【正文】 同時(shí)也要感謝自己遇到困難的時(shí)候沒(méi)有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法來(lái)解決問(wèn)題。本文從光纖光柵的基礎(chǔ)理論出發(fā)，根據(jù)溫度傳感模型，重點(diǎn)研究 Bragg 光纖光柵的傳感特性及其在測(cè)溫方面的應(yīng)用。 圖 49 波長(zhǎng)監(jiān)控界面圖 圖 410 系統(tǒng)設(shè)置界面圖 在光柵溫度監(jiān)控標(biāo)簽頁(yè)里面，可以監(jiān)控各個(gè)光柵的溫度值，并且能設(shè)定和顯示報(bào)警狀態(tài)，如圖 411 是設(shè)置警戒值為 40 攝氏度在 10 秒內(nèi)升溫不超過(guò) 20 度。片上儲(chǔ)存器總數(shù)為 2MB 的 SRAM 和 6M 的 ROM，同時(shí)集成了各種音頻專用和通用外設(shè)。 8. 串行掃描與仿真特性 ADSP SHARC 系列處理器支持標(biāo)準(zhǔn)的 IEEEP1149JTAG 系統(tǒng)測(cè)試，該標(biāo)準(zhǔn)為串行掃描系統(tǒng)中元件的 I/O 狀態(tài)定義了有效的測(cè)試方法。指令緩存是否使用，也可以通過(guò)編程加以控制。對(duì)于單個(gè)乘、累加指令，能同時(shí)并行的在乘法器和 ALU 中執(zhí)行。 圖 43 AD7865 引腳分布圖 關(guān)于 DAC 的設(shè)計(jì)：光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 路 DAC 用于生產(chǎn)控制 FP 濾波器畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 19 的掃描電壓信號(hào)。耦合器就是將輸入信號(hào)分成兩路或多路輸出，或?qū)陕坊蚋嗦份斎牒喜⒊梢宦份敵觥?ASE 帶寬光源是專為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的。在傳感光路中，傳感光經(jīng)過(guò)光路到達(dá)串聯(lián)在一起的光纖光柵，從而可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)測(cè)。 光纖布拉格光柵測(cè)溫系統(tǒng)裝置硬件框圖如圖 41所示， 圖 41 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)裝置硬件框圖 整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程如下：由 ASE 寬帶光源發(fā)出 1525nm1565nm 波段的寬帶光，通過(guò)光 纖 FP 濾波器后再經(jīng)耦合器分成傳感光路和參考光路。 光源 耦合器 1 耦合器 2 除法器 濾波器 傳感器 FBG 輸出 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 15 圖 36 可調(diào)光纖 FP 腔解調(diào)原理圖 隔離器 此系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要就是消除了光源波動(dòng)的影響，適用于動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的測(cè)量，具有較好的線性輸出，并且體積性對(duì)來(lái)說(shuō)可以做的很小，便于戶外使用。匹寬帶光源 定向耦合器 壓電陶瓷 相位漂移補(bǔ)償 差動(dòng)運(yùn)放 信號(hào)處理電路 光電探測(cè)器 FBG 寬 帶光源 光耦合器 光譜分析儀 FBG 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 13 配光柵解調(diào)法的基本原理如圖 33所示。但是由于傳統(tǒng)的 色散掕鏡或者衍射光柵為基礎(chǔ)的光譜儀的分辨率較低，所以造成了測(cè)量反射波波長(zhǎng)的精度不高，無(wú)法滿足實(shí)際情況的要求。若想要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，我們可以利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)或空間復(fù)用技術(shù)組成光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的方法可以實(shí)現(xiàn)。 綜合考慮，當(dāng)溫度和應(yīng)力變的影響同時(shí)存在時(shí)有： B?? = TK T? + ???K （ 216） 由（ 216）式可知，當(dāng)光纖 Bragg 光柵傳感器所受應(yīng)力或溫度發(fā)生改變時(shí)，光柵中心反射波長(zhǎng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)。 在光纖的基本光學(xué)性能里面已經(jīng)得到，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出： ??? ??? dndnd eff (210) 其微分形式為： ??????? effeff nn 22? (211) 從（ 210）和（ 211） 式可以看出光柵布拉格波長(zhǎng) 并不是一個(gè)常量，而是有一定的偏移量，且反射波長(zhǎng)的偏移量 ?? 與光纖纖芯的有效折射率 efn 和光柵周期 ? 的變化有關(guān)。 當(dāng)一束光經(jīng)過(guò)光纖布拉格光柵時(shí)，滿足布拉格光柵波長(zhǎng)條件的就會(huì)被反射回來(lái)，為滿足布拉格光柵波長(zhǎng)條件的光波就會(huì)透射過(guò)去。 光纖具有非傳導(dǎo)性，所以對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在煤氣附近、電站、核設(shè)施、礦井下、油田以及油罐周?chē)葠毫?、畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 5 高危險(xiǎn)環(huán)境中工作。與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，它具有一般光纖傳感器所具備的 所有優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感技術(shù)是利用光纖光柵對(duì)光柵對(duì)某些物理量的敏感特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的信號(hào)的技術(shù)，即由于光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量（振幅、相位、波長(zhǎng)等）因外界因素（如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場(chǎng)等）的作用 而直接或間接發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來(lái)探測(cè)各種物理量，其示意圖見(jiàn)圖 12。該類光纖光柵在通信和傳感領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。使得光纖光柵靈活的制造大批量的生產(chǎn)成為可能，光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没? 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性的變化），通過(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫(xiě)入纖芯，使得在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率呈周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡，利用這 涂敷層 包層 纖芯 2b 2a 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 2 一特性可制造出許多性能獨(dú)特的 光纖器件，例如光纖反饋腔就是利用光纖光柵的窄帶高反射率特征制造出來(lái)的，光纖激光器是利用摻餌光纖等為增益介質(zhì)；外腔反射器利用光纖光柵作為激光二極管，光纖光柵還可以構(gòu)成可調(diào)諧激光二極管；利用光纖光柵可構(gòu)成 Michelson 干涉儀型 MachZehnder 干涉儀和 FebryPeort 干涉儀型的光纖濾波器。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，決定了光纖光柵可在某些特殊條件下的測(cè)量工作，比起常規(guī)檢測(cè)技術(shù)來(lái)具有更多的優(yōu)勢(shì)，是傳感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向。 本系統(tǒng)的高速數(shù)字信號(hào)處理電路部分采用的高性能浮點(diǎn) DSP處理芯片 ,實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)運(yùn)算處理 ,將處理后的結(jié)果信息通過(guò)串口發(fā)送至控制模塊 ,再通過(guò)GPIO 接口對(duì)控制模塊等相關(guān)模塊進(jìn)行通信。 系統(tǒng)搭建完成后 ,進(jìn)行了對(duì)系統(tǒng)性能的測(cè)試 ,檢驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量溫度的準(zhǔn)確度 ,其中包含兩個(gè)方面 。光纖傳感技術(shù)代表了新一代傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。利用閃耀光纖光柵可以制成光纖平坦濾波器；利用非均勻光纖光柵可以制成光纖色散補(bǔ)償器等。光纖光柵是近幾年發(fā)展最快的光纖無(wú)源器件之一，它的出現(xiàn)將可能在光纖技術(shù)以及眾多相關(guān)領(lǐng)域中引起的一場(chǎng)新的技術(shù)革命。 近年來(lái)，光纖光柵的制作方法得到了人們的廣泛研究并發(fā)展了多種制作方法，目前制作光纖光柵的方法主要有全息成柵法、相位掩膜法和干涉法。 圖 12 光纖傳感原理圖 光纖光柵傳感器是利用光波波長(zhǎng)的變化來(lái)探測(cè)外界物理量的。此外，因?yàn)樽陨淼奶攸c(diǎn)，光纖光柵傳感器也具有普通光纖傳感器無(wú)法具備的優(yōu)點(diǎn)： 光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，它的傳感過(guò)程是通過(guò)外界參量對(duì)光柵中心波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，這樣可以避免光纖光柵傳感器中各種光強(qiáng)起伏對(duì)測(cè)量精度引起的干擾。 因此，基于以上的優(yōu)點(diǎn)，自 1989 年首次報(bào)道將光纖光柵用作傳感器以來(lái)，光纖光柵傳感受到了世界范圍的廣泛重視，并且已經(jīng)取得了持續(xù)和快速地發(fā)展。 如圖 21和 22 所示。當(dāng)光柵受到軸向應(yīng)力的作用或者溫度的變化影響時(shí)，纖芯有效折射率和光柵的周期都會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)溫度或應(yīng)變其中一個(gè)參量恒定時(shí)，波長(zhǎng)的移動(dòng)由應(yīng)變或溫度的改變引起。在實(shí)際應(yīng)用中，我們測(cè)得的被測(cè)量的精度越高越好，所以如何高測(cè)量光纖光柵的反射波長(zhǎng)移動(dòng)量的精度就成了我們研究光纖光柵傳感器的關(guān)鍵問(wèn)題。