基于NIOS II的光纖光柵溫度傳感解調(diào)系統(tǒng)

王盛慧， 王子峰

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春 130012）

基于NIOS II的光纖光柵溫度傳感解調(diào)系統(tǒng)

王盛慧， 王子峰＊

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春 130012）

基于FPGA的硬件平臺，以NIOS II嵌入式軟核處理器為核心，設(shè)計了可調(diào)諧F－P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成以及軟硬件結(jié)構(gòu)。溫度測試實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的整體性能良好，具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，滿足實際測量需求。

光纖光柵；FPGA；NIOS II；可調(diào)諧F－P濾波器

0 引 言

近幾年來，光纖光柵傳感技術(shù)得益于它的抗電磁干擾、絕緣性能好、耐腐蝕、測量范圍廣等優(yōu)勢，使得在一些惡劣環(huán)境的測量中有著廣泛的應(yīng)用［1］。光纖光柵傳感技術(shù)是通過檢測反射波長的漂移量得到被檢測量的大小，因此，能否高精度的檢測到反射波長的漂移量是應(yīng)用中的核心問題［2］。目前，解調(diào)方法日趨成熟，且各有優(yōu)缺點，邊緣濾波法的結(jié)構(gòu)簡單，但是測量精度不高；干涉解調(diào)法測量精度高，但受環(huán)境影響大，實用性不高；匹配光柵濾波法對匹配光柵的制作工藝要求較高；基于可調(diào)諧F－P腔具有靈敏度高、體積小、調(diào)諧范圍廣等優(yōu)勢，且技術(shù)發(fā)展成熟、實用性較好，適用于工程應(yīng)用中波長檢測［3］。文中采用光纖F－P濾波器檢測FBG傳感器的溫度變化信號，運用NIOS II嵌入式處理器設(shè)計了高精度的光柵解調(diào)器，滿足實時測量的要求。

1 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

FBG傳感解調(diào)系統(tǒng)的組成主要包括寬帶光源、3 dB耦合器、可調(diào)諧F－P腔、光電探測器、數(shù)據(jù)采集以及處理部分等［4］。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 解調(diào)系統(tǒng)原理圖

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器到3 dB耦合器，進(jìn)入FBG陣列，滿足布拉格反射條件的光又經(jīng)光纖光柵反射回來后進(jìn)入F－P濾波器。在外加掃描電壓的作用下，F(xiàn)－P腔的腔長產(chǎn)生變化，改變透過F－P腔波的波長［5］。當(dāng)FBG反射波長和FP腔透過波長一致時，光電探測器探測到最大光強，這時F－P腔所加電壓即對應(yīng)著FBG的反射波長，光電探測器輸出的電信號與輸入光譜相對應(yīng)，再通過A／D轉(zhuǎn)換、放大、濾波后交給數(shù)字信號處理部分解調(diào)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 F－P濾波器驅(qū)動電路

F－P腔是一種高度精密的光學(xué)元件，它的腔長隨著兩端電壓的變化而變化，從而改變透射光波長。文中利用FPGA輸出數(shù)字量，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換成模擬電壓，并通過運算放大器放大、濾波等環(huán)節(jié)產(chǎn)生三角齒波，控制F－P腔的伸縮。為了保證探測器輸出的電信號和F－P腔驅(qū)動信號同步，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用三角波作為外觸發(fā)信號［6］。

2.2 光電轉(zhuǎn)換電路

光電轉(zhuǎn)換電路包括光信號轉(zhuǎn)電流信號和電流信號轉(zhuǎn)電壓信號兩個步驟。光信號通過光電管轉(zhuǎn)換成微弱的電流信號，再流經(jīng)電阻產(chǎn)生壓降，從而得到電壓信號；然后經(jīng)過放大器進(jìn)行電壓放大，送到A／D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行采樣。其光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 光電轉(zhuǎn)換電路

