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1、目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 光纤光栅的诞生极其分类11.3 光纤光栅传感技术的特点和应用31.3.1 光纤布拉格光栅传感技术的特点31.3.2 光纤传感技术在实际中的应用5第2章 光纤光栅传感理论62.1 光纤光栅的基本原理62.1.1 光纤光栅的基本光学性能62.1.2 光纤光栅的传感原理82.2 光纤光栅的传感灵敏度92.2.1 应变灵敏度92.2.2 温度灵敏度10第3章 光纤光栅解调方法113.1 光纤光栅的解调概念113.2 光纤光纤传感系统解调方法介绍113.2.1 光谱仪检测法113.2.2 非平衡马赫-曾德干涉仪跟踪法123.2.3 匹
2、配光栅法123.2.4 可调谐窄带光源解调法133.2.5 线性边带滤波解调法143.2.6 可调谐法布里珀罗腔法14第4章 实验系统164.1 光纤光栅测温系统的总体架构164.2 光路部分174.2.1 ASE宽带光源174.2.2光纤耦合器184.3 信号处理电路部分184.3.1 ADC与DAC电路设计184.3.2 高速数字信号处理电路设计194.4 参考光纤光栅的标定234.5 服务器端软件设计23第5章 系统测试265.1 测试过程及数据26结论28致谢29参考文献30摘 要 本文对光纤光栅波长的解调方法是基于F-P滤波器解调的光纤光栅测温系统。本系统主要包括光路部分、信号处理部
3、分、恒温控制部分、通信部分、本地显示和报警输出部分和服务器通信管理软件等。根据光纤光栅的中心波长的计算方法设计了相应的硬件电路,设计了本系统的相关软件程序,对光纤光栅的波长进行解调,并且转换成温度显示在液晶上面,或者通过RS232串口或以太网接口和计算机相连,将测量的结果由计算机显示出来。 本系统的高速数字信号处理电路部分采用的高性能浮点DSP处理芯片,实现采集数据的实时运算处理,将处理后的结果信息通过串口发送至控制模块,再通过GPIO接口对控制模块等相关模块进行通信。 系统搭建完成后,进行了对系统性能的测试,检验系统测量温度的准确度,其中包含两个方面。关键字：布拉格光栅； F-P滤波器；DS
4、P；测温AbstractThe method of the fiber grating wavelength demodulation is fiber bragg grating temperature measurement system based on F-P filter .Optical part ,signal processing, temperature control part, local display , alarm output and server communication management software and so on were included
5、in this system .The hardware and software program were designed according to the center wavelength of fiber grating, the tesults of FBG wavelength demodulation were displayed on the LCD or were displayed by the computer through the RS232 serial port or Ethernet interface connected the system to the
6、computer. The floating point DSP processing with high-performance chip was used in the high-speed digital signal processing, and address the results of the information which was processed sent to the control module through the serial port, and communicate with control module and other related module
7、s through the GPIO interface. We tested the performance of the system ,testing system, the accuracy of measuring temperature after the system built, which includes two aspects.Keywords: Bragg grating; F-P filter; temperature 第1章 绪论1.1 引言光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating），简称光纤光栅（FBG）具有波长调制、分辨率高、抗电磁干扰、重复性好以
