基于STM32的FFP-TF法FBG傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：通過對(duì)FBG傳感器、FFP-TF(可調(diào)諧光纖F—P濾波器)以及STM32微控制器的研究，設(shè)計(jì)了一種光纖光柵傳感系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)具有精密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、使用方便、適用于野外作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。本文給出了傳感系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。

目前，F(xiàn)BG(Fiber Bragg Grating)傳感器已成為光纖光柵傳感領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，在石油化工，海洋探測(cè)，航空航天，煤礦開采等領(lǐng)域都有著極其可觀的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)傳感器將電信號(hào)作為待測(cè)參量的載體，而FBG傳感器是將光信號(hào)作為待測(cè)參量的載體。由于光的特性(安全、絕緣、抗電磁干擾等)及光纖獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)(質(zhì)輕、質(zhì)軟、耐腐蝕等)使得FBG傳感器能夠制成具有不同特定功能、任意形狀的光纖傳感器FBG傳感器可以完成在高溫區(qū)、輻射區(qū)、狹小空間、強(qiáng)電磁干擾以及高電壓環(huán)境等傳統(tǒng)傳感器難以完成或者不能完成的任務(wù)。FFP—TF(FiberFab ry-Perot Tunable Filter)解調(diào)法具有調(diào)諧范圍廣、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠直接輸出與FBG反射中心波長對(duì)應(yīng)的光解調(diào)信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于需要多點(diǎn)掃描的測(cè)量當(dāng)中。

STM32系列32位閃存微控制器集先進(jìn)的ARM Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)、出眾創(chuàng)新的外設(shè)、良好的功耗控制和低成本于一體，具有指令效率高、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性能優(yōu)異、易于開發(fā)、代碼方便移植等優(yōu)點(diǎn)。因此，將STM32微控制器引入到解調(diào)系統(tǒng)中，開發(fā)了一個(gè)應(yīng)用STM32微控制器處理數(shù)據(jù)的FBG傳感系統(tǒng)。

1 FFP-TF解調(diào)原理

用可調(diào)諧F—P濾波器法對(duì)FBG傳感器反射中心波長解調(diào)的基本原理如圖1所示。

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光隔離器，再經(jīng)過3 dB耦合器耦合到反射FBG傳感陣列中，F(xiàn)BG傳感器反射回來的不同波長的光波再經(jīng)由耦合器耦合到可調(diào)諧F—P濾波器中?？梢越普J(rèn)為FBG的反射光譜符合高斯分布，設(shè)其中心波長為λB，其帶寬為δ0。由于FBG的反射光譜帶寬僅為0.2 nm，寬帶光源光強(qiáng)在這段區(qū)間內(nèi)可以近似認(rèn)為是平均分布的，設(shè)FBG的反射譜為G(λ)，則有式(1)：

式(2)中的λ的范圍由光源范圍決定，其中R、n、φ分別為F—P濾波器的反射率、折射率、光入射角。透過光纖F—P濾波器的光纖光柵反射光由PD(光電探測(cè)器)接收，PD接收到的光功率PD(λ)是FBG反射譜和F—P濾波器透射函數(shù)的卷積積分如式(3)：

由于PZT(壓電陶瓷)可以很好地將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在外加電動(dòng)勢(shì)的作用下可產(chǎn)生形變，故可用壓電陶瓷作為F—P腔的驅(qū)動(dòng)元件，在微位移驅(qū)動(dòng)器的周期性驅(qū)動(dòng)下，F(xiàn)FP-TF腔長進(jìn)行周期性的伸縮，使其透射波長在某一范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。設(shè)被測(cè)FBG中心波長λB在t0時(shí)刻滿足FFP-TF透過的極大條件，即滿足(5)式，PD此時(shí)輸出電壓峰值。

2(L+△L)=kλB (5)

式(5)中的L為FFP-TF的初始腔長，△L為腔長的變化量，k為干涉級(jí)數(shù)，是任意整數(shù)。根據(jù)提前標(biāo)定的FFP-TF的腔長變化、微位移驅(qū)動(dòng)器周期驅(qū)動(dòng)與時(shí)間的關(guān)系，可以求出被測(cè)FBG的中心波長λB。再根據(jù)FBG中心波長的移動(dòng)范圍即可得到FFP-TF透射光波對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感點(diǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)FBG的分布式傳感。其中信號(hào)采集、信號(hào)處理、掃描電壓控制以及顯示過程由嵌入式微處理器完成。

2 解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)模塊：光信號(hào)處理模塊與電信號(hào)處理模塊。光信號(hào)處理模塊主要用來跟蹤分析傳感光纖光柵的中心反射波長的漂移，將光信號(hào)波長信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào);電信號(hào)處理模塊主要用來完成對(duì)光信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)換來的電信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算，轉(zhuǎn)為數(shù)字信息，提取到外界信息后，最后以用戶熟悉、界面友好的形式輸出顯示。系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：光路系統(tǒng)，擴(kuò)展電路以及嵌入式控制系統(tǒng)。

2.1 光路系統(tǒng)

