（检测技术与自动化装置专业论文）新型纤栅式地震检波器的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 地震检波器是一种用于地球物理勘探及工程测量领域的专用传感器，是一种将机 械振动转换为电信号的机电转换装置，是为了接收和记录地震波而专门设计的一种精密 装置，它的性能好坏直接影响地震记录质量和地震资料的解释工作，它是地震勘探数据 采集系统中最重要的一个环节。 传统地震检波器存在频带窄、动态范围小、精度和分辨率低、抗干扰性能差等缺点， 已经越来越不能满足现代地震勘探的要求。光纤光栅作为目前最有发展前途、最具有代 表性的光纤无源器件之一，若将其用于振动传感则具有传统地震检测手段无可比拟的优 势：( 1 ) 用波长编码信号，便于构成分布式传感网络；( 2 ) 工作频带宽；( 3 ) 灵敏度高； ( 4 ) 动态范围大：( 5 ) 抗干扰能力强。 本文研发了一种新型的光纤光栅地震检波器，并首次提出基于窄带d f bl d 解调光 栅的解决方案。论文主要从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 全面了解光纤光栅传感领域的最新发展状况和地震检波领域的最新发展动态， 确立该课题研究的实际意义。 ( 2 ) 系统介绍了光纤b r a g g 光栅及其传感原理；分析了温度和应变以及二者交叉敏 感对传感特性的影响：对光纤光栅各种解调技术做了系统的论述并重点分析和比较了各 种解调方案的优缺点。 ( 3 ) 系统介绍了光纤b r a g g 光栅地震检波器探头的结构和工作原理，并对其灵敏度 进行了详尽的理论分析，最后对探头的封装做了介绍。 ( 4 ) 提出了一种全新的解调方案，对解调方案中光路系统和光电信号处理系统的具 体设计做了介绍，并重点介绍了单片机自动控温及3 d b 工作点的锁定部分的设计。 ( 5 ) 搭建了振动测试系统，测试了传感器的各项指标，并对系统性能进行了分析。 实验与测试结果表明，本文设计的地震检波系统，传感探头可承受最大至1 0 9 的加 速度，解调系统灵敏度可达7 8 5 m v m s 2 ，最小分辨率达到l r r d s 2 。此外，本文还对地震 检波器下一步的研究工作作了展望。 关键词g 地震检波器，光纤光栅，d f bl d ，解调，振动 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d yo ff i b e rb r a g gg r a t t i n gg e o p h o n e l i uj i e ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yy u h a i y i n g a b s t r a c t g e o p h o n ei so n ek i n do ft h es p e c i a ls e n s o r st h a tc o u l dc o n v e r ts i g n a lo fm e c h a n i c a l v i b r a t i o ni n t os i g n a lo fe l e c t r i c a la n dc o u l db eu s e di ng e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n dm e a s u r eo f p r o j c c t - f i d d i ti sa l s oas p e c i a lp r e c i s i o ni n s t r u m e n tt oi n c e p ta n dr e c o r ds c i s m i t sc a p a b i l i t y d i r e c t l ya f f e c t sr e c o r d i n gq u a l i t yo fs c i s m i cw a v ea n de x p l a i n i n go fs c i s m i cd a t a i ti st h em o s t i m p o r t a n tp a r ti ns e i s m i cw a v ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e m t h et r a d i t i o n a lg e o p h o n e sh a v ed i s a d v a n t a g e so fn a l r o w e rb a n d w i d t ha n dd y n a m i c r a n g e , l o w e ra c c u r a c ya n dr e s o l u t i o n , a n dc a nn o tm e e tt h en e wn e e d so fs e i s m i ce x p l o r a t i o n a so n e o ft h em o s tp o t e n t i a la n ds u c c e s s f u lo p t i cp a s s i v ed e