（通信与信息系统专业论文）光纤光栅解调仪表的研究.pdf

摘要 随着物联网的兴起，其传感层、网络层、应用层的需求越来越紧迫，特别 是其核心的传感层，需要对目前的技术大幅升级。在一些特殊的领域，传统的 传感已经不能满足要求，需要更合适的传感器与解调系统。 光纤传感与传统的电传感相比，有无电传感、无电传输的独特优点，使其 具备了不受电磁干扰、本质安全的性质。在石油石化、交通隧道、特殊场合的 周界安防等领域有着不可替代的作用。这其中光纤光栅传感又是目前研究的重 点，其不仅能感知温度，还能制作成各种封装感知应力、应变、加速度、张力 等物理量，打破了之前光纤传感使用的局限性，具有非常的广泛的应用前景。 本文对目前光纤光栅传感的系统做了总体的介绍，并在此基础上设计了一 种光纤光栅解调仪表。首先对系统需求做分析，讨论何种设计能满足需求，对 仪表电路的整体机构与具体参数进行了详细计算与理论分析，并对实际电路给 出了测试结果。 在设计的过程中，特别的对光纤光栅解调仪表中光谱密度不平衡的问题做 了深入的探讨，提出了解决方案。设计了几种光电转换电路，进行了理论计算， 给出了测试结果。测试结果表明，整个仪表完全满足设计需求。 关键词：f a b r y p e r o t 腔光纤光栅解调 a b s t r a c t w i t ht h er i s eo ft h ei n t e r n e tc o m e m ，t h es e n s o rl a y e r ，n e t w o r kl a y e r ，m o r ea n d m o r cp r e s s i n gn e e d so f t h ea p p l i c a t i o nl a y e r ，e s p e c i a l l yi t sc o r e s e n s o rl a y e r ，n e e dt o t l l ec u n e mt e c h n o l o g yg r e a t l yu p g r a d e i ns o m es p e c i a lf i e l d ，t h et r a d i t i o n a ls e n s i n g h a v ea l r e a d yc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，n e e dm o r ea p p r o p r i a t es e n s o ra n d d e m o d u l a t i o ns y s t e m o p t i c a l f i b e rs e n s i n ga n dt r a d i t i o n a le l e c t r i c i t y t h a ns e n s o r , h a v ew i t h o u t e l e c t r i c i t ys e n s i n g ，w i t h o u tp o w e ro ft r a n s m i s s i o nu n i q u ea d v a n t a g e s ，m a k ei t sn a v e n o ta f f e c t e db ye l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，t h ee s s e n c eo f t h en a t u r eo ft h es e c u r i t y i i ld e t r 0 1 e 哪a n dp e t r i f a c t i o n ，t r a f f i ct u n n e l ，s p e c i a lo c c a s i o n ss u c ha st h ep e r i m e t e r s e c u r i t v 砌e ah a st h er o l et h a tc a n n o tb er e p l a c e d t h i so n e f i b e rg r a t i n gs e n s o ri st h e f o c u so ft h ep r e s e n tr e s e a r c h , t h e yn o to n l yc a l ls e b s ea t e m p e r a t u r e ，s t i l lc a i lm a k e a l l k i n d so fp a c k a g i i l gp e r c e i v e ds t r e s s ，s t r a i n , a c c e l e r a t i o n ，p h y s i c a lq u a n t i t i e ss u c ha s t e n s i o 皿b r e a “n gt h eu s eo fo p t i c a l f i b e rs e n s i n gt h el i m i t a t i o n so fb e f o r e ，h a v e t h ev e r yw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r e s e n tf i b e rg r a t i n g s e n s o rs y s t e md ot h eo v e r a l l i i t t r o