维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷 第２期 ２００２年４月 武汉理工大学学报（鸯垩 差） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ） Ｖｏ１．２６ ＮＯ．２ Ａｐｒ．２００２ 单片机在光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感系统中的应用 方福波 刘有源 陈定方 （武汉理工大学物流工程系 武汉４３００６３） 摘要：根据光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器的传感机理，分析了调谐法布里一珀罗腔法和匹配滤波法解调 Ｂｒａｇｇ光栅反射波长的理论基础和基本原理，实现解调的可行性方案，建立了解调系统模型，提出 了实现Ｂｒａｇｇ光栅反射波长解调的单片机解调系统，指出了应用中需要解决的关键问题，给出了 详细的软硬件设计方案． 关键词：光纤Ｂｒａｇｇ光栅；法布里一珀罗腔；匹配滤波；单片机 中图法分类号：ＴＰ２７４ ．２ 由于Ｂｒａｇｇ光纤光栅独特的光学特性，目前 美国及欧洲一些国家已将Ｂｒａｇｇ光纤光栅用于对 透射光强 ｒ 桥梁、建筑体、矿井等结构及状态监测性实验之 中，其应用前景极为广阔．Ｂｒａｇｇ光纤光栅传感器 是利用Ｂｒａｇｇ光纤光栅受温度和应变的作用时反 ＩＴ一＿＿ 蒜 十—丁二 『。。 相邻两光束光相位差，满足 —（２） 式中： 。为人射光强；Ｒ为Ｆ—Ｐ腔壁反射率； 为 ２丌△／ 一４ｎ￣ｒｈ／）， （３） 射波长发生偏移的机理而制成的新型光纤传感 器，特别适合于大坝、桥梁的监测以及各种蒙皮结 构的检测．但目前对Ｂｒａｇｇ光栅反射波长的解调 式中：△为两相邻光束光程差； 为Ｆ—Ｐ腔折射 率；ｈ为Ｆ—Ｐ腔长； 为光波长．由以上两式可以 看出，Ｒ越大，反射光越强，但透射光总是存在．当 ２是丌，即 】 还只局限于应用传统的光谱仪．由于光谱仪存在 着价格偏高、精度低、扫描速度慢、光谱仪体积大、 携带不方便，以及用光谱仪无法直接获得所测参 量大小等缺点，因而有必要针对Ｂｒａｇｇ光栅传感 器开发一种高精度的、廉价的、便携的、能进行快 ｎｈ一是× （是一１，２，３，…） （４） 时，反射光为０，入射光完全透射，透射光最强．由 速测量且能方便获取所测参变量大小的解调器． 笔者对此做了研究和探讨． 上式还可得，相位差 与Ｆ—Ｐ腔折射率 及Ｆ—Ｐ 腔长ｈ有关．相应的可采取两种方法来调谐Ｆ—Ｐ 腔：调谐腔长［３ 或调谐折射率． 用可调谐Ｆ—Ｐ腔（调谐腔长）解调的原理如 １ Ｂｒａｇｇ光栅传感器解调原理 １．１法布里一珀罗腔（Ｆ—Ｐ腔）法 图１所示．从ＦＢＧ传感器反射回来的光经过一个 ３ｄｂ耦合器引入到可调谐Ｆ—Ｐ腔．从光纤入射的 光经自聚焦透镜Ｌ，变成平行光入射到Ｆ—Ｐ腔，出 射光经自聚焦透镜Ｉ 汇聚到探测器上．构成Ｆ—Ｐ Ｆ—Ｐ腔的光学原理就是多光束干涉Ｌ１］，其反 射光强及透射光强分别由式（１）和式（２）描述． 反射光强 Ｔ 腔的两个高反射镜中的一个固定，另一个可在外 一 （１） 力的作用下移动．由于压电陶瓷具有很好的电能一 机械能转换特性，在外加电动势的作用下可产生 形变，因此可用压电陶瓷作为Ｆ—Ｐ腔腔长变化的 Ｉ 一＿＿ １＝０ ４Ｒｓｉｎ （ ２） 收稿日期：２００１—０５—０９ 方福波：男，２５岁，硕士研究生，主要研究领域为机电系统ＣＡＤ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 方福波等：单片机在光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感系统中的应用 ・２６５・ 驱动元件．给压电陶瓷施加一个扫描电压，压电陶 瓷产生伸缩，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．通过探测器检测透射光 强度，由以上理论分析可知当探测器探测到最大 光强时给压电陶瓷施加的电压就对应着ＦＢＧ的 反射波长． 幽１ Ｆ—Ｐ腔解调模型 １．２匹配滤波法 匹配滤波法是利用另一个ＦＢＧ，在驱动元件 的作用下来跟踪测量ＦＢＧ的波长变化，使得接受 ＦＢＧ的反射波长在某个时刻或某段时间内和测 量ＦＢＧ的反射波长一致．被测ＦＢＧ的反射光入 射到接收ＦＢＧ上，当接收反射波长与测量ＦＢＧ 反射波长一致时，光被反射而没有透射；检测反射 光强度或透射光强度，反射光最强或透射光最弱 时即表明接收ＦＢＧ和测量ＦＢＧ反射波长一致， 此时驱动元件驱动信号对应着测量ＦＢＧ的反射 波长． 此种方案的关键点在于：确定恰当的驱动元 件和驱动方式 确定驱动信号和ＦＢＧ反射波长的 对应关系．与前一种方案相比，此方案中无论是检 测反射光强还是检测透射光强，对探测器及检测 环境的要求较高，因为这种方案易受环境噪声的 干扰． ２ 单片机控制的光纤Ｂｒａｇｇ光栅解 调系统 ２．１硬件系统设计 扫描检测过程是一个信息处理过程，如采用 人工处理，其工作繁琐且测量精度难以保证，用单 片机则可以很方便地实现数据的采集和处理．单 片机扫描检测系统模型如图２所示．单片机的主 要工作是从光电探测器中提取光强信号，并根据 光强的强弱变化控制压电陶瓷的工作电压，使压 电陶瓷产生相应的形变，从而使Ｆ—Ｐ腔腔长发生 适当的改变． 