v i c e , f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) h a s p a r t i c u l a ra d v a n t a g es u c ha s ( 1 ) t h es e n s i n gi n f o r m a t i o ni sc o d e di nt h ew a v e l e n g t ht h a tc a l l c o n s t r u c ts e n s i n gn e t w o r ke a s i l y ；( 2 ) w i d e rb a n d w i d t h ；( 3 ) h i g h e ra c c u r a c y ；, ( 4 ) l a r g e rd y n a m i c r a n g e ；( 5 ) r e s i s tt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r e f r i n g a no p t i cs e i s m i cg e o p h o n ei sd e v e l o p e di nt h i s p a p e ra n dan e wm e a s u r et o d e m o d u l a t i o nf b gb a s e do nd f bl di sf i r s tp r o v i d e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r i n c l u d e s ： ( 1 ) t og e tac o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h en e w e s td e v e l o p m e n ts t a t u so ff b g s e n s o ra n d 懿t a b l i s ht h ev i r t u a ls i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t ( 2 ) f b ga n dt h et h e o r yo fs e n s i n g 、) i r i 廿lf b g a lei n t r o d u c e d ；t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e , s t r a i na n dt h ec t o s ss e n s i t i v eo ft h e ma l ea n a l y z e d ；t h ed e m o d u l a t i o nm e t h o d so ff b ga l e i n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l ya d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o da l ea n a l y z e da n d c o n t r a s t e d ( 3 ) t h es t r u c t u r e a n dp r i n c i p l eo ft h es e n s i n gp r o b eo ff b gg e o p h o n ea l ei n t r o d u c e d ；t h e s e n s i t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s i n gp r o b ea l ea n a l y z e di nd e t a i l ；t h ee n c a p s u l a t i o no f s e n s i n gp r o b ei si n t r o d u c e d ( 4 ) an e wd e m o d u l a t i o ns c h e m ei sg i v e n ；t h es y s t e mo fo p t i c a lu n i ta n dt h ed e s i g n m e t h o do fe l e c t r i cc i r c u i t sa r eg i v e ni nd e t a i l ，e s p e c i a l l yt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y e t e mb a s e d o ns i n g l ec h i p ( 5 ) t e s t i n gs y s t e mi sf i n i s h e dt oe x a m i n et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ef b g g e o p h o n ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sa n a l y z e d 山东建筑大学硕士学位论文 