【正文】 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]。 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。 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。 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]。 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。 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。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]。單片機(jī)集數(shù)據(jù)處理與控制于一體 ，綜合性能較強(qiáng)，但是整個系統(tǒng)的實現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件電路設(shè)計。 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。 目前，國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)和公司都在積極 開展這方面的研究和應(yīng)用工作 [45]。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。 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)。 在當(dāng)前計算機(jī)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。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。從本質(zhì)上講，光纖傳感就是利用外界信號對光纖中傳播的光進(jìn)行調(diào)制 [23]。光源相當(dāng)于一個信號源，負(fù)責(zé)信號的發(fā)射；光纖是傳輸媒質(zhì)，負(fù)責(zé)信號的傳輸；傳感頭感知外界信息，相當(dāng)于調(diào)制器；光探測器負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)換，將光纖送來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；信號處理電路的功能是還原外界信息，相當(dāng)于解調(diào)器、調(diào)制和解調(diào)是光纖傳感技術(shù)研究的主要內(nèi)容 [53]。 光纖傳感 系統(tǒng) 從原理上講，就是 ： 發(fā)出光信號 — 調(diào)制 — 傳輸 — 接收光信號 — 電信號，從而實現(xiàn)檢測功能 [54]。光纖傳感用光源必須滿足如下原則 [56]： （ 1） 光源的激射波長必須在傳輸光纖的低損耗窗口波段： （ 通常稱作短波長波段 ） 、 和 波段 （ 通常將 和 稱為長波長波段 ）； （ 2） 光源的發(fā)射功率要大； （ 3）調(diào)制特性和發(fā)光 /消光（響應(yīng)速度）特性要好； （ 4）可靠性要高，壽命要長； （ 5）光源必須輕巧，適應(yīng)振動、溫度、濕度等環(huán)境變化； （ 6） 能批量生產(chǎn)，價格便宜。它與光纖的特點相容，因此，在光纖傳感器和光纖通信中得到廣泛應(yīng)用 [58,59]。 DFB 激光器是在有源區(qū)或鄰近波導(dǎo)層上刻蝕所需的周期波紋光柵而構(gòu)成的， DFB 激光器的激光振蕩是由光柵形成的光耦合來提供，其基本原理是布拉格反射原理，當(dāng)電流注入激光器后，有源區(qū)內(nèi)電子 空穴復(fù)合，輻射出相應(yīng)能量的光子，這些光子將受到有源層表面每一 個光柵的反射 [64]。把介質(zhì)內(nèi)部由左向右和由右向左傳播的光波看作是 和都為 90186。由于布拉格效應(yīng)能對波長進(jìn)行選擇， 因此這種分布反饋式結(jié)構(gòu)不但緊湊而且有高度的光譜選擇性。 DFB 激光器的性能穩(wěn)定，很少受時間和外部環(huán)境的影響 [66]。 波長調(diào)諧 波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器從 20 世紀(jì) 80 年代起開發(fā)就很活躍，按調(diào)諧機(jī)理劃分，有電調(diào)諧、熱調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧三大類 [68]。 波長可調(diào)諧激光器一般主要由三個基本部分組成：具有有源增益區(qū)和諧振腔的二極管激光器；改變和選擇波長的可調(diào)裝置；穩(wěn)定輸出波長的裝置（波長鎖定器或標(biāo)準(zhǔn)具）。目前波長調(diào)諧主要基于布拉格反射光柵，通常通過改變溫度、注入電流等方法，改變光柵的有效折射率，從而改變光柵的布拉格波長。 一般采用清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 49 頁 熱電冷卻器（ TEC）來保證波長的精度，技術(shù)簡單。 在半導(dǎo)體激光器作為光源的系統(tǒng)中，對激光器工作的準(zhǔn)確度、可靠性以及溫度 控制的 精確度的要求也越來越高，人們采用大規(guī)模集成電路技術(shù)研制出了半導(dǎo)體激光器的專用驅(qū)動器和溫度控制器 [75]，并結(jié)合 接口電路 、保護(hù)電路以及顯示控制對激光器的工作進(jìn)行監(jiān)控。驅(qū)動電流的波動，不僅會引起激光器的激光強(qiáng)度噪聲，還會造成輸出波長光譜線寬的展寬。 它不僅能夠為半導(dǎo)體激光器提供穩(wěn)定的輸出，而且還對半導(dǎo)體激光器提供更加可靠、有效的保護(hù) [76]。