（光学工程专业论文）基于dsp的嵌入式光纤传感系统研究.pdf

中文摘要 基于光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 的各类传感系统已经在建筑 业、制造业等民用和军用领域内被广泛运用，数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 是对信号和图像实现实时处理的一类高性能的c p u ，主要用于实现各 种数字信号处理算法，目前已广泛应用于通信、家电、航空航天、工业测量、控 制生物医学工程及军事的许多需要实时实现的领域。本文结合二者优势，采用 f b g 作为调制单元，设计了基于d s p 技术的嵌入式f b g 解调模块，构建了一个 光纤传感系统。对系统中各组成硬件进行了测试，完成了对光纤b r a g g 光栅反射 光谱的采集和动态应变测试实验，采用功率加权算法对实验数据进行分析处理。 通过光纤应变研究实验验证的光纤b r a g g 传感解调系统的可靠性。 本文完成的主要工作 1 阐述了光纤b r a g g 光栅的传感原理；分析了基于f p 可调谐光滤波器法的 f b g 传感解调原理及方法。 2 构建了基于f - p 可调谐光滤波器的光纤b r a g g 光栅传感解调系统，利用d s p 技术构建了嵌入式f b g 解调模块。 3 嵌入式f b g 解调模块中，基于d s p 开发板完成了a d 、d a 转换电路的硬件 电路板设计和制作：利用c 语言和汇编语言混合编程，完成数据采集、硬件 控制、功率加权算法和通信软件设计，并用l a b v i e w 语言编写了上位机界 面。 4 完成实验系统的调试，包括d a 控制驱动电j 玉的测试、外部存储器s d r a m 的调试和实验完成f b g 系统参数的标定。分析了采样电路的准确性和稳定 性。通过光纤应力研究实验验证了嵌入式光纤b r a g g 传感解调系统的可靠性。 关键词：光纤传感；光纤b r a g g 光栅；d s p 技术；f - p 可调谐光滤波器 a b s t r a c t t h es e n s i n gs y s t e mb a s e do nf i b e rg r a t i n g sh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nc i v i l a n dm i l i t a r yf i e l d s ，i n c l u d i n ga r c h i t e c t u r ea n dm a n u f a c t u r ei n d u s t r ya sw e l la s r e s e a r c hw o r k a sah i g hp e r f o r m a n c ec p u ，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) c h i pi s a p p l i e di nr e a l - t i m es i g n a la n di m a g ep r o c e s s i n ga n di m p l e m e n to fa l g o r i t h m s i th a s b e e nw i d e l yu s e di nt e l e c o m m u n i c a t i o n s ，a e r o s p a c e ，i n d u s t r i a lm e a s u r e m e n t sa n d c o n t r o l l i n go fb i o m e d i c a le n g i n e e r i n ge t c af i b e rs e n s i n gs y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d i n t h i sp a p e r ，u s i n gf b g sa st h em o d u l a t i o nu n i ta n dd s pa st h ee m b e d d e df b g d e m o d u l a t i o nu n i t t h et e s to ft h eh a r d w a r ei s c o m p l e t e d t h ee x p e r i m e n t so f s p e c t r u md a t aa c q u i s i t i o na n dd y n a m i cs t r a i ns e n s i n gt e s ta r eu s e dt ov a l i d a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h ee m b e d e df i b e rg r a t i n gs e n s i n gs y s t e mb yu s i n gw e i g h t e dw a v e l e n g t h a l g o r i t h m t h ep r i n c i p l eo ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gi sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h e r