1、 PAGE27 / NUMPAGES29目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc324457593摘要 PAGEREF _Toc324457593 h IHYPERLINK l _Toc324457594Abstract PAGEREF _Toc324457594 h IIHYPERLINK l _Toc324457595第1章緒論 PAGEREF _Toc324457595 h 1HYPERLINK l _Toc3244575961.1 引言 PAGEREF _Toc324457596 h 1HYPERLINK l _Toc3244575971.2 光纖光柵的

2、誕生極其分類 PAGEREF _Toc324457597 h 1HYPERLINK l _Toc3244575981.3 光纖光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用 PAGEREF _Toc324457598 h 3HYPERLINK l _Toc3244575991.3.1 光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn) PAGEREF _Toc324457599 h 3HYPERLINK l _Toc3244576001.3.2 光纖傳感技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc324457600 h 5HYPERLINK l _Toc324457601第2章光纖光柵傳感理論 PAGEREF _Toc324457601

3、 h 6HYPERLINK l _Toc3244576022.1 光纖光柵的基本原理 PAGEREF _Toc324457602 h 6HYPERLINK l _Toc3244576032.1.1 光纖光柵的基本光學(xué)性能 PAGEREF _Toc324457603 h 6HYPERLINK l _Toc3244576042.1.2 光纖光柵的傳感原理 PAGEREF _Toc324457604 h 8HYPERLINK l _Toc3244576052.2 光纖光柵的傳感靈敏度 PAGEREF _Toc324457605 h 9HYPERLINK l _Toc3244576062.2.1 應(yīng)變

4、靈敏度 PAGEREF _Toc324457606 h 9HYPERLINK l _Toc3244576072.2.2 溫度靈敏度 PAGEREF _Toc324457607 h 10HYPERLINK l _Toc324457608第3章光纖光柵解調(diào)方法 PAGEREF _Toc324457608 h 11HYPERLINK l _Toc3244576093.1 光纖光柵的解調(diào)概念 PAGEREF _Toc324457609 h 11HYPERLINK l _Toc3244576103.2 光纖光纖傳感系統(tǒng)解調(diào)方法介紹 PAGEREF _Toc324457610 h 11HYPERLINK

5、l _Toc3244576113.2.1 光譜儀檢測(cè)法 PAGEREF _Toc324457611 h 11HYPERLINK l _Toc3244576123.2.2 非平衡馬赫-曾德干涉儀跟蹤法 PAGEREF _Toc324457612 h 12HYPERLINK l _Toc3244576133.2.3 匹配光柵法 PAGEREF _Toc324457613 h 12HYPERLINK l _Toc3244576143.2.4 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法 PAGEREF _Toc324457614 h 13HYPERLINK l _Toc3244576153.2.5 線性邊帶濾波解調(diào)法 PA

6、GEREF _Toc324457615 h 14HYPERLINK l _Toc3244576163.2.6 可調(diào)諧法布里珀羅腔法 PAGEREF _Toc324457616 h 14HYPERLINK l _Toc324457617第4章實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) PAGEREF _Toc324457617 h 16HYPERLINK l _Toc3244576184.1 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的總體架構(gòu) PAGEREF _Toc324457618 h 16HYPERLINK l _Toc3244576194.2 光路部分 PAGEREF _Toc324457619 h 17HYPERLINK l _Toc3244

7、576204.2.1ASE寬帶光源 PAGEREF _Toc324457620 h 17HYPERLINK l _Toc3244576214.2.2光纖耦合器 PAGEREF _Toc324457621 h 18HYPERLINK l _Toc3244576224.3 信號(hào)處理電路部分 PAGEREF _Toc324457622 h 18HYPERLINK l _Toc3244576234.3.1 ADC與DAC電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc324457623 h 18HYPERLINK l _Toc3244576244.3.2 高速數(shù)字信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc32445

8、7624 h 19HYPERLINK l _Toc3244576254.4 參考光纖光柵的標(biāo)定 PAGEREF _Toc324457625 h 23HYPERLINK l _Toc3244576264.5 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc324457626 h 23HYPERLINK l _Toc324457627第5章系統(tǒng)測(cè)試 PAGEREF _Toc324457627 h 26HYPERLINK l _Toc3244576285.1 測(cè)試過程與數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc324457628 h 26HYPERLINK l _Toc324457629結(jié)論 PAGEREF _Toc

9、324457629 h 28HYPERLINK l _Toc324457630致 PAGEREF _Toc324457630 h 29HYPERLINK l _Toc324457631參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc324457631 h 30摘要本文對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)的解調(diào)方法是基于F-P濾波器解調(diào)的光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括光路部分、信號(hào)處理部分、恒溫控制部分、通信部分、本地顯示和報(bào)警輸出部分和服務(wù)器通信管理軟件等。根據(jù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)的計(jì)算方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路,設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的相關(guān)軟件程序,對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào),并且轉(zhuǎn)換成溫度顯示在液晶上面,或者通過RS232串口或以太網(wǎng)接口

10、和計(jì)算機(jī)相連,將測(cè)量的結(jié)果由計(jì)算機(jī)顯示出來。 本系統(tǒng)的高速數(shù)字信號(hào)處理電路部分采用的高性能浮點(diǎn)DSP處理芯片,實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)運(yùn)算處理,將處理后的結(jié)果信息通過串口發(fā)送至控制模塊,再通過GPIO接口對(duì)控制模塊等相關(guān)模塊進(jìn)行通信。 系統(tǒng)搭建完成后,進(jìn)行了對(duì)系統(tǒng)性能的測(cè)試,檢驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量溫度的準(zhǔn)確度,其中包含兩個(gè)方面。關(guān)鍵字：布拉格光柵； F-P濾波器；DSP；測(cè)溫AbstractThe method of the fiber grating wavelength demodulation is fiber bragg grating temperature measurement system b

11、ased on F-P filter .Optical part ,signal processing, temperature control part, local display , alarm output and server communication management software and so on were included in this system .The hardware and software program were designed according to the center wavelength of fiber grating, the te

12、sults of FBG wavelength demodulation were displayed on the LCD or were displayed by the computer through the RS232 serial port or Ethernet interface connected the system to the computer. The floating point DSP processing with high-performance chip was used in the high-speed digital signal processing

13、, and address the results of the information which was processed sent to the control module through the serial port, and communicate with control module and other related modules through the GPIO interface. We tested the performance of the system ,testing system, the accuracy of measuring temperatur