光電管采用InGa AsPIN（小面積）光電探測器，探測波長范圍900～1 700 nm，符合系統(tǒng)的要求。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理部分主要完成電信號的采樣和處理以及產(chǎn)生驅(qū)動F－P濾波器的三角波信號。光電探測器輸出的電信號幅值小且?guī)в性肼暎虼吮仨毥?jīng)過濾波、放大處理才能送到A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。A／D轉(zhuǎn)換有兩路輸入信號：一路是由光電轉(zhuǎn)換得到的電信號；另一路是驅(qū)動F－P濾波器的同步信號，目的使這兩路信號同步。AD采樣后的數(shù)據(jù)再由波峰算法得到最大值，從而找到對應(yīng)的掃描電壓值，由F－P濾波器波長和掃描電壓對應(yīng)關(guān)系得到反射波的中心波長，進(jìn)而得到待測量的值［］。

3 軟件算法設(shè)計

軟件算法的核心就是找到合適的尋峰算法，從而計算出從光纖光柵反射波的波長，得到對應(yīng)的溫度值，文中在綜合考慮算法復(fù)雜性和可行性的基礎(chǔ)上，采用基于高斯曲線擬合的尋峰算法。光纖布拉格光柵的反射光功率譜密度曲線可以用高斯函數(shù)近似表達(dá)為：

經(jīng)變換后得到多項式方程，通過采集到的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法計算出a，b，c的值，進(jìn)而關(guān)系式λ＝－b／（2a）計算反射峰峰值對應(yīng)的λ的值［8］。

4 實驗與分析

為了驗證解調(diào)系統(tǒng)的性能，將本系統(tǒng)在測溫系統(tǒng)（見圖1）中實驗，把光纖光柵溫度傳感器放入恒溫水槽中，水溫從25℃升到605℃，每隔5℃用光譜儀測量一次中心波長，將測得的數(shù)據(jù)繪成波長－溫度曲線，如圖3所示。

從圖中可以看出，運用本系統(tǒng)測量結(jié)果線性度良好，通過計算可得線性度R＝0.986 9。

5 結(jié) 語

設(shè)計了一種以FPGA和可調(diào)諧F－P濾波器為核心的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，并且運用高斯擬合算法得到FBG反射譜峰值。最后把本系統(tǒng)用于測溫實驗中，結(jié)果表明，采用文中設(shè)計的解調(diào)系統(tǒng)能夠很好地對溫度變化實時監(jiān)測，采用NIOS II作為處理器，在一定程度上簡化電路，降低了成本，提高了系統(tǒng)運行速度，且整體運行穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。

圖3 波長－溫度曲線

［1］艾樹峰，史振江.基于DSP和CPLD的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電訊技術(shù)，2008，48（6）：6－9.

［2］李新海，李冰.基于DSP的分布式光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)的研究［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2013，32（1）：32－37.

［3］鄭立林，王蓮芬.用可調(diào)諧F－P濾波器實現(xiàn)分布式應(yīng)變與溫度同時測量系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2007，22（2）：614－616.

［4］王鑫，王俊林.光纖光柵傳感器實時解調(diào)系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012，11（3）：70－72.

［5］宋慧超，苗長云.一種新型用于智能服裝的FBG嵌入式人體溫度檢測算法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2009，4 （7）：1045－1049.

［6］楊林楠.基于FPGA的高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.計算機工程，2007（7）：35－37.

［7］張孝飛，趙孔新，張賽男.基于FPGA的脈沖發(fā)生器波形模塊設(shè)計［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，32（3）：258－262.

［8］王奇.光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)中通信接口技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2005：6－7.

A NIOS II based fiber grating temperature sensing demodulation system

WANG Shenghui， WANG Zifeng＊
（School of Electrical ＆Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

Based on FPGA platform，with Nios II as the core processor，a tunable F－P filter fiber Bragg grating demodulation system is designed.We introduce both the hardware and software of the system.The temperature test shows that the system is with good stability and repeatability.

fiber grating；FPGA；NIOS II；tunable F－P filter.

TN 253

A

1674－1374（2015）04－0405－03

10.15923／j.cnki.cn22－1382／t.2015.4.09

2014－11－20

王盛慧（1976－），女，漢族，吉林吉林人，長春工業(yè)大學(xué)副教授，碩士，主要從事信號檢測與處理方向研究，E－mail：wangshenghui＠ccut.edu.cn.＊通訊作者：王子峰（1990－），男，漢族，黑龍江大慶人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事信號檢測與處理方向研究，E－mail：1014007886＠qq.com.