【正文】 同步解調(diào)及系統(tǒng)的智能化。 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 19 1. 寬帶光源 光源提供整個系統(tǒng)所需的光信號，對系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和測量精度 起到 至關重要 的作用，因此，選擇適合的光源是系統(tǒng)搭建過程中 十分 重要。 FLS2300B 輸出光譜如圖 32 所示： 圖 32 寬帶光源輸出光譜圖 2. MZ干涉儀 干涉儀 作為 該傳感系統(tǒng)中的核心光學器件之一，實驗中所 使 用的 MZ干涉儀是 利用 兩個3dB 耦合器（耦合器 耦合器 2）串接制成的，其結構圖如圖 33 所示： 圖 33 MZ干涉儀示意圖 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 20 實驗中選 用 耦合器 1（ 12 ） 和耦合器 2（ 22 ） ，借助千分尺保證耦合器 1的輸出端，耦合器 2 的輸入端尾纖各為 350mm，利用游標卡尺和光纖切割刀將其中的一根尾纖切除 mm，剩余的三根尾纖切除 50mm，然后將耦合器 1 輸出端的尾纖與耦合器 2 輸入端的尾纖用光纖熔接機進行兩兩熔接，并用熱縮管加固光纖熔接部位，耦合器之間的長臂和短臂分別作為信號臂和參考臂。光信號的調(diào)制由 MZ干涉儀完成，它的穩(wěn)定性能直接影響整個系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用北京世維通光通訊公司生產(chǎn)的 PDS143CFPB0101 型光電二極管，該探測器采用介質(zhì)鈍化，平面半導體，氣密封裝技術，將管腳外形設計成流線型，擁有良好的光 電性能和抗噪性能。將光譜儀測 量 得的數(shù)據(jù)代入式 35，可以求得波長分辨率： 10 3nm，相位分辨率 ： 10 3rad。 光電轉(zhuǎn)換前置跨阻放大電路如圖 36 所示： 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 23 圖 36 光電轉(zhuǎn)換前置跨阻放大電路 經(jīng)前置跨阻放大電路 進行 放大后的電壓幅值僅為毫伏量級，仍 然 難以有效的被利用， 因此 需進一步的放大、調(diào)整， 由此 設計了如圖 37 的主放大電路。 因此，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，并對電信號進行濾波、放大等處理后，還需對其進行 A/D 轉(zhuǎn)換、信號采集等處理。采集卡的結構圖如圖 38 所示： 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 24 圖 38 AMPCI9101A 數(shù)據(jù)采集卡結構圖 相位檢測算法 光纖光柵傳感 干涉解調(diào) 系統(tǒng)中，對光相位的檢測 十分關鍵 。編輯軟件控制采集卡，使其以ss Tf 1?的采樣頻率采集信號，則所采集的序列為： )](2c o s [)( 111 ??? ?? nTfAns sr （ 36） 對式（ 36）進行 N 點的傅里葉變換 可 得： ?????????????????10)(110)(110211])(2e x p [2])(2e x p [2)()(1111 NnsrjNnsrjNnNknjNnkNTfjeANnkNTfjeAenskS?? ????? （ 37） 復數(shù)周期序列具有正交性， 則 當 rkf? 時 S1(k)為 0，只有當 rkf? 時 S1(k)不為 0，此時 )](s i n)([c os22)()(11111)(111 11 ?????? jNAeNAfSkS jr ???? （ 38） 因此， s1的初始相位 11()??是 ： 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 25 )](Re [ )](Im [a rc t a n)( 1111 rrfS fS??? （ 39） 同理可得， s s s4的初始相位分別為： )](Re [ )](Im [a rc t a n)( 2222 rrfS fS??? （ 310） )](Re [ )](Im [a rc t a n)( 3333 rrfS fS??? （ 311） )](Re [ )](Im [a rc t a n)( 4444 rrfS fS??? （ 312） 由此可知 ，對采集信號 進行 離散傅里葉變換，即可 推算 出原始信號的相位，結合上述傳感系統(tǒng) 理論 的分析，進而求 出 傳感信號的相位值。 