【正文】 對多種物理量具有優(yōu)良的傳感性能；可通過陣列式或分布式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大規(guī)模、長距離傳感等等 ， 具有傳統(tǒng)的電傳感器無法比擬的優(yōu)越性 [4,5,6,7,8,9,10]。 因此， 光纖傳感技術(shù)的 發(fā)展空間相當(dāng)廣闊，其應(yīng)用范圍已經(jīng) 滲透至國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，在溫度、壓力、振動、電流、電壓、磁場等眾多物理量的測量方面都有廣泛的實驗研究 [6,7,8,9,10]。光纖傳感技術(shù)已 成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。 隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，傳感系統(tǒng)化、智能化的要求賦予了光纖傳感技術(shù)新的內(nèi)容。 對于智能化的光纖傳感系統(tǒng)，需要增加信號處理模塊 ， 將光纖傳感器獲取信息的功能與專用處理器的信息分析、處理、報警等功能相結(jié)合 [11,12,13]，針對特定的應(yīng)用目的，實現(xiàn)目標(biāo)信號的進(jìn)一步提取，從而推動了光纖傳 感與計算機技術(shù)、信號處理、模式識別等領(lǐng)域的融合 [14]。 目前在智能化的光纖 傳感系統(tǒng) 中 ， 通常 使用單片機、 DSP 芯片以及虛擬儀器等方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、控制與信號處理；通過多層次的計算功能，實現(xiàn)各種智能化功能。使傳感由傳統(tǒng)的僅僅進(jìn)行信號形式轉(zhuǎn)換的單個或多 個敏感元件擴展為集信號獲取、存儲、傳輸、處理于一體的多功能系統(tǒng) [3]。 作為光纖傳感系統(tǒng)中關(guān)鍵的光學(xué)元件之一的光源，與光纖傳感技術(shù)的發(fā)展是并肩前進(jìn)的。目前越來越多體積小、重量輕、功耗小、容易與光纖耦合的光源被廣泛地應(yīng)用 于光纖傳感系統(tǒng) ，在實際中主要應(yīng)用的光源有表面光發(fā)射二極管（ LED）、激光二極管（ LD）、超輻射二極管（ SLD）、 超熒光光源（ SFS）和分布反饋式激光器 (DFB） [15]。光源的穩(wěn)定度直接影響著光纖傳感器的準(zhǔn)確度，尤其是在采用激光器作為光源的光纖傳感系統(tǒng)中，激光器的強度和波長穩(wěn)定性對激光器的工作溫度是非常敏感的。為了保證激光器波長的清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 49 頁 穩(wěn)定性，通常采用激光控制器對激光器的工作溫度進(jìn)行反饋控制。另外，在光纖傳感中，需要對激光器的工作電流進(jìn)行控制，保證激光器輸出功率的穩(wěn)定性。目前，已經(jīng)有一些商業(yè)化的激光控制器被應(yīng)用到光纖傳感中。 隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感和虛擬儀器的聯(lián)系越來越緊密。 在對激光器穩(wěn)定性要求較高的場合，采用模擬控制方式的純硬件電路難以滿足要求 ，建立 基于微型計算機的數(shù)字化控制 方式應(yīng)運而生，該方式 能夠更有效地解決激光器工作的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問題 [16]。 在光纖傳感系統(tǒng)中，可以借助于 計算機讀取和控制激光器的波長，同時通過利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、 分析、處理以及顯示等。因此，建立基于虛擬儀器技術(shù)的激光控制器在實際 應(yīng)用中是非常有意義的。 國內(nèi)外發(fā)展概況 光纖傳感技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況 20 世紀(jì) 60年代，激光的出現(xiàn)使基于光屬性的檢測技術(shù)獲得了飛速發(fā)展 [17]。 20 世紀(jì)80 年代，光纖的出現(xiàn)使得光纖傳感器顯示出了廣闊的應(yīng)用前景 [18]。 20 世紀(jì) 90 年代后期，在光通信技術(shù)的帶動下光纖傳感器呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展并形成了五大應(yīng)用領(lǐng)域 [19]。 隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對光纖傳感系統(tǒng)實用化的開發(fā)成為整個領(lǐng)域發(fā)展的熱點和關(guān)鍵 [20]。當(dāng)前，世界上光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為兩大方向：光纖傳感技術(shù)的研究及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)研究。 