光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個方興未艾的領(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際應(yīng)用的最主要障礙就是傳感信號的解調(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，而且價格昂貴。因此研究開發(fā)適于實際工程應(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際工程應(yīng)用中得到推廣的關(guān)鍵問題。

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，價格比較便宜的單片機(jī)作為信號采集和處理的MCU，開發(fā)一種較高精度的、廉價的、便攜的、能進(jìn)行快速測量且能方便獲取所測參變量大小的解調(diào)器。為了解決了單個單片機(jī)速度較慢的問題，系統(tǒng)中采用雙CPU，其中一個單片機(jī)完成信號解調(diào)的算法，而另一個單片機(jī)完成邏輯控制，人機(jī)接口和與上位機(jī)的通信，通過雙口RAM實現(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（測量光柵），光纖光柵解調(diào)器，計算機(jī)。其中光纖光柵解調(diào)器可以細(xì)分為2個部分，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（測量光柵）受到的應(yīng)變或者溫度變化變成相應(yīng)的電信號，數(shù)字部分把電信號轉(zhuǎn)換成上位機(jī)能直接使用的數(shù)字信號，可以是波長值也可以是溫度或者應(yīng)變值，而實現(xiàn)這個功能的MCU采用的就是單片機(jī)。

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光柵傳感信號解調(diào)的光纖F-P腔濾波器實際上是一個壓控的光帶通濾波器，通常用壓電陶瓷作為F-P 腔腔長變化的驅(qū)動元件。給壓電陶瓷施加一個掃描電壓， 壓電陶瓷產(chǎn)生伸縮， 從而改變F-P 腔的腔長， 使透過F-P腔的光的波長發(fā)生改變。通過探測器檢測透射光強(qiáng)度，當(dāng)探測器探測到最大光強(qiáng)時給壓電陶瓷施加的電壓就對應(yīng)著FBG 的反射波長。這樣給Bragg光纖光柵傳感器注入光信號，將從FBG 傳感器反射回來的光加到光纖F-P腔濾波器的輸入端，通過給光纖F-P腔濾波器的壓控端加上一個三角形的掃描電壓，則在光纖F-P腔濾波器的輸出端即可得到一個與輸入光光譜相對應(yīng)的時間域電信號。這些時域信號經(jīng)過放大電路和比較電路的整形，就得到了一系列的脈沖信號，我們在這些脈沖信號中加入一些固定波長和位置的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，那么這些脈沖信號中的各個脈沖對于標(biāo)準(zhǔn)脈沖的相對位置就包含了FBG傳感器反射光的光譜信息。圖2指示了這個解調(diào)過程。最后再通過單片機(jī)構(gòu)成的電路把得到的脈沖轉(zhuǎn)換成波長值。

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處理成相對應(yīng)的波長值。通過模擬部分的解調(diào)我們得到包含測量光柵和標(biāo)準(zhǔn)光柵在掃描周期內(nèi)相對位置的脈沖信號，標(biāo)準(zhǔn)光柵對應(yīng)一個固定的波長，而且它對應(yīng)的脈沖信號在每個掃描周期內(nèi)的位置又是固定的（標(biāo)準(zhǔn)光柵用恒溫電路來保持波長恒定），那么如果能得到各個脈沖信號的相對位置值，再通過插值的算法可以得測量光柵的波長值。

圖2 布拉格光纖光柵傳感信號解調(diào)過程

在本解調(diào)系統(tǒng)中采用的是武漢理工光科股份有限公司生產(chǎn)的光纖光柵作為測量光柵，基于F-P腔原理的波長選擇器作為解調(diào)腔，測量的范圍能夠達(dá)到30nm，三角波掃描信號的周期為1s，測量的頻率1Hz。把三角波掃描信號的上升沿分成能夠達(dá)到設(shè)計精度的有限多個計數(shù)點，這樣就可以用單片機(jī)讀出FBG1、FBG2、…。.FBGn光柵陣列及標(biāo)準(zhǔn)光柵脈沖信號在三角波上升沿中的位置值了。另一個單片機(jī)的功能就是利用這些值算出波長，并與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。電路圖如圖所示。這里單片機(jī)選用是89C52，用4060產(chǎn)生一個穩(wěn)定的計數(shù)脈沖，當(dāng)三角波開始時1號單片機(jī)計數(shù)，有脈沖到來時，記下計數(shù)器的值并存入片內(nèi)RAM；三角波到最高點時計數(shù)器清零，把位置值送入雙口RAM，然后等待下一次計數(shù)。CPU1開始計數(shù)時CPU2把數(shù)據(jù)從雙口RAM中取出，通過插值或其他的算法計算出脈沖對應(yīng)的波長值或者溫度值并與計算機(jī)通訊。

