【正文】 所示，ASE寬帶光源發(fā)出的平坦光通過(guò)隔離器和耦合器進(jìn)入FBG陣列(包括參考FBG和傳感FBG)，各個(gè)FBG的反射光返回進(jìn)入可調(diào)諧FP濾波器。設(shè)各個(gè)FBG的反射譜和可調(diào)諧FP濾波器的透射譜如圖42a)所示。 圖41 串聯(lián)型實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，信號(hào)處理單元通過(guò)D/A輸出鋸齒波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)PZT伸縮周期性地調(diào)節(jié)可調(diào)諧FP濾波器的透射波峰，實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG的掃描式解調(diào)，PD輸出信號(hào)如圖42b)所示：信號(hào)處理單元控制A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)PD的輸出信號(hào)進(jìn)行同步采集，同時(shí)由高精度測(cè)溫模塊讀取參考FBG的溫度。如果各FBG的反射譜互不重疊，那么在PD的輸出信號(hào)時(shí)序上會(huì)出現(xiàn)n+1個(gè)峰值點(diǎn)，這n+1個(gè)峰值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻是與參FBG和n個(gè)傳感FBG一一對(duì)應(yīng)的，在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系之后，微處理器根據(jù)參考FBG的溫度和參考FBG峰值的出現(xiàn)時(shí)刻，對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)進(jìn)行修正，最后根據(jù)修詎的PZT驅(qū)壓一波長(zhǎng)函數(shù)解調(diào)出各點(diǎn)傳感FBG的中心波長(zhǎng)。串聯(lián)型校正結(jié)構(gòu)方案能夠根據(jù)參考FBG的位置對(duì)傳感FBG進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，但是如圖42所示，參考FBG與傳感FBG在一根光纖上串聯(lián)，占用了傳感FBO的光譜，因此為了節(jié)省光譜資源，文獻(xiàn)[18][19]僅采用了一個(gè)參考FBG，參考點(diǎn)過(guò)少，對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)的修正效果不明顯。為了提高測(cè)量精度，在測(cè)量光纖上需要連接多個(gè)參考FBG，這會(huì)減少解調(diào)系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中此系統(tǒng)需要平衡測(cè)量精度和測(cè)量點(diǎn)數(shù)的關(guān)系。圖42 系統(tǒng)信號(hào)圖（信號(hào)光譜圖） 并聯(lián)型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正系統(tǒng)為了能夠提供更多的參考點(diǎn)，可以采用參考FBG和傳感FBG并聯(lián)的方式，如圖43所示，ASE寬帶光源發(fā)出的平坦光通過(guò)隔離器、可調(diào)諧FP濾波器和分路器分別進(jìn)入?yún)⒖糉BG串和傳感FBG串，每串FBG的反射光返回進(jìn)入PD。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，信號(hào)處理單元通過(guò)D/A輸出鋸齒波信號(hào)驅(qū)動(dòng)PZT伸縮，周期性調(diào)節(jié)可調(diào)諧FP濾波器的透射波峰，實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG的掃描式解調(diào)；信號(hào)處理單元控制兩路A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)兩路PD的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)由高精度測(cè)溫模塊讀取參考FBG串的溫度。如果各個(gè)FBG的反射譜互不重疊，那么在兩個(gè)PD的輸出信號(hào)時(shí)序上分別會(huì)出現(xiàn)m和玎個(gè)峰值點(diǎn)，其中m個(gè)峰值點(diǎn)與m個(gè)參考FBG一一對(duì)應(yīng)，刀個(gè)峰值點(diǎn)與刀個(gè)傳感FBG一一對(duì)應(yīng)，在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系之后，微處理器根據(jù)腳個(gè)參考FBG的溫度以及參考FBG峰值的出現(xiàn)時(shí)刻，對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)進(jìn)行修正，最后根據(jù)修正的PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)解調(diào)出各點(diǎn)傳感FBG的中心波長(zhǎng)。 圖43 并聯(lián)型實(shí)時(shí)校止系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由于參考FBG和傳感FBG不在一根光纖上，所以并聯(lián)型方案能夠在不占用傳感FBG光譜范圍的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)提供多個(gè)參考點(diǎn)，能夠有效地修正PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。由于采用分光器對(duì)光路進(jìn)行了并聯(lián)型設(shè)計(jì)，因此每路光纖只能獲得光功率的一半；兩路信號(hào)采集處理單元也增加了系統(tǒng)成本和信號(hào)處理的難度。 