基于單片機的光纖光柵解調器設計

光纖光柵傳感器的應用是一個方興未艾的領域,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用的最主要障礙就是傳感信號的解調。光纖光柵傳感解調方法有許多,但是能夠實際應用的解調產品并不多,而且價格昂貴。因此研究開發(fā)適于實際工程應用的解調系統,降低解調系統的成本,是使光纖光柵傳感器能夠在實際工程應用中得到推廣的關鍵問題。

有鑒于此，為了滿足工程應用的需要，本文提出了一種基于單片機的光纖光柵解調技術，即利用目前應用極為廣泛，價格比較便宜的單片機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、能進行快速測量且能方便獲取所測參變量大小的解調器。為了解決了單個單片機速度較慢的問題，系統中采用雙CPU，其中一個單片機完成信號解調的算法，而另一個單片機完成邏輯控制，人機接口和與上位機的通信，通過雙口RAM實現雙機數據共享。

1、解調系統結構和原理

解調系統總體結構圖如圖1所示。主要由三部分組成，Bragg光柵(測量光柵)，光纖光柵解調器，計算機。其中光纖光柵解調器可以細分為2個部分，模擬電路部分和數字電路部分，模擬電路部分的功能是把Bragg光柵(測量光柵)受到的應變或者溫度變化變成相應的電信號，數字部分把電信號轉換成上位機能直接使用的數字信號，可以是波長值也可以是溫度或者應變值，而實現這個功能的MCU采用的就是單片機。

圖1 解調系統總體結構

解調系統的解調原理是基于可調諧法布里－珀羅腔（F-P解調）的工作原理。用于Bragg光柵傳感信號解調的光纖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 腔腔長變化的驅動元件。給壓電陶瓷施加一個掃描電壓, 壓電陶瓷產生伸縮, 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度,當探測器探測到最大光強時給壓電陶瓷施加的電壓就對應著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的時間域電信號。這些時域信號經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準脈沖信號，那么這些脈沖信號中的各個脈沖對于標準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指示了這個解調過程。最后再通過單片機構成的電路把得到的脈沖轉換成波長值。

2、單片機解調系統的構成和工作方法

單片機解調系統的首要目的就是把這些脈沖信號處理成相對應的波長值。通過模擬部分的解調我們得到包含測量光柵和標準光柵在掃描周期內相對位置的脈沖信號，標準光柵對應一個固定的波長，而且它對應的脈沖信號在每個掃描周期內的位置又是固定的（標準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過程