CN107631741A - 一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，它包括以下步骤：步骤一，选择光学器件，搭建解调光路系统；步骤二，设计电路系统；步骤三，编程实现嵌入式系统；步骤四，编程实现上位机系统；步骤五，解调系统调试，实现光纤布拉格光栅传感器中心波长解调；通过以上步骤，本发明实现了光纤布拉格光栅传感器中心波长解调，此外，本发明所述方法充分进行了模块化和冗余设计，并在设计时考虑了系统实现成本与功耗，使解调系统可靠性增强，低功耗有利于提高系统的续航能力和降低系统发热，模块化设计有利于系统的调试和后期维护。
Description
技术领域
本发明提供一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法,包括光路系统、电路系统、嵌入式系统、上位机系统，能实现光纤布拉格光栅传感器中心波长解调。本发明所述实现方法适用于结构健康监测中光纤布拉格光栅传感器的波长解调，属于结构健康监测技术领域。
背景技术
光纤布拉格光栅传感器以其质量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀、易嵌入等优点在各种大型机电、石油化工、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中得到越来越广泛的应用。尤其是在结构健康监测领域得到了充分的重视与运用。光纤布拉格光栅是光纤光栅传感器的一种，其中心波长随着外界物理量的变化而改变，利用该原理可测量监测结构的状态与特性。在结构健康监测中，多需要在室外、潮湿、高电磁干扰等环境下对监测对象进行长时间的不间断监测，并且对设备维护周期较，所以光纤布拉格光栅传感器十分适合用于结构健康监测。
光纤布拉格光栅传感器波长解调有许多方法，常用的有光谱仪解调法、窄带激光光源解调法、可调谐法布里-珀罗滤波法(即可调谐F-P滤波法)、匹配光栅滤波法。其中光谱仪解调法与窄带激光光源法不仅实现成本昂贵，并且维护困难，只适合实验室研究；匹配光栅滤波法实现方式简单、成本低，但解调精度低，适合对解调精度要求相对较低的场合；而可调谐F-P法不仅成本较低，解调精度也较高，应用场景较为广泛。所以本发明基于可调谐F-P解调法的思想，提出一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的具体实现方法。
发明内容
(一)本发明的目的是：
一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，旨在实现光纤布拉格光栅中心波长解调，在保证解调精度的基础上降低系统成本和功耗，并进行模块化及冗余设计，提高系统可靠性和稳定度。
(二)其具体技术方案如下：
本发明一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，它包括以下步骤：
步骤一，选择光学器件，搭建解调光路系统；
步骤二，设计电路系统；
步骤三，编程实现嵌入式系统；
步骤四，编程实现上位机系统；
步骤五，解调系统调试，实现光纤布拉格光栅传感器中心波长解调；
其中，在步骤一中所述的“选择光学器件，搭建解调光路系统”，是指基于可调谐F-P法使用宽带光源、法布里-珀罗(F-P)腔、光分路器、梳状滤波器搭建光路系统；宽带光源的光经过F-P腔后被光分路器分为两路，分别作为光纤布拉格光栅传感器(即FBG)和梳状滤波器的输入，从而得到FBG反射光谱及梳状滤波器的透射光谱。
其中，在步骤二中所述的“设计电路系统”，是指根据可调谐F-P解调法所搭建的光路系统，设计电路系统配合光路系统的正常工作；电路系统包括了电源系统、数字模拟转换电路、模拟数字转换电路、光电转换电路；在对电源系统的设计时采用冗余设计以提高系统的可靠性；此外，电路系统中的器件选型均以低功耗产品为主，降低系统的功耗。
其中，在步骤三中所述的“嵌入式系统”，是指是一种完全嵌入受控器件内部，以应用为中心，以计算机技术为基础，为特定应用而设计的专用计算机系统。
其中，在步骤三中所述的“编程实现嵌入式系统”，其具体作法如下：使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702(南京米联电子)，该集成开发板采用现场可编程门阵列(即FPGA)和微处理器ARM(即Acorn RISC Machine，以下简称ARM)相结合的平台，并采用版本为“Vivado 2015.4”的开发软件进行硬件系统的开发；实现提供电路系统所需信号、接收电路系统采集到的光谱信号、完成光纤布拉格光栅传感器中心波长的解调；FPGA负责提供电路系统所需信号并接收电路系统采集到的光谱信号，ARM负责光纤布拉格光栅传感器中心波长的解调。
