基于DSP的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計
[導(dǎo)讀]闡述了利用匹配光纖光柵閉環(huán)跟蹤測量傳感光纖光柵布拉格波長的方法，給出了基于高速數(shù)字信號處理器(DSP)的光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，該方案利用一種特殊結(jié)構(gòu)的懸臂梁和兩個并聯(lián)二次反射匹配解調(diào)光柵的方法來實現(xiàn)光纖布拉格光柵(FBG)傳感器的高精度大范圍應(yīng)變傳感解調(diào)，并通過特殊懸臂梁提高了解調(diào)光柵的敏感度；同時利用并聯(lián)方式并選擇兩個合適的匹配光柵中心波長來增大可檢測的應(yīng)變范圍，同時解決了雙值問題。
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)量的間接測量。在光纖布拉格光柵傳感器的應(yīng)用研究中，波長解調(diào)是一個重要的方面。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的解調(diào)。波長解調(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，干涉儀沒有好的重復(fù)性，而可調(diào)諧濾波器的掃描周期較長。因此，近年來，匹配光柵法越來越受到人們的青睞。為此，文中介紹了一種簡單、廉價且由兩個并聯(lián)的匹配光柵解調(diào)來檢測光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設(shè)計方法。
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耦合器進入傳感FBG。再由FBG反射后進人兩路匹配光柵，對應(yīng)的兩個光電探測器得到與其對應(yīng)波長有關(guān)的光信號，然后由光電探測器將其轉(zhuǎn)換為電信號并進入信號采集處理電路提取有用信號，最后由后續(xù)信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。
圖1中，PD1和PD2為光電探測器，光電探測器所探測到的光功率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為反射譜強度峰值；λs為反射譜強度為I0時對應(yīng)的波長值；△λs為反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測器所探測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λc與匹配光柵的中心波長λp的差值越小，對應(yīng)的卷積值越大。由于△λ大于閾值△λmin時，卷積值過小可能無法繼續(xù)解調(diào)，因此，解調(diào)范圍會受到限制。
普通的匹配法只有一個傳感光柵一個匹配光柵，對應(yīng)只有一個△λ。當(dāng)該△λ≥△λmin時，解調(diào)系統(tǒng)將無法繼續(xù)解調(diào)。對于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，傳感光柵與兩個并聯(lián)的匹配光柵的中心波長近似相等，但略有差別。三者關(guān)系為：λp1<λc<λp2，λp1和λp2分別表示兩個匹配光柵的中心波長。λc是傳感光柵的中心波長。傳感光柵在外界應(yīng)力作用下時，△λ1=∣λc-λp1∣，△λ2=∣λc-λp2∣；當(dāng)λc增大時△λ1增大，△λ2減??；當(dāng)λc減小時，△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是光電探測器可以探測到的最小值。因此，根據(jù)圖2可知，在理論上，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)總是至少有一個光電探測器可以探測到可用光信號。
2 基于DSP的解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
匹配光柵反射回來的光入射到光電探測器(PD)上可轉(zhuǎn)換為電信號。光電轉(zhuǎn)換部分和信號采集部分主要完成對PD輸出電信號的采集，采集到的信號再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號由DSP進行處理。DSP主要完成數(shù)據(jù)的插值運算和尋峰處理，并根據(jù)處理結(jié)果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號控制步進電機完成下一步的解調(diào)工作，其系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]
為了實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采樣，本系統(tǒng)選用美國AD公司推出的一種12位帶并行微機接口的逐次逼近型模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674來實現(xiàn)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD1674內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準電壓源、時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DSP芯片可實現(xiàn)光纖光柵傳感信號的處理、步進電機的控制和顯示等。該芯片具有強大的數(shù)據(jù)運算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內(nèi)實現(xiàn)乘累加運算。其靈活的循環(huán)緩沖區(qū)和高效的C語言可使TMS320VC5402方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)尋址與卷積運算，從而實現(xiàn)高速度解調(diào)。
2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
