【正文】 制約的，在 LabVIEW 環(huán)境 下 編寫(xiě)程序時(shí)需要互相作為開(kāi)、關(guān)狀態(tài)的判斷條件。通過(guò) LabVIEW 程序框圖的函數(shù) → 選擇 VI目錄下，選擇該 VI所存放的地址可以對(duì)所需的子 VI 進(jìn)行調(diào)用。激光控制器與計(jì)算機(jī)的連接方式如圖 。 DLL文件也是一種可執(zhí)行文件。 DFB 激光器 激光控制器 計(jì)算機(jī) 接口 虛擬儀器 軟件平臺(tái) 儀器驅(qū)動(dòng)程序 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 49 頁(yè) （ 2）建立連接之后，即可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)激光控制器進(jìn)行基本的控制操作和參數(shù)的讀取和設(shè)置。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 49 頁(yè) ITC4001 激光控制器 通過(guò)前面板按鍵，以及大型易閱讀的圖形化液晶顯示器上直觀的操作菜單進(jìn)行控制。 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，其激光電流可精確保持在用戶調(diào)節(jié)的水平；或恒功率（ CP）模式，此模式下光學(xué)功率傳感器用于監(jiān)測(cè)激光器的輸出功率以進(jìn)行主動(dòng)功率控制。 目前，已經(jīng)有一些商業(yè)化的激光控制器被應(yīng)用到光纖傳感中。 半導(dǎo)體激光器與其它傳統(tǒng)激光器相比，激光二極管的輸出光功率和頻率受溫度和注入電流的影響顯著。當(dāng)一束入射角為 的光波照射到一個(gè)周期變化的波紋結(jié)構(gòu)上時(shí)，入射光波被周期性波紋結(jié)構(gòu)所散射，這些散射波相互之間有一定相位關(guān)系，只有那些出射方向的角度滿足下列關(guān)系時(shí)： （ 式） 各散射波才有疊加增強(qiáng)的作用，而在其他方向上的散射波互相抵消。 圖 光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū) （ 測(cè)量區(qū) ），在調(diào)制區(qū)內(nèi)外界被測(cè)參數(shù)作用于進(jìn)入調(diào)制區(qū)內(nèi)的光信號(hào)， 使其光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光 ； 再經(jīng)過(guò)光纖送入光 探 測(cè)器，光 探 測(cè)器對(duì)進(jìn)來(lái)的光信號(hào)進(jìn)行 光電 轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào) ； 最后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理而得到可用信號(hào)，從而獲得被測(cè)參數(shù)。 LabVIEW中編寫(xiě)的源程序很接近于程序流程圖， 利用 LabVIEW 畫(huà)出方框圖后即可自動(dòng)生成測(cè)試軟件。虛擬儀器可方便的在通用微機(jī)、工控機(jī)、 PXI 機(jī)箱等實(shí)現(xiàn)，處理速度上相對(duì)略弱，但硬件成本大大降低，開(kāi)發(fā)周期短，使用靈活。雖然光纖傳感器能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳感器高精度、安全、高可靠的要求，但因制作十分精密，在惡劣場(chǎng)合下長(zhǎng)期使用有一定的技術(shù)難度。 20 世紀(jì)80 年代，光纖的出現(xiàn)使得光纖傳感器顯示出了廣闊的應(yīng)用前景 [18]。光纖傳感技術(shù)已 成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動(dòng)著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。因此，本文采用虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)激光器波長(zhǎng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。 作為光纖傳感系統(tǒng)中關(guān)鍵的光學(xué)元件之一的光源，與光纖傳感技術(shù)的發(fā)展是并肩前進(jìn)的。光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)逐步從軍事領(lǐng)域發(fā) 展 到了電力 、石油、石化、交通和建筑等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，在公共安全、國(guó)防、工農(nóng)業(yè) 安全生產(chǎn)、環(huán)保等重大安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。目前光纖傳感的智能化主要體現(xiàn)在光纖傳感與通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合。虛擬儀器的出現(xiàn)和興起，改變了傳統(tǒng)儀器的概念、模式和結(jié)構(gòu)，是 21世紀(jì)測(cè)控儀器的重要發(fā)展方向 [44]。采用模塊化 的 設(shè)計(jì)思想，編寫(xiě)相應(yīng)的軟件程序 ，主要功能模塊包括：開(kāi)光控制模塊，激光二極管 工作模式設(shè) 置 模塊，光功率、激光電流、溫度讀取 和控制模塊和激光二極管 調(diào)制 設(shè)置模塊； （ 3） 利用可調(diào)諧激光器的溫度調(diào)諧 機(jī)理， 在 LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)調(diào)諧波段內(nèi)的波長(zhǎng)掃描，并對(duì)波長(zhǎng)掃描曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示； （ 4） 通過(guò) LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器波長(zhǎng)的讀取和反饋控制。 光纖傳感光源 在光纖傳感系統(tǒng)中，所選光源的類(lèi)型很大程度上決定了傳感器的工作模式、信號(hào)處理方法、分辨率、靈敏度及解調(diào)精度，因而選擇合適的光源對(duì)光纖傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起著重要的作用 [55]。