（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的光纤光栅温度监测系统.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电力变压器性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行。变压器绕组温 度是变压器安全、经济运行以及使用寿命的决定性因素，已经成为变压器状态监 测中健康隐患和故障发展的重要表现形式。通过对变压器绕组温度进行实时监测 并判断其健康状况，以此来进行变压器的负荷调整和预知性维修，避免因绕组过 热导致的变压器故障，可以提高变压器安全、经济运行水平，为电网安全运行带 来重要保证。 传统的检测电力变压器温度的方法主要有红外温度检测、热电阻、热电偶温 度检测等。红外测温为非接触测量，它只能测量变压器的表面温度，易受环境温 度及周围磁场的干扰，且需人工操作，无法实现在线测量。对于热电阻、热电偶 等测量法，在高频交变场中，导线会拾取噪声并由于涡流效应而发热。电导线的 热导还会导致被测温度的扰动，测量效果不很理想。光纤光栅传感技术以其体积 小、电绝缘、抗电磁干扰、易复用、传感信号可远距离传输、便于实现实时在线 测量等优点，为电力变压器温度的测量提供了很好的技术手段。 本文在对国内外光纤光栅传感技术及其解调方案进行深入分析的基础上，设 计了光纤布拉格光栅传感信号解调所需的硬件和软件，并进行了实验研究。论文 涉及的主要工作有： 介绍了光纤的基本结构、布拉格光栅的工作机理及其制作方法，分析了光纤 布拉格光栅作为传感元件时的基本参数，推导了光纤布拉格光栅的温度传感模 型；详细介绍了目前常用的布拉格光纤光栅解调技术。 重点分析了监测系统的硬件电路设计及其原理，主要有微控制器相关电路的 设计、光电转换电路、前置放大及滤波电路、a d 转换电路、以太网通讯电路及 液晶显示电路等。在硬件平台的基础上设计并测试了相关模块的驱动，实现温度 的实时采集和发送。主要工作包括u c o s i i 在l p c 2 1 4 8 上的移植，利用l w l p 实现以太网通讯等。 最后，搭建了系统光路，对监测系统进行了测试，得到了有益的数据，为下 一步工作打下了良好的基础。 关键词：光纤布拉格光栅；u c o s i i ；a r m ；温度监测 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rt r a n s f o r m e rh a sad i r e c ti m p a c to nt h e s a f e t ya n d s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n t h ew i n d i n g st e m p e r a t u r ew h i c hh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tp a r a m e t e rt om o n i t o rh e a l t h yr i s k sa n df a u l tp r o g r e s s i o ni sad e c i s i v ef a c t o r o ft h es a f e t y , e f f i c i e n to p e r a t i o na n dt h el i f eo ft r a n s f o r m e r i no r d e rt oa d j u s tt h e t r a n s f o r m e r sl o a da n dt om a i n t a i ni tp r e v i o u s l ya v o i d i n gt r a n s f o r m e rw i n d i n gf a u l t d u et oo v e r h e a t ，w es h o u l dm o n i t o rt h et r a n s f o r m e rw i n d i n g st e m p e r a t u r ea n dt o d e t e r m i n et h e i rh e a l t hs t a t u sr e a lt i m e l y a sar e s u l t , i tc a ni m p r o v et h es a f e t ya n d e c o n o m yl e v e lo ft h et r a n s f o r m e r , a n dg i v ea l li m p o r t a n tg u a r a n t e et ot h es a f e o p e r a t i o no ft h ep o w e rg r i d s i n f r a r e dt e m p e r a t u r et e c h n o l o g y , t h e r m a lr e s i s t a n c et e c h n o l o g ya n dt h e r m o c o u p l e t e m p e r a t u r et e c h n o l o g y a r e c o m m o n l yu s e d t od e t