（计算机科学与技术专业论文）基于arm9的光纤光栅解调系统研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特另! f 加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 研究生签名：邋： 日期：兰竺! ：皇：驾 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或 论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：墨鞋导师签名：日期：三! ! ：三7 摘要 光纤布喇格光栅传感器走过了制作发明、原理性研究、实验性测试等阶段， 现在已在桥梁隧道大坝、化工、电力、大型机械装置等领域得到广泛应用，工 程化应用也发展到一定程度。光纤光栅信号解调技术是光纤光栅传感中的关键 技术，信号解调系统性能的好坏直接制约着传感系统的设计和应用水平。由于 光纤光栅传感器具有多参量传感，分布式传感的特性，研制具有多参量测量和 具体特殊应用要求的解调仪也显得尤为重要，光纤光栅解调仪器也从单一的波 长解调向着集波长解调、数据标定、数据存储、健康检测、多参量诊断于一体、 与具体专业应用紧密结合的专业化的方向发展。 目前大多数解调仪器的使用方式都是将解调出的波长数据通过串行接口、 u s b 接口或者网络接口传送给上位机的解调软件进行处理。这种两层式的结构 虽然能够增强解调仪器的通用性，但同时也使解调仪器与具体的应用结合不够 紧密，降低了解调仪器的专业性，加大了在户外场工程调试的难度，而且操作 复杂、不方便携带。 本文是在武汉理工大学光纤中心已有的光纤光栅解调仪器的基础上进行的 研究，目的是研制出解调速度快、精度高，能够实现数据的本地处理、本地显 示、本地操作、本地存储，适合户外工程调试、携带方便、用户界面友好、操 作简单、专业的便携式光纤光栅解调仪器。为完成这个任务主要做了以下工作： 1 分析了现有测量光纤布喇格光栅微小波长偏移的方法和解调技术：在分析 和总结所列的几种解调方法后，结合应用需求、性能、成本等因素的考虑，研 究确定了可调谐f p 滤波器解调方法。 2 对系统进行了硬件设计和软件设计：在对解调系统进行了详细的需求分析 后，介绍了系统总体设计并选取三星公司生产的a r m 9 内核微处理器；分析了 软件系统结构，给出了嵌入式系统设计流程，确定了应用软件的开发平台并对 软件系统进行了功能设计和用例分析。 3 光纤光栅解调嵌入式实现：将嵌入式l i n u x 移植到a r m 9 微处理器，在其 上实现了光纤光栅解调的应用软件以及支持应用软件的人机交互模块和通信模 块，最后对解调系统进行了功能测试和性能测试并分析了测试结果。 关键词：光纤布喇格光栅；信号解调；f p ；a r m 9 ；嵌入式l i n u x ；q t ； m u l t i - p a r a m e t e rd i a g n o s t i c ，w h i c hc l o s e l yc o m b i n e d 谢ls p e c i a lr e q u i r e m e n t s a t p r e s e n t , m o s t o fd e m o d u l a t i o n e q u i p m e n t s s e n d w a v e l e n g t h d a t at o d e m o d u l a t i o ns o f t w a r er u n n i n go nu p p e rc o m p u t e rv i as e r i a ll i n e , u s bd a t al i n eo r n e t w o r kc a b l i n g t h et w o - l e v e ls t r u c t u r ec a l le n h a n c e st h e g e n e r a b i l i t y o f d e m o d u l a t i o ne q u i p m e n t , b u ti ta l s ol o w e r st h ee x p e r t n e s s ，m a k e sm o r ed i f f i c u l t w h e nd e b u g g i n go u t d o o ra n di ti sn o ts u i t a b l ef o r e a s i l yo p e r a t e da n de a s i l yc a r r i e d t h i sp a p e ri st od e s i g nap o r t a b l ea n ds p e c i a l t yf b gd e m o d u l a t i o ne q u i p m e n t w h i c hi sl o c a lp r o c e s s i n g ，l o c a ld i s