基于单片机的光纤光栅解调器设计

光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域,有着非常广阔的发展前景。目前限制光纤光栅传感器大量实际应用的最主要障碍就是传感信号的解调。光纤光栅传感解调方法有许多,但是能够实际应用的解调产品并不多,而且价格昂贵。因此研究开发适于实际工程应用的解调系统,降低解调系统的成本,是使光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广的关键问题。

有鉴于此，为了满足工程应用的需要，本文提出了一种基于单片机的光纤光栅解调技术，即利用目前应用极为广泛，价格比较便宜的单片机作为信号采集和处理的MCU，开发一种较高精度的、廉价的、便携的、能进行快速测量且能方便获取所测参变量大小的解调器。为了解决了单个单片机速度较慢的问题，系统中采用双CPU，其中一个单片机完成信号解调的算法，而另一个单片机完成逻辑控制，人机接口和与上位机的通信，通过双口RAM实现双机数据共享。

1、解调系统结构和原理

解调系统总体结构图如图1所示。主要由三部分组成，Bragg光栅(测量光栅)，光纤光栅解调器，计算机。其中光纤光栅解调器可以细分为2个部分，模拟电路部分和数字电路部分，模拟电路部分的功能是把Bragg光栅(测量光栅)受到的应变或者温度变化变成相应的电信号，数字部分把电信号转换成上位机能直接使用的数字信号，可以是波长值也可以是温度或者应变值，而实现这个功能的MCU采用的就是单片机。

图1 解调系统总体结构

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）的工作原理。用于Bragg光栅传感信号解调的光纤F-P腔滤波器实际上是一个压控的光带通滤波器，通常用压电陶瓷作为F-P 腔腔长变化的驱动元件。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,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。这样给Bragg光纤光栅传感器注入光信号，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，通过给光纤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腔滤波器的输出端即可得到一个与输入光光谱相对应的时间域电信号。这些时域信号经过放大电路和比较电路的整形，就得到了一系列的脉冲信号，我们在这些脉冲信号中加入一些固定波长和位置的标准脉冲信号，那么这些脉冲信号中的各个脉冲对于标准脉冲的相对位置就包含了FBG传感器反射光的光谱信息。图2指示了这个解调过程。最后再通过单片机构成的电路把得到的脉冲转换成波长值。

2、单片机解调系统的构成和工作方法

单片机解调系统的首要目的就是把这些脉冲信号处理成相对应的波长值。通过模拟部分的解调我们得到包含测量光栅和标准光栅在扫描周期内相对位置的脉冲信号，标准光栅对应一个固定的波长，而且它对应的脉冲信号在每个扫描周期内的位置又是固定的（标准光栅用恒温电路来保持波长恒定），那么如果能得到各个脉冲信号的相对位置值，再通过插值的算法可以得测量光栅的波长值。

图2 布拉格光纤光栅传感信号解调过程