e c t t e m p e r a t u r eo fp o w e r t r a n s f o r m e r b u ti n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sn o n c o n t a c t , s oi t c a nm e a s u r et h es u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h et r a n s f o r m e ro n l ya n di tm a yb ei n t e r f e r e d b yt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ea n dt h es u r r o u n d i n gm a g n e t i cf i e l d t h e r e f o r e ，i tn e e d s m a n u a lo p e r a t i o na n di tc a l ln o tb em e a s u r e do n l i n e t ot h e r m a lr e s i s t a n c ea n d t h e r m o c o u p l em e a s u r e m e n t , t h ew i r ew i l lp i c ku pt h en o i s e sa n dt h ee d d yc u r r e n tw i l l m a k et h ew i r eh e a ti nt h eh i g h - f r e q u e n c ya l t e r n a t i n gf i e l d t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f e l e c t r i cw i r e sc a l ll e a dt od i s t u r b a n c eo ft h ed e t e c t i o n , w h i c hm a k e sm e a s u r i n ge f f e c t w a sn o tv e r ys a t i s f a c t o r y f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yh a ss om a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha ss m a l li n s i z e ，e l e c t r i c a li n s u l a t i o n ，a n t i - e 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 ， m u l t i p l e x i n g ，r e m o t et r a n s m i s s i o n , o n l i n em e a s u r e m e n te t c s ot h a ti tp r o v i d e sag o o d m e a nf o rp o w e rt r a n s f o r m e rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h ef b gs e n s o ra n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eb o t ha t h o m ea n da b r o a d ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew h i c hf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r d e m o d u l a t i o nr e q u i r e m e n t sa r ed e s i g n e d t h em a i nw o r k sa r es h o w na sf o l l o w s ： i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ef i b e r , m e c h a n i s mo fb r a g gg r a t i n ga n di t s p r o d u c t i o nm e t h o d sa r ed e s c r i b e d ；f b gs e n s o r sb a s i cp a r a m e t e r so ft h es p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e d ；t e m p e r a t u r es e n s i n gm o d e lo ff b gi si n d u c e d ；f b g d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ew h i c hi sc u r r e n tc o m m o n l yu s e