d u c t i o m 觚db a s e do nt h i s ，d e s i g nak i n do fo p t i c a lf i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o n i i l s t n 】m e n t f i r s tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t sf o ra n a l y s i s ，w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n d t o d i s c u s st h ed e s i g no ft h ew h o l eo r g a n i z a t i o na n di n s t r u m e n t c i r c u i ts p e c l t l c p 猢e t e r sf o rt h ed e t a i l e dc a l c u l a t i o na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，a n dt h ep r a c t i c a l c i r c u i tt e s t i n gr e s u l t sa leg i v e n i nt h ed e s i g np r o c e s s ，s p e c i a lo ff i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o ni n s t r u m e n to f p r i d b l e mo ft h ei m b a l a n c eo fs p e c t r a ld e n s i t ym a d et o ，t h i sp a p e rp u t sf o 刑a r dt h e s o l u t i o n s s e v e r a lp h o t o e l e c t r i cc i r c u i td e s i g n ，n o to n l y h a v et h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n dt e s tr e s u l t s t h e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee n t i r e i n s t r u m e n t c o m p l e t e l ym e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d ：f a b r y - p e r o t f i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 光纤光栅传感应用的现状 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l 及其合作者首次从接错光 纤中观察到了光子诱导光栅。h i l l 的早期光纤是采用4 8 8 n m 可见光波长的氛 离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了 光栅。后来m e l t z 等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧 面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1 9 8 9 年，第一支布拉 格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1 9 9 3 年h i l l 等人提出了位相 掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1 级衍射光形成的干 涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光 栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1 9 9 3 年a l k i n s 等人采用了低温高 压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的 制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依 赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤它还大大提高了光致折变量( 由 1 0 5 最大提高到了1 0 2 0 这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。 光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器 具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好 的兼容性等优点，所以现在越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对应力应 变和温度的变化敏感，所以现在主要用于温度和应力应变的测量。