e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d so ff b gs e n s i n gb a s e do nf - pt u n a b l ef i l t e r i sc o m p l e t e d af i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gs y s t e mb a s e do nt h ef - pt u n a b l ef i l t e rh a sb e e n e s t a b l i s h e d ，u s i n gd s pc h i pt ob u i l dt h ee m b e d d e df b g d e m o d u l a t i o nm o d u l e i nt h ee m b e d d e df b gd e m o d u l a t i o np a r t ，t h eh a r d w a r ec i r c u i tb o a r do fa d ca n d d a ch a sb e e nd e s i g n e da n dp r o d u c e d ，u s i n gd s pc h i p d a t aa c q u i s i t i o n ， h a r d w a r e c o n t r o l l i n g ，w e i g h t e dw a v e l e n g t ha l g o r i t h m a n dc o m m u n i c a t i o n s o f t w a r ea r ec o m p l e t e db yu s i n gcl a n g u a g ea n da s s e m b l el a n g u a g eb a s e do nt h e h a r d w a r ec i r c u i tb o a r d t h ep r e p a r a t i o no fap ci n t e r f a c ei sd e s i g n e du s i n g l a b v i e w t h et e s to ft h es e n s i n gs y s t e mh a sb e e nf i n i s h e db ye x p e r i m e n t s ，i n c l u d i n gt h e g e n e r a t i o no ft h ed r i v ev o l t a g e ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o no ft h ee x t e r n a lm e m o r y s d r a m ，t h ea c c u r a c ya n dt h es t a b i l i t yo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e t h e f e a s i b i l i t yo ft h ed y n a m i cs t r a i ns e n s i n gs y s t e mi sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：f i b e rs e n s i n g ，f b g ，d s p ，f pt u n a b l ef i l t e r 1 2 3 4 独创性声明 - 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行曲研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：司芝移炒 签字日期： 学位论文版权使用授权书 年g 月肋日 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：日动钞 导师签名： 毒嬷 签字r 期： 叶年8 月 日 签字日期：昭年莎月杉同 天津大学硕：i 二学位论文第一章绪论 第一章绪论 我国经济正处于高速增长时期，为适应经济建设的需要，我国交通事业也得 到了大规模的发展，重大交通工程的建设方兴未艾，并将在未来仍然保持高速增 长。然而重大交通工程的使用期长达几十年、甚至上百年，环境腐蚀、材料老化、 载荷的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致 结构和系统的损伤积累和抗力衰减，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此， 重大工程结构( 如桥梁、隧道和水坝等) 的安全监测一直是国内外工程领域广泛 关注的重要研究课趔，为保障重大工程结构的安全性、完整性、适用性与耐久 性，新建和已经建成使用的重大工程结构急需采用有效的手段监测和评定其安全 状况、修复和控制其损伤【2 】【3 】【4 】【5 1 。其常规监测技术多采用电阻式、电感式及钢弦 式等点式传感器作为传感元件，这些点式传感技术普遍存在传导线过多难以布 设，易受周边电磁场干扰及受地下水腐蚀传感失真等缺点，难以满足现代工程监 测的要求l o j 。 光纤传感技术是继电测技术之后的新型传感技术。该技术具有“传”、“感”合 一的特剧7 1 ，并以光波为载体，光纤为媒质，具有抗电磁干扰、动态响应快、灵 敏度和测试精度高、耐久性强及可实现远距离实时监测等优点，一些技术还可对 结构进行分布式测量。