基于單片機的光纖光柵解調器設計

光纖光柵傳感器的應用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域,有著(zhù)非常廣闊的發(fā)展前景。目前限制光纖光柵傳感器大量實(shí)際應用的最主要障礙就是傳感信號的解調。光纖光柵傳感解調方法有許多,但是能夠實(shí)際應用的解調產(chǎn)品并不多,而且價(jià)格昂貴。因此研究開(kāi)發(fā)適于實(shí)際工程應用的解調系統,降低解調系統的成本,是使光纖光柵傳感器能夠在實(shí)際工程應用中得到推廣的關(guān)鍵問(wèn)題。

有鑒于此，為了滿(mǎn)足工程應用的需要，本文提出了一種基于單片機的光纖光柵解調技術(shù)，即利用目前應用極為廣泛，價(jià)格比較便宜的單片機作為信號采集和處理的MCU，開(kāi)發(fā)一種較高精度的、廉價(jià)的、便攜的、能進(jìn)行快速測量且能方便獲取所測參變量大小的解調器。為了解決了單個(gè)單片機速度較慢的問(wèn)題，系統中采用雙CPU，其中一個(gè)單片機完成信號解調的算法，而另一個(gè)單片機完成邏輯控制，人機接口和與上位機的通信，通過(guò)雙口RAM實(shí)現雙機數據共享。

1、解調系統結構和原理

解調系統總體結構圖如圖1所示。主要由三部分組成，Bragg光柵(測量光柵)，光纖光柵解調器，計算機。其中光纖光柵解調器可以細分為2個(gè)部分，模擬電路部分和數字電路部分，模擬電路部分的功能是把Bragg光柵(測量光柵)受到的應變或者溫度變化變成相應的電信號，數字部分把電信號轉換成上位機能直接使用的數字信號，可以是波長(cháng)值也可以是溫度或者應變值，而實(shí)現這個(gè)功能的MCU采用的就是單片機。

圖1 解調系統總體結構

解調系統的解調原理是基于可調諧法布里－珀羅腔（F-P解調）的工作原理。用于Bragg光柵傳感信號解調的光纖F-P腔濾波器實(shí)際上是一個(gè)壓控的光帶通濾波器，通常用壓電陶瓷作為F-P 腔腔長(cháng)變化的驅動(dòng)元件。給壓電陶瓷施加一個(gè)掃描電壓, 壓電陶瓷產(chǎn)生伸縮, 從而改變F-P 腔的腔長(cháng), 使透過(guò)F-P腔的光的波長(cháng)發(fā)生改變。通過(guò)探測器檢測透射光強度,當探測器探測到最大光強時(shí)給壓電陶瓷施加的電壓就對應著(zhù)FBG 的反射波長(cháng)。這樣給Bragg光纖光柵傳感器注入光信號，將從FBG 傳感器反射回來(lái)的光加到光纖F-P腔濾波器的輸入端，通過(guò)給光纖F-P腔濾波器的壓控端加上一個(gè)三角形的掃描電壓，則在光纖F-P腔濾波器的輸出端即可得到一個(gè)與輸入光光譜相對應的時(shí)間域電信號。這些時(shí)域信號經(jīng)過(guò)放大電路和比較電路的整形，就得到了一系列的脈沖信號，我們在這些脈沖信號中加入一些固定波長(cháng)和位置的標準脈沖信號，那么這些脈沖信號中的各個(gè)脈沖對于標準脈沖的相對位置就包含了FBG傳感器反射光的光譜信息。圖2指示了這個(gè)解調過(guò)程。最后再通過(guò)單片機構成的電路把得到的脈沖轉換成波長(cháng)值。

2、單片機解調系統的構成和工作方法

單片機解調系統的首要目的就是把這些脈沖信號處理成相對應的波長(cháng)值。通過(guò)模擬部分的解調我們得到包含測量光柵和標準光柵在掃描周期內相對位置的脈沖信號，標準光柵對應一個(gè)固定的波長(cháng)，而且它對應的脈沖信號在每個(gè)掃描周期內的位置又是固定的（標準光柵用恒溫電路來(lái)保持波長(cháng)恒定），那么如果能得到各個(gè)脈沖信號的相對位置值，再通過(guò)插值的算法可以得測量光柵的波長(cháng)值。

圖2 布拉格光纖光柵傳感信號解調過(guò)程