李德利，陳琳英，劉路路，楊大洋，張 棚

(太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024)

目前，F(xiàn)BG(Fiber Bragg Grating)傳感器已成為光纖光柵傳感領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，在石油化工，海洋探測(cè)，航空航天，煤礦開(kāi)采等領(lǐng)域都有著極其可觀的應(yīng)用前景［1］。傳統(tǒng)傳感器將電信號(hào)作為待測(cè)參量的載體，而FBG 傳感器是將光信號(hào)作為待測(cè)參量的載體。由于光的特性(安全、絕緣、抗電磁干擾等)及光纖獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)(質(zhì)輕、質(zhì)軟、耐腐蝕等)使得FBG 傳感器能夠制成具有不同特定功能、任意形狀的光纖傳感器。FBG 傳感器可以完成在高溫區(qū)、輻射區(qū)、狹小空間、強(qiáng)電磁干擾以及高電壓環(huán)境等傳統(tǒng)傳感器難以完成或者不能完成的任務(wù)。FFP－TF(Fiber Fabry－Perot Tunable Filter)解調(diào)法［2］具有調(diào)諧范圍廣、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠直接輸出與FBG 反射中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光解調(diào)信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于需要多點(diǎn)掃描的測(cè)量當(dāng)中。

STM32［3］系列32 位閃存微控制器集先進(jìn)的ARM Cortex－M3 內(nèi)核結(jié)構(gòu)、出眾創(chuàng)新的外設(shè)、良好的功耗控制和低成本于一體，具有指令效率高、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性能優(yōu)異、易于開(kāi)發(fā)、代碼方便移植等優(yōu)點(diǎn)。因此，將STM32 微控制器引入到解調(diào)系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)了一個(gè)應(yīng)用STM32 微控制器處理數(shù)據(jù)的FBG 傳感系統(tǒng)。

1 FFP-TF 解調(diào)原理

用可調(diào)諧F－P 濾波器法對(duì)FBG 傳感器反射中心波長(zhǎng)解調(diào)的基本原理如圖1 所示。

圖1 FFP－TF 解調(diào)原理結(jié)構(gòu)圖

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光隔離器，再經(jīng)過(guò)3 dB 耦合器耦合到反射FBG 傳感陣列中，F(xiàn)BG 傳感器反射回來(lái)的不同波長(zhǎng)的光波再經(jīng)由耦合器耦合到可調(diào)諧F－P 濾波器中?？梢越普J(rèn)為FBG 的反射光譜符合高斯分布［4］，設(shè)其中心波長(zhǎng)為λB，其帶寬為δ0。由于FBG 的反射光譜帶寬僅為0.2 nm，寬帶光源光強(qiáng)在這段區(qū)間內(nèi)可以近似認(rèn)為是平均分布的，設(shè)FBG 的反射譜為G(λ)，則有式(1):

F－P 濾波器的濾波函數(shù)如(2)式所示:

式(2)中的λ 的范圍由光源范圍決定，其中R、n、φ 分別為F－P 濾波器的反射率、折射率、光入射角。透過(guò)光纖FP 濾波器的光纖光柵反射光由PD(光電探測(cè)器)接收，PD 接收到的光功率PD(λ)是FBG 反射譜和F－P 濾波器透射函數(shù)的卷積積分如式(3):

將式(1)、(2)、(3)整理得式(4):

由于PZT(壓電陶瓷)可以很好地將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在外加電動(dòng)勢(shì)的作用下可產(chǎn)生形變，故可用壓電陶瓷作為F－P 腔的驅(qū)動(dòng)元件，在微位移驅(qū)動(dòng)器的周期性驅(qū)動(dòng)下，F(xiàn)FPTF 腔長(zhǎng)進(jìn)行周期性的伸縮，使其透射波長(zhǎng)在某一范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。設(shè)被測(cè)FBG 中心波長(zhǎng)λB在t0時(shí)刻滿足FFP－TF透過(guò)的極大條件，即滿足(5)式，PD 此時(shí)輸出電壓峰值。

式(5)中的L 為FFP－TF 的初始腔長(zhǎng)，ΔL 為腔長(zhǎng)的變化量，k 為干涉級(jí)數(shù)，是任意整數(shù)。根據(jù)提前標(biāo)定的FFP－TF 的腔長(zhǎng)變化、微位移驅(qū)動(dòng)器周期驅(qū)動(dòng)與時(shí)間的關(guān)系，可以求出被測(cè)FBG 的中心波長(zhǎng)λB。再根據(jù)FBG 中心波長(zhǎng)的移動(dòng)范圍即可得到FFP－TF 透射光波對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感點(diǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)FBG 的分布式傳感。其中信號(hào)采集、信號(hào)處理、掃描電壓控制以及顯示過(guò)程由嵌入式微處理器完成。

2 解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)模塊:光信號(hào)處理模塊與電信號(hào)處理模塊。光信號(hào)處理模塊主要用來(lái)跟蹤分析傳感光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)的漂移，將光信號(hào)波長(zhǎng)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào);電信號(hào)處理模塊主要用來(lái)完成對(duì)光信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)換來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算，轉(zhuǎn)為數(shù)字信息，提取到外界信息后，最后以用戶熟悉、界面友好的形式輸出顯示。系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:光路系統(tǒng)，擴(kuò)展電路以及嵌入式控制系統(tǒng)。

2.1 光路系統(tǒng)

