【正文】 傳感系統(tǒng)實(shí)用化的開發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)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(chǎng)，其研究和開發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視，各國(guó)家競(jìng)相研究開發(fā)并引起激烈的競(jìng)爭(zhēng)。 我國(guó)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(diǎn)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(diǎn) [30]。 智能化光纖傳感國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 智能化是現(xiàn)代傳感技術(shù)的一個(gè)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(cè) [34]、石油測(cè)井 [35]等。智能光纖傳感系統(tǒng)在石油測(cè)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(hào)集中處理，可以實(shí)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(cè)技術(shù)重現(xiàn)井筒真實(shí)狀況，對(duì)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件電路設(shè)計(jì)。 所以虛擬儀器技術(shù)的引入推動(dòng)了光纖傳感系統(tǒng)智能化的發(fā)展。 目前，國(guó)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(jí)接口及虛擬儀器的用戶界面。 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 是一個(gè)業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件工具，用于開發(fā)測(cè)試、測(cè)量和控制系統(tǒng)。 在當(dāng)前計(jì)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(jì)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(tái)。首先通過清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 49 頁 LabVIEW 軟件編程 控制 A/D 采樣 ， 對(duì)溫度變換所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，采集完畢后通過 PID 算法對(duì)溫度進(jìn)行重新設(shè)置，從而達(dá)到波長(zhǎng)的反饋調(diào)節(jié)； （ 5） 設(shè)計(jì)虛擬儀器界面； （ 6） 通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證 基于虛擬儀器的激光器波長(zhǎng)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(hào)對(duì)光纖中傳播的光進(jìn)行調(diào)制 [23]。光源相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源，負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)射；光纖是傳輸媒質(zhì)，負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸；傳感頭感知外界信息，相當(dāng)于調(diào)制器；光探測(cè)器負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換，將光纖送來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；信號(hào)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(hào) — 調(diào)制 — 傳輸 — 接收光信號(hào) — 電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)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(zhǎng)必須在傳輸光纖的低損耗窗口波段： （ 通常稱作短波長(zhǎng)波段 ） 、 和 波段 （ 通常將 和 稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)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(zhǎng)； （ 5）光源必須輕巧，適應(yīng)振動(dòng)、溫度、濕度等環(huán)境變化； （ 6） 能批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜。它與光纖的特點(diǎn)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(gè)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(duì)波長(zhǎng)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(shí)間和外部環(huán)境的影響 [66]。 波長(zhǎng)調(diào)諧 波長(zhǎng)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(zhǎng)可調(diào)諧激光器一般主要由三個(gè)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(zhǎng)的可調(diào)裝置；穩(wěn)定輸出波長(zhǎng)的裝置（波長(zhǎng)鎖定器或標(biāo)準(zhǔn)具）。目前波長(zhǎng)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(zhǎng)。 一般采用清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 49 頁 熱電冷卻器（ TEC）來保證波長(zhǎng)的精度，技術(shù)簡(jiǎn)單。 在半導(dǎo)體激光器作為光源的系統(tǒng)中，對(duì)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(dòng)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(duì)激光器的工作進(jìn)行監(jiān)控。驅(qū)動(dòng)電流的波動(dòng)，不僅會(huì)引起激光器的激光強(qiáng)度噪聲，還會(huì)造成輸出波長(zhǎng)光譜線寬的展寬。 它不僅能夠?yàn)榘雽?dǎo)體激光器提供穩(wěn)定的輸出，而且還對(duì)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(cè)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(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行制冷或加熱，從而實(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)穩(wěn)定激光 器的輸出功率。增加激光器驅(qū)動(dòng)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(shí)內(nèi) 。實(shí)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(yùn)行可獲得更高的設(shè)置和測(cè)量分辨率。