14、e after the system built, which includes two aspects.Keywords: Bragg grating; F-P filter; temperature第1章 緒論1.1 引言光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating），簡(jiǎn)稱光纖光柵（FBG）具有波長(zhǎng)調(diào)制、分辨率高、抗電磁干擾、重復(fù)性好以與可進(jìn)行批量生產(chǎn)等特性點(diǎn)，光纖光柵技術(shù)正成為當(dāng)前傳感器領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)。光纖光柵傳感器具有體積小、損耗低、靈敏度高、抗電磁干擾、點(diǎn)絕緣性好、帶寬大。并能多點(diǎn)分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物、艦船系統(tǒng)、海洋、航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，

15、電力系統(tǒng)等，并取得了許多成果。20世紀(jì)70年代以來，光纖光柵傳感器取得了飛速的發(fā)展。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，決定了光纖光柵可在某些特殊條件下的測(cè)量工作，比起常規(guī)檢測(cè)技術(shù)來具有更多的優(yōu)勢(shì)，是傳感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向。光纖傳感技術(shù)代表了新一代傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。1.2 光纖光柵的誕生極其分類光纖的基本結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，如圖1-1所示。光纖是一種玻璃絲，其材料是石英(二氧化硅)，是通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良傳輸介質(zhì)，因此在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。光纖是一種纖芯折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo)，折射率的差異引起全反射，以致使得光纖在纖芯傳播。涂敷層包層纖芯2b2a圖1-1 光纖結(jié)構(gòu)圖纖芯和包層的折射率差并不需要很大，實(shí)際

16、上。只要大約1%就可以了。在光纖包層的外圍，還有一些用于保護(hù)光纖的層面的結(jié)構(gòu)，即圖中的涂覆層。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯鍺離子相互作用引起折射率的永久性的變化），通過紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫入纖芯，使得在纖芯產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率呈周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡，利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件，例如光纖反饋腔就是利用光纖光柵的窄帶高反射率特征制造出來的，光纖激光器是利用摻餌光纖等為增益介質(zhì)；外腔反射器利用光纖光柵作為激光二極管，光纖光柵還可以構(gòu)成可調(diào)諧激光二極管；利用光纖光柵可構(gòu)成Mic

17、helson干涉儀型Mach-Zehnder干涉儀和Febry-Peort干涉儀型的光纖濾波器。利用閃耀光纖光柵可以制成光纖平坦濾波器；利用非均勻光纖光柵可以制成光纖色散補(bǔ)償器等。此外，利用光纖光柵還可以制成光纖傳感器和各種傳感網(wǎng)，用于檢測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等諸多參量。這些器件具有反射帶寬圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。光纖光柵是近年來發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的光纖無源器件之一。光纖光柵作為優(yōu)良的傳感與通信器件始源于1987年，當(dāng)時(shí)加拿大渥太華通信研究中心的K.O.Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng)，并采用駐波

18、寫入法制成世界上第一根光纖光柵。十余年后，在1989年美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的G.Meltz等人以準(zhǔn)分子激光泵浦的可調(diào)諧倍頻染料激光器輸出的244nm波長(zhǎng)的紫外光干涉條紋側(cè)面照射纖芯摻鍺的光纖，將任意工作波長(zhǎng)的位相光柵寫進(jìn)了纖芯形成光纖芯部布拉格光柵，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性的進(jìn)展。1993年，K.O.Hill等人提出的相位掩膜制法使光纖光柵的制造技術(shù)得到重大發(fā)展。使得光纖光柵靈活的制造大批量的生產(chǎn)成為可能，光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没９饫w光柵是近幾年發(fā)展最快的光纖無源器件之一，它的出現(xiàn)將可能在光纖技術(shù)以與眾多相關(guān)領(lǐng)域中引起的一場(chǎng)新的技術(shù)革命。該項(xiàng)技術(shù)促進(jìn)了全光纖通信技術(shù)的發(fā)展，而且在光

19、纖傳感領(lǐng)域另辟了新的重要分支光纖光柵傳感。光纖光柵分為很多種類，按結(jié)構(gòu)的空間周期分布是否均勻可分為周期性光柵和非周期性光柵兩類，均勻周期光纖光柵分為光纖布拉格光柵、相移光纖光柵、莫爾光纖光柵、切指光纖光柵和超結(jié)構(gòu)光纖光柵。周期性結(jié)構(gòu)器件制造簡(jiǎn)單，其特性受到限制；非周期機(jī)構(gòu)制造困難，其特性容易滿足各種要求。從功能上可分為濾波性光柵和色散補(bǔ)償?shù)牟ㄊ阜较颉⒖臻g周期分布與周期大小，光纖光柵可分為四種基本類型，即光纖布拉格光柵、閃耀光纖光柵、啁啾光纖光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵。光纖布拉格光柵（FBG）是最早發(fā)展出來的光纖光柵，也是應(yīng)用最廣泛的光纖光柵。光纖布拉格光柵的折射率呈固定的周期性調(diào)制分布，即調(diào)制深度與

20、光柵周期均為常數(shù)，光柵波矢方向與光纖軸線方向一致。該類光纖光柵在通信和傳感領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。近年來，光纖光柵的制作方法得到了人們的廣泛研究并發(fā)展了多種制作方法，目前制作光纖光柵的方法主要有全息成柵法、相位掩膜法和干涉法。目前制作光纖光柵使用最為廣泛的方法是相位掩膜法，這種方法大大降低了制作光纖光柵的復(fù)雜性，而且不需要高相干性的紫外光源。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷成熟和完善，其應(yīng)用的成果日益增多，從光纖通信、光纖傳感到光計(jì)算和光信息處理的整個(gè)領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性的變化，光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖技術(shù)應(yīng)用中的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，并使全光纖器件的研制和集成成為可能，從而為人們

21、夢(mèng)寐以求進(jìn)入全光信息時(shí)代帶來了無限生機(jī)和希望。1.3 光纖光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.3.1 光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。由于光纖傳感技術(shù)中的傳感與傳輸信號(hào)都是光信號(hào)，而并不是傳統(tǒng)的電信號(hào)，因而光纖傳感技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、適合高電壓場(chǎng)所、能遠(yuǎn)離傳輸信號(hào)、電絕緣性好、靈敏度高、耐腐蝕、安全可靠、可構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，它在航天、航海、電力傳輸、石油開采、核工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能夠測(cè)出光波參數(shù)的變化，就可以得到導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖

