一种新型变栅距闪耀光栅位移传感器测试系统*

张 兵， 郑普超， 张 超， 孟凡军

(西安飞行自动控制研究所,陕西 西安 710065)

0 引 言

光位移传感器是一种新型的位移测量器件，具有抗电磁干扰、防腐蚀、精度高、体积小、重量轻、传输容量大等特点，是未来光传飞控系统的研究热点之一[1，2]。变栅距光栅位移传感器是一种以波长为输出信号特征的光位移传感器，它利用变栅距光栅的带通滤波功能，通过测算输出光中心波长来解算位移[3]，西安飞行自动控制研究所对此类传感器进行了多年研究，研制出适用于多种行程范围的传感器样机，并进行了光源与信号解调方面的研究，探索出目前研制阶段的最优测试系统构架。

1 测试系统构成

变栅距光栅位移传感器测试系统的构成如图1所示，包括光源、传感器本体、信号解调单元及信号处理单元。光源发出宽带白光，传感器对其一般要求为：光谱覆盖带宽达到200 nm以上，光功率达到3 nW/nm以上，且光谱连续无突变[4]。传感器的核心元件为变栅距光栅，在光路准直状态下其对输入白光具有带通滤波功能，经变栅距光栅调制后输出带宽约为20 nm的窄带衍射光，其中心波长与位移呈近似线性关系。信号解调单元的任务是将传感器输出的窄带光进行解调，将其转换为计算机可以处理的电信号，以数字信号的形式传递给下一环节。信号处理单元对接收到的数字量进行计算,求出中心波长，进而得到位移信息。

早期研究中的传感器测试系统构成如图2所示，其存在以下缺点：1)光源方面，卤钨灯体积较大，功耗高，环境适应性差；2)传感器本体，前期研究中的传感器采用一般变栅距光栅和滑轨拖动反射镜的运动机构，存在光栅衍射效率低、光程长、光路损失大、运行机构刚度差的缺点；3)信号解调单元，光谱仪普遍存在体积与重量大、动态特性差、计算处理复杂、环境适应性差的缺点；4)信号处理单元，受限于光谱仪对硬件驱动和软件处理的要求，信号处理需由计算机来完成，满足实验室测试需求，但无法进行工程化应用。

图1 变栅距光栅位移传感器测试系统

图2 早期研究的变栅距光栅线位移传感器测试系统方案

针对以上问题，结合现有研究进展，探索出目前变栅距光栅位移传感器的最优测试系统，如图3所示，光源采用宽带LED，位移传感器使用变栅距闪耀光栅，并采用套筒式结构，以基于硅双结型色敏元件的色敏解调器作为信号解调单元，最后由数字信号处理器(DSP)完成数据处理。

图3 新型变栅距闪耀光栅线位移传感器测试系统方案

2 测试系统设计

2.1 光源设计

LED是未来光源发展的主要方向，具有小型化、高效率、长寿命等优势，但市场上现有的宽带LED红光波段光谱能量不足，从而限制了其在光位移传感器中的应用[5]。为了将LED光源应用于光位移传感器，在功率型1 W的LED光源封装过程中，采用一定比例的红色荧光粉掺入黄色荧光粉的方式，提升红光光谱能量，以满足光位移传感器在长波段工作范围的光源能量要求。其中，红色荧光粉为氮氧化物体系荧光粉，峰值波长为(650±1)nm，掺入量相对于总量为10 %～30 %。整个功率型LED采用倒装焊结构，具有较高的光效，工作电流为350 mA。LED封装后的样品规格见表1。

利用数字光谱仪对1#宽带LED样本和普通照明LED进行了对比测量，光谱测量范围为600～800nm。LED与光纤采用直接耦合方式，得到光谱能量分布如图4所示。

表1 宽带LED样品规格参数

图4 照明LED与宽带LED光谱对比

图4光谱分布表明:受红色荧光粉性能的影响，宽带LED光源较普通照明LED光源光谱红移效果明显。普通照明用LED光源在720 nm前光谱能量大于3 nW/nm，宽带LED光源可以延伸至780 nm以后，可以满足光位移传感器的测试要求。

2.2 传感器本体设计

与前期研制的传感器不同，新型传感器采用了变栅距闪耀光栅和套筒式传动机构，解决了光栅衍射效率低、光路损失大、调试困难等问题。变栅距闪耀光栅微观结构为锯齿形，其光栅反射面Q相对光栅平面P均保持相同倾角θk，该倾角称为闪耀角(如图5所示)。当光入射角和衍射角均为θ=θk时，在任意位置X均可保证入射光垂直射入反射面，获得最大零级光强，此时各相应波长λ的一级衍射光恰与零级衍射光同方向，因而可实现在全工作波段获得闪耀光强[6]。变栅距闪耀光栅的衍射效率可以达到60 %以上，是一般变栅距光栅的2倍，将其装入传感器可以提高光强利用率，降低传感器调试难度。

图5 变栅距闪耀光栅结构示意图

以变栅距闪耀光栅为核心元件，制成的传感器样机如图6所示，它采用了双耳式侧路设计，入射光从出光纤到光栅仅20 mm，保证了光路准直效果，减少了光路损失，并使得传感器光路调节简单，采用套筒式运行机构，使得传感器径向尺寸由原来的50 mm降为17 mm，同时增加了传感器刚度和可靠性。