这些优点决定其在工程结构安全监测方面具有很强的竞争 力，并在航空航天i 引、船舶【9 】、电力 1 0 】、桥梁【l l 】、堤坝【12 1 、边坡【1 3 1 和隧道【1 4 3 等工 程结构及岩土工程的监测与诊断中获得广泛研究与应用。1 9 7 8 年，h i l lk o 等人 发现了光纤的光敏性【1 5 】【1 6 】，从而导致了光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 这种 新型的光纤内纤型无源器件的出现。随着光纤光栅写入技术的不断完善，光纤光 栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一【1 7 】1 1 8 1 1 1 9 】【2 0 】。此外， 光纤本身具有低耗传输、抗电磁干扰、轻质、径细、柔韧、化学稳定及电绝缘等 优点，光纤光栅在光纤通信、光纤传感和光信息处理等领域均有着广阔的应用前 景。 本文构建的光纤光栅动态应变传感系统，采用f b g 作为调制元件，f p 可 调谐光滤波器、i n g a a s 光探测器、d s p 开发板以及外围a d 、d a 转换电路等构 成了嵌入式f b g 解调单元，完成f b g 反射光谱的采集和动态应变测试实验，利 用功率加权算法对实验数据进行分析处理。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光纤光栅传感的发展与应用概况 1 1 1 光纤光栅传感的国内外现状 2 0 世纪8 0 年代以来，传感器和传感技术成为了国际研究的热点之一，各国 都投入很大的人力物力对传感技术进行开发和应用，并取得了很多有突破性的成 果。 目前世界上光纤传感器研究的两大热点【2 1 】：一个是用于生物、化学、医疗及 环境保护等领域的光纤传感器的研究，主要用于环境污染监测及液体浓度、成分、 比例、p h 值、血氧饱和度、药物浓度等参数的检测；另一个热点是用于智能结 构和材料的光纤传感器的研究，主要用于结构内部应变、压力、温度、振动、载 荷疲劳、结构损伤等参数的监测，这方面的代表就是光纤光栅传感器。 目前国外光纤光栅传感器已经在大型民用工程结构、电力工业、航空航天业、 船舶工业、医学、核工业、石化工业、水利工程、采矿业等多个领域，并获得了 研究和应用【2 2 】【2 3 1 1 2 4 1 。美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军 事和民用领域的方面，进展都十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括： 水下探测的光纤传感器、用于航空监测的传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的 光纤传感器等。美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传 感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁等大型建筑物浇灌 混凝土时其内部的温度和应力变化等。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经 费开展光纤传感器的研究和开发。日本在2 0 世纪8 0 年代便制定了“光控系统应 用计划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易 爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。西欧各国的大型企业和公 司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、 法国的汤姆逊公司和德国的两门子公司1 2 5 。 我国在7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与发达国家相差 不远。目前己有上百个单位在这个领域开展工作，如清华大学、华中理工大学、 武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1 4 2 6 所等。他们在 光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移订等领域进行了大量 的研究，取得了上百项科技成果，其中有相当数量的研究成果，具有很高的实用 价值，有的达到世界先进水平【2 6 1 。但与发达国家相比，我国的研究水平还存在很 大差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数产品集中于实验室研制阶段， 批量生产和工程化应用还没有达到普及。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 光纤光栅传感器 外界环境因素如温度、压力、电磁场等条件发生变化时，能够引起光纤光 波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等随之改变。如果能够测出光波参数的 变化，就可以知道导致光波参数变化的物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、点绝缘性好、防爆、光路有可 挠曲性、便于与计算机连接、结构简单、体积小、质量轻、耗电少等优剧2 7 】。 