22、傳感技術(shù)。光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要包括對(duì)光柵中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)的探測(cè)與解調(diào)、對(duì)溫度和應(yīng)力/應(yīng)變的交叉敏感測(cè)試以與多個(gè)光纖光柵傳感器的復(fù)用等。光纖傳感技術(shù)是利用光纖光柵對(duì)光柵對(duì)某些物理量的敏感特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的信號(hào)的技術(shù)，即由于光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特征參量（振幅、相位、波長(zhǎng)等）因外界因素（如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場(chǎng)等）的作用而直接或間接發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測(cè)各種物理量，其示意圖見圖1-2。入射光波入射光波的特征參量外界因素出射光波圖1-2 光纖傳感原理圖光纖光柵傳感器是利用光波波長(zhǎng)的變化來探測(cè)外界物理量的。光纖光柵的反射或透射峰的波長(zhǎng)與光柵的折射率調(diào)制周

23、期以與纖芯折射率有關(guān)，外界參量的變化會(huì)引起光纖光柵折射率的變化，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長(zhǎng)的變化，這就是光纖光柵傳感器的基本工作原理。傳統(tǒng)的光纖傳感器絕大部分都是光強(qiáng)型和干涉型的。光強(qiáng)型光纖傳感器的信息讀取是測(cè)量光強(qiáng)大小，因此光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素會(huì)影響測(cè)量精度。干涉型光纖傳感的信息讀取是觀察干涉條紋的變化，這就要求干涉條紋清晰，而要使干涉條紋清晰就必須要求兩路干涉光的光強(qiáng)相等，從而使光纖光路的靈活性和連接的方便性等優(yōu)點(diǎn)大打折扣。而且它是一種過程傳感器而不是狀態(tài)傳感器，因此必須要有一個(gè)固定的參考點(diǎn)，這樣就給光纖傳感器的應(yīng)用帶來了難度。根據(jù)光纖光柵的特性，可以

24、利用光纖光纖制成用于檢測(cè)應(yīng)力/應(yīng)變、溫度等諸多參量的光纖光柵傳感器和各種光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器相比，它具有一般光纖傳感器所具備的所有優(yōu)點(diǎn)。此外，因?yàn)樽陨淼奶攸c(diǎn)，光纖光柵傳感器也具有普通光纖傳感器無法具備的優(yōu)點(diǎn)：1、光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，它的傳感過程是通過外界參量對(duì)光柵中心波長(zhǎng)的調(diào)制來獲取傳感信息，這樣可以避免光纖光柵傳感器中各種光強(qiáng)起伏對(duì)測(cè)量精度引起的干擾。2、由于光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，所以其測(cè)量信號(hào)不受光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響。3、因?yàn)楣饫w光柵對(duì)應(yīng)力/應(yīng)變和溫度的雙重敏感性，利用光纖光柵可以制作應(yīng)力/應(yīng)變和溫度同時(shí)測(cè)量

25、的雙參量傳感器。4、避免了一般干涉型傳感器中相位測(cè)量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要，結(jié)合波分復(fù)用（WDM）和時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)，每根光纖中可以設(shè)置多個(gè)光纖光柵構(gòu)成分布式的傳感點(diǎn)，便于空間組網(wǎng)，分辨精度高，光纖光柵傳感器具有波長(zhǎng)編碼的特點(diǎn)，它更便于構(gòu)成分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以再大圍對(duì)多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。5、光纖光柵很容易的埋入或嵌入到被測(cè)材料中并對(duì)其部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大圍地測(cè)量，光纖光柵傳感器被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)光纖靈巧結(jié)構(gòu)地理想器件。6、光纖光柵輸出的是絕對(duì)波長(zhǎng)量（它具有在的波長(zhǎng)度量刻度），可以作為絕對(duì)量的測(cè)量。7、利用復(fù)合結(jié)構(gòu)光纖光柵的特殊光譜特性，可以制備多參數(shù)智能傳感元件等。8、光纖具有

26、非傳導(dǎo)性，所以對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在煤氣附近、電站、核設(shè)施、礦井下、油田以與油罐周圍等惡劣、高危險(xiǎn)環(huán)境中工作。因此，基于以上的優(yōu)點(diǎn)，自1989年首次報(bào)道將光纖光柵用作傳感器以來，光纖光柵傳感受到了世界圍的廣泛重視，并且已經(jīng)取得了持續(xù)和快速地發(fā)展。利用掩埋或貼附技術(shù)把光纖光柵復(fù)合到各種建筑或器件中，可以對(duì)被測(cè)體的各種參量如應(yīng)變、溫度、應(yīng)力、老化、裂變等進(jìn)行大面積的實(shí)時(shí)綜合測(cè)量、診斷和控制。1.3.2 光纖傳感技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用光纖Bragg光柵傳感器已經(jīng)應(yīng)用在民用工程結(jié)構(gòu)、航空航天業(yè)、船舶航運(yùn)業(yè)、石油化工業(yè)、電力工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面。此外，光纖Bragg光柵

27、還應(yīng)用在加速器、水聲器、形變檢測(cè)、腐蝕探測(cè)器、身份和物品的識(shí)別系統(tǒng)等?？傊?，光纖Bragg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。第2章 光纖光柵傳感理論2.1 光纖光柵的基本原理2.1.1 光纖光柵的基本光學(xué)性能光纖光柵是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯鍺離子相互作用引起折射率的永久性的變化），即當(dāng)激光通過增敏過的光纖時(shí)，光纖纖芯的折射率將隨激光光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，其變化的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系，并且能夠永久的保存下來。根據(jù)制作方法的不同，不同的曝光條件，不同類型的光纖可以產(chǎn)生多種不同折射率分布的光纖光柵。當(dāng)一束光經(jīng)過光纖布拉格光柵時(shí)，滿足布拉格光柵波長(zhǎng)

28、條件的就會(huì)被反射回來，為滿足布拉格光柵波長(zhǎng)條件的光波就會(huì)透射過去。如圖2-1和2-2所示。入射光波入射光波的特征參量折射變化部分透射光圖2-1 光纖布拉格光柵的基本結(jié)構(gòu)nn1(z)-L/2L/2O圖2-2 光纖布拉格光柵的折射率分布對(duì)于光纖光柵來說，其基本光學(xué)參數(shù)對(duì)于我們研究光纖傳感來說是非常重要的。光纖光柵的基本光學(xué)參數(shù)有：反射率、透射率、光柵方程、反射帶寬等。利用耦合模理論對(duì)周期性光柵進(jìn)行分析，可得到光纖光柵的反射率R和透射率T的表達(dá)式如下：（2-1）當(dāng) （2-2） 當(dāng)（2-3）在上式中，L是光柵的長(zhǎng)度，K為耦合系數(shù)， QUOTE 為模傳播常數(shù)， QUOTE ，為光柵周期，為等效折射率，為

