【正文】 對落后 [21]。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。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]。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?；诠饫w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]。 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]。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]。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]。 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。 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。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]。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。它以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，實現(xiàn)被測量信號的感知和傳輸 [36]。 光纖傳感系統(tǒng)一般包括光源、光纖、傳感頭、光探測器和信號處理電路等。 光纖傳感器 可以測量的環(huán)境參量主要有應(yīng)力、溫度、振動、化學(xué)濃度及電磁場等等。 光纖傳感光源 在光纖傳感系統(tǒng)中，所選光源的類型很大程度上決定了傳感器的工作模式、信號處理方法、分辨率、靈敏度及解調(diào)精度，因而選擇合適的光源對光纖傳感系統(tǒng)的設(shè)計起著重要的作用 [55]。其主要優(yōu)點是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長、供電電源簡單 、 易于控制調(diào)節(jié) 、 發(fā)光亮度和發(fā)光效率高， 并 且抗沖擊、耐振動、工作電壓低、耗電小、單色性好、能在環(huán)境惡劣的條件下使用 。由于 DFB 激光器的光柵分布在整個諧振腔中，所以稱之為分布反饋 [63]。所以，只有在一系列 值上才有反射的光波，這就是所謂的“ Bragg 反射”，此光波的波長稱為布拉格波長，這就是波長的選擇性。各光波在有源區(qū)周期性波紋結(jié)構(gòu)的傳播過程中接收來自反向傳輸光波的布拉格散射光，這樣在波紋結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了反饋機制，由于波紋結(jié)構(gòu)具有增益，所以只要有足夠的反饋，就能產(chǎn)生激光振蕩，此激射光波的波長正好在布拉格波長處。另外，由于光柵的穩(wěn)定性好， DFB 激光器輸出功率的線性較好，這對于多路信號的傳輸效果較好，因為可以減少傳輸過程中的互調(diào)干擾。所以， DFBLD 的波長是可變的 [67]。因此激光二極管的波長調(diào)諧可采用溫度調(diào)諧和注 入 電流調(diào)諧 [70]。 波長可調(diào)諧是指激光器波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 熱調(diào)諧 是 通過調(diào)整 DFB 激光器腔內(nèi)溫度，改變有源區(qū)折射率來改變波長。 激光控制器 隨著技術(shù)的進(jìn)步、工藝水平的提高和計算機技術(shù)在光纖傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用，光纖傳感系統(tǒng)的可靠性不斷提高。 激光控制器簡介 半導(dǎo)體激光器對工作條件要求苛刻， 瞬態(tài)電 流或電壓尖峰等許多因素都很容易損壞激光器，會造成性能的急劇惡化， 電流、溫度的起伏會引起光功率的變化，影響輸出的準(zhǔn)確、穩(wěn)定。 對激光器的保護(hù)措施要足夠完備，因為 在 一些電學(xué)瞬變 的 過程，如電源的瞬間啟動、電源的電涌、 AC電路的輻射等，都會引起激光器的性能變差，甚至損壞器件 ，所以 激光控制器通過外加元件構(gòu)成了激光器的保護(hù)電路 。恒流驅(qū)動通過外圍設(shè)置提供恒定的直流電流、恒功率驅(qū)動通過 PD 檢測到驅(qū)動電流的變 化來調(diào)節(jié)驅(qū)動電流，達(dá)到恒定光功率輸出、調(diào)制驅(qū)動通過外接調(diào)制信號， 使半導(dǎo)體激光器輸出調(diào)制的光信號。從本質(zhì)上講，這是 LDC4000 系列電流控制器和一個 TED4015 溫度控制器的組合。當(dāng)需要最低噪聲和最高響應(yīng)速度時，應(yīng)選擇 CC模式，但這種模式一般也要求溫度穩(wěn)定。 Thorlabs 特意限制了對 此功能的操作，以防止意外的調(diào)節(jié)。 15 安的高性能數(shù)字 TEC 控制器。C。此外 ITC4001 激光控制器 可通過 SCPI 兼容的 USB 接口進(jìn)行控制 , 并 提供了驅(qū)動軟件包 ， 用戶可以通過驅(qū)動程序進(jìn)行功能擴展以適應(yīng)實際應(yīng)用的具體要求 。 ITC4001 提供許多增強功能，如準(zhǔn)連續(xù)波（ QCW）操作模式、簡易自動 PID 設(shè)置以及多種激光二極管和 TEC 元件保護(hù)功能。