完整word版光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計(jì)方案報(bào)告

1、 光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計(jì)方案報(bào)告 目錄 1 概述. 3 產(chǎn)品功能和用途 . 4 2技術(shù)要求3 . 4 技術(shù)方案 . 54 方案概述 . 4.1 5 產(chǎn)品組成和原理框圖 4.2 . 5 產(chǎn)品組成 . 5 4.2.1 原理框圖 .4.2.2 . 5 硬件設(shè)計(jì) 4.3 . 6 可調(diào)諧窄帶光源 . 64.3.1 波長(zhǎng)校準(zhǔn) . 13 4.3.2 光電探測(cè)器模塊 . 4.3.3 16 數(shù)據(jù)采集與控制模塊4.3.4 . 18 其它光學(xué)器件 4.3.5 . 20 新技術(shù)、新材料、新工藝采用情況 4.4 . 23 關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑 5. 23 波形同步循環(huán) .5.1 . 23 信號(hào)處理 5.2. 24 增加系統(tǒng)光

2、功率 5.3. 26 662. . 可行性分析 概述1 是與光纖光柵類(lèi)傳感器配套的光纖光柵解調(diào)儀作為光纖光柵類(lèi)傳感器的通用解調(diào)設(shè)備，波光纖光柵解調(diào)儀是對(duì)光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的微小偏移進(jìn)行精確測(cè)量，不可或缺的設(shè)備。因此光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)的優(yōu)劣直接影響整個(gè)傳感系統(tǒng)的檢測(cè)精度， 纖光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)之一。 對(duì)橋梁的多物理量結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)光纖光柵光纖光柵光纖光柵振光纖光柵光纖光柵溫光纖光柵應(yīng)光纖光柵重索力計(jì)測(cè)力計(jì)壓力計(jì)動(dòng)傳感器度傳感器變傳感器載車(chē)識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)）SDM、TDM、（WDM光纖光柵解調(diào)儀（多通道）遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 圖1光纖光柵解調(diào)儀在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用 光纖光

3、柵解調(diào)儀在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)有著非常重要的作用，它將光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解算出來(lái)，并傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)里的上位機(jī)程序?qū)⒏鞣N波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為待測(cè)物理量的特征信號(hào)，即可對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，如圖1所示，傳感器為網(wǎng)絡(luò)中樹(shù)葉，解調(diào)儀為樹(shù)根，樹(shù)干為傳輸光纖。解調(diào)儀的通道數(shù)量決定了樹(shù)干光纖的芯數(shù)。多個(gè)解調(diào)儀即構(gòu)成的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)組成了森林，該森林中樹(shù)的數(shù)量?jī)H受到計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)內(nèi)的IP地址限制。從一定程度上說(shuō)，光纖光柵解調(diào)儀決定了一套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本。 為了實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理量的高精度測(cè)量，在過(guò)去的十多年里，相關(guān)科學(xué)家在光纖光柵傳感器技術(shù)的研究和應(yīng)用方面取得了突破性的進(jìn)展，提粗了許多解調(diào)方法來(lái)檢

4、測(cè)光纖光柵中心波長(zhǎng)的微小變化，比較典型的有：匹配濾波法、非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉儀法，可調(diào)諧光纖光柵濾波器法、可調(diào)諧Fabry-Perot（F-P）濾波器法等，如表1所示。 表1 常用光纖光柵解調(diào)方法 解解調(diào)方法 基本原理 特點(diǎn) 適用場(chǎng)合 利用一個(gè)傳感光柵參優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。分辨率較高靜態(tài)測(cè)量或缺點(diǎn)：自由譜范圍窄，對(duì)匹配 數(shù)一樣的匹配光柵來(lái)匹配光柵法 者低速測(cè)量 光柵要求高。濾波長(zhǎng) 優(yōu)點(diǎn)：成本較低，有較好的線(xiàn)將波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)化為光 實(shí)驗(yàn)室性輸出。邊緣濾波器法 強(qiáng)變化 缺點(diǎn)：分辨率不是很高。分辨率高但是靈敏度和測(cè)量動(dòng)態(tài)變量測(cè)將波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)化為相范圍不容易調(diào)整，不穩(wěn)定且不干涉法 非平衡

5、M.Z 位變化 量 能復(fù)用體積小、靈敏度高、光能利用利用F-P腔的可調(diào)諧濾 腔法 工程應(yīng)用可調(diào)諧F-P 波作用 高、解調(diào)比較方便從表1可以看出，邊緣濾波法適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用，匹配光柵法自由譜范圍比較窄，不適合多通道的光纖光柵解調(diào)?；诳烧{(diào)諧F-P濾波器的解調(diào)原理可實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)解調(diào)，且在工程實(shí)際應(yīng)用中最多，本方案中的解調(diào)原理采用基于可調(diào)諧F-P濾波器的方法。 2 產(chǎn)品功能和用途 光纖光柵解調(diào)儀可用于對(duì)光纖光柵類(lèi)傳感器的波長(zhǎng)解算，并將解算出的波長(zhǎng)信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，是作為光纖光柵類(lèi)傳感器必需配備的產(chǎn)品。 光纖光柵解調(diào)儀可用于基于光纖光柵傳感器的各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，如橋梁、大壩、航空航天、石油