这种传感器 是通过外界参量( 温度或应力应变) 对b r a g g 光纤光栅的中心波长调制来获得传 感信息的。因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求 低，适合作精密、精确测量。光纤光栅传感器现已占以光纤为主的材料的4 4 2 。现在光纤光栅传感器已被用于各个方面，例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、 机场、船舶、地球技术、铁路、油或气库的监测。现在传感器的一个发展方向 就是多点、分布式传感器，它们主要是利用w d m ，t d m ，s d m ，c d m a 的组合。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 光纤光栅概述 光纤光栅与平面光栅一样，也是一种周期性改变折射( 或透射) 率的光 学元件，只不过其改变处于光纤的纤芯中，常见的光纤光栅是利用光纤材料的 光敏性，利用一些制备成栅方法在纤芯形成折射率周期性的变化，从而改变光 原有的传输路径，使光的方向和传输区域发生改变，相当于在光纤中形成一定 宽度的滤波器或反射器。 光纤光栅按结构的空间分布是否均匀可分为周期性光栅和非周期性光栅两 类。周期结构器件制造简单，其特性受到限制；非周期结构制造困难，其特性 容易满足各种要求。光纤光栅从功能上课分为滤波形光栅和色散补偿型光栅两 类，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅。光纤光栅从本质上讲是 通过波导与光波的互相作用，将在光纤中传输的特定频率的光波，从原来前向 传输的限定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传输的限定在包层或纤芯中的模 式，从而得到特定的透射和反射光谱特性。即在光纤中形成一定宽度的滤波器 或反射器。 均匀光纤光栅分为光纤布喇格光栅、闪耀光纤布喇格光栅和长周期光栅。 非均匀奏起光纤光栅分为啁啾光栅、相移光纤光栅、莫尔光纤光栅、切趾光纤 光栅和超结构光纤光栅。 一、均匀周期光纤布喇格光栅 目前的光纤光栅制作技术，多数情况下生产的都属于均匀周期光纤布喇格 光栅。如最早出现的全息相干法和广泛应用的相位掩模板复制发，都是在光纤 的曝光区利用紫外光形成的均匀干涉条纹，在光纤纤芯上形成类似条纹结构的 折射率变化，其折射率分布为： 心细t + a n 棚s ( 妥z ) 1 ) 其折射率分布如图1 - 1 ： 图1 - 1 ， 武汉理工大学硕士学位论文 均匀周期光纤布喇格光栅可以将以某波长为中心一定带宽光的选择性的反 射，它可以作为激光器的外腔反射镜，制成光纤光栅外腔半导体激光器。 二、线性啁啾光纤光栅 线性啁啾光纤光栅是一种折射率调制幅度不变，周期沿光纤轴向变化的光 栅，其折射率分布为： 一一 疗( z ) = - + 刀何( z ) 1 + 矿c o s 二z i , z + 妒( z ) 】 ( 1 2 ) 、 式中：a n 哪( z ) 为有效折射率；v 为折射率变化的条纹可见度；缈( z ) 描述光 栅的啁啾，其可以理解为将中心波长不同但逐渐变化的均匀周期光纤布喇格光 栅串接起来，其折射率由疏到密逐渐变化。 三、切趾光纤光栅 切趾光纤光栅的周期是均匀的，折射率随一定的函数关系呈一个钟形包络 变化，典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽形 函数、柯西函数等，如升余弦函数的包络函数可表示为： 蛳( z ) 2 三1 刀耐( o ) 1 + c o s ( f w “h “m ) ( 1 - 3 ) 式中：f w h m 为切趾光纤光栅的半峰宽度，其值在1 5 n m 1 0 n t o 左右。这 种光栅的两端的折射率逐渐递减至零，消除了折射率的突变，从而使其反射谱 不再有旁瓣。 四、莫尔光纤光栅 莫尔型光纤光栅的折射率分布可表示为： 刀( z ) ：斛刀哪( o ) s i n ( 孕z ) c o s ( 孕z ) ( 1 4 ) l八 其折射率变化在均匀周期光纤布喇格光栅的基础上海受到一个正弦因子的 调制，从而导致其反射光谱具有带通性。利用莫尔光纤光栅可以制成带通或梳 状滤波器。 五、长周期光纤光栅 顾名思义，长周期光纤光栅是指光栅的周期远远比普通布喇格光纤光栅周 期长的一种光纤器件，可以达到几百微米，而一般布喇格光纤光栅的周期不到 一微米。布喇格光纤光栅的光学性质是是基于光纤反向模式之间的谐振耦合而 实现的，而长周期光纤光栅的光学性质则是基于光纤内满足相位匹配条件的同 向模式之间的谐振耦合。因此，与布喇格光纤光栅相比具有很多显著不同的特 点。【2 】 武汉理工大学硕士学位论文 本文研究的的解调仪表只针对于基本的均匀周期光纤布喇格光栅或者切趾 光纤光栅，这两种光纤光栅的光学性质基本相同，切趾光纤光栅消除了旁瓣， 作为传感应用，更为合适。下文中如无特别说明，所述光纤光栅都特指以上两 种光纤光栅。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章均匀周期光纤布喇格光栅解调基本原理 2 1 均匀周期光纤布喇格光栅简介 本文主要讨论的是光纤光栅解调系统，但问了更好的说明其工作原理，有必 要对光纤光栅做简要介绍。 