p l a y i n g ，l o c a lo p e r a t i o n gl o c a ls t o r i n ga n ds u i t a b l e f o ro u t d o o rd e b u g g i n g ，e a s i l yc a r r i e d ，u s e r - f r i e n d l ya n de a s yt oo p e r a t e t oa c c o m p l i s h t h i st a s kf o l l o w i n gw o r ka r em a i n l yd o n eb a s e do naf b gd e m o d u l a t i o ne q u i p m e n t d e v e l o p e db yw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 1 a n a l y s i so ft h em e t h o da n dt e c h n i q u ea b o u th o wt od e t e c ta n dm e a g u r et i n y e x c u r s i o no ft h ew a v e l e n g t hr e f l e c tf r o mt h ef b gs e n s o r s w ec h o o s et ou s et h e m e t h o do f f - pd e m o d u l a t i o nc o n s i d e r i n gt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s 、p e r f o r m a n c e 、 c o s ta n do t h e rf a c t o r sa f t e r s u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n g s e v e r a lm e t h o d s o f d e m o d u l a t i o n ，e s p e c i a li n t r o d u c i n gt h ef - pf i l t e rd e m o d u l a t i o ni nd e t a i l 2 h a r dd e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nf o rs y s t e m ：m a k et 0 t a ld e s i g na n ds e l e c t a r m 9m i c r o p r o c e s s o rp r o d u c e db ys u m s a n ga f t e rt h ed e t a i l e d d e s i g no fn e e d s a n a l y s i s ；a n a l y s i st h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r ea n di n t r o d u c eh o w t od e s i g na n d d e v e l o pe m b e d d e ds y s t e m ；c h o o s eq ta su s e ri n t e r f a c ea n dm a k eo u t l i n ed e s i g nf o r e m b e d d e dd e m o d u l a t i o ns o r w a r e 3 e m b e d d e di m p l e m e n t a t i o no ff b gd e m o d u l a t i o n ：m i g r a t ee m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e mt oa r m 9a n di m p l e m e n t st h ed e m o d u l a t i o ns o f t w a r e , m a n - c o m p u t e re x c h a n g em o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e m a k ea f u n c t i o n a la n d p e r f o r m a n c et e s t i n ga n da n a y s i st h et e s t i n gr e s u l t sa tl a s t k e yw o r d s ：f b g ；s i g n a ld e m o d u l a t i o n ；f - p ；a r m 9 ；e m b e d d e dl i n