8、及可进行批量生产等特性点，光纤光栅技术正成为当前传感器领域研究的一大热点。光纤光栅传感器具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、点绝缘性好、带宽大。并能多点分布式测量等优点，已应用于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物、舰船系统、海洋、航空、医学领域，电力系统等，并取得了许多成果。20世纪70年代以来，光纤光栅传感器取得了飞速的发展。由于其独特的优点，决定了光纤光栅可在某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术来具有更多的优势，是传感技术发展的一个主导方向。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。1.2 光纤光栅的诞生极其分类光纤的基本结构十分简单，如图1-1所示。光纤是一种玻璃丝，其材料是石英
9、(二氧化硅)，是通信网络的优良传输介质，因此在通信系统中得到了广泛的应用。光纤是一种纤芯折射率高的同轴圆柱形电介质波导，折射率的差异引起全内反射，以致使得光纤在纤芯内传播。涂敷层包层纤芯2b2a图1-1 光纤结构图纤芯和包层的折射率差并不需要很大，实际上。只要大约1%就可以了。在光纤包层的外围，还有一些用于保护光纤的层面的结构，即图中的涂覆层。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性的变化），通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，使得在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率呈周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带
10、的滤波器或反射镜，利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件，例如光纤反馈腔就是利用光纤光栅的窄带高反射率特征制造出来的，光纤激光器是利用掺饵光纤等为增益介质；外腔反射器利用光纤光栅作为激光二极管，光纤光栅还可以构成可调谐激光二极管；利用光纤光栅可构成Michelson干涉仪型Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Peort干涉仪型的光纤滤波器。利用闪耀光纤光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅可以制成光纤色散补偿器等。此外，利用光纤光栅还可以制成光纤传感器和各种传感网，用于检测应力、应变、温度等诸多参量。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器
11、件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。光纤光栅是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。光纤光栅作为优良的传感及通信器件始源于1987年，当时加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。十余年后，在1989年美国联合技术研究中心的G.Meltz等人以准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器输出的244nm波长的紫外光干涉条纹侧面照射纤芯掺锗的光纤，将任意工作波长的位相光栅写进了纤芯形成光纤芯内部布拉格光栅，使光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。1993年，K.O.Hill等人提出的相位掩膜制
12、法使光纤光栅的制造技术得到重大发展。使得光纤光栅灵活的制造大批量的生产成为可能，光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一，它的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起的一场新的技术革命。该项技术促进了全光纤通信技术的发展，而且在光纤传感领域另辟了新的重要分支-光纤光栅传感。光纤光栅分为很多种类，按结构的空间周期分布是否均匀可分为周期性光栅和非周期性光栅两类，均匀周期光纤光栅分为光纤布拉格光栅、相移光纤光栅、莫尔光纤光栅、切指光纤光栅和超结构光纤光栅。周期性结构器件制造简单，其特性受到限制；非周期机构制造困难，其特性容易满足各种要求。从功能上可分为滤波性光栅和色散