我們可以通過單片機(jī)的其它的I/O口同時輸入更多的測量脈沖。改進(jìn)光路和模擬電路部分，就可以制作2通道、4通道的光纖光柵解調(diào)儀，提供更多的測量點，而數(shù)字電路完全不需改動，只需對軟件部分進(jìn)行調(diào)整即可。

3、系統(tǒng)分析和數(shù)據(jù)處理

單片機(jī)要完整正確的記下每個脈沖，那么它的計數(shù)、傳送指令要在每個脈沖的脈寬內(nèi)完成，如果脈沖寬度只有1個計數(shù)單位，即計數(shù)、傳送指令需要在約為10微秒的時間內(nèi)完成，AMTEL的89C52最高工作頻率能達(dá)到24MHz， 這時其時鐘周期為0.5微秒，那么只要計數(shù)、傳送的指令周期不超過20個時鐘周期，就能達(dá)到要求，合理的讀寫程序顯然是能夠滿足這個要求的。而通常脈沖的寬度一般遠(yuǎn)大于1個計數(shù)單位，所以脈沖的變化是能夠?qū)崟r記錄的。同時2號單片機(jī)有1s的時間把數(shù)據(jù)從RAM取出，算出脈沖的中值，然后進(jìn)行插值計算，時間也是足夠的。如果算法過于復(fù)雜，例如采用拉格朗日算法等等，也可以把位置值傳送給計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

把數(shù)據(jù)從單片機(jī)傳送給計算機(jī)的過程中數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)錯誤，通訊程序中必須加入糾錯處理，可以采用奇偶校驗的方法，例如單字節(jié)校驗或者多個字節(jié)校驗等等。同時為了防止光柵位置值的偶爾突變，有必要對位置值進(jìn)行平滑處理。通過以上的處理方法，計算機(jī)能夠得到一組正確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。為了減小F-P腔的漂移及系統(tǒng)非線性對位置值的影響，我們采用標(biāo)準(zhǔn)光柵來與測量光柵進(jìn)行比較計算，可以采用線性算法進(jìn)行計算。但是在實際的運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)待測光柵離標(biāo)準(zhǔn)光柵較近時，測量值越準(zhǔn)確；較遠(yuǎn)處則誤差相對較大。為了進(jìn)一步提高精度，可以采用2標(biāo)準(zhǔn)、5標(biāo)準(zhǔn)或者梳狀濾波器來進(jìn)行分段線性插值計算，這樣就能大大提高測量的精度，當(dāng)然也可以采用拉格朗日算法或者多次項公式等更復(fù)雜的方法來進(jìn)行波長計算。在我們的儀表中采用的是5標(biāo)準(zhǔn)光柵的拉格朗日算法來計算波長，溫度的測量精度能達(dá)到±1℃。

4、結(jié)束語

脈沖的相對位置值與波長的關(guān)系目前無法由理論知識推導(dǎo)得到， 但是可以通過實驗， 用數(shù)理統(tǒng)計的方法找出變化規(guī)律從而找出它們之間的對應(yīng)關(guān)系。 利用此對應(yīng)關(guān)系， 在單片機(jī)中進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理， 從而得到所測溫度或應(yīng)力的大小。目前我們采用拉格朗日算法，并使用一些合適的數(shù)據(jù)處理和標(biāo)定的方法，就目前解調(diào)儀的工作情況來看，效果還是可以的，測量精度能夠達(dá)到±5pm，重復(fù)性最大誤差為8pm。為了提高解調(diào)儀的工作頻率，提高解調(diào)儀的適用性，也可以采用基于DSP或者DSP＋ARM的解調(diào)電路，但成本相對就要高些。

FBG 光柵有廣闊的應(yīng)用前景， 在通信、建筑、機(jī)械、醫(yī)療、航天、航海、礦業(yè)都能發(fā)揮重要作用，有關(guān)于FBG 光柵的理論研究到目前為止已取得了很大成就。采用合適的解調(diào)技術(shù)，降低光纖光柵的使用成本，就能夠推動光纖光柵傳感器在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

本文作者創(chuàng)新點： 基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀是一種適于實際工程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng)，大幅降低光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的成本，便于在工業(yè)現(xiàn)場的使用，使得光纖光柵傳感器能夠在實際工程應(yīng)用中得到迅速的推廣。

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