法適用于所有的PZT。為提高PZT型光纖光柵解調儀的性能,本文提出了一種雙邊沿解調及非線性修正方法,能夠通過反饋的方式實時地修正PZT的遲滯效應,該方法適用于任何類型的PZT,并能達到較好的修正效果。

1 系統原理

PZT型光纖光柵解調儀一般采用對稱三角波對PZT進行驅動,但PZT在三角波上升沿和下降沿期間的位移并不一致,其電壓―位移曲線如圖1所示。

圖1 PZT的電壓─位移曲線

PZT型光纖光柵解調儀基本原理如圖2所示。

圖2 PZT型光纖光柵解調儀表的基本原理

寬帶光源發出的光信號經PZT型可調諧波長濾波器后被調制成掃頻光,經一個分路器后同時通過待測光柵和2 nm波長間隔的標準光學柵格生成器,最后被數據采集卡采集,通過對比分路后的波形即可解出待測光柵的實時波長。圖1中PZT的遲滯效應會導致經過2 nm標準波長間隔光學柵格生成器后的波形失真,造成各波長之間間隔不等,嚴重影響了待測光柵的解調結果,其波形圖如圖3所示,圖中矩形框區域內可輕易地判斷出間隔不等即失真,若不采取任何修正方法,則會嚴重影響解調精度,造成較大誤差甚至錯誤的結果。

圖3 經過2 nm波長間隔的標準光學柵格生成器后的波形

2 修正方法

本文所提出的雙邊沿解調修正方法的具體流程如圖4所示。

圖4中待測與標準波長分別為通過待測光柵后的波形和通過2 nm波長間隔的標準光學柵格生成器后的波形。2 nm波長間隔的標準光學柵格生成器為無源器件,其額定波長值為已知,令其為絕對參考值Ds;令上升沿采集到的標準波長數組為Du-s(上升沿的相對參考值),待測波長數組為Du-m;下降沿采集到的標準波長數組為Dd-s(下降沿的相對參考值),待測波長數組為Dd-m。

首先假設不存在遲滯效應,上升沿的標準光譜數組Du-s與絕對參考值Ds完全一致,即Du-s=Ds。將下降沿的標準光譜與上升沿的標準光譜進行對比,由于Du-s=Ds,即每個波長均為已知且兩波長之間間距為2 nm,根據線性插值的方法可以計算出下降沿的標準光譜數組Dd-s。若不存在任何遲滯效應,則下降沿的標準光譜數組Dd-s與絕對參考值Ds應完全一致,但由于遲滯效應的存在,Dd-s≠Ds;將Dd-s與Ds進行逐峰作差可獲得上升沿修正數組Du-c,最后再使用Du-c對上升沿的標準光譜數組Du-s進行修正,即可完全消除遲滯效應的影響,其中Du-c、Du-s和Ds應滿足:

圖4 雙邊沿解調修正流程圖

由于該修正過程是利用下降沿的標準光譜來修正上升沿的標準波長參考值,因此稱其為雙邊沿修正。上升沿標準光譜的相對參考值Du-s會根據式(1)和式(2)實時進行修正,最后使用線性插值法對下降沿的待測光譜Dd-m進行解調。此時根據Du-s計算出的Dd-s與絕對參考Ds一致,因此根據Du-s計算出的Dd-m為絕對準確的波長。這種用上升沿標準光譜對下降沿待測光譜進行解調的方法稱之為雙邊沿解調。

同理可利用上升沿的標準光譜來修正下降沿的標準波長參考值,最后利用修正后的下降沿標準波長參考值Dd-s對上升沿的待測光譜Du-m進行解調。該方法不僅消除了遲滯效應帶來的非線性失真,使解調結果更加精確,而且將解調速度提升到單邊沿方式的兩倍。

圖5所示為雙邊沿修正法示意圖。

圖5 雙邊沿解調修正法示意圖

3 修正結果

為對雙邊沿交叉解調及修正方法的實際效果進行檢驗,以該方法為基礎對一已知波長的10個O波段光柵進行測量,其實際波長值與解調波長值的對比如表1所示。

表1 10點光柵的實際波長值與解調波長值

由表1可知,解調誤差為―5～+4 pm,已達到儀表本身的測量誤差(長時間波長穩定性在±5 pm以內)。該實驗結果表明,雙邊沿解調及修正方法的效果良好,基本消除了PZT遲滯效應帶來的誤差。

4 結束語

近年來,光纖傳感行業的發展十分迅猛,在火災報警、周界安防、應力監測和聲波測量等領域都有著廣泛的應用。PZT型光纖光柵解調儀表具有響應速度快、波長分辨率高和成本低等優勢,有著廣闊的發展前景。但PZT的遲滯效應是這一技術推廣和應用的主要難點。本文提出了一種雙邊沿解調修正方法對遲滯效應進行修正,利用上升沿和下降沿的交叉解調修正,有效消除了遲滯效應給解調帶來的影響,并且適用于所有類型的PZT個體,使該類型光纖光柵解調儀表可達到更高的精度從而拓展高端的應用市場。

[1]姚文娟.基于光纖布拉格光柵的流量傳感器研究[D].大連:大連理工大學,2012.

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[3]Bao P,Yuan M,Dong S,et al.Fiber Bragg grating sensor fatigue crack real-time monitoring based on spectrum cross-correlation analysis[J].Journal of Sound &Vibration,2013,332(1):43―57.

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[7]孫孔政,徐抒巖.PZT系統遲滯非線性建模與控制的研究[D].長春:中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所),2013.

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A Double-Edge Demodulation and Correction Method of the PZT Type Grating Demodulation Instrument

Zhang Jun
(Wuhuang Expressway Management Office,Department of Transportation of Hubei Province,Wuhan 430205,China)

In order to improve the demodulating speed and precision of the instrument,this paper propose a double-edge demodulation and nonlinear correction method to modifythe hysteresis effectof the piezoelectric ceramic.The demodulating speed and accuracy of the instrument has been improved by a cross-demodulation method using the data at rising edge and failing edge of triangle voltage at the same time.The effectiveness of thenonlinear correction method has been verified using a C band grating with 10 detection points.It is found that the wavelength demodulation error is less than±5 pm.

PZT;hysteresis effect;double-edge;nonlinear correction

TN247

A

1005-8788(2016)06-0053-03

10.13756/j.gtxyj.2016.06.015

2016-07-25

張俊(1979―),女,湖北荊門人。高級工程師,主要從事智能交通關鍵技術、設備的研究與工程應用。