基于風機葉片應力監(jiān)測的光纖光柵解調(diào)電路的研究與設計

孫智鵬 管迎春 何君 陳平 田勇

摘? 要：光纖光柵傳感器是傳感解調(diào)系統(tǒng)的主要感知器件，解調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅鞲袦y到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺糜谙到y(tǒng)后期對數(shù)據(jù)的處理與分析，以實現(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測功能。為解決解調(diào)系統(tǒng)速度低、價格高、通道少等問題，設計一種基于光纖光柵多通道的解調(diào)系統(tǒng)，利用SPI通信協(xié)議將STM32與FPGA建立主從機制，通過AD9226與CD4051相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了高速、高精度、多通道的光纖光柵信號解調(diào)。系統(tǒng)最終可以同時掃描16個通道，測量范圍為1528～1568 nm。

關鍵詞：光纖光柵；解調(diào)系統(tǒng)；FPGA；AD9226；CD4051

中圖分類號：TP23? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）08-0171-04

Abstract： Fiber Bragg Grating （FBG） sensor is the main sensing device of the sensor demodulation system. The demodulation system can convert the optical signal sensed by the sensor into an electrical signal for the later processing and analysis of data in the system to achieve the monitoring function of the demodulation system. In order to solve the problems of low speed， high price and small capacity of demodulation system， a multi-channel demodulation system based on FBG is designed. The master slave mechanism is established by using SPI communication protocol between STM32 and FPGA. Through the combination of AD9226 and CD4051， high-speed， high-precision and multi-channel FBG signal demodulation is realized. Finally， the system can scan 16 channels at the same time， and the measurement range is 1528～1568 nm.

Keywords： Fiber Bragg Grating; demodulation system; FPGA; AD9226; CD4051

0? 引? 言

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating， FBG）是業(yè)界公認的種類最多、商用化程度最高﹑應用領域最廣泛的一類光纖傳感技術[1]。波長傳感解調(diào)是光纖光柵解調(diào)的主要方式之一，當光纖光柵傳感器所處環(huán)境的待測量發(fā)生變化時，可以通過波長漂移的多少來判斷待測量變化的大小，與波長漂移量相對應的即反射譜中心波長位置的變化量[2]，因此準確、迅速地解調(diào)出光譜中心波長是實現(xiàn)光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)高精度測量的重要保障。近幾年，光纖光柵傳感解調(diào)技術發(fā)展迅速，應用領域更為廣泛，在選擇解調(diào)設備時，解調(diào)的精度與速度也有更嚴格的要求，但目前的解調(diào)產(chǎn)品在速度、價格、體積等方面無法兼顧，使得光纖光柵傳感技術動態(tài)測量領域的細微變化無法被速率低的解調(diào)設備監(jiān)測到，在一定程度上限制了光纖光柵的工程應用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，在復雜環(huán)境下物理量的變化也需被準確測量，而嵌入式的光纖傳感解調(diào)設備因便攜性好、系統(tǒng)性強、體積小等優(yōu)點被廣泛應用于航天設備[3]、橋梁監(jiān)測[4]、油氣管道[5]等復雜工程之中。葉片是風電機組重要組成部分，一旦損壞將導致停機，故對風機葉片狀態(tài)監(jiān)測十分必要[6]。

本文設計了一種基于風機葉片應力監(jiān)測的光纖光柵解調(diào)電路，采用STM32407作為主機，搭配高速FPGA芯片作為從機，12位精度、65 Msps采樣率的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9226作為A/D。能夠在風機葉片復雜的工作環(huán)境下完成數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)高速多通道的光纖光柵信號解調(diào)。

1? 總體設計方案

根據(jù)光纖光柵傳感器的解調(diào)原理，設計一款具有16通道的高速光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，如圖1所示，主要包括光路和電路兩個部分，共分為檢測模塊、光源模塊、通信模塊以及采集和處理模塊五個模塊。

1.1? 系統(tǒng)光路設計

光路部分包括光源模塊及檢測模塊，激光器發(fā)射出的特定范圍內(nèi)的激光束，在分束器的作用下，將激光束按多路進行重新分配后進入環(huán)形器的1端口，由2端口發(fā)射至光纖光柵傳感器，傳感器將特定波長的光譜進行反射，進入環(huán)形器2端口，最后由環(huán)形器3端口傳輸至光電探測器，從而完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)化過程。

1.2? 系統(tǒng)電路設計

電路部分包括信號采集模塊，信號處理模塊以及通信模塊，高速ADC與模擬開關組合可以實現(xiàn)多通道對信號采集，F(xiàn)PGA作為從機，將采集到的信號進行數(shù)字濾波，解調(diào)以及存儲后通過SPI與主機STM32進行數(shù)據(jù)通信，STM32再通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，板載多種通信接口，以保障不同應用場景的使用，同時通過溫度傳感器和角度傳感器對解調(diào)設備本身作狀態(tài)監(jiān)測。