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正方案選擇與改進(jìn)通過(guò)對(duì)兩種方案的實(shí)際分析，最終確定采用并聯(lián)型光學(xué)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)校正方案，原因如下：(1) 目前寬帶光源能夠提供大于20dBm的光功率，且價(jià)格適中，盡管分光器使輸出信號(hào)功率下降一半，但是仍然能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要；(2) 采用核心器件為FPGA的信號(hào)處理單元，其并行結(jié)構(gòu)方便對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行處理；(3) 盡管并聯(lián)型結(jié)構(gòu)會(huì)增加系統(tǒng)的成本，但是能夠獲得更多的測(cè)量點(diǎn)數(shù)，因此整體性?xún)r(jià)比高于串聯(lián)型結(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正下解調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)思想是爭(zhēng)取更多的測(cè)量點(diǎn)數(shù)，以獲得較高的性?xún)r(jià)比；提供更多更精確的參考點(diǎn)，以獲得較好的測(cè)量精度。據(jù)此設(shè)計(jì)思想對(duì)并聯(lián)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖44所示。 圖44 改進(jìn)的并聯(lián)型實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)圖42和圖43可知，實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)采用FBG做為參考點(diǎn)，由于參考FBG也存在溫度漂移的問(wèn)題，所以為了獲得準(zhǔn)確的PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)，都增加了測(cè)溫模塊實(shí)時(shí)測(cè)量參考FBG的溫度，加大了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)可靠性。為了能夠獲得準(zhǔn)確的參考波長(zhǎng)，進(jìn)一步提高解調(diào)系統(tǒng)測(cè)量精度，使用透射型熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)具替代參考FBG串，作為解調(diào)系統(tǒng)的參考器件。 熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)質(zhì)上是一個(gè)固定腔長(zhǎng)的FP濾波器，它采用獨(dú)特的調(diào)節(jié)和封裝工藝制備，在0℃至70℃的工作溫度區(qū)間內(nèi)，具有極高的可靠性。由于解調(diào)系統(tǒng)工作在室內(nèi)，環(huán)境溫度變化基本在10℃以?xún)?nèi)，可以取消測(cè)溫模塊，在提高參考點(diǎn)精度的同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此外為了增加測(cè)量點(diǎn)數(shù)，獲得更高的性?xún)r(jià)比，采用1N路光開(kāi)關(guān)控制N路傳感FBG與解調(diào)光路連接(N根據(jù)具體測(cè)量點(diǎn)數(shù)選用)，在不損失測(cè)量精度和測(cè)量范圍的前提下，通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式將測(cè)量點(diǎn)數(shù)提高了N倍。系統(tǒng)采用的CETCFSW lN單模光開(kāi)關(guān)，它采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的并行接口控制，具有低損耗、高可靠的性質(zhì)。產(chǎn)品的主要性能如下：工作波長(zhǎng)：1310nm或1550nm。 插入損耗：；回波損耗：大于等于60dB(APC連接器頭)；切換時(shí)間：小于等于10ms(相鄰?fù)ǖ理樞蚯袚Q)；重 復(fù) 性：； 壽 命：大于等于107次；工作溫度：15℃～+65℃； 儲(chǔ)藏溫度：40℃～+75℃；電源要求：+5V直流供電。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，ASE寬帶光源發(fā)出的平坦光通過(guò)隔離器、可調(diào)諧FP濾波器和分路器分別進(jìn)入透射型熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)具和1：N路光開(kāi)關(guān)。與光開(kāi)關(guān)的控制路數(shù)對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)也分為N個(gè)周期，l：N路光開(kāi)關(guān)依次與N組傳感FBG串連接。每個(gè)周期在兩個(gè)PD的輸出信號(hào)時(shí)序上分別會(huì)出現(xiàn)m和n個(gè)峰值點(diǎn)，其中m個(gè)峰值點(diǎn)與熱標(biāo)準(zhǔn)具的波峰位置一一對(duì)應(yīng)，n個(gè)峰值點(diǎn)與光開(kāi)關(guān)連接的門(mén)個(gè)傳感FBG一一對(duì)應(yīng)，在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系之后，微處理器根據(jù)m個(gè)參考點(diǎn)對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)的函數(shù)進(jìn)行修正，最后根據(jù)修正的PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)解調(diào)出本路力點(diǎn)傳感FBG的中心波長(zhǎng)。 