6、化工等行業(yè)。光纖光柵解調(diào)儀也可作為光纖光柵類(lèi)傳感器的解調(diào)設(shè)備，如光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵壓力傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器等。 3 技術(shù)要求 a) 解調(diào)范圍：15301560nm b) 通道數(shù)：8通道 c) 掃描頻率：20Hz d) 精度：10pm 2pm 分辨率： e)f) 尺寸： 4 技術(shù)方案 4.1 方案概述 本方案的光纖光柵解調(diào)儀，采用基于可調(diào)諧F-P濾波器的可掃描窄帶光源和基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)校準(zhǔn)的解調(diào)原理。光纖光柵解調(diào)儀器主要由可掃描窄帶光源、波長(zhǎng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集與掃描控制幾個(gè)模塊和一些光學(xué)輔助器件組成。光纖光柵解調(diào)儀可以解算出光纖光柵類(lèi)傳感器的波長(zhǎng)信息，是對(duì)光纖光柵類(lèi)傳感器的一種

7、通用型解算設(shè)備。 4.2 產(chǎn)品組成和原理框圖 光纖光柵解調(diào)儀用于對(duì)光纖光柵類(lèi)傳感器的解調(diào)。它主要由可掃描窄帶光源、波長(zhǎng)校準(zhǔn)、光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集等幾部分組成。 4.2.1 產(chǎn)品組成 光纖光柵解調(diào)儀組成如表1所示。 表1 光纖光柵解調(diào)儀組成 名稱(chēng) 組成 ASE光源 可掃描窄帶光源 可調(diào)諧F-P濾波器 相應(yīng)控制電路 F-P標(biāo)準(zhǔn)具 波長(zhǎng)校準(zhǔn) 相應(yīng)算法 光纖光柵解調(diào)儀 光電轉(zhuǎn)換器 光電轉(zhuǎn)換器 相應(yīng)調(diào)理電路 NI6361數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集 光隔離器 可調(diào)光衰減其它器光耦合光分路器 原理框圖 4.2.2濾波器，在鋸齒波掃描電壓的作F-P 在本解調(diào)系統(tǒng)中，寬帶光源發(fā)出的光進(jìn)入可調(diào)諧用下，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)周期性

8、地通過(guò)F-P濾波器，然后經(jīng)耦合器分成兩個(gè)支路。其中一路約90%的光經(jīng)耦合器入射到傳感光柵陣列中，陣列中所有光柵的布拉格反射波長(zhǎng)必須全部在F-P濾波器的掃描范圍內(nèi)，并且每個(gè)光柵的反射波長(zhǎng)都不相同，以避免信號(hào)串?dāng)_；另一路約10%的光則經(jīng)耦合器入射到F-P標(biāo)準(zhǔn)具中，該支路用來(lái)對(duì)可調(diào)諧F-P濾波器進(jìn)行校準(zhǔn)，以消除可調(diào)諧F-P濾波器腔長(zhǎng)漂移對(duì)測(cè)量精度造成的影響。在傳感光柵通道中，當(dāng)F-P濾波器的掃描波長(zhǎng)與光纖光柵的反射波長(zhǎng)一致時(shí)，光電檢測(cè)器探測(cè)到的光能量最大。此時(shí)，采集光電檢測(cè)器輸出的電信號(hào)，當(dāng)電信號(hào)最大時(shí)，記錄相應(yīng)的鋸齒波電壓，然后根據(jù)鋸齒波電壓與波長(zhǎng)的關(guān)系可以得到反射波長(zhǎng)的值，從而達(dá)到傳感信號(hào)解調(diào)的

9、目的。 W 最大功耗3 100×mm 70×19 尺寸SMF-28 尾纖類(lèi)型FC/PC接頭類(lèi)型或者 FC/APC 低電平報(bào)警報(bào)警信號(hào) DC+3.3V，5A 電源0.0383 3dB帶寬 4000 標(biāo)準(zhǔn)精細(xì)度<2.5dB 插入損耗工作電壓 15V pF V=5V0.8 ，C 總電容f=1MHz RMHz BW V1000 =5V，f帶寬-3dB =1MHz，R=50 LRo2 通道數(shù) 8通道數(shù) 個(gè)差分或16個(gè)單端16位 ADC分辨率分辨率DAC位16 輸出功率 dBm 工作溫度 -40+70Couplesn32 10.013.0 耗散功率 100mw ASE Light

10、 SouceOptical attenuator90%正向電流 10mA Optical Tapping Element 光譜密度dBm/nm dB 光譜平坦度 dB 光譜穩(wěn)定性重量 尾纖長(zhǎng)度 連接頭 貯存溫度 -55+701Channel 1Channel 2Channel -11-8 1.5 ±0.0005(15min) 53g 1m FC/APC 焊接溫度（時(shí)間） 260(10s) 3FFP-TF10%輸出功率短期穩(wěn)定性輸出功率長(zhǎng)期穩(wěn)定性特性參數(shù)光敏面直徑光譜響應(yīng)范圍F-P Etalon dB dB 符號(hào) 測(cè)試條件 Channel nPotoelec tric conversi

11、on±0.005(15min) ±0.02(8h) 參數(shù)指標(biāo) 單位60 9001700 m nm 響應(yīng)時(shí)間擊穿電壓暗電流 模擬輸入Magnify and filterDriving voltage 工作溫度 存儲(chǔ)溫度相對(duì)濕度 RH 25功耗（）W 光學(xué)指標(biāo)工作波長(zhǎng)范圍 C波段： 自由光譜范圍VOAT I V RBR IV=5VDR NI6361-20+60 -20+70 2080 1.0 1520nm1570nm 143.6nm 1 45 =10A W 1.0 P，=0in模擬輸出 Computer(LabView)ns V nA Electri lineOptical l