f o l l o w i n gt h ew o r k o u t ，t h es e n s o ro ft h es e i s m i cg e o p h o n es y s t e mi sw o r k i n gn o r m a l l y u n d e rt h ev i b r a t i o nu p t o lo g 矗s 2 s e n s i t i v i t yo ft h ed e m o d u l a t i o nc a nr e a c h7 8 5 m v m s 2a n d t h er e s o l u t i o no fl n v s 2i sa c c e s s e d b e s i d e s ，t h ef u t h e rw o r k i n gs t r e s s e so ft h es e i s m i c g e o p h o n es y s t e mi sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：g e o p h o n e ，t i b e rb r a g gg r a t i n g ，d f bl d ，d e m o d u l a t i o n ，v i b r a i o n 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学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，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明 学位论文作者签名： 导师签 名： 日期塑! ：生：盈 日期地厶：纠 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章引言 1 1 课题提出的背景及意义 石油是当今世界最重要的能源，是经济赖以运转的血液，它在国民经济中占据着非 常重要的地位，堪至还关系着国家的安全与发展大局。 1 0 0 h z ) ，应 力分辨率可以达到o 6 肛，利用此方法可以构成时分复用分布式传感系统。该装置虽然能 够提供高解析度的解调能力，但随机相移使得该方法局限于测量动态应变，不适合于绝 对应变的测量，且干涉仪相位变化加决定其测量范围非常有限。 ( 2 ) 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解调法f 3 2 l m i c h e l s o n 干涉仪利用非平衡波长扫描m i c h e l s o n 干涉仪对传感光栅的反射光谱进行 波长解调【州。传感光栅波长漂移会引起干涉仪两臂相位差的变化，当采用相位计测量出 相位差后，即可反算出传感光栅上的波长，进而获取外界参量信息。解调原理见图2 9 。 山东建筑大学硕士学位论文 图2 9 迈克尔逊干涉仪解调示意图 来自传感光栅的光波进入短臂缠绕在受锯齿波信号驱动的p z t 上的非平衡扫描 m i c h e l s o n 干涉仪，其输出信号经探测器接收后变成电信号，适当处理后与p z t 的驱动信 号分别作为待测信号和参考信号一起输入相位计。调整驱动信号的幅值以及直流电平的 大小，使得干涉信号变化的频率与参考信号的频率一致，此时相位计所显示的相移值与 施加在传感光栅上的待测应变大小有对应关系。 非平衡扫描迈克尔逊干涉仪解调法是一种基于光波干涉原理的检测方案。由光波干 涉的相关理论可以知道，只要两束光纤的光程差发生极微小( 和a 同量级) 的变化，就会 引起干涉条纹的相位产生相应的改变，因此，这种干涉仪的检测灵敏度是相当高的，该 系统的传感分辨率可达5 5 n 。但也正是由于这个原因，任何外界的影响，如环境温度的 变化及振动或抖动，也会改变光程差，使得测量信号的信噪比降低，系统抗干扰能力差。 2 3 4 时域解调法 以上介绍的干涉法、滤波法诸多方案多在频域中进行操作，事实上传感光栅在频域 中的波长漂移信息也可转变为时域中的时间量变化而加以检测。 ( 1 ) 无源时域解调、法【3 2 】 宽带光源发出的光波，经参考光栅f b g 2 后传至传感光栅f b g l ，如图2 1 0 所示，光波 透过f b g 2 后与f b g l 的反射光一起经耦合器耦合至光电探测器，被转换为电信号。受p z t 驱动，f b g 2 的布拉格波长与电压信号同步变化。 当b i 与a 舰不同时，探测器接收的光强是两光栅各自贡献之叠加；而如l 爿舵时，f b g l 布拉格波长处在f b g 2 布拉格波长的阴影中，此时探测器接收到的光强大为减弱，只要 山东建筑大学硕士学位论文 p z t 的正弦驱动电压有足够的幅值，则一个周期内探测器接收到的功率谱曲线上将出现 两个谷值。监测两谷值在时域中的间距就可以判断作用于f a g l 上的待测应变。系统传感 分辨率为8 9 肛，较有源方式分辨率低。 耦合器 f b g 2 f b g i 图2 1 0 无源时域解调法示意图 ( 2 ) 有源时域解调法【3 2 】 图2 1 l 所示的环形腔光纤激光器装置中，传感光纤f b g l 用作端镜，f b g 2 用于带阻 滤波，两者的布拉格反射波长分别为如l 和2 s 2 ，只要泵浦光功率高于域值，环形腔中将建 立由隔离器规定循环方向的环形振荡，探测器探测出将观测到激光输出。 