【正文】 同步解調(diào)及系統(tǒng)的智能化。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 19 1. 寬帶光源 光源提供整個(gè)系統(tǒng)所需的光信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和測(cè)量精度 起到 至關(guān)重要 的作用，因此，選擇適合的光源是系統(tǒng)搭建過(guò)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(xué)器件之一，實(shí)驗(yàn)中所 使 用的 MZ干涉儀是 利用 兩個(gè)3dB 耦合器（耦合器 耦合器 2）串接制成的，其結(jié)構(gòu)圖如圖 33 所示： 圖 33 MZ干涉儀示意圖 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20 實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(jī)進(jìn)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(zhǎng)臂和短臂分別作為信號(hào)臂和參考臂。光信號(hào)的調(diào)制由 MZ干涉儀完成，它的穩(wěn)定性能直接影響整個(gè)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(cè)器采用介質(zhì)鈍化，平面半導(dǎo)體，氣密封裝技術(shù)，將管腳外形設(shè)計(jì)成流線型，擁有良好的光 電性能和抗噪性能。將光譜儀測(cè) 量 得的數(shù)據(jù)代入式 35，可以求得波長(zhǎng)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(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(jìn)行 放大后的電壓幅值僅為毫伏量級(jí)，仍 然 難以有效的被利用， 因此 需進(jìn)一步的放大、調(diào)整， 由此 設(shè)計(jì)了如圖 37 的主放大電路。 因此，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理后，還需對(duì)其進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、信號(hào)采集等處理。采集卡的結(jié)構(gòu)圖如圖 38 所示： 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 24 圖 38 AMPCI9101A 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖 相位檢測(cè)算法 光纖光柵傳感 干涉解調(diào) 系統(tǒng)中，對(duì)光相位的檢測(cè) 十分關(guān)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(hào)，則所采集的序列為： )](2c o s [)( 111 ??? ?? nTfAns sr （ 36） 對(duì)式（ 36）進(jìn)行 N 點(diǎn)的傅里葉變換 可 得： ?????????????????10)(110)(110211])(2e x p [2])(2e x p [2)()(1111 NnsrjNnsrjNnNknjNnkNTfjeANnkNTfjeAenskS?? ????? （ 37） 復(fù)數(shù)周期序列具有正交性， 則 當(dāng) rkf? 時(shí) S1(k)為 0，只有當(dāng) rkf? 時(shí) S1(k)不為 0，此時(shí) )](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(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(duì)采集信號(hào) 進(jìn)行 離散傅里葉變換，即可 推算 出原始信號(hào)的相位，結(jié)合上述傳感系統(tǒng) 理論 的分析，進(jìn)而求 出 傳感信號(hào)的相位值。 LabVIEW 軟件簡(jiǎn)介 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫，它是一個(gè)使用圖形符號(hào)來(lái)編寫程序的編程環(huán)境， 功能強(qiáng)大的圖形編程語(yǔ)言能夠成倍地提高生產(chǎn)率，人們 親切地稱這種語(yǔ)言為 G 語(yǔ)言 。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含許多特定的應(yīng)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(chǔ)存、數(shù)據(jù)顯示。前面板：圖形化的人機(jī)交流界面，可以設(shè)置輸入數(shù)值和讀取輸出量。 數(shù)據(jù)采集 外部世界與計(jì)算機(jī)要進(jìn)行連接，需要一個(gè)橋梁，這個(gè)橋梁就是數(shù)據(jù)采集?？驁D程序：由圖形化編程語(yǔ)言編寫程序，每個(gè)圖形模塊類似于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言程序中的源代碼，且框圖程序和前面板相互對(duì)應(yīng)。 LabVIEW 程序稱 之 為虛擬儀器（ Virtual Instruments）程序，簡(jiǎn)稱 VI。 計(jì)算機(jī)、插入式硬件和 LabVIEW 共同組成一個(gè)可完全配置的虛擬儀器以完成用戶的任務(wù)，我們可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建所需的任何類型的虛擬儀器 [1920]。 LabVIEW 用于測(cè)試結(jié)果與 PC機(jī)的串口通訊，訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接程序的編寫等。 目前，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，促使相位檢測(cè)技術(shù)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(dá)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(diǎn)，它的增益范圍可達(dá) 1~10000，且調(diào)節(jié) 操作 簡(jiǎn)單。 光電探測(cè)器輸出的信號(hào)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(qiáng)、低噪聲等 優(yōu) 點(diǎn)。 