光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)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(shí)際應(yīng)用的最主要障礙就是傳感信號(hào)的解調(diào)。光纖光柵傳感解調(diào)方法有許多,但是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多,而且價(jià)格昂貴。因此研究開(kāi)發(fā)適于實(shí)際工程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng),降低解調(diào)系統(tǒng)的成本,是使光纖光柵傳感器能夠在實(shí)際工程應(yīng)用中得到推廣的關(guān)鍵問(wèn)題。

有鑒于此，為了滿足工程應(yīng)用的需要，本文提出了一種基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)技術(shù)，即利用目前應(yīng)用極為廣泛，價(jià)格比較便宜的單片機(jī)作為信號(hào)采集和處理的MCU，開(kāi)發(fā)一種較高精度的、廉價(jià)的、便攜的、能進(jìn)行快速測(cè)量且能方便獲取所測(cè)參變量大小的解調(diào)器。為了解決了單個(gè)單片機(jī)速度較慢的問(wèn)題，系統(tǒng)中采用雙CPU，其中一個(gè)單片機(jī)完成信號(hào)解調(diào)的算法，而另一個(gè)單片機(jī)完成邏輯控制，人機(jī)接口和與上位機(jī)的通信，通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)雙機(jī)數(shù)據(jù)共享。

1、解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

解調(diào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由三部分組成，Bragg光柵(測(cè)量光柵)，光纖光柵解調(diào)器，計(jì)算機(jī)。其中光纖光柵解調(diào)器可以細(xì)分為2個(gè)部分，模擬電路部分和數(shù)字電路部分，模擬電路部分的功能是把Bragg光柵(測(cè)量光柵)受到的應(yīng)變或者溫度變化變成相應(yīng)的電信號(hào)，數(shù)字部分把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成上位機(jī)能直接使用的數(shù)字信號(hào)，可以是波長(zhǎng)值也可以是溫度或者應(yīng)變值，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的MCU采用的就是單片機(jī)。

圖1 解調(diào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)原理是基于可調(diào)諧法布里－珀羅腔（F-P解調(diào)）的工作原理。用于Bragg光柵傳感信號(hào)解調(diào)的光纖F-P腔濾波器實(shí)際上是一個(gè)壓控的光帶通濾波器，通常用壓電陶瓷作為F-P 腔腔長(zhǎng)變化的驅(qū)動(dòng)元件。給壓電陶瓷施加一個(gè)掃描電壓, 壓電陶瓷產(chǎn)生伸縮, 從而改變F-P 腔的腔長(zhǎng), 使透過(guò)F-P腔的光的波長(zhǎng)發(fā)生改變。通過(guò)探測(cè)器檢測(cè)透射光強(qiáng)度,當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到最大光強(qiáng)時(shí)給壓電陶瓷施加的電壓就對(duì)應(yīng)著FBG 的反射波長(zhǎng)。這樣給Bragg光纖光柵傳感器注入光信號(hào)，將從FBG 傳感器反射回來(lái)的光加到光纖F-P腔濾波器的輸入端，通過(guò)給光纖F-P腔濾波器的壓控端加上一個(gè)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(gè)與輸入光光譜相對(duì)應(yīng)的時(shí)間域電信號(hào)。這些時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路和比較電路的整形，就得到了一系列的脈沖信號(hào)，我們?cè)谶@些脈沖信號(hào)中加入一些固定波長(zhǎng)和位置的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，那么這些脈沖信號(hào)中的各個(gè)脈沖對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)脈沖的相對(duì)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(gè)解調(diào)過(guò)程。最后再通過(guò)單片機(jī)構(gòu)成的電路把得到的脈沖轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)值。

2、單片機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方法

單片機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的首要目的就是把這些脈沖信號(hào)處理成相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值。通過(guò)模擬部分的解調(diào)我們得到包含測(cè)量光柵和標(biāo)準(zhǔn)光柵在掃描周期內(nèi)相對(duì)位置的脈沖信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)光柵對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的波長(zhǎng)，而且它對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)在每個(gè)掃描周期內(nèi)的位置又是固定的（標(biāo)準(zhǔn)光柵用恒溫電路來(lái)保持波長(zhǎng)恒定），那么如果能得到各個(gè)脈沖信號(hào)的相對(duì)位置值，再通過(guò)插值的算法可以得測(cè)量光柵的波長(zhǎng)值。

圖2   布拉格光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)過(guò)程[!--empirenews.page--]

在本解調(diào)系統(tǒng)中采用的是武漢理工光科股份有限公司生產(chǎn)的光纖光柵作為測(cè)量光柵，基于F-P腔原理的波長(zhǎng)選擇器作為解調(diào)腔，測(cè)量的范圍能夠達(dá)到30nm，三角波掃描信號(hào)的周期為1s，測(cè)量的頻率1Hz。把三角波掃描信號(hào)的上升沿分成能夠達(dá)到設(shè)計(jì)精度的有限多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，這樣就可以用單片機(jī)讀出FBG1、FBG2、…..FBGn光柵陣列及標(biāo)準(zhǔn)光柵脈沖信號(hào)在三角波上升沿中的位置值了。另一個(gè)單片機(jī)的功能就是利用這些值算出波長(zhǎng)，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。電路圖如圖所示。這里單片機(jī)選用是89C52，用4060產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)三角波開(kāi)始時(shí)1號(hào)單片機(jī)計(jì)數(shù)，有脈沖到來(lái)時(shí)，記下計(jì)數(shù)器的值并存入片內(nèi)RAM；三角波到最高點(diǎn)時(shí)計(jì)數(shù)器清零，把位置值送入雙口RAM，然后等待下一次計(jì)數(shù)。CPU1開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)CPU2把數(shù)據(jù)從雙口RAM中取出，通過(guò)插值或其他的算法計(jì)算出脈沖對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值或者溫度值并與計(jì)算機(jī)通訊。
                          