12、ine 圖2 光纖光柵解調(diào)儀原理圖 4.3 硬件設(shè)計(jì) 可調(diào)諧窄帶光源 4.3.1 在光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中，光源的性能決定了整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)光信號(hào)的強(qiáng)度和其他重要參量，而且對(duì)系統(tǒng)的成本影響非常大，甚至在相當(dāng)程度上決定了系統(tǒng)的成本和性能。由于光纖光柵的中心波長(zhǎng)是整個(gè)傳感系統(tǒng)中的待測(cè)變量，這就要求光源的光譜范圍要足夠?qū)?，能夠包含盡可能多的傳感器的波長(zhǎng)及其變化范圍，還要求光源的輸出功率強(qiáng)，性能穩(wěn)定，這樣才能滿(mǎn)足分布式傳感網(wǎng)絡(luò)中多點(diǎn)測(cè)量的要求。因此方案中所用的光源必須功率大、波段寬。常用經(jīng)濾波后光電但所測(cè)光纖光柵的光譜在整個(gè)光譜中所占的范圍小，的寬帶光源光譜范圍寬，探測(cè)器探得的光功率信號(hào)較微弱，容易湮沒(méi)在系

13、統(tǒng)噪聲和回光反射中，導(dǎo)致信號(hào)缺失，系統(tǒng)信噪比因此降低。本方案采用可調(diào)諧窄帶光源，由放大自發(fā)輻射光源（ASE）和可調(diào)諧F-P濾波器組合而成。原理如圖3所示。 dB（窄帶光）光源ASE腔F-P（寬帶光）)(t)(t(t)(t22n3113nVvH壓電陶瓷h (t)、h (t) 、h (t) .h (t) nn3n23211 v3v2Tv1 tt t t可調(diào)諧F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電路n231 可調(diào)諧窄帶光源原理圖3可調(diào)諧F-P腔控制模塊產(chǎn)生周期性的鋸齒波電壓，該電壓加在可調(diào)諧F-P濾波器上，可調(diào)諧F-P濾波器的腔長(zhǎng)隨著鋸齒波電壓周期性的變化，可調(diào)諧F-P濾波器的不同腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)著不同的波長(zhǎng)值。因此ASE光源

14、發(fā)出的寬帶光中只有波長(zhǎng)與可調(diào)諧F-P濾波器腔長(zhǎng)匹配的光能通過(guò)可調(diào)諧F-P濾波器，且在每一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)確定波長(zhǎng)值的能經(jīng)過(guò)可調(diào)諧F-P濾波器。 4.3.1.1 ASE光源 光源是構(gòu)成解調(diào)儀的一個(gè)極為重要的元器件，光源和可調(diào)諧F-P濾波器共同構(gòu)成解調(diào)儀的可掃描激光光源。光源的功率對(duì)后續(xù)信號(hào)的功率的大小有著重要的作用，其性能決定了解調(diào)儀的壽命。 光源特性對(duì)光纖系統(tǒng)性能有著重要的影響。針對(duì)已經(jīng)確定的可調(diào) F-P 濾波器參數(shù)，選擇系統(tǒng)的光源主要從以下幾個(gè)基本方面考慮： （1）輻射頻譜特性。光源輻射的頻譜特性應(yīng)與光纖波導(dǎo)的傳輸頻響特性匹配。在波長(zhǎng)為 1527nm1565nm的區(qū)域內(nèi)，傳輸損耗較低，能滿(mǎn)足

15、不同的系統(tǒng)要求。 （2）電光轉(zhuǎn)換特性。施加于光源的電偏置對(duì)光輸出有直接影響。通常，輸出功率值隨電激勵(lì)的增加而增加，器件的溫度也隨電激勵(lì)的增加而升高。對(duì)于大多數(shù)電光變換器來(lái)說(shuō)，非恒溫的輸出光功率比恒溫的稍低；此外，溫度的變化還會(huì)引起輻射波長(zhǎng)漂移。對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)光器件，這可能是由于能帶間隙隨溫度產(chǎn)生微小變化引起的。光源輸出強(qiáng)度和頻率通常都是電偏置的函數(shù)，同時(shí)也會(huì)受到環(huán)境溫度等因素的影響。 ）輸出功率特性。對(duì)于一個(gè)帶有光纖輸出的光源，要求從光纖終端射出的光通量為3（最大。這個(gè)量的大小取決于光源的功率和射入光纖的光通量。射入光纖的光通量與光源和光纖的耦合效率以及光源的亮度有關(guān)。從外部特性考慮時(shí)，出纖功率

16、則是衡量輸出功率特性的最重要的指標(biāo)之一。 該系統(tǒng)中選用的光源為深圳浩源光電有限公司的ASE光源模塊，該光源具有高功率、平坦度優(yōu)，波長(zhǎng)覆蓋范圍廣，光譜、光功率穩(wěn)定性好、電功率損耗低等特點(diǎn)。參數(shù)如表2所示。 表2 ASE光源模塊參數(shù) 參數(shù) 單位 15271565 nm 工作波長(zhǎng) 所示。4，平坦度好，如圖0.01w0.02w，即為10 dBm 13dBm該光源功率為 光源光譜圖圖4 ASE 濾波器 可調(diào)諧F-P4.3.1.2反射鏡 腔F-PL2L1 H壓電陶瓷 5 F-P腔結(jié)構(gòu)圖從光纖入射的光經(jīng)在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，F(xiàn)-P 腔結(jié)構(gòu)如圖5所示，濾波器的可調(diào)諧 F-P 腔，在兩個(gè)具有高反射率的平行反射鏡之間