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。前者把光纤作为敏感元 件；后者把光纤仅作为传输介质。光纤传感器按调制的光波参数不同可分为强度 调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传 感器和波长调制光纤传感器。光纤传感器按被测对象的不同分为光纤温度传感 器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器等。 光纤光栅【2 8 】f 2 9 】【3 0 1 利用光纤材料的光敏性如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变化，在纤芯内形成空间的相位光栅，其作用实质 是在纤芯内形成一个窄带的透射或反射滤波器或反射镜。利用光纤光栅检测波长 信息编码可实现四个数量级上线性响应的绝对测量，并具有良好的重复性。低插 入损耗和窄带波长反射有利于在一根单模光纤上实现复用。加上光纤本质属性的 优点，光纤光栅被认为是一种理想的传感材料【3 1 】【3 2 】【3 3 】。随着光纤光栅应用类型 的日益扩大，光纤光栅的种类也日益增多。根据光纤光栅的波矢方向、空间周期 分布和周期大小，可分为四种基本类型：光纤b r a g g 光栅、闪耀光纤光栅、啁啾 光纤光栅和长周期光纤光栅。其中，光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 是发展最早，目前应用最广泛的一种光栅，也是本文所用的光纤光栅传感器。我 国从2 0 世纪9 0 年代中后期开展f b g 的研究工作。目前，将光纤b r a g g 光栅应 用于实验力学、结构损伤、钢筋混凝土和桥梁等土木工程结构已成为推动我国光 纤传感产业发展的重要动力。但是，我国目前的光纤传感器的产业化和大规模推 广应用远远不能满足国民经济发展的需要。光纤传感领域还有着十分巨大的发展 空间。 1 1 3 光纤光栅传感信号的解调 信号检测是传感系统中的关键技术，传感解调系统需要准确、迅速地测出待 测信号的大小，并能无失真地再现待测信号随时间的变化过程。作为一种波长调 制光纤传感器，光纤光栅通过外界参量对其中心波长的调制来获取传感信息。光 纤光栅传感解调系统的功能是检测中心波长所产生的微小移位变化，并从该变化 中解调出待测量信息。 天津大学硕i ：学位论文 第一章绪论 波长调制光纤传感解调系统包括反射式检测法和透射式检测法两种，如图 1 - 1 所示。解调系统由光源( 如宽带谱、调谐谱、脉冲、激光等) 、连接器( 如耦合 器、环形器等) 、传感光栅( 光纤b r a g g 光栅、长周期光纤光栅等) 和光电探测器等 部分组成。在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经过连接器( 或直接) 进入 传感光栅，传感光栅在外场( 如应变场、温度场等) 的作用( 静态、准静态或时变) 下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射( 或透射1 ， 由连接器( 或直接) 进入接收通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的 光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱及相关变化，即可获得 外场信息的细致描述。相比而言，基于反射式检测法的传感解调系统比较容易实 现。 。，c 磐r i 了一- i 巨一q 罩型坚型 匿一= 一j 黼 ( a ) 反射式检测法( b ) 透射式检测法 图1 1 波长调制光纤传感解调系统 在波长调制光纤传感解调系统中，中心波长移位的检测精度直接决定了整个 系统的检测精度。在实验室中，通常采用光谱仪进行光纤光栅传感器的波长解调； 但在实际应用中，研发灵敏度高、扫描速度快、稳定性好、性价比高的解调方案 取代光谱仪，是推广光纤光栅传感器现场实测与监控的关键。工程应用中典型光 纤光栅传感解调技术的比较如表1 1 所示。 表1 1 工程应用中典型的光纤光栅传感解调技术 天津大学硕士学位论文第一章绪论 在实际光纤传感应用中，主要采用采用可调谐滤波器【3 4 1 、干涉仪【3 5 】、可调 谐激光器【3 6 】等方法进行传感解调。边缘滤波器和可调谐滤波器技术进行传感解调 时，必须保证滤波器的滤波稳定性。采用干涉仪技术进行传感解调时，需要一支 参考光栅以补偿干涉仪中的热漂移。本文采用f p 可调谐光滤波器法对光纤 b r a g g 光栅传感系统进行解调处理。 1 2d s p 技术简介 数字处理技术的发展日新月异，随着集成电路技术和软件技术的不断发展和 解决复杂问题能力的不断提高，d s p 技术的出现使得数据采集系统结构清晰，流 程简洁，功能越来越强大。 d s p 是数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 或数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的缩写。数字信号处理是把信号用数字的形式表示出来，利用 计算机或信号处理设备，对信号进行采集、变换、滤波、压缩、增强、识别等处 理，以提取有用的成分和形式。数字信号处理学科的的内容和研究范围包括数字 滤波、信号采集、离散时问信号时域和频域分析、傅里叶变换、自适应信号处理、 信号压缩、信号建模、信号处理算法等等。 