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基于DSP的光纤光栅解调系统的设计

宣布时间:2010年11月28日 12:11    宣布者:designer
要害词: dsp , 光纤 , 光栅 , 解调
光纤布拉格光栅传感器(FBGS)是用光纤布拉格光栅(FBG)作敏感元件的功效型光纤传感器,可用于直接检测温度和应变,和与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的直接丈量。在光纤布拉格光栅传感器的应用研究中,波长解调是一个主要的方面。现在限制光纤光栅传感器应用的最主要误差是传感旌旗暗记的解调。波长解调措施主要有光谱仪、斜边滤波法、可调谐滤波法、干预干与干与扫描法、婚配光栅法等。然则,在这几种措施中,光谱仪资源较高,斜边滤波法的分辨率较小,干预干与干与仪没有好的重复性,而可调谐滤波器的扫描周期较长。是以,近年来,婚配光栅法愈来愈遭到人们的喜欢。为此,文中简介了一种质朴、克己且由两个并联的婚配光栅解调来检测光纤光栅传感器的系统设计措施。

1 双光栅婚配原理

双光栅婚配系统体现图如图1所示。宽带光源收回的光经3 dB耦合器进入传感FBG。再由FBG反射落祖先两路婚配光栅,对应的两个光电探测器取得与其对应波长有关的光旌旗暗记,然后由光电探测器将其转换为电旌旗暗记并进入旌旗暗记搜集处置赏罚赏罚电路提取有用旌旗暗记,最后由后续旌旗暗记处置赏罚赏罚系统完成数据的搜集与处置赏罚赏罚。





图1中,PD1和PD2为光电探测器,光电探测器所探测到的光功率P为:





其中I1(λ)和I2(λ)划分为传感光栅和婚配光栅的反射功率谱密度函数。二者的反射功率谱函数都可用高斯函数近似体现:





式中,I0为反射谱强度峰值;λs为反射谱强度为I0时对应的波长值;△λs为反射谱的3 dB带宽。浅易情形下,光电探测器所探测到的光功率的年夜小与传感光栅和婚配光栅的反射谱的卷历年夜小成正比。传感光栅的中央波长λc与婚配光栅的中央波长λp的差值越小,对应的卷积值越年夜。由于△λ年夜于阈值△λmin时,卷积值太小能够没法一连解调,是以,解调规模会遭到限制。

浅易的婚配法只需一个传感光栅一个婚配光栅,对应只需一个△λ。当该△λ≥△λmin时,解调系统将没法一连解调。关于双光栅婚配解调系统,传感光栅与两个并联的婚配光栅的中央波长近似相等,但略有差异。三者关系为:λp1<λc<λp2,λp1和λp2划分体现两个婚配光栅的中央波长。λc是传感光栅的中央波长。传感光栅在外界应力作用下时,△λ1=∣λc-λp1∣,△λ2=∣λc-λp2∣;当λc增年夜时△λ1增年夜,△λ2减小;当λc减小时,△λ1减小,△λ2增年夜。图2所示为△λ1、△λ2和λc三者的关系图,其中△λmin是光电探测器可以探测到的最小值。是以,凭证图2可知,在现实上,双光栅婚配解调系统总是至少有一个光电探测器可以探测到可用光旌旗暗记。





2 基于DSP的解调系统设计

2.1 系统硬件设计

婚配光栅反射回来的光入射到光电探测器(PD)上可转换为电旌旗暗记。光电转换部门和旌旗暗记搜集部门主要完成对PD输入电旌旗暗记的搜集,搜集到的旌旗暗记再转化为数字旌旗暗记由DSP阻拦处置赏罚赏罚。DSP主要完成数据的插值运算和寻峰处置赏罚赏罚,并凭证处置赏罚赏罚效果反映给DSP,由DSP凭证反映旌旗暗记控制步进电机完成下一步的解调使命,其系统硬件框图如图3所示。





为了完成高精度的数据采样,本系统选用美国AD公司推出的一种12位带并行微机接口的逐次切远亲近型模/数转换芯片AD1674来完成系统的模数转换,AD1674外部自带采样保持器(SHA)、10V基准电压源、时钟源和可和微处置赏罚赏罚器总线直接接口的暂存/三态输入缓冲器。