图２ 自动扫描系统模型 对于单一波长的检测，为了减少数据的存储 量，可采用定时提取光电探测器信号的方法：由单 片机控制Ｄ／Ａ转换器给ＰＺＴ提供适当的驱动电 压．光电探测器探测到的光强信号通过Ａ／Ｄ转换 器送到单片机，单片机根据光电探测器的信号确 定提供给ＰＺＴ的电压大小．通过比较，当光电探 测器获得最大光强时对应的透射波长即为Ｂｒａｇｇ 反射波长．而对于分布式系统波长的检测可以采 用先提取并存储光电探测器信号而后处理的方 式，这样就需要对整个驱动电压区域进行扫描，即 使ＰｚＴ从最小形变到最大形变或进行相反方向 的变化，此时光电探测器和ＰｚＴ的动作顺序与检 测单一波长时相反，先使ＰｚＴ产生形变，然后提 取光电探测器的信号．单片机、Ａ／Ｄ转换器和Ｄ／ Ａ转换器的选取可根据测量的精度要求和适时性 要求来选择．本系统采用８０５１，ＡＤＣ０８０９和 ＤＡＣＯ８３２作为硬件组成．对显示接口和扩展存储 器接口部分，暂不做讨论．由于压电陶瓷要做伸缩 形变，因此Ｄ／Ａ转换器提供的电压应是双极性 的．８ ０ ５ １和ＡＤＣ０８０９，ＤＡＣ０８３２接口电路如图 ３所示． ２．２软件设计 软件设计涉及单一波长的检测，检测信号的 处理等多项任务．检测单一波长时，时钟中断服务 程序开启Ａ／Ｄ转换器，在外部中断服务程序中读 取转换后的数据，对数据进行处理，根据数据处理 的结果启动Ｄ／Ａ转换器． 扫描检测过程主要是数据的采集和处理，Ｃ一 ５１系列单片机如８０５１外部数据存储器可扩展到 ６４ ｋＢ＿３］，如果每一数据占用３２位，则一单片机最 多可存储１６×１ ０２４个数据，最多可对ＰＺＴ和光 电探测器采集８ ０００组数据，可以确保测量精度； 单片机要实现的操作是几条数据传送、比较及跳 转操作，如果采用时钟频率为１２Ｍ的单片机，则 其时钟周期为１ ｓ，１个指令周期最多为４个时 钟周期，故１条指令最多用时４ ｓ，一次扫描用时 不会超过１００ ｐｓ，可以确保数据处理速度．单片机 采集数据时采用定时采集的方法，间隔时间△７１ 采集一次，可根据整个系统对适时性的要求而改 变△７１的大小． 维普资讯 http://www.cqvip.com ・２６６・ 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） ２００２年第２６卷 ＤＡＣ０８３２ 瓷 图３ 单片机与Ａ／Ｄ及Ｄ／Ａ转换器接口 施加给ＰｚＴ的电压与腔长的关系目前无法 由理论知识推导得到，可以通过实验，用数理统计 的方法找出变化规律从而找出它们之间的对应关 系．利用此对应关系，在单片机中就可以直接处理 有关于ＦＢＧ光栅的理论研究到目前为止已取得 了很大成就，其实用性方面的研究还需要进一步 深入．实用性的研究离不开实验，文中所阐述的方 案还需要在实验中不断完善． 有关数据，从而得到所测应变或应力大小． 以上所述为应用单片机对调谐Ｆ—Ｐ腔腔长 解调ＦＢＧ反射波长的实现，应用于匹配滤波法时 参考文献 １赵凯华，钟锡华．光学．北京：北京大学出版社，１ ９８３． ３３０～３３３ 只需要对软件实现部分的跳转判别条件作相应的 调整，而硬件部分完全适用． ２贾宏志，李育林，忽满利．用可调法布里一珀罗腔测量 ３ 结束语 ＦＢＧ光栅有广阔的应用前景，在通信、建筑、 机械、医疗、航天、航海、矿业都能发挥重要作用． 光纤光栅波长．激光杂志，２０００，２１（２）：５８～６１ ３李华．单片机原理与接口技术．北京：北京航空航 天大学出版社，１ ９９４．７７ Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆａｎｇ Ｆｕｂｏ Ｌｉｕ Ｙｏｕｙｕａｎ Ｃｈｅｎ Ｄｉｎｇｆａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ， ，丁，Ｗｕｈａｎ ４３００６３） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ－ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｏｎｅ ｉｓ ｔｏ ｕｓｅ ａ ｔｕｎａｂｌｅ Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉｓ ｔｏ ｕｓｅ ａ ｍａｔｃｈ— ｉｎｇ ＦＢＧ．Ｆｅａｓｉｂｌｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｆｏｒ ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｍｏｄｕｌａ— ｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ ｕｐ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ａｓ ａｎ ｅｍｐｈａｓｉｓ，ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ；Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ ｆｉｌｔｅｒ；ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒ；ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