高分辨率的光纖光譜分析儀可以滿足高精度測(cè)量的需求，但是其價(jià)格昂貴，體積龐大，由此構(gòu)成的系統(tǒng)成本高并且缺乏必要的緊湊性和牢固度，除此之外這種方法不適合在現(xiàn)在使用，在實(shí)際應(yīng)用的傳感器系統(tǒng)中是很不方便的，采用這種光譜儀檢測(cè)光纖光柵的波長(zhǎng)移位也是非常不現(xiàn)實(shí)的，更重要的是，光纖光譜儀直接測(cè)出的是光波的波長(zhǎng)的變化，它并不能直接輸出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)變化的電信號(hào)，這對(duì)于測(cè)量結(jié)果的記錄、存儲(chǔ)和顯示以及提供回路必要的電信號(hào)以達(dá)到 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的目的是極為不利的。 圖 33 匹配光柵解調(diào)原理圖 該方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)最終檢測(cè)的反射光強(qiáng)無(wú)絕對(duì)要求，各類強(qiáng)度噪聲也不會(huì)對(duì)輸出結(jié)果有影響。但是也不能忽略其缺點(diǎn)，由于分辨率是由濾波器的濾波曲線的斜度而定的，所以線性邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)分辨率不是很高，而濾波曲線的線性近似也會(huì)造成一定的不可避免的誤差。在參考光路中服務(wù)器監(jiān)控 用戶終端 光纖 FP 濾波器 ASE 寬帶光源 耦合器 耦合器 傳感光路和參考光路獲得的光信號(hào)傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理與放大電路處理后，由 AD 轉(zhuǎn)換模塊同步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行濾波降噪、信號(hào)特征的提取與分析，根據(jù)光柵溫度解調(diào)算法解算出傳感光柵的溫度值。光源主題部分是增益介質(zhì)摻鉺光纖盒高性能的泵浦激光器。 信號(hào)處理電路部分 ADC 與 DAC 電路設(shè)計(jì) ADC設(shè)計(jì)中系統(tǒng)采用 4通道同步轉(zhuǎn)換 ADC 芯片 AD7865，圖 43 為 AD7865 的引腳分布圖，其具有 14 位精度、低功耗、采樣保持，單電源供電，電源電壓為 至 ，四路同步采樣最高吞吐量可達(dá) 100KSPS。 DAC 采用 nanoDAC 系列，其特點(diǎn)為低功耗、雙通道、 12 位緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DAC），采用 至 單電源供電，通過(guò)設(shè)計(jì)保證單調(diào)性，還有一個(gè) IC 兼容型串行接口。運(yùn)算單元支持 IEEE32 位單精度浮點(diǎn)、 40 位擴(kuò)展精度浮點(diǎn)和 32位定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式。 有了指令緩存，處理器就能高速執(zhí)行循環(huán)操作，比如數(shù)字濾波的乘、累加操作和 FFT 碟性運(yùn)算等。 JTAG 串行口也能訪問(wèn)ＡＤＳＰ ＳＨＡＲＣ系列處理器片內(nèi)的仿真資源。 其中電壓轉(zhuǎn)換電路如圖 46， SRAM 接口如圖 47。此時(shí)不報(bào)警。本文設(shè)計(jì)了一種基于 FP 濾波器解調(diào)的光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)解調(diào)的裝置，本系統(tǒng)的特點(diǎn)就是將電學(xué)方面的知識(shí)、信號(hào)處理方面的知識(shí)和光纖傳感方面的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)便于使用者操作的一個(gè)系統(tǒng)，使利用光纖光柵測(cè)溫更加直觀，測(cè)量精度更加精確。最后， 感謝生我養(yǎng)我的父母。他們?cè)谖以O(shè)計(jì)中給了我許多寶貴的意見(jiàn)和建議。它涉及光纖傳感和光纖通信的各個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)槠渥陨砭邆涞闹T多優(yōu)點(diǎn)，所以它有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。點(diǎn)光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng) RS232 接口 鏈路 服務(wù)器 數(shù)據(jù)處理 高精圖形顯示 告警列表顯示 樹(shù)狀目錄顯示 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 24 擊寫(xiě)入 FLASH 按鈕可以將這些參數(shù)固化到 DSP 處理模塊中，以后使用就可以不必再進(jìn)行一次配置。芯片基于一 個(gè)單指令多數(shù)據(jù)（ SIMD）內(nèi)核，支持32 位定點(diǎn)和 3240 位浮點(diǎn)運(yùn)算格式，與以前的所有 SHARC 處理器代碼完全兼容，可最大化地復(fù)用已有代碼。 DMA 控制器支持 1014 個(gè) DMA 通道的無(wú)干預(yù)后臺(tái)傳輸， DSP 核與 I/O 處理器可以同時(shí)并行訪問(wèn)內(nèi)部?jī)?chǔ)存器。 4. 指令緩存 ADSP ＳＨＡＲＣ系列處理器內(nèi)部有一個(gè)高效的３２級(jí)指令緩存，允許３條總線同時(shí)取１條指令和２個(gè)操作數(shù)。 畢業(yè)設(shè)計(jì) /論文 20 圖 45 ADSP2136 的晶振 1. 獨(dú)立并行運(yùn)算單元 算數(shù) /邏輯單元（ ALU）、乘法器和移位器都可以再單周期里執(zhí)行指令，它們并列排列，大大提高了數(shù)據(jù)吞吐率。采 用 5V電源，吞吐量為 100KSPS時(shí)， AD7865 的功耗為 115mW。但是在很多