LabVIEW 軟件簡介 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫，它是一個使用圖形符號來編寫程序的編程環(huán)境， 功能強大的圖形編程語言能夠成倍地提高生產(chǎn)率，人們 親切地稱這種語言為 G 語言 。數(shù)據(jù)庫中包含許多特定的應用程序代碼：通用 功能接口總線（ GPIB）、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)采集（ DAQ）、串行口儀器控制、 Inter 通信、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)顯示。前面板：圖形化的人機交流界面，可以設置輸入數(shù)值和讀取輸出量。 數(shù)據(jù)采集 外部世界與計算機要進行連接，需要一個橋梁，這個橋梁就是數(shù)據(jù)采集?？驁D程序：由圖形化編程語言編寫程序，每個圖形模塊類似于傳統(tǒng)編程語言程序中的源代碼，且框圖程序和前面板相互對應。 LabVIEW 程序稱 之 為虛擬儀器（ Virtual Instruments）程序，簡稱 VI。 計算機、插入式硬件和 LabVIEW 共同組成一個可完全配置的虛擬儀器以完成用戶的任務，我們可以根據(jù)需要創(chuàng)建所需的任何類型的虛擬儀器 [1920]。 LabVIEW 用于測試結果與 PC機的串口通訊，訪問數(shù)據(jù)庫鏈接程序的編寫等。 目前，數(shù)字信號處理技術和計算機技術迅速發(fā)展，促使相位檢測技術也開始向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。 該解調(diào)系統(tǒng)選用北京安邁科技公司的 AMPCI9101A數(shù)據(jù)采集卡 ，它 擁有 16 路 AD 采集輸入通道，采樣速率 達到 100ksps， 1 路 12bit 模擬量電壓輸出 PCI 總線數(shù)據(jù)采集控制板。 AD620 采用 8 管腳 SOIC 封裝，具有成本低、精度高、功耗低等的優(yōu)點，它的增益范圍可達 1~10000，且調(diào)節(jié) 操作 簡單。 光電探測器輸出的信號很微弱， 這就 要求前置放大器具有高增益、高速、抗干擾能力強、低噪聲等 優(yōu) 點。 如果不考慮系統(tǒng)的相位計算精度，探測器的靈敏度和干涉光強對波長的變化率決定系統(tǒng)的波長分辨率： 2minmaxTIIP??? ?? （ 35） 式 35 中， P是 探測器的通量閾，即探測器所能探測 到 的最小光功率， maxI 是 最大功率，minI 是 最小功率， T? 是 干涉光譜的分布周期。本文設計的電路系統(tǒng)可以完成上述工作，其系統(tǒng)主要由光電探測器、放大電路、采集卡 、計算機等組成 。封裝后的干涉儀穩(wěn)定性良好，其干涉光譜如圖 34所示。 該光源 具有 較 寬的波長范圍（ 1520～ 1615nm） 及 優(yōu)于 14dB 輸出功率。 光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)分別 承擔 著 不同的傳感檢測任務 ， 光路部分 是 對待測物理量進行 采集 、 檢測 ， 并 通過 光纖進行傳輸 ； 電路部分是對將待測物理量調(diào)制后的光波信號進行光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、分析處理，并 以界面方式顯示結果。數(shù)據(jù)采集卡（ AMPCI9101A）會對載波進行數(shù)據(jù)采集，之后傳送給計算機，利用 LabVIEW模塊編程，實現(xiàn)對天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 18 采集頻率的控制，并對采集數(shù)據(jù)實時存儲，然后，編輯快速傅里葉變換算法，將載波中的光柵相位信息提取出來。寬帶光源輸出的光具有平坦光譜，經(jīng)隔離器后，用耦合器將光耦合進非平衡 MZ 干涉儀中，然后再用耦合器將干涉儀輸出端口的兩束干涉光進行耦合，連接四路光纖，這四路光纖上又分別粘著光纖光柵 FBG FBG FBG FBG4（其中傳感光柵為 FBG FBG FBG3，參考光柵為 FBG4，這樣，就會降低相位波動對干涉儀的影響，提高檢測分辨率）。 