13、补偿的波矢方向、空间周期分布及周期大小，光纤光栅可分为四种基本类型，即光纤布拉格光栅、闪耀光纤光栅、啁啾光纤光栅、长周期光纤光栅。光纤布拉格光栅（FBG）是最早发展出来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。光纤布拉格光栅的折射率呈固定的周期性调制分布，即调制深度与光栅周期均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。该类光纤光栅在通信和传感领域均有广泛的应用。近年来，光纤光栅的制作方法得到了人们的广泛研究并发展了多种制作方法，目前制作光纤光栅的方法主要有全息成栅法、相位掩膜法和干涉法。目前制作光纤光栅使用最为广泛的方法是相位掩膜法，这种方法大大降低了制作光纤光栅的复杂性，而且不需要高相干性的紫外光
14、源。随着光纤光栅制造技术的不断成熟和完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤技术应用中的传统设计思想，并使全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全光信息时代带来了无限生机和希望。1.3 光纤光栅传感技术的特点和应用1.3.1 光纤布拉格光栅传感技术的特点光纤传感技术是伴随着光导纤维和光通信技术的发展而逐步形成的。由于光纤传感技术中的传感与传输信号都是光信号，而并不是传统的电信号，因而光纤传感技术具有许多独特的优点，如具有抗电磁干扰能力强、适合高电压场所、能远离传输
15、信号、电绝缘性好、灵敏度高、耐腐蚀、安全可靠、可构成光纤传感网等诸多优点，它在航天、航海、电力传输、石油开采、核工业、医疗、科学研究等众多领域都有广阔的应用前景。因此，人们发现如果能够测出光波参数的变化，就可以得到导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。光纤光栅传感器的关键技术主要包括对光栅中心反射波长移动的探测与解调、对温度和应力/应变的交叉敏感测试以及多个光纤光栅传感器的复用等。光纤传感技术是利用光纤光栅对光栅对某些物理量的敏感特性，将外界物理量转换成可以测量的信号的技术，即由于光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、波长等）因外界因素（如温度、压力、应变、磁
16、场等）的作用而直接或间接发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量，其示意图见图1-2。 入射光波入射光波的特征参量外界因素出射光波图1-2 光纤传感原理图光纤光栅传感器是利用光波波长的变化来探测外界物理量的。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，外界参量的变化会引起光纤光栅折射率的变化，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。传统的光纤传感器绝大部分都是光强型和干涉型的。光强型光纤传感器的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。干涉型光纤传感的信息读取是观察干涉
17、条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰，而要使干涉条纹清晰就必须要求两路干涉光的光强相等，从而使光纤光路的灵活性和连接的方便性等优点大打折扣。而且它是一种过程传感器而不是状态传感器，因此必须要有一个固定的参考点，这样就给光纤传感器的应用带来了难度。根据光纤光栅的特性，可以利用光纤光纤制成用于检测应力/应变、温度等诸多参量的光纤光栅传感器和各种光纤传感器网络。与传统的电学传感器相比，它具有一般光纤传感器所具备的所有优点。此外，因为自身的特点，光纤光栅传感器也具有普通光纤传感器无法具备的优点：1、光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器，它的传感过程是通过外界参量对光栅中心波长的调制来获取传感信息，这样
18、可以避免光纤光栅传感器中各种光强起伏对测量精度引起的干扰。2、由于光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器，所以其测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响。3、因为光纤光栅对应力/应变和温度的双重敏感性，利用光纤光栅可以制作应力/应变和温度同时测量的双参量传感器。4、避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要，结合波分复用（WDM）和时分复用（TDM）技术，每根光纤中可以设置多个光纤光栅构成分布式的传感点，便于空间组网，分辨精度高，光纤光栅传感器具有波长编码的特点，它更便于构成分布式传感器网络，可以再大范围内对多点同时进行测量。5、光纤光栅很容易的埋入或嵌入