光纤布喇格光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯中形成折射率周期性的变 化，从而改变光原有的传输路径，使光的方向和传输区域发生改变，相当于在 光纤中形成一定带宽的滤波器或反射器( 镜) 。 辫豢笺蒺誊j 黉i 瀚蒸i 溪j 霪繁? 颦参j 蒸 | ju 爱豫i i 。豢瓤妻誊。j 誊荔鬻嚣篱爨簿囊i 篓豢篓j 薹。i 蠹! _ ：囊? 鍪谶i 笺毒爱薹i 卜a 一 图2 - 1 ：光纤光栅结构 图中纤芯部分的明暗条纹代表了射率周期性的变化，经过计算可以得到光纤 光栅的谐振条件： a g = 2 以形a ( 2 - 1 ) 式中：，z 彰为光纤光栅的有效折射率，人为光栅周期。 当一束光进入布喇格光栅后，对满足布拉格条件的光会产生反射，九g 即为 光栅反射波的中心波长。即可以理解为光纤布喇格光栅为一个波长选择性的反 射镜。如果射入光为宽带光，其反射的将是一个窄带光，透射性质就是一个陷 波器。【3 】 图2 - 2 ：光纤光栅光学特性 武汉理工大学硕士学位论文 外界环境温度，压力的变化都会使厅形和人发生变化，从而使光纤光栅反射 光的中心波长发生偏移，由此可以检测反射光中心波长的偏移量可以间接测算出 很多物理量的变化。 比如在温度传感中，每摄氏度的温度变化对应1 0 个p m 的波长变化。在应 力应变传感中，1 个微应变对应1 个p m 的波长变化。基于应力应变的原理还可 以设计出多种物理量的传感器。 光纤布喇格光栅的反射带宽经过理论计算后可以求证为0 5 n m 左右，计算过 程比较复杂，也不是本文讨论的重点，这里从略。【3 】 2 2 光纤光栅的解调 光纤光栅解调的目的就是通过测量反射光中心波长的偏移量换算出对应的 物理量的变化值。测量反射光中心波长的偏移量可以探测透射谱，也可以探测 反射谱，由于探测透射谱需要在光纤的两端布设设备，在工程实施上不现实， 所以目前的研究都是探测反射谱。探测变化量的依据当然是当前值，所以解调 系统中，必须有对当前值的记录功能。【3 】 2 3 f a b r y - p e r o t 腔工作原理 f a b r y p e r o t 腔，是一种光可调谐滤波器。可以把f a b r y p e r o t 腔看做是一个 窄带滤波器，在一定波长范围内，如果一宽带光入射到f a b r y p c r o t 腔，则只有 满足相干条件的特定波长光才能通过。 工业化的f a b r y p e r o t 腔基本由两个平行的高反射镜构成，两块镜面相对， 一块固定，一块贴附在压电陶瓷上。给压电陶瓷加上不同的电压，压电陶瓷产 生伸缩，带动一个高反射镜的移动，从而改变f a b r y p e r o t 腔的腔长，对应特定 腔长只有特定波长的光才能通过，当光纤光栅反射波的中心波长与f a b r y p e r o t 腔的透射波长重合时，光纤光栅反射最大光强。由于加在压电陶瓷上的电压对 应f a b r y p e r o t 腔的腔长，f a b r y p e r o t 腔的腔长对应光纤光栅反射波的中心波长， 这样电压与光纤光栅反射波的中心波长建立了对应关系。通过对电压的处理就 能获得外界物理量的信息。 同时，f a b r y p e r o t 腔有一个特点，其加在压电陶瓷上的电压与腔长的确成 线性关系，同时f a b r y p e r o t 腔的腔长与其透射谱的中心波长成线性关系，但 是指定的电压在不同的温度等外界环境条件下不对应确定的透射波长，在应用 6 武汉理工大学硕士学位论文 中需要实时的调节压电陶瓷上的电压。 s l 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章光纤光栅解调系统的构成 光纤光栅解调经过近年的发展，方案已经日趋成熟，主要功能框图如下： 图3 - 1 ：经典光纤光栅解调系统框图 光源驱动电路驱动光源发出宽带光，同时c p u 控制d a c 发出不同的电压 加在f a b r y p e r o t 腔上，根据电压信息检测光纤光栅的反射光，获得电压与反射 光的对应关系，得到当前光纤光栅的波长值，如果电压与成线性变化，那么 f a b r y p e r o t 腔的透射光谱也将于时间成线性变化，这其实是将光谱在时间上展 开了。当然对于实际的应用系统上面图实在太简单，有很多问题都没有考虑到。 详细的介绍在后文中涉及到的地方描述，这里只给出一个基本的概念。 3 1 研究设计需求 本研究将设计一型基于光纤光栅传感器的油管温度监测仪表。满足1 5 万方 油罐3 米间距一个传感器的单罐单表应用。 配套设备主要包括火灾报警控制器( 或p l c ) 和上位机。 火灾控制器( 或p l c ) 的连接使用继电器干接点，提供3 个独立的干接点， 分别为1 个预警、1 个火警和1 个故障。 与上位机的连接采用r s 4 8 5 接口，m o d b u s 标准协议。传递的信息中应包 含当前各传感点的温度值、火警、预警、故障信息。并且能够通过此端口设定 仪表参数，如标准具波长，定位光栅波长，火警、预警值，屏蔽通道设定，当 前温度的标定。 操作面板功能使用显示屏与按键配合实现。 操作面板应该能够实现与上位机通讯时同样的功能外，还应该可以显示各 武汉理工大学硕士学位论文 个传感点的当前波长，标准具和传感点的计数值，设定仪表地址，给出诊断信 息。关于传感器的报警、预警和故障信息应该有醒目的显示。 温度分辨率0 1 ，测量精度1 。 3 2 仪表系统设 明确了任务需求，就能够对整个系统做出划分，并明确各分系统的功能指标。 