【正文】 滿足實際情況的要求。高分辨率的光纖光譜分析儀可以滿足高精度測量的需求，但是其價格昂貴，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光纖光柵的波長移位也是非常不現(xiàn)實的，更重要的是，光纖光譜儀直接測出的是光波的波長的變化，它并不能直接輸出對應(yīng)波長變化的電信號，這對于測量結(jié)果的記錄、存儲和顯示以及提供回路必要的電信號以達(dá)到 工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制的目的是極為不利的。 其示意圖如圖 31 所示。 畢業(yè)設(shè)計 /論文 12 圖 31 光譜檢測儀法示意圖 非平衡馬赫 曾德干涉儀跟蹤法 1992 年， A． D． Kersey 等人提出了非平衡馬赫 曾德干涉解調(diào)法，由于此種方法采用的是干涉法來檢測波長的移位，所以其具有極高的檢測靈敏度，這種方法適合于高分辨率動態(tài)應(yīng)變傳感信號的檢測。其解調(diào)原理如圖 32 所示，此方法引起了國內(nèi)外許多研究人員的重視，并對其進(jìn)行了研究。 圖 32 非平衡馬赫 曾德干涉儀跟蹤法原理圖 匹配光柵法 匹配光柵濾波解調(diào)法是用一個與傳感光柵相匹配的接收光柵的波長去推知傳感光柵的波長。匹配光柵濾波解調(diào)法工作方式有兩種：一是反射方式，即傳感信號經(jīng)過傳感光柵后進(jìn)入匹配光柵檢測反射光強(qiáng)，當(dāng)探測器接收光強(qiáng)最大時傳感光柵與匹配光柵中心波長完全匹配。二是透射方式，與反射方式類似的檢測透射光強(qiáng)，當(dāng)探測器接收的光強(qiáng)達(dá)到最小的時候就可獲得傳感光柵的中心發(fā)射波長。匹寬帶光源 定向耦合器 壓電陶瓷 相位漂移補(bǔ)償 差動運(yùn)放 信號處理電路 光電探測器 FBG 寬 帶光源 光耦合器 光譜分析儀 FBG 畢業(yè)設(shè)計 /論文 13 配光柵解調(diào)法的基本原理如圖 33所示。 圖 33 匹配光柵解調(diào)原理圖 該方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，而且對最終檢測的反射光強(qiáng)無絕對要求，各類強(qiáng)度噪聲也不會對輸出結(jié)果有影響。但這種方法也存在不可避免的缺點：一是要求兩個光柵嚴(yán)格匹配；二是由于傳感光柵的測量范圍不能很大，所以實際當(dāng)中測量的范圍受參考光柵應(yīng)變量的限制。 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法采用波長周期變化的窄帶光譜掃描傳感光柵的發(fā)射譜?？烧{(diào)諧窄帶光源固定在呀電體 PZT 上，當(dāng) PZT 受鋸齒波或正弦電壓驅(qū)動時，窄帶光源的光譜在一定范圍內(nèi)變化?？烧{(diào)諧窄帶光源解 調(diào)法示意圖如圖 34 所示。 圖 34 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)示意圖 可調(diào)諧窄光源 隔離器 數(shù)字示波器 傳感 FBG 驅(qū)動電壓 寬帶光源 耦合器 1 壓電陶瓷 光電探測器 FBG1 隔離器 耦合器 2 FBG2 畢業(yè)設(shè)計 /論文 14 線性邊帶濾波解調(diào)法 這種方法主要是基于光強(qiáng)檢測。線性邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)如圖 35 所示。此系統(tǒng)有很多優(yōu)點，主要就是消除了光源波動的影響，適用于動態(tài)、靜態(tài)的測量，具有較好的線性輸出，并且體積性對來說可以做的很小，便于戶外使用。但是也不能忽略其缺點，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造成一定的不可避免的誤差。 圖 35 線性邊帶濾波解調(diào)示意圖 可調(diào)諧法布里 —珀羅腔法 如圖 36為可調(diào)光纖 FP腔解調(diào)原理圖，從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器和耦合器傳送到串聯(lián)在光纖上的分布式 FBG 傳感器，波長滿足布拉格反射條件的光波被反射回來， FBG 傳感器反射回的光經(jīng)耦合器入射到可調(diào)諧 FP 腔中。系統(tǒng)中利用壓電陶瓷作為 FP 腔腔長變化的驅(qū)動元件，使可調(diào)諧 FP 腔工作在掃描狀態(tài)。給PZT 施加一個鋸齒波的掃描電壓，壓電陶瓷隨著掃描電壓的變化產(chǎn)生伸縮，從而使FP 腔的腔長 發(fā)生變化。