掺饵 图2 1 1 有源时域解调原理 山东建筑大学硕士学位论文 所用泵浦光功率1 0 0 r o w ，掺铒光纤放大器的长度为2 6 8 4 m ，插入损耗为1 7 9 6 d b ， 隔离器的插入损耗为0 4 d b ，耦合器左端环路中的总损耗为2 1 9d b ，选用的传感光栅和 滤波光栅在自由状态下的波长分别为1 5 6 3 n m 和1 5 6 2 6 8 2 n m ，反射率分别为9 3 和9 0 ，1 带宽分别为0 1 4 r i m 和0 1 2 3 r i m ，f b g l 的轴向应变由微动平台提供，环形腔光纤激光器的 域值功率为9 6 6 m w 。两光栅的波长不一致时，泵浦光功率高于域值，输出端能观察到传 感光栅波长的激光输出，激光的波长取决于传感光栅的反射波长。当两光栅的工作波长 一致时，f b g 2 的带阻滤波使得共振腔中的损耗大为增加，从而影响环形腔激光器的域值 功率，以致泵浦光低于1 4 5 7 m w 时，输出端无激光输出。用带宽为5 0 0 m h z 的示波器观察 探测器输出信号，探测器的响应频率可达1 2 5 k h z ，泵浦光在9 6 6 - 1 4 5 7 m w 范围内任取 一值，p z t 驱动下f b g 2 作波长变化的每一周期内，激光输出的强度曲线上均出现两个谷 值。调节微动平台的控制电压，用以增加待测应变，使f b g l 的工作波长向长波长方向移 动，可发现两谷值在时域中的间距f 随待测应变s 的变化明显改变。本装置在1 4 0 7 2 0 1 上 范围内近似线性，系统分辨率可达1 8 肛。 2 4 本章小结 本章首先对光纤光栅的基本机理从理论上进行了分析，然后根据光纤光栅的传感原 理，推导了光纤光栅的应变传感模型，温度传感模型，并对光纤光栅的应变，温度交叉 敏感特性进行了分析。系统地介绍了光纤光栅传感器的解调技术，重点介绍了滤波解调 技术、干涉解调技术和时域解调技术，分析了各种解调技术的解调原理和存在的优势及 不足。 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章光纤b r a g g 光栅振动传感器的设计 传感器的设计是整个地震检波系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响整个检 波系统的性能。先进的光纤光栅传感技术为振动传感的高分辨能率、高信噪比、高保真 度、高清晰度、高精确度和高可信度提供了理想的技术手匦 本章基于振动传感器设计方法和光纤光栅传感原理，通过理论分析和推倒，确定光 纤光栅振动传感器的设计要素，在分析了加速度传感器力学模型的基础上，对光纤光栅 加速度传感器的探头进行了设计，为解调系统的设计提供了依据。 3 1 加速度传感器的一般分析模型 加速度传感器的种类很多，但其力学原理主要是基于质量惯性模型，在结构上大都 是由检测质量( 也称悬挂质量或振动质量) 、支撑载体( 基座) 和检测电路三部分组成。 理想状况下，每个传感探头就是一个标准的质量惯性体系，如图3 1 所示。它是一个 由惯性质量块朋、弹性彻阻尼器c 组成的二阶单自由度系统。下面从理论上分析这种 力学模型的特性。 质量块 m i k 圭一 一 ( 1 一 l c 事 l 荔磊锄o i 菇褫蠡。彰 磁；，乏藐? 笏纾嘲匆磊 乏搋氆巍缴彩z ；：褊磁荔& 磊磊 绸 基底 图3 1 加速度传感器的质量惯性模型 工秘 当激振源以某一加速度振动时，由牛顿第二运动定律可得【5 7 】： 所争+ c 鲁+ 瓴= c 鲁+ 瓯 3 t 这里m 为惯性体质量，k 为弹性体弹簧刚度，c 为系统阻尼系数，为惯性质量的位 移，而为施加在加速度计上的振动信号，假设其为谐波形式，幅度为墨，频率y g c o 山东建筑大学硕士学位论文 学+ 2 扣。掣+ 2 缸( f ) = 以国2 酊n 耐 3 4 毗一乩嗍咖邓) 一丽m x , a 两2s i n ( c o 万t - , g ) 3 8 ， q = 斟剖 3 9 = 一一( 品) 3 加 y 讽2 a - 一( 昙) 2 2 + 2 孝( 罢) 2 3 。 山东建筑大学硕士学位论文 为了测量振动加速度，根据3 2 式得，输入振动的加速度信号振幅是： 0 - f 钭彳k 3 m 对手质量一弹簧系统中作为加速度传感换能元件的弹性体，其形变振幅和输入振动 的振幅之间的比值为： 娃 一= 凡 ，一( 詈 2 2 + 2 孝( 善 2 ) 3 。3 为使加速度传感器能在一个宽频率范围内工作，并有较好的线性响应，测量加速度 信号的频率要低于谐振频率，当c o t o , , 5岬l2 e， ， 瑚泓 一 啪 c 1 6s g n dl 2 弓 1 r 6 u h一卜 1 0 u hr l2 a l f l c s + t 比i -1 1 e c ( 5 ) 其他部分 转换频率 图4 2 2 互补输出驱动 山东建筑大学硕士学位论文 转换频率由l t c l 9 2 3 的晶振部分提供，即由c t 和r t 决定，r t 还决定了三角波振 荡器的充放电电流以及两组输出之间的死区时间。