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)程序中來實現(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)換和步進電機的控制，可由DSP發(fā)出控制信號來控制步進電機，以使經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號與加在匹配光柵上的步數(shù)一一對應(yīng)。顯示部分的程序可將此數(shù)字信號經(jīng)代數(shù)變換轉(zhuǎn)換為直接表示應(yīng)力的數(shù)字量，然后通過查表動態(tài)實現(xiàn)應(yīng)力顯示。
當(dāng)匹配光柵反射波長與光纖光柵反射波的中心波長重疊時，光電轉(zhuǎn)換輸出脈沖信號，并向DSP請求中斷，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，最后通過串行口發(fā)送到上位機再中斷返回。
3 實驗結(jié)果分析
由實驗可得，在砝碼質(zhì)量從0 g增加到60 g的過程中，粘貼在懸臂梁上的FBG1中心波長漂移0.716 nm，圖4所示為FBG1中心波長隨砝碼質(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。
實驗中可通過增加砝碼的質(zhì)量施加對懸臂梁不斷增加的拉伸應(yīng)力。兩個匹配光柵反射光信號分別被各自對應(yīng)的光電探測器所接收。光電探測器輸出的模擬電壓信號則由以DSP為核心的信號處理系統(tǒng)的一系列處理得出傳感光纖布拉格光柵所感測到的外界物理量的大小。
當(dāng)PD1對應(yīng)處理后的電壓信號值為5 V時，對應(yīng)的點為A和C，即對應(yīng)的有兩個光纖布拉格光柵的波長值。因此，對于這個5 V電壓，解調(diào)系統(tǒng)無法直接判斷出對應(yīng)的懸臂梁負載的質(zhì)量是A點還是C點所對應(yīng)的質(zhì)量。對于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，往往會存在兩個匹配光柵并對應(yīng)兩個光電探測器。除存在PD1外，還存在PD2。系統(tǒng)可以通過PD1和PD2兩者所對應(yīng)的電壓值來確定產(chǎn)生5V電壓時所添加的砝碼質(zhì)量。實際上，可通過DSP系統(tǒng)的運算處理得到匹配光柵中心波長的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長變化量。對于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，對應(yīng)的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴大傳感光柵的測量范圍。光電探測器的輸出經(jīng)信號調(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
雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)是以匹配法為基礎(chǔ)并加以改進新方法。它繼承了匹配法結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實現(xiàn)容易等優(yōu)點。同時，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)還解決了因光電探測器導(dǎo)致的測量范圍受限的問題，也解決了匹配法中存在的雙值問題。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)力過大而損壞的可能性。利用拉力作為系統(tǒng)的待測量進行解調(diào)實驗證明該系統(tǒng)具有良好的線性度、解調(diào)精度、速度及靈敏度。
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)量的間接測量。在光纖布拉格光柵傳感器的應(yīng)用研究中，波長解調(diào)是一個重要的方面。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的解調(diào)。波長解調(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，干涉儀沒有好的重復(fù)性，而可調(diào)諧濾波器的掃描周期較長。因此，近年來，匹配光柵法越來越受到人們的青睞。為此，文中介紹了一種簡單、廉價且由兩個并聯(lián)的匹配光柵解調(diào)來檢測光纖光柵傳感器的系統(tǒng)設(shè)計方法。
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耦合器進入傳感FBG。再由FBG反射后進人兩路匹配光柵，對應(yīng)的兩個光電探測器得到與其對應(yīng)波長有關(guān)的光信號，然后由光電探測器將其轉(zhuǎn)換為電信號并進入信號采集處理電路提取有用信號，最后由后續(xù)信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。
圖1中，PD1和PD2為光電探測器，光電探測器所探測到的光功率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為反射譜強度峰值；λs為反射譜強度為I0時對應(yīng)的波長值；△λs為反射譜的3 dB帶寬。一般情況下，光電探測器所探測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λc與匹配光柵的中心波長λp的差值越小，對應(yīng)的卷積值越大。由于△λ大于閾值△λmin時，卷積值過小可能無法繼續(xù)解調(diào)，因此，解調(diào)范圍會受到限制。
普通的匹配法只有一個傳感光柵一個匹配光柵，對應(yīng)只有一個△λ。當(dāng)該△λ≥△λmin時，解調(diào)系統(tǒng)將無法繼續(xù)解調(diào)。對于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，傳感光柵與兩個并聯(lián)的匹配光柵的中心波長近似相等，但略有差別。三者關(guān)系為：λp1<λc<λp2，λp1和λp2分別表示兩個匹配光柵的中心波長。λc是傳感光柵的中心波長。傳感光柵在外界應(yīng)力作用下時，△λ1=∣λc-λp1∣，△λ2=∣λc-λp2∣；當(dāng)λc增大時△λ1增大，△λ2減??；當(dāng)λc減小時，△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是光電探測器可以探測到的最小值。因此，根據(jù)圖2可知，在理論上，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)總是至少有一個光電探測器可以探測到可用光信號。