di sd e s c r i b e di nd e t a i l h i g h l i g h ta n a l y s i so nt h eh a r d w a r ed e s i g na n dp r i n c i p l e so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m i sg i v e n , w h i c hm a i n l yc o n s i s t so fm i c r o c o n t r o l l e rc i r c u i td e s i g n , p h o t o e l e c t r i c i i i 山东大学硕士学位论文 c o n v e r s i o n c i r c u i t ，p r e a m p a n df i l t e r c i r c u i t ，a d c o n v e r t e rc i r c u i t ，e t h e r n e t c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc i r c u i ta n ds oo n b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h er e l e v a n td r i v eo ft h em o d u l e si sd e s i g n e da n d t e s t e dt oa c h i e v es e n d i n ga n dr e c e i v i n gr e a l t i m et e m p e r a t u r ed a t a m a i na c h i e v e m e n t i n c l u d e s p o r t i n g t h eu c o s i ii nt h el p c 214 8 ，a n dr e a l i z a t i o no fe t h e m e t c o m m u n i c a t i o n su s i n gl w l e s y s t e mo p t i c a lc i r c u i ti ss e tu pt ot e s tt h em o n i t o r i n gs y s t e m ，a n ds o m eu s e f u ld a t a h a sb e e no b t a i n e df o rt h ef u r t h e rw o r k k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；u c o s - i i ；a r m ；t e m p e r a t u r em o n i t o r i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。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。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 粹 日 期：尘掣 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的 印刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学 可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学 位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：单导师签名： 日期：型， 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 电力变压器是电力系统中输变电能的高压电气设备，担负着电压、电流的转 换以及功率传输的任务，其性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行【l 】。 由于变压器采用封闭式结构，散热效果差，热积累大，并长期处于高电压、大电 流和满负荷运行状态，直接导致热量集结加剧、温度升高，威胁电气绝缘性能。 研究发现，变压器绕组温度是变压器安全、经济运行以及使用寿命的决定性因素， 已经成为变压器状态监测中健康隐患和故障发展的重要表现形式。特别是大型变 压器因绕组温度异变造成的绝缘老化直至损坏故障更为多见，极大地限制了带负 荷水平。因此，通过对变压器绕组温度进行实时监测并判断其健康状况，以此来 进行变压器的负荷调整和预知性维修，避免因绕组过热导致的变压器故障，可以 提高变压器安全、经济运行水平，为电网安全运行带来重要保证【2 3 ，4 ，5 1 。 电力变压器在运行时，有一部分电磁能量将转变为热量。也就是说，在变压 器运行时，在铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗，这些损耗将转变为热量发 散到周围介质中去，从而引起变压器发热和温度升高。随着绕组及铁心温度的升 高，它们与周围的变压器油就产生了一定的温度差，从而将一部分热量传给变压 器油，使油的温度升高。