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基于单片机的光纤光栅解调器

宣布时间:2010年07月25日 21:07    宣布者:lavida
要害词: 单片机 , 光纤 , 光栅解调器
光纤光栅传感器的应用是一个向阳东升的领域,有着异常辽阔的生长远景。现在限制光纤光栅传感器年夜量现实应用的最主要误差就是传感旌旗暗记的解调。光纤光栅传感解调措施有许多,然则能够现实应用的解调产物着实不多,而且价钱昂贵。是以研究开发适于现实工程应用的解调系统,降低解调系统的资源,是使光纤光栅传感器能够在现实工程应用中取得推行的要害效果。  
  
有鉴于此,为了知足工程应用的须要,本文提出了一种基于单片机的光纤光栅解调手艺,即应用现在应用极端普遍,价钱较量克己的单片机作为旌旗暗记搜集和处置赏罚赏罚的MCU,开发一种较高精度的、克己的、便携的、能阻拦快速丈量且能便利取得所测参变量年夜小的解调器。为明确决了单个单片机速率较慢的效果,系统中接纳双CPU,其中一个单片机完成旌旗暗记解调的算法,而此外一个单片机完成逻辑控制,人机接口和与上位机的通讯,经由历程双口RAM完成双机数据共享。  
  
1、解调系统结构和原理  
  
解调系统全体结构图如图1所示。主要由三部门组成,Bragg光栅(丈量光栅),光纤光栅解调器,盘算机。其中光纤光栅解调器可以细分为2个部门,模拟电路部门和数字电路部门,模拟电路部门的功效是把Bragg光栅(丈量光栅)遭到的应变或许温度变换酿成照顾的电旌旗暗记,数字部门把电旌旗暗记转换成上位性能直接应用的数字旌旗暗记,可以是波长值也可以是温度或许应变值,而完成这个功效的MCU接纳的就是单片机。  


  
解调系统的解调原理是基于可调谐法布里-珀罗腔(F-P解调)的使命原理。用于Bragg光栅传感旌旗暗记解调的光纤F-P腔滤波器现实上是一个压控的光带通滤波器,通常用压电陶瓷作为F-P 腔腔长变换的驱动元件。给压电陶瓷施加一个扫描电压, 压电陶瓷发生伸缩, 从而改变F-P 腔的腔长, 使透过F-P腔的光的波长发生改变。经由历程探测器检测透射光强度,当探测器探测到最年夜光强时给压电陶瓷施加的电压就对应着FBG 的反射波长。这样给Bragg光纤光栅传感器注入光旌旗暗记,将从FBG 传感器反射回来的光加到光纤F-P腔滤波器的输入端,经由历程给光纤F-P腔滤波器的压控端加上一个三角形的扫描电压,则在光纤F-P腔滤波器的输入端便可取得一个与输入光光谱相对应的时间域电旌旗暗记。这些时域旌旗暗记经由镌汰年夜电路和较量电路的整形,就取得了一系列的脉冲旌旗暗记,我们在这些脉冲旌旗暗记中加入一些结实波长和职位的尺度脉冲旌旗暗记,那么这些脉冲旌旗暗记中的各个脉冲关于尺度脉冲的相对职位就网罗了FBG传感器反射光的光谱信息。图2指导了这个解调历程。最后再经由历程单片机组成的电路把取得的脉冲转换成波长值。  

2、单片机解调系统的组成和使命措施  
  
单片机解调系统的主要目的就是把这些脉冲旌旗暗记处置赏罚赏罚成相对应的波长值。经由历程模拟部门的解调我们取得网罗丈量光栅和尺度光栅在扫描周期内相对职位的脉冲旌旗暗记,尺度光栅对应一个结实的波长,而且它对应的脉冲旌旗暗记在每个扫描周期内的职位又是结实的(尺度光栅用恒温电路来保持波长恒定),那么假定能取得各个脉冲旌旗暗记的相对职位值,再经由历程插值的算法可以得丈量光栅的波长值。  