通常，数字信号处理系统由以下几部分构成：前置滤波、a d 转换、数字信 号处理器( d s p ) 、d a 转换、后置滤波。其中，前置滤波主要是将高于某一频 率的分量滤掉，然后对信号进行采样( 即把连续信号离散化) 。a d 转换将离散 信号变成数字信号。数字信号处理器是系统的核心，通过它对信号进行加工处理。 d a 转换将数字信号处理器输出的数宁信号转变为模拟信号。后置滤波为平滑滤 波，滤去不需要的高频分量，得到平滑连续的模拟信号。图1 - 2 所示为一个典型 的d s p 系统。 鞠气 - 舸a i d d s pd ，a 乐謦 泷教转批0 j ，转拇 漆娃 图1 2 典型的d p s 系统 自第一个d s p 微处理器i n t e l2 9 2 0 在1 9 7 6 年出现以来，d s p 芯片经历了一 系列的发展和更新换代。8 0 年代以前的d s p 可归于其发展的第一阶段，具有以 下特点：指令流水，有效的寻址模式，有子程序调用和地址传递协议；使用h a r v a r d 天津大学硕：l ：学位论文第一章绪论 结构，可同时取指令和数据等等。d s p 系统主要由分立元件组成，包括线性电路 模拟前端、模拟数字转换器和外围界面电路、组合电路、可编程的阵列逻辑及可 编程只读存储器及个别处理器。进入8 0 年代以后，随着数字信号处理技术应用 范围的扩大，要求提高处理速度，到1 9 8 8 年出现了浮点d s p ，执行浮点算术运 算和乘累加，如a t & td s p 3 2 c ，m o t o r o l ad s p 9 6 0 0 2 ，t it m s 3 2 0 c 3 0 等，同时 提供了高级语言的编译器。到了9 0 年代，d s p 技术发展惊人，以d s p 为主要元 件，再加上外围设备和特定功能单元综合成单一芯片，加速了d s p 解决方案( d s p s o l u t i o n d s p s ) 的发展，同时产品的价格降低，运算速度和集成度获得提高， 9 0 年代d s p 解开了计算机、通信、消费类、汽车、军事等电子市场的新纪元， 这些技术也反过来促进了数字信号处理器的发展和需求。 光纤b r a g g 光栅传感器实用化的关键问题就是与之相应的解调手段，即如何 检测光栅布喇格波长的微小偏移【3 7 】。过去传统的方式是借助于光学仪器，如光谱 仪来测量，但解调速度慢，费用昂贵。基于d s p 的光纤光栅解调器，利用f p 可调谐光滤波器作为关键的解调器件，并将d s p 作为控制器，用a d 转换实现 对光电转换信号的检测，用d a 实现f p 可调谐光滤波器的驱动电压，同时利 用d s p 实现相应的解调算法，充分利用d s p 强大的信号处理能力，可实现高 速高精度的光纤光栅解调系统。 本文所涉及的数据采集及数据处理系统建立在t i 公司生产的 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2d s p 基础上，它的详细特点和解决方案将在以后的章节说明。 1 3 本论文的主要工作和各章主要内容 本文构建的光纤光栅动态应变传感系统，采用s l d 作为光源，f b g 作为调 制元件，利用f p 可调谐光滤波器、i n g a a s 光探测器、d s p 开发板以及外围a d 、 d a 转换电路等构成了嵌入式f b g 解调单元。基于完成f b g 反射光谱的采集和 动态应变测试实验，利用功率加权算法对实验数据进行分析处理。基于d s p 技 术，测试了a d 、d a 转换电路的性能参数，采用了应变和温度同时传感的解调 方法，完成对光纤b r a g g 光栅的光谱采集，选择功率加权算法对实验数据进行分 析处理；利用d s p 片上u a r t 完成与上位机p c 机的实时通信，利用l a b v i e w 编写上位机程序，读取系统分析处理结果。论文分六章对工作进行总结叙述。 第一章首先介绍了光纤传感技术的发展和应用，包括光纤光栅传感器的介 绍、特点及其分类，光纤光栅常用的解调方法；然后介绍了d s p 技术；最后概 括了本文完成的主要工作和各章主要内容。 第二章首先阐述了利用f b g 进行应变传感和温度传感的理论模型以及应变 天津大学硕士学位论文 第。章绪论 温度同时传感的解调方法：构建了一个基于d s p 嵌入式技术的光纤光栅传感解 调系统，采用f p 可调谐光滤波器、i n g a a s 光探测器以及d s p 嵌入式模块完成 系统的数据采样和处理功能；介绍了光栅封装的方法和d s p 定点运算方法。 第三章详细介绍了基于d s p 的嵌入式f b g 解调模块的硬件设计，包括a d 、 d a 转换电路、电压放大电路、供电电路。选择了f p 可调谐光滤波器作为波长 扫描设备、i n g a a s 光探测器作为光功率探测设备、d s p 分析控制单元作为整个 系统的核心控制处理部件。 第四章阐述了嵌入式f b g 解调模块的软件设计。首先介绍了c c s 开发软件 及d s p 开发软件的过程；其次进行了主体部分软件的设计，包括d s p 与a d 、 d a 转换电路的通信程序、f p 可调谐光滤波器驱动电压产生程序和波长解调算 法程序；再次进行了系统辅助软件的设计即外扩s d r a m 的读写程序；最后分别 用c 语言和l a b v i e w 编写了下位机d s p 与上位机p c 机之间的通信软件，上位 机能够通过串口对下位机进行读取和控制，完成数据的发送、接收、存储、显示 等功能。 