29、自由空間工作波長(zhǎng)P為一個(gè)整數(shù)（2-4）（2-5）當(dāng)波長(zhǎng)匹配時(shí)，即=0時(shí)，R取最大值，對(duì)于一階場(chǎng)，P=1，（2-6）對(duì)于單模光纖為（2-7）由波長(zhǎng)匹配條件 ，可以推出布拉格方程（2-8）再由反射帶寬的定義：可以求出兩個(gè) QUOTE * MERGEFORMAT 的值，并進(jìn)一步給出Bragg反射半值帶寬(2-9)上面我們給出了光纖Bragg光柵的反射率R，Bragg波長(zhǎng)和線寬等幾個(gè)重要參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于光柵的制作與其應(yīng)用都有重要的意義。從式中我們可以看到，光柵的長(zhǎng)度L的改變、折射率變化 QUOTE * MERGEFORMAT ，以與光纖光柵中心波長(zhǎng) QUOTE * MERGEFORMAT 都能引起反

30、射率和線寬的變化，這對(duì)光纖光柵的調(diào)制提供了重要的依據(jù)。2.1.2 光纖光柵的傳感原理當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力發(fā)生變化的時(shí)候，光柵的纖芯折射率以與光柵的周期也都會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，從而由光纖光柵反射回的波長(zhǎng)就會(huì)有一個(gè)偏移量，影響反射波的波長(zhǎng)。所以，我們可以通過測(cè)量反射波長(zhǎng)的偏移量就可以間接的測(cè)量引起波長(zhǎng)偏移的物理量，如利用光纖光柵可以測(cè)得光纖光柵所處環(huán)境的溫度的變化，應(yīng)力的變化等。在光纖的基本光學(xué)性能里面已經(jīng)得到，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出：(2-10)其微分形式為：(2-11)從（2-10）和（2-11）式可以看出光柵布拉格波長(zhǎng)并不是一個(gè)常量，而是有一定的偏移量，且反射波長(zhǎng)的偏移量與光纖纖芯的

31、有效折射率和光柵周期的變化有關(guān)。當(dāng)光柵受到軸向應(yīng)力的作用或者溫度的變化影響時(shí)，纖芯有效折射率和光柵的周期都會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)力作用下的光彈效應(yīng)導(dǎo)致折射率的變化，從而導(dǎo)致有效折射率發(fā)生變化；而當(dāng)溫度變化時(shí)，其產(chǎn)生的光熱效應(yīng)導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化。將耦合波長(zhǎng) QUOTE * MERGEFORMAT 看做溫度T和應(yīng)變 QUOTE * MERGEFORMAT 的函數(shù)，則對(duì)和展開長(zhǎng)泰勒級(jí)數(shù)為：+ (2-12)當(dāng)T和不是很大時(shí)，略去和以上的高次項(xiàng)以與（2-12）式中的第四項(xiàng)，此項(xiàng)是溫度和應(yīng)變的關(guān)系型，分別為纖芯的熱膨脹系數(shù)，熱光系數(shù)和有效彈光系數(shù)，則（2-11）式可近似為：= QUOTE * MERGEFORM

32、AT +）=+（2-13）在式（2-13）中，為光纖Bragg光柵的溫度響應(yīng)系數(shù)，為光纖Bragg光柵的應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)。首先，將問題先簡(jiǎn)單化，不去考慮溫度和應(yīng)變的交叉敏感，分別考察僅在單一的溫度或應(yīng)力作用下光纖Bragg光柵的傳感特性。當(dāng)只受溫度影響時(shí)有(2-14)由上式可以知道，溫度T的改變 QUOTE * MERGEFORMAT T引起的布拉格反射波長(zhǎng)的漂移，漂移量為，這主要是由溫度變化引起的有效折射率的改變引起的，并且和T成線性關(guān)系，因此通過對(duì)光纖Bragg光柵中心反射波長(zhǎng)的移動(dòng)的檢測(cè)就可以確定被測(cè)量的值。 同理，忽略溫度的影響，當(dāng)只受應(yīng)力影響時(shí)有： =（2-15）由于應(yīng)力的作用，最終會(huì)引

33、起光纖光柵的有效折射率和光柵柵距的變化，從而改變布拉格波長(zhǎng)。從（2-15）式中可以看到，其形式和（2-14）式一樣，波長(zhǎng)的漂移量和應(yīng)力的變化量也成線性的關(guān)系，所以由波長(zhǎng)的變化量也可以方便的求出光柵在外界應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變的值。綜合考慮，當(dāng)溫度和應(yīng)力變的影響同時(shí)存在時(shí)有：= +（2-16）由（2-16）式可知，當(dāng)光纖Bragg光柵傳感器所受應(yīng)力或溫度發(fā)生改變時(shí)，光柵中心反射波長(zhǎng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)。當(dāng)溫度或應(yīng)變其中一個(gè)參量恒定時(shí)，波長(zhǎng)的移動(dòng)由應(yīng)變或溫度的改變引起。但是當(dāng)兩個(gè)參量對(duì)不是恒定的值的情況下，就無法確定波長(zhǎng)的移動(dòng)的具體由什么參量的改變引起的，更無法確定參量的改變量大小，這就是光纖Brag

34、g光柵傳感器的交叉敏感問題。2.2 光纖光柵的傳感靈敏度2.2.1 應(yīng)變靈敏度當(dāng)溫度不變時(shí)，式(2-13)得出，沿軸向應(yīng)變和波長(zhǎng)的關(guān)系由下式給出（2-17） 對(duì)于普通的光纖，其有效折射率1.46，在硅介質(zhì)中，有效彈光系數(shù)0.22。根據(jù)（2-17）得出，光纖在軸向應(yīng)變作用下布拉格波長(zhǎng)的變化為：（2-18）所以，對(duì)于中心波長(zhǎng)1550nm波段，其該變量為1.2 QUOTE * MERGEFORMAT 。2.2.2 溫度靈敏度與應(yīng)變靈敏度一樣，式（2-13）得出，當(dāng)應(yīng)變不變時(shí)，光纖在溫度變化的作用下的布拉格波長(zhǎng)的變化程度為：=（2-19）對(duì)于多種光纖，當(dāng)溫度在20150攝氏度之間變化時(shí), /度于是，對(duì)