由于本系统使用的是1 3 0 0 n m 波段的技术路线，光源宽度为4 0 n m ，以光纤 光栅自然状态的k 值l m 。c ，上下留出1 0 0 。c ，即l n m 的宽度，一个通道上 只能串联2 0 个光纤光栅传感器。实现1 5 万方油罐3 米间距一个传感器，需要6 个通道。 温度分辨率o 1 ，决定了本仪表的传感精度是l p m 。 综上所述，光纤光栅火灾探测仪表的系统由以下几个部分组成：光路，前端 光电转换电路，f a b r y p e r o t 腔驱动电路，s l e d 驱动电路，计算机处理，人机界 面。以下将分别作介绍。 3 2 1 光路 光纤光栅火灾探测仪表经过多年的发展，光路部分基本形成成熟的模式，其 主要思路不变，将通道数扩展，并且将必要的比较与参考通道流出，即可得到 如下的解调系统光路图： 9 武汉理j 【大学硕士学位论文 图3 - 2 ：本系统光路 l o 武汉理工大学硕士学位论文 这个图与图3 1 原理是一样的，只是通道变多了。光源发出宽带光，经过 f a b r y p e r o t 腔后，变成窄带光，经过分路器射出仪表，到达现场传感器，传感 器返回特定波长的光，回到仪表内，由光电转换电路检测。同时还有标准通道， 定位通道和光功率检测通道。 标准通道，定位通道和光功率检测通道的作用将在后文介绍。需要说明的是， 带通滤波器和窄带滤波器，标准具都是透射器件，不会反射光，所以可以利用 传感通道的分路器分支。 当驱动f a b r y p e r o t 腔的电压线性变化的时候，f a b r y p e r o t 腔滤过的光谱也 成线性变化，这样可以分时检测多个波长的传感器。 3 2 2f a b r y - p e r o t 腔驱动电路 3 2 2 1f a b r y - p e r o t 腔驱动电路结构介绍 f a b r y p e r o t 腔驱动电路的稳定性决定了整个仪表的精度和稳定性，在本 仪表中f a b r y p e r o t 腔的驱动电压是一个三角波。特别的在三角波的上升沿是对 传感器检测的时间，与这段时间同步的是c p u 的定时器。系统本身并不实时的 检测f a b r y p e r o t 腔的出光波长，只是通过定时器的值对波长做出判断，也就是 说对于f a b r y p e r o t 腔的出光波长与定时器计数值之间是个开环。如果三角波不 稳定将会与定时器计数值之间产生偏差，带来计算结果的不稳定。下面在给出 电路的基础上做详细分析。 1 0 u c 1 x 1 图3 - 3 f a b r y - p e r o t 腔驱动电路 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 首先三角波的发生环节这里选用了a d i 公司的高精度低成本低功耗的d d s 芯片a d 9 8 3 3 ，其在外部晶振与c p u 的控制下，能够输出稳定的o 1 h z 到2 5 m h z 波形，内部d a 精度为1 0 位。它本身可以输出三角波，方波与正弦波，这里只 用到三角波。采用d d s 作波形发生器，对应于模拟波形发生器或者m c u 直接 驱动d a c 做波形发生主要的优点是频率稳定度高，输出波形光滑纹波小，同时 d d s 可以独立工作，只需要在启动时输入参数即可，如果要改变频率、波形， 相应的编程简单。 控制a d 9 8 3 3 的是s t c l 5 f 1 0 0 ，它是一款低成本小封装，片内振荡器基于 8 0 5 1 内核的国产单片机，在启动时对a d 9 8 3 3 做初始设置，使a d 9 8 3 3 正常工 作即可。 a d 9 8 3 3 的工作方式非常简单，采用s p i 总线控制，设置它的主要寄存器即 可使之工作。 图3 - 3 ：a d 9 8 3 3 功能框图1 4 1 可以看到，a d 9 8 3 3 有2 个2 8 位的频率寄存器，2 个1 2 位的相位寄存器。 运行时可以通过控制寄存器设置任意一对工作。频率寄存器对外接晶震分频得 到需要的频率。【4 】 如需要对频率寄存器0 设置为o x f f f c o o o h 可以对芯片写入如下值： 武汉理工大学硕士学位论文 表3 1 ：a d 9 8 3 3 命令字 输入数据输入后的结果 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0控制寄存器写入 ( d 1 5 , d 1 4 = 0 0 ) ，b 2 8 ( d 1 3 ) = 1 ，h b l ( d 1 2 = x ) 0 1 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0频率寄存器0 写入 ( d 1 5 , d 1 4 = 0 1 ) 1 4 l b s s = 0 x 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 l 1 1 1 1 1 1 1 1频率寄存器0 写入 0 9 1 5 ，d 1 4 = 0 1 ) ，1 4 m b s s = 0 x 3 f f f 设置后就能发出一个需要频率的三角波。 参考数据手册，s t c l 5 f 1 0 0 中程序见附录1 ： 程序非常简单，只是对d d s 写数。这里设置d d s 输出波形为2 h z 的方波。 a d 9 8 3 3 输出的最高电压为0 6 5 v ，需要对这个信号处理以得到合用的波形。 