光纖光柵傳感器的系統(tǒng)方案解析

0 引言

光纖布拉格光柵傳感器(FBGS)是用光纖布拉格光柵(FBG)作敏感元件的功能型光纖傳感器，可用于直接檢測(cè)溫度和應(yīng)變，以及與溫度和應(yīng)變有關(guān)的其他許多物理量和化學(xué)量的間接測(cè)量。在光纖布拉格光柵傳感器的應(yīng)用研究中，波長(zhǎng)解調(diào)是一個(gè)重要的方面。目前限制光纖光柵傳感器應(yīng)用的最主要障礙是傳感信號(hào)的解調(diào)。波長(zhǎng)解調(diào)方法主要有光譜儀、斜邊濾波法、可調(diào)諧濾波法、干涉掃描法、匹配光柵法等。但是，在這幾種方法中，光譜儀成本較高，斜邊濾波法的分辨率較小，干涉儀沒(méi)有好的重復(fù)性，而可調(diào)諧濾波器的掃描周期較長(zhǎng)。因此，近年來(lái)，匹配光柵法越來(lái)越受到人們的青睞。為此，文中介紹了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)且由兩個(gè)并聯(lián)的匹配光柵解調(diào)來(lái)檢測(cè)光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1雙光柵匹配原理

雙光柵匹配系統(tǒng)示意圖如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器進(jìn)入傳感FBG。再由FBG反射后進(jìn)人兩路匹配光柵，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光電探測(cè)器得到與其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)有關(guān)的光信號(hào)，然后由光電探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)入信號(hào)采集處理電路提取有用信號(hào)，最后由后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。

圖1中，PD1和PD2為光電探測(cè)器，光電探測(cè)器所探測(cè)到的光功率P為：

其中I1(λ)和I2(λ)分別為傳感光柵和匹配光柵的反射功率譜密度函數(shù)。兩者的反射功率譜函數(shù)均可用高斯函數(shù)近似表示：

式中，I0為反射譜強(qiáng)度峰值;λs為反射譜強(qiáng)度為I0時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值;△λs為反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測(cè)器所探測(cè)到的光功率的大小與傳感光柵和匹配光柵的反射譜的卷積大小成正比。傳感光柵的中心波長(zhǎng)λc與匹配光柵的中心波長(zhǎng)λp的差值越小，對(duì)應(yīng)的卷積值越大。由于△λ大于閾值△λmin時(shí)，卷積值過(guò)小可能無(wú)法繼續(xù)解調(diào)，因此，解調(diào)范圍會(huì)受到限制。

普通的匹配法只有一個(gè)傳感光柵一個(gè)匹配光柵，對(duì)應(yīng)只有一個(gè)△λ。當(dāng)該△λ≥△λmin時(shí)，解調(diào)系統(tǒng)將無(wú)法繼續(xù)解調(diào)。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，傳感光柵與兩個(gè)并聯(lián)的匹配光柵的中心波長(zhǎng)近似相等，但略有差別。三者關(guān)系為：λp1<λc<λp2，λp1和λp2分別表示兩個(gè)匹配光柵的中心波長(zhǎng)。λc是傳感光柵的中心波長(zhǎng)。傳感光柵在外界應(yīng)力作用下時(shí)，△λ1=?λc-λp1?，△λ2=?λc-λp2?;當(dāng)λc增大時(shí)△λ1增大，△λ2減小;當(dāng)λc減小時(shí)，△λ1減小，△λ2增大。圖2所示為△λ1、△λ2和λc三者的關(guān)系圖，其中△λmin是光電探測(cè)器可以探測(cè)到的最小值。因此，根據(jù)圖2可知，在理論上，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)總是至少有一個(gè)光電探測(cè)器可以探測(cè)到可用光信號(hào)。

2 基于DSP的解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

匹配光柵反射回來(lái)的光入射到光電探測(cè)器(PD)上可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換部分和信號(hào)采集部分主要完成對(duì)PD輸出電信號(hào)的采集，采集到的信號(hào)再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)由DSP進(jìn)行處理。DSP主要完成數(shù)據(jù)的插值運(yùn)算和尋峰處理，并根據(jù)處理結(jié)果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)完成下一步的解調(diào)工作，其系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

為了實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采樣，本系統(tǒng)選用美國(guó)AD公司推出的一種12位帶并行微機(jī)接口的逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD1674內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。