变压器油通过散热器将热量传递给外部冷却介质( 空气、 水等) 。经过一段时间后，绕组、铁心和油的温度上升达到平衡状态。此时，绕 组和铁心产生的热量全部散发到周围介质中，各部位温度达到稳定。一般来讲， 由于产生的损耗不同，变压器内部各部分的温度也不同，绕组最高，其次为铁心 和变压器油。从变压器绝缘运行寿命看，一般认为应遵循六度法则：变压器绕组 年平均温度为9 8 时具有正常寿命，当超过或达不到9 8 时，每上升或降低6 ，则变压器寿命降低一半或延长一倍【4 一。所以，变压器绕组温度的在线监测 对保证安全运行和延长设备寿命都有重要意义。目前，对变压器绕组热点温度的 测量方法主要有以下两种： ( 1 ) 电信号传感器测量 目前大部分电厂和变电站还是采用基于电信号传感器的测温系统，如热电 山东大学硕士学位论文 阻、热电偶等1 7 , 8 】，由于绕组处于高电压、高温度、高磁场以及极强的电磁干扰 环境中，而热电阻、热电偶都需要金属导线传输信号，这就会产生严重的问题。 首先，电导线会对环境产生电磁扰动，扰乱磁场的均匀性或使入射微波反射；其 次，在高频交变场中，导线会拾取噪声并由于涡流效应而发热。电导线的热导还 会导致被测温度的扰动，测量效果不很理想。 ( 2 ) 红外温度传感器测量。 该方法测温灵敏度和准确度都很高，但红# t - n 温为非接触测量，但它只能测 量变压器的表面温度，易受环境温度及周围磁场的干扰，且需人工操作，无法实 现在线测量，而且绕组内的空间非常狭小，无法安装红外测温探头，这就使得不 能准确了解变压器运行时绕组的实际温度9 , 1 0 。 以上方法都没有和变压器绕组真正接触，因此测得的温度不一定是绕组的温 度。随着光纤通信技术的飞速发展，光无源器件技术的日益成熟，基于光学原理 的光纤温度传感器成为在上述恶劣环境下的有效测量手段【l l 】，获得了广泛的应 用。 本文将光纤光栅温度传感器粘贴在变压器绕组上来测量绕组温度，与传统绕 组温度监测方法相比，该方法的主要优点是：传感器输出为光信号，抗电磁干扰 能力强，绝缘性能高，可以工作在高压、大电流及爆炸环境中，这使得此方法非 常适合变电站高压电器的温度监测，不但能保证测得的温度是绕组的温度，还可 以解决埋设传感器技术复杂、价格昂贵的问题，同时提高了灵敏度和测量精度。 1 2 光纤光栅的发展历史及其应用 随着光纤及其相关配套技术的日趋成熟，光纤光栅传感器已经成为光纤 传感器领域内的一大热点，也是传感器研究与应用中最为广泛和最具有市场 潜力的光纤传感器。 世界上第一根光栅诞生于1 9 7 8 年，由加拿大通信研究中心的h i l l 等人 首创。他们将4 8 8 n m 的氩离子激光入射到掺锗光纤中，观察到入射光与反射 光在光纤中形成的驻波干涉条纹能够导致纤芯折射率沿光纤轴向的周期性 变化，即光诱导产生光栅的效应【1 2 】，该技术开创了光纤光栅研究与应用的先 河，这种光栅制作方法称为驻波法或内部写入法，其缺点是需要特制的锗含 2 山东大学硕士学位论文 量很高的掺锗光纤。 1 9 8 9 年，美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人发明了紫外侧 写技术，即采用两束相干的紫外光形成的干涉条纹在载氢光纤上侧面曝光， 写入布拉格光栅，该法又称为横向全息成栅技术。与驻波法相比，该技术不 仅提高了光栅的写入效率，而且还能改变光栅的周期以控制波长，同时能够 在任何波段写入布拉格光栅。缺点是对光源和周围环境的稳定性要求较高。 紫外侧写入技术的问世，引发了人们对光纤光栅的制作技术和应用的极大的 兴趣，迅速推动了其发展。 1 9 9 2 年，b a l l 等人首先发现在1 5 5 0 n m 附近，光纤布拉格光栅的波长随其 轴向机械拉伸应力变化呈线性关系，其调谐速率约为1 2 衄m m 【l3 1 ，他们将 该技术用于光纤激光波长的调谐，在光纤的允许应变范围内，获得了1 0 n m 左 右的波长调谐。该发现导致了光纤通信与光纤传感系统的迅猛发展。 1 9 9 3 年，h i l l 等人又提出了相位掩模成栅技术，即利用紫外光垂直照射 相位掩模板衍射后的1 级衍射光相干形成的周期性明暗干涉条纹对载氢光 纤曝光来制作布拉格光栅【l4 1 。该项技术极大地放宽了对写入激光光源相干性 的要求，使得布拉格光栅的制作仅取决于相位光栅周期而与辐射光无关，制 作更加容易，有利于大规模成批量的生产。 1 9 9 3 年，j a c k s o n 等人提出了基于平行阵列的光纤布喇格光栅w d m 拓扑结 构，在光纤光栅复用技术的研究与应用方面率先迈出了第一步。从此，诸如w d m ， s d m ，t d m 等复用技术1 1 5 , 1 6 , 17 】、以光纤光栅为基元的各种拓扑结构以及它们的 各种组合形式与网络系统层出不穷，极大地推动了光纤光栅在光纤通信及光纤传 感领域的应用步伐。 使用光纤光栅传感器对温度和应力等物理量进行传感测量，具有较高的 灵敏度和测量范围，很多性能比传统的机电类传感器更加稳定，可靠和准确，具 有非常广阔的发展前景。目前已有的光纤光栅传感监测技术也存在着一些问题， 如现有的光纤光栅传感器主要存在的问题是对多种信号敏感，这对于单一的测 温或测应力的系统来说，就要特别注意温度与应力的交叉敏感对测量结果的 影响，因此在很多系统中需要设置相应的补偿装置；光纤光栅传感器阵列还 需要进一步的研究，对于像桥梁、建筑等大型的工程结构，如何以最少的光 纤光栅传感器数量来得到尽可能多的信息，并且如何在一定的周期内对所得 3 山东大学硕士学位论文 到的大量的信息进行存储、分析比较以及快速准确的计算出各种性能指标参 数，这成为当前研究的热点和急需解决的问题。 