恒溫控制電路通過監(jiān)測激光器表面的熱敏電阻的阻值變化來獲取溫度的變化，然后通過半導(dǎo)體熱電制冷器對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行制冷或加熱，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器溫度控制 [77,78,79]。它旨在為激光二極管提供一個精確穩(wěn)定的電流，其注入電流為 1安至 20安，并具有 24小時內(nèi) 攝氏度 的優(yōu)異溫度穩(wěn)定性。在 CP 模式下，來自集成到大多數(shù)激光二極管封裝的內(nèi)部光電二極管，或外部光電二極管的反饋用于主動穩(wěn)定激光 器的輸出功率。增加激光器驅(qū)動電流超過預(yù)設(shè)限制，將導(dǎo)致可見和短聲音指示。 它提供 24小時內(nèi) 。實際適用的溫度范圍受所連接的傳感器和熱裝置的限制。由于前面板分辨率受顯示器分辨率的限制，通過遠(yuǎn)程控制運行可獲得更高的設(shè)置和測量分辨率。這些功能加上新型設(shè)計提供了安靜和高功效的運行，使 ITC4001激光控制器 成為實驗室和生產(chǎn)環(huán)境中，中等功率到高功率激光二極管和LED 的精密和 安全操作的理想選擇 [80]。 圖 軟件系統(tǒng)設(shè)計原理框圖 計算機(jī)接口為硬件模塊和計算機(jī)操作系統(tǒng)提供了軟硬件接口， 激光控制器通過 USB數(shù)據(jù)線與計算機(jī)接口連接 起來 ，實現(xiàn) PC 機(jī)和激光控制器之間命令和數(shù)據(jù)的傳輸 ；儀器驅(qū)動程序模塊是通過接口實現(xiàn)對硬件模塊的控制，實現(xiàn)軟件開發(fā)平臺對硬件的調(diào)用，完成對硬件的管理；軟件開發(fā)平臺是用戶為測試和實驗而設(shè)計生成的系統(tǒng)軟件平臺，為用戶提供一個編程環(huán)境，通過開發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)界面，用戶可以直接通過虛擬顯示面板進(jìn)行實驗中的各種操作，可以進(jìn)行發(fā)送操作指令、接收采集數(shù)據(jù)和后續(xù)的顯示及分析數(shù)據(jù)等操作。本設(shè)計中根據(jù)實際應(yīng)用需要，對 激光器波長控制軟件系統(tǒng) 設(shè)計了以下四個功能模塊： （ 1） 首先需建立 ITC4001 激光控制器與 PC 機(jī)之間的通信功能，通過激光控制器將激光器的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控計算機(jī)。由于 ITC4001 激光控制器 提供了驅(qū)動軟件包 ，所以在 LabVIEW 編程環(huán)境下通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點對驅(qū)動程序的相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，從而實現(xiàn)對激光器參數(shù)的讀取和設(shè)置功能。在軟件系統(tǒng)中 ，通過 LabVIEW 編程 控制 數(shù)據(jù)采集卡完成 A/D 轉(zhuǎn)換， 對實際溫度所對應(yīng)的電壓信號 進(jìn)行采集， 并 送回 PC機(jī)， 將實際電壓值與設(shè)置電壓值之差進(jìn)行 PID 控制 運算，根據(jù) PID 調(diào)節(jié)的輸出量 重新設(shè)置 溫度， 從而 實現(xiàn)激光器波長的反饋控制。在眾多開發(fā)軟件中， LabVIEW 是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。所謂動態(tài)鏈接庫 （ Dynamic Link 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 49 頁 Library， DLL） ，是由可執(zhí)行程序模塊組成的函數(shù)庫，包含了應(yīng)用程序或其他 DLL 可能調(diào)用的函數(shù)代碼和資源。 DLL 只有在其中的某個導(dǎo)出函數(shù)被調(diào)用時才被執(zhí)行。 在 LabVIEW 中動態(tài)鏈接庫函數(shù)的調(diào)用是通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點 （ Call Library Function Node） 實現(xiàn)的 [85]。 基于 LabVIEW 的激光器波長控制器軟件系統(tǒng)主要完成如下工作：建立連接 ； 開關(guān)控清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 49 頁 制 ；激光二極管 工作模式設(shè) 置；光功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置；激光二極管調(diào)制設(shè)置； 波長掃描以及 PID 控制。 ITC4001 激光控制器具有 USB 接口功能，可由計算機(jī)編程控制。它允許從主機(jī)發(fā)送命令到儀器。如果已經(jīng)正確安裝了 NIVISA，那么該設(shè)備就會正確識別為 USB Test amp。這時，就可以控制其他 GPIB 設(shè)備一樣使用這個資源名來控制 USBTMC 設(shè)備。 所以通過以上方式可以實現(xiàn) ITC4001 激光控制器 與 計算機(jī) 之間的連接。 圖 建立連接模塊的程序框圖 在 LabVIEW 前面板中設(shè)計了相應(yīng)的對話框供用戶操作以實現(xiàn)連接功能。建立連接之后，對話框會自動消失。 所以首先需要對激光二極管（ LD）和熱電制冷器（ TEC）的打開和關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行控制。