光纖傳感具有抗電磁干擾、靈敏度高、安全可靠、耐腐蝕、可進(jìn)行分布式測量、便于組網(wǎng)等諸多優(yōu) 點，成為近年來國際上發(fā)展最快的高科技應(yīng)用技術(shù)。光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)逐步從軍事領(lǐng)域發(fā) 展 到了電力 、石油、石化、交通和建筑等各個工業(yè)領(lǐng)域，在公共安全、國防、工農(nóng)業(yè) 安全生產(chǎn)、環(huán)保等重大安全監(jiān)測領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。 由于光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性及其廣闊的市場，其研究和開發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視，各國家競相研究開發(fā)并引起激烈的競爭。 目前，光纖傳感器已占據(jù)傳感技術(shù)領(lǐng)域 30％以上的產(chǎn)業(yè)份額 ，并將繼續(xù)擴大。許多 發(fā)達(dá)國家如美國、德國、日本等均把光纖傳感技術(shù)列為國家關(guān)鍵技術(shù)之一加以重點支持，西方國家還利用“巴統(tǒng)”來限制我國在該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。由于受到國內(nèi)整體水平 和 投資力度的限制，我國光纖傳感的整體發(fā)展水平比國際先進(jìn)水平相對落后 [21]。 我國雖然早己于 20 世紀(jì) 70 年代末期開始了光纖傳感技術(shù)的研究工作，但是由于受到制造工藝、器件和配套電子技術(shù)的制約，尚未進(jìn)入大規(guī)模工程應(yīng)用階段。直到最近十清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 49 頁 年，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝逐漸走向成熟，相關(guān)器件和配套技術(shù)也在漸漸地不斷完善，同時國內(nèi)巨大市場對光纖傳感器的需求日益增長，推動著 我國光纖傳感技術(shù)也將開始逐步進(jìn)入實際工程應(yīng)用階段 [19]。 為此 光纖傳感技術(shù)取得了長足進(jìn)步。在地質(zhì)土木[22]、石化工業(yè) [23]、電力工業(yè) [24]、氣液檢測 [25]、醫(yī)藥及食品安全 [26,27]、識別防偽 [28]以及測試測量 [29]等眾多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。 近期的光纖傳感技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化特點是以成熟的光纖通信技術(shù)向光纖傳感技術(shù)轉(zhuǎn)化為重點 [30]。 目前，國內(nèi)外的光纖傳感領(lǐng)域存在“三多一少”，即 ： 實驗報告多 、 論文多 、 研究成果多，但工業(yè)化，經(jīng)市場考驗不被淘汰的光纖傳感項目少。雖然光纖傳感器能滿足工業(yè)現(xiàn)場對傳感器高精度、安全、高可靠的要求，但因制作十分精密，在惡劣場合下長期使用有一定的技術(shù)難度。至今國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工程化的光纖傳感產(chǎn)品 [20]。 智能化光纖傳感國內(nèi)外發(fā)展概況 智能化是現(xiàn)代傳感技術(shù)的一個重要特征。所謂智能，是指將先驗知識 (調(diào)試或應(yīng)用之前已知 )與自適應(yīng)學(xué)習(xí) (在調(diào)試或應(yīng)用過程中獲得 )組合起來的能力。智能化使得傳感由傳統(tǒng)的僅僅進(jìn)行信號形式轉(zhuǎn)換的單個或多 個敏感元件擴展為集信號獲取、存儲、傳輸、處理于一體的多功能系統(tǒng) [31]。目前光纖傳感的智能化主要體現(xiàn)在光纖傳感與通信技術(shù)及計算機技術(shù)的融合。 智能化光纖傳感系統(tǒng)在許多嶄新領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，如智能材料 [32]、環(huán)境感知 [33]、聲發(fā)射檢測 [34]、石油測井 [35]等。光纖智能結(jié)構(gòu)的研究最初受美國國家航空航天局 (NASA)支持，主要應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)的動態(tài)監(jiān)測、通信及控制。之后，美國其他各軍事部門以及加拿大、英國、法國、德國、意大利、日本等國都對光纖智能結(jié)構(gòu)傾注了極大熱情。