  
在本解调系统中接纳的是武汉理工光科股分无限公司临盆的光纤光栅作为丈量光栅,基于F-P腔原理的波长选择器作为解调腔,丈量的规模能够到达30nm,三角波扫描旌旗暗记的周期为1s,丈量的频率1Hz。把三角波扫描旌旗暗记的上升沿分红能够到达设计精度的无限多个计数点,这样便可以用单片机读出FBG1、FBG2、…..FBGn光栅阵列及尺度光栅脉冲旌旗暗记在三角波上升沿中的职位值了。此外一个单片机的功效就是应用这些值算出波长,并与盘算机阻拦数据通讯。电路图如图所示。这里单片机选用是89C52,用4060发生一个稳固的计数脉冲,当三角波泉源时1号单片机计数,有脉冲到来时,记下计数器的值并存入片内RAM;三角波到最高点时计数器清零,把职位值送入双口RAM,然后期待下一次计数。CPU1泉源计数时CPU2把数据从双口RAM中取出,经由历程插值或其他的算法盘算出脉冲对应的波长值或许温度值并与盘算机通讯。   


  
电路简图  
  
我们可以经由历程单片机的其它的I/O口同时输入更多的丈量脉冲。刷新光路和模拟电路部门,便可以制造2通道、4通道的光纤光栅解调仪,供应更多的丈量点,而数字电路完全不需修改,只需对软件部门阻拦调剂便可。  

3、系统剖析和数据处置赏罚赏罚  
  
单片神秘完全准确的记下每个脉冲,那么它的计数、传送指令要在每个脉冲的脉宽内完成,假定脉冲宽度只需1个计数单元,即计数、传送指令须要在约为10微秒的时间内完成,AMTEL的89C52最高使命频率能到达24MHz, 这时间间其时钟周期为0.5微秒,那么只需计数、传送的指令周期不逾越20个时钟周期,便可以到达请求,公正的读写法式模范模范显着是能够知足这个请求的。而通常脉冲的宽度浅易远年夜于1个计数单元,以是脉冲的变换是能够实时纪录的。同时2号单片机有1s的时间把数据从RAM取出,算出脉冲的中值,然落先行插值盘算,时间也是足够的。假定算法过于严重年夜,例如接纳拉格朗日算法等等,也能够或许把职位值传送给盘算机阻拦数据处置赏罚赏罚。  
  
把数据从单片机传送给盘算机的历程当中数据能够会泛起弱点,通讯法式模范模范中必须加入纠错处置赏罚赏罚,可以接纳奇偶校验的措施,例如单字节校验或许多个字节校验等等。同时为了防止光栅职位值的有时突变,有须要对职位值阻拦腻滑处置赏罚赏罚。经由历程以上的处置赏罚赏罚措施,盘算机能够取得一组准确、稳固的数据。为了减小F-P腔的漂移及系统非线性对职位值的影响,我们接纳尺度光栅来与丈量光栅阻拦较量盘算,可以接纳线性算法阻拦盘算。然则在现实的应用中,发现待测光栅离尺度光栅较近时,丈量值越准确;较远处则误差相对较年夜。为了进一步前进精度,可以接纳2尺度、5尺度或许梳状滤波器来阻拦分段线性插值盘算,这样便可以年夜年夜前进丈量的精度,虽然也能够或许接纳拉格朗日算法或许一再再三项公式等更严重年夜的措施来阻拦波长盘算。在我们的仪表中接纳的是5尺度光栅的拉格朗日算法来盘算波长,温度的丈量精度能到达±1℃。  
  
4、阻拦语  
  
脉冲的相对职位值与波长的关系现在没法由现实知识推导取得, 然则可以经由历程实验, 用数理统计的措施找出变换纪律从而找出它们之间的对应关系。应用此对应关系, 在单片机中阻拦有关数据处置赏罚赏罚, 从而取得所测温度或应力的年夜小。现在我们接纳拉格朗日算法,并应用一些合适的数据处置赏罚赏罚和标定的措施,就现在解调仪的使命情形来看,效果照样可以的,丈量精度能够到达±5pm,重复性最年夜误差为8pm。为了前进解调仪的使命频率,前进解调仪的适用性,也能够或许接纳基于DSP或许DSP+ARM的解调电路,但资内幕对就要高些。  
  
FBG 光栅有辽阔的应用远景, 在通讯、修建、机械、医疗、航天、航海、矿业都能施展主要作用,有关于FBG 光栅的现实研究到现在为止已取得了很年夜成就。接纳合适的解调手艺,降低光纤光栅的应用资源,便能够推动光纤光栅传感器在现实工程中取得普遍的应用。
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