图6 变栅距闪耀光栅线位移传感器样机

2.3 信号解调单元设计

色敏元件已成为一种较成熟的光波长探测器,基于该器件的波长测量系统具有响应频率高、成本低、使用方便和精度较高的特点,化工、医药、造纸、仪表仪器和环境保护等领域已经对其展开了研究，将其应用于光位移传感器，可以实现系统简化，解算高速[7]。

目前研究中用于波长检测的为硅双结型色敏元件，它利用入射光在硅中的吸收系数与波长的对应关系来探测入射光波长。图7为一种PNP型双结色敏元件结构图，它由一块硅片上2个深浅不同的PN结构成，浅结的PN结PD1，对蓝光的响应良好，对红光的响应很差；而深结的PN结PD2则相反，对红光响应良好，对蓝光响应很差。当400～1 100 nm范围内的单色光入射时，色敏元件的两路输出电流ISC1与ISC2的对应关系如图8所示。

图7 色敏元件结构与等效电路

图8 色敏元件输出特性

针对ISC1/ISC2在一定的波长范围内单调递减的特性,设计了一个信号处理线路，封装成色敏解调器，通过其信号处理可以得到一个解调电压值满足下式

通过对不同波长的入射光的解调电压进行测量，在一定的波长范围内可以得到解调电压与波长一一对应的递减曲线。图9为以单色仪作为输入光源，测得480～960 nm范围内的解调电压值，利用此对应关系对色敏解调器进行标定，测试中就能根据输出电压确定入射光的中心波长,进而求得位移。此外，本色敏解调器还加入了温度传感器，可以输出一个随温度线性变化的电压信号，用于下级处理器进行温度补偿。

图9 色敏元件的输出处理电压曲线

2.4 信号处理单元设计

信号处理单元的任务为将信号解调单元输出的色敏解调电压V1和温度响应电压V2经A/D转换后读入，依据提前存储的位移—解调电压对应数组进行线性插值，得到实时的位移信息，必要时进行温度补偿处理，并可以数字量和模拟量的形式输出。

针对设计要求，采用了AD7329+DSP的方式来实现本调理采集器的功能，如图10所示。两路电压信号经过信号调理模块进行信号调理，然后将之传递给AD7329芯片进行信号的采集和转换。AD7329通过SPI总线与DSP进行通信，并将其转换后的数字量传递给DSP进行进一步的信号处理。DSP将采集的信号进行软件滤波和线性插值后得到对应的光传感器位移值，并将其通过MAX3490传递到RS—422总线上。本方案的优点在于：1)AD7329精度高，能够满足系统精度要求； 2)前端信号处理简单、可靠；3)通道易于扩展。

图10 信号处理单元方案设计

3 系统测试结果

构建了由宽带LED、变栅距闪耀光栅位移传感器、色敏解调器及DSP处理器构成的位移测试系统，其中宽带LED与色敏解调器封装在一起，共用电源和输入输出模块，制成集成光源的波长信号解调器，测试系统实物如图11。

图11 变栅距闪耀光栅线位移传感器测试系统实物图

利用该系统进行了±32 mm范围的位移测试，以Newport公司的线位移台读数作为基准，得到测试系统的全程测试误差曲线如图12所示，最大测试误差为0.105 07 mm。利用斩波器对该系统进行了动态测试，结果证明:波长信号解调器经过1.5 ms即可输出稳定的响应电压，即响应频率可以达到600 Hz以上。

图12 测试系统全程测试误差曲线

4 结束语

构建了由宽带LED、变栅距闪耀光栅位移传感器、色敏解调器及DSP构成的位移测试系统，并进行了实验，测试结果符合一般传感器的测试精度要求，该系统具有以下优点：1)系统集成性好，体积小，重量轻；2)宽带LED功耗低，效率高；3)传感器光路简化，便于调试；4)信号解调速度快，动态特性好；5)利用DSP进行数据处理简便、快捷。总之，目前的变栅距光栅位移传感器已具备一定的工程应用性。

参考文献:

[1] 李 昆, 王少萍.光传操纵系统的发展趋势[J].北京航空航天大学, 2003, 29(12)：1068-1072.

[2] 李爱军, 闫建国, 王新民.光传飞控系统实现的关键技术[J].飞行力学,2004,22 (1)：6-9.

[3] Spillman Jr W B,La Clair R D.Wavelength encoding long stroke fiber optic linear position sensor for actuator control application-s[J].Fly-by-Light Technology Transfer,SPIE,1995,2467:187-194.

[4] 王东辉，刘 林，张 超，等.适用于色敏解调的光位移传感器宽带LED[J].光子学报，2013，42(3):311-314.

[5] 王宏志.功率型白光LED荧光粉的研究进展[J].材料导报, 2010,24(7):1-5.

[6] 李秉实,吴 忠.变栅距光栅衍射强度分布的一般公式及其应用[J].传感器世界, 2004(5):19-22.

[7] 季 峰，陈炳若.基于硅色敏器件的单色光波长测量系统的设计[J].半导体光电，2004，25(2):128-131.