s d s y n c 引脚( 3 脚) 接地将禁用所 有内部电路0 芯片工作在较高的开关频率下，可以用更小的电感和电容，从而减少p c b 板的面积、降低成本然而，与所有p w m 方式工作的t e c 控制芯片一样，高开关频率 会引入高频噪声，对电源造成污染，不利于整个温控电路的稳定工作，l t c l 9 2 3 提供了 一个r s l 钾引脚，在它与地之间接一个电阻可以限制输出驱动引脚上的压摆率，以抑制电 流中的高频噪声，改善电路性能。 报警及保护功能 该电路具有正常工作指示和工作失效报警指示功能。当热敏电阻检测到的温度低于 设定温度( 本电路设定温度为2 5 ) 时，l t c l 9 2 3 的管脚1 3 ( h c 引脚) 输出高电平， 表示电路正在加热，此时发光二极管d 4 ( 黄色) 发光；当热敏电阻检测到的温度高于设 定温度时，l t c l 9 2 3 的管脚1 3 输出高电平，表示电路正在制冷，此时发光二极管d 5 ( 绿 色) 点亮；1 9 2 3 内部有2 个专用比较器用于监测热敏电阻上的电压，若热敏电阻的电压 高于一o 3 5 v 或低于o 2 ，则认为其开路或短路，1 l 脚( 眦i ，l t 引脚) 输出低电平， 发光二极管d 3 ( 红色) 点亮，表示电路工作异常，用户通过帆u l t 信号的辨别进行 相应处理，红灯不亮表示热敏电阻正常。实验测试是在室温下进行的，致冷电路启动后， 在3 0 s 内温度可以达到稳定。 图4 2 3 正常工作指示和失效报警电路 l t c l 9 2 3 提供的系列的保护、监测功能还有： 山东建筑大学硕士学位论文 ( 1 ) 监测0 1 q 电流取样电阻两端电压，若所得电压大于以下3 个电压中的任何一个， l t c l 9 2 3 关断所有外部m o s f e t ：瓴) s s 引脚上电压的1 5 倍；( b ) i 陆引脚上电压的i 5 倍；( c ) 1 5 v 。 ( 2 ) s s 引脚与地之间接一个电容可实现软启动，以遏制电路启动时的浪涌电流一 ( 6 ) 高频噪声抑制及电路布线注意事项 c t 和r t 的值分别为3 3 0 p f 和l o k q ，因此电路的工作频率为2 2 7 k h z ，每个工作周 期为4 4 0 0 i t s ( 2 2 7 k h z ) ，由r t ( 1 0 k o ) 决定的死区时间为9 0 n s 。r s l e w 的值为8 2 k q ，使 输出脉冲的上升和下降时间大约为9 0 n s ，输出效率略有降低，但大大减少了电源中的高 频成分。l t c l 9 2 3 双层电路板布线要注意尽量减少输出端的串扰阻抗和电位噪音对精密 输入端的影响。热敏电阻将外界温度的变化反馈到前端，而且它极容易受到噪声的干扰， 因此热敏电阻到放大器l t c 2 0 5 3 之间的路径采用大面积的地包围进行噪声屏蔽，并在仪 器放大器的输入端加上一个低通滤波器( 外置) ，以确保反馈信号的质量。将电路板分为 两大部分，输出端组件单独为一部分，剩余组件为一部分( 将电源地和信号地分开，在 总的电源附近连接起来) ；使输出级电流路径最小，减小高频电流的寄生电感，从而减小 电源和地的弹跳；使p w m 信号尽量远离激光器的偏置输入和调制输入，减少光噪声。 以上布局可以减少由于p w m 输出端开关转换给l t c l 9 2 3 精密输入端电压带来的噪声 干扰。同时，温控电路的供电电源应该是独立的，不能与激光器的驱动电路使用同一电 源，这是因为温控电路在开始工作时制冷或制热电流很大，会引起电源电压瞬时下降， 影响激光器工作。p w m 信号要尽量远离激光器调制输入和驱动输入，否则可能产生光 噪声1 5 9 1 。 ( 7 ) 实验结果 表4 4 是实验中温度稳定过程中测得的波长。激光器标称波长为1 5 5 1 0 9 6n i n ，环境 温度2 7 ，设定温度2 5 。由表中数据可见，系统稳定后激光器波长值在小数点后第 3 位变化，完全满足光纤传感及解调系统的要求( 0 0 5n m ) 。 袁4 4 波长稳定性测试结果 时间m i n 波长n m 时间m i i l波长n m时间m i n波长n m o 1 5 5 1 0 9 3 8 1 5 5 1 0 9 5 1 61 5 5 1 0 9 7 21 5 5 1 0 9 61 01 5 5 1 0 9 81 81 5 5 1 0 9 5 4 1 5 5 1 0 9 4 1 21 5 5 1 0 9 82 01 5 5 1 0 9 6 61 5 5 1 0 9 41 41 5 5 1 0 9 72 21 5 5 1 0 9 3 山东建筑大学硕士学位论文 4 3 3 单片机自动控温电路及p i d 算法 ( 1 ) 单片机自动控温的理论依据 由上文知，激光器的波长随温度变化很大，温度每升高l ，激光器波长约增加 1 0 0 p m 。而光栅的3 d b 带宽蔓：l 2 0 0 p m ，线性边带的波长范围小于1 0 0 p r o ，因此我们要保 证d f bl d 始终处于光栅的线性边带上，必须采取相应的温控措施，使激光器的温度自 动控制在某一范围内，以保证其波长满足要求。 