光纤fbg传感器信号处理实验指导书

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1、实验指导书胡辽林主编西安理工大学机仪学院精仪实验中心2011年11月实验光纤FBG传感器信号处理实验一、实验目的1、了解光纤FBG传感器的工作原理。2、掌握利用DSP完成光纤FBG传感器信号检测。3、掌握如何用C语言编写简单的DSP程序。二、实验设备1、可调谐窄带LD、3dB耦合器、光纤FBG传感器、光纤、微动平台；2、装有CCS3.3或者CCS5.2的计算机及OMAP-L138开发板3、SEED-XDS560PLUS仿真器或者SEED-XDS510PLUS仿真器；4、连接电缆若干三、实验原理1、光纤FBG

2、传感器原理光纤FBG传感器是利用外界条件（温度、应变、压力等）作用时，反射波长发生漂移的机理而制成的新型光纤传感器。对于一个光纤光栅传感系统，要精确地检测应变或者温度的变化，就需要检测由被测量引起的Bragg波长的微小漂移。当窄带光源发出的光经过光纤FBG传感器，由模式耦合理论可知，只有波长满足条件的光波会被FBG反射回来，其余的波长透射，。光纤光栅的Bragg波长（峰值波长），或者说谐振条件是（1）式中，为反射中心波长，为光栅距，为纤芯有效折射率。当外界温度不变，仅被测应变发生变化时，由（1）式的微分可得

3、到光纤的轴向应变所致的Bragg波长漂移量为（2）（2）式中，是沿光纤轴向长度的微笑变化。进一步的理论可知式（2）中波长的漂移是由光栅周期的改变和弹光效应引起的折射率改变而产生的，因此应变所致的波长漂移可表示为（3）（3）式中，是应变，是弹光系数，为一常数。由（3）式可见，只要通过实时监测反射Bragg波长的漂移量，再根据与之间的线性关系，即可获得待测应变的变化信息。2、光纤FBG传感器信号系统图1光纤FBG传感器信号处理系统如图1，被待测信号调制后的FBG反射信号通过可调光纤F-P滤波器和PIN光电管后进

4、入以数字信号处理器OMAP-L138为核心的信号处理电路，反射信号经过放大后进入A/D转换器，信号处理器对A/D转换后的数字量进行消噪。由D/A转换器和低通滤波电路输出纯净的FBG反射信号，在整形电路中将其与预设的门限电压值作比较，输出矩形脉冲信号，经中断触发电路转换分两次触发单片机的外部中断，单片机锁定两次触发时刻的D/A数字输入量，送入数据存储单元并计算它们的平均值。此平均值是与FBG反射波中心波长对应的压电陶瓷的驱动电压值，通过和预设定标的光纤F-P滤波器的驱动电压与透射光波长的对应关系比较，就可以得

5、到FBG反射波的中心波长值和相应的波长变化量，在通过和预先测定的温度值与FBG中心波长变化量的对应关系比较，便可得到作用于FBG的待测量。3、信号处理系统的搭建考虑到OMAP-L138具有强大的数据运算和处理功能，但逻辑控制能力较差；而MSP430具有较多的通用I/O口，比较适合逻辑控制。所以将二者结合起来，使二者能够互相弥补对方的不足，发挥自身的优点。OMAP-L138有高达456MHz的主时钟，指令周期最小可达10ns，并且其本身具有面向信号处理的专用指令，因此可以完成对信号高速处理和复杂运算，并可以进

6、行实时降噪处理。当前对Bragg光栅的解调算法还没有统一可用的公式，一般是通过实验的方法，测出一组典型数据，用程序来进行插值算法，或曲线拟合算法来计算出被测量。无论是插值算法还是曲线拟合算法，要得到较高的精度都必须进行大量的运算。本系统中，MSP430不断从双口SDRAM中获取数据向PZT输出驱动电压的数字量，同时不断检测来自光电转换器件的信号，并将其转化为数字量送到双口SDRAM。OMAP-L138不断从双口SDRAM中读取数据完成差值运算或者曲线拟合运算，并将运算结果输出到双口SDRAM。4、PZT电压

7、的建立系统开始运行后，MSP430从双口SDRAM中读出OMAP-L138送出的初始数据，然后向数模转换芯片送出。数模转换芯片获取数据并将其转换为初始驱动电压使PZT产生形变。同时，PIN光电管接收光纤FBG传感器的反射光并将其转换为电压，再通过模数转换芯片将其转换为数字量。MSP430获得此值并将其存入双口SDRAM中，OMAP-L138读取此值并不断与前值比较，若此值最大，则表示F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重合。此时，MSP430记录下施加给PZT的工作电压值。本实验用锯齿波驱动PZT以调整F-

8、P的腔长。这种方法的优点是：A/D转换芯片对于连续值的转换时间短，因此锯齿波的斜率较大，相应的扫描频率较高。扫描频率可以自由改变，给出的精确电压是已知数值的，可以直接用来换算中心波长。这样施加的PZT驱动电压一般只是在0V到10V的一小段上变化，而不用每次都从0V开始连续上升到10V再重新扫描。施加给PZT的驱动电压可以是双极性的也可以是单极性的，只要设计时选好控制信号即可。三、实验步骤1、实验准备（1）、拿出实