各光波在有源區(qū)周期性波紋結(jié)構(gòu)的傳播過(guò)程中接收來(lái)自反向傳輸光波的布拉格散射光，這樣在波紋結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了反饋機(jī)制，由于波紋結(jié)構(gòu)具有增益，所以只要有足夠的反饋，就能產(chǎn)生激光振蕩，此激射光波的波長(zhǎng)正好在布拉格波長(zhǎng)處。 波長(zhǎng)可調(diào)諧是指激光器波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 對(duì)激光器的保護(hù)措施要足夠完備，因?yàn)?在 一些電學(xué)瞬變 的 過(guò)程，如電源的瞬間啟動(dòng)、電源的電涌、 AC電路的輻射等，都會(huì)引起激光器的性能變差，甚至損壞器件 ，所以 激光控制器通過(guò)外加元件構(gòu)成了激光器的保護(hù)電路 。 Thorlabs 特意限制了對(duì) 此功能的操作，以防止意外的調(diào)節(jié)。 ITC4001 提供許多增強(qiáng)功能，如準(zhǔn)連續(xù)波（ QCW）操作模式、簡(jiǎn)易自動(dòng) PID 設(shè)置以及多種激光二極管和 TEC 元件保護(hù)功能。 （ 4）由于激光器的波長(zhǎng)與溫度呈線性關(guān)系，所以通過(guò)控制激光器的工作溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的輸出波長(zhǎng)的反饋控制。由于在本設(shè)計(jì)中儀器生產(chǎn)廠家提供 了相應(yīng)的 DLL 文件，所以在 LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)下選擇調(diào)用 DLL 方式作為外部代碼接口。 對(duì)于主機(jī)端， 當(dāng)將一個(gè) USBTMC 兼容儀器插入 PC 機(jī)時(shí)，該設(shè)備就能被系統(tǒng)識(shí)別并且啟動(dòng)新硬件向?qū)?，接著在向?qū)е锌梢赃x擇 NIVISA 作為該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 49 頁(yè) 圖 建立連接模塊的運(yùn)行界面 當(dāng)對(duì)話框中出現(xiàn)正確的儀器名稱(chēng)和序列號(hào)之后，選擇 OK 按鈕，即可完成計(jì)算機(jī)與激光控制器之間的通信。 圖 開(kāi)關(guān)控制模塊的框圖程序 根據(jù)上述要求， 本軟件系統(tǒng)的 開(kāi)關(guān)控制模塊的前面板設(shè)計(jì)如圖 所示。C。 本設(shè)計(jì)中，利用激光器的溫度調(diào)諧機(jī)理，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)激光器進(jìn)行自動(dòng)升溫，能夠簡(jiǎn)單、快捷的實(shí)現(xiàn)初始溫度到終止溫度所對(duì)應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長(zhǎng)調(diào)諧。 在使用 USB2813A 數(shù)據(jù)采集卡之前， 必須在準(zhǔn)備插入采集卡的計(jì)算機(jī)中進(jìn)行 LabVIEW軟件和硬件驅(qū)動(dòng)程序的安裝，然后再根據(jù)需要編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集的程序。該波形掃描模塊的整個(gè)框圖程序如圖 。調(diào)制源包括內(nèi)調(diào)制源、外調(diào)制源以及內(nèi)調(diào)制源和外調(diào)制源共同作用三種方式；調(diào)制形式包括正弦波、三角波和方波； 調(diào)制頻率的范圍為 20 赫茲到 100 千赫 ； 可以設(shè)置的調(diào)制深度從 %到 100%。 設(shè)置工作模式 關(guān)閉 LD 開(kāi)關(guān) 設(shè)置完畢 打開(kāi) LD 開(kāi)關(guān) LD 開(kāi)關(guān)顯示控件閃爍 3 秒 點(diǎn)亮 LD 開(kāi)關(guān)顯示控件 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 49 頁(yè) 圖 工作模式設(shè)置模塊的框圖程序 根據(jù)上述功能要求，本軟件系統(tǒng)的激光二極管工作模式設(shè)定模塊的 前面板設(shè)計(jì)如 圖 所示。 （ 3）為了與激光控制器保持一致，在實(shí)際的 操作界面 中對(duì)于 LD 指示燈的顯示也是先閃爍 3 秒再點(diǎn)亮，而 TEC 指示燈直接點(diǎn)亮即可。由 Thorlabs接收命令 發(fā)送 命令 USB 數(shù)據(jù)線 LabVIEW 激光控制器 清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 49 頁(yè) 公司為 ITC4000系列的 激光控制器 提供了范例程序，其中包括儀器 初始話、關(guān)閉、狀態(tài)查詢、 選擇 USBINSTR 對(duì)話框以及 VXIpnp 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換器 5 個(gè)子 VI。首先通過(guò) USB 數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和激光控制器之間的硬件 連接 ，再通過(guò) LabVIEW編程控制計(jì)算機(jī)與激光 控制器 之間的通信。由于這些代碼庫(kù)是采用動(dòng)態(tài)鏈接方式鏈接到應(yīng)用程序或其他DLL 中的，可以被多個(gè)應(yīng)用程 序或 DLL 所共享，所以這種庫(kù)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) DLL。由于 ITC4001激光控制器是帶 有 USB接口的儀器設(shè)備，并且 遵循 USBTMC 規(guī)范 ， 所以通過(guò)向 USB 接口寫(xiě)入相應(yīng)的命令程序，即可實(shí)現(xiàn)激光控制器與 PC機(jī)之間的通信。為了提供最高的 TEC 元件保護(hù)， ITC 提供的保護(hù)功能包括可調(diào)節(jié)的 TEC 輸出電流限制，和溫度傳感器故障報(bào)警。它支持所有的激光二極管和監(jiān)測(cè)二極管引腳配置 ，并且 可使用大多數(shù)常用的溫度傳感器 。繼而形成了專(zhuān)用的激光控制器，用來(lái)測(cè)試和控制激光二極管，以保證激光器穩(wěn)定工作。 半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧基本原理是用各種方式引起禁帶寬度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)輸出光波長(zhǎng)的調(diào)諧 [69]。 