u x ；q t h i 2 2 1 非平衡马赫一曾德干涉仪解调技术7 2 2 2 匹配光栅解调技术8 2 2 3 光纤光栅可调谐f p 滤波器解调技术9 2 2 4 可调谐激光器的波长匹配解调技术1 2 2 3 小结l3 第3 章光纤光栅解调系统研究 1 4 3 1 解调系统的需求分析1 4 3 1 1 应用需求1 4 3 1 2 功能需求1 4 3 1 3 性能需求1 5 3 2 解调方法研究15 3 3 硬件设计1 6 3 3 1 硬件系统设计1 6 3 3 1 嵌入式处理器的选型1 7 3 4 软件系统设计1 9 3 4 1 软件系统结构1 9 3 4 2 嵌入式系统设计流程2 1 3 4 3 运行环境及开发平台2 2 3 4 4 软件系统详细功能设计2 8 i v 3 4 5 软件系统用例分析2 9 3 5d 、结3 1 第4 章光纤光栅解调实现研究 4 1 嵌入式l i n u x 的移植3 2 4 1 1 交叉开发环境的建立3 2 4 1 2b o o t l o a d e r 的移植3 3 4 1 3l i n u x 内核的剪裁和移植3 4 4 2 应用软件的实现3 6 4 2 1 双缓冲绘图3 6 4 2 2 波形查看功能的实现。3 7 4 3 人机交互模块4 0 4 3 1 键盘模块。4 0 4 3 2 触摸屏模块4 5 4 4 通信模块5 0 4 4 1s p i 模块。5 0 4 4 2 以太网通信模块5 5 4 5 实验及分析5 7 第5 章总结与展望 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表的学术论文 6 1 6 5 6 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 现在的社会是信息化的时代，信息产生后都必须经过获取信息，传输信息， 处理信息三个过程才能被人们运用，信息的获取、信息的传输、信息的处理构 成了现代信息技术的三个基础。离开了这个三个基础，谈信息化都是缘木求鱼。 这三个基础分别对应的是传感技术、通信技术和计算机技术，正是这三个技术 的紧密结合、相互促进、互相补充才使得信息化的进程加速发展。在这三个过 程中信息的获取即传感技术又显得尤为重要，它是现在信息技术的根本，如果 不能获取信息或者获取的信息不够准确，那么后期的信息传输和信息处理将是 无源之水，显得没有任何意义。 新型传感器的开发已经成为当前科学技术的主要课题之一，现在世界上的许 多国家都在积极的加大对新型传感器研究，努力的改进传统的传感器。早在上 个世纪，传感技术就被日本列为影响未来发展的六大核心技术，美国在上个世 纪9 0 年代也将传感技术列为2 2 项关键技术。目前，我国虽然传感器的数量对 比上个世纪有了很大的提高，但传感器的品种和传感器的质量还远远不能满足 市场的需求，现在已有越来越多的科研工作者投入到这方面的研究之中。 传统的传感器中很大部分都是以电流为载体的，主要是将被测量的改变以电 信号的方式传输，但由于电流自生的特性使得传统传感器有很多缺点，比如易 受电磁干扰等。所以越来越多的基于新型材料的有特殊用途的传感器被研制了 出来，其中光纤光栅传感技术就是新型的广受关注的迅速发展的一个领域。 世界上第一只光纤光栅于1 9 7 8 年研制成功后，就以其众多的优良特性在 光纤激光器，光纤传感器及声光调制解调器等传感领域方面引起人们的重视。 光纤传感器除了具有可靠性高，抗电磁干扰能力强，耐腐蚀等特性外，它还有 其他传感元件所没有的最为突出的优点：用波长编码后的感应信息不受光源输 出功率起伏和各种连接器件的损耗的影响且能长距离传输。而且与时分复用和 波分复用技术结合还可以作为光纤光栅准分布式系统的传感元件，这对测量埋 入材料或者内部结构非常适合，对现在国际上研究的智能材料和灵巧结构都有 非常重大的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 在光纤光栅传感的应用系统中，光纤光栅信号解调技术是至关重要的，信 号解调系统性能的好坏直接影响着传感系统的设计和应用水平。光纤传感的解 调方案有多种，根据解调光波的物理参量的不同可以分为：波长解调、相位解 调、频率解调、强度解调和偏振解调等。根据实际应用的需求，可以选择具有 不同特点的解调方式。目前广泛应用于工程的实测和监控中的是波长解调方 法，这是因为这种解调方式具有如下几个优点：1 能够将感测到的信息用波长进 行编码；2 经过f b g 的光波中心波长处窄反射3 不用对光源输出功率起伏和各种 连接器件的损耗进行补偿。 1 2 光纤传感器的特性及应用 光纤传感器是通过将待测物理参数的变化转化为信号光在波长、强度或相 位上的变化，从而对待测物理参数进行监测的器件。浓度、应变、应力、温度等 外界物理量的变化都会引起光纤光栅周期及有效折射率等参数的变化，从而引 起光纤光栅波长的变化。光纤光栅是性能良好的敏感性元件，光纤光栅波长的 变化可以体现周围环境参量的变化。由于光纤光栅是波长编码的，因此，其可 以克服强度调制的传感器必须补偿光源输出功率变化，插入损耗等不足。