【正文】 rts. The first part is to build munication between PC and laser controller. The second part is for reading and controlling parameters of the laser. The third part, the most important part of the system, is for laser wavelength reading and feedback control. Virtual instrument software interfaces are designed based on the functional modules of the three parts respectively. 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 Finally, the experimental setup for fiberoptic sensor system is built, and the feasibility of virtualinstrumenttechnologybased laser wavelength control software system is experimentally demonstrated. Key words: fiberoptic sensor， laser wavelength control， virtual instrument， LabVIEW 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 I 頁 共 II 頁 目 錄 1 引言 ............................................................ 1 本課題提出的背景及意義 ........................................ 1 國內(nèi)外發(fā)展概況 ................................................ 2 光纖傳感技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況 .................................. 2 智能化光纖傳感國內(nèi)外發(fā)展概況 ................................ 3 虛擬儀器技術(shù) ................................................ 4 本課題主要研究內(nèi)容 ............................................ 5 2 激光器波長控制的原理和方法 ...................................... 7 光纖傳感系統(tǒng) .................................................. 7 光纖傳感系統(tǒng)概述 ............................................ 7 光纖傳感光源 ................................................ 8 DFB 激光器 ..................................................... 8 DFB 激光器簡介 ............................................... 8 波長調(diào)諧 ................................................... 10 激光控制器 ................................................... 11 激光控制器簡介 ............................................. 11 ITC4001 激光控制器 .......................................... 12 3 激光器波長控制器的軟件設(shè)計 ..................................... 14 軟件系統(tǒng)設(shè)計原理 ............................................. 14 軟件系統(tǒng)設(shè)計思路 ........................................... 14 基于虛擬儀器軟件系統(tǒng)的儀器控制理論 ......................... 15 基于 LabVIEW 的激光器波長控制器軟件系統(tǒng) ....................... 16 建立連接模塊設(shè)計 ........................................... 17 開關(guān)控制模塊設(shè)計 ........................................... 19 工作模式設(shè)定模塊設(shè)計 ....................................... 20 光功率、激光電流、溫度讀取與設(shè)置模塊設(shè)計 ................... 22 激光二極管調(diào)制設(shè)置模塊設(shè)計 ................................. 24 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 II 頁 共 II 頁 波長掃描模塊設(shè)計 ........................................... 26 PID 控制模塊設(shè)計 ............................................ 28 虛擬儀器界面設(shè)計 ............................................. 32 4 實驗測試系統(tǒng) ................................................... 34 實驗測試系統(tǒng)的組成 ........................................... 34 實驗測試 ..................................................... 35 波長掃描模塊實驗測試 ....................................... 35 PID 控制模塊實驗測試 ........................................ 37 5 全文總結(jié) ....................................................... 41 參考文獻 .......................................................... 42 致謝 .............................................................. 49 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 49 頁 1 引言 本課題提出的背景及意義 20 世紀 70年代 ， 伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來一種以光為載體、光纖為媒介，感知和傳輸外界 （ 被測量 ）信號的新型傳感技術(shù) —— 光纖傳感技術(shù) [1,2]。將虛擬儀器技術(shù)運用于光纖傳感系統(tǒng)當中正符合光纖傳感技術(shù)智能化的發(fā)展方向，同時利用計算機強大的軟件功能提高光纖傳感系統(tǒng)開發(fā)效率和降低開發(fā)成本。