2 基于DSP的解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
匹配光柵反射回來的光入射到光電探測器(PD)上可轉(zhuǎn)換為電信號。光電轉(zhuǎn)換部分和信號采集部分主要完成對PD輸出電信號的采集，采集到的信號再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號由DSP進行處理。DSP主要完成數(shù)據(jù)的插值運算和尋峰處理，并根據(jù)處理結(jié)果反饋給DSP，由DSP依照反饋信號控制步進電機完成下一步的解調(diào)工作，其系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]
為了實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采樣，本系統(tǒng)選用美國AD公司推出的一種12位帶并行微機接口的逐次逼近型模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674來實現(xiàn)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD1674內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準電壓源、時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DSP芯片可實現(xiàn)光纖光柵傳感信號的處理、步進電機的控制和顯示等。該芯片具有強大的數(shù)據(jù)運算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內(nèi)實現(xiàn)乘累加運算。其靈活的循環(huán)緩沖區(qū)和高效的C語言可使TMS320VC5402方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)尋址與卷積運算，從而實現(xiàn)高速度解調(diào)。
2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
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)程序中來實現(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)換和步進電機的控制，可由DSP發(fā)出控制信號來控制步進電機，以使經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號與加在匹配光柵上的步數(shù)一一對應(yīng)。顯示部分的程序可將此數(shù)字信號經(jīng)代數(shù)變換轉(zhuǎn)換為直接表示應(yīng)力的數(shù)字量，然后通過查表動態(tài)實現(xiàn)應(yīng)力顯示。
當(dāng)匹配光柵反射波長與光纖光柵反射波的中心波長重疊時，光電轉(zhuǎn)換輸出脈沖信號，并向DSP請求中斷，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，最后通過串行口發(fā)送到上位機再中斷返回。
3 實驗結(jié)果分析
由實驗可得，在砝碼質(zhì)量從0 g增加到60 g的過程中，粘貼在懸臂梁上的FBG1中心波長漂移0.716 nm，圖4所示為FBG1中心波長隨砝碼質(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。
實驗中可通過增加砝碼的質(zhì)量施加對懸臂梁不斷增加的拉伸應(yīng)力。兩個匹配光柵反射光信號分別被各自對應(yīng)的光電探測器所接收。光電探測器輸出的模擬電壓信號則由以DSP為核心的信號處理系統(tǒng)的一系列處理得出傳感光纖布拉格光柵所感測到的外界物理量的大小。
當(dāng)PD1對應(yīng)處理后的電壓信號值為5 V時，對應(yīng)的點為A和C，即對應(yīng)的有兩個光纖布拉格光柵的波長值。因此，對于這個5 V電壓，解調(diào)系統(tǒng)無法直接判斷出對應(yīng)的懸臂梁負載的質(zhì)量是A點還是C點所對應(yīng)的質(zhì)量。對于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，往往會存在兩個匹配光柵并對應(yīng)兩個光電探測器。除存在PD1外，還存在PD2。系統(tǒng)可以通過PD1和PD2兩者所對應(yīng)的電壓值來確定產(chǎn)生5V電壓時所添加的砝碼質(zhì)量。實際上，可通過DSP系統(tǒng)的運算處理得到匹配光柵中心波長的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長變化量。對于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，對應(yīng)的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴大傳感光柵的測量范圍。光電探測器的輸出經(jīng)信號調(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
雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)是以匹配法為基礎(chǔ)并加以改進新方法。它繼承了匹配法結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實現(xiàn)容易等優(yōu)點。同時，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)還解決了因光電探測器導(dǎo)致的測量范圍受限的問題，也解決了匹配法中存在的雙值問題。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)力過大而損壞的可能性。利用拉力作為系統(tǒng)的待測量進行解調(diào)實驗證明該系統(tǒng)具有良好的線性度、解調(diào)精度、速度及靈敏度。
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