1 3 本论文主要研究内容 通过学习光纤光栅方面的基础知识和分析在光纤光栅的基础实验中遇 到的具体问题，在查阅大量文献的基础上，本论文主要进行了如下几方面的 研究： 第一章绪论介绍了本论文研究背景及意义，光纤光栅传感技术的发展历 史及应用现状，介绍了其优势和需要解决的几个问题。 第二章介绍了光纤布拉格光栅的传感理论及解调方法。首先介绍了光纤 的结构及光纤布拉格光栅的传感原理和传感特性，然后介绍了光纤布拉格光 栅测温理论及其温度传感模型，最后介绍了目前常用的几种解调方法，不同 解调方法的优缺点等。 第三章详细介绍了本监测系统的硬件设计，内容主要有光电转换、放大滤波、 a d 转换、l c d 显示、以太网通讯及微控制器等模块的具体电路设计、器件的选型、 布板的注意事项及心得体会等。 第四章在上一章硬件原理图的基础上详细介绍了监测系统主要模块的程序 设计，其中主要介绍了r t l 8 0 1 9 a s 驱动程序设计，此0 s i i 在l p c 2 1 4 8 上的移 植，以及l w i p 在系统上的实现。 第五章介绍了对系统测得试验数据的处理结果及数据误差的主要来源。 第六章主要对所做工作进行了简单的总结，并指出了系统不足之处，未 来的改进方向等。 4 山东大学硕士学位论文 第二章光纤布拉格光栅的测温原理及解调技术 2 1 光纤与光纤光栅 2 , 1 1 光纤的基本结构 光纤的基本结构包括纤芯、包层、涂敷层( 也称保护层) 、增强纤维和保护套， 如图2 1 所示，它的全称是光导纤维，通常是圆柱形。其中纤芯位于光纤的中心 部位，直径约为9 “m 或6 2 5 p m ，光主要在这一部分传输。纤芯外面由包层围绕， 包层直径约为1 2 5 p m 左右。纤芯和包层是光纤的主体，对光波的传输起决定作 用。涂敷层、增强纤维和保护套主要起隔离杂光、提高光纤强度和保护作用。光 纤按传输模式分为单模光纤和多模光纤；按纤芯折射率分布分为阶跃型光纤和梯 度型( 也称渐变型) 光纤；按偏振态分为保偏光纤和非保偏光纤；按制造材料分为 石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤、晶体光纤和特种光纤等【l 引。 一 熹。一 i 图2 1 光纤基本结构 光纤工作原理基于光的全反射现象，即由于纤芯，l i 大于包层折射率惕，在光 纤端面上，当光线入射角小于一定值吼( 即满足数值孔径要求) 时，折射光线在 纤芯和包层界面上的入射角妒才会大于发生全反射的临界角，光线才能在光纤 内经多次全反射而传递到另一端。因此，光纤能利用全反射原理将以光的形式出 现的电磁波能量约束在其纤芯内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的 数值孔径n a 是表示光纤集光能力的一个参数，式( 2 1 ) 为数值孔径表达式1 9 1 。 n a = n os i n 吼( 砰一2 )( 2 - 1 ) ( 2 1 ) 式中的为空气折射率；e o 为光纤的孔径角。 5 山东大学硕士学位论文 2 , 1 2 布拉格光栅的工作机理及其制作 光纤光栅是利用光敏光纤的光敏效应，使单模光纤纤芯折射率在芯区长度上 产生周期性改变而制成的一种新型光纤光了器件92 “。即当激光通过增敏过的光 纤时，光纤纤芯的折射率将随激光光强的空问分布发生相应的变化，变化的大小 与光强成线性关系，并可永久的保存下来。不同的曝光条件、不同类型的光纤可 产生多种不同折射率分布的光纤光栅。 折射率变化部分 酬2 2 光纤柑拉格光栅基本结构幽2 3 光纤布拉格光栅折射率分布 最常见的一种光纤光栅即布拉格光栅，它是一种性能优异的窄带反射滤波无 源器件。当光波传输通过光纤布拉格光栅时，满足布拉格光栅波长条件的光波将 被反射回来，这样入射光波就会分为两部分：透射光波和反射光波，如图22 所 示。所以光纤布拉格光栅为反射光栅，布拉格条件【2 1 0 2 1 为： h2 2 7 h a ( 2 2 ) 其中a 。为光栅反射中心波长，怫，为导模有效折射率。 所谓光敏性是指物质的物理或化学性质在外部光的作用下发生暂时或永久 性改变的材料属性。对光纤材料的光敏性而占，则是指折射率、吸收谱、内部应 力、密度和非线性极化率等多方面的特性发生的永久性改变。 紫外光敏性光纤光栅的产生的重要原因即当紫外光通过光敏光纤时，光纤 纤芯的折射率将随紫外光光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成 线性关系，并可永久的保存下来。若没有对光纤进行处理，直接用紫外光照射， 则光纤的折射率增加仅为1 0 4 数量级便已经饱和，这样就光纤光栅难于实用化。 虽然普通通信光纤本身具有一定的光敏性，但光敏性很低，在这种光纤中写入的 光栅的反射率很低，因此为制作出优质的光纤光栅，就需要提高光纤光敏性。在 广大科技工作者的努力下，提出了以下几种光纤增敏技术： 山东大学硕士学位论文 1 ) 在光纤中掺入g e 4 + 、s b 3 + 、p r 3 + s n 4 + 、e r 3 + 等具有较强光敏性的离子。 研究表明，s b g e 共掺光纤有较好的光敏性( 折射率调制量为2 7 x1 0 一) 和很高的 温度稳定性瞄, 2 4 1 。