該軟件系統(tǒng)可分為三大部分，第一部分用于建立激光控制器與 PC 機之間的通信；第二部分用于 讀取和控制 激光器各參數(shù)；第三部分是系統(tǒng)最重要的組成部分，用于實現(xiàn)激光器波長的讀取和反饋控制。 隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，傳感系統(tǒng)化、智能化的要求賦予了光纖傳感技術(shù)新的內(nèi)容。另外，在光纖傳感中，需要對激光器的工作電流進行控制，保證激光器輸出功率的穩(wěn)定性。 20 世紀 90 年代后期，在光通信技術(shù)的帶動下光纖傳感器呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展并形成了五大應(yīng)用領(lǐng)域 [19]。由于受到國內(nèi)整體水平 和 投資力度的限制，我國光纖傳感的整體發(fā)展水平比國際先進水平相對落后 [21]。至今國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工程化的光纖傳感產(chǎn)品 [20]。基于光纖傳感的智能材料可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境變 化的自判斷性、自適應(yīng)性、自診斷性、自修復(fù)性等諸多性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、安防、體育、醫(yī)療及土木工程等眾多方面 [32]。從軟件的角度，多層次的計算功能被引入光纖傳感系統(tǒng)，如現(xiàn)代譜分析、時頻分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊控制等 [38,39,40]，可以實現(xiàn)邏輯判斷、數(shù)據(jù)分類、模式識別、自動報警等各種智能化功 能 [33,41,42]。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 49 頁 在給定計算機和必需的儀器硬件下，構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就是應(yīng)用軟件。使用集成化的 LabVIEW 環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，進行數(shù)據(jù)分析以獲取實用信息，極大的提高了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的效率 [50]。它以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，實現(xiàn)被測量信號的感知和傳輸 [36]。 光纖傳感器 可以測量的環(huán)境參量主要有應(yīng)力、溫度、振動、化學(xué)濃度及電磁場等等。其主要優(yōu)點是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長、供電電源簡單 、 易于控制調(diào)節(jié) 、 發(fā)光亮度和發(fā)光效率高， 并 且抗沖擊、耐振動、工作電壓低、耗電小、單色性好、能在環(huán)境惡劣的條件下使用 。所以，只有在一系列 值上才有反射的光波，這就是所謂的“ Bragg 反射”，此光波的波長稱為布拉格波長，這就是波長的選擇性。另外，由于光柵的穩(wěn)定性好， DFB 激光器輸出功率的線性較好，這對于多路信號的傳輸效果較好，因為可以減少傳輸過程中的互調(diào)干擾。因此激光二極管的波長調(diào)諧可采用溫度調(diào)諧和注 入 電流調(diào)諧 [70]。 熱調(diào)諧 是 通過調(diào)整 DFB 激光器腔內(nèi)溫度，改變有源區(qū)折射率來改變波長。 激光控制器簡介 半導(dǎo)體激光器對工作條件要求苛刻， 瞬態(tài)電 流或電壓尖峰等許多因素都很容易損壞激光器，會造成性能的急劇惡化， 電流、溫度的起伏會引起光功率的變化，影響輸出的準確、穩(wěn)定。恒流驅(qū)動通過外圍設(shè)置提供恒定的直流電流、恒功率驅(qū)動通過 PD 檢測到驅(qū)動電流的變 化來調(diào)節(jié)驅(qū)動電流，達到恒定光功率輸出、調(diào)制驅(qū)動通過外接調(diào)制信號， 使半導(dǎo)體激光器輸出調(diào)制的光信號。當需要最低噪聲和最高響應(yīng)速度時，應(yīng)選擇 CC模式，但這種模式一般也要求溫度穩(wěn)定。 15 安的高性能數(shù)字 TEC 控制器。此外 ITC4001 激光控制器 可通過 SCPI 兼容的 USB 接口進行控制 , 并 提供了驅(qū)動軟件包 ， 用戶可以通過驅(qū)動程序進行功能擴展以適應(yīng)實際應(yīng)用的具體要求 。軟件系統(tǒng)設(shè)計的原理框圖如圖 。在本軟件系統(tǒng)中，根據(jù)本課題 實際 控制需求，只需對激光器的部分參數(shù)進行控制操作，主要包括：激光二極管和熱電冷卻器的開關(guān)控制功能、溫度、 光功率 和 激光電流 的讀取 與 設(shè)置功能 ， 以及激光二極管的工作模式和調(diào)制模式的 讀取 與 設(shè)置功能 。對大多數(shù)使用者來說，儀器的開發(fā)的主要工作變成了軟件的設(shè)計。但它不能獨立運行，而是用來為其他的可執(zhí)行文件如 EXE 或DLL 提供共享函數(shù)。在 LabVIEW 環(huán)境中開發(fā)的程序稱為虛擬儀器（ Virtual Instrument，VI） ,它配合相應(yīng)硬件便能實現(xiàn)特定的功能，從而取代昂貴、復(fù)雜的實際儀器設(shè)備，達到降低成本、小型化系統(tǒng)的目的 [86]。 圖 激光控制器與計算機連接方式 ITC4001 激光控制器提供了一個 全速鏈接 ，遵循 規(guī)范 、 USBTMC 規(guī)范和 USBTMC USB488 規(guī)范。 Automation Explorer（ MAX），該設(shè)備會出現(xiàn)在 MAX 里面的 Device and Interfaces→ USB Devices 目錄下。為了實現(xiàn) ITC4001 激光控制器與計算機之間的 通信，需調(diào)用初始化和 選擇 USBINSTR 對話框 兩個子 VI，具體的程序框圖如圖 所示。 開關(guān)控制模塊 設(shè)計 由于 ITC4001激光控制器 內(nèi)部包括 一個激光二極管電流控制器 和 一個 TEC元件控制器。在 LabVIEW 程序框圖中點擊右鍵，選擇創(chuàng)建 → 屬性節(jié)點→ 閃爍， 實現(xiàn)指示燈的閃爍功能，并 通過定時等待控件設(shè)置閃爍時間，本設(shè)計中閃爍時間設(shè)為 3000 毫秒 。 具體功能 如下所示 ： （ 1）通過激光二極管工作模式選擇控件的下拉菜單選擇恒電流或恒功率工作模式，點擊確定按鈕，隨即完成工作模式的設(shè)置；通過激光二極管工作模式查詢控件對激光二極管實際的工作模式進行 顯示 。 功率、激光電流、溫度讀取與 設(shè)置 模塊 即用于實現(xiàn)對激光控制器功率、激光電流和溫度這三個參量的讀取和設(shè)置。對于溫度的設(shè)置需要通過邏輯判斷對不同情況做出不同的響應(yīng)，此溫度設(shè)置模塊的框圖程序如圖 所示。對于調(diào)制源和調(diào)制形式的三種方式通過下拉菜單進行切換和選擇，對于調(diào)制頻率和調(diào)制深度的范圍限制同樣是通過數(shù)值控件的屬性選項進行設(shè)置。 USB2813A 卡是一種基于USB 總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計算機的 USB 接口相連。 圖 波長掃描模塊的前面板 PID 控制模塊 設(shè)計 PID 控制模塊 通過數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了波長的反饋調(diào)節(jié)。 所謂硬件驅(qū)動程序就