 

電路簡(jiǎn)圖
  
我們可以通過(guò)單片機(jī)的其它的I/O口同時(shí)輸入更多的測(cè)量脈沖。改進(jìn)光路和模擬電路部分，就可以制作2通道、4通道的光纖光柵解調(diào)儀，提供更多的測(cè)量點(diǎn)，而數(shù)字電路完全不需改動(dòng)，只需對(duì)軟件部分進(jìn)行調(diào)整即可。

3、系統(tǒng)分析和數(shù)據(jù)處理
  
單片機(jī)要完整正確的記下每個(gè)脈沖，那么它的計(jì)數(shù)、傳送指令要在每個(gè)脈沖的脈寬內(nèi)完成，如果脈沖寬度只有1個(gè)計(jì)數(shù)單位，即計(jì)數(shù)、傳送指令需要在約為10微秒的時(shí)間內(nèi)完成，AMTEL的89C52最高工作頻率能達(dá)到24MHz, 這時(shí)其時(shí)鐘周期為0.5微秒,那么只要計(jì)數(shù)、傳送的指令周期不超過(guò)20個(gè)時(shí)鐘周期,就能達(dá)到要求，合理的讀寫(xiě)程序顯然是能夠滿足這個(gè)要求的。而通常脈沖的寬度一般遠(yuǎn)大于1個(gè)計(jì)數(shù)單位，所以脈沖的變化是能夠?qū)崟r(shí)記錄的。同時(shí)2號(hào)單片機(jī)有1s的時(shí)間把數(shù)據(jù)從RAM取出，算出脈沖的中值，然后進(jìn)行插值計(jì)算，時(shí)間也是足夠的。如果算法過(guò)于復(fù)雜，例如采用拉格朗日算法等等，也可以把位置值傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

把數(shù)據(jù)從單片機(jī)傳送給計(jì)算機(jī)的過(guò)程中數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，通訊程序中必須加入糾錯(cuò)處理，可以采用奇偶校驗(yàn)的方法，例如單字節(jié)校驗(yàn)或者多個(gè)字節(jié)校驗(yàn)等等。同時(shí)為了防止光柵位置值的偶爾突變，有必要對(duì)位置值進(jìn)行平滑處理。通過(guò)以上的處理方法，計(jì)算機(jī)能夠得到一組正確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。為了減小F-P腔的漂移及系統(tǒng)非線性對(duì)位置值的影響，我們采用標(biāo)準(zhǔn)光柵來(lái)與測(cè)量光柵進(jìn)行比較計(jì)算，可以采用線性算法進(jìn)行計(jì)算。但是在實(shí)際的運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)待測(cè)光柵離標(biāo)準(zhǔn)光柵較近時(shí)，測(cè)量值越準(zhǔn)確；較遠(yuǎn)處則誤差相對(duì)較大。為了進(jìn)一步提高精度，可以采用2標(biāo)準(zhǔn)、5標(biāo)準(zhǔn)或者梳狀濾波器來(lái)進(jìn)行分段線性插值計(jì)算，這樣就能大大提高測(cè)量的精度，當(dāng)然也可以采用拉格朗日算法或者多次項(xiàng)公式等更復(fù)雜的方法來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)計(jì)算。在我們的儀表中采用的是5標(biāo)準(zhǔn)光柵的拉格朗日算法來(lái)計(jì)算波長(zhǎng)，溫度的測(cè)量精度能達(dá)到±1℃。

4、結(jié)束語(yǔ)

脈沖的相對(duì)位置值與波長(zhǎng)的關(guān)系目前無(wú)法由理論知識(shí)推導(dǎo)得到, 但是可以通過(guò)實(shí)驗(yàn), 用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法找出變化規(guī)律從而找出它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 利用此對(duì)應(yīng)關(guān)系, 在單片機(jī)中進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理, 從而得到所測(cè)溫度或應(yīng)力的大小。目前我們采用拉格朗日算法，并使用一些合適的數(shù)據(jù)處理和標(biāo)定的方法，就目前解調(diào)儀的工作情況來(lái)看，效果還是可以的，測(cè)量精度能夠達(dá)到±5pm，重復(fù)性最大誤差為8pm。為了提高解調(diào)儀的工作頻率，提高解調(diào)儀的適用性，也可以采用基于DSP或者DSP＋ARM的解調(diào)電路，但成本相對(duì)就要高些。

FBG 光柵有廣闊的應(yīng)用前景, 在通信、建筑、機(jī)械、醫(yī)療、航天、航海、礦業(yè)都能發(fā)揮重要作用，有關(guān)于FBG 光柵的理論研究到目前為止已取得了很大成就。采用合適的解調(diào)技術(shù)，降低光纖光柵的使用成本，就能夠推動(dòng)光纖光柵傳感器在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀是一種適于實(shí)際工程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng),大幅降低光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的成本,便于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用，使得光纖光柵傳感器能夠在實(shí)際工程應(yīng)用中得到迅速的推廣。