【摘要】：隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖光柵傳感器的種類越來越多,應(yīng)用范圍也越來越廣泛。光纖光柵傳感器的發(fā)展也極大推動了光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展,基于不同解調(diào)原理的解調(diào)系統(tǒng)相繼得到研制。但是針對一些動態(tài)測量信號,現(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)存在價格昂貴、性能表現(xiàn)不佳等不足,因此研制一款解調(diào)精度高、解調(diào)范圍廣、解調(diào)頻率合適的解調(diào)設(shè)備具有十分重要的意義。由于半導(dǎo)體激光器的發(fā)展,基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)在最近幾年成為研究熱點。本文通過對現(xiàn)有解調(diào)方法的調(diào)研,分析了不同解調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢和不足。為滿足光纖光柵傳感器解調(diào)需求,提出了一種以可調(diào)諧激光器為核心的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方案,核心控制芯片采用FPGA,主要研究內(nèi)容包括:解調(diào)系統(tǒng)的光路系統(tǒng)設(shè)計和搭建,解調(diào)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計與實現(xiàn),解調(diào)系統(tǒng)上位機軟件編寫。首先,介紹可調(diào)諧激光器法實現(xiàn)傳感器波長解調(diào)的原理和過程,并設(shè)計了光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的整體實現(xiàn)方案。搭建解調(diào)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu),利用1X4耦合器模塊實現(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)四通道同時解調(diào)的指標。其次,完成解調(diào)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與軟件實現(xiàn),包括電源模塊設(shè)計、FPGA控制器模塊設(shè)計、可調(diào)諧激光器輸入電流電路分析設(shè)計、可調(diào)諧激光器溫度控制電路設(shè)計、串口和網(wǎng)卡通信電路設(shè)計以及光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。為了盡可能提高解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)速度,電子器件選擇高速元器件。軟件方面,針對硬件電路模塊,編寫基于Verilog語言的控制程序,實現(xiàn)各個硬件電路模塊正常工作和整體解調(diào)功能。同時,設(shè)計基于C++的解調(diào)系統(tǒng)的上位機軟件,實現(xiàn)解調(diào)數(shù)據(jù)的顯示和存儲等功能。最后,針對研制的解調(diào)系統(tǒng),進行相關(guān)的性能測試實驗,包括驗證解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)范圍,解調(diào)精度,解調(diào)穩(wěn)定性以及解調(diào)頻率。實驗證明自制解調(diào)系統(tǒng)性能優(yōu)良,解調(diào)范圍1525nm-1565nm,解調(diào)精度誤差±3pm,解調(diào)穩(wěn)定性達到±1pm,解調(diào)速度達到1 kHz。綜上,本文在對光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀的研究基礎(chǔ)上,研制了基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng),完成了解調(diào)系統(tǒng)的光路設(shè)計搭建,硬件電路設(shè)計實現(xiàn),軟件設(shè)計和上位機實現(xiàn),經(jīng)過相關(guān)性能測試實驗驗證,解調(diào)系統(tǒng)擁有較為理想的解調(diào)性能。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN248;TN791
【圖文】：

（２）可調(diào)諧激光器調(diào)諧范圍廣，能夠輸出整個Ｃ波段的連續(xù)光。逡逑（３）可調(diào)諧激光器作為光源，其輸出光波長可控性好。逡逑解調(diào)范圍和高精度高穩(wěn)定性的輸出光特性滿足解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計需求，良好的光逡逑波長可控性能夠進一步提高解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)精度。逡逑為滿足指標第三條丨ｋＨｚ解調(diào)速率的要求，選用ＦＰＧＡ作為硬件電路的控制逡逑核心，并同時選用高速的電子元器件，驅(qū)動可調(diào)諧激光器高頻調(diào)諧，實現(xiàn)對光纖逡逑光柵傳感器傳感信號的動態(tài)解調(diào)。逡逑２．１．２解調(diào)系統(tǒng)整體設(shè)計逡逑光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)由光路系統(tǒng)，硬件電路系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)構(gòu)成。光路系統(tǒng)逡逑實現(xiàn)光源信號分路和光信號的傳遞；硬件電路實現(xiàn)激光光源的驅(qū)動以及電信號的逡逑處理和傳輸；上位機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進一步處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲等功能。光逡逑纖光柵解調(diào)系統(tǒng)整體設(shè)計示意圖如圖２－１所示。逡逑

圖２－４傳感器光譜與激光光源光譜重合示意圖逡逑光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)過程如下：逡逑（１）對可調(diào)諧激光器進行波長標定，實現(xiàn)對激光器的波長控制，能按一定大�。ㄈ纾玻埃穑恚┯傻筒ǘ蜗蚋卟ǘ螔呙�。逡逑（２）可調(diào)諧激光器輸出特定波長的光后，采集光纖耦合器模塊返回信息，以輸出波長作為橫坐標，返回光強度作為縱坐標得到離散的回光強關(guān)系。當連接單一傳感器時，實際測得的輸出光波長與光纖的關(guān)系如圖２－５所示。圖中離散點的擬合圖像近似為光纖光柵傳感器（３）對圖２－５中離散數(shù)據(jù)點做尋峰處理，尋得峰值為光纖光柵傳感值對應(yīng)橫坐標為光纖光柵傳感器中心波長值，至此，實現(xiàn)對光纖光心波長解調(diào)。逡逑

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本文編號：2717906