由上文知，l t c l 9 2 3 温控电路是一个闭环控制系统，通过热敏电阻检测管芯的温度 并将其转换为电压值，与来自于热敏电阻电桥的模拟输入温度设置电压进行比较，从而 产生一个同上述两个电压差值成比例的电压，该电压送到内置的精密误差放大器进行放 大，误差放大器的输出与l t c l 9 2 3 内部振荡器产生的三角波的大小关系控制着p w m 比 较器输出的占空比，从而控制全桥电路两侧的导通时间，以达到控制t e c 上电流的大小 及方向的目的。 因此，激光器控温的出发点是控温电桥上a 、b 两点( 见图4 1 8 ) 处电压的比较。 其中，a 点电压为温度设置电压，通过手动调节v r 1 阻值来调节，b 点电压为热敏电阻 检测激光器管芯温度进行反馈后得到的电压。 匕= 而r 石t 2 + 石v r 而1 屹4 9 弘最 4 j o 手动调节激光器时，我们设定r t l = r t 2 = i o k q ，r t 2 = 5 i m ，可调电阻调节范围为2 0 妯， 而v 髓t = 2 5 v ，因此 当可调电阻v r l = o 时，匕= 而而5 k2 5 v = 竽y 籍o 8 3 矿 当可调电阻v r l = 2 0k q ，匕= 而i 5 i k 药+ 面2 0 k x2 5 v = 与乎y 1 7 9 矿 由上文知，手动调节可调电阻阻值使其阻值从0 变化到2 0i c o 时，激光器的温度调 节范围约为4 0 3 6 7 c ，因此，我们通过给定a 点一个0 8 3 , - - 1 7 9v 的连续变化的电 压，来实现同样的目的。基于此，本文设计了单片机自动控温方法。 ( 2 ) 单片机自动控温设计 本文选用c 8 0 5 1 f 4 1 0 2 型号的单片机，为m a x 5 4 1 提供串行输入及片选和时钟信号， m a x 5 4 1 则将串行输入转化为模拟输出电压，本文设定m a x 5 4 1 的输出为o l v 电压， 山东建筑大学硕士学位论文 输出电压经过一个加法器( 选用常见电阻) 加上0 8 2 5 v 的电压后得到0 8 2 5 v - - 1 8 2 5 v 的电压并将其接到控温电桥的a 点作为设置电压来控制激光器的温度。 c 8 0 5 1 f 4 1 系列单片机功耗低、速度快、体积小、功能强大，具有以下特点： 口高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的微控制器核( 可达5 0 m 口s ) 口全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 口真1 2 位2 0 0k s p s 的2 4 通道a d c ，带模拟多路器 口两个1 2 位电流输出d a c 口高精度可编程的2 4 5 m h z 内部振荡器 口达3 2 k b 的片内f l a s h 存储器 口2 3 0 4 字节片内r a m 口硬件实现的s m b u gi c 、增强型u a r t 和增强型s p i 串行接口 口4 个通用的1 6 位定时器 口具有6 个捕捃比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列( p c a ) 口硬件实时时钟( s m u 盯c l o c k ) ，工作电压可低至1 v ，带6 4 字节电池后备r a m 和后备稳压器 口片内上电复位、v d d 监视器和温度传感器，片内电压比较器 口多达2 4 个端口i o 具有片内上电复位、v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 4 1 x 器件 是真正能独立工作的片上系统。f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易 失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以 关断任何一个或所有外设以节省功耗。 片内s i l i c o nl a b s 二线( c 2 ) 开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器 和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用c 2 进行调试时，所有的模拟和 数字外设都可全功能运行。两个c 2 接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能 不占用封装引脚。 高精度数模转换器m a x 5 4 1 是1 6 位串行输入、电压输出数模转换器，+ 5 v 单电源 供电。d a c 输出非缓冲，因此只有0 3 m a 的低供电电流和1 l s b 的低漂移误差。d a c 输出范围为0 v 至v r e f 。m a x 5 4 1 最高可以获得5 0 0 x1 0 3 采样点秒的通过率，基本上满 足大多数应用的要求。 山东建筑大学硕士学位论文 单片机与m a x 5 4 1 的接口如图4 2 4 所示 图4 2 4 单片机与m a x 5 4 1 接口电路图 为了消除高频和低频干扰，必须在r e f 引脚与模拟地之间接入退耦电容。m a x 5 4 1 的输出端接入电压跟随型运算放大器o p 9 7 ，由上文分析知，o p 9 7 输出的电压砺与 m a x 5 4 1 的输出相同，均为0 一- i v 电压。 