這些功能加上新型設(shè)計(jì)提供了安靜和高功效的運(yùn)行，使 ITC4001激光控制器 成為實(shí)驗(yàn)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(jì)原理框圖 計(jì)算機(jī)接口為硬件模塊和計(jì)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(jì)算機(jī)接口連接 起來 ，實(shí)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(dòng)程序模塊是通過接口實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件模塊的控制，實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)平臺(tái)對(duì)硬件的調(diào)用，完成對(duì)硬件的管理；軟件開發(fā)平臺(tái)是用戶為測(cè)試和實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)生成的系統(tǒng)軟件平臺(tái)，為用戶提供一個(gè)編程環(huán)境，通過開發(fā)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面，用戶可以直接通過虛擬顯示面板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jì)中根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，對(duì) 激光器波長(zhǎng)控制軟件系統(tǒng) 設(shè)計(jì)了以下四個(gè)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(jì)算機(jī)。由于 ITC4001 激光控制器 提供了驅(qū)動(dòng)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(diǎn)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)實(shí)際溫度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào) 進(jìn)行采集， 并 送回 PC機(jī)， 將實(shí)際電壓值與設(shè)置電壓值之差進(jìn)行 PID 控制 運(yùn)算，根據(jù) PID 調(diào)節(jié)的輸出量 重新設(shè)置 溫度， 從而 實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)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(dòng)態(tài)鏈接庫 （ Dynamic Link 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(gè)導(dǎo)出函數(shù)被調(diào)用時(shí)才被執(zhí)行。 在 LabVIEW 中動(dòng)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(diǎn) （ Call Library Function Node） 實(shí)現(xiàn)的 [85]。 基于 LabVIEW 的激光器波長(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)掃描以及 PID 控制。 ITC4001 激光控制器具有 USB 接口功能，可由計(jì)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(huì)正確識(shí)別為 USB Test amp。這時(shí)，就可以控制其他 GPIB 設(shè)備一樣使用這個(gè)資源名來控制 USBTMC 設(shè)備。 所以通過以上方式可以實(shí)現(xiàn) ITC4001 激光控制器 與 計(jì)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(jì)了相應(yīng)的對(duì)話框供用戶操作以實(shí)現(xiàn)連接功能。建立連接之后，對(duì)話框會(huì)自動(dòng)消失。 所以首先需要對(duì)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(jì)了相應(yīng)的限制保護(hù)措施，在打開開關(guān)時(shí)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(huì)出現(xiàn) 錯(cuò)誤 提示：“請(qǐng)先打開 TEC”； 而在關(guān)閉開關(guān)時(shí) 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(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示： “請(qǐng)先關(guān)閉 LD”。通過工具 → 選項(xiàng) → 環(huán)境 菜單中 顏色 選項(xiàng) ， 可以對(duì)指示燈閃爍時(shí)的顏色進(jìn)行重新設(shè)置， 首先取消使用默認(rèn)顏色選項(xiàng)，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(jì)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(jì) ITC4001 激光控制器 的 激光二極管可用兩種模式驅(qū)動(dòng)： 恒電流（ CC） 模式 和恒功率（ CP） 模式 。 （ 2）由于在實(shí)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(shí)會(huì)忽略或忘記此操作過程而對(duì)激光二極管造成損害。在該模塊設(shè)計(jì)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(duì)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(huì)損壞激光器，所以當(dāng)激光控制器的溫度設(shè)定值與實(shí)際溫度值相差大于 5 攝氏度時(shí)，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(shí)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(jì)說明書 第 24 頁 共 49 頁 在 LabVIEW 軟件平臺(tái)下整個(gè) 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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)掃描模塊即是用于實(shí)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(zhǎng)呈線性關(guān)系，所以通過該勻速升溫過程，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長(zhǎng)掃描。本設(shè)計(jì)中需要一路 A/D 轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)，并且在該模塊中只需在升溫后采集一個(gè)值，不需要一直進(jìn)行 AD采集。在每次進(jìn)行波長(zhǎng)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(diǎn)擊右鍵，選擇創(chuàng)建 → 屬性節(jié)點(diǎn) → 歷史數(shù)據(jù)，連接空數(shù)組至該屬性可清空?qǐng)D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(duì)實(shí)際溫度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并將采樣值送回 PC 機(jī)，對(duì)實(shí)際電壓值與設(shè)置電壓值之差進(jìn)行 PID 控制 運(yùn)算，根據(jù) PID 調(diào)節(jié)的輸出量 重新設(shè)置 溫度， 從而 實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)的反饋控制。在對(duì) USB2813A 采集卡進(jìn)行編程控制時(shí)，按功能分，該程序主要分為三個(gè)部分，第一部分是對(duì)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(chǔ)，將數(shù)據(jù)先放入采集卡的板裁緩存FIFO 中，再由計(jì)算機(jī)讀取板裁緩存中的數(shù)據(jù)寫入由計(jì)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(jì)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(chǔ)模塊以及顯示所采集信號(hào)的時(shí)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(dòng)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(duì)象 初始化和啟動(dòng) 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(duì)象 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 30 頁 共 49 頁