19、到被测材料中并对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构地理想器件。6、光纤光栅输出的是绝对波长量（它具有内在的波长度量刻度），可以作为绝对量的测量。7、利用复合结构光纤光栅的特殊光谱特性，可以制备多参数智能传感元件等。8、光纤具有非传导性，所以对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作。因此，基于以上的优点，自1989年首次报道将光纤光栅用作传感器以来，光纤光栅传感受到了世界范围的广泛重视，并且已经取得了持续和快速地发展。利用掩埋或贴附技术把光纤光栅复合到各种建筑
20、或器件中，可以对被测体的各种参量如应变、温度、应力、老化、裂变等进行大面积的实时综合测量、诊断和控制。1.3.2 光纤传感技术在实际中的应用光纤Bragg光栅传感器已经应用在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等方面。此外，光纤Bragg光栅还应用在加速器、水声器、形变检测、腐蚀探测器、身份和物品的识别系统等。总之，光纤Bragg光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。第2章 光纤光栅传感理论2.1 光纤光栅的基本原理2.1.1 光纤光栅的基本光学性能光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性的
21、变化），即当激光通过增敏过的光纤时，光纤纤芯的折射率将随激光光强的空间分布发生相应的变化，其变化的大小与光强成线性关系，并且能够永久的保存下来。根据制作方法的不同，不同的曝光条件，不同类型的光纤可以产生多种不同折射率分布的光纤光栅。当一束光经过光纤布拉格光栅时，满足布拉格光栅波长条件的就会被反射回来，为满足布拉格光栅波长条件的光波就会透射过去。如图2-1和2-2所示。入射光波入射光波的特征参量折射变化部分透射光图2-1 光纤布拉格光栅的基本结构nn1(z)-L/2L/2O图2-2 光纤布拉格光栅的折射率分布对于光纤光栅来说，其基本光学参数对于我们研究光纤传感来说是非常重要的。光纤光栅的基本光学
22、参数有：反射率、透射率、光栅方程、反射带宽等。利用耦合模理论对周期性光栅进行分析，可得到光纤光栅的反射率R和透射率T的表达式如下： （2-1）当 （2-2） 当 （2-3）在上式中，L是光栅的长度，K为耦合系数，为模传播常数，为光栅周期，为等效折射率，为自由空间工作波长P为一个整数 （2-4） （2-5）当波长匹配时，即=0时，R取最大值，对于一阶场，P=1， （2-6）对于单模光纤为 （2-7）由波长匹配条件 ，可以推出布拉格方程 （2-8）再由反射带宽的定义：可以求出两个的值，并进一步给出Bragg反射半值带宽 (2-9)上面我们给出了光纤Bragg光栅的反射率R，Bragg波长和线宽等几
23、个重要参数，这些参数对于光栅的制作及其应用都有重要的意义。从式中我们可以看到，光栅的长度L的改变、折射率变化，以及光纤光栅中心波长都能引起反射率和线宽的变化，这对光纤光栅的调制提供了重要的依据。2.1.2 光纤光栅的传感原理当光纤光栅所处环境的温度、应力发生变化的时候，光栅的纤芯折射率以及光栅的周期也都会相应的发生变化，从而由光纤光栅反射回的波长就会有一个偏移量，影响反射波的波长。所以，我们可以通过测量反射波长的偏移量就可以间接的测量引起波长偏移的物理量，如利用光纤光栅可以测得光纤光栅所处环境的温度的变化，应力的变化等。在光纤的基本光学性能里面已经得到，对其进行求导，可以得出： (2-10)其
24、微分形式为： (2-11)从（2-10）和（2-11）式可以看出光栅布拉格波长并不是一个常量，而是有一定的偏移量，且反射波长的偏移量与光纤纤芯的有效折射率和光栅周期的变化有关。当光栅受到轴向应力的作用或者温度的变化影响时，纤芯有效折射率和光栅的周期都会发生变化。应力作用下的光弹效应导致折射率的变化，从而导致有效折射率发生变化；而当温度变化时，其产生的光热效应导致光栅周期发生变化。将耦合波长看做温度T和应变的函数，则对和展开长泰勒级数为： + (2-12)当T和不是很大时，略去和以上的高次项以及（2-12）式中的第四项，此项是温度和应变的关系型，分别为纤芯的热膨胀系数，热光系数和有效弹光系数，则