与传 统的电子或者机械传感器相比，其具有以下优势： ( 1 ) 抗干扰能力强，感应信息不受光源输出功率起伏和各种连接器件的损耗 的影响【1 1 ； ( 2 ) 传感头结构简单、尺寸小，便于埋入复合材料结构及大型建筑物内部，同 时也便于传感器的集成； ( 3 ) 利用波分复用技术可形成光纤传感网络，进行大面积的多点测量。 自从1 9 7 8 年h i l l 等人制作出入类史上第一根光纤布拉格光栅开始，无论是 写入技术，理论研究还是工程应用都得到了迅速的发展。m o r e y 等人于1 9 8 9 年 首次研究了将光纤光栅作为应变和温度传感器的性能，为光纤光栅传感技术开 辟了新的方向。自此以后的几十年里，光纤光栅成为了发展最快、最具发展前 途的传感技术，并在实际工程应用中取得长足发展。 随着光纤光栅写入技术不断进步，光纤光栅成本大幅度降低。同时解调技 术的进步也使得光纤光栅测量准确性得到了很大的提高。因此，光纤光栅的应 用领域日益广泛。主要包括航空航天，电力安全，土木工程等领域行业。 航空航天领域由于飞行器复杂的运行环境，结构的精密性和可靠性对于飞 2 武汉理工大学硕士学位论文 行器极为重要。为确保航天器的安全运行，对其结构进行实时在线监测是十分 重要的。一般需要在线监测的参数有温度、压力、振动、燃料液位、机翼位置 等，需要传感器数目是很大的，因此对于传感器的体积，质量等就提出了更高 的要求。光纤光栅传感器以体积小，质量轻，可以复用等优势在该领域显示出 广阔的应用前景。主要的应用实例包括，1 9 7 9 年，美国国家宇航局第一次将光 纤光栅传感器埋入复合材料内部来监测复合材料内部的变化。目前，在航天飞 机x - 3 3 原型机上安装测量应变和温度的光纤光栅传感器网络已经投入正式工 作。从1 9 9 6 年开始，德国d a i m l e r - b e n z 研究中心及d a i m l e r - b e n z 宇航空中客车及 宇航研究院共同研究埋入静态分布式光纤光栅传感器制作自适应机翼。2 0 0 0 年，d a n i e lb e t z 等人在a 3 4 0 6 0 0 客机机身上安装光纤光栅传感器实现结构载荷 的测量。 电力工业中的传感器使用环境一般为强电磁场、高压、大电流等恶劣情 况，因此传统的热电信号传感器很难应用。而光纤光栅传感器具有无源无电、 抗电磁干扰等优势，因此比其他传感器方式更适于该领域传感测量的应用。典 型应用包括，例如：h a m r n o n 等人将光纤光栅传感器应用于高压变压器的绕组 温度测量上，其长期监测的精度可以达到士3 。而德国西门子公司采用光纤光 栅测量气冷涡轮发电机定子温度和发电机的大电流。b j e r k a n 等人把光纤光栅传 感器安装在6 0 k v 的架空输电线缆，在线监视电缆的载荷变化。从2 0 0 3 年起，武 汉理工大学已经成功的将光纤光栅温度监测传感器应用于重庆电力局、江苏电 力局、成都电业局变电站等数个电力单位部门。 土木工程如桥梁、隧道等的实时健康监测是近些年来光纤光栅传感器热门 应用领域。应用时将光纤光栅传感器贴在结构的表面或预先埋入结构内部实时 地获取工程结构温度，应变的变化信息，从而监测结构的健康情况。典型利用 包括，1 9 9 3 年在加拿大c a l g a r y 附近的b e d d i n g t o n 碱l 大桥上使用的1 6 个光纤 光栅传感器进行长期监测，同时这也是光纤光栅传感器在桥梁上最早使用的范 例之一。1 9 9 9 年，美国研究人员在新墨西哥l a s c e s l 0 号州际高速公路的钢结构桥 梁上安装了1 2 0 个光纤光栅传感器，创造了当时使用传感器数量的记录。2 0 0 2 年，瑞士研究人员将传感器埋入混凝土结构中，打破了原本只能进行表面测量 和间接内部测量的局限。在国内，光纤光栅在桥梁隧道的应用也实现了工程化 的进程。例如，武汉理工大学从2 0 0 3 年至今，已经将光纤光栅传感器应用到了 武汉长江二桥，晴川桥，武汉天兴洲长江大桥，秦岭终南山公路隧道，云南小 磨高速公路隧道等众多桥梁隧道工程中。 3 武汉理工大学硕士学位论文 另外，在船舶航运、核工业、医学等领域光纤光栅传感器也都得到了广泛 的应用。相信随着光纤光栅制作工艺、解调技术和其他相关技术的不断完善和 攻克，光纤光栅传感器会在更加广阔的领域发挥更加重要的作用。 1 3 本课题研究的意义 目前国内的光纤光栅波长的解调速度和解调精度都难以达到某些领域的要 求，解调仪器都是和上位机软件是分离的，解调出来的数据都需要通过工业总 线或者网络传输到远程监控中心的上位机软件进行标定、显示、操作、存储， 这种两层式的结构虽然能够增强解调仪器的通用性，但同时也使解调仪器与具 体的应用结合不够紧密，降低了解调仪器的专业性，加大了在户外场工程调试 的难度，而且操作复杂、不方便携带，特别是无法满足户外现场调试的需求。 在图1 1 解调仪器使用方式对比图中实线框内就是两层式的使用方式，虚线框内 则是本课题要研究的专业的便携式波长光纤光栅解调仪器的使用方式。 