當(dāng)腔長的長度是光纖光柵反射光波的半個波長的整數(shù)倍時，光電探測器探測到最大光強(qiáng)，此時給ＰＺＴ施加的電壓就對應(yīng)著ＦＢＧ的中心反射波長。通過檢測最大透射光強(qiáng)就可得到反射波波長，進(jìn)而得到所測參變量。以上就是可調(diào)光纖Ｆ－Ｐ腔解調(diào)原理。 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 /論文 15 圖 36 可調(diào)光纖 FP 腔解調(diào)原理圖 隔離器 FBG1 FBGn PZT 驅(qū)動電源 PP 腔 信號處理電路 光電探測器 定向耦合器 畢業(yè)設(shè)計 /論文 16 第 4 章 實驗系統(tǒng) 光纖光柵測溫系統(tǒng)的總體架構(gòu) 基于光纖布拉格光柵測溫系統(tǒng)裝置可分為以下幾部分：光路部分、信號處理部分、恒溫控制部分、通信部分、和服務(wù)器通信管理軟件幾 大塊構(gòu)成。 光路部分：包括 C波段寬帶光源 ASE 模塊、 FP 濾波器驅(qū)動設(shè)計，光纖光柵傳感陣列的設(shè)計等； 信號處理部分：包括 A/D 采集電路設(shè)計、高速數(shù)字信號處理電路設(shè)計； 恒溫控制部分：用于對參考標(biāo)定光柵的恒溫控制，以及溫度的讀取等； 服務(wù)器通信管理軟件與系統(tǒng)配置軟件設(shè)計。 光纖布拉格光柵測溫系統(tǒng)裝置硬件框圖如圖 41所示， 圖 41 光纖光柵測溫系統(tǒng)裝置硬件框圖 整個系統(tǒng)的實現(xiàn)流程如下：由 ASE 寬帶光源發(fā)出 1525nm1565nm 波段的寬帶光，通過光 纖 FP 濾波器后再經(jīng)耦合器分成傳感光路和參考光路。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 掃描驅(qū)動電路 DSP 掃描電壓生成及平滑調(diào)理 參 考 光 路 耦合器 同步 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換 DSP 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) 光標(biāo)準(zhǔn)具 標(biāo)定光柵 恒溫控制電路 光電探測電路 畢業(yè)設(shè)計 /論文 17 并聯(lián)了標(biāo)定光柵和光標(biāo)準(zhǔn)具，并將這兩種器件放入系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的恒溫電路控制的恒溫裝置中，帶系統(tǒng)穩(wěn)定后，在采集數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。在傳感光路中，傳感光經(jīng)過光路到達(dá)串聯(lián)在一起的光纖光柵，從而可以實現(xiàn)多點測溫監(jiān)測。傳感光路和參考光路獲得的光信號傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號調(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，在數(shù)字信號處理器中進(jìn)行濾波降噪、信號特征的提取與分析，根據(jù)光柵溫度解調(diào)算法解算出傳感光柵的溫度值。DSP 數(shù)字信號處理器同時還集 成 DA功能， DA 輸出三角波電壓，經(jīng)過平滑調(diào)理后，由高壓驅(qū)動電路放大，次電壓對 FP 濾波器進(jìn)行掃描，進(jìn)而驅(qū)動光纖 FP濾波器。硬件系統(tǒng)設(shè)計了本地 RS232 接口，通過接口可以為用戶服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和監(jiān)控。本地系統(tǒng)還設(shè)計顯示和報警開關(guān)的輸出，為系統(tǒng)聯(lián)機(jī)提供了方便的接入端子。 光路部分 光路部分是光纖光柵測溫系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，這部分的結(jié)構(gòu)決定著系統(tǒng)溫度解調(diào)算法實現(xiàn)。 ASE 寬帶光源 系統(tǒng)一般不會采用 LED 光源，由于 LED 從器件到單模光纖的耦合效率很低，在光功率方面不能滿足系統(tǒng)的要求， 所以在系統(tǒng)中一般不會采用這種光源：對于SLED 來說，其 3dB 帶寬較大，可達(dá) 60nm 以上，但其輸出光功率很小，只有 1mW 左右，這種功率大小不能滿足系統(tǒng)中多路復(fù)用的要求；但是這種光源的價格非常昂貴；本課題采用 ASE 光源作為系統(tǒng)的光源此外， ASE 光源具有輸出穩(wěn)定、受環(huán)境影響小、容易與單模光纖耦合等優(yōu)點，且覆蓋了大部分的中紅外波段。