光纤光栅传感器的系统方案解析

　　其中I1(λ)和I2(λ)分别为传感光栅和匹配光栅的反射功率谱密度函数。两者的反射功率谱函数均可用高斯函数近似表示：　　

　　式中，I0为反射谱强度峰值;λs为反射谱强度为I0时对应的波长值;△λs为反射谱的3 dB带宽。一般情况下，光电探测器所探测到的光功率的大小与传感光栅和匹配光栅的反射谱的卷积大小成正比。传感光栅的中心波长λc与匹配光栅的中心波长λp的差值越小，对应的卷积值越大。由于△λ大于阈值△λmin时，卷积值过小可能无法继续解调，因此，解调范围会受到限制。

　　普通的匹配法只有一个传感光栅一个匹配光栅，对应只有一个△λ。当该△λ≥△λmin时，解调系统将无法继续解调。对于双光栅匹配解调系统，传感光栅与两个并联的匹配光栅的中心波长近似相等，但略有差别。三者关系为：λp1<λc<λp2，λp1和λp2分别表示两个匹配光栅的中心波长。λc是传感光栅的中心波长。传感光栅在外界应力作用下时，△λ1=?λc-λp1?，△λ2=?λc-λp2?;当λc增大时△λ1增大，△λ2减小;当λc减小时，△λ1减小，△λ2增大。图2所示为△λ1、△λ2和λc三者的关系图，其中△λmin是光电探测器可以探测到的最小值。因此，根据图2可知，在理论上，双光栅匹配解调系统总是至少有一个光电探测器可以探测到可用光信号。

　　2 基于DSP的解调系统设计

　　2.1 系统硬件设计 

匹配光栅反射回来的光入射到光电探测器(PD)上可转换为电信号。光电转换部分和信号采集部分主要完成对PD输出电信号的采集，采集到的信号再转化为数字信号由DSP进行处理。DSP主要完成数据的插值运算和寻峰处理，并根据处理结果反馈给DSP，由DSP依照反馈信号控制步进电机完成下一步的解调工作，其系统硬件框图如图3所示。

　　为了实现高精度的数据采样，本系统选用美国AD公司推出的一种12位带并行微机接口的逐次逼近型模/数转换芯片AD1674来实现系统的模数转换，AD1674内部自带采样保持器(SHA)、10V基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。

　　本系统采用TMS320VC5402作为主控芯片。这种定点DSP芯片可实现光纤光栅传感信号的处理、步进电机的控制和显示等。该芯片具有强大的数据运算和处理功能，利用其RPT和MAC指令可以在单指令周期内实现乘累加运算。其灵活的循环缓冲区和高效的C语言可使TMS320VC5402方便地实现数据的循环寻址与卷积运算，从而实现高速度解调。