基于光纖傳感的智能材料可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境變 化的自判斷性、自適應(yīng)性、自診斷性、自修復(fù)性等諸多性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、安防、體育、醫(yī)療及土木工程等眾多方面 [32]。智能光纖傳感系統(tǒng)在石油測井方面也有廣泛的研究應(yīng)用 ， 通過井下多參量傳感和地面信號集中處理，可以實現(xiàn)流量、溫度、壓力、密度、自然伽馬、井下地震等多種參量的監(jiān)控，并通過光纖井下視像檢測技術(shù)重現(xiàn)井筒真實狀況，對于安全、高效的油井作業(yè)有重大意義 [23]。清華大學(xué)在華北油田采用基于光纖 Michelson 干涉結(jié)構(gòu)的 3維VSP 光纖檢波器，通過 DSP 芯片實現(xiàn)預(yù)濾波及 PGC 算法，結(jié)合 ARM 控制器、 FPGA、 CPLD及總線技術(shù)的綜合應(yīng)用，保證了系統(tǒng)采集、處理、傳輸?shù)葘崟r性的要求 [4]。在智能化周界監(jiān)控方面，以色列 Magal 安全系統(tǒng)有限公司開發(fā)的基于 Michelson 干涉型分布式光纖清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 49 頁 傳感系統(tǒng)的 IntelliFiber 振動傳感光纜探測系統(tǒng)，通過智能化處理后，可區(qū)分是有人剪斷圍欄還是攀爬圍欄或抬起圍欄，通過其獨特的自適應(yīng)信號處理及識別程序，可減弱環(huán)境影響，降低誤報 [35]。 從硬件的角度，目前的智能化光纖傳感系統(tǒng)多采用單片機、 DSP 芯片以及虛擬儀器等方式實現(xiàn) [4,36,37]。單片機集數(shù)據(jù)處理與控制于一體 ，綜合性能較強，但是整個系統(tǒng)的實現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件電路設(shè)計。 DSP 芯片作為專用信號處理器，可以快速實現(xiàn)多種數(shù)字信號處理算法，具有較強的數(shù)字處理功能，但是需要再結(jié)合控制器 (ARM 等 )構(gòu)成系統(tǒng)，并進(jìn)行復(fù)雜的接口設(shè)計。虛擬儀器可方便的在通用微機、工控機、 PXI 機箱等實現(xiàn)，處理速度上相對略弱，但硬件成本大大降低，開發(fā)周期短，使用靈活。從軟件的角度，多層次的計算功能被引入光纖傳感系統(tǒng)，如現(xiàn)代譜分析、時頻分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊控制等 [38,39,40]，可以實現(xiàn)邏輯判斷、數(shù)據(jù)分類、模式識別、自動報警等各種智能化功 能 [33,41,42]。 所以虛擬儀器技術(shù)的引入推動了光纖傳感系統(tǒng)智能化的發(fā)展。 虛擬儀器技術(shù) 從 20 世紀(jì) 80 年代末美國成功研制了虛擬儀器以來， 它以傳統(tǒng)儀器無法比擬的速度飛速發(fā)展 [43]。 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于用戶可自己定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)，構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活， 如今已廣泛應(yīng)用于教學(xué)科研、軍事、航天、電子工程和生物醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域。虛擬儀器的出現(xiàn)和興起，改變了傳統(tǒng)儀器的概念、模式和結(jié)構(gòu)，是 21世紀(jì)測控儀器的重要發(fā)展方向 [44]。 目前，國內(nèi)外許多科研機構(gòu)和公司都在積極 開展這方面的研究和應(yīng)用工作 [45]。在國外，虛擬儀器技術(shù)的研究己經(jīng)相當(dāng)普遍， 1982 年，美國西北儀器系統(tǒng)公司推出了第一臺個人儀器，以美國 HP、 NI為首的各大儀器廠商和科研機構(gòu)紛紛致力于儀器的標(biāo)準(zhǔn)化、開放性和軟件平臺模塊化的開發(fā)，相繼推出了基于 GPIB 總線、 PCDAQ 和 VXI/PXI 總線等多種虛擬儀器 [46]。如美國的 Geomatics 和 Goldsmith 等公司利用虛擬儀器開發(fā)工具，研制開發(fā)了農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)和秧苗分析系統(tǒng) ， 作為儀器領(lǐng)域中最新興的技術(shù) ； 在國內(nèi)，虛擬儀器的研究與開發(fā)已經(jīng)經(jīng)歷了起步階段 ， 90 年代中期以來，重慶大學(xué)、西安交大、 哈工大、中科泛華等很多高等院校與高科技公司，在研究以及開發(fā)儀器產(chǎn)品、虛擬儀器設(shè)計平臺以及引進(jìn)和吸收 NI 公司、 HP公司產(chǎn)品等幾方面都貢獻(xiàn)了相當(dāng)大的力量，如清華大學(xué)運用虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建的汽 車發(fā)動機檢測虛擬儀器系統(tǒng)，其性能優(yōu)于汽車發(fā)動機出廠前的自動檢測 [47,48,49]。