【導(dǎo)讀】隨著光纖通信和光導(dǎo)纖維技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也逐漸發(fā)展。光纖光柵傳感器不僅具有可靠性好、抗電磁干擾、電絕緣、抗腐蝕、靈活。方便、復(fù)用性強和能在復(fù)雜的環(huán)境下工作等特點外，而且能夠?qū)崿F(xiàn)準分布式測量,形成各種光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等獨特優(yōu)點，在眾多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。析與研究，設(shè)計并制作出了一套光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)模型。本論文是在“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目的支持下完成的，驗研究提供了依據(jù)。介紹光纖光柵傳感理論、傳感特性。建光路部分和電路部分。葉變換和數(shù)據(jù)擬合），并設(shè)計出控制界面。

　　

【正文】 等組成 。 光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)分別 承擔(dān) 著 不同的傳感檢測任務(wù) ， 光路部分 是 對待測物理量進行 采集 、 檢測 ， 并 通過 光纖進行傳輸 ； 電路部分是對將待測物理量調(diào)制后的光波信號進行光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、分析處理，并 以界面方式顯示結(jié)果。 解調(diào)系統(tǒng)光路設(shè)計方案 一、設(shè)計方案 根據(jù) 系統(tǒng) 框 圖 31可知 ，光路部分主要由寬帶光源、 MZ 干涉儀、光纖、光纖光柵、光電探測器組成，實驗中的光纖為單模光纖。 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 1. 寬帶光源 光源提供整個系統(tǒng)所需的光信號，對系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和測量精度 起到 至關(guān)重要 的作用，因此，選擇適合的光源是系統(tǒng)搭建過程中 十分 重要。 該 系統(tǒng)中 的光源 選用 的是 美國 EXFO 公司 生產(chǎn) 的 FLS2300B 寬帶光源， 它 具有 高輸出功率 ， 可覆蓋 C+L 波段。 該光源 具有 較 寬的波長范圍（ 1520～ 1615nm） 及 優(yōu)于 14dB 輸出功率。 FLS2300B 譜密度穩(wěn)定性良好，因此，每次測試過程中無需參考器，這樣，就會明顯提高測試速度。 FLS2300B 輸出光譜如圖 32 所示： 圖 32 寬帶光源輸出光譜圖 2. MZ干涉儀 干涉儀 作為 該傳感系統(tǒng)中的核心光學(xué)器件之一，實驗中所 使 用的 MZ干涉儀是 利用 兩個3dB 耦合器（耦合器 耦合器 2）串接制成的，其結(jié)構(gòu)圖如圖 33 所示： 圖 33 MZ干涉儀示意圖 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 20 實驗中選 用 耦合器 1（ 12 ） 和耦合器 2（ 22 ） ，借助千分尺保證耦合器 1的輸出端，耦合器 2 的輸入端尾纖各為 350mm，利用游標(biāo)卡尺和光纖切割刀將其中的一根尾纖切除 mm，剩余的三根尾纖切除 50mm，然后將耦合器 1 輸出端的尾纖與耦合器 2 輸入端的尾纖用光纖熔接機進行兩兩熔接，并用熱縮管加固光纖熔接部位，耦合器之間的長臂和短臂分別作為信號臂和參考臂。對制作完成的 MZ 干涉儀進行封裝，可以減少由于外界環(huán)境影響引起的相位波動，從而，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和檢測分辨率。封裝后的干涉儀穩(wěn)定性良好，其干涉光譜如圖 34所示。 圖 34 干涉儀輸出光譜圖 二、 光路調(diào)試 對光路元件進行連接時，首先要光譜儀測試光源 的輸出光譜，其光譜如圖 32所示，在15301600nm 之間具有良好的穩(wěn)定性。光信號的調(diào)制由 MZ干涉儀完成，它的穩(wěn)定性能直接影響整個系統(tǒng)。制作完成 MZ干涉儀后，首先要測試它的穩(wěn)定性，測試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏置電壓處于 2020V 范圍內(nèi)時，干涉波長和偏置電壓具有良好的線性關(guān)系，且光譜特性穩(wěn)定， MZ干涉儀在不同偏置電壓下的輸出光譜如圖 35： 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 21 Vbios=20V Vbios=10V Vbios=0V Vbios=10V Vbios=20V 圖 35 不同偏置電壓下干涉光譜圖 解調(diào)系統(tǒng)電路設(shè)計方案 經(jīng)調(diào)制后的光信號含有待測物理量信息，光電探測器可以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過對信號一系列處理，包括濾波、放大、信號采集及數(shù)據(jù)處理等，就能解調(diào)出所需物理量。