当温度高达9 0 0 c 时光栅的性能仍然稳定。 2 ) 在光纤中高掺锗、硼锗共掺及掺杂稀土元素如钽、铈、锡、铕等。高掺锗 光纤上写出的光栅稳定性好，折射率调制量可达l o 4 ，无需退火处理；但高掺锗 会提高纤芯折射率，增大数值孔径，因而增加光纤损耗及连接损耗，还具有较大 的非线性。硼锗共掺的折射率调制量可达1 0 3 以上。锡锗共掺的折射率调制量 最大可达1 0 一，在高温下温度稳定性要比硼储共掺的光纤好b 卯。 3 ) 低温高压载氢技术。载氢的基本原理是将普通光纤置于高压氢气中一段时 间，待氢气分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯后，再用特定波长的紫外光照射载 氢光纤刻写光栅。刻写过程结束后，进行高温退火处理以保证光纤光栅实际应用 时的稳定性。经过载氢处理后，普通光纤纤芯的折射率调制量可从1 0 。5 提高到 1 0 - 21 2 6 1 。 目前常用致密模型解释光纤光敏性机理，该模型认为，在紫外光照射下，光 纤吸收光子能量导致的局部加热、光诱导缺陷中心的转换等均能改变光纤中的应 力分布和密度分布，而应力分布和密度分布的变化显然会引起折射率的改变2 7 1 。 通常所说的i i a 型光栅，其成栅机理与光纤基质材料的光致密效应有关，很好的 支持了致密模型。 经过近三十年的发展，人们对光纤光栅制作的研究已取得飞跃发展，其制 作也逐渐成熟，目前常用的光栅的写入技术大体可分为内部写入法和外部写入 法。 内部写入法又称驻波干涉法，该方法利用光纤中沿相反方向传播的两列光波 相干叠加后形成的驻波干涉条纹强度的空间分布引起光纤纤芯折射率的周期性 分布2 7 1 ，用此方法形成的光纤光栅的布拉格波长与入射光的波长相同，故写入效 率低。 外部写入法又分为振幅掩模法、相位掩模法、逐点写入法、组合写入法等。 振幅掩模法：紫外入射光经振幅掩模后由聚焦透镜成像于待写光敏光纤上对 光纤曝光，形成光纤光栅【2 8 】。 相位掩模法：该制作方法的核心部件相位掩模是一种特殊设计的光学衍射元 7 山东大学硕士学位论文 件，正入射的紫外光经过相位掩模后零级衍射受到抑制，士1 级衍射相互作用形 成的近场干涉条纹对紧贴其后的光敏光纤纤芯曝光，形成周期为1 2 相位掩模周 期的光纤光栅。斜入射的紫外光经过相位掩模后+ 1 级衍射受到抑制，0 级和一1 级衍射光相互作用形成的近场干涉条纹对紧贴其后的光敏光纤纤芯曝光，形成周 期等于相位掩模周期的光纤光栅。无论是正入射还是斜入射，形成的光纤光栅的 布拉格波长与入射光的波长无关【2 9 】。此法工艺简单、重复性好、成品率高、便于 大规模生产，但是一种相位掩模只能制作一种光栅，光栅周期不能随意改变，缺 乏灵活性。 逐点写入法：将写入光源的光聚焦在纤芯的某点进行曝光，待曝光完成后再 对下一点进行曝光，不断重复这一过程直到写完所有的光栅条纹为止。优点是灵 活性高，光栅周期容易控制，对光源的相干性没有要求；缺点是曝光时间长，受 纳米级平移精度的难控制和光点几何尺寸的限制，光栅周期不能太d d 3 0 l 。 在上述光栅制作方法中，目前广为采用的是相位掩模法，而且相位掩模法主 要用于制作光纤布拉格光栅，有接触式和非接触式两种成熟的制作技术。其刻制 原理如图2 4 所示。 紫外激光光束 1 级衍射+ 1 级衍射 图2 4 相位掩模法刻制光纤布拉格光栅原理图 2 1 3 光纤布拉格光栅的基本参数 a ) 反射率：f b g 反射光谱中反射峰值的功率与入射光功率的比值； b ) 中心波长：f b g 反射光谱中最大反射率对应峰值波长k ； c ) 3 d b 带宽：f b g 反射光谱中反射峰值功率下降3 d b 对应的波长范围； d ) 边模抑制比：f b g 主峰的反射率与最高次峰的反射率的比值； 8 山东大学硕士学位论文 e ) 光栅长度：折射率调制部分的长度。 2 2 光纤光栅测温原理 2 2 1 光纤布拉格光栅的传输特性 光纤布拉格光栅的形成结果可简单的认为仅是对光纤导模有效折射率的一 种微扰，其折射率分布可以描述为【3 1 】： m ( z ) = + a n ( z ) = n e f f + 彳( z ) 虬 1 + v c o s ( 等z + 驴( z ) ) 】( - l 2 1 2 0 d b ，那么即使置比较大，如仍然比较小，接近于0 ，故可认为光电 二极管工作于两端无偏压的状态，在这种情况下，因为二极管两端无反向偏 置电压，所以暗电流非常小，这样就减少了输出噪声，同时由于光电二极管 的负载阻抗近似为零，其测量时的线性程度提高了。 由于检测电路处于整个系统的最前端，其精度直接关系到整个系统的精 度，故设计时应特别小心，通过本系统的制作调试，得出以下需注意的地方： 1 光电检测电路采用电流放大型，光电二极管采取无偏压的工作方式，这样 减小了光电二极管的暗电流，提高了检测的精度。 2 电路的反馈电阻r 1 在满足通频带宽度和输出信号范围的情况下应尽可能 大，这样会增大输出信噪比，也提高了电路的信号放大倍数。 3 在满足信号频带宽度的情况下，应尽量减小电路的通频带，这样可滤除 高频噪声，增大输出信噪比。在反馈电阻r 1 两端并联电容c 3 ，构成滤波电路， 减小了输出噪声。 4 在选用元器件时，集成运放的选择很重要，要使用专门的低噪声运放， 减小运放产生的噪声。 5 整个电路必须是在离电源入口端最远的一级，以防止其他器件的电流回 路的干扰。 