軟件系統(tǒng)設(shè)計的原理框圖如圖 。通過 LabVIEW 編寫控制程序時，通常采用模塊化的編程方式。在本軟件系統(tǒng)中，根據(jù)本課題 實際 控制需求，只需對激光器的部分參數(shù)進(jìn)行控制操作，主要包括：激光二極管和熱電冷卻器的開關(guān)控制功能、溫度、 光功率 和 激光電流 的讀取 與 設(shè)置功能 ， 以及激光二極管的工作模式和調(diào)制模式的 讀取 與 設(shè)置功能 。 （ 4）由于激光器的波長與溫度呈線性關(guān)系，所以通過控制激光器的工作溫度實現(xiàn)對激光器的輸出波長的反饋控制。對大多數(shù)使用者來說，儀器的開發(fā)的主要工作變成了軟件的設(shè)計。動態(tài)鏈接庫即是重要的代碼共享技術(shù)之一 [83]。但它不能獨立運行，而是用來為其他的可執(zhí)行文件如 EXE 或DLL 提供共享函數(shù)。由于在本設(shè)計中儀器生產(chǎn)廠家提供 了相應(yīng)的 DLL 文件，所以在 LabVIEW 開發(fā)平臺下選擇調(diào)用 DLL 方式作為外部代碼接口。在 LabVIEW 環(huán)境中開發(fā)的程序稱為虛擬儀器（ Virtual Instrument，VI） ,它配合相應(yīng)硬件便能實現(xiàn)特定的功能，從而取代昂貴、復(fù)雜的實際儀器設(shè)備，達(dá)到降低成本、小型化系統(tǒng)的目的 [86]。 建立連接模塊 即是用于實現(xiàn) 激光控制器 與 計算機 之間通信的功能模塊。 圖 激光控制器與計算機連接方式 ITC4001 激光控制器提供了一個 全速鏈接 ，遵循 規(guī)范 、 USBTMC 規(guī)范和 USBTMC USB488 規(guī)范。 對于主機端， 當(dāng)將一個 USBTMC 兼容儀器插入 PC 機時，該設(shè)備就能被系統(tǒng)識別并且啟動新硬件向?qū)?，接著在向?qū)е锌梢赃x擇 NIVISA 作為該設(shè)備的驅(qū)動。 Automation Explorer（ MAX），該設(shè)備會出現(xiàn)在 MAX 里面的 Device and Interfaces→ USB Devices 目錄下。它適用于各種編程環(huán)境，包括 NILabVIEW 開發(fā)平臺。為了實現(xiàn) ITC4001 激光控制器與計算機之間的 通信，需調(diào)用初始化和 選擇 USBINSTR 對話框 兩個子 VI，具體的程序框圖如圖 所示。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 49 頁 圖 建立連接模塊的運行界面 當(dāng)對話框中出現(xiàn)正確的儀器名稱和序列號之后，選擇 OK 按鈕，即可完成計算機與激光控制器之間的通信。 開關(guān)控制模塊 設(shè)計 由于 ITC4001激光控制器 內(nèi)部包括 一個激光二極管電流控制器 和 一個 TEC元件控制器。 （ 2）由于實際操作中，對于 LD、 TEC 開關(guān)的打開與關(guān)閉都有規(guī)范的順序要求，在打開開關(guān)時， 必須先打開 TEC 開關(guān) ，再 打開 LD 開關(guān) ，而 在關(guān)閉開關(guān)時 正好相反 ，必須先關(guān)閉 LD 開關(guān)，再關(guān)閉 TEC 開關(guān) 。在 LabVIEW 程序框圖中點擊右鍵，選擇創(chuàng)建 → 屬性節(jié)點→ 閃爍， 實現(xiàn)指示燈的閃爍功能，并 通過定時等待控件設(shè)置閃爍時間，本設(shè)計中閃爍時間設(shè)為 3000 毫秒 。 圖 開關(guān)控制模塊的框圖程序 根據(jù)上述要求， 本軟件系統(tǒng)的 開關(guān)控制模塊的前面板設(shè)計如圖 所示。 具體功能 如下所示 ： （ 1）通過激光二極管工作模式選擇控件的下拉菜單選擇恒電流或恒功率工作模式，點擊確定按鈕，隨即完成工作模式的設(shè)置；通過激光二極管工作模式查詢控件對激光二極管實際的工作模式進(jìn)行 顯示 。 圖 工作模式設(shè)置模塊流程圖 根據(jù)上述流程圖，在 LabVIEW 環(huán)境下編寫的框圖程序如圖 所示。 功率、激光電流、溫度讀取與 設(shè)置 模塊 即用于實現(xiàn)對激光控制器功率、激光電流和溫度這三個參量的讀取和設(shè)置。C。對于溫度的設(shè)置需要通過邏輯判斷對不同情況做出不同的響應(yīng)，此溫度設(shè)置模塊的框圖程序如圖 所示。 調(diào)制信號可以通過內(nèi)部調(diào)制源或外 部 調(diào)制 源 兩種方式產(chǎn)生 。對于調(diào)制源和調(diào)制形式的三種方式通過下拉菜單進(jìn)行切換和選擇，對于調(diào)制頻率和調(diào)制深度的范圍限制同樣是通過數(shù)值控件的屬性選項進(jìn)行設(shè)置。 本設(shè)計中，利用激光器的溫度調(diào)諧機理，通過計算機對激光器進(jìn)行自動升溫，能夠簡單、快捷的實現(xiàn)初始溫度到終止溫度所對應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長調(diào)諧。 USB2813A 卡是一種基于USB 總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計算機的 USB 接口相連。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 49 頁 圖 波長掃描模塊流程圖 在 LabVIEW 框圖程序中，需要借助順序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)升溫、定時、采樣過程。 