如果不考慮系統(tǒng)的相位計(jì)算精度，探測(cè)器的靈敏度和干涉光強(qiáng)對(duì)波長(zhǎng)的變化率決定系統(tǒng)的波長(zhǎng)分辨率： 2minmaxTIIP??? ?? （ 35） 式 35 中， P是 探測(cè)器的通量閾，即探測(cè)器所能探測(cè) 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(shè)計(jì)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(cè)器、放大電路、采集卡 、計(jì)算機(jī)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(zhǎng)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(dān) 著 不同的傳感檢測(cè)任務(wù) ， 光路部分 是 對(duì)待測(cè)物理量進(jìn)行 采集 、 檢測(cè) ， 并 通過(guò) 光纖進(jìn)行傳輸 ； 電路部分是對(duì)將待測(cè)物理量調(diào)制后的光波信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理，并 以界面方式顯示結(jié)果。數(shù)據(jù)采集卡（ AMPCI9101A）會(huì)對(duì)載波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，之后傳送給計(jì)算機(jī)，利用 LabVIEW模塊編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 18 采集頻率的控制，并對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，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(lái)。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(jìn)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(jìn)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(huì)降低相位波動(dòng)對(duì)干涉儀的影響，提高檢測(cè)分辨率）。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17 第三章 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 解調(diào)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 光纖光柵傳感器具有對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行感知和傳輸兩個(gè)功能，根據(jù)光纖光柵傳感理論可知，當(dāng)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(shí)，傳播中的光波的特征參量，如相位、光強(qiáng) 、波長(zhǎng)、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(guò)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(cè)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(cè)器。 NCm A JmV ??? ???? (219) 可見(jiàn)，當(dāng) 2??? ??N時(shí)， 0??? 。設(shè) ?? 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(xiàng)和低頻項(xiàng)，天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 15 用低通濾波器除掉高頻項(xiàng)，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(cè)小至 的相位變化。 實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖縱向應(yīng)變進(jìn) 行調(diào)制的最簡(jiǎn)便的方法是，采用一個(gè)空心的 PZT 陶瓷圓柱體，在這個(gè)圓柱體上纏繞一圈或多圈的光纖。壓電元件天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(jiǎn)稱 PZT。要做到這一點(diǎn)，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(dāng)有信號(hào)時(shí)就在此基礎(chǔ)上移動(dòng)，這種檢測(cè)方法屬于零差檢測(cè)。 當(dāng) ???? )12(,3, ?????? n時(shí)， 0min ??II ；當(dāng) ??? n2,2,0 ????? 時(shí)， 1max 4III ?? 。由于光的相位被記錄在光的干涉條紋上，這樣，當(dāng)干涉條紋產(chǎn)生改變時(shí)，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(guò)探測(cè)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(jìn)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(zhǎng)的附近進(jìn)行掃描，因此，光柵的特征波長(zhǎng)就是 FPF 過(guò)零點(diǎn)的輸出波長(zhǎng)。此種方法適合便攜式的波長(zhǎng)檢測(cè) ，其結(jié)構(gòu)原理如圖 26 所示。當(dāng)傳感 FBG 和參考 FBG 的中心波長(zhǎng)相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)輸出，因此，此時(shí)的參考 FBG 的中心波長(zhǎng)就是所需測(cè)量值，如圖 25 所示。只有滿足 2B effn? ??式的波長(zhǎng)遇到 FBG 才會(huì)發(fā)生反射，因此，后向布拉格波長(zhǎng)反射光要在探測(cè)器上產(chǎn)生強(qiáng)輸出，必須滿足 ?=?B，窄帶光源的光波經(jīng)過(guò)可調(diào)諧濾波器，可以使其中心波長(zhǎng)鎖定在該種狀態(tài)，此時(shí)，即可測(cè)知 ?B。符合布拉格波長(zhǎng)的光被 FBG 反射后，傳輸光譜中的布拉格波長(zhǎng)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(cè)得，或者測(cè)量參考 FBG 譜谷和傳感 FBG 的間距，說(shuō)明外界 信號(hào)（被測(cè)物理量）能夠引起布拉格波長(zhǎng)的偏移 BB ??? ??? 39。關(guān)于波長(zhǎng)解調(diào)方法有很多，主要有光譜分析法，波長(zhǎng)掃描法，光學(xué)濾波法等。近年來(lái) ， 提出 的 光纖光柵解調(diào) 技術(shù) 方法有 ： 強(qiáng)度解調(diào) 、 相位解調(diào) 、 頻率解調(diào) 、 偏振解調(diào) 、 波長(zhǎng)解調(diào)等 [18] 。 （ 2） 軸向應(yīng)變對(duì)布拉格光纖光柵的影響 在溫度恒定條件下 ， 應(yīng)變 不僅會(huì) 改變 Brrag 光纖光柵的光柵常數(shù) ， 同時(shí)彈光效應(yīng) 導(dǎo)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? ??? ?＝－