用于光纖布拉格光柵傳感的數(shù)字化光源設(shè)計(jì).pdf

1、本文主要對(duì)光纖傳感領(lǐng)域中光源技術(shù)進(jìn)行研究,以光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)作為敏感部件的傳感系統(tǒng)中,光源主要分兩大類,寬帶光源系統(tǒng)和利用可調(diào)諧激光器的窄帶光源系統(tǒng)。寬帶光源輸出功率不足,傳感信號(hào)信噪比低,解調(diào)精度不高;窄帶光源則可以克服這個(gè)缺點(diǎn),但對(duì)激光輸出的穩(wěn)定性和精度等方面存在著較高的要求。因此本文設(shè)計(jì)了一種高精密的可調(diào)諧數(shù)字化光源,這種高精密的調(diào)諧電壓可實(shí)現(xiàn)精度為0.91pm的激光輸出波長(zhǎng)調(diào)諧,

2、在這種高精密的電壓調(diào)諧基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種基于電壓掃描的溫度漂移控制方法,這種算法可以精確的定位出溫度的變化,與傳統(tǒng)的原子吸收線定溫法相比,雖然精度上略有降低,但在成本和實(shí)用性上有著突出的優(yōu)勢(shì),同時(shí)這種方法也可以解決傳感FBG的溫度交叉敏感問(wèn)題。
　　本研究首先對(duì)于FBG傳感中用到的光源系統(tǒng)進(jìn)行了分析,綜合各種光源系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),搭建出一種可調(diào)諧的窄帶寬數(shù)字化激光光源,這一系統(tǒng)的波長(zhǎng)選擇裝置是可調(diào)諧光纖法布里-珀羅濾波器(Fiber

3、Fabry-Perot Tunable Filter, FFP-TF),利用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)和高精密電壓模塊控制FFP-TF的電壓,輸出經(jīng)調(diào)制的激光信號(hào)。對(duì)于濾波器FFP-TF存在的溫度漂移問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種溫度漂移控制方法。實(shí)現(xiàn)過(guò)程:高精密電壓模塊輸出正弦掃描電壓,通過(guò)DSP中鎖相放大算法解調(diào)出FFP-TF和參考FBG的相對(duì)波長(zhǎng)漂移,精確定位出溫度的變化,從解決光源的溫度漂移問(wèn)

4、題。其次,利用分辨率為百萬(wàn)分之一(ppm)的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5791設(shè)計(jì)了高精度電壓控制板。輸入輸出部分采用外部緩沖放大器架構(gòu),以此緩沖來(lái)自3.4千歐電阻的基準(zhǔn)電壓,通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臑V波電路、高精度的參考電壓源和后續(xù)高規(guī)格的印制電路板設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了精度為0.228 mV、積分非線性誤差為12個(gè)最低有效位(Least Significant Bit, LSB)、微分非線性誤差為的電壓為2.5個(gè)LSB的高精密電壓輸出。用DSP的通用輸入輸出接口

5、實(shí)現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),輸出三角波或正弦等調(diào)制信號(hào),控制激光器的輸出波長(zhǎng)變化,可以實(shí)現(xiàn)輸出激光的大范圍快速掃描,后續(xù)的溫度漂移控制方法程序也是利用DSP實(shí)現(xiàn)的。最后,對(duì)可調(diào)諧激光光源的輸出穩(wěn)定性及溫度漂移現(xiàn)象做了系統(tǒng)的測(cè)量,實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了濾波器FFP-TF的溫度漂移曲線和參考FBG的溫度漂移曲線。以此作為基礎(chǔ),在溫度漂移控制實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)記錄溫度變化產(chǎn)生的FFP-TF和FBG的相對(duì)波長(zhǎng)漂移,利用漂移控制方法計(jì)算出溫度變化,實(shí)現(xiàn)光源的定