天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 17 第三章 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設計與研究 解調(diào)系統(tǒng)總體方案設計 光纖光柵傳感器具有對外界信號進行感知和傳輸兩個功能，根據(jù)光纖光柵傳感理論可知，當光纖光柵傳感器所處周圍環(huán)境的某些物理量發(fā)生改變時，傳播中的光波的特征參量，如相位、光強 、波長、頻率等將伴隨外界物理量的改變而改變。目的都是要提高靈敏度，消除光纖傳輸過程中的不穩(wěn)定和光源的不穩(wěn)定。2 ? （ 226） 將 1V 、 2V 送入正弦 /余弦解調(diào)器，得 A? 。檢測系統(tǒng)工作原理如下： 圖中 AOM（ Acoustic Optical Modulator）為聲光調(diào)制器， D1與 D2為光探測器。 NCm A JmV ??? ???? (219) 可見，當 2??? ??N時， 0??? 。設 ?? 11 IP ， 則 ))s in (c o s ( ?? ??? NstwCAV ，將此式按貝塞爾函數(shù)展開，其中含有高頻項和低頻項，天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 15 用低通濾波器除掉高頻項，則低頻波返回 PZT 作電壓控制。光纖干涉儀若采用這樣的 PZT 相位控制器，可以探測小至 的相位變化。 實現(xiàn)對光纖縱向應變進 行調(diào)制的最簡便的方法是，采用一個空心的 PZT 陶瓷圓柱體，在這個圓柱體上纏繞一圈或多圈的光纖。壓電元件天津理工大學 2021屆本科畢業(yè)設計說明書 14 基本上都是由鋯 (Zr)鈦 (Ti)酸鉛 (Pb)系統(tǒng)材料制成，故簡稱 PZT。要做到這一點，常采用壓筒陶瓷（ PZT）調(diào)制器作為移相器，加在干涉儀的參考臂上，產(chǎn)生 2/? 的相位差，當有信號時就在此基礎上移動，這種檢測方法屬于零差檢測。 當 ???? )12(,3, ?????? n時， 0min ??II ；當 ??? n2,2,0 ????? 時， 1max 4III ?? 。由于光的相位被記錄在光的干涉條紋上，這樣，當干涉條紋產(chǎn)生改變時，暗示著相位也發(fā)生變化， 因此，要解調(diào)出光相位的變化，就可以通過探測干涉條紋的變化而得知。 （ 2）可調(diào)諧光纖 FP濾波法 可調(diào)諧光纖 FP濾波法原理：利用 3dB耦合將 FBG的布拉格反射光耦合進可調(diào)諧光纖 FP濾光器（ FPF），在 FPF 上加載鋸齒波電壓，這樣，將使其在光柵特征波長的附近進行掃描，因此，光柵的特征波長就是 FPF 過零點的輸出波長。此種方法適合便攜式的波長檢測 ，其結構原理如圖 26 所示。當傳感 FBG 和參考 FBG 的中心波長相等時會產(chǎn)生強輸出，因此，此時的參考 FBG 的中心波長就是所需測量值，如圖 25 所示。只有滿足 2B effn? ??式的波長遇到 FBG 才會發(fā)生反射，因此，后向布拉格波長反射光要在探測器上產(chǎn)生強輸出，必須滿足 ?=?B，窄帶光源的光波經(jīng)過可調(diào)諧濾波器，可以使其中心波長鎖定在該種狀態(tài)，此時，即可測知 ?B。符合布拉格波長的光被 FBG 反射后，傳輸光譜中的布拉格波長成分將消失而形成譜谷，這樣，參考 FBG 和傳感 FBG 光譜谷的間距可由光譜分析儀測得，或者測量參考 FBG 譜谷和傳感 FBG 的間距，說明外界 信號（被測物理量）能夠引起布拉格波長的偏移 BB ??? ??? 39。關于波長解調(diào)方法有很多，主要有光譜分析法，波長掃描法，光學濾波法等。近年來 ， 提出 的 光纖光柵解調(diào) 技術 方法有 ： 強度解調(diào) 、 相位解調(diào) 、 頻率解調(diào) 、 偏振解調(diào) 、 波長解調(diào)等 [18] 。 （ 2） 軸向應變對布拉格光纖光柵的影響 在溫度恒定條件下 ， 應變 不僅會 改變 Brrag 光纖光柵的光柵常數(shù) ， 同時彈光效應 導致 FBG折射率發(fā)生 改變 ， 兩者分別表示為： ??????? llz （ 24） 3 1 2 1 1 1 2[ ( ) ]2e ffe ff xn P P Pn ? ???? ? ? （ 25） 式（ 25） 中 ， 11P 和 12P 為 彈光系數(shù) ， ν 為泊松比 ， 因而 有 ： ? ?1BezB P? ??? ?＝－