其中，在步骤四中所述的“上位机系统”，是指可以直接发出操控命令的计算机。
其中，在步骤四中所述的“编程实现上位机系统”，其具体作法如下：搭建软件平台，确定编程语言，本发明使用微软C/C++编译器6.0版本(即VC++6.0)进行程序的编写，在此基础上搭建编程环境，利用微软基础类库Microsoft Foundation Classes(简称MFC)编程环境；将处理好的光纤布拉格光栅传感器中心波长传输到上位机系统上，以便于进行进一步的数据处理、显示，数据处理的结果保存在数据库中。
其中，在步骤五中所述的“解调系统调试，实现光纤布拉格光栅传感器中心波长解调”，其具体作法如下：在实现光路系统搭建、电路系统设计实现、嵌入式系统设计实现、上位机编程实现后，对解调系统各模块进行联合调试，从而解调出光纤布拉格光栅传感器的中心波长。
通过以上步骤，实现了光纤布拉格光栅传感器中心波长解调，此外，本发明所述方法充分进行了模块化和冗余设计，并在设计时考虑了系统实现成本与功耗，使解调系统可靠性增强，低功耗有利于提高系统的续航能力和降低系统发热，模块化设计有利于系统的调试和后期维护。
(三)本发明的优点在于：
本发明所述的光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，不仅可以实现光纤布拉格光栅传感器中心波长的解调，而且同时兼顾了成本、精度、功耗、可靠性、可维护程度。使系统在结构健康监测领域较光谱仪解调法、窄带激光光源解调法、匹配光栅滤波法有明显的优势。主要体现在精度较匹配光栅滤波法高，成本较光谱仪解调法和窄带激光光源解调法低，适用范围较上述方法更为广泛，并且系统功耗低、续航能力好，模块化的设计使系统开发维护更为简单，冗余设计使系统可靠性更高。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
图2光路系统设计示意图。
图3电路系统设计示意图。
图4嵌入式系统设计示意图。
图5光纤布拉格光栅传感器中心波长解调结果。
图中序号、符号、代号说明如下：
图1中：“F-P腔”为法布里-珀罗谐振腔；“FPGA+ARM”为现场可编程门阵列与AcornRISC Machine结合的嵌入式开发平台。
图4中：“FPGA”为现场可编程门阵；“ARM”为Acorn RISC Machine的缩写。
具体实施方式
本发明一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，见图1所示，其具体步骤如下：
步骤一，选择光学器件，搭建解调光路系统。使用如表1中的光学器件，使用可调谐F-P法搭建光路系统如图2所示。宽带光源的光经过F-P腔后被光分路器分为两路，分别作为光纤布拉格光栅传感器(即FBG)和梳状滤波器的输入，从而得到FBG反射光谱及梳状滤波器的透射光谱，然后经过光电探测器将反射光谱和透射光谱光信号转换成电信号，并使用模拟-数字转换(即AD采集)后进行处理解调。
表1光路系统光学器件及相关参数
步骤二，设计电路系统，根据可调谐F-P解调法所搭建的光路系统，设计电路系统配合光路系统的正常工作。电路系统主要包括了电源系统、数字模拟转换电路、模拟数字转换电路、光电转换电路，在对电源系统的设计时采用冗余设计以提高系统的可靠性。此外，电路系统中的器件选型均以低功耗产品为主，降低系统的功耗，电路系统的设计示意图如图3所示。
步骤三，编程实现嵌入式系统，嵌入式系统使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702(南京米联电子)，该集成开发板采用FPGA和ARM处理器相结合的平台，并采用版本为“Vivado 2015.4”的开发软件进行硬件系统的开发。实现提供电路系统所需信号、接收电路系统采集到的光谱信号、完成光纤布拉格光栅传感器中心波长的解调。本发明采用独特的FPGA与ARM结合的方式，提高了嵌入式系统的效率和速度。其设计示意图如图4所示，FPGA负责提供电路系统所需信号并接收电路系统采集到的光谱信号，ARM负责光纤布拉格光栅传感器中心波长的解调。