17、產(chǎn)生多光束F-P L1準(zhǔn)直變成平行光進(jìn)入 透鏡 腔的兩個(gè)高反射鏡中一個(gè)固定，聚焦匯聚到探測(cè)器上。構(gòu)成 F-P 干涉，出射光經(jīng)透鏡L2腔腔長(zhǎng)的伸長(zhǎng)量與所加驅(qū)動(dòng)電另一個(gè)在外力的作用下可以移動(dòng)，且背面貼有壓電陶瓷。F-P 壓電陶瓷將產(chǎn)生伸縮，從而可以改變壓成正比，當(dāng)給壓電陶瓷施加一個(gè)鋸齒波掃描電壓時(shí)，腔的透射光波長(zhǎng)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)透射光波長(zhǎng)可調(diào)諧的目的。表征F-P 腔的腔長(zhǎng)，使F-P ）。Finesse（）和帶寬（精細(xì)度）（F-P可調(diào)諧濾波器性能的參數(shù)主要有自由光譜范圍FSR、濾波器必須具備以下幾個(gè)基本的要求：首先，每一次只能有一條分離的譜線(xiàn)F-P可調(diào)諧腔腔長(zhǎng)變化范圍內(nèi)，要讓 F-P 被通過(guò)，譜線(xiàn)的

18、寬度要足夠小，不能太寬；其次，在可調(diào)的而應(yīng)該相對(duì)簡(jiǎn)腔長(zhǎng)隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系不應(yīng)該太復(fù)雜，另外，所有的光譜都能依次通過(guò)；單些，最好是線(xiàn)性的，這樣有助于控制 F-P 腔的腔長(zhǎng)，從而簡(jiǎn)化后續(xù)計(jì)算；最后，應(yīng)該考慮到，在實(shí)際的光纖光柵傳感器系統(tǒng)中，所用寬帶光源的出纖功率一般都比較小。因此，如果每一次通過(guò)可調(diào)諧 F-P 濾波器的光譜寬度趨于無(wú)窮小，則每次通過(guò)濾波器的光強(qiáng)會(huì)很弱，這樣在光電探測(cè)部分所得到的光強(qiáng)也會(huì)很弱，這會(huì)增大后續(xù)信號(hào)處理的難度。若增加可調(diào)諧F-P濾波器的光譜帶寬，則每次通過(guò)濾波器的光強(qiáng)會(huì)增強(qiáng)，但會(huì)降低分辨率。 對(duì)此，本方案中建立了光譜的高斯數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真，如圖6圖8所示，給出了帶寬

19、為0.2nm的光纖光柵傳感器與帶寬分別為0.01、0.17、0.25nm的可調(diào)諧F-P濾波器的關(guān)系。左邊的圖表明了可調(diào)諧F-P濾波器帶寬與輸出光強(qiáng)的關(guān)系，右邊的圖標(biāo)明了可調(diào)諧F-P濾波器與光纖光柵傳感器的分辨率的關(guān)系。 0.01nm 濾波器帶寬為可調(diào)諧圖6 F-P 0.17nm 濾波器帶寬為F-P可調(diào)諧7圖 0.25nm 濾波器帶寬為可調(diào)諧F-P圖8 濾波器帶寬和光纖光柵傳感器帶寬的卷積，即F-P光電探測(cè)器所檢測(cè)到的光強(qiáng)是可調(diào)諧濾波器的帶寬越大，F(xiàn)-P為上述左側(cè)圖中紅色包絡(luò)線(xiàn)和藍(lán)色包絡(luò)線(xiàn)的重疊部分，可看出可調(diào)諧光強(qiáng)越大。當(dāng)光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)發(fā)生相同的偏移時(shí)，如上述圖中的右圖所示，可調(diào)諧這容易

20、漏F-P濾波器的光譜個(gè)數(shù)就越少，F(xiàn)-P濾波器的帶寬越寬，能通過(guò)偏移量之間的可調(diào)諧因此有必要在濾波器輸出光譜寬度和系統(tǒng)的輸出掉某些波長(zhǎng)值，導(dǎo)致分辨率和精度的降低。 光強(qiáng)和分辨率之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。 濾波器參數(shù)可調(diào)諧表3 F-P 9mw 輸入功率 電器特性18V /FSR 調(diào)諧電壓 電容3.0F90V/ms 回歸速率800Hz 循環(huán)速度1FSR 最大調(diào)諧電壓 70V 環(huán)境條件-2080工作溫度 18V /工作溫度 電壓變化 /工作溫度插損變化0.5dB （取決于FSR） 插損變化/振動(dòng) 0.5dB 機(jī)械特性57.2 25.8×尺寸 13.5×目前所研發(fā)的光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)

21、均包括在C波段范圍內(nèi)，通常布拉格光纖光柵的中心波長(zhǎng)帶寬為0.2nm，為了保證信噪比和分辨率，因此所選用的可調(diào)諧F-P濾波器的帶寬應(yīng)該小于0.2nm。根據(jù)上述仿真，結(jié)合所選的器材，該方案所用的可調(diào)諧F-P濾波器是美國(guó)的Micron Optics公司基于全光纖F-P標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)的特殊的可調(diào)諧濾波器，它允許波長(zhǎng)跟F-P腔長(zhǎng)度有倍數(shù)關(guān)系的光通過(guò)，而其他波長(zhǎng)的光按愛(ài)里函數(shù)衰減，其帶寬為0.0375nm，具體參數(shù)如表3所示。 根據(jù)上表參數(shù)，該可調(diào)諧F-P濾波器的精細(xì)度為4000，帶寬為0.0375nm，由此對(duì)于該的可調(diào)諧F-P濾波器和光纖布拉格光柵的光強(qiáng)和分辨率進(jìn)行仿真如圖9所示。根據(jù)仿真的效果，該型號(hào)的可