1.3? 系統(tǒng)解調(diào)過程

各個部分的組成對整個系統(tǒng)的波長分辨率、系統(tǒng)簡潔性和可復用規(guī)模，以及對傳感器取樣速率都有著至關重要的影響[7]。在STM32主機中設定可調(diào)諧激光器的步進值、掃描頻率及激光波長輸出的范圍。在本系統(tǒng)中將循環(huán)輸出功率設置為20 mw，最小步進值設置為8 pm，根據(jù)可調(diào)諧激光器參數(shù)將波長范圍為1 527.605 nm至1 568.362 nm?？烧{(diào)諧激光器輸出兩路不同的信號，如圖2所示。同步信號在掃描周期開始的第一個波長輸出時，產(chǎn)生一個同步的上升沿，脈沖信號則在每一個波長輸出時都產(chǎn)生一個同步的上升沿。接收端在同步信號的上升沿到來時，開始計數(shù)，記錄脈沖信號的個數(shù)，即可通過步進值與起始波長位置得到反射譜的波長信息，根據(jù)光纖光柵傳感器的不同，反射譜的波長值也互不相同，反射的光譜經(jīng)光纖環(huán)形器返回至光電探測器。

使光纖光柵傳感器的信號得到實時解調(diào)效果，本系統(tǒng)通過STM32主機對可調(diào)諧激光器設置為連續(xù)采集模式。先將可調(diào)諧激光器進行初始化設置，對步進精度、采樣點數(shù)和觸發(fā)模式進行定值設置。系統(tǒng)的采集機制根據(jù)STM32主機內(nèi)部程序設置觸發(fā)，觸發(fā)信號為激光器輸出的同步信號。掃描激光器通過TTL或RS232與STM32主機進行連接，再設置輸出的步進精度與掃描頻率，同時返回初始化成功信息至STM32主機，開啟信號采集。當收到同步信號的上升沿時，采集系統(tǒng)對識別信號是否正常進行閾值判斷，同時對脈沖信號和光纖光柵傳感器反射的信號進行采集。通過STM32控制的通信模塊，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺，同時進行存儲連續(xù)監(jiān)測。

2? 關鍵電路設計

2.1? A/D數(shù)據(jù)采集模塊

為了保證模數(shù)信號的高速轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用ADI公司生產(chǎn)的AD9226芯片，該器件采樣速率高達65 Msps，具備12位的采樣精度，擁有尺寸小、功耗低、信噪比高等優(yōu)點，在信號處理、設備儀器等領域有廣泛應用[8]。AD9226芯片內(nèi)部，集成了具有高性能的采樣保持放大器與參考電壓源，多級差分的流水線架構(gòu)，能對輸出值進行誤差校正，保證在整個工作溫度范圍內(nèi)不存在失碼現(xiàn)象，AD9226芯片的輸入能夠與解調(diào)、超聲和通信系統(tǒng)實現(xiàn)輕松對接，運用自身差分輸入結(jié)構(gòu)，使其動態(tài)性能具有極大優(yōu)勢。AD9226芯片內(nèi)部可提供1 V或2 V兩種參考電壓源，本系統(tǒng)中采用2 V作為參考電壓。AD9226芯片電壓輸入范圍為1.0～3.0 V，由于系統(tǒng)外部電壓范圍達到-5～+5 V，因此，需要利用電壓反饋型的高速放大器AD8065芯片與常規(guī)運算放大器TL072芯片相結(jié)合的方式在AD9226的前端設計一個衰減電路。其輸入與輸出轉(zhuǎn)換式為：

其中Vin為輸入電壓值，Vout為輸出電壓值。A/D轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號，只需按式（1）反向運算即可得到輸入電壓的真實數(shù)值，多通道解調(diào)系統(tǒng)中單路A/D采集電路如圖3所示。

將SENSE引腳與模擬地相連形成低電平，此時芯片使用內(nèi)部參考電壓源，內(nèi)部參考電壓從VREFA輸出，大小為2 V，同時將此電壓提供給衰減電路。

為采集范圍更大的電壓數(shù)據(jù)，需要在AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路前加入一個電位移動與衰減電路。在該電路的作用下，能夠?qū)?5～+5 V的電壓轉(zhuǎn)換為1～3 V。輸入的VREFA參考電壓2 V，由AD9226的VREFA引腳提供，經(jīng)過電壓跟隨器U31.2和反向比例放大器U1.1得到NREFA=-2 V為定值，因AD8056組成電壓負反饋型放大器，如式（2）：

5 V時，VVREFA=3 V。這樣就使得輸入信號由-5～+5 V衰減到1～3 V滿足電壓需求。

2.2? CD4051模擬通道設計

本系統(tǒng)采用兩片CD4051芯片八選一模擬開關來實現(xiàn)16個通道的切換。CD4051模擬開關因?qū)ㄗ杩沟汀⒔刂孤╇娏鞯偷葍?yōu)點被廣泛應用與電子設計中，其相當于一個單刀八擲開關，由8個數(shù)字信號控制的通道[9]。最顯著的特點是，可以通過低幅值的數(shù)字信號來控制高峰值的模擬信號，在一個數(shù)字信號的幅值為0～5 V時，它所控制的模擬信號幅值范圍最高能達到20 V。如圖4所示，其具有1個INH輸入端及3個二進制輸入端，若一個3位的二進制信號選用模擬開關的通道時，只要經(jīng)過其中一個通道，就能將輸入端與輸出端相連接。