綜合考慮，我們選擇 ASE 光源作為本系統(tǒng)的光源。 ASE 帶寬光源是專為實驗室實驗和生產(chǎn)設(shè)計的。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。具有獨(dú)特的自動溫度控制（ ATC）和自動功率控 制（ APC）。電路通過控制泵浦激光器的輸出保證了輸出功率的穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié) APC，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出功率。結(jié)構(gòu)如圖 42。 圖 42 ASE 光源的結(jié)構(gòu) WDM WDM Erbium Doped Fiber Pump APCamp。ATC MPU System Pump Isolator output 畢業(yè)設(shè)計 /論文 18 光纖耦合器 利用連接器和熔接的方法都可以將兩段光纖連接起來，這樣可以滿足兩個器件之間的光信號的傳輸。但是在很多的應(yīng)用中，需要連接的不只是儀器的兩個端頭。耦合器就是將輸入信號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? 信號處理電路部分 ADC 與 DAC 電路設(shè)計 ADC設(shè)計中系統(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。該器件內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣 /保持放大器。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過 CS 和串行時鐘進(jìn)行控制，從而為器件與微處理器或 DSP 接口創(chuàng)造了條件。輸入信號在 CONVST 信號的下降沿進(jìn)行同步采樣，四路轉(zhuǎn)換同時在此處啟動。該器件不存在流水線延遲。采用先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)，可在高吞吐量的情況下實現(xiàn)極低的功耗。采 用 5V電源，吞吐量為 100KSPS時， AD7865 的功耗為 115mW。 圖 43 AD7865 引腳分布圖 關(guān)于 DAC 的設(shè)計：光纖光柵測溫系統(tǒng)設(shè)計 1 路 DAC 用于生產(chǎn)控制 FP 濾波器畢業(yè)設(shè)計 /論文 19 的掃描電壓信號。 DAC 采用 nanoDAC 系列，其特點為低功耗、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，通過設(shè)計保證單調(diào)性，還有一個 IC 兼容型串行接口。內(nèi)置一個片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源則通過軟件寫入啟用。 AD56x7RBRMZ 內(nèi)置一個 、 5ppm/度基準(zhǔn)電壓源，滿量程輸出 范圍可達(dá)到 ； AD56x7RBRMZ 內(nèi)置一個 、 5ppm/度基準(zhǔn)電壓源，滿量程輸出范圍可達(dá)到 5V，引腳如圖 44。 圖 44 AD5627 引腳分布 DAC 性能指標(biāo)： 1. 低功耗、雙通道 nanoDAC 2. 12 位精度 3. 片內(nèi)自帶基準(zhǔn)電壓源 4. 3mmx3mm、 LFCSP 和 10 引腳 MSOP 封裝 5. 采用 至 電源供電 6. 通過設(shè)計保證單調(diào)性 7. 上電復(fù)位至零電平 8. 各通道獨(dú)立省電 9. 硬件 LDAC 和 CLR 功能 10. IC 兼容型串行接口，支持標(biāo)準(zhǔn)（ 100kHz）、快速（ 400kHz）和高速（ ）三種模式 高速數(shù)字信號處理電路設(shè)計 高速數(shù)字信號處理電路采用高性能浮點 DSP 處理芯片，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時運(yùn)算處理，將處理后的結(jié)果信息通過串口發(fā)送至控制模塊，再通過 GPIO 接口對控制模塊等相關(guān)模塊進(jìn)行通信。 本文選用的是 ADSP SHARC 系列處理器，它們都是以 ADSP21000 處理器核為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)大體相同，在程序代碼設(shè)計上也具有高度的兼容性。 ADSP2136 的電路如圖 45， 下面就簡單介紹下 ADSPSHARC 系列處理器的一些特點。 畢業(yè)設(shè)計 /論文 20 圖 45 ADSP2136 的晶振