基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)器設(shè)計(jì)

光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域,有著非常廣闊的發(fā)展前景。目前限制光纖光柵傳感器大量實(shí)際應(yīng)用的最主要障礙就是傳感信號(hào)的解調(diào)。光纖光柵傳感解調(diào)方法有許多,但是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多,而且價(jià)格昂貴。因此研究開(kāi)發(fā)適于實(shí)際工程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng),降低解調(diào)系統(tǒng)的成本,是使光纖光柵傳感器能夠在實(shí)際工程應(yīng)用中得到推廣的關(guān)鍵問(wèn)題。

有鑒于此，為了滿足工程應(yīng)用的需要，本文提出了一種基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)技術(shù)，即利用目前應(yīng)用極為廣泛，價(jià)格比較便宜的單片機(jī)作為信號(hào)采集和處理的MCU，開(kāi)發(fā)一種較高精度的、廉價(jià)的、便攜的、能進(jìn)行快速測(cè)量且能方便獲取所測(cè)參變量大小的解調(diào)器。為了解決了單個(gè)單片機(jī)速度較慢的問(wèn)題，系統(tǒng)中采用雙CPU，其中一個(gè)單片機(jī)完成信號(hào)解調(diào)的算法，而另一個(gè)單片機(jī)完成邏輯控制，人機(jī)接口和與上位機(jī)的通信，通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)雙機(jī)數(shù)據(jù)共享。

1、解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

解調(diào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由三部分組成，Bragg光柵(測(cè)量光柵)，光纖光柵解調(diào)器，計(jì)算機(jī)。其中光纖光柵解調(diào)器可以細(xì)分為2個(gè)部分，模擬電路部分和數(shù)字電路部分，模擬電路部分的功能是把Bragg光柵(測(cè)量光柵)受到的應(yīng)變或者溫度變化變成相應(yīng)的電信號(hào)，數(shù)字部分把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成上位機(jī)能直接使用的數(shù)字信號(hào)，可以是波長(zhǎng)值也可以是溫度或者應(yīng)變值，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的MCU采用的就是單片機(jī)。

圖1 解調(diào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)原理是基于可調(diào)諧法布里－珀羅腔（F-P解調(diào)）的工作原理。用于Bragg光柵傳感信號(hào)解調(diào)的光纖F-P腔濾波器實(shí)際上是一個(gè)壓控的光帶通濾波器，通常用壓電陶瓷作為F-P 腔腔長(zhǎng)變化的驅(qū)動(dòng)元件。給壓電陶瓷施加一個(gè)掃描電壓, 壓電陶瓷產(chǎn)生伸縮, 從而改變F-P 腔的腔長(zhǎng), 使透過(guò)F-P腔的光的波長(zhǎng)發(fā)生改變。通過(guò)探測(cè)器檢測(cè)透射光強(qiáng)度,當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到最大光強(qiáng)時(shí)給壓電陶瓷施加的電壓就對(duì)應(yīng)著FBG 的反射波長(zhǎng)。這樣給Bragg光纖光柵傳感器注入光信號(hào)，將從FBG 傳感器反射回來(lái)的光加到光纖F-P腔濾波器的輸入端，通過(guò)給光纖F-P腔濾波器的壓控端加上一個(gè)三角形的掃描電壓，則在光纖F-P腔濾波器的輸出端即可得到一個(gè)與輸入光光譜相對(duì)應(yīng)的時(shí)間域電信號(hào)。這些時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路和比較電路的整形，就得到了一系列的脈沖信號(hào)，我們?cè)谶@些脈沖信號(hào)中加入一些固定波長(zhǎng)和位置的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，那么這些脈沖信號(hào)中的各個(gè)脈沖對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)脈沖的相對(duì)位置就包含了FBG傳感器反射光的光譜信息。圖2指示了這個(gè)解調(diào)過(guò)程。最后再通過(guò)單片機(jī)構(gòu)成的電路把得到的脈沖轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)值。

2、單片機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方法

單片機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的首要目的就是把這些脈沖信號(hào)處理成相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值。通過(guò)模擬部分的解調(diào)我們得到包含測(cè)量光柵和標(biāo)準(zhǔn)光柵在掃描周期內(nèi)相對(duì)位置的脈沖信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)光柵對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的波長(zhǎng)，而且它對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)在每個(gè)掃描周期內(nèi)的位置又是固定的（標(biāo)準(zhǔn)光柵用恒溫電路來(lái)保持波長(zhǎng)恒定），那么如果能得到各個(gè)脈沖信號(hào)的相對(duì)位置值，再通過(guò)插值的算法可以得測(cè)量光柵的波長(zhǎng)值。

圖2 布拉格光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)過(guò)程