本系统选用的f a b r y p e r o t 腔的一个f s r ( f r e es p e c t r u mr a n g e 自由光谱范围) 为5 0 n m ，其对应的电压为1 0 - 1 5 v 不等。同时这个电压是周期循环的，不能预 知其循环的启始点，所以要预留出两个周期以上的范围，以保证在此范围内至 少能有一个完整的周期。综上所述，需要这个三角波的峰峰值在1 0 1 5 v 可调， 同时其活动范围要 3 0 v 。 结合电路图，a d 9 8 3 3 输出的三角波首先进入一个由u 31 构成的二阶低通 滤波器，d d s 输出的波形已经非常稳定，但其内部d a c 只有1 0 位，在数据转 换的瞬间会出现一个不想看到的细微抖动，这个低通滤波器很好的滤除了这个 抖动。波形经过滤波器后峰峰值成为1 5 v 。 1 5 v 的三角波往后经过u 3 3 放大变成峰峰值为3 v 的三角波，这个信号在 整个仪表的其他部分有用处，将在下文介绍。 同时1 5 v 的三角波经过u 3 - 2 组成的微分电路，变成一个与三角波同步的 方波信号，这个信号是给c p u 的同步信号，以通知c p u 三角波的起始点。因为 微分后的方波既有正电压，也有负电压，所以在输出端附加一个二极管，以截 去负半周，直接将负电压输出给c p u 会使其管脚烧毁。 1 5 v 的三角波经过u 3 4 进一步放大为2 5 v 后，就进入高压调理环节。 首先2 5 v 的三角波进入u 4 j 放大，u 4 - 1 的反馈回路上使用了一个电位器 p 1 ，得到一个最小3 v ，最大5 5 v 的信号，进入u 43 的正向端。u 42 构成一 个电压跟随器维持一个固定的电压7 5 v ，进入u 43 的倒向端。u 43 构成一个 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 减法器，其正向反馈深度是3 ，倒向反馈深度是2 ，在u 43 的输出端可以得到 一个峰峰值9 1 5 v 可调，底部在1 5 v 的三角波。 在u 51 构成一个电压跟随器，其前端是o 3 v 可调的直流电压，此处使用 电位器p 2 调节电压，在实际中将会由c p u 驱动d a c 给出此电压。经过u 44 放大后得到一个0 - 1 9 v 的可调电压。这个电压与调理后的三角波同输入u 52 ， 构成加法器，输出给f a b r y p e r o t 腔。 这样，得到了一个峰峰值9 - 1 5 v 可调，同时其活动范围 3 0 v 的三角波。 由于f a b r y p e r o t 腔在电路中等效于个接近3 1 a f 的电容，在最后的输出中使用 了r 3 0 做隔离电阻环外补偿，使运放与输出隔离，以更好的驱动f a b r y p e r o t 腔。 至此可以得出整个电路的数学模型。 v v p p o 6 5 x ( 去+ 1 ) ( 急+ 1 ) ( 警+ 1 ) ( 鲁+ 1 ) 一1 8 ( 土+ 1 ) 塑+ 1 2 上( 坐+ 1 ) ( 3 1 ) 、r 1 7 + r 1 8r 2 0r 2 3 + 尸2 、 r 2 6 代入实际值得到三角波的上峰值为： v r p p v = 7 5 a t 1 5 + v o a 么蹦( 3 - 2 ) 三角波的下峰值为： v p p p o = - 1 5 + 彳蹦( 3 3 ) 其中： a t ：坐塑+ 1 ( 3 4 ) 尺1 4 ：1 2 上l( 3 5 ) 尺2 3 + p 2 a d a = ( r 2 7 + p 3 ，+ 1 1 ( 3 6 ) k 2 6 三角波的峰峰值为： v f p p p ：v f p p ( ，一v p p p o 二7 5 a t( 3 7 ) 3 2 2 2f a b r y p e r o t 腔驱动电路的功耗 前文已经给出f a b r y p e r o t 腔驱动电路的电路图，在选择了了器件型号后， 都可以方便的从数据手册中查到其工作电流，主要需要注意的是提供给推动 f a b r y p e r o t 腔作三角波运动的电流。f a b r y p e r o t 腔的等效电路是一个3 1 a f 的 电容，推动它做峰峰值为16 v 的三角波运动需要多大的电流呢? 从基本的物 理本质上都可以想到，随着频率的升高，驱动电流将成几何倍数的增大。但还 武汉理工大学硕士学位论文 是有必要专门讨论一下在设计阶段，如何确定驱动电流。 基本的思路是先对峰峰值为1 5 v 的三角波做傅里叶变换，计算出各个正旋 分量分别驱动f a b r y p e r o t 腔所需的能量，然后叠加。 图3 - 4 ：周期为t 的三角波 众所周知，如图三角波的傅里叶级数展开式为： f ( t ) = 詈+ 等( c o s 咐扣3 皑r + c o s 5 q f + 可1c 。s 7 q f + 古c 。s 9 q ，+ ) ( 3 - 8 ) 在本例中 以：堡：型：1 2 5 6 ( 3 9 ) 以= 一= 一= l ) 0 k j y ， 2 i 0 5 ：1 5 ，笔：6 0 8 5 万 驱动电容的电路中直流分量只在启动时起作用，进入稳态后直流电压分量 就不再贡献电流，所以我们只计算交流分量的值。