有源區(qū)內(nèi)周期性波紋的周期即布拉格光柵的柵距為 ，只要用泵浦 （ 光泵浦或電泵浦 ） 激發(fā)，形成足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，則介質(zhì)就具備了增益條件，如果波紋深度滿足一定要求，兩端就可以得到激光輸出，所發(fā)射的激光波長(zhǎng)滿足： （ 式 ） 這種激光器的工作原理并不復(fù)雜，是熟知的布拉格散射原理。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 LabVIEW 是一種基于圖形開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，是第一個(gè) 借助于虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀 器的圖形程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，也是目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言。 DSP 芯片作為專(zhuān)用信號(hào)處理器，可以快速實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字信號(hào)處理算法，具有較強(qiáng)的數(shù)字處理功能，但是需要再結(jié)合控制器 (ARM 等 )構(gòu)成系統(tǒng)，并進(jìn)行復(fù)雜的接口設(shè)計(jì)。 目前，國(guó)內(nèi)外的光纖傳感領(lǐng)域存在“三多一少”，即 ： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告多 、 論文多 、 研究成果多，但工業(yè)化，經(jīng)市場(chǎng)考驗(yàn)不被淘汰的光纖傳感項(xiàng)目少。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 光纖傳感技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 20 世紀(jì) 60年代，激光的出現(xiàn)使基于光屬性的檢測(cè)技術(shù)獲得了飛速發(fā)展 [17]。 因此， 光纖傳感技術(shù)的 發(fā)展空間相當(dāng)廣闊，其應(yīng)用范圍已經(jīng) 滲透至國(guó)防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，在溫度、壓力、振動(dòng)、電流、電壓、磁場(chǎng)等眾多物理量的測(cè)量方面都有廣泛的實(shí)驗(yàn)研究 [6,7,8,9,10]。 首先，本文首先對(duì)光纖傳感技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況作了簡(jiǎn)要介紹，從光纖傳感的 原理出發(fā)論述了光纖傳感系統(tǒng)的基本組成。目前越來(lái)越多體積小、重量輕、功耗小、容易與光纖耦合的光源被廣泛地應(yīng)用 于光纖傳感系統(tǒng) ，在實(shí)際中主要應(yīng)用的光源有表面光發(fā)射二極管（ LED）、激光二極管（ LD）、超輻射二極管（ SLD）、 超熒光光源（ SFS）和分布反饋式激光器 (DFB） [15]。 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(kāi)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(kāi)發(fā)并引起激烈的競(jìng)爭(zhēng)。 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。 目前，國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)和公司都在積極 開(kāi)展這方面的研究和應(yīng)用工作 [45]。首先通過(guò)清華 大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 49 頁(yè) 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(guò) 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(guò)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。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(chēng)作短波長(zhǎng)波段 ） 、 和 波段 （ 通常將 和 稱(chēng)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。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。目前波長(zhǎng)調(diào)諧主要基于布拉格反射光柵，通常通過(guò)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)。 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]。增加激光器驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)預(yù)設(shè)限制，將導(dǎo)致可見(jiàn)和短聲音指示。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]。在軟件系統(tǒng)中 ，通過(guò) 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 LabVIEW 中動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)的調(diào)用是通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn) （ Call Library Function Node） 實(shí)現(xiàn)的 [85]。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。建立連接之后，對(duì)話框會(huì)自動(dòng)消失。 圖 開(kāi)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 。 （ 3）由于激光器的溫度變化不能過(guò)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。 波長(zhǎng)掃描模塊即是用于實(shí)現(xiàn)從初值溫度開(kāi)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(guò)該勻速升溫過(guò)程，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)波段范圍內(nèi)的波長(zhǎng)掃描。在對(duì) USB2