本文設(shè)計的電路系統(tǒng)可以完成上述工作，其系統(tǒng)主要由光電探測器、放大電路、采集卡 、計算機等組成 。 1. 光電探測器 光電探測器是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的樞紐，它將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，方便我們對其進行測量天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 和處理。該系統(tǒng)選用北京世維通光通訊公司生產(chǎn)的 PDS143CFPB0101 型光電二極管，該探測器采用介質(zhì)鈍化，平面半導(dǎo)體，氣密封裝技術(shù)，將管腳外形設(shè)計成流線型，擁有良好的光 電性能和抗噪性能。 25℃ 時， PDS143CFPB0101 型光電二極管的光電性能如表 31 所列： 參數(shù) 符號 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 暗電流 ID Ee=0,VR=5V nA 響 應(yīng)度 Re VR=5V, λ=1550nm A/W 頻率響應(yīng) BW VR=5V,50Ω 負載 2 GHz 表 31 光電二極管性能表 光電探測器通量閾：inth RiP? ，由表 31 得 知該光電探測器能 夠 檢測到的最小光功率 是。 如果不考慮系統(tǒng)的相位計算精度，探測器的靈敏度和干涉光強對波長的變化率決定系統(tǒng)的波長分辨率： 2minmaxTIIP??? ?? （ 35） 式 35 中， P是 探測器的通量閾，即探測器所能探測 到 的最小光功率， maxI 是 最大功率，minI 是 最小功率， T? 是 干涉光譜的分布周期。 利用光功率計測 量 得 通過 探測器的光峰值功率為 135nW，谷 值功率為 ，由圖 310 可知波長 的 分布周期為 。將光譜儀測 量 得的數(shù)據(jù)代入式 35，可以求得波長分辨率： 10 3nm，相位分辨率 ： 10 3rad。 2. 放大電路 從光電二極管輸出的信號通常很弱，只有微安 量級 甚至納安量級， 如果 要有效利用此信號，必須對 其 進行放大， 該系統(tǒng) 放大電路采用兩級放大， 包括 前置跨阻放大器（ OPA380）和主放大器（ AD620）。 光電探測器輸出的信號很微弱， 這就 要求前置放大器具有高增益、高速、抗干擾能力強、低噪聲等 優(yōu) 點。系統(tǒng)中選用德州儀器公司 生產(chǎn) 的 OPA380 放大器 作為前置差動低噪放大器，該放大器具有高速、高精度、極好的長期穩(wěn)定性和低噪聲的特點。 光電轉(zhuǎn)換前置跨阻放大電路如圖 36 所示： 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 23 圖 36 光電轉(zhuǎn)換前置跨阻放大電路 經(jīng)前置跨阻放大電路 進行 放大后的電壓幅值僅為毫伏量級，仍 然 難以有效的被利用， 因此 需進一步的放大、調(diào)整， 由此 設(shè)計了如圖 37 的主放大電路。 系統(tǒng) 選用 AD620 作為放大系統(tǒng)的主放大器。 AD620 采用 8 管腳 SOIC 封裝，具有成本低、精度高、功耗低等的優(yōu)點，它的增益范圍可達 1~10000，且調(diào)節(jié) 操作 簡單。 圖 37 主放大電路圖 3. AMPCI9101A 數(shù)據(jù)采集卡 通過 放大電路的電信號為模擬量，需轉(zhuǎn)化 成 數(shù)字信號并 經(jīng)過 采集卡采集后方能 傳送給 計算機進行信號處理。 因此，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，并對電信號進行濾波、放大等處理后，還需對其進行 A/D 轉(zhuǎn)換、信號采集等處理。 要完成這些工作，需選取 合適 的數(shù)據(jù)采集卡，在選取過程中要綜合考慮分辨率、采集速度、價格等因素。 該解調(diào)系統(tǒng)選用北京安邁科技公司的 AMPCI9101A數(shù)據(jù)采集卡 ，它 擁有 16 路 AD 采集輸入通道，采樣速率 達到 100ksps， 1 路 12bit 模擬量電壓輸出 PCI 總線數(shù)據(jù)采集控制板。模擬信號輸入 端 的 A/D分辨率為 12bit，采用均勻量化。采集卡的結(jié)構(gòu)圖如圖 38 所示： 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 24 圖 38 AMPCI9101A 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖 相位檢測算法 光纖光柵傳感 干涉解調(diào) 系統(tǒng)中，對光相位的檢測 十分關(guān)鍵 。相位解調(diào)方法有很多，傳統(tǒng)的解調(diào)方法通常 使用 硬件對相位進行 直接 提取，使得整個測量系統(tǒng) 操作 復(fù)雜，成本 加大 。 