6 o p a l 2 9 的2 ，3 号脚为输入引脚，在这两个引脚间不要走线，输入输出要 避免交叉布线，防止相互耦合，造成干扰。 7 要防止电路板上电源线对反馈环路和输入端漏电，产生噪声或漂移； 8 光电二极管输出端到放大器的引线距离要尽量短，并且引线尽量对称， 保证阻抗基本匹配。 9 为了减小系统的外部噪声，光电检测电路必须用金属外壳来屏蔽外界电 磁干扰，同时外壳接地。 山东大学硕士学位论文 3 4 前置放大及滤波电路 3 4 1 前置放大电路 如图3 13 所示，电路中的形。为光电探测器经i v 转换后输出的m v 级电 压，为使小信号不被电路噪声淹没，输出的m v 级电压必须先放大再滤波， 而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比后级电路的等 效输入噪声低，故这里选用a d 公司生产的低噪音精密运算放大器实现对m v 级电压的放大。为了消除由于光电探测器暗电流，以及光源的随机波动带来 的误差，采用a d 公司的a d r 2 9 1 e 精密基准电压芯片产生精确的5 v 直流电 压，经由r 1 7 和r 1 8 的分压提供给u 4 的反相端，与u 4 的同相端信号实施 减法，从而消除初始误差，经u 4 输出的电压信号就完全是由于温度变化而 导致的，此输出再由u 5 放大，送给后级二阶滤波。 3 4 2 有源二阶滤波电路 图3 1 3 前置放大电路 二阶有源低通滤波器电路如图3 1 4 所示，它是一种具有正相增益的常用 二阶低通滤波器电路，运放和它的两个连接电阻r 7 、r 1 0 形成一个电压控制 电压源( v c v s ) 。运放的增益为k = i + 墨r 7 。，它为滤波器提供了增益。幅频特 性如图3 1 5 所示。其中截止频率孵= 瓦丽1 。0 c v s 滤波器具有元件数量 山东大学硕士学位论文 小、输出阻抗低、元件间差值范围小和放大能力比较高等优点。而且增益值 可用电位器微调、进行精确的调整。v c v s 滤波器一般用于品质因数值不高 于1 0 的场合。 + 5 v 图3 1 4 二阶有源滤波电路 3 5 以太网通讯电路 f m e w e * c y 他) 图3 1 5 幅频特性 以太通讯模块实现把处理器采集得到的温度值信号通过以太网传给上 位机，它可以实现对温度的异地远程监测，并可以实现不同地点的温度同时 采集。 3 5 1r t l 8 0 1 9 a s 的主要性能 整个电路的核心是以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s ，它是台湾r e a l t c k 公司 3 l 山东大学硕士学位论文 生产的一种高度集成的以太网控制器，其主要性能有【4 7 】： ( 1 ) 符合e t h e r n e ti i 与i e e e 8 0 2 3 ，( 1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e t ) 标准； ( 2 ) 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率； ( 3 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； ( 4 ) 支持8 1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择： ( 5 ) 支持u t p ，a u i ，b n c 自动检测，还支持对1 0 b a s e t 拓扑结构的自动极 性修正； ( 6 ) 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出； ( 7 ) 1o o 脚的p q f p 封装，缩小了p c b 尺寸。 3 5 2r t l 8 0 1 9 a s 的内部结构及工作原理 r t l 8 0 1 9 a s 内部结构【4 7 】如图3 1 6 所示，主要有m a c 逻辑、数据编码解码 逻辑和其他端口等。其中m a c 逻辑完成以下功能：当主处理器向网上发送数 据时，先将一帧数据通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓冲区，然 后发出传送命令，一旦r t l 8 0 1 9 a s 完成了上一帧数据的发送，立即开始此帧 的发送。当r t l 8 0 1 9 a s 收到数据时，将进行m a c 比较、c r c 校验，然后由f i f o 存放到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器 f i f o 逻辑对收发数据作1 6 字节的缓冲，可以起到减少对本地d m a 请求的频率 的作用。 3 2 图3 1 6r t l s 0 1 9 a s 总线结构图 山东大学硕士学位论文 3 5 3r t l 8 0 1 9 a s 与l p c 2 1 4 8 的接口 i 玎l 8 0 1 9 a s 可支持8 位或1 6 位数据总线，l p c 2 1 4 8 是一个基于a r m 7 内核 的3 2 位处理器，其封装是6 4 引脚的t q f p 封装，在这6 4 个引脚中，很多脚是复 用的，同时l p c 2 1 4 8 无专门的数据总线，只有g p i o ，故电路中用g p i o 模拟数 据总线，且只能接成8 位数据总线方式，否则就会出现引脚不够的情况。 