m a x 5 4 1 的输出经过电压跟随后接至加法器，如图4 2 5 所示。 图4 2 5 加法电路 l + 坚：一上l 1 6 5 k1 0 k1 6 5 k 4 “ 山东建筑大学硕士学位论文 代入，v c c = 5 v 得，奶= 一( u o + o 8 2 5 v ) 加法电路后接反相器，因此，当m a x 5 4 1 输出0 - i v 连续变化的电压时，s a 点输 出0 8 2 5 v - 一1 8 2 5 v 的电压，将该点电压接至控温电桥的a 端昆啊调节激光器的温度。 ( 3 ) 工作点的锁定 本文设计自动控温的最终目的是使d f bl d 始终处于光栅的线性边带上，单片机及 p i d 程序共同将d f bl d 锁定至光栅的3 d b 处作为系统的工作点，为此进行单片机控温 扫描光栅，p i d 锁定工作点的设计本文作者只负责硬件设计，程序部分由课题组的另 一位同志负责。系统流程图如图4 2 6 所示。 图4 2 6 程序流程图 设计自动控温的目的如下：解调系统进行工作时，为了保证较大的解调范围和较高 的灵敏度，要将d f bl d 的波长调节至光纤光栅的3 d b 处，手动控温可以实现工作点的调 山东建筑大学硕士学位论文 节，但激光器受外界环境温度影响其波长很容易发生变化并漂离工作点，因此，与要不 断地查看工作点是否稳定，并进行调节，无法实现仪器的自动运行，而且，手动调节是 采用+ 可调电阻进行激光器波长的调节，调节精度本身就不够高，因此本文采用了基于 c 8 0 5 1 f 4 1 0 2 型号单片机的自动控温系统设计。 自动控温系统开机即开始运行程序，使加法电路输出从0 8 2 5v 1 8 2 5 v 递增的驱动 电压以改变温度设置电压值的大小，从而进行自动控温。在此过程中，激光器温度从4 0 左右变化到6 左右，因此光源可以扫描到完整的光栅，此时记录光栅的峰值电压并除 以2 得到3 d b 处光栅的电压值。此后，设置电压再从1 8 2 5 v 向0 8 2 5 v 递减，激光器的温度 不断发生变化，直到再次扫描到光栅的峰值后，开始进行3 d b 电压值的锁定，利用p i d 控 制，使设置电压稳定，从而使激光器波长锁定在光栅的3 d b 处。从低通滤波器的输出可 以看到光栅扫描与p i d 控制的整个过程，后文将作进一步的论述。 自动控温设计过程中值得注意的几个问题如下： 扫描过程既不能太快也不能太慢，太慢会影响工作点锁定的速度，增加仪器启动时 间；太快则激光器的温度调节达不到单片机给定的设置电压的响应速度，经过反复试验， 最后设定温控设置电压从0 8 2 5v 变化到1 8 2 5 v 的时间为6 0 s 。 系统每隔半小时进行一次自动复位，重新扫描并锁定工作点，以保证仪器处于最佳 工作状态。 系统每次开机都要进行重新扫描。 4 3 4 光电转换电路 光电转换电路的作用是将光信号转换为电流信号，再进一步转化为电压信号。p i n 光电探测器虽然频带宽，但是它的输出电流小( 一般只有几个微安) 。因此，要有效地利 用信号，必须对探测器采取适当的偏置并将信号放大才能实现。 光电转换电路的设计要从三个方面考虑【5 9 】：一是要求信噪比要高；二是要求被测 信号无频率失真；三是要求信号传输功率最大。对于微弱光电信号前置放大器，由于信 号小，输入信噪比甚低，所以需要采用低噪声放大器。对于低噪声放大器的设计应综合 考虑噪声水平和放大器的增益及带宽。这是因为噪声电压的平方与等效噪声带宽成正比， 而等效噪声带宽又与信号带宽成正比。因此，过于提高放大器带宽将使噪声增加。 光电转换电路中存在多种噪声源，其中包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、 散粒噪声、热噪声等。因为系统实际噪声的大小直接影响系统的性能，所以分析噪声的 特性及其在电路中的规律，对于从电路设计上压制、降低噪声，就显得十分重要。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 1 ) 散粒噪声 当光信号进入光电二极管时，光子产生和结合的统计特性就会引发此类噪声【6 叼其 统计特性服从泊松过程。光电效应使光生载流子的密度起伏变化，由于它是光电探测过 程的一个统计特性，所以总是存在的。当所有其他条件都适合时，光电信号接收电路的 灵敏度被限制的较低。 散粒噪声电流的均方值为： i s 2 = 2 e ( 1 ，+ i o ) s 4 1 2 式中l e 和z n 分别为信号电流和暗电流；b 为光电信号接收电路的带宽；p 为电子电荷。 如果暗电流相对信号而言比较大，信号电流就有可能被噪声掩埋，从而无法使用。 而暗电流如果相对很小，其效应就可以忽略。 ( 2 ) 暗电流及漏电流噪声 当光电二极管在没有光照的环境中、处于偏压条件下时，电路中会产生暗电流，从 而产生暗电流噪声。影响暗电流大小的因素主要有：所选用器件的材料、偏置电压高低 及工作温度。s i 探测器的暗电流比较低，约为10 2 。而g 绻测器的暗电流比较大， 可高达1 0 7 m m 2 。暗电流随偏置电压及温度的增大而增大，从室温到7 0 ，暗电流可 增大一个数量级。 表面漏电流是由于器件表面物理特性不完善所致。它也与表面积大小及偏置电压有 关。通过合理的结构设计及严格的工艺可大大降低漏电流的影响，以至可以忽略不计。 