所以在系統(tǒng)軟件中設(shè)計了相應(yīng)的限制保護(hù)措施，在打開開關(guān)時必須在 TEC 打開的狀態(tài)下才能打開 LD開關(guān)， 否則無法打開 LD，并且會出現(xiàn) 錯誤 提示：“請先打開 TEC”； 而在關(guān)閉開關(guān)時 必須在 LD 關(guān)閉 的狀態(tài)下才能打開 TEC 開關(guān)，否則無法打開 LD，并且會出現(xiàn)錯誤提示： “請先關(guān)閉 LD”。通過工具 → 選項 → 環(huán)境 菜單中 顏色 選項 ， 可以對指示燈閃爍時的顏色進(jìn)行重新設(shè)置， 首先取消使用默認(rèn)顏色選項，然后重新設(shè)置閃爍前景的顏色， 默認(rèn)情況下為黃色， 在本設(shè)計中已設(shè)置為綠色。 圖 開關(guān)控制模塊的前面板 工作模式設(shè)定模塊 設(shè)計 ITC4001 激光控制器 的 激光二極管可用兩種模式驅(qū)動： 恒電流（ CC） 模式 和恒功率（ CP） 模式 。 （ 2）由于在實際操作中為了保護(hù)激光二極管，在設(shè)置工作模式前必須先關(guān)閉 LD 開關(guān)再進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后再打開開關(guān)，過程煩瑣，甚至有時會忽略或忘記此操作過程而對激光二極管造成損害。在該模塊設(shè)計中，是通過比較模式選擇控件與查詢控件兩者的工作模式是否相同作為判斷條件來確定用戶是否正在對激光二極管的工作模式進(jìn)行 重新設(shè)置 ；在確定用戶已經(jīng)進(jìn)行了重新設(shè)置后，以確定按鈕作為判定依據(jù)來判斷用戶是否已完成工作模式的設(shè)置。 具體功能如下所示： （ 1）激光 器 的光功率、激光電流及 溫度 值通過各參數(shù)的讀取控件進(jìn)行讀取顯示，并且讀取值每隔 100ms 數(shù)據(jù)更新一次。 （ 3）由于激光器的溫度變化不能過大，否則會損壞激光器，所以當(dāng)激光控制器的溫度設(shè)定值與實際溫度值相差大于 5 攝氏度時，采用每 200ms 上升或下降 1 攝氏度 的方式進(jìn)行緩慢設(shè)置；小于 5 攝氏度時直接設(shè)定。 圖 溫度設(shè)置模塊的框圖程序 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁 共 49 頁 在 LabVIEW 軟件平臺下整個 光功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊的 框圖程序 如圖 。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 25 頁 共 49 頁 激光二極管調(diào)制設(shè)置 模塊用于實現(xiàn)對激光控制器的調(diào)制狀態(tài)、調(diào)制源、調(diào)制形式、調(diào)制頻率以及調(diào)制深度各參量狀態(tài)進(jìn)行讀取和設(shè)置。該激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊的框圖程序如圖 。 波長掃描模塊即是用于實現(xiàn)從初值溫度開始，每隔 t毫秒升溫 T攝氏度，直至達(dá)到終止溫度 停止；由于溫度與波長呈線性關(guān)系，所以通過該勻速升溫過程，即可實現(xiàn)相應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長掃描。本設(shè)計中需要一路 A/D 轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)字量送入計算機(jī)，并且在該模塊中只需在升溫后采集一個值，不需要一直進(jìn)行 AD采集。在每次進(jìn)行波長掃描之前，需要將波形圖表之前的圖形進(jìn)行清除，在 LabVIEW 的框圖程序中選中相應(yīng)的波形圖表，點擊右鍵，選擇創(chuàng)建 → 屬性節(jié)點 → 歷史數(shù)據(jù)，連接空數(shù)組至該屬性可清空圖表的歷史數(shù)據(jù)。通過 LabVIEW 控制 數(shù)據(jù)采集卡完成 A/D 轉(zhuǎn)換，對實際溫度所對應(yīng)的電壓信號進(jìn)行采集，并將采樣值送回 PC 機(jī)，對實際電壓值與設(shè)置電壓值之差進(jìn)行 PID 控制 運算，根據(jù) PID 調(diào)節(jié)的輸出量 重新設(shè)置 溫度， 從而 實現(xiàn)激光器波長的反饋控制。在對 USB2813A 采集卡進(jìn)行編程控制時，按功能分，該程序主要分為三個部分，第一部分是對采集卡進(jìn)行初始化，完成采集卡重要工作參數(shù)的設(shè)置，如量程選擇、單雙端選擇、首通道和末通道選擇；第二部分是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和有用數(shù)據(jù)的存儲，將數(shù)據(jù)先放入采集卡的板裁緩存FIFO 中，再由計算機(jī)讀取板裁緩存中的數(shù)據(jù)寫入由計算機(jī)的內(nèi)存中分配出的用戶緩存，后根據(jù)需要將有用 數(shù)據(jù)從內(nèi)存中存入計算機(jī)硬盤中，該部分中包括的子 VI 有讀取數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及顯示所采集信號的時域圖形的模塊；第三部分就是在采集結(jié)束后關(guān)閉采集卡。 然而 LabVIEW 自帶的儀器驅(qū)動程序庫僅適用于 NI 公司或與 NI公司有合作關(guān)系的否 是 創(chuàng)建設(shè)備對象 初始化和啟動 AD 讀取 AD 數(shù)據(jù) 取平均值 格式轉(zhuǎn)換 判斷是否停止 釋放和停止 AD 設(shè)備 釋放設(shè)備對象 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 49 頁