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了多參考點(diǎn)的實(shí)時(shí)校正FBG解調(diào)系統(tǒng)，能夠提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。研究的主要內(nèi)容如下：(1)通過(guò)方案比較，選擇并改進(jìn)了并聯(lián)型實(shí)時(shí)校J下結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了多參考點(diǎn)的實(shí)時(shí)校正FBG解調(diào)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過(guò)熱穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)具提供的多個(gè)參考點(diǎn)實(shí)時(shí)校正微驅(qū)動(dòng)器件的非線(xiàn)性問(wèn)題以及可調(diào)諧FP濾波器結(jié)構(gòu)性誤差，從而能夠提高系統(tǒng)的測(cè)量精度；(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了掃描頻率為2Hz和100Hz時(shí)MOI公司可調(diào)諧FP濾波器內(nèi)部PZT的特性曲線(xiàn)，根據(jù)PZT在一定范圍內(nèi)線(xiàn)性度較好的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于直線(xiàn)擬合的PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)求取方法，利用此方法可以簡(jiǎn)單快捷的獲得PZT驅(qū)動(dòng)電壓波長(zhǎng)函數(shù)。結(jié)論 參考文獻(xiàn) 結(jié)論本文根據(jù)可調(diào)諧FP濾波器精細(xì)度高，調(diào)諧范圍大等優(yōu)點(diǎn)，研制了多參考點(diǎn)實(shí)時(shí)校正的FBG解調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)FBG的解調(diào)，主要完成工作如下：(1)研究了非本征光纖FP濾波器的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用仿真計(jì)算，分析了端面光吸收損耗，有限多光束干涉及端面不平行情況對(duì)可調(diào)諧FP濾波器的性能影響，研究了端面反射率與可調(diào)諧FP濾波器精細(xì)度的關(guān)系，確定了用于C波段(1520nm～1560nm)，精細(xì)度高于100，自由光譜范圍50nm時(shí)，可調(diào)諧FP濾波器端面反射率，腔長(zhǎng)及腔長(zhǎng)調(diào)諧范圍等參數(shù)。(2)通過(guò)仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究了基于磁場(chǎng)梯度力驅(qū)動(dòng)，基于電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)，TerfenolD驅(qū)動(dòng)及PZT驅(qū)動(dòng)的微位移驅(qū)動(dòng)器性能。論證了應(yīng)用十字固端梁結(jié)構(gòu)分別用磁場(chǎng)梯度力驅(qū)動(dòng)和電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)電流、電壓幅值和驅(qū)動(dòng)頻率上限。(3)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用PZT微位移驅(qū)動(dòng)器的可調(diào)諧光纖FP濾波器，應(yīng)用容錯(cuò)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了鍍膜光纖插芯的端面對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。應(yīng)用可調(diào)諧FP濾波器溫漂實(shí)驗(yàn)與結(jié)構(gòu)熱膨脹的有限元分析對(duì)比，探明了可調(diào)諧FP濾波器波長(zhǎng)溫度漂移的機(jī)理。應(yīng)用低熱膨脹系數(shù)的因瓦合會(huì)和碳鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)補(bǔ)償PZT模塊的熱膨脹系數(shù)差異，消除溫度漂移現(xiàn)象，并用仿真研究進(jìn)行了驗(yàn)證。(4)針對(duì)PZT微位移驅(qū)動(dòng)器應(yīng)變非線(xiàn)性和應(yīng)變重復(fù)性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了傳感網(wǎng)絡(luò)FBG和波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具同時(shí)掃描的方法，用同一次掃描標(biāo)準(zhǔn)具的數(shù)據(jù)擬合各參考點(diǎn)與PZT驅(qū)動(dòng)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后采用快速分段算法得出PZT驅(qū)動(dòng)電壓一波長(zhǎng)函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正后求取傳感FBG的中心波長(zhǎng)，消除了微位移驅(qū)動(dòng)器造成的測(cè)量誤差。 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