圖 波長掃描模塊的前面板 PID 控制模塊 設(shè)計 PID 控制模塊 通過數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了波長的反饋調(diào)節(jié)。 在使用 USB2813A 數(shù)據(jù)采集卡之前， 必須在準(zhǔn)備插入采集卡的計算機中進(jìn)行 LabVIEW軟件和硬件驅(qū)動程序的安裝，然后再根據(jù)需要編寫數(shù)據(jù)采集的程序。 所謂硬件驅(qū)動程序就 是應(yīng)用軟件對硬件的編程接口，它包含著特定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞 。 綜上所述 USB2813 數(shù)據(jù)采集卡 的 A/D 采集實現(xiàn)過程 如圖 。 在 PID 控制模塊中， 也 需要 利用 USB2813 數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行 AD采集。該波形掃描模塊的整個框圖程序如圖 。 由于激光控制器的升溫或降溫是有一個過程的，所以在對 激光控制器進(jìn)行溫度設(shè)置時， 不可能馬上就達(dá)到設(shè)置的溫度，會有一定的時間延遲，所以在升溫操作后，必須先延時 t毫秒， 以保證激光控制器此時已經(jīng)達(dá)到設(shè)定溫度后再進(jìn)行采 集， 這時的采樣值才是正確的。通過 數(shù)據(jù)采集卡對溫度所對應(yīng)的電壓信號進(jìn)行采集 ，通過波形圖表形式對波長掃描曲線進(jìn)行 實時顯示 。 圖 激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊 的 框圖程序 根據(jù)上述功能要求，本軟件系統(tǒng)的 激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊 的前面板設(shè)計如圖 所示 。調(diào)制源包括內(nèi)調(diào)制源、外調(diào)制源以及內(nèi)調(diào)制源和外調(diào)制源共同作用三種方式；調(diào)制形式包括正弦波、三角波和方波； 調(diào)制頻率的范圍為 20 赫茲到 100 千赫 ； 可以設(shè)置的調(diào)制深度從 %到 100%。 圖 光功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊的框圖程序 根據(jù)上述功能要求，本軟件系統(tǒng)的 光 功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊 的 前面板設(shè)計如 圖 所示。 在 LabVIEW 程序框圖中，通過在 while 循環(huán)中放置定時等待控件，并設(shè)置等待時間為 100ms，則此 while 循環(huán)每隔 100ms 運行一次，相對應(yīng)的前面板參數(shù)讀取值將會每隔100ms 更新一次。 （ 2） 激光器的光功率、激光電流及溫度值 的設(shè)置過程為：首先在前面板數(shù)值控件清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 49 頁 的數(shù)字框中輸入設(shè)定值，然后點擊相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置按鍵即可實現(xiàn)該參數(shù)的設(shè)置功能。 設(shè)置工作模式 關(guān)閉 LD 開關(guān) 設(shè)置完畢 打開 LD 開關(guān) LD 開關(guān)顯示控件閃爍 3 秒 點亮 LD 開關(guān)顯示控件 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 49 頁 圖 工作模式設(shè)置模塊的框圖程序 根據(jù)上述功能要求，本軟件系統(tǒng)的激光二極管工作模式設(shè)定模塊的 前面板設(shè)計如 圖 所示。所以在這里設(shè)計了自動 操作 過程 ， 在設(shè)置工作模式時， LD開關(guān)將自動關(guān)閉，設(shè)置完成后， LD開關(guān)將自動打開。在 恒電流（ CC）模式 下 ，激光電流可精確保持在用戶調(diào)節(jié)的水平； 在 恒功清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 49 頁 率（ CP）模式下 ， 光學(xué)功率傳感器用于監(jiān)測激光器的輸出功率以進(jìn)行主動功率控制。通過 工具 → 選項 → 前面板 → 常規(guī) 菜單中 的前面清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 49 頁 板控件閃爍時間延遲選項，可以對指示燈的閃爍快慢進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計中設(shè)為 1000 毫秒。 （ 3）為了與激光控制器保持一致，在實際的 操作界面 中對于 LD 指示燈的顯示也是先閃爍 3 秒再點亮，而 TEC 指示燈直接點亮即可。 開關(guān) 控制 模塊 即是用來 控制 LD、 TEC 開關(guān) 的打開與關(guān)閉狀態(tài)的功能模塊 。 當(dāng)接收到 以上 消息命令 后 ，ITC4001將 自動進(jìn)入 遠(yuǎn)程模式， 并在屏幕上顯示 Re