第五章首先阐述的系统的调试过程，包括d a 控制驱动电压以及光路的测 试、外部存储器s d r a m 的调试、采样电路的准确性和稳定性的分析；基于u a r t 的d s p 与上位机串行数据通信的调试。其次将光路部分和电路部分整体集成， 分别采用悬臂梁加应力方式和竖直悬挂光纤b r a g g 光栅加应力方式完成动态应 变传感解调实验，通过实验数据验证了系统的可行性。 第六章总结全文，提出了一些可能的研究方向。 天津大学硕士学位论文第二章基于f p 可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统 第二章基于f p 可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统 基于f p 可调谐光滤波器的波长移位解调方案是光纤传感系统中最常见的 解调方法之一。本章首先介绍了光纤b r a g g 光栅的传感原理并着重介绍了基于 f p 可调谐光滤波器器的f b g 波长解调技术；其次构建了基于f p 可调谐光滤波 器的嵌入式光纤b r a g g 光栅传感解调系统，其中解调部分利用d s p 技术构建了 嵌入式f b g 解调模块，以实现光纤b r a g g 光栅反射光谱的采集以及算法处理功 能；最后介绍了一种f b g 封装方法和d s p 定点运算的方法。 2 1 光纤b r a g g 光栅的传感原理 2 1 1 光纤b r a g g 光栅的传感模型 被测场参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变；进而通 过测量光波长的变化量来确定被测参量的传感方法即为波长调制型传感。 光纤b r a g g 光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器，通过对在光纤 内部写入的光栅反射或透射波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度等量值 的绝对测量，其传感原理如图2 1 所示。 扑雾岛砧疆毙 镊话也勰 剐漪 地 “ f b g 厦啦酪f b 6 透缎缮 图2 1 光纤b r a g g 光栅传感原理 宽带光源发出的光经f b g 调制后，由模式耦合理论可知【3 8 】，只有波长满足相位 匹配条件的光波被f b g 反射回来，其余波长的光透射过去。光栅的b r a g g 波长 为 九= 2 物人 ( 2 - 1 ) - 8 - 天津大学硕士学位论文第二章基于f - p 可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统 其中厶为b r a g g 波长， 研为光纤传播模式的有效折射率，人为光栅周期。 当外界的被测量引起f b g 的有效折射率或者光栅周期变化时，都会导致光 栅b r a g g 波长的变化，从而实现光纤b r a g g 光栅传感。 应变参量通过对光纤b r a g g 光栅的拉伸和挤压，将导致光栅周期和折射率的 变化，当外界温度发生改变时温度变化r 也会导致f b g 中心波长的移位1 3 9 1 。当 同时受应变和温度调制时，f b g 的b r a g g 波长位移量与被测量之间的关系为 兰旱堡：k 。占+ k 7 丁 ( 2 2 ) 其中疋f , r 为f b g 固有参数，由光栅的制作材料决定，是固定值。对于利用纯 熔融石英制作的f b g ，k 。= 0 7 8 4 ，k r = o 7 4 x 1 0 c 。若取波长= 1 5 5 0 n m ， b r a g g 波长的温度传感系数为1 1 4 7 p m f c l 4 0 1 ，应变传感系数为1 2 2 p m a e l 4 0 ： 由( 2 2 ) 式知，f b g 中心波长的移位是外界应变和温度变化参量的线性组合，其 系数由光纤光栅的材料决定，对于已制光纤光栅为常数。 以上推导忽略了波导效应对f b g 应变灵敏度的影响，忽略了光弹效应和波 导效应对光纤b r a g g 光栅温度灵敏度的影响，因为它们对光纤b r a g g 光栅中心波 长的移位不能造成显著影响1 4 1 | 。 单参量测量是f b g 传感器在光纤传感中最典型的应用。图2 - 2 表示采用 f b g 测量压力及应变的典型传感结构。图中采用宽带光源作为系统光源，利用 光谱分析仪进行f b g 波长漂移的检测。 i 螂? 卜、 艄 l 删嚣二w 图2 2f b g 用于测量压力和应变的典型传感结构 但是，由式( 2 2 ) 可知，光纤光栅除对应力应变敏感以外，对温度变化也 有相当的敏感性，这意味着在使用中不可避免地会遇到双参量的相互干扰。为了 解决这一问题，人们提出了许多采用多波长光纤光栅进行温度、应变双参量同时 检测的实验方案。这些方案中比较有代表意义的是利用f b g 传感灵敏度系数依 赖b r a g g 波长这一特点，分别采用不同b r a g g 中心波长的两支光栅得到两个不同 的双参量传感方程，由此求解出双参量结果。 天津大学硕士学位论文 第_ 章基于f - p 可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统 2 1 2 波分复用技术在光_ 幺f f b r a g g 光栅传感系统中的应用 波分复用1 4 2 j 是在f b g 传感网络领域被广泛采用的技术。波分复用的原理就 是把不同不波长的信号复用在一根光纤上传输，从而提高光纤带宽资源的利用 率。