光路系統(tǒng)主要是由寬帶光源、光隔離器、3 dB耦合器、FBG傳感網(wǎng)絡(luò)及可調(diào)諧F—P濾波器部分等組建而成。光路系統(tǒng)需要外界提供掃描電壓給可調(diào)諧F—P濾波器，用來驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧F—P濾波器。

2.2 擴(kuò)展電路

擴(kuò)展電路主要包括A/D輸入模塊以及D/A輸出模塊。A/D輸入模塊中PIN光電二極管將FFP-TF的透射光譜轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過信號(hào)放大調(diào)理電路將光路系統(tǒng)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，再送至STM32系統(tǒng)進(jìn)行A/D采樣。D/A輸出模塊用來對(duì)光路系統(tǒng)中的可調(diào)諧F—P濾波器提供掃描電壓。

2.2.1 A/D輸入模塊

光電檢測(cè)電路是由一個(gè)實(shí)為光-電流-電壓轉(zhuǎn)換的PIN光電二極管及相關(guān)電路部分組成。PIN光電二極管的缺點(diǎn)是輸出的電流一般只有數(shù)微安。PIN光電二極管將接收到的光信號(hào)變?yōu)榕c之成對(duì)應(yīng)比例的微弱電流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器以及與PIN光電二極管的串聯(lián)電阻所組成的放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。持續(xù)光照的PIN光電二極管可看成一個(gè)電流源，當(dāng)它的負(fù)載阻抗為零時(shí)，輸出特性為最好。

A/D轉(zhuǎn)換是采樣電路的核心，考慮到系統(tǒng)對(duì)分辨率、速度與精度等參數(shù)的要求，ADC芯片選用Burr-Brown公司出品的ADS8320，16位精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，最高采樣頻率為100 kHz。超低功耗和體積小使ADS8320成為理想的便于攜帶和電池供電系統(tǒng)。

2.2.2 D/A輸出模塊

可調(diào)諧F—P掃描電壓由單片機(jī)通過外圍電路產(chǎn)生，根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)掃描范圍為40 nm，分辨率為1 pm，故D/A芯片的位數(shù)N應(yīng)該滿足：

2N≥(40·1 000 pm)/1 pm (6)

即N≥16，為了給可調(diào)諧F—P濾波器提供一個(gè)高精度的電壓供給，決定選用DAC8811芯片，16位精度的高速D/A轉(zhuǎn)換芯片。

2.3 嵌入式控制系統(tǒng)

主控芯片選用ST公司推出的基于Cortex—M3內(nèi)核的STM32F103C8T6芯片，它集先進(jìn)Cortex—M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)、良好的功耗控制、出眾創(chuàng)新的外設(shè)和低成本于一體。STM32擁有全系列軟件的高度兼容性及腳對(duì)腳和外設(shè)，能夠在不修改軟件及原始框架的條件下，可將應(yīng)用精簡為使用更少的存儲(chǔ)空間，或升級(jí)為需要更多的存儲(chǔ)空間。

3 解調(diào)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)STM32易于開發(fā)，可使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)的特點(diǎn)，采用STM32固件庫進(jìn)行編寫。STM32固件庫提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問STM32的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如下功能：

1)制FBG解調(diào)系統(tǒng)的工作;

2)采樣濾波電路所處理過的電信號(hào);

3)給PZT提供鋸齒波驅(qū)動(dòng)電壓，若某時(shí)采集到FBG信號(hào)，則記錄此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;

4)根據(jù)FBG傳感器所測(cè)量的外界物理量與本身中心波長的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出所測(cè)物理量的值并顯示結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

進(jìn)行溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。光源選用ASE-C型C波段寬帶光源，工作波長范圍為1 525.nm～1 565 nm。傳感器選用GFRP封裝的FBG溫度傳感器，30.0 ℃時(shí)標(biāo)定的中心波長為1 553.971 nm，溫度系數(shù)為19.05 pm/℃。將FBG傳感器放入溫控箱，不受外界應(yīng)變的影響。從20℃開始，每增加10℃定溫20 min測(cè)定一次波長，直至80℃。測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。

將測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制成波長一溫度曲線圖，如圖2所示。圖中的‘▲’表示波長理論值，‘▼’表示波長實(shí)際測(cè)量值，‘■’表示理論波長與實(shí)際測(cè)量波長的絕對(duì)誤差值，‘●’表示標(biāo)定溫度與實(shí)際測(cè)量溫度的誤差值，直線為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的線性擬合。x軸表示溫度，y軸表示波長或者溫度。

從測(cè)試結(jié)果來看，該溫度傳感系統(tǒng)具有良好的線性度，測(cè)得的波長、溫度與理論波長、標(biāo)定溫度基本一致，各點(diǎn)的波長偏差在±4 pm以內(nèi)，系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度可達(dá)±0.2 ℃。

5 結(jié)論

本文提出了基于STM32的FFP-TF法FBG傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了STM32控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。該傳感系統(tǒng)具有測(cè)量速度快，精確度高等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)精確測(cè)量的目的。該傳感系統(tǒng)可用于智能結(jié)構(gòu)(石油化工、海洋探測(cè)、航空航天、煤礦開采等)的溫度等參數(shù)的采集，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。