25、（2-11）式可近似为：=+）=+ （2-13）在式（2-13）中，为光纤Bragg光栅的温度响应系数，为光纤Bragg光栅的应变响应系数。首先，将问题先简单化，不去考虑温度和应变的交叉敏感，分别考察仅在单一的温度或应力作用下光纤Bragg光栅的传感特性。当只受温度影响时有 (2-14)由上式可以知道，温度T的改变T 引起的布拉格反射波长的漂移，漂移量为，这主要是由温度变化引起的有效折射率的改变引起的，并且和T成线性关系，因此通过对光纤Bragg光栅中心反射波长的移动的检测就可以确定被测量的值。 同理，忽略温度的影响，当只受应力影响时有： = （2-15）由于应力的作用，最终会引起光纤光栅的有
26、效折射率和光栅栅距的变化，从而改变布拉格波长。从（2-15）式中可以看到，其形式和（2-14）式相同，波长的漂移量和应力的变化量也成线性的关系，所以由波长的变化量也可以方便的求出光栅在外界应力作用下产生的应变的值。综合考虑，当温度和应力变的影响同时存在时有： = + （2-16）由（2-16）式可知，当光纤Bragg光栅传感器所受应力或温度发生改变时，光栅中心反射波长都会产生相应的移动。当温度或应变其中一个参量恒定时，波长的移动由应变或温度的改变引起。但是当两个参量对不是恒定的值的情况下，就无法确定波长的移动的具体由什么参量的改变引起的，更无法确定参量的改变量大小，这就是光纤Bragg光栅传感
27、器的交叉敏感问题。2.2 光纤光栅的传感灵敏度2.2.1 应变灵敏度 当温度不变时，式(2-13)得出，沿轴向应变和波长的关系由下式给出 （2-17） 对于普通的光纤，其有效折射率1.46，在硅介质中，有效弹光系数0.22。根据（2-17）得出，光纤在轴向应变作用下布拉格波长的变化为： （2-18）所以，对于中心波长1550nm波段，其该变量为1.2。2.2.2 温度灵敏度与应变灵敏度相同，式（2-13）得出，当应变不变时，光纤在温度变化的作用下的布拉格波长的变化程度为： = （2-19）对于多种光纤，当温度在20150摄氏度之间变化时, /度于是，对于=1550nm波段/度。光纤光栅的中心波
28、长随温度及应变的变化而变化，在光通信领域中，这成为光纤光栅应用的 难题之一，而在光纤传感领域，它又成为必要的技术基础。第3章 光纤光栅解调方法3.1 光纤光栅的解调概念在光纤光栅传感技术中，解调过程与传感过程正好相反，解调的过程其实就是信号检测的过程，光纤光栅解调技术是研究从己被调制的光信号中还原出原解调信号的技术，还原出的信号与被测信号成一定的比例，当被测量变化时，由光纤光栅反射的光波波长也会发生相应的移动，并且根据第二章的推导可知反射波长的移动量与被测量的变化量呈线性关系。若想要实现多点测量，我们可以利用时分复用技术、波分复用技术或空间复用技术组成光纤光栅传感网络的方法可以实现。在实际应用
29、中，我们测得的被测量的精度越高越好，所以如何高测量光纤光栅的反射波长移动量的精度就成了我们研究光纤光栅传感器的关键问题。研究开发体积小、成本低、精度高的解调系统是使光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广的关键问题。为了促使光纤光栅传感器的发展，使其满足实用化的要求，人们对光纤光栅的波长编码信号进行解调是实现光纤光栅传感实用得到关键。由于光纤光栅所测量的是由光栅反射的光的反射波长，所以，对反射波长移位的检测精度就直接决定了整个系统的检测精度。因此，光纤光栅传感系统中应有某些检测装置使得可以精密的检测波长或者波长的偏移量。下面是几种目前比较成熟的解调技术的介绍。3.2 光纤光纤传感系统解调方法
30、介绍3.2.1 光谱仪检测法光谱仪检测法是一种最直接的波长位移检测方法，这种测量方法的优点就是结构简单，适用于实验室使用。但是由于传统的色散掕镜或者衍射光栅为基础的光谱仪的分辨率较低，所以造成了测量反射波波长的精度不高，无法满足实际情况的要求。高分辨率的光纤光谱分析仪可以满足高精度测量的需求，但是其价格昂贵，体积庞大，由此构成的系统成本高并且缺乏必要的紧凑性和牢固度，除此之外这种方法不适合在现在使用，在实际应用的传感器系统中是很不方便的，采用这种光谱仪检测光纤光栅的波长移位也是非常不现实的，更重要的是，光纤光谱仪直接测出的是光波的波长的变化，它并不能直接输出对应波长变化的电信号，这对于测量结果
31、的记录、存储和显示以及提供回路必要的电信号以达到工业生产过程自动控制的目的是极为不利的。其示意图如图3-1所示。宽带光源光耦合器光谱分析仪FBG图3-1 光谱检测仪法示意图3.2.2 非平衡马赫-曾德干涉仪跟踪法1992年，ADKersey等人提出了非平衡马赫-曾德干涉解调法，由于此种方法采用的是干涉法来检测波长的移位，所以其具有极高的检测灵敏度，这种方法适合于高分辨率动态应变传感信号的检测。其解调原理如图3-2所示，此方法引起了国内外许多研究人员的重视，并对其进行了研究。宽带光源定向耦合器压电陶瓷相位漂移补偿差动运放信号处理电路光电探测器FBG图3-2 非平衡马赫-曾德干涉仪跟踪法原理图3.