f b g 图1 1 解调仪器使用方式对比图 为了使f b g 传感器在传感器领域得到更为广泛的应用，特别是户外等工况 较差环境中的调试和安装，研制出解调速度快和精度高且能够实现数据的本地 处理、本地显示、本地操作、本地存储，适合户外工程调试、携带方便、用户 4 武汉理工大学硕士学位论文 界面友好、操作简单、与具体应用紧密结合的、专业的便携式波长光纤光栅解 调仪器显得尤为重要。 1 4 本课题研究的主要内容 相对于欧美等国，我国对光纤光栅的研究较晚，但已有很多科技工作者投 入到光纤传感领域的研究之中，研制出了能够测量温度、应变、压力、位移、 压强、扭距、加速度、电流、电压、磁场、震动等物理量的传感器并广泛应用 于大型结构工程与重大装备长期健康安全监测、感温火灾探测、煤矿瓦斯一氧 化碳一体化监测等领域。 本论文是在武汉理工大学光纤中心研发的光纤光栅解调仪的基础上所作的 研究，将具有实时性、多任务处理的嵌入式操作系统l i n u x 移植到具有a r m 9 内核的s 3 c 2 4 1 0 微处理器中，采用具优良跨平台特性的q 作为其人机交互界面 的开发语言，集成了触摸屏和小键盘，在方便携带的前提下大大提高了易操作 性。不仅能够实现数据本地处理，本地显示、本地操作、本地存储，还可以根 据要求将s p i 接口接收到的数据通过以太网口传输到控制中心进行显示和存储， 由于用q t 编写的软件只需一次性开发应用程序，无需重新编写源代码，便可实 现跨在不同操作系统上安装应用程序，所以只需要做一小部分的更改就可以将 编写的软件安装在控制中心的主机上，避免了软件的重复开发，节约了人力和 物力成本。 为了达到本课题预期的设计需求，本课题在如下几个方面进行了研究和实 践，较好的完成了设计要求。 1 分析了现有测量光纤布喇格光栅微小波长偏移的方法和解调技术：在分析 和总结所列的几种解调方法后，结合应用需求、性能、成本等因素的考虑，研 究确定了可调谐f p 滤波器解调方法。 2 对系统进行了硬件设计和软件设计：在对解调系统进行了详细的需求分析 后，介绍了系统总体设计并选取三星公司生产的a r m 9 内核微处理器；分析了 软件系统结构，给出了嵌入式系统设计流程，确定了应用软件的开发平台并对 软件系统进行了功能设计和用例分析。 3 光纤光栅解调嵌入式实现：将嵌入式l i n u x 移植到a r m 9 微处理器，在其 上实现了光纤光栅解调的应用软件以及支持应用软件的人机交互模块和通信模 块，最后对解调系统进行了功能测试和性能测试并分析了测试结果。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤光栅传感器及其解调技术 2 1 光纤光栅原理 在光纤拉制过程中向纤芯中添加适当的元素或在光纤光栅刻写前经过适当 的增敏处理以增加光纤纤芯的光敏性后，通过某种刻写方法或工艺使得光纤纤 芯的折射率发生周期性的调制，从而形成光纤光栅。 纤苍 哇l气 睑组 入射谱 a f 粥透射谮名 f 粥反射者 图2 1 光纤光栅示意图 透射光 - - - - - 由于折射率被周期性的调制了，当入射光经过光栅处时，就会对一小段光 谱产生如下影响：入射光会在相应的频率上被反射回去，透射光谱则没有任何 影响。这种影响可以认为是光栅对光波的选择，满足这种选择的条件就是b r a g g 条件。由模式耦合理论知，此时有如下关系： 如= 2 人 ( 2 1 ) 其中为反射光的中心波长，人为布喇格光栅的周期，h 为光栅区的有效折 射率。 对( 2 1 ) 式两端微分可得： 地= 2 a n 万人+ 2 八 ( 2 2 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 由上式可看出，当外界环境，例如温度或应力等发生变化时，人及，谤 也会随着外界环境发生相应的改变，从而使光纤光栅的中心波长也随之发 生变化，这样就可以反应外界参量的变化，这就是f b g 的基本传感原理。 2 2 光纤光栅传感器解调技术 由光纤光栅的原理可知，光纤光栅是通过反射波长的变化量来反映外界温 度和应力等因素的变化的，光纤光栅信号解调技术是光纤光栅传感中的关键技 术，信号解调系统性能的好坏直接制约着传感系统的设计和应用水平，根据具体 的应用和需求，合理的波长解调方案的选择对传感系统的设计显得尤为重要 【l 】 o 传统上一般采用的解调技术是光谱仪，单色仪和带有色散元件的c c d 探测 器，但这些方法都不太适合工程应用，具有体积大，不方便携带，价格昂贵， 现场使用操作繁琐等不足。鉴于以上原因，人们研究出了很多新的解调技术和 方法，下面主要介绍几种典型的分布式f b g 传感器的解调方法。 2 2 1 非平衡马赫一曾德干涉仪解调技术 19 9 2 年，a d k e r s e y 等人提出了非平衡m a c h z e h n d e r 干涉，之后人们将之 应用到光纤光栅解调系统。其解调原理如图2 2 所示 图2 2f - p 与m a e h - z e h n d e r 干涉组合的解调技术 m z 干涉仪有两个臂，左臂由压电陶瓷( p z t ) 线性调节控制，右臂由其上 的偏振态控制器来协调两臂的光波偏振态，这样在汇合时就会发生干涉。