若INH輸入端為1時，各引腳均不接通，即通道進入截止狀態(tài)。在整個電源范圍內(nèi)，模擬開關電路的靜態(tài)功耗極低，只與自身所在電路相關，而與控制信號的邏輯狀態(tài)無關。通過A，B，C三個地址碼決定第幾路為接通狀態(tài)，由其電平狀態(tài)的組合情況如表1所示。

2.3? 防串擾電路

解調(diào)電路中同時包含數(shù)字地和模擬地，其實在本質(zhì)上都是地，但一方面模擬信號對地的要求比數(shù)字信號對地的要求高得多，另一方面數(shù)字信號和模擬信號會互相串擾，故兩種地需要進行區(qū)分。模擬地和數(shù)字地都是單點接地，同時需要進行連接，均流入大地使其0電位。若不相接則會產(chǎn)生壓差，逐漸匯聚電荷造成靜電，對電路造成不可逆裝損傷。地作為參考電位值為0，電路中的所有電壓均以地作為參考得出，地的標準值要統(tǒng)一，所以將各類地短接在一起。同時若把模擬地和數(shù)字地進行大面積的直接相連，則會導致信號的互相串擾，因此，在本系統(tǒng)設計電路板時，為了減少模擬電路和數(shù)字電路之間的干擾，使用了0歐電阻隔離模擬地和數(shù)字地如圖5所示。

3? 多路解調(diào)電路板

對電路板進行不加電調(diào)試，先用手觸碰周圍金屬物體，泄放掉靜電，防止因為人體帶的靜電對電路板產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損害，再用萬用表對電路板的元件及關鍵位置進行檢查，如電源輸入是否短路、管腳是否存在虛焊、電解電容是否焊反等[10]。確認無誤后，使用數(shù)字直流電源對電路板進行加電調(diào)試，在電路板設計的過程中，所有電源輸入端均加入了發(fā)光二極管指示電路，能夠直觀地顯示電源供電情況。解調(diào)電路板實物圖如圖6所示。

4? 應? 用

將解調(diào)電路板進行封裝，安裝至風機輪轂內(nèi)電氣控制箱處，如圖7所示，將八個光柵傳感器串聯(lián)呈一路鋪設在葉片內(nèi)表面。光柵傳感器與所設計解調(diào)系統(tǒng)進行連接后，可以從示波器中清楚觀察到反射譜波形顯示情況，如圖8所示。

5? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于風機葉片應力監(jiān)測的光纖光柵解調(diào)電路的設計，本設計結(jié)合STM32和FPGA的優(yōu)勢，能夠滿足風機發(fā)電機槳葉應力監(jiān)測需求。通過設計AD9226的外圍電路，ADC轉(zhuǎn)換電路的基礎上提供了其衰減電路，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍從-5～5 V衰減至1～3 V。通過將兩路八選一模擬開關與AD9226相結(jié)合，可以實現(xiàn)16個通道同時采樣，充分發(fā)揮FPGA并行控制能力，將多路數(shù)據(jù)進行實時采集，實現(xiàn)了對光纖光柵數(shù)據(jù)的高速處理。

參考文獻：

[1] 苑立波，童維軍，江山，等.我國光纖傳感技術發(fā)展路線圖 [J].光學學報，2022，42（1）：9-42.

[2] 韓超，胡賓鑫，朱峰，等.基于小波降噪的光纖布拉格光柵波長高精度解調(diào)算法 [J].激光與光電子學進展，2022，59（5）：132-138.

[3] 李昊業(yè)，張雯，宋言明，等.面向航天器微小碰撞的飛秒光纖光柵沖擊檢測系統(tǒng) [J].電子測量與儀器學報，2022，36（2）：153-159.

[4] 張鼎博，李俊，張維，等.光纖光柵傳感技術在異形結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用 [J].激光與光電子學進展，2022，59（5）：95-107.

[5] 姜濤.基于光纖應變傳感技術的管道健康監(jiān)測 [D].大連：大連理工大學，2019.

[6] 呂安強，魏倫.基于光纖傳感技術的風機葉片故障檢測技術研究進展 [J].高壓電器，2022，58（7）：83-92.

[7] 周慧棟，王東，王宇，等.掃描激光器型光纖光柵解調(diào)儀設計 [J].光學技術，2019，45（2）：153-158.

[8] 潘嵩，鞠振河，趙音.基于Cortex-M7的32位ARM高速ADC采集電路 [J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2022，18（1）：62-65+74.

[9] 陳煒煒，詹躍東.基于單片機的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng) [J].化工自動化及儀表，2019，46（3）：218-222.

[10] 張晨亮，蘇學軍，王成剛，等.基于AD9226的數(shù)據(jù)采集板設計與實現(xiàn) [J].實驗技術與管理，2017，34（S1）：63-65+69.

作者簡介：孫智鵬（1995—），男，漢族，山東平度人，碩士研究生在讀，研究方向：光纖傳感技術、電機與控制。