r t l 8 0 1 9 a s 具有3 2 个i o 地址，地址偏移量为0 0 h l f h ，其中0 0 h o f h 共1 6 个地址，为寄存器地址。不论l p c 2 1 4 8 是要发送还是接收数据，均是通过控 制i 盯l 8 0 1 9 a s 的1 6 个寄存器即可达到目的，这大大方便了程序员的编程工 作。 图3 1 7r t l 8 0 1 9 a s 与l p c 2 1 4 8 的接口电路 r t l 8 0 1 9 a s 有三种工作模式，跳线模式，免跳线模式和即插即用模式， 具体由6 5 引脚( j p ) 决定，将6 5 引脚接成高电平，则i 盯l 8 0 1 9 a s 工作在跳线模 式，这种模式下r t l 8 0 19 a s 的i o 端口和中断由跳线引脚决定。若j p 引脚悬空 或接地( r t l 8 0 19 a s 在内部对每个引脚用一个10 0 k 的电阻下拉，引脚悬空相 当于接地) ，则i 盯l 8 0 1 9 a s 工作在即插即用模式或免跳线模式。通常，在嵌入 式系统当中一般只用到跳线模式，在图3 17 中，j p 脚接高电平，故r t l 8 0 1 9 a s 工作于跳线模式，在此种模式下，r t l 8 0 1 9 a s 的i o 基地址由8 l 、8 2 、8 4 和8 5 3 3 山东大学硕士学位论文 引脚0 0 s o i o s 3 ) 决定，图3 1 7 中，这四个引脚均悬空，即设为0 0 0 0 ，则i o 基地址为3 0 0 h 。r t l 8 0 19 a s 的地址位为2 0 位，而用到的地址空间为 3 0 0 h 3 1 f h ，可以发现从第5 到第1 9 位是固定的0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 ，故s a 8 ，s a 9 接高电源，剩余各引脚接地。前5 位的引脚s a o s a 4 接l p c 2 1 4 8 的 p 0 1 0 p 0 1 4 。对于中断，由于只有r t l 8 0 1 9 a s 一个中断源，随便选一个中断 即可，图3 1 1 中选i n t 0 ，贝, u 7 0 8 0 引脚( i r q s 0 i r q s 2 ) 接地。为了让r t l 8 0 1 9 a s 工作于8 位数据总线方式，将9 6 脚用2 7 k 电阻下拉接地，相应的数据线3 6 4 3 引脚( s d 0 s d 7 ) 接l p c 2 1 4 8 的p 0 1 6 p 0 2 3 即可。在以太网中，距离远了传输 信号质量会变得很差，故在将数据送给r t l 8 0 1 9 a s 处理以前用网络变压器 2 0 f 0 0 1 n 进行隔离。 3 6a d 转换电路 在本监测系统中，需要将光强信号转换为与之成比例的电压信号，然后 把电压信号转换为数字信号让微处理器进行处理。由于l p c 2 1 4 8 的i o 口资 源有限，无法处理并行的a d 转换结果，虽然l p c 2 1 4 8 内置a d 片上外设， 但其精度为l o 位，无法满足系统要求，经过综合考虑，选用t i 公司的t l c 2 5 4 3 芯片4 3 1 ，它是1 2 位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成a d 转换过程，价格适中，分辨率较高，可实现1 1 路信号的采样，采样结果通过 s p i 串行结构输入，节省了l p c 2 1 4 8 的i o 口资源。 + 气v 图3 1 8a d 转换电路 山东大学硕士学位论文 如图3 18 原理图所示，为了提高转换的精度，减少由于电源的波动带来 的误差，电路中使用了精密基准电源芯片a d r 2 9 3 e r ，该芯片可提供精密稳 定的5 v 直流电压作为t l c 2 5 4 3 的参考电压。l p c 2 1 4 8 的工作电压是3 3 v ， 但其i 0 口可承受最高5 v 电压，t l c 2 5 4 3 工作电压是+ 5 v ，为了防止输入电 压过高烧毁l p c 2 5 4 3 的i o 口，在t l c 2 5 4 3 和l p c 2 1 4 8 的通信线路上串上 1 0 0 欧姆的电阻分压限流。在制作和调试该本电路的过程中总结出以下三个 需注意的地方： ( 1 ) 电源去耦 每个模拟i c 的电源端必须用一个0 1 b t f 的陶瓷电容连接到地，用作去耦 电容。在噪声影响较大的环境中，建议每个电源和陶瓷电容端并一个1 0 p f 左右的钽电容，这样能够减小噪声的影响。故在图3 1 2 中，在t l c 2 5 4 3 和 a d r 2 9 3 e r 的电源端均并联一个0 1 “f 的陶瓷电容。 ( 2 ) 接地 由于本系统中既有模拟器件，又有数字器件，为了防止数字部分的噪声 电流通过模拟地回路引入，从而对模拟信号产生干扰，电源的模拟和数字地 线回路必须分开，且a d 转换电路模块的地线要尽可能宽些，连线应当尽可 能短些，以减小地线阻抗。 ( 3 ) 电路板布线 使用t l c 2 5 4 3 时一定要注意电路板的布线，模拟信号线和数字信号线特 别是时钟信号线不能互相平行，也不能在t l c 2 5 4 3 芯片下面布数字信号线， 因为高频的数字信号会通过电磁耦合进模拟回路中。 3 7l c d 显示电路 显示电路采用深圳一家公司生产的液晶模块h s l 2