当线 性调节左臂臂长时，就会从m z 干涉仪得到一个长度周期性变化的干涉信号。 7 武汉理工大学硕士学位论文 当光纤光栅的应变变化时，光纤光栅反射的布喇格波长会随着光纤光栅应变的 变化而移动，进而影响周期性交化的干涉信号的位相，而且位相的变化量与布 拉格波长的移动量成线性关系。图2 3 中光纤光栅g 1 和( 3 2 首尾相接，则探测 器探测到的是来自两个光纤光栅的干涉信号的混频信号。 图2 3m a c h - z e l m d e r 干涉仪解调的检测技术 两个干涉信号的位相变化由于两个光纤光栅的直径的不同会有所差异，但 混频信号的幅值取决于这两路干涉信号的位相差。我们可以测量出波长移动总 量，然后从信号幅值大小得出应力大小。 2 2 2 匹配光栅解调技术 所谓匹配光栅解调就是用一个与传感f b g 相匹配的接收光栅来跟踪传感 f b g 的波长变化，滤波，并在再次匹配时来推知传感f b g 的波长的方法。该解 调方法的原理图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 中的参考f b g 是一个所有参数都与传感f b g 完全相同的f b g 它被粘 贴在一个压电陶瓷片( p z t ) 上，压电陶瓷具有很好的将电能转换为机械能的特 性。初始状态即p z t 没有受到外加的驱动电压时，由于传感f b g 与参考f b g 参数完全一样，从而两者的反射波长也相同，此时光探测器能探测到最大光 强，输出的信号幅值最大。当外界环境改变后，比如温度，压力，传感f b g 的 反射波的峰值会发生漂移，进而光探测器能探测到的光强减小，信号幅值也会 下降，接着触发伺服控制系统的扫描器工作，它会向压电陶瓷施加一定的电 8 武汉理工大学硕士学位论文 压，转换为机械能后会使之发生形变。受形变的影响，参考f b g 的峰值反射波 长也会发生变化，当参考f b g 和传感f b g 的峰值反射波长再次匹配时，光探测 器再次探测到最大光强，输出信号也达到最大值，那么，就可以用此时的扫描 电压来对应外界的物理量。 图2 - 4 匹配光栅解调的原理图 2 2 3 光纤光栅可调谐f - p 滤波器解调技术 相比匹配光栅解调法，可调谐f p 滤波器则不受光纤光栅工作谱区的限制， 总能够确保从光纤光栅反射回来的光波都能被f p 腔检测到，其解调原理图如图 2 - 6 所示，可以这么理解：将可调谐将匹配光栅解调方法里的参考光栅用f p 腔 来实现就是可调谐f p 滤波器解调方法。 为此，了解f p 腔的原理对了解可调谐f p 滤波器解调方法显得尤为重要。 f p 腔的结构示意图如图2 5 所示，f p 腔的原理是多光束干涉，当有一束光进 入f p 腔后，就会再光纤的两个端面上发生多次的反射，这样就会有一部分光沿 着原路返回，这就是反射光；另外，从f p 腔射出的光就形成了透射光，由多光 束干涉的原理不难推得反射光和透射光的光强，反射光光强。r 为： 9 7 武汉理工大学硕士学位论文 反射镜 i p z t 压电陶瓷换能器 图2 5 可调谐f p 腔的结构 i r = t + 志 ， 透射光的光强西为： l ：0 一 1 4 rs i n 2 ( 2 ) 1 、， 卜r 2 ( 2 卅 其中1 0 为入射光的光强，r 为f p 腔壁的反射率， 相邻两光束相位差o 与f p 腔的腔长h 的关系如( 2 3 3 ) 所示： 西= 2 砖名= 4 n r c h c o s i a ( 2 - 5 ) 其中各变量的物理意义如下： 相邻两光束光程差n f p 腔的折射率 h f p 腔的腔长九光波波长i 入射角 由式( 2 3 ) 可知：r 越大，反射光强1 矗越大，但透射光总会存在，不会没有： 由式( 2 - 4 ) 可知当光的相位差= 2 k d - i 时反射光强。矗为o ，透射光强1 0 则达到 最大。从式( 2 5 ) 可以看出：相位差西与f p 腔的折射率n 和f - p 腔的腔长h 有 1 0 瓷 陶 压 武汉理工大学硕士学位论文 关。综合以上分析：入射光和反射光的光强受可调谐f p 腔的腔长和可调谐f p 腔的折射率1 1 两个因数的影响。 探测器 图2 6 可调谐法布里珀罗腔法 当有一束平行光入射f p 腔时，此时i 是一个确定值，通常接近于0 或就为 0 ，相位差主要是波长刀的函数，在f p 发生多光束干涉，这样在特定的谱区范 围内某些特定的波长飞附件就会出现极大。当i 为0 时，有如下关系： = z 肭2 ( 2 6 ) 其中k 代表干涉级数。 腔长h 固定时，那么在波长五到名+ m 的范围内，波长名+ 从的k 级干涉 和波长名的k + 1 级干涉条件就不能够同时满足，否则允和旯+ m 将无法区分。令 2 n h = 七( 五+ m ) = ( 后+ 1 ) 兄，贝u e h ( 2 6 ) 式可以推得f - p 腔的自由光谱范围为： m ：兰= 竺 k2 n h ( 2 7 ) 其中h 为腔长，元为波长。