32、2.3 匹配光栅法匹配光栅滤波解调法是用一个与传感光栅相匹配的接收光栅的波长去推知传感光栅的波长。匹配光栅滤波解调法工作方式有两种：一是反射方式，即传感信号经过传感光栅后进入匹配光栅检测反射光强，当探测器接收光强最大时传感光栅与匹配光栅中心波长完全匹配。二是透射方式，与反射方式类似的检测透射光强，当探测器接收的光强达到最小的时候就可获得传感光栅的中心发射波长。匹配光栅解调法的基本原理如图3-3所示。宽带光源耦合器1压电陶瓷光电探测器FBG1隔离器耦合器2FBG2图3-3 匹配光栅解调原理图该方法的特点是结构简单，而且对最终检测的反射光强无绝对要求，各类强度噪声也不会对输出结果有影响。但这种方法
33、也存在不可避免的缺点：一是要求两个光栅严格匹配；二是由于传感光栅的测量范围不能很大，所以实际当中测量的范围受参考光栅应变量的限制。3.2.4 可调谐窄带光源解调法可调谐窄带光源解调法采用波长周期变化的窄带光谱扫描传感光栅的发射谱。可调谐窄带光源固定在呀电体PZT上，当PZT受锯齿波或正弦电压驱动时，窄带光源的光谱在一定范围内变化。可调谐窄带光源解调法示意图如图3-4所示。可调谐窄光源隔离器数字示波器传感FBG驱动电压图3-4 可调谐窄带光源解调示意图3.2.5 线性边带滤波解调法这种方法主要是基于光强检测。线性边带滤波解调系统如图3-5所示。此系统有很多优点，主要就是消除了光源波动的影响，适用
34、于动态、静态的测量，具有较好的线性输出，并且体积性对来说可以做的很小，便于户外使用。但是也不能忽略其缺点，由于分辨率是由滤波器的滤波曲线的斜度而定的，所以线性边带滤波解调系统分辨率不是很高，而滤波曲线的线性近似也会造成一定的不可避免的误差。光源耦合器1耦合器2除法器滤波器传感器FBG输出图3-5 线性边带滤波解调示意图3.2.6 可调谐法布里珀罗腔法 如图3-6为可调光纤F-P腔解调原理图，从宽带光源发出的光经隔离器和耦合器传送到串联在光纤上的分布式FBG传感器，波长满足布拉格反射条件的光波被反射回来，FBG传感器反射回的光经耦合器入射到可调谐F-P腔中。系统中利用压电陶瓷作为F-P腔腔长变化
35、的驱动元件，使可调谐F-P腔工作在扫描状态。给PZT施加一个锯齿波的扫描电压，压电陶瓷随着扫描电压的变化产生伸缩，从而使F-P腔的腔长发生变化。当腔长的长度是光纤光栅反射光波的半个波长的整数倍时，光电探测器探测到最大光强，此时给施加的电压就对应着的中心反射波长。通过检测最大透射光强就可得到反射波波长，进而得到所测参变量。以上就是可调光纤腔解调原理。隔离器FBG1FBGnPZT驱动电源P-P腔信号处理电路光电探测器定向耦合器图3-6 可调光纤F-P腔解调原理图第4章 实验系统4.1 光纤光栅测温系统的总体架构基于光纤布拉格光栅测温系统装置可分为以下几部分：光路部分、信号处理部分、恒温控制部分、通
36、信部分、和服务器通信管理软件几大块构成。光路部分：包括C波段宽带光源ASE模块、F-P滤波器驱动设计，光纤光栅传感阵列的设计等；信号处理部分：包括A/D采集电路设计、高速数字信号处理电路设计；恒温控制部分：用于对参考标定光栅的恒温控制，以及温度的读取等；服务器通信管理软件与系统配置软件设计。光纤布拉格光栅测温系统装置硬件框图如图4-1所示，服务器监控用户终端光纤F-P滤波器ASE宽带光源耦合器耦合器扫描驱动电路DSP扫描电压生成及平滑调理参考光路耦合器同步ADC模数转换DSP数据采集处理系统光标准具标定光栅恒温控制电路光电探测电路图4-1光纤光栅测温系统装置硬件框图整个系统的实现流程如下：由A
37、SE宽带光源发出1525nm-1565nm波段的宽带光，通过光纤F-P滤波器后再经耦合器分成传感光路和参考光路。在参考光路中并联了标定光栅和光标准具，并将这两种器件放入系统内部设置的恒温电路控制的恒温装置中，带系统稳定后，在采集数据进行标定。在传感光路中，传感光经过光路到达串联在一起的光纤光栅，从而可以实现多点测温监测。传感光路和参考光路获得的光信号传输到光电转换电路被转换为电信号，经信号调理与放大电路处理后，由AD转换模块同步转换为数字信号，在数字信号处理器中进行滤波降噪、信号特征的提取与分析，根据光栅温度解调算法解算出传感光栅的温度值。DSP数字信号处理器同时还集成DA功能，DA输出三角波
38、电压，经过平滑调理后，由高压驱动电路放大，次电压对F-P滤波器进行扫描，进而驱动光纤F-P滤波器。硬件系统设计了本地RS232接口，通过接口可以为用户服务器传输数据，实现远程监测和监控。本地系统还设计显示和报警开关的输出，为系统联机提供了方便的接入端子。4.2 光路部分 光路部分是光纤光栅测温系统的核心结构，这部分的结构决定着系统温度解调算法实现。4.2.1 ASE宽带光源系统一般不会采用LED光源，由于LED从器件到单模光纤的耦合效率很低，在光功率方面不能满足系统的要求，所以在系统中一般不会采用这种光源：对于SLED来说，其3dB带宽较大，可达60nm以上，但其输出光功率很小，只有1mW左右
