【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(dòng)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(dòng)態(tài)測量信號(hào),現(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)存在價(jià)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(diǎn)。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(jì)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(jì)和搭建,解調(diào)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),解調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)軟件編寫。首先,介紹可調(diào)諧激光器法實(shí)現(xiàn)傳感器波長解調(diào)的原理和過程,并設(shè)計(jì)了光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的整體實(shí)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(shí)現(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)四通道同時(shí)解調(diào)的指標(biāo)。其次,完成解調(diào)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn),包括電源模塊設(shè)計(jì)、FPGA控制器模塊設(shè)計(jì)、可調(diào)諧激光器輸入電流電路分析設(shè)計(jì)、可調(diào)諧激光器溫度控制電路設(shè)計(jì)、串口和網(wǎng)卡通信電路設(shè)計(jì)以及光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)各個(gè)硬件電路模塊正常工作和整體解調(diào)功能。同時(shí),設(shè)計(jì)基于C++的解調(diào)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)解調(diào)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)等功能。最后,針對研制的解調(diào)系統(tǒng),進(jìn)行相關(guān)的性能測試實(shí)驗(yàn),包括驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)到±1pm,解調(diào)速度達(dá)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(jì)搭建,硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn),經(jīng)過相關(guān)性能測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(hào)】：TN248;TN791
【圖文】：

（２）可調(diào)諧激光器調(diào)諧范圍廣，能夠輸出整個(gè)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(jì)需求，良好的光逡逑波長可控性能夠進(jìn)一步提高解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)精度。逡逑為滿足指標(biāo)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(shí)選用高速的電子元器件，驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧激光器高頻調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)對光纖逡逑光柵傳感器傳感信號(hào)的動(dòng)態(tài)解調(diào)。逡逑２．１．２解調(diào)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。光路系統(tǒng)逡逑實(shí)現(xiàn)光源信號(hào)分路和光信號(hào)的傳遞；硬件電路實(shí)現(xiàn)激光光源的驅(qū)動(dòng)以及電信號(hào)的逡逑處理和傳輸；上位機(jī)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)等功能。光逡逑纖光柵解調(diào)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(jìn)行波長標(biāo)定，實(shí)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螔呙琛ｅ义希ǎ玻┛烧{(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(biāo)，返回光強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)得到離散的回光強(qiáng)關(guān)系。當(dāng)連接單一傳感器時(shí)，實(shí)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(diǎn)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(diǎn)做尋峰處理，尋得峰值為光纖光柵傳感值對應(yīng)橫坐標(biāo)為光纖光柵傳感器中心波長值，至此，實(shí)現(xiàn)對光纖光心波長解調(diào)。逡逑

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