设暗电流为如，表面漏电流为屯，则总的噪声谱密度为： s t d 。2 2 0 0 2 ”+ 2 吐 4 1 3 式中g 为倍增因子，石为附加噪声指数，其值与器件所用材料和制造工艺有关。 为了减小暗电流，减少载流子渡越时间和降低结电容，获得较高的灵敏度，较快的 响应速度和较宽的频率响应，光电探测器两端要加反向工作电压工作在光电导模式下。 ( 3 ) 热噪声 热噪声存在于任何导体和半导体中，它来自电阻的内部自由电子或电荷载流子的不 规则热运动【6 5 】。当没有外电场时，导体中的电子做无规则热运动，无定向的迁移，因而 没有电流，但由于涨落，向两个相反方向运动的电子数并不完全相等，导致在导体和半 导体中产生涨落电势( 噪声电压) ，并引起涨落电流。噪声电压均方值孵取决于材料的 温度，并有如下关系： 山东建筑大学硕士学位论文 2 = 4 k r 【r ( f ) d f 4 1 4 式中，k 为波尔兹曼常数；r 为材料的绝对温度；且) 为电阻随频率的变化关系。 在室温下热噪声的有效带宽为【6 6 1 ： ， b = ( 硎猷2 万6 ) = 1 0 2 8 g h z 。4 1 5 这对实际的检测电路是足够宽的。因此热噪声的频谱可看作是平直的，为白噪声。 在纯电阻的简单情况下，r 与频率无关，热噪声的输出取决于检测电路的实际通频 带a f - - f 2 一厂l 。此时式4 1 4 变为 u r 2 = 4 k t r a f 4 1 6 相应的噪声电流均方值为： 2 = 2 肚2 = 4 k t a f r 4 1 7 由上面公式可以看出，影响探测噪声的因素为温度r 和检测电路的带宽a f o 因此， 可以通过降低检测电路带宽来增加探测器的探测性能和系统的信噪比。 由于光电转换过程是将探测器接收到的光信号变为与之成比例的电流信号，但输出 的电流信号极其微小，因此需要通过串联一个放大电路变换成电压信号。放大电路除了 运放带入噪声外，反馈电阻r 的热噪声也是一个重要的噪声源。在纯电阻情况下，电阻 的热噪声坼取决于检测电路的实际通频带a f u r = 4 4 k t r a f 4 1 8 可见电阻热噪声坼的平方与电阻足成正比，与检测电路实际通频带v 成正比。 在反馈电阻两端并联一个电容，相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等 效噪声带宽 蜕= 1 4 r lc 4 1 9 而电阻热噪声坼的平方与检测电路实际通频带v 成正比，因此随着等效噪声带宽 变窄为a y e ，r c 电路的热噪声也降低为 u r = 4 4 k t r a f , 4 2 0 综合以上论述，本文在光电探测器两端加反相电压，使其工作在光电导模式下，探 测器的输出端连接一个低噪声前置放大器把光电流转变为电压信号，放大器的反馈电阻 两端并联电容以达到减小电路实际通频带，从而降低电路热噪声的目的。最终完成的光 电转换电路如图4 2 7 所示，攻l 和圾2 分别为传感部分和参考部分光电转换后的电压信号。 山东建筑大学硕士学位论文 图4 2 7 光电转换电路 4 3 5 运算及放大电路 由上文知，为消除光源功率的扰动，将d f b 光源发出的光分为两部分，一部分用作 参考，一部分用作传感。然后将两者相除，得到一个能够反映振动信息，且与光源功率 扰动无关的信号。 本文设计的模拟计算单元采用高精度、低失真、低噪声的模拟乘法器a d 7 3 4 进行除 法运算，电路连接如图4 2 8 所示。 r d 4 0 图4 2 8 除法运算电路 a d 7 3 4 是a d 公司的产品，与同类产品相比，具有直接除法模式，可以利用外部输 入电压直接控制除法模式中的分母电压，使用起来相当灵活方便。而其他同类产品除法 模式的分母电压只能由内部电路提供，外部无法控制。 山东建筑大学硕士学位论文 a d 7 3 4 是一种能够提供形= x y u 功能的特殊乘法器。通常情况下，瓜y 为可变化 的输入信号，是两个乘法项；魄一个固定的分母或者说比例值，为不可变化的输入， 系统连接一旦完成，就不再变化；鼢输出。但特殊的连接方式下，a d 7 3 4 也可以用作 除法器。此时，环再是个固定的数值，而是一个作为除法项的可变输入信号。这种 工作方式提供了更高的带宽和精确度以及连接的灵活性( 各项输入都为可变信号) ，本文 就采取了这种工作方式。此时，芯片的输出为 形：哗掣+ z ，4 2 1 彬l u 2 j 采用这种连接方式，kkz 的符号可正可负，但u = u l u 2 必须为正，且变化范 围在1 0 m v 到i o v 之间。 本文为了保证u 的符号正确，添加了一个电压跟随器。根据集成运放的虚短原理 u o = u l = o ，而巩连接的是参考信号，是光电探测器加反向偏置后得到的负的电压值，因 此u - - u 1 班 o 。而光电转换部分集成运放采用5 v 供电，为了避免芯片饱和，光电转 换后的信号应小于3 8 v ，而小于l o m v 的信号通常被认为暗电流导致，不认为是光照 引起的，因此u 值也满足在l o m v 到1 0 v 之间。 将传感信号光电转换后的电压接到a d 7 3 4 的x 1 端，a d 7 3 4 的x 2 端接地，因此蜀 恐为被除项，是一个负值；u = - 矾- 沈一班为除法项，是一个正值；y i