35、于=1550nm波段/度。光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨溫度與應(yīng)變的變化而變化，在光通信領(lǐng)域中，這成為光纖光柵應(yīng)用的 難題之一，而在光纖傳感領(lǐng)域，它又成為必要的技術(shù)基礎(chǔ)。第3章 光纖光柵解調(diào)方法3.1 光纖光柵的解調(diào)概念在光纖光柵傳感技術(shù)中，解調(diào)過程與傳感過程正好相反，解調(diào)的過程其實(shí)就是信號(hào)檢測(cè)的過程，光纖光柵解調(diào)技術(shù)是研究從己被調(diào)制的光信號(hào)中還原出原解調(diào)信號(hào)的技術(shù)，還原出的信號(hào)與被測(cè)信號(hào)成一定的比例，當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，由光纖光柵反射的光波波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，并且根據(jù)第二章的推導(dǎo)可知反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量與被測(cè)量的變化量呈線性關(guān)系。若想要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，我們可以利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)或空間復(fù)用技術(shù)組成

36、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的方法可以實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們測(cè)得的被測(cè)量的精度越高越好，所以如何高測(cè)量光纖光柵的反射波長(zhǎng)移動(dòng)量的精度就成了我們研究光纖光柵傳感器的關(guān)鍵問題。研究開發(fā)體積小、成本低、精度高的解調(diào)系統(tǒng)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)鍵問題。為了促使光纖光柵傳感器的發(fā)展，使其滿足實(shí)用化的要求，人們對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)編碼信號(hào)進(jìn)行解調(diào)是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感實(shí)用得到關(guān)鍵。由于光纖光柵所測(cè)量的是由光柵反射的光的反射波長(zhǎng)，所以，對(duì)反射波長(zhǎng)移位的檢測(cè)精度就直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。因此，光纖光柵傳感系統(tǒng)中應(yīng)有某些檢測(cè)裝置使得可以精密的檢測(cè)波長(zhǎng)或者波長(zhǎng)的偏移量。下面是幾種目前比較成熟的解調(diào)技

37、術(shù)的介紹。3.2 光纖光纖傳感系統(tǒng)解調(diào)方法介紹3.2.1 光譜儀檢測(cè)法光譜儀檢測(cè)法是一種最直接的波長(zhǎng)位移檢測(cè)方法，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于實(shí)驗(yàn)室使用。但是由于傳統(tǒng)的色散掕鏡或者衍射光柵為基礎(chǔ)的光譜儀的分辨率較低，所以造成了測(cè)量反射波波長(zhǎng)的精度不高，無法滿足實(shí)際情況的要求。高分辨率的光纖光譜分析儀可以滿足高精度測(cè)量的需求，但是其價(jià)格昂貴，體積龐大，由此構(gòu)成的系統(tǒng)成本高并且缺乏必要的緊湊性和牢固度，除此之外這種方法不適合在現(xiàn)在使用，在實(shí)際應(yīng)用的傳感器系統(tǒng)中是很不方便的，采用這種光譜儀檢測(cè)光纖光柵的波長(zhǎng)移位也是非常不現(xiàn)實(shí)的，更重要的是，光纖光譜儀直接測(cè)出的是光波的波長(zhǎng)的變化，它并不能直

38、接輸出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)變化的電信號(hào)，這對(duì)于測(cè)量結(jié)果的記錄、存儲(chǔ)和顯示以與提供回路必要的電信號(hào)以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的目的是極為不利的。其示意圖如圖3-1所示。寬帶光源光耦合器光譜分析儀FBG圖3-1 光譜檢測(cè)儀法示意圖3.2.2 非平衡馬赫-曾德干涉儀跟蹤法1992年，ADKersey等人提出了非平衡馬赫-曾德干涉解調(diào)法，由于此種方法采用的是干涉法來檢測(cè)波長(zhǎng)的移位，所以其具有極高的檢測(cè)靈敏度，這種方法適合于高分辨率動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感信號(hào)的檢測(cè)。其解調(diào)原理如圖3-2所示，此方法引起了國外許多研究人員的重視，并對(duì)其進(jìn)行了研究。寬帶光源定向耦合器壓電陶瓷相位漂移補(bǔ)償差動(dòng)運(yùn)放信號(hào)處理電路光電探測(cè)器FBG圖3-2

39、 非平衡馬赫-曾德干涉儀跟蹤法原理圖3.2.3 匹配光柵法匹配光柵濾波解調(diào)法是用一個(gè)與傳感光柵相匹配的接收光柵的波長(zhǎng)去推知傳感光柵的波長(zhǎng)。匹配光柵濾波解調(diào)法工作方式有兩種：一是反射方式，即傳感信號(hào)經(jīng)過傳感光柵后進(jìn)入匹配光柵檢測(cè)反射光強(qiáng)，當(dāng)探測(cè)器接收光強(qiáng)最大時(shí)傳感光柵與匹配光柵中心波長(zhǎng)完全匹配。二是透射方式，與反射方式類似的檢測(cè)透射光強(qiáng)，當(dāng)探測(cè)器接收的光強(qiáng)達(dá)到最小的時(shí)候就可獲得傳感光柵的中心發(fā)射波長(zhǎng)。匹配光柵解調(diào)法的基本原理如圖3-3所示。寬帶光源耦合器1壓電陶瓷光電探測(cè)器FBG1隔離器耦合器2FBG2圖3-3 匹配光柵解調(diào)原理圖該方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)最終檢測(cè)的反射光強(qiáng)無絕對(duì)要求，各類強(qiáng)

40、度噪聲也不會(huì)對(duì)輸出結(jié)果有影響。但這種方法也存在不可避免的缺點(diǎn)：一是要求兩個(gè)光柵嚴(yán)格匹配；二是由于傳感光柵的測(cè)量圍不能很大，所以實(shí)際當(dāng)中測(cè)量的圍受參考光柵應(yīng)變量的限制。3.2.4 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)法采用波長(zhǎng)周期變化的窄帶光譜掃描傳感光柵的發(fā)射譜?？烧{(diào)諧窄帶光源固定在呀電體PZT上，當(dāng)PZT受鋸齒波或正弦電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，窄帶光源的光譜在一定圍變化?？烧{(diào)諧窄帶光源解調(diào)法示意圖如圖3-4所示?？烧{(diào)諧窄光源隔離器數(shù)字示波器傳感FBG驅(qū)動(dòng)電壓圖3-4 可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)示意圖3.2.5 線性邊帶濾波解調(diào)法這種方法主要是基于光強(qiáng)檢測(cè)。線性邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)如圖3-5所示。此系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，主