其中基频，3 次、5 次、7 次、9 次、1 1 次谐波分量分别是6 0 8 5 c o s l 2 5 6 t 、0 6 7 6 c o s 3 7 6 8 t 、0 2 4 3 c o s 6 2 8 t 、 0 1 2 3 c o s 8 7 9 2 t 、0 0 7 5 c o s l l 3 0 4 t 、0 0 5 c o s l 3 8 1 6 t 依次类推，并计算出这些 电压分量作用在3uf 电容上产生的电流。 j 。= 上 ( 3 1 0 ) 粥 计算详细结果见附录2 。 各分量图表如下： 1 6 r 刨卡- 6i _ 一 5 卜 4 卜 3 卜 2i 1 l 一 1 1 0k 一 一。 蜮 o a ) ( ) 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 5 0 蝴 o 0 0 1 o a 加8 0 0 ( ) ( ) 6 0 0 m 0 a x ) 2 0 各洳战兢压分量 皇昌b - 高墨篁b - 望至重墨蠹奏氮磊氮暑b - 裂l c 器重爱襄 t 畿岗突毁 图3 - 5 ：各次谐波电压分量 徽鬣炙毪挑 “ 高；毫琵蚕三至至戛氮戛蚕蚕蚕蚕毳磊 蚕 i 鬣身燧 图3 - 6 ：各次谐波电流分量 隧丘崮皮嘞喇曼浙浙口 “高荨g 高酉蔓至量蚕蚕蠢嚣蚕蚕琴奏委蚕 t 黝数 图3 7 ：各次谐波电流总和分量 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 计算出3 9 9 次谐波电压后，其电压峰值为基波电压的1 0 巧级，也可以认为， 放弃更高频的谐波分量，对波形造成的失真率不会超过1 0 ，这么高的要求是 有意义的，在整个解调范围内又4 0 n m 的带宽，同时需要解调精度达到l p m ， 即系统允许失真率就在1 0 。5 级，三角波如果有更大的失真，带来的是解调数据 的不可信。 计算出3 9 9 次谐波电流后得出总电流总和不到l m a ，当然这是正旋波的 有效值，其峰值是需要乘上2 的，这也是一个小的可怜的值，不需要特别的 处理，所以电源设计变的很简单。 值得注意的是，这里所讨论的设备，驱动f a b r y p e r o t 腔是一个2 h z 的低 频三角波，如果频率上升，电流将显著增大，如果三角波的频率为1 0 0 0 h z ， 驱动电流有效值将会到达4 0 0 m a 以上，如果三角波的频率为5 0 0 0 h z ，驱动电 流有效值将会到达2 0 8 a 以上，其峰值会在3 6 a 以上，这时候电源与放大电 路的设计就不能那么随意了，需要选择功放型电路，不然波形会出现严重的失 真。 3 2 2 3f a b r y p e r o t 腔驱动电路关键器件选型 在此电路中，d d s 输出波形微弱，易受干扰，并且其带驱动能力十分有限， 其小信号放大需要选择与其共电源，输入阻抗高，失调电压小的运放，这里u 3 选择t l v 2 2 7 4 能够较好的满足需要。 二级运放需要一个宽电压范围，由于是低频系统，对运放的要求不高，所以 u 4 选择廉价常见的l m 3 2 4 。 最后的驱动级，需要驱动等效电路为大电容的f a b r y p e r o t 腔，为配合更高 频率的应用，需要有提升驱动电流的空间，这里选择t l e 2 0 8 2 。 3 2 2 4f a b r y p e r o t 腔驱动电路使用效果 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 8 ：f a b r y - p e r o t 腔驱动电路使用效果 图中两个上三角波为图3 3 中u 31 输出的三角波，下三角波为加在 f a b r y p e r o t 腔上的三角波，可以看到波形平稳，实现了设计初衷。 与三角波同步的方波为3 3 中d 1 输出的波形，可以看出实现了同步方波的 发生。 3 2 3s l e d 驱动电路 3 2 3 1s l e d 驱动电路结构 s l e d 驱动电路主要功能为驱动s l e d 稳定发光，可以分为两个主要的部分， s l e d 的发光驱动电流和为其恒温的t e c 电路。此外与一般光纤光栅f a b r y p e r o t 腔解调方案不同的，这里的发光驱动电路引入了光反馈，在此章节中详细介绍。 s l e d 恒温t e c 电路： 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 9 ：s l e d 恒温t e c 电路【5 】 恒温电路是依据s l e d 内部的热敏电阻测量其管芯温度，控制t e ，使s l e d 内部管芯温度恒定，因为s l e d 的发光强度与其管芯温度息息相关，温度上升 发光强度会迅速减小，温度降低发光强度又会加大，所以管芯温度控制的精度 决定了系统的稳定性。 这里选用a d i 公司的专用t e c 恒温芯片a d n 8 8 3 1 ，它通过简单的电阻电容 设置t e c 所需的参数，温度控制精度达到0 1 。通过其提供的t e m g d 管脚 可以使用l e d 方便的观察恒温状态，同时此状态也能通知c p u ，以方便在线故 障检查。 结合本s l e d 厂家提供的资料，设置管芯温度为2 5 。其内部的热敏电阻 在2 5 时为1 0 k f 2 。 t e c 制冷最大电压： 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 v r ：v p , e f xe l ：2 5 x 1 0 ：1 2 5 v(一11tecc o o lj - ) = 一= 一= lj 月l + r 21 0 + 1 0 t e c 加热最大电压： 阮。