光路系統(tǒng)主要是由寬帶光源、光隔離器、3 dB 耦合器、FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)及可調(diào)諧F－P 濾波器部分等組建而成。光路系統(tǒng)需要外界提供掃描電壓給可調(diào)諧F－P 濾波器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧F－P 濾波器。

2.2 擴(kuò)展電路

擴(kuò)展電路主要包括A/D 輸入模塊以及D/A 輸出模塊。A/D 輸入模塊中PIN 光電二極管將FFP－TF 的透射光譜轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理電路將光路系統(tǒng)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，再送至STM32 系統(tǒng)進(jìn)行A/D 采樣。D/A 輸出模塊用來(lái)對(duì)光路系統(tǒng)中的可調(diào)諧F－P 濾波器提供掃描電壓。

2.2.1 A/D 輸入模塊

光電檢測(cè)電路是由一個(gè)實(shí)為光—電流—電壓轉(zhuǎn)換的PIN 光電二極管及相關(guān)電路部分組成。PIN 光電二極管的缺點(diǎn)是輸出的電流一般只有數(shù)微安。PIN 光電二極管將接收到的光信號(hào)變?yōu)榕c之成對(duì)應(yīng)比例的微弱電流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器以及與PIN 光電二極管的串聯(lián)電阻所組成的放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。持續(xù)光照的PIN 光電二極管可看成一個(gè)電流源，當(dāng)它的負(fù)載阻抗為零時(shí)，輸出特性為最好。

A/D 轉(zhuǎn)換是采樣電路的核心，考慮到系統(tǒng)對(duì)分辨率、速度與精度等參數(shù)的要求，ADC 芯片選用Burr－Brown 公司出品的ADS8320，16 位精度的高速A/D 轉(zhuǎn)換芯片，最高采樣頻率為100 kHz。超低功耗和體積小使ADS8320 成為理想的便于攜帶和電池供電系統(tǒng)。

2.2.2 D/A 輸出模塊

可調(diào)諧F－P 掃描電壓由單片機(jī)通過(guò)外圍電路產(chǎn)生，根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)掃描范圍為40 nm，分辨率為1 pm，故D/A 芯片的位數(shù)N 應(yīng)該滿足:

即N≥16，為了給可調(diào)諧F－P 濾波器提供一個(gè)高精度的電壓供給，決定選用DAC8811 芯片，16 位精度的高速D/A轉(zhuǎn)換芯片。

2.3 嵌入式控制系統(tǒng)

主控芯片選用ST 公司推出的基于Cortex－M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6 芯片，它集先進(jìn)Cortex－M3 內(nèi)核結(jié)構(gòu)、良好的功耗控制、出眾創(chuàng)新的外設(shè)和低成本于一體。STM32 擁有全系列軟件的高度兼容性及腳對(duì)腳和外設(shè)，能夠在不修改軟件及原始框架的條件下，可將應(yīng)用精簡(jiǎn)為使用更少的存儲(chǔ)空間，或升級(jí)為需要更多的存儲(chǔ)空間。

3 解調(diào)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)STM32 易于開(kāi)發(fā)，可使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)的特點(diǎn)，采用STM32 固件庫(kù)進(jìn)行編寫(xiě)。STM32 固件庫(kù)提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問(wèn)STM32 的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如下功能:

1)制FBG 解調(diào)系統(tǒng)的工作;

2)采樣濾波電路所處理過(guò)的電信號(hào);

3)給PZT 提供鋸齒波驅(qū)動(dòng)電壓，若某時(shí)采集到FBG 信號(hào)，則記錄此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;

4)根據(jù)FBG 傳感器所測(cè)量的外界物理量與本身中心波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出所測(cè)物理量的值并顯示結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

進(jìn)行溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。光源選用ASE－C 型C 波段寬帶光源，工作波長(zhǎng)范圍為1 525 nm～1 565 nm。傳感器選用GFRP 封裝的FBG 溫度傳感器，30.0 ℃時(shí)標(biāo)定的中心波長(zhǎng)為1 553.971 nm，溫度系數(shù)為19.05 pm/℃。將FBG 傳感器放入溫控箱，不受外界應(yīng)變的影響。從20 ℃開(kāi)始，每增加10 ℃定溫20 min 測(cè)定一次波長(zhǎng)，直至80 ℃。測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

將測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制成波長(zhǎng)—溫度曲線圖，如圖2 所示。圖中的‘▲’表示波長(zhǎng)理論值，‘▼’表示波長(zhǎng)實(shí)際測(cè)量值，‘■’表示理論波長(zhǎng)與實(shí)際測(cè)量波長(zhǎng)的絕對(duì)誤差值，‘●’表示標(biāo)定溫度與實(shí)際測(cè)量溫度的誤差值，直線為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的線性擬合。x 軸表示溫度，y 軸表示波長(zhǎng)或者溫度。

圖2 波長(zhǎng)—溫度曲線圖

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該溫度傳感系統(tǒng)具有良好的線性度，測(cè)得的波長(zhǎng)、溫度與理論波長(zhǎng)、標(biāo)定溫度基本一致，各點(diǎn)的波長(zhǎng)偏差在±4 pm 以內(nèi)，系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度可達(dá)±0.2 ℃。

5 結(jié)論

本文提出了基于STM32 的FFP－TF 法FBG 傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了STM32 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。該傳感系統(tǒng)具有測(cè)量速度快，精確度高等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)精確測(cè)量的目的。該傳感系統(tǒng)可用于智能結(jié)構(gòu)(石油化工、海洋探測(cè)、航空航天、煤礦開(kāi)采等)的溫度等參數(shù)的采集，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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