41、要就是消除了光源波動(dòng)的影響，適用于動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的測(cè)量，具有較好的線性輸出，并且體積性對(duì)來說可以做的很小，便于戶外使用。但是也不能忽略其缺點(diǎn)，由于分辨率是由濾波器的濾波曲線的斜度而定的，所以線性邊帶濾波解調(diào)系統(tǒng)分辨率不是很高，而濾波曲線的線性近似也會(huì)造成一定的不可避免的誤差。光源耦合器1耦合器2除法器濾波器傳感器FBG輸出圖3-5 線性邊帶濾波解調(diào)示意圖3.2.6 可調(diào)諧法布里珀羅腔法 如圖3-6為可調(diào)光纖F-P腔解調(diào)原理圖，從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器和耦合器傳送到串聯(lián)在光纖上的分布式FBG傳感器，波長(zhǎng)滿足布拉格反射條件的光波被反射回來，F(xiàn)BG傳感器反射回的光經(jīng)耦合器入射到可調(diào)諧F-P腔中。系統(tǒng)中

42、利用壓電瓷作為F-P腔腔長(zhǎng)變化的驅(qū)動(dòng)元件，使可調(diào)諧F-P腔工作在掃描狀態(tài)。給PZT施加一個(gè)鋸齒波的掃描電壓，壓電瓷隨著掃描電壓的變化產(chǎn)生伸縮，從而使F-P腔的腔長(zhǎng)發(fā)生變化。當(dāng)腔長(zhǎng)的長(zhǎng)度是光纖光柵反射光波的半個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，光電探測(cè)器探測(cè)到最大光強(qiáng)，此時(shí)給施加的電壓就對(duì)應(yīng)著的中心反射波長(zhǎng)。通過檢測(cè)最大透射光強(qiáng)就可得到反射波波長(zhǎng)，進(jìn)而得到所測(cè)參變量。以上就是可調(diào)光纖腔解調(diào)原理。隔離器FBG1FBGnPZT驅(qū)動(dòng)電源P-P腔信號(hào)處理電路光電探測(cè)器定向耦合器圖3-6 可調(diào)光纖F-P腔解調(diào)原理圖第4章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)4.1 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的總體架構(gòu)基于光纖布拉格光柵測(cè)溫系統(tǒng)裝置可分為以下幾部分：光路部分、信

43、號(hào)處理部分、恒溫控制部分、通信部分、和服務(wù)器通信管理軟件幾大塊構(gòu)成。光路部分：包括C波段寬帶光源ASE模塊、F-P濾波器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，光纖光柵傳感陣列的設(shè)計(jì)等；信號(hào)處理部分：包括A/D采集電路設(shè)計(jì)、高速數(shù)字信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)；恒溫控制部分：用于對(duì)參考標(biāo)定光柵的恒溫控制，以與溫度的讀取等；服務(wù)器通信管理軟件與系統(tǒng)配置軟件設(shè)計(jì)。光纖布拉格光柵測(cè)溫系統(tǒng)裝置硬件框圖如圖4-1所示，服務(wù)器監(jiān)控用戶終端光纖F-P濾波器ASE寬帶光源耦合器耦合器掃描驅(qū)動(dòng)電路DSP掃描電壓生成與平滑調(diào)理參考光路耦合器同步ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換DSP數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)光標(biāo)準(zhǔn)具標(biāo)定光柵恒溫控制電路光電探測(cè)電路圖4-1光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)裝置硬件框圖

44、整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程如下：由ASE寬帶光源發(fā)出1525nm-1565nm波段的寬帶光，通過光纖F-P濾波器后再經(jīng)耦合器分成傳感光路和參考光路。在參考光路中并聯(lián)了標(biāo)定光柵和光標(biāo)準(zhǔn)具，并將這兩種器件放入系統(tǒng)部設(shè)置的恒溫電路控制的恒溫裝置中，帶系統(tǒng)穩(wěn)定后，在采集數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。在傳感光路中，傳感光經(jīng)過光路到達(dá)串聯(lián)在一起的光纖光柵，從而可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)測(cè)。傳感光路和參考光路獲得的光信號(hào)傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理與放大電路處理后，由AD轉(zhuǎn)換模塊同步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行濾波降噪、信號(hào)特征的提取與分析，根據(jù)光柵溫度解調(diào)算法解算出傳感光柵的溫度值。DSP數(shù)字信號(hào)處理器同時(shí)還集

45、成DA功能，DA輸出三角波電壓，經(jīng)過平滑調(diào)理后，由高壓驅(qū)動(dòng)電路放大，次電壓對(duì)F-P濾波器進(jìn)行掃描，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)光纖F-P濾波器。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了本地RS232接口，通過接口可以為用戶服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和監(jiān)控。本地系統(tǒng)還設(shè)計(jì)顯示和報(bào)警開關(guān)的輸出，為系統(tǒng)聯(lián)機(jī)提供了方便的接入端子。4.2 光路部分 光路部分是光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，這部分的結(jié)構(gòu)決定著系統(tǒng)溫度解調(diào)算法實(shí)現(xiàn)。4.2.1 ASE寬帶光源系統(tǒng)一般不會(huì)采用LED光源，由于LED從器件到單模光纖的耦合效率很低，在光功率方面不能滿足系統(tǒng)的要求，所以在系統(tǒng)中一般不會(huì)采用這種光源：對(duì)于SLED來說，其3dB帶寬較大，可達(dá)60nm以上，但其輸出

46、光功率很小，只有1mW左右，這種功率大小不能滿足系統(tǒng)中多路復(fù)用的要求；但是這種光源的價(jià)格非常昂貴；本課題采用ASE光源作為系統(tǒng)的光源此外，ASE光源具有輸出穩(wěn)定、受環(huán)境影響小、容易與單模光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)，且覆蓋了大部分的中紅外波段。綜合考慮，我們選擇ASE光源作為本系統(tǒng)的光源。ASE帶寬光源是專為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的。光源主題部分是增益介質(zhì)摻鉺光纖盒高性能的泵浦激光器。具有獨(dú)特的自動(dòng)溫度控制（ATC）和自動(dòng)功率控制（APC）。電路通過控制泵浦激光器的輸出保證了輸出功率的穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)APC，可在一定圍調(diào)節(jié)輸出功率。結(jié)構(gòu)如圖4-2。WDMWDMErbium Doped FiberPumpAPC&