这种方式的频谱利用率主要决定于：携带信息的光源的谱宽和峰值波长的间 隔大小；其次是波分复用器件的性能，在光纤传感系统中，就要求各个f b g 传 感器的中心波长不能相同，必须存在一定的差值。结合波分复用技术和f b g 传 感器可构成分布式传感网络，在大范围内对多点进行同时测量【4 3 】。图2 3 给出了 典型的基于波分复用技术及f b g 的准分布式网络传感。 图2 3 基于波分复用技术及f b g 的准分布式网络传感 由图2 - 3 可以看出其重点在于如何实现多光栅反射信号的检测。目前最常用 的波长解调方法采用f - p 可调谐光滤波器，解决了分布测量的核心问题多点 解调。 2 2 光纤b r a g g 光栅的波长解调 作为波长调制传感器，f b g 的传感信息采用波长编码，因此如何检测f b g 中心波长的微小移位是传感解调的核心问题。在实验室中，通常采用光谱仪进行 f b g 传感器的波长解调；但在实际应用中，研发灵敏度高、扫描速度快、稳定 性好、性价比高的解调方案取代光谱仪，是推广f b g 传感器现场实测与监控的 关键。 国内外在研发f b g 传感器波长解调方面做了大量工作，提出了多种有效的 天津大学硕士学位论文第二章基于f p 可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统 波长移位解调方法，如非平衡m a c h z e h n d e r 干涉仪法【4 4 1 、边缘滤波器法f 4 5 】、f p 可调谐光滤波器法l 矧、声光可调谐滤波器法m 、可调谐激光器法【4 8 】、f o u r i e r 变 换光谱法【4 9 】、c c d 分光计法等f 5 0 】，并广泛应用于实际检测中，这儿种方法的优 缺点在第一章中已有论述。由于f p 可调谐光滤波器法具有调谐范围宽、精度较 高、成本适中的优点，本文选择f p 可调谐光滤波器法检测f b g 中心波长的微 小位移。 2 2 1f p 可调谐光滤波器法波长解调原理 利用两块具有理想光学表面的平行透明板和端面相互平行的间隔圈可组成 一个f p 干涉仪。当一束单色光射入f p 干涉仪时，它在端面上将发生多次反射， 干涉仪两个端面的透射光分别形成等倾干涉条纹，使得满足一定相位关系的透射 光很强，其它透射光的强度都非常小，从而实现光滤波功能。f p 光滤波器的光 谱特性参数包括：透射波长、透射率、自由光谱范围( f r e es p e c t r u mr a n g e ，f s r ) 和3 - d b 带宽。f p 光滤波器的基本方程式为 2 n d c o s i = 所五 ( 2 - 3 ) 其中刀代表两个反射端面之间介质的折射率，d 代表两个反射端面之间的间隔， i 代表入射光线的倾角，五代表入射光的波长。f l 了( 2 3 ) 式可知，当改变刀、d 、i 三个参数之中的任何一个时，即可实现f p 可调谐光滤波。 应用f p 腔滤波原理的滤波器种类很多，包括光纤型f p 腔滤波器、铁电 液晶光滤波器、l i n b 0 3f p 腔光滤波器和m e m s 滤波器等。光纤型f p 腔( f f p ) 滤波器足一种可调谐滤波器，如图2 - 4 所示。图中两根光纤相对的端面镀以反射 膜，形成f p 光学谐振腔。在光纤型f p 腔滤波器中利用压电陶瓷的压电效应， 通过改变外加电压的火小改变压电陶瓷的长度，从而改变了由光纤构成的f p 谐 振腔的腔长，造成谐振波长改变，实现了用电信号来改变通过的光波长。 h 圳i 鳓瓷 图2 4 光纤型f p 腔( f f p ) 滤波器 1 9 9 3 年，a d k e r s e y 等人1 5 l 】利片j 压电组件调节高精密f - p 可调谐光滤波器 天津大学硕士学位论文第二章基于f p 可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统 对f b g 传感器进行传感解调。系统结构如图2 5 所示。光源发出的光经光耦合 器入射到f b g 阵列，被f b g 反射后又经光耦合器进入可调谐光纤f p 谐振腔。 谐振腔腔长由扫描电压驱动，其通带在一定范围内扫描，由光探测器读取相应光 功率值从而获得f b g 光谱，对光谱进行分析处理即可实现被测量的传感解调。 f b g 图2 5 基于f - p 可调谐光滤波器的f b g 传感解调系统 在实际的传感应用中，传感光栅总是同时受着温度和应变两个量的作用，实 际发生的波长位移如( 2 2 ) 式所示。在测量应变时，为了更加准确的解调出应 变量变化的大小，必须想办法补偿由于环境温度变化而造成的应变值波动。 本文采用参考光栅法实现环境温度变化的补偿，即另外用一个不受应力影 响，只测量温度变化的参考f b g 传感器。测试中，参考传感器和应变传感器放 在相同的温度环境下，通过参考光栅的波长漂移来矫正测量应变的f b g 。结合 上文所介绍的波分复用技术，本文采用多光纤光栅级联的方法实现对光线b r a g g 光栅的传感解调1 5 引。在一根光纤上相距足够长的距离制作两个中心反射波长不同 的f b g ，并将光纤弯曲使得两个光栅并列放在一起。这样可以保证两个f b g 尽 可能接近同一被测点的实际情况，反应该点的被测应变和温度值，如图2 - 6 所示。 拖| | ；i 撼糕 始曩备二驳 铃硪 图2 - 6 级联式f b g 传感解调系统 天津大学硕士学位论文第二章基于f p 可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统 将f b g i 的两端固定，使其只受温度影响，而f b g 2 处于自由状态，当它受 到外界应变参量调制时，将同时受应变与温度的影响。