由式( 2 7 ) 可知，对一定的波长，腔长越长，光谱范围 就越小。从而f p 腔可被看作为一个窄带滤波器。在一定波长范围内，若以平 行光入射到f p 腔，则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉， 进而产生相干极大， 可调谐f p 滤波器正是利用这个特性对f b g 传感器的反射光波进行检测的。 从光纤布喇格光栅传感器反射回来的光通过3 d b 耦合器后被引入到可调谐f p 腔中，由于透镜l l 的作用使进入f p 腔的光都变成了平行光，出射光则由于聚 武汉理工大学硕士学位论文 透镜l2 的作用被汇聚到探测器上，而且贴在f p 腔中可移动发射镜背面的压电 陶瓷具有良好的电能机械能互转换的功能，所以此时在外加电动势的作用下就 会将电能转换为机械能，进而产生形变使f p 腔的腔长发生变化。 由以上分析可知：如果采用压电陶瓷元件，当在其上施加扫描电压后，压 电陶瓷就会发生形变，f p 腔的腔长也会随之发生改变，进而也会改变透过f p 腔光的波长。当穿过f p 的投射光的波长与光栅的反射光波长达到相等时，最大 的光强会被探测器探测到，那么此时f p 腔反射回的波长就可以用当时施加在压 电陶瓷上的电压来表示。 2 2 4 可调谐激光器的波长匹配解调技术 所谓可调谐激光器的波长匹配解调就是通过调节光源波长来达到与光纤光 栅布喇格波长相匹配进而完成解调的方法。其解调的原理如图2 7 所示，压电 陶瓷和激光器的腔长粘贴在一起，由于压电陶瓷具有很好的将电能转化为机械 能的特性，所以当有一个电压施加在其上时，压电陶瓷就会发生形变，进而使 激光器的腔长发生改变，相应的激光器的输出波长也会发生改变。激光器中的 两个光纤光栅相距2 m m ，压电光纤激光器发出的光经过隔离器和3 d b 耦合器到 达传感光栅g ，传感光栅g 会有反射光波反射回来，并经过3 d b 耦合器到达分 析仪，同时激光器发出的经过隔离器的光波也会到达分析仪。当传感光栅g 的 外界环境发生改变时( 如温度) ，通过给压电陶瓷施加扫描电压时就会使光纤 激光器输出的光和光纤光栅反射的布喇格波长相匹配，光波被反射回来，经过 3 d b 耦合器到达分析仪。由于激光器对温度很敏感，所以温度的变化对系统的测 量精度有很大的影响 图2 7 可调谐激光器解调原理 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 小结 本章先从理论上介绍了光纤布喇格光栅的传感原理，再简要的推理了温度 和应力分别对f b g 的影响，并以此为基础介绍了四种解调技术： ( 1 ) 非平衡马赫一曾德干涉仪解调技术 ( 2 ) 匹配光栅解调技术 ( 3 ) 光纤光栅可调谐f p 滤波器解调技术 ( 4 ) 可调谐激光器的波长匹配解调技术 这四种解调技术都是通过检测波长的微小偏移达到解调目的的，但各有优 缺点。非平衡马赫曾德干涉仪解调技术具有宽带宽、解析度高的解调特点，但 不适合绝对应变的测量，匹配光栅法虽然方法简单，但易受外界干扰，可调谐 激光器的波长匹配技术解调精度高但成本高且易受受温度影响大。可调谐f p 滤波器解调法不仅灵敏度高、体积小还能够将波长信号经过光电转换转换为电 信号，具有很高的性价比。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章光纤光栅解调系统研究 3 1 解调系统的需求分析 3 1 1 应用需求 光纤光栅传感器在实际的工程应用中，直接的检测方法是使用光谱分 析仪，虽然光谱分析仪在测量的精度由于温度和应变灵敏度都很小，相应 布喇格波长的变化也相当微小。可知，光纤光栅传感器能否实用化的关键 技术是如何检测出传感光栅布喇格波长的微小偏移。一般光谱仪在准确性 方面都具有很大优势，但价格昂贵且体积庞大，这使得其使用往往限于室 内的研究和应用工作。另外，更重要的是光谱仪无法直接给出波长变化对 应的电信号，这就给测量结果的显示、存储、分析以及实现实际工程应用 中所要求的自动控制、在线实时监测等方面带来了很大不便。 随着科学技术特别是信息技术的飞快发展，各种新型的光纤光栅解调 仪器解决了上述的部分问题，但还存在着接口类型比较单一，解调精度和 速度还不够理想等局限性。更为重要的一点是解调后的数据处理和显示任 务仍需将数据传送给上位机的应用软件来帮助完成，而这些都给现场的调 试和外场的实时在线监测带来了诸多的不便。 鉴于以上原因，设计开发一套有丰富接口类型，能适应网络需要，解 调速度快、精度高，携带方便，具有单独处理、显示、存储数据能力，且 人机交互界面友好的光纤布喇格光栅传感信号解调系统显得尤为重要，而 这正是作为专用计算机系统的嵌入式系统所能实现的优势所在。 本论文是在武汉理工大学光纤中心b g d 4 m 4 0 光纤光栅布喇格光栅解 调器的基础上进行的研究，主要任务是完成经过d s p 处理后的数字信号的 显示，存储，传输等功能，实现友好的人机交互软件。 