22、調(diào)諧F-P濾波器可滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。 圖9 可調(diào)諧F-P濾波器帶寬為0.0375nm 4.3.2 波長(zhǎng)校準(zhǔn) 由于外界環(huán)境的影響以及 F-P 濾波器自身的非線(xiàn)性，往往會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，特別是 F-P 濾波器由于壓電陶瓷的遲滯性會(huì)引起系統(tǒng)測(cè)量的重復(fù)性誤差，以致影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。 根據(jù)形成干涉的條件，當(dāng)入射光波長(zhǎng)等于調(diào)諧波長(zhǎng)時(shí)，透射光光強(qiáng)達(dá)到極大值。TF-P 腔的調(diào)諧波長(zhǎng)可以表示為： 2nh? Tm（1） 式中：nF-P腔的兩平行反射鏡之間介質(zhì)的折射率； h F-P腔的腔長(zhǎng)； m為整數(shù)。 由式(1)可知，通過(guò)改變F-P腔的腔長(zhǎng)h或介質(zhì)折射率n，可以使調(diào)諧波長(zhǎng)產(chǎn)生變化，T利用這個(gè)特性可以對(duì)FBG傳感器的

23、反射波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)?？烧{(diào)諧F-P濾波器的腔長(zhǎng)PZT控制。給PZT施加鋸齒波掃描電壓，在每一個(gè)掃描周期內(nèi)，使得 F-P 腔的腔長(zhǎng)隨調(diào)諧電壓線(xiàn)性變化，即： h?kv?h0（2） 式中： h施加電壓后F-P腔的腔長(zhǎng)； 常數(shù)；k 調(diào)諧電壓；v F-P腔的原始腔長(zhǎng)。未加電壓時(shí)h0 可得：(1)將式(2)代入式2nhnkv2?0? T（3）mm從式(3)可知：當(dāng)調(diào)諧電壓 V 變化時(shí)，F(xiàn)-P腔的調(diào)諧波長(zhǎng) 隨著V線(xiàn)性變化。當(dāng)F-PT腔的調(diào)諧波長(zhǎng)與光纖光柵布拉格波長(zhǎng)重合時(shí)，光電檢測(cè)器檢測(cè)到最大光強(qiáng)，記錄此BT時(shí)的調(diào)諧電壓值，然后根據(jù)標(biāo)定好的鋸齒波電壓與布拉格波長(zhǎng)的關(guān)系，就可以唯一確定傳感 光柵的布拉格波長(zhǎng)，可以表

24、示為：2nhnkv2?0? B（4）mm由于 F-P 腔的結(jié)構(gòu)和物理特性，h會(huì)隨溫度的變化而變化，即 h是一個(gè)隨溫度變化的00變量，這就導(dǎo)致光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，從而影響系統(tǒng)測(cè)量精度。為了消除這種影響，本方案中的解調(diào)系統(tǒng)中引入了參考光柵。設(shè)參考光柵的波長(zhǎng)為，且固定不0變，則由式(4)決定與驅(qū)動(dòng)電壓V的關(guān)系，即： 002nkv2nh?00? 0（5）mm (5)相減可得：將式(4)與式2nk?v)(v? 00B（6）m由式(6)可以看出，傳感光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)與可調(diào)諧F-P濾波器的原始腔長(zhǎng)無(wú)關(guān)。只要參考光柵的波長(zhǎng)保持不變，腔長(zhǎng)漂移對(duì)最后的測(cè)量值將不會(huì)產(chǎn)生影響。由此可見(jiàn)，

25、引入?yún)⒖脊鈻趴梢杂行У叵?F-P 濾波器腔長(zhǎng)漂移引起的測(cè)量誤差。 解調(diào)器的波長(zhǎng)校準(zhǔn)是定量檢測(cè)的基礎(chǔ)，校準(zhǔn)的結(jié)果直接影響到測(cè)量精度。本方案中采用F-P標(biāo)準(zhǔn)具，作為波長(zhǎng)校準(zhǔn)的參考光柵。F-P標(biāo)準(zhǔn)具可輸出一系列波長(zhǎng)固定、功率相近的波峰值，如圖10所示，因此F-P標(biāo)準(zhǔn)具也稱(chēng)為梳妝濾波器。 10 F-P圖標(biāo)準(zhǔn)具的梳妝波形標(biāo)準(zhǔn)具的梳妝波標(biāo)準(zhǔn)具。即在F-PF-PmarkF-P本方案中選擇的標(biāo)準(zhǔn)具，是帶有點(diǎn)的 所示。11形中有一缺失固定波長(zhǎng)值，如圖 F-P標(biāo)準(zhǔn)具圖11 mark點(diǎn)的即是上文中所提及的參考波長(zhǎng)值。點(diǎn)缺失的波長(zhǎng)值，它將作為我們的定標(biāo)波長(zhǎng)，在mark點(diǎn)的波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)具輸出一系列固定的波長(zhǎng)峰值，覆蓋整個(gè)