f p 可调谐光滤波器按照 波长步进的方式扫描f b g 调制后的反射光，通过光探测器探测光功率值，从而 扫描出反射光谱信息。由于在一根光纤上实现了波分复用，因此一次测量可以同 时得到两支f b g 的反射光谱，并能有此分别测出两支光栅中心反射波长的移位 量，从而实现应变与温度参量的同时测量。 2 3 基于f p 可调谐光滤波器法的嵌入式光纤传感解调系统 2 3 1 系统总体设计 本文结合f - p 可调谐光滤波器法波长解调模型和d s p 技术构建了一个嵌入 式光纤b r a g g 光栅传感解调系统，该系统结构如图2 7 所示。 图2 7 基于f p 可调谐光滤波器法解调的嵌入式光纤传感系统 该系统可分为两大模块，第一部分是f b g 传感模块，由s l d 光源、光隔离 器、光耦合器、和f b g 传感器阵列组成，完成对外界应变量和温度的调制。第 二部分为嵌入式f b g 解调模块，包括波长扫描核心元件f p 可调谐光滤波器、 光电探测器、a d 转换电路、d s p 分析控制单元、d a 转换电路等。其中嵌入式 f b g 解调部分是本文工作的重点，将在接下来的章节做详细介绍。 f b g 传感模块中，光源部分采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的 s l d - 7 6 1 h p 作为系统光源，单模光纤输出光功率为0 5 m w 可调。峰值波长为 1 5 5 0 n m ，光谱宽度5 0 n m 。光源输出的光经过3 d b 耦合器后进入f b g 的传感调 天津大学硕士学位论文第二章基于f - p 可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统 制区接受外界应变和温度调制，反射光再次经过3 d b 耦合器后进入嵌入式f b g 解调模块，采集并分析实时解调出应变和温度参量。在宽带光源与3 d b 光耦合 器之间连接一个光隔离器，用于防止反射光损坏s l d 光源。 嵌入式f b g 解调模块中，首先，由d s p 分析控制单元给出f p 可调谐光滤 波器驱动电压的数字信号，经过d a 转换电路转换为模拟电压信号，放大后驱动 f p 可调谐光滤波器的窗口步进从而实现对反射波长扫描；调制后的反射光通过 f p 可调谐光滤波器形成窄带光进入i n g a a s 光探测器并由后者检测光功率值。 光探测器探测到的光功率值后通过内部i v 变换输出模拟电压信号，放大后经a d 转换电路转换成数字信号进入d s p 分析控制单元，由后者对采集到的光功率值 和反射波长值进行分析处理，最终解调出应变量和温度。下位机d s p 与上位机 p c 机采用两种通信方式，在硬件仿真阶段，利用j t a g 接口与d s p 仿真软件c c s 进行数据交换，通过计算机对嵌入式系统进行调试，并由c c s 中的r t d x 进行 实时数据输出；系统调试完成之后，d s p 与计算机之间的通信由d s p 外设u a r t 完成，使用l a b v i e w 语言开发上位机软件，控制d s p 以及从d s p 中实时读取 分析解调出的应变量。 d s p 分析控制单元采用合众达公司出品的s e e d d e c 5 5 0 2d s p 开发板。该 开发板采用t l 公司生产的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2d s p ，最高主频3 0 0 m h z ，可实现 6 0 0 m m a c s 高速运算和大容量存储。开发板外扩2 m x 3 2 b i ts d r a m ，本系统用 其存储采集的光谱数据以及运算结果，外扩5 1 2 k x l 6 b i tf l a s h ，用于本系统运行 程序的烧写。其他配置还包括i i c 串口的e e p r o m 、a c 9 7 标准a u d i o 音频接口、 双路u a r t 接口、符合u s b 2 0 标准的高速h o s t 端接口等，功能强大。 2 3 2f b g 的封装 对f b g 进行封装可增强传感器的机械强度，提高传感灵敏度。本文采用一 种实用的f b g 封装装置【5 3 】，如图2 8 所示。整个封装衬底由4 5 号合金钢加工制 成，中央细槽( f i n eg r o o v e ) 用于放置含f b g 传感器的一段裸光纤，两侧宽槽( w i d e g m o v e ) 用于放置与f b g 熔融连接的单模光纤，螺孑l ( s c r e wh o l e ) m 于固定封装 衬底。 图2 - 8f b g 封装装置示意图 天津大学硕士学位论文第二章基于f - p 可调谐光滤波器；土解调的光纤传感系统 封装完毕的实物如图2 - 9 所示。按照上述方法制作的两个传感阵州，每个传 感阵列包台四支f b g 传感嚣，相邻f b g 之间的连接光纤长度为1 5 m 所有f b g 的b r a g g 波长均介1 5 4 0 r i m 至1 5 6 0 r i m 之问，每个f b g 传感器引入的损耗均小超 过07 5 d b 。 图2 - 9f b g 封装实物困 在实际应用过程中，利用螺孔将封装衬底固定于待测点，被测量通过封装装 置将变化传递给f b g ，并通过后者的波长移位大小解调被测量。这种f b g 封装 方法具育增强、增敏、便于拆装等优点。 233 d s p 芯片的定点运算 通常运算处理器分为定点处理器与浮