本系统接纳TMS320VC5402作为主控芯片。这类定点DSP芯片可完成光纤光栅传感旌旗暗记的处置赏罚赏罚、步进电机的控制和显示等。该芯片具有强年夜的数据运算和处置赏罚赏罚功效,应用其RPT和MAC指令可以在单指令周期内完成乘累加运算。其无邪的循环缓冲区和高效的C语言可使TMS320VC5402便利地完成数据的循环寻址与卷积运算,从而完成高速率解调。

2.2 系统软件设计

DSP系统的软件部门主要由初始化法式模范模范、线性插值子法式模范模范或许曲线拟合子法式模范模范、显示法式模范模范、驱动法式模范模范、中止服务法式模范模范等几部门组成,可以将A/D转换和串行通讯代码放在中止服务法式模范模范中来完成。

初始化法式模范模范用于完成DSPI/O口、外部A/D转换器、串行口、中止等资源的初始化。为了协调A/D转换和步进电机的控制,可由DSP收回控制旌旗暗记来控制步进电机,以使经由A/D转换所得的数字旌旗暗记与加在婚配光栅上的步数逐一对应。显示部门的法式模范模范可将此数字旌旗暗记经代数变换转换为直接体现应力的数字量,然后经由历程查表静态完成应力显示。

当婚配光栅反射波长与光纤光栅反射波的中央波长堆叠时,光电转换输入脉冲旌旗暗记,并向DSP请求中止,然后由DSP推行中止服务法式模范模范,以将DSP外部A/D转换器转换所得的数字量读入DSP并生涯起来,最后经由历程串行口发送到上位机再中止前往。

3 实验效果剖析

由实验可得,在砝码质量从0 g增添到60 g的历程当中,粘贴在悬臂梁上的FBG1中央波长漂移0.716 nm,图4所示为FBG1中央波长随砝码质质变换的曲线图。由图4可知,悬臂梁上的FBG中央波长变换量与悬臂梁自在端所施加的砝码质量成较好的线性关系,而且具有较高的迅速度。




实验中可经由历程增添砝码的质量施加对悬臂梁赓续增添的拉伸应力。两个婚配光栅反射光旌旗暗记划分被各自对应的光电探测器所吸收。光电探测器输入的模拟电压旌旗暗记则由以DSP为焦点的旌旗暗记处置赏罚赏罚系统的一系列处置赏罚赏罚得出传感光纤布拉格光栅所感测到的外界物理量的年夜小。

当PD1对应处置赏罚赏罚后的电压旌旗暗记值为5 V时,对应的点为A和C,即对应的有两个光纤布拉格光栅的波长值。是以,关于这个5 V电压,解调系统没法直接断定出对应的悬臂梁负载的质量是A点照样C点所对应的质量。关于双光栅婚配解调系统,经常会存在两个婚配光栅并对应两个光电探测器。除存在PD1外,还存在PD2。系统可以经由历程PD1和PD2二者所对应的电压值来一定发生5V电压时所添加的砝码质量。现实上,可经由历程DSP系统的运算处置赏罚赏罚取得婚配光栅中央波长的变换量,从而取得传感光栅的中央波长变换量。关于双光栅婚配解调系统,对应的传感光栅可以取反射谱的双边,从而扩年夜传感光栅的丈量规模。光电探测器的输入经旌旗暗记疗养电路后的电压随应力的变换曲线如图5所示。




4 阻拦语

双光栅婚配解调系统是以婚配法为基础并加以刷新新措施。它一连了婚配法结构质朴、资源低、完成容易等优点。同时,双光栅婚配解调系统还处置赏罚赏罚了因光电探测器招致的丈量规模受限的效果,也处置赏罚赏罚了婚配法中存在的双值效果。该解调系统将婚配光栅粘贴于特殊悬臂梁上,并接纳DSP阻拦处置赏罚赏罚,不只前进了照顾速率,而且前进明确调的精度和稳固性。减小了婚配光栅因应力过年夜而破损的能够性。应用拉力作为系统的待丈量阻拦解调实验证实该系统具有优胜的线性度、解调精度、速率及迅速度。
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