26、傳感光柵的波長(zhǎng)范圍，由markF-P波長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的掃描電壓近標(biāo)準(zhǔn)具每個(gè)波峰的波長(zhǎng)。在較小的輸出區(qū)間內(nèi)，值可以計(jì)算出F-P 12所示。似呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖 UU1?nUSUn?sn1n? 波長(zhǎng)和掃描電壓的關(guān)系圖12 波長(zhǎng)及其光譜峰值Bragg 標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)與掃描電壓近似呈線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)光柵的 F-P從而通過(guò)傳感光柵的光可以建立波長(zhǎng)與掃描電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系式，所對(duì)應(yīng)的掃描電壓的關(guān)系，分別表示待測(cè)傳感光柵兩和譜峰值波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的掃描電壓計(jì)算出其峰值波長(zhǎng)。圖中n+1n s表示待測(cè)傳感光柵的波長(zhǎng)。側(cè) F-P 標(biāo)準(zhǔn)具輸出的峰值波長(zhǎng)，給出的幾何關(guān)系，即圖中陰影部分的兩個(gè)三假設(shè)鋸齒波掃描電壓是線(xiàn)性的，根據(jù)圖12 為：B

27、ragg 波長(zhǎng)角形相似，可以得到傳感光柵的 sU?U?ns?() nn1ns?）7（UU?sn?1 所示。4，參數(shù)如表AFPI-100標(biāo)準(zhǔn)具為F-P該方案中選擇的 4 F-P標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù)表 7 精細(xì)度<3dB 插入損耗 5% ±100GHz自由光譜 ，<±3GHz <熱穩(wěn)定性 ±1.5GHz15251565nm 工作波長(zhǎng)范圍 070工作溫度 30×12.7 尺寸×10mm 光電探測(cè)器模塊 4.3.3一個(gè)完整的光纖傳感系統(tǒng)包含光波產(chǎn)生與調(diào)制、傳輸、探測(cè)及解調(diào)等部分。其中光纖的探測(cè)是由光電探測(cè)器完成的。 4.3.3.1 光電探測(cè)器

28、光電探測(cè)器在該系統(tǒng)中用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，光電探測(cè)器分別位于傳感光路和F-P標(biāo)準(zhǔn)具的后端，如圖13所示。 ASETTF-P3dB10%90%光分路器F-P EatlonSensor 8PD3dBPD 圖13 光電探測(cè)器在解調(diào)系統(tǒng)中的位置 選擇解調(diào)系統(tǒng)中的光電探測(cè)器主要考慮的光電探測(cè)器要求有以下幾點(diǎn)： （1）工作波長(zhǎng)范圍應(yīng)當(dāng)與寬帶光源波長(zhǎng)范圍一致； （2）具有足夠高的靈敏度與較低的噪聲； （3）工作電壓低，便于搭建便攜的系統(tǒng)； （4）探測(cè)器模塊內(nèi)置放大電路，降低對(duì)低噪聲前放的要求。 最終到達(dá)光電二極管的光強(qiáng)已經(jīng)比各個(gè)光學(xué)器件對(duì)光強(qiáng)的損耗，由于光源功率的限制，較微弱?？烧{(diào)諧F-P濾波器的輸入功

29、率為9mw，插入損耗為2.5dB左右，帶寬為0.0375nm；光源帶寬為38nm，假設(shè)光源均勻平坦；光耦合器為3dB，其中90%的光分給光纖光柵傳感器，10%分給F-P標(biāo)準(zhǔn)具，光分路器為1×8，損耗為11dB，光纖光柵的反射率為80%。則光纖光柵傳感器處輸出功率為8×（0.0375/38）/1.78×0.5×0.9/8×0.1×0.8=22.5nw，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具處的輸出功率為9×（0.0375/38）/1.78×0.5×0.1×0.5=997nw。 光電探測(cè)器選用中電44所研制的GT322D型I

30、nGaAs探測(cè)器。該產(chǎn)品具有噪聲低、工作頻率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于光纖通信、光纖傳感、快速光脈沖檢測(cè)等應(yīng)用，其參數(shù)如表5、表6所示。 表5 GT322D光電探測(cè)器最大額定值 表6 GT322D光電探測(cè)器光電性能參數(shù) R A/W P=10W響應(yīng)度 0.85 ，=1.55m ineVs 線(xiàn)性飽和功率閾值 5 =5V，mW =1.55m R=1.55 Om， 光回波損耗=100W 30 dB eRL=1.55I0.5 dB m 光輸入損耗，W =100eRL 4.3.3.2調(diào)理電路各種噪聲的干擾直接影響有用信號(hào)的測(cè)量精因光纖末端輸出的光信號(hào)通常是很微弱的，快的度，小的附加噪聲、這就要求光檢測(cè)器在

31、所用光源的發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高的響應(yīng)度、與探測(cè)器相連的前置放大電路也應(yīng)當(dāng)設(shè)另外，響應(yīng)率有能處理需要的數(shù)據(jù)率的足夠的帶寬。計(jì)合理，以獲得大的動(dòng)態(tài)范圍和高的信噪比。如圖14，調(diào)理電路的示意圖： 光電檢測(cè)電路調(diào)零電路濾波電路放大 14 調(diào)理電路示意圖(1)光電檢測(cè)電路 光電檢測(cè)電路由光電轉(zhuǎn)換器的技術(shù)文檔給出，如圖15所示。 15 GT322D光電轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路圖 (2)調(diào)零電路相由于光電檢測(cè)電路有個(gè)較大的基值，當(dāng)變化太小，調(diào)零電路用來(lái)在檢測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，會(huì)有放大器飽和、損壞數(shù)據(jù)采集卡等情況不容易檢測(cè)，如果放大倍數(shù)過(guò)大，對(duì)變化太小了， 出現(xiàn)，對(duì)檢測(cè)帶來(lái)難度，所以需要設(shè)計(jì)調(diào)零電路。 放大電路(3)以獲得較