47、ATCMPU SystemPumpIsolatoroutput圖4-2 ASE光源的結(jié)構(gòu)4.2.2 光纖耦合器利用連接器和熔接的方法都可以將兩段光纖連接起來，這樣可以滿足兩個(gè)器件之間的光信號(hào)的傳輸。但是在很多的應(yīng)用中，需要連接的不只是儀器的兩個(gè)端頭。耦合器就是將輸入信號(hào)分成兩路或多路輸出，或?qū)陕坊蚋嗦份斎牒喜⒊梢宦份敵觥?.3 信號(hào)處理電路部分4.3.1 ADC與DAC電路設(shè)計(jì)ADC設(shè)計(jì)中系統(tǒng)采用4通道同步轉(zhuǎn)換ADC芯片AD7865，圖4-3為AD7865的引腳分布圖，其具有14位精度、低功耗、采樣保持，單電源供電，電源電壓為2.7V至5.25V，四路同步采樣最高吞吐量可達(dá)100KSPS。

48、該器件置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時(shí)鐘進(jìn)行控制，從而為器件與微處理器或DSP接口創(chuàng)造了條件。輸入信號(hào)在CONVST信號(hào)的下降沿進(jìn)行同步采樣，四路轉(zhuǎn)換同時(shí)在此處啟動(dòng)。該器件不存在流水線延遲。采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，可在高吞吐量的情況下實(shí)現(xiàn)極低的功耗。采用5V電源，吞吐量為100KSPS時(shí)，AD7865的功耗為115mW。圖4-3 AD7865引腳分布圖關(guān)于DAC的設(shè)計(jì)：光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)1路DAC用于生產(chǎn)控制F-P濾波器的掃描電壓信號(hào)。DAC采用nanoDAC系列，其特點(diǎn)為低功耗、雙通道、12位緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），采用2.7V至5.5V單

49、電源供電，通過設(shè)計(jì)保證單調(diào)性，還有一個(gè)IC兼容型串行接口。置一個(gè)片基準(zhǔn)電壓源，部基準(zhǔn)電壓源則通過軟件寫入啟用。AD56x7RBRMZ置一個(gè)1.25V、5ppm/度基準(zhǔn)電壓源，滿量程輸出圍可達(dá)到2.5V；AD56x7RBRMZ置一個(gè)2.5V、5ppm/度基準(zhǔn)電壓源，滿量程輸出圍可達(dá)到5V，引腳如圖4-4。圖4-4 AD5627引腳分布DAC性能指標(biāo)：低功耗、雙通道nanoDAC12位精度片自帶基準(zhǔn)電壓源3mmx3mm、LFCSP和10引腳MSOP封裝采用2.7V至5.5V電源供電通過設(shè)計(jì)保證單調(diào)性上電復(fù)位至零電平各通道獨(dú)立省電硬件LDAC和CLR功能IC兼容型串行接口，支持標(biāo)準(zhǔn)（100kHz）、

50、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三種模式4.3.2 高速數(shù)字信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)高速數(shù)字信號(hào)處理電路采用高性能浮點(diǎn)DSP處理芯片，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，將處理后的結(jié)果信息通過串口發(fā)送至控制模塊，再通過GPIO接口對(duì)控制模塊等相關(guān)模塊進(jìn)行通信。本文選用的是ADSP SHARC 系列處理器，它們都是以ADSP-21000處理器核為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)大體一樣，在程序代碼設(shè)計(jì)上也具有高度的兼容性。ADSP2136的電路如圖4-5，下面就簡(jiǎn)單介紹下ADSPSHARC系列處理器的一些特點(diǎn)。圖4-5 ADSP2136的晶振1. 獨(dú)立并行運(yùn)算單元算數(shù)/邏輯單元（ALU）、乘法器和移位器都可以再單周期里執(zhí)行

51、指令，它們并列排列，大大提高了數(shù)據(jù)吞吐率。對(duì)于單個(gè)乘、累加指令，能同時(shí)并行的在乘法器和ALU中執(zhí)行。運(yùn)算單元支持IEEE32位單精度浮點(diǎn)、40位擴(kuò)展精度浮點(diǎn)和32位定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式。2. 通用數(shù)據(jù)寄存器通用數(shù)據(jù)寄存器在運(yùn)算單元和數(shù)據(jù)總線之間傳遞數(shù)據(jù)，能同時(shí)保存中間運(yùn)算結(jié)果。32個(gè)I/O端口的數(shù)據(jù)寄存器與處理器的超級(jí)哈弗結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)運(yùn)算單元與儲(chǔ)存器之間無限制的數(shù)據(jù)流動(dòng)。3. 單周期同時(shí)取1條指令和2個(gè)操作數(shù)ADSP SHARC 系列處理器超級(jí)哈弗結(jié)構(gòu)有2條數(shù)據(jù)總線：數(shù)據(jù)儲(chǔ)存總線（DM）和程序儲(chǔ)存器總線（PM）。DM總線主要傳遞數(shù)據(jù)，PM總線既可以傳送指令又可以傳輸數(shù)據(jù)，而且DM總線和PM總線分

52、開。這樣，ADSP SHARC 系列處理器利用指令緩存，就能在單周期實(shí)現(xiàn)同時(shí)取2個(gè)操作數(shù)和1條指令。4. 指令緩存ADSP系列處理器部有一個(gè)高效的級(jí)指令緩存，允許條總線同時(shí)取條指令和個(gè)操作數(shù)。指令緩存是否使用，也可以通過編程加以控制。有了指令緩存，處理器就能高速執(zhí)行循環(huán)操作，比如數(shù)字濾波的乘、累加操作和FFT碟性運(yùn)算等。5產(chǎn)生器ADSP SHARC系列處理器部有2個(gè)數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器（DAGS），在硬件上能實(shí)現(xiàn)環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖尋址，這樣就能夠有效的執(zhí)行延遲線操作，這對(duì)于高速高效的實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和傅里葉變換非常有用。ADSP SHARC系列處理器數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器能自動(dòng)處理環(huán)形地址指針，這樣就能降低程序開銷，