本系統(tǒng)采用TMS320VC5402作為主控芯片。這種定點(diǎn)DSP芯片可實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號(hào)的處理、步進(jìn)電機(jī)的控制和顯示等。該芯片具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算。其靈活的循環(huán)緩沖區(qū)和高效的C語(yǔ)言可使TMS320VC5402方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)尋址與卷積運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)高速度解調(diào)。

2.2　 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP系統(tǒng)的軟件部分主要由初始化程序、線性插值子程序或者曲線擬合子程序、顯示程序、驅(qū)動(dòng)程序、中斷服務(wù)程序等幾部分組成，可以將A/D轉(zhuǎn)換和串行通訊代碼放在中斷服務(wù)程序中來(lái)實(shí)現(xiàn)。

初始化程序用于完成DSPI/O口、內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器、串行口、中斷等資源的初始化。為了協(xié)調(diào)A/D轉(zhuǎn)換和步進(jìn)電機(jī)的控制，可由DSP發(fā)出控制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，以使經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號(hào)與加在匹配光柵上的步數(shù)一一對(duì)應(yīng)。顯示部分的程序可將此數(shù)字信號(hào)經(jīng)代數(shù)變換轉(zhuǎn)換為直接表示應(yīng)力的數(shù)字量，然后通過(guò)查表動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力顯示。

當(dāng)匹配光柵反射波長(zhǎng)與光纖光柵反射波的中心波長(zhǎng)重疊時(shí)，光電轉(zhuǎn)換輸出脈沖信號(hào)，并向DSP請(qǐng)求中斷，然后由DSP執(zhí)行中斷服務(wù)程序，以將DSP內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量讀入DSP并保存起來(lái)，最后通過(guò)串行口發(fā)送到上位機(jī)再中斷返回。

3　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由實(shí)驗(yàn)可得，在砝碼質(zhì)量從0 g增加到60 g的過(guò)程中，粘貼在懸臂梁上的FBG1中心波長(zhǎng)漂移0.716 nm，圖4所示為FBG1中心波長(zhǎng)隨砝碼質(zhì)量變化的曲線圖。由圖4可知，懸臂梁上的FBG中心波長(zhǎng)變化量與懸臂梁自由端所施加的砝碼質(zhì)量成較好的線性關(guān)系，并且具有較高的靈敏度。

實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)增加砝碼的質(zhì)量施加對(duì)懸臂梁不斷增加的拉伸應(yīng)力。兩個(gè)匹配光柵反射光信號(hào)分別被各自對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器所接收。光電探測(cè)器輸出的模擬電壓信號(hào)則由以DSP為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)的一系列處理得出傳感光纖布拉格光柵所感測(cè)到的外界物理量的大小。

當(dāng) PD1對(duì)應(yīng)處理后的電壓信號(hào)值為5 V時(shí)，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為A和C，即對(duì)應(yīng)的有兩個(gè)光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)值。因此，對(duì)于這個(gè)5 V電壓，解調(diào)系統(tǒng)無(wú)法直接判斷出對(duì)應(yīng)的懸臂梁負(fù)載的質(zhì)量是A點(diǎn)還是C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，往往會(huì)存在兩個(gè)匹配光柵并對(duì)應(yīng)兩個(gè)光電探測(cè)器。除存在PD1外，還存在PD2。系統(tǒng)可以通過(guò)PD1和PD2兩者所對(duì)應(yīng)的電壓值來(lái)確定產(chǎn)生5V電壓時(shí)所添加的砝碼質(zhì)量。實(shí)際上，可通過(guò)DSP系統(tǒng)的運(yùn)算處理得到匹配光柵中心波長(zhǎng)的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長(zhǎng)變化量。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴(kuò)大傳感光柵的測(cè)量范圍。光電探測(cè)器的輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后的電壓隨應(yīng)力的變化曲線如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)是以匹配法為基礎(chǔ)并加以改進(jìn)新方法。它繼承了匹配法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)還解決了因光電探測(cè)器導(dǎo)致的測(cè)量范圍受限的問(wèn)題，也解決了匹配法中存在的雙值問(wèn)題。該解調(diào)系統(tǒng)將匹配光柵粘貼于特殊懸臂梁上，并采用DSP進(jìn)行處理，不僅提高了響應(yīng)速度，而且提高了解調(diào)的精度和穩(wěn)定性。減小了匹配光柵因應(yīng)力過(guò)大而損壞的可能性。利用拉力作為系統(tǒng)的待測(cè)量進(jìn)行解調(diào)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有良好的線性度、解調(diào)精度、速度及靈敏度。