32、好前置放大為預(yù)放大探測(cè)器的輸出信號(hào)，放大電路分為前置放大和次級(jí)放大。次級(jí)放大主要是考慮到前置放大倍減少信號(hào)傳輸中的干擾。的信號(hào)噪聲比，進(jìn)行阻抗變換，加信號(hào)經(jīng)前置放大后幅值仍然比較小，數(shù)不宜于過(guò)大，不能很好的被數(shù)據(jù)采集卡采集處理， 上次級(jí)放大，可以較靈活的調(diào)整信號(hào)幅值，便于系統(tǒng)的靈活使用。 4）濾波電路（微弱模擬信號(hào)在得到我們想要的比較干凈的信號(hào)。濾波用來(lái)把有用信號(hào)中的噪聲濾去，有必要對(duì)微弱的模因此，放大的過(guò)程中會(huì)受到干擾，使傳送中的信號(hào)幅值或相位發(fā)生畸變， 擬信號(hào)做濾波處理。 數(shù)據(jù)采集與控制模塊4.3.4數(shù)據(jù)采集模塊主要是采集光電轉(zhuǎn)換的信號(hào)，并且進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。控制模塊用于對(duì)可調(diào)諧 的鋸齒波波形

33、。18V，幅值為20Hz濾波器的控制?？刂颇K需要能產(chǎn)生頻率為F-P4.3.4.1 數(shù)據(jù)采集 本方案中采用NI6361型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡帶有分辨率為16位的模擬輸出和輸入端口，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和對(duì)調(diào)諧F-P濾波器的控制。NI6361的參數(shù)如表7所示。 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出端口可定義成為一個(gè)任意波形發(fā)生器，其波形函數(shù)由軟件定義；模擬輸入端口可定義為一個(gè)示波器，其采樣頻率和帶寬由數(shù)據(jù)采集設(shè)備的硬件性能決定，示波器界面在軟件中顯示。將數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出端和模擬輸入端連接起來(lái)，即可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)波形發(fā)生器和一個(gè)示波器的功能。 在系統(tǒng)解調(diào)范圍內(nèi)35nm，可調(diào)諧F-P濾波器的分辨率約為35pm，

34、則在鋸齒波的每個(gè)掃描周期內(nèi)采樣的次數(shù)要大于1000次，若鋸齒波的掃描頻率為20Hz，且我們只使用掃描信號(hào)的上升沿來(lái)檢測(cè)信號(hào)，可以計(jì)算采樣周期應(yīng)該滿(mǎn)足： 1351?s5?T 203500010（8） 及采樣頻率大于0.2MHz，該型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。 當(dāng)需要同時(shí)檢測(cè)8個(gè)傳感通道和1個(gè)參考通道的光纖光柵，在掃描周期內(nèi)（0.05s）的數(shù)據(jù)量為： （8+1）×1000×10=0.09M（9） 即每秒要采0.09M×20=1.8M 表7 NI6361數(shù)采卡參數(shù) 1LSB ±DNL （單）2.00MS/s 最大值 16保證（多）1.00MS/s 單調(diào)性位2.

35、86MS/s 個(gè)通道：1最小值 無(wú) 采樣率 最大更新率2.00MS/s 個(gè)通道：2 采樣率定時(shí)精度 50ppm/和±外部5V±定時(shí)分辨、10V± 輸出范圍10ns 率 參考穩(wěn)定時(shí)間，全±、5V、10V±±2V±1V±、0.5V15ppm(1LSB):2us 輸入范圍 量程變化 、0.1V、±0.2V±輸入FIFO工作波長(zhǎng)（nm） 12601650 典型值 10.3 ）插入損耗（dB10.7/11.0 最大值55 dB） 方向性（1.2 光纖長(zhǎng)度SMF-28e 光纖類(lèi)型 康寧0.2 典型值 ）波長(zhǎng)

36、相關(guān)損耗（db0.3 最大值0.3 典型值 db）穩(wěn)定性（-4085）（0.5 最大值0.3 溫度穩(wěn)定性 典型值 0.5 最大值 -4085 工作溫度 ±nm 帶寬 20 1050 % 耦合比個(gè)采樣 邊沿斜率：20V/us 4095單位 容量1*8光分路器型號(hào) 項(xiàng)目 指標(biāo) 控制模塊4.3.4.2腔的腔長(zhǎng)，濾波器通過(guò)壓電陶瓷精確移動(dòng)兩個(gè)平面鏡的間距，控制改變F-P可調(diào)諧F-P濾波F-P從而實(shí)現(xiàn)濾波器帶通窗口的調(diào)諧，因此需要利用精密的連續(xù)電壓才能實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)諧由上述數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出端口以及相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)在本系統(tǒng)中，器的調(diào)諧控制。，可輸出周期性電壓信號(hào)，可調(diào)諧光+10V -10腔的

37、調(diào)諧。模擬輸出電壓的變化范圍為F-P。因此，需要在數(shù)采卡的后端設(shè)計(jì)相應(yīng)電路，將輸出的電壓轉(zhuǎn)0 18V濾波器的調(diào)諧電壓是 18V的鋸齒波電壓。化為0 其它光學(xué)器件4.3.54.3.5.1 光分路器 光分路器用于將可調(diào)諧窄帶光平均分成8路，以實(shí)現(xiàn)多通道解調(diào)的目的。光分路器可將光路均分為多份，與光開(kāi)關(guān)相比，它可以使得系統(tǒng)同時(shí)解調(diào)多路通道的傳感器，而不存在通道的切換時(shí)間，可以提高解調(diào)的速率。本方案中的光分路器選用北京康寧普天的1*8光分路器，參數(shù)如表8所示。 圖16 1*8光分路器 表8 光分路計(jì)參數(shù) 加連接 -4085 存儲(chǔ)溫度 光衰減器 4.3.5.2，濾波器的輸入功率為9mwF-P1020mw1