39、，这种功率大小不能满足系统中多路复用的要求；但是这种光源的价格非常昂贵；本课题采用ASE光源作为系统的光源此外，ASE光源具有输出稳定、受环境影响小、容易与单模光纤耦合等优点，且覆盖了大部分的中红外波段。综合考虑，我们选择ASE光源作为本系统的光源。ASE带宽光源是专为实验室实验和生产设计的。光源主题部分是增益介质掺铒光纤盒高性能的泵浦激光器。具有独特的自动温度控制（ATC）和自动功率控制（APC）。电路通过控制泵浦激光器的输出保证了输出功率的稳定，通过调节APC，可在一定范围内调节输出功率。结构如图4-2。WDMWDMErbium Doped FiberPumpAPC&ATCMPU Syst
40、emPumpIsolatoroutput图4-2 ASE光源的结构4.2.2 光纤耦合器利用连接器和熔接的方法都可以将两段光纤连接起来，这样可以满足两个器件之间的光信号的传输。但是在很多的应用中，需要连接的不只是仪器的两个端头。耦合器就是将输入信号分成两路或多路输出，或将两路或更多路输入合并成一路输出。4.3 信号处理电路部分4.3.1 ADC与DAC电路设计ADC设计中系统采用4通道同步转换ADC芯片AD7865，图4-3为AD7865的引脚分布图，其具有14位精度、低功耗、采样保持，单电源供电，电源电压为2.7V至5.25V，四路同步采样最高吞吐量可达100KSPS。该器件内置一个低噪声、
41、宽带宽采样/保持放大器。转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟进行控制，从而为器件与微处理器或DSP接口创造了条件。输入信号在CONVST信号的下降沿进行同步采样，四路转换同时在此处启动。该器件不存在流水线延迟。采用先进的设计技术，可在高吞吐量的情况下实现极低的功耗。采用5V电源，吞吐量为100KSPS时，AD7865的功耗为115mW。图4-3 AD7865引脚分布图关于DAC的设计：光纤光栅测温系统设计1路DAC用于生产控制F-P滤波器的扫描电压信号。DAC采用nanoDAC系列，其特点为低功耗、双通道、12位缓冲电压输出数模转换器（DAC），采用2.7V至5.5V单电源供电，通过设计保
42、证单调性，还有一个IC兼容型串行接口。内置一个片内基准电压源，内部基准电压源则通过软件写入启用。AD56x7RBRMZ内置一个1.25V、5ppm/度基准电压源，满量程输出范围可达到2.5V；AD56x7RBRMZ内置一个2.5V、5ppm/度基准电压源，满量程输出范围可达到5V，引脚如图4-4。图4-4 AD5627引脚分布DAC性能指标：1. 低功耗、双通道nanoDAC2. 12位精度3. 片内自带基准电压源4. 3mmx3mm、LFCSP和10引脚MSOP封装5. 采用2.7V至5.5V电源供电6. 通过设计保证单调性7. 上电复位至零电平8. 各通道独立省电9. 硬件LDAC和CLR
43、功能10. IC兼容型串行接口，支持标准（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三种模式4.3.2 高速数字信号处理电路设计高速数字信号处理电路采用高性能浮点DSP处理芯片，实现采集数据的实时运算处理，将处理后的结果信息通过串口发送至控制模块，再通过GPIO接口对控制模块等相关模块进行通信。本文选用的是ADSP SHARC 系列处理器，它们都是以ADSP-21000处理器核为基础，结构大体相同，在程序代码设计上也具有高度的兼容性。ADSP2136的电路如图4-5，下面就简单介绍下ADSPSHARC系列处理器的一些特点。图4-5 ADSP2136的晶振1. 独立并行运算单元算
44、数/逻辑单元（ALU）、乘法器和移位器都可以再单周期里执行指令，它们并列排列，大大提高了数据吞吐率。对于单个乘、累加指令，能同时并行的在乘法器和ALU中执行。运算单元支持IEEE32位单精度浮点、40位扩展精度浮点和32位定点数据格式。2. 通用数据寄存器通用数据寄存器在运算单元和数据总线之间传递数据，能同时保存中间运算结果。32个I/O端口的数据寄存器与处理器的超级哈弗结构相结合，能实现运算单元与储存器之间无限制的数据流动。3. 单周期同时取1条指令和2个操作数ADSP SHARC 系列处理器超级哈弗结构内有2条数据总线：数据储存总线（DM）和程序储存器总线（PM）。DM总线主要传递数据，PM总线既可以传送指令又可以传输数据，而且DM总线和PM总线分开。这样，ADSP SHARC 系列处理器利用指令缓存，就能在单周期内实现同时取2个操作数和1条指令。4. 指令缓存ADSP系列处理器内部有一个高效的级指令缓存，允许条总线同时取条指令和个操作数。指令缓存是否使用，也可以通过编程加以控制。有了指令缓存，处理器就能高速执行循环操作，比如数字滤波的乘、累加操作和FFT碟性运算等。5产生器ADSP SHARC系列处理器内部有2个数据地址产生器（DAGS），在硬件上能实现环形数据缓冲寻址，这样