删7 ；v r e c 。僦一i s z u x r l i i r 2 ：1 2 5 v 一堕业：1 2 y ( 3 1 2 ) 其中：i s m k ：堕= 一1 2 5 ：一1 2 5 心r e q r s11 8 t e c 制冷最大电流： 墨! 墨! 2 5 1 2 5 i r e c ，捌r ，僦：v i l l m c - - 1 2 5 ；基4 基：二二：= ：0 0 2 彳( 3 1 3 ) 2 5 x r s e n s 职2 5 l o t e c 加热最大电流： 1 。 。25 1 j ，：2 5 - 1 , 5 u 射7 - t ：一io d 鱼出盐一x x,d一：0tecm a xh e a tu u ，、2 a - ( 3 1 4 ) f ， = 一= 0 4 。三一o j “一= z k j - l q ， 2 5 x 冠姬凇职2 5 x 1 0 其中：r s e n s e r = 1 0 k f 2 可以看出，本系统需要的电流并不大。 s l e d 的发光驱动电路： 光源的驱动电路，最简单的情况只需要给定s l e d 一个稳定的直流即可。如 下图： 图3 - 1 0 ：简易的s l e d 驱动电路 q 1 、- 在此电路中采用电流反馈。通过电阻r 2 、r 3 分压稳压管d 1 电压，输入运 放的正向端。运放输出端接三极管q 1 ，扩大输出电流。输出电流经过s l e d 后 流经电阻r 5 得到一个电压，此电压反应了流过s l e d 的电流，加载运放的倒向 端。这样形成了一个电流负反馈。r 2 、r 3 分压得到的电压值是换算后流经s l e d 的电流值。 在这个电路中，电流值是事先指定的，虽然通过改变r 2 、r 3 的分压比可以 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 获得不同的驱动电流，但电路一旦工作电流就固定，不可能再实时调节。 现在面临一个问题，s l e d 的发光谱密度成高斯分布，远离中心波长的谱密 度小，中心波长的谱密度大，通过加大驱动电流，虽然可以使整体光强加大， 但由于高斯分布的特点，远离中心波长的谱密度和中心波长的谱密度在这种情 况下差别也会更大。 为了充分利用光源的谱宽范围，作为传感器的光纤光栅覆盖光谱范围也较 大，一般为2 0 个传感器，间隔2 n m ，一共覆盖4 0 n m 。虽然s l e d 光源虽然其 覆盖光谱范围宽，3 d b 带宽可以达到4 0 n m ，由于现有制造工艺的限制，s l e d 的发光中心波长离散性非常大，一般指标中心波长1 5 n m 都算合格，这样更加 重了问题，造成靠近两端的光谱密度迅速减小，以至于无法胜任正常的传感需 求。所以必须对s l e d 的恒流驱动电路进行改造。 光纤光栅解调系统中，最直接的量是出光光强。只需要指定一个恒定的出 光光强，就能满足系统的需要。所以应该构思一个光反馈的方案。 光反馈，自然需要光的反馈通道。在有些高档的s l e d 管中，本身就带有 背光光敏管，可以直接使用，但其一般价格昂贵。同时其背光是在管芯内安装， 不能完全代表出光功率。并且其反应的光强是s l e d 整个光谱范围内的光强， 不能作为光谱密度的指标。为了解决这一问题，在s l e d 管外引出光反馈通道 更为合理。 综上所述系统框图做如下更改： 图3 - 1 1 ：基于光反馈的系统框图 在此设计中将仪表发出的光返回一部分作为判断当前光强的依据，因为其 直接从分路器的后端引出，与探测通道是并列的，其光强能够直接反映探测器 通道的光强，不仅稳定可靠，在设计电路时也便于计算。将光反馈的强度通过 光电转换电路与光源驱动电路相结合，就能通过反馈理论指定出光光强，由于 武汉理工大学硕士学位论文 在任意时刻，整个系统发出的都是窄带光，其反馈光也必然是窄带的，在整个 使用范围内，其光谱密度必然均匀。 为了实现上述功能，设计了基于光反馈的s l e d 驱动电路： 图3 - 1 2 - 基于光反馈的s l e d 驱动电路 这个电路同样使用电阻r 2 、r 3 分压d 1 决定了一个电压输入运放a 1 的正 向端，注意此时输入正向端的电压对应的是出光光强，与s l e d 的驱动电流无 关。 a 1 的反向端是一个经典的光电检测电路，光敏管p i n 与运放a 2 组成跨阻 放大，再经过运放a 3 进一步放大得到个与光强对应的电压。此电压输入运放 a 1 的倒向端。在运放a 1 正常工作下，其正向端与倒向端即设定值与反馈值相 同。这样就稳定了输出光强，不论是何种光谱，其出光功率是相同的。 电路中r l l 是s l e d 的限流电阻。如果出光光谱在时间上线性变化，测量 r l l 上的电压，会发现在时间轴上成反高斯分布。 作为实际工作的电路仅仅做出上面的定性分析是不够的，必须考虑到很多实 际应用的情况，下面给出实际工作的电路，并分析。 武汉理工大学硕士学位论文 1 k7 0 k 图3 - 1 3 ：基于光反馈改进的的s l e d 驱动电路 在图中加在运放a 6 正向端的有三个电压，组成一个加法器。 其中r 1 7 为0q ，其左边为芯片7 4 1 g 1 2 6 。前文已说明，与三角波同步产生 的有一个方波，此方波加在7 4 1 ( 3 1 2 6 的o e 端，在低电平时y 端输出高阻，对 外不起任何作用；在高电平时y 端将输出a 端的电平，直接将a 6 的正向端拉 低，即让