38、3dBm10dBm光源的功率為，即，可調(diào)諧因此需要在二者之間加入一個(gè)光衰減器，光源的功率大于可調(diào)諧F-P濾波器的最大輸入功率，光衰減器的衰減系數(shù)濾波器可接受的功率范圍。將光源的光功率衰減到可調(diào)諧F-P經(jīng)計(jì)算，因此本方案中選擇了上北京安瑞泰通訊技術(shù)公司的連續(xù)可調(diào)光衰減器，如圖4.3dB要大于 所示。9所示，性能參數(shù)如表16 16 連續(xù)可調(diào)光衰減器圖 光衰減器參數(shù)9 表 附加損耗接口類(lèi)型工作波長(zhǎng) 調(diào)節(jié)范圍腔體 FC/PC 1330/1550nm <0.3dB 530dB 鋁外殼 0 光耦合計(jì) 4.3.5.3本方案中需用耦光耦合計(jì)用于光器件之間的連接，是一種非常常用和普通的光學(xué)器件。 50:5

39、0和合比為10:90的耦合器數(shù)個(gè)。 圖17 光耦合器 表10 光耦合器參數(shù) 1550nm中心波 0.15 典型附加損耗dB 40± 工作溫度 80 4.4 新技術(shù)、新材料、新工藝采用情況可增加可調(diào)窄帶光源是基于可調(diào)諧每次只有一個(gè)波長(zhǎng)值的光輸出，F(xiàn)-P濾波器的原理，標(biāo)準(zhǔn)具原理，利用這種帶有參考點(diǎn)的校準(zhǔn)方式，系統(tǒng)的分辨率和精度；波長(zhǎng)校準(zhǔn)是基于F-P 可以使實(shí)時(shí)的校準(zhǔn)精度達(dá)到皮米級(jí)別。 關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑5 波形同步循環(huán)5.1 濾波器通帶的位置，以及通過(guò)的光功率。在該系統(tǒng)中，必須確保證準(zhǔn)確記錄可調(diào)諧F-P，精細(xì)度為18V，40000可調(diào)諧F-P濾波器通帶窗口的位置由調(diào)諧電壓確定，其調(diào)諧電壓

40、為位，其輸出電壓的。數(shù)據(jù)采集設(shè)備模擬輸出端口的分辨率為164.5mV故所需調(diào)諧分辨率為，低于光濾波器調(diào)諧分辨率二個(gè)數(shù)量級(jí)，可以滿(mǎn)足濾波器對(duì)調(diào)諧電壓0.01mV最低有效位為濾波為了準(zhǔn)確獲得與可調(diào)諧精度的需求。F-P濾波器通帶對(duì)應(yīng)的光功率值，需要可調(diào)諧F-P 器的通帶窗口步進(jìn)與探測(cè)器的功率采集同步進(jìn)行。 AOAO模擬輸出FIFOFIFOPCI通道虛擬AO總線(xiàn)AI樣本時(shí)鐘虛擬AI通道AIAI模擬輸入FIFOFIFO 圖18 波形同步循環(huán)測(cè)試原理 波形同步循環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理如圖18所示。計(jì)算機(jī)在內(nèi)存中開(kāi)一片AO FIFO，并在其中存儲(chǔ)需要輸出的波形；波形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PCI總線(xiàn)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的AO FIF

41、O；數(shù)據(jù)采集設(shè)備按照設(shè)備上AO FIFO中的數(shù)據(jù)依次更新模擬輸出端口；數(shù)據(jù)采集設(shè)備將模擬輸入端口中讀取數(shù)據(jù)并存AI FIFO計(jì)算機(jī)從數(shù)據(jù)采集設(shè)備的中；AI FIFO采集到的數(shù)據(jù)存入設(shè)備上的入內(nèi)存中，等待進(jìn)一步處理或存儲(chǔ)。由計(jì)算機(jī)上的AO FIFO開(kāi)始，一直到數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出端口為止構(gòu)成一個(gè)虛擬輸出通道；由數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸入端口開(kāi)始，一直到計(jì)算機(jī)上的AI FIFO為止構(gòu)成一個(gè)虛擬輸入通道。一個(gè)虛擬數(shù)據(jù)通道包含了相關(guān)的所有軟硬件。所以，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)上的AO FIFO經(jīng)過(guò)一個(gè)虛擬輸出通道由模擬輸出端口輸出；模擬輸入端口采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一個(gè)虛擬輸入通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)上的AI FIFO。虛

42、擬數(shù)據(jù)通道的所有工作都由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序NI-DAQmx控制完成，對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是完全透明的。數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的模擬輸出和模擬輸入使用兩個(gè)不同的 DMA 通道，NI-DAQmx 控制兩個(gè)通道完成時(shí)間輪換。這樣，PCI總線(xiàn)一直處于“偽全雙工”的工作狀態(tài)。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備上 FIFO 的存在，使得模擬輸出、模擬輸入端口的數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷。對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，AO FIFO中的數(shù)據(jù)不斷輸出，AI FIFO不斷有數(shù)據(jù)輸入，形成了一個(gè)穩(wěn)定、無(wú)間斷的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的模擬輸出和模擬輸入端口使用相同時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步輸出與采集。 5.2 信號(hào)處理 數(shù)據(jù)采集卡采集到的傳感信息只是一組離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，信號(hào)處理的關(guān)鍵是將離散數(shù)據(jù)點(diǎn)與外界參量信息變化量建立合理的聯(lián)系。為了降低噪聲的