目前，數(shù)字信號處理技術(shù)和計算機技術(shù)迅速發(fā)展，促使相位檢測技術(shù)也開始向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。該系統(tǒng)中對采集信號的處理由計算機完成，對采集信號進行離散傅里葉變換便可得到相應(yīng)的相位信息。編輯軟件控制采集卡，使其以ss Tf 1?的采樣頻率采集信號，則所采集的序列為： )](2c o s [)( 111 ??? ?? nTfAns sr （ 36） 對式（ 36）進行 N 點的傅里葉變換 可 得： ?????????????????10)(110)(110211])(2e x p [2])(2e x p [2)()(1111 NnsrjNnsrjNnNknjNnkNTfjeANnkNTfjeAenskS?? ????? （ 37） 復(fù)數(shù)周期序列具有正交性， 則 當(dāng) rkf? 時 S1(k)為 0，只有當(dāng) rkf? 時 S1(k)不為 0，此時 )](s i n)([c os22)()(11111)(111 11 ?????? jNAeNAfSkS jr ???? （ 38） 因此， s1的初始相位 11()??是 ： 天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 25 )](Re [ )](Im [a rc t a n)( 1111 rrfS fS??? （ 39） 同理可得， s s s4的初始相位分別為： )](Re [ )](Im [a rc t a n)( 2222 rrfS fS??? （ 310） )](Re [ )](Im [a rc t a n)( 3333 rrfS fS??? （ 311） )](Re [ )](Im [a rc t a n)( 4444 rrfS fS??? （ 312） 由此可知 ，對采集信號 進行 離散傅里葉變換，即可 推算 出原始信號的相位，結(jié)合上述傳感系統(tǒng) 理論 的分析，進而求 出 傳感信號的相位值。 LabVIEW 軟件設(shè)計 本文采用 LabVIEW 軟件來進行 PC 機上位機軟件的設(shè)計。 LabVIEW 用于測試結(jié)果與 PC機的串口通訊，訪問數(shù)據(jù)庫鏈接程序的編寫等。上位機的實現(xiàn)方法如下：先實現(xiàn)串口通信，在接收到串口數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)處理和計算，再通過調(diào)用基于 ADO 技術(shù)的 LabVIEW 數(shù)據(jù)庫訪問包LabSQL 的子 VI 節(jié)點，將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，以備日后查詢。 LabVIEW 軟件簡介 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫，它是一個使用圖形符號來編寫程序的編程環(huán)境， 功能強大的圖形編程語言能夠成倍地提高生產(chǎn)率，人們 親切地稱這種語言為 G 語言 。它 擁有如此功能眾多的圖形用戶界面又易于編程，使得它對于仿真、結(jié)果顯示、通用編程甚至講授基本編程概念也同樣是很理想的語言。 計算機、插入式硬件和 LabVIEW 共同組成一個可完全配置的虛擬儀器以完成用戶的任務(wù)，我們可以根據(jù)需要創(chuàng)建所需的任何類型的虛擬儀器 [1920]。 LabVIEW 軟件平臺含有眾多子程序庫和函數(shù)庫，我們編程中的眾多任務(wù)都可由這些庫中的數(shù)據(jù)完成，可以使我們避免傳統(tǒng)編程語言中需要多次設(shè)置的指針分配、內(nèi)存分配等許多莫名其妙的編程問題。數(shù)據(jù)庫中包含許多特定的應(yīng)用程序代碼：通用 功能接口總線（ GPIB）、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)采集（ DAQ）、串行口儀器控制、 Inter 通信、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)顯示。分析庫中天津理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 26 包含眾多實用函數(shù)：信號產(chǎn)生、線性代數(shù)、濾波器、矩陣運算、信號處理、統(tǒng)計、窗口、回歸。 LabVIEW 程序稱 之 為虛擬儀器（ Virtual Instruments）程序，簡稱 VI。前面版（ Panel）、框圖程序（ Diagram Program）和圖標(biāo) /連接端口（ Icon/Terminal）組成一個最基本的 VI 程序。前面板：圖形化的人機交流界面，可以設(shè)置輸入數(shù)值和讀取輸出量。用戶可以使 用模擬真實儀器制作而成的各種按鈕、開關(guān)、圖標(biāo)、實時趨勢圖?？驁D程序：由圖形化編程語言編寫程序，每個圖形模塊類似于傳統(tǒng)編程語言程序中的源代碼，且框圖程序和前面板相互對應(yīng)。圖標(biāo) /連接端口：圖標(biāo) /連接端口能夠把 VI變成像子程序可以被其他 VI 調(diào)用的對象（ SubVI，即 VI 子程序）。 數(shù)據(jù)采集 外部世界與計算機要進行連接，需要一個橋梁，這個橋梁就是數(shù)據(jù)采