步骤四，编程实现上位机系统，搭建软件平台，确定编程语言，本发明使用微软C/C++编译器6.0版本(即VC++6.0)进行程序的编写，在此基础上搭建编程环境，利用MFC编程环境，建立对话框工程。将处理好的光纤布拉格光栅传感器中心波长传输到软件平台上，以便于进行进一步的数据处理、显示，数据处理的结果保存在数据库中。
步骤五，解调系统调试，实现光纤布拉格光栅传感器中心波长解调。在实现光路系统搭建、电路系统设计实现、嵌入式系统设计实现、上位机编程实现后，对解调系统各模块进行联合调试，从而解调出光纤布拉格光栅传感器的中心波长。解调结果如图5所示。
Claims (8)
1.一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一，选择光学器件，搭建解调光路系统；
步骤二，设计电路系统；
步骤三，编程实现嵌入式系统；
步骤四，编程实现上位机系统；
步骤五，解调系统调试，实现光纤布拉格光栅传感器中心波长解调；
通过以上步骤，实现了光纤布拉格光栅传感器中心波长解调，此外，本发明所述方法充分进行了模块化和冗余设计，并在设计时考虑了系统实现成本与功耗，使解调系统可靠性增强，低功耗有利于提高系统的续航能力和降低系统发热，模块化设计有利于系统的调试和后期维护。
2.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“选择光学器件，搭建解调光路系统”，其具体作法是：基于可调谐F-P法使用宽带光源、F-P腔、光分路器、梳状滤波器搭建光路系统；宽带光源的光经过F-P腔后被光分路器分为两路，分别作为光纤布拉格光栅传感器即FBG和梳状滤波器的输入，从而得到FBG反射光谱及梳状滤波器的透射光谱。
3.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“设计电路系统”，其具体作法是：根据可调谐F-P解调法所搭建的光路系统，设计电路系统配合光路系统的正常工作；电路系统包括了电源系统、数字模拟转换电路、模拟数字转换电路、光电转换电路；在对电源系统的设计时采用冗余设计以提高系统的可靠性；此外，电路系统中的器件选型均以低功耗产品为主，降低系统的功耗。
4.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，其特征在于：在步骤三中所述的“嵌入式系统”，是指是一种完全嵌入受控器件内部，以应用为中心，以计算机技术为基础，为特定应用而设计的专用计算机系统。
5.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，其特征在于：在步骤三中所述的“编程实现嵌入式系统”，其具体作法如下：使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702，该集成开发板采用现场可编程门阵列(即FPGA)和微处理器ARM相结合的平台，并采用版本为“Vivado 2015.4”的开发软件进行硬件系统的开发；实现提供电路系统所需信号、接收电路系统采集到的光谱信号、完成光纤布拉格光栅传感器中心波长的解调；FPGA负责提供电路系统所需信号并接收电路系统采集到的光谱信号，ARM负责光纤布拉格光栅传感器中心波长的解调。
6.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，其特征在于：在步骤四中所述的“上位机系统”，是指能直接发出操控命令的计算机。
7.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，其特征在于：在步骤四中所述的“编程实现上位机系统”，其具体作法如下：搭建软件平台，确定编程语言，本发明使用微软C/C++编译器6.0版本即VC++6.0进行程序的编写，在此基础上搭建编程环境，利用微软基础类库即MFC编程环境；将处理好的光纤布拉格光栅传感器中心波长传输到上位机系统上，以便于进行进一步的数据处理、显示，数据处理的结果保存在数据库中。
8.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调的实现方法，其特征在于：在步骤五中所述的“解调系统调试，实现光纤布拉格光栅传感器中心波长解调”，其具体作法如下：在实现光路系统搭建、电路系统设计实现、嵌入式系统设计实现、上位机编程实现后，对解调系统各模块进行联合调试，从而解调出光纤布拉格光栅传感器的中心波长。
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