53、提高程序的執(zhí)行效率并簡(jiǎn)化程序代碼。環(huán)形緩沖區(qū)可以從儲(chǔ)存器的任一一地址單元開始，也可以再任一地址單元結(jié)束，處理器對(duì)此沒有任何限制。6有0.5-4M位可配置的雙端口SRAM雙端口SRAM可以被處理器核和DMA同時(shí)獨(dú)立訪問，根據(jù)不同型號(hào)芯片SRAM容量的大小，可以分別配置為不同容量的32位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、48位的程序儲(chǔ)存區(qū)以與混合32位或者48位進(jìn)行配置。7有豐富的外部接口片外存儲(chǔ)器尋址空間可達(dá)到4G字，支持可編程的等待模式與DRAM頁控制；2套串行口可以用多種操作模式進(jìn)行工作；6個(gè)4/8位的鏈路口可以實(shí)現(xiàn)松耦合方式的處理器連接。 DMA控制器支持10-14個(gè)DMA通道的無干預(yù)后臺(tái)傳輸，DSP核與I/O

54、處理器可以同時(shí)并行訪問部?jī)?chǔ)存器。8. 串行掃描與仿真特性ADSP SHARC 系列處理器支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEEP1149JTAG系統(tǒng)測(cè)試，該標(biāo)準(zhǔn)為串行掃描系統(tǒng)中元件的I/O狀態(tài)定義了有效的測(cè)試方法。JTAG串行口也能訪問系列處理器片的仿真資源。9. 支持靈活的指令集ADSP SHARC系列處理器48位指令字適用于不同的并行操作，能實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)算。例如，在單指令，可以有條件的執(zhí)行1次加、一次減和1次分支跳轉(zhuǎn)操作。選用的第三代ADSP-SHARC處理器提供了更高的性能、以工程應(yīng)用為重點(diǎn)的外設(shè)和新的儲(chǔ)存器配置。芯片速度為400MHz。同時(shí)簡(jiǎn)化了算法開發(fā)并集成了高帶寬和非常靈活的外部?jī)?chǔ)存器接口。芯片基于一

55、個(gè)單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）核，支持32位定點(diǎn)和32-40位浮點(diǎn)運(yùn)算格式，與以前的所有SHARC處理器代碼完全兼容，可最大化地復(fù)用已有代碼。片上儲(chǔ)存器總數(shù)為2MB的SRAM和6M的ROM，同時(shí)集成了各種音頻專用和通用外設(shè)。 其中電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4-6，SRAM接口如圖4-7。圖4-6 電壓轉(zhuǎn)換電路圖4-7SRAM接口原理圖4.4 參考光纖光柵的標(biāo)定 本系統(tǒng)要求為每一個(gè)參考光柵進(jìn)行溫度標(biāo)定，即找出每個(gè)光柵在不同溫度下的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)值，由此形成了一組溫度-波長(zhǎng)數(shù)據(jù)對(duì)，使用這組數(shù)據(jù)對(duì)擬合該光柵的溫度-波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系具體擬合算法是采用多項(xiàng)式擬合。如表4-1。表4-1 五個(gè)光柵進(jìn)行溫度定標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1528nm

56、1532nm1534nm1537nm1544nm第1次0880.60.631.331.41第2次0.690.680.451.191.91第3次0.540.680.641.192.28第4次0.820.570.421.321.26第5次0.770.740.611.331.065次平均0.740.6540.551.2721.5844.5 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)本文根據(jù)光線光柵測(cè)溫系統(tǒng)與服務(wù)器之間的通信方式和數(shù)據(jù)格式，設(shè)計(jì)了服務(wù)器端的軟件，實(shí)現(xiàn)了光纖溫度火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸、處理、存儲(chǔ)和顯示，軟件流程框圖如圖4-8。光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)RS232接口鏈路服務(wù)器數(shù)據(jù)處理高精圖形顯示告警列表顯示樹狀目錄顯示圖4

57、-8數(shù)據(jù)的傳輸與顯示流程圖光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)服務(wù)器端軟件主要由波長(zhǎng)監(jiān)控、設(shè)置、以與溫度監(jiān)控三部分組成，如圖4-9所示。在光柵測(cè)溫設(shè)置標(biāo)簽中（如圖4-10），可以設(shè)置光柵波長(zhǎng)圍，光柵的編號(hào)等信息，然后根據(jù)各個(gè)溫度下波長(zhǎng)的觀測(cè)值可以得到一組波長(zhǎng)溫度的對(duì)應(yīng)參數(shù)，點(diǎn)擊添加可以發(fā)送到DSP處理模塊中，進(jìn)行波長(zhǎng)溫度的轉(zhuǎn)換，從而計(jì)算出溫度。點(diǎn)擊寫入FLASH按鈕可以將這些參數(shù)固化到DSP處理模塊中，以后使用就可以不必再進(jìn)行一次配置。圖4-9波長(zhǎng)監(jiān)控界面圖圖4-10系統(tǒng)設(shè)置界面圖在光柵溫度監(jiān)控標(biāo)簽頁里面，可以監(jiān)控各個(gè)光柵的溫度值，并且能設(shè)定和顯示報(bào)警狀態(tài)，如圖4-11是設(shè)置警戒值為40攝氏度在10秒升溫不超過2

58、0度。此時(shí)不報(bào)警。當(dāng)有光柵溫度升高到40攝氏度以上，或者溫度在10秒升溫超過20度是產(chǎn)生報(bào)警，警燈變紅，并且提示光柵告警信息（如圖4-12）。點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕確定該報(bào)警信息，清楚報(bào)警狀態(tài)。4-11溫度監(jiān)控界面圖圖4-12溫度監(jiān)控界面圖第5章 系統(tǒng)測(cè)試5.1 測(cè)試過程與數(shù)據(jù)上述的工作完成后，我們將傳感光柵放入另一個(gè)恒溫箱，然后對(duì)恒溫箱的傳感光柵進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試容是在一套光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的一個(gè)通道上串接7個(gè)光柵，將這些光柵放入恒溫箱中進(jìn)行溫度控制，實(shí)驗(yàn)中，在0100度圍選取3個(gè)溫度值（5度、25度、65度）分別設(shè)定為測(cè)溫光柵的環(huán)境溫度（即恒溫箱的溫度），觀測(cè)記錄恒溫箱的這7個(gè)系統(tǒng)測(cè)溫探頭所測(cè)得的溫度值以與相應(yīng)的波長(zhǎng)值，同時(shí)記錄下相應(yīng)恒溫箱的標(biāo)準(zhǔn)溫