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 49 頁 在給定計算機和必需的儀器硬件下，構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就是應(yīng)用軟件。虛擬儀器的應(yīng)用軟件主要包括集成的開發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級接口及虛擬儀器的用戶界面。虛擬儀器的應(yīng)用軟件由用戶編制，可以采用各種編程軟件，如 C、 BASIC 等。近年來，隨著基于 PC機和工作站基礎(chǔ)上的圖形接口標(biāo)準(zhǔn)及計算機運 算能力的快速大幅提高，圖形開發(fā)軟件包和圖形開發(fā)環(huán)境得以迅速普及。 在虛擬儀器圖形軟件開發(fā)平臺方面，國際上許多公司都做了大量的工作，其中最有代表性的是 NI 公司的 LabVIEW 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 是一個業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件工具，用于開發(fā)測試、測量和控制系統(tǒng)。 LabVIEW 是一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境，是第一個 借助于虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀 器的圖形程序設(shè)計系統(tǒng)，也是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言。 LabVIEW中編寫的源程序很接近于程序流程圖， 利用 LabVIEW 畫出方框圖后即可自動生成測試軟件。使用集成化的 LabVIEW 環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以獲取實用信息，極大的提高了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的效率 [50]。 在當(dāng)前計算機軟硬件技術(shù)飛速發(fā)展下，虛擬儀器技術(shù)也被廣泛地應(yīng)用到各種通信系統(tǒng)中，其如何將硬件 軟件化、軟件通用化的設(shè)計思想符合了光纖傳感技術(shù)智能化的發(fā)展方向， 虛擬儀器技術(shù)下的 LabVIEW 軟件也為光纖傳感系統(tǒng)提供了軟件開發(fā)平臺。 本課題主要研究內(nèi)容 本課題 的研究內(nèi)容主要包括 ： （ 1） 建立 ITC4001 激光控制器與 PC 機之間的通信。 ITC4001 激光控制器是具有 USB接口的儀器設(shè)備， 通過 LabVIEW 編程控制激光 控制器 的 USB 接口，實現(xiàn)激光器與 PC 機的通訊； （ 2） 在 LabVIEW 編程環(huán)境下開發(fā)對激光器進(jìn)行控制的虛擬儀器，讀取激光器 參數(shù)并進(jìn)行 控制 。采用模塊化 的 設(shè)計思想，編寫相應(yīng)的軟件程序 ，主要功能模塊包括：開光控制模塊，激光二極管 工作模式設(shè) 置 模塊，光功率、激光電流、溫度讀取 和控制模塊和激光二極管 調(diào)制 設(shè)置模塊； （ 3） 利用可調(diào)諧激光器的溫度調(diào)諧 機理， 在 LabVIEW 開發(fā)平臺上實現(xiàn)調(diào)諧波段內(nèi)的波長掃描，并對波長掃描曲線進(jìn)行實時顯示； （ 4） 通過 LabVIEW 開發(fā)平臺實現(xiàn)對激光器波長的讀取和反饋控制。首先通過清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 49 頁 LabVIEW 軟件編程 控制 A/D 采樣 ， 對溫度變換所對應(yīng)的電壓信號進(jìn)行采集，采集完畢后通過 PID 算法對溫度進(jìn)行重新設(shè)置，從而達(dá)到波長的反饋調(diào)節(jié)； （ 5） 設(shè)計虛擬儀器界面； （ 6） 通過測試實驗平臺，驗證 基于虛擬儀器的激光器波長控制器是否可行。 將所編寫的軟件與硬件相結(jié)合，通過對 ITC4001 激光控制器 進(jìn)行運行調(diào)試， 分析實驗結(jié)果，驗證所編寫的虛擬儀器平臺是否可以實現(xiàn)激光器波長的自動讀取和設(shè)置 及其它功能模塊的讀取和控制 。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁 共 49 頁 2 激光器波長控制的原理和方法