3 1 2 功能需求 该解调系统在功能上应具有以下功能： 1 应该具有数据采集功能： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 能够得到对应光纤布喇格光栅波长变化的电信号参量，且能对之进行 必要的分析和处理。 2 应有友好的人际交互方式： 能够对系统中的相关参数进行设定；能够显示与光纤布喇格光栅波长 变化相对应的被测量的变化情况，并能按要求选择不同的显示方式。 3 应支持多种网络通信方式： 串行通信的方式和以太网通信方式，支持现场和网络化的工作模式， 实现远程在线监测。 4 应具有存储数据的功能： 保存必要的信息，方便记录和回放。 3 1 3 性能需求 系统在功能上具有以下需求： 1 准确性：应能满足实际应用时，波长分辨率、扫描速度、测量精度等方 面的要求，显示的处理后的数据与真实值基本一致。 2 可靠性：低功耗，能长时间稳定运行。 3 实时性：在数据采集处理过程中，能够实时显示对应光纤布喇格光栅波 长；对于远程主机的请求也能实时响应。 3 2 解调方法研究 在实际的工程应用中，光纤光栅传感器解调系统可以分为两个模块：光信 号处理模块和电信号处理模块。光信号处理模块主要跟踪分析传感光纤光栅中 心反射波长的变化，完成光信号波长信息到电参量的转换；电信号处理模块主 要完成将光信号处理模块转换而来的电信号进行运算和处理，形成数字信息， 提取出外界信息后，最后以用户熟悉、友好的形式输出显示。可知，光信号处 理模块是整个光纤光栅解调系统的核心部分，其很大程度上决定了解调系统的 精度，分辨率，可靠性和成本，对整个解调系统至关重要。但只有光信号处理 模块没有电信号处理模块解调出来的光信号也很难被识别和利用，无法反映外 界因素的变化程度，可见电信号处理模块在解调系统中也是相当重要的。 在前面一章中论述了四种光纤光栅传感器的解调技术，它们都是通过检测 波长的微小偏移达到解调目的的，但由于这些解调方法的原理各不相同，这些 武汉理工大学硕士学位论文 解调方法具有相应的优缺点。非平衡马赫曾德干涉法具有实现简单，宽带宽， 高解析度的优点，但该干涉法局限于动态应变的测量，对绝对的静态应变测量 不是很合适。可调谐激光器波长匹配的解调方法由于激光器的稳定性和可调谐 范围不是很理想，传感光栅的数目和使用范围在一定程度上受到了限制，而且 激光器对温度很敏感，这又在很大程度上影响了系统的测量精度。匹配光栅解 调法则设计结构简单，成本低，但受光纤光栅工作谱区的限制。相比匹配光栅 解调法，可调谐f p 滤波器则不受光纤光栅工作谱区的限制，总能够确保从光纤 光栅反射回来的光波都能被f p 腔检测到。不仅如此，这种解调方法还能够将波 长信号直接转换为电信号，灵敏度高，操作简单，具有很高的光能利用率和性 价比，特别适合工程和户外调试等场合下波长位移的检测。 综合考虑了体积、价格、灵敏度、操作以及是否适合用于户外场的工程应 用和调试等因素后，选取采用光纤光栅可调谐f p 滤波器解调技术作为专业的便 携式光纤光栅解调仪的解调方案，并以此选择在武汉理工大学光纤中心已有的 b g d 4 m 4 0 光纤光栅解调仪器的基础上作后续的深入研究。 3 3 硬件设计 3 3 1 硬件系统设计 该系统采用的解调方式是上面详细介绍了的可调谐法布里珀罗腔法，这种 解调方法的思路是对光纤布喇格波长的变化进行检测。整个系统的原理图如下 图所示。可调谐f p 腔的驱动电压由系统控制，由于实际输出的是数字信号， 所以需要通过d a 进行数模转换，将数字信号的电压转换为模拟电压，从而达 到驱动压电陶瓷调节f p 的腔长。同时，系统将记录与经过光电转换后检测到 的电脉冲信号时对应的电压值，并用来计算中心波长，最后根据被测量与中心 波长的对应关系计算出被测物力量的大小。另外，还可以手动设置外部信号发 生器来产生驱动信号，同时利用同步信号同步的方法来实现解调。 如前所述，本研究是在b g d 4 m 4 0 基础上所作的研究，硬件设计的主要任 务是完成图3 1 中虚线框内的功能，主要包括1 0 1 0 0 m 自适应以太网控制器， 用来进行t c p i p 通信；外扩展u s b 控制芯片，指出u s b 接口连接；外扩键盘 控制芯片，实现键盘输入；l c d 控制器，实现数据的显示；触摸屏接口，实现 触摸输入等。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 主要包括1 0 1 0 0 m 自适应以太网控制器，用来进行t c p i p 通信；外扩展 u s b 控制芯片，指出u s b 接口连接；外扩键盘控制芯片，实现键盘输入；l c d 控制器，实现数据的显示；触摸屏接口，实现触摸输入等。 光纤布喇格光栅 3 3 1 嵌入式处理器的选型 图3 - 1 系统原理图 嵌入式系统的硬件核心是嵌入式的微处理器。针对不同的领域，微处理器 都有各自的特点，比如处理速度快，功耗低，性能稳定等，同时还要考虑其性 能，开发难易程度，开发成本等很多因素。 结合上面的应用需求，功能需求，性能需求，同时考虑到市场成本，可靠 性和实用性等客观情况，我们选用了三星公司生产