2022年2022年光纤FBG传感器信号处理实验指导书 .pdf

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1、实验指导书胡辽林 主编西安理工大学机仪学院精仪实验中心2011 年 11 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 实验 光纤 FBG 传感器信号处理实验一、实验目的1、 了解光纤 FBG传感器的工作原理。2、 掌握利用 DSP完成光纤 FBG传感器信号检测。3、 掌握如何用C语言编写简单的DSP程序。二、实验设备 1 、可调谐窄带LD 、3dB 耦合器、光纤FBG传感器、光纤、微动平台； 2、装有 CCS3.3或者 C

2、CS5.2的计算机及OMAP-L138 开发板 3、SEED-XDS560PLUS 仿真器或者SEED-XDS510PLUS 仿真器； 4、连接电缆若干三、 实验原理 1、光纤 FBG传感器原理光纤 FBG传感器是利用外界条件（温度、应变、压力等）作用时，反射波长发生漂移的机理而制成的新型光纤传感器。对于一个光纤光栅传感系统，要精确地检测应变或者温度的变化，就需要检测由被测量引起的Bragg 波长的微小漂移。当窄带光源发出的光经过光纤FBG传感器， 由模式耦合理论可知，只有波长满足条件的光波会被 FBG反射回来， 其余的波长透射， 。光纤光栅的Bragg 波长（峰值波长），或者说谐振条件是2B

3、effn（ 1）式中，B为反射中心波长，为光栅距，effn为纤芯有效折射率。当外界温度不变，仅被测应变发生变化时，由（1）式的微分可得到光纤的轴向应变所致的Bragg波长漂移量为2effBeffnnlll（ 2）（2）式中，l是沿光纤轴向长度的微笑变化。进一步的理论可知式（2）中波长的漂移是由光栅周期的改变和弹光效应引起的折射率改变而产生的，因此应变所致的波长漂移可表示为1BBcP（ 3）（3）式中，是应变，cP是弹光系数，为一常数。由（3）式可见，只要通过实时监测反射 Bragg 波长的漂移量， 再根据B与之间的线性关系，即可获得待测应变的变化信息。2、光纤 FBG传感器信号系统名师资料总结

4、 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 图 1 光纤 FBG传感器信号处理系统如图 1，被待测信号调制后的FBG反射信号通过可调光纤F-P 滤波器和PIN 光电管后进入以数字信号处理器OMAP-L138为核心的信号处理电路，反射信号经过放大后进入A/D 转换器，信号处理器对A/D 转换后的数字量进行消噪。由 D/A 转换器和低通滤波电路输出纯净的FBG反射信号，在整形电路中将其与预设的门限电压值作比较，输出矩形脉冲信号，经中断触发电

5、路转换分两次触发单片机的外部中断，单片机锁定两次触发时刻的D/A 数字输入量，送入数据存储单元并计算它们的平均值。此平均值是与FBG反射波中心波长对应的压电陶瓷的驱动电压值，通过和预设定标的光纤F-P 滤波器的驱动电压与透射光波长的对应关系比较，就可以得到FBG反射波的中心波长值和相应的波长变化量B，在通过和预先测定的温度值与 FBG中心波长变化量的对应关系比较，便可得到作用于FBG的待测量。3、信号处理系统的搭建考虑到 OMAP-L138具有强大的数据运算和处理功能，但逻辑控制能力较差；而MSP430具有较多的通用I/O 口，比较适合逻辑控制。所以将二者结合起来，使二者能够互相弥补对方的不足

6、，发挥自身的优点。OMAP-L138有高达 456MHz的主时钟，指令周期最小可达10ns，并且其本身具有面向信号处理的专用指令，因此可以完成对信号高速处理和复杂运算，并可以进行实时降噪处理。当前对 Bragg 光栅的解调算法还没有统一可用的公式，一般是通过实验的方法，测出一组典型数据， 用程序来进行插值算法，或曲线拟合算法来计算出被测量。无论是插值算法还是曲线拟合算法， 要得到较高的精度都必须进行大量的运算。本系统中，MSP430不断从双口SDRAM中获取数据向PZT输出驱动电压的数字量，同时不断检测来自光电转换器件的信号，并将其转化为数字量送到双口SDRAM。OMAP-L138不断从双口S

7、DRAM 中读取数据完成差值运算或者曲线拟合运算，并将运算结果输出到双口SDRAM 。4、PZT电压的建立系统开始运行后，MSP430 从双口 SDRAM 中读出 OMAP-L138送出的初始数据，然后向数模转换芯片送出。 数模转换芯片获取数据并将其转换为初始驱动电压使PZT产生形变。同时，PIN 光电管接收光纤FBG传感器的反射光并将其转换为电压，再通过模数转换芯片将其转换为数字量。 MSP430获得此值并将其存入双口SDRAM 中，OMAP-L138读取此值并不断与前值比较，若此值最大，则表示F-P 腔的透射波长与FBG的反射波长重合。此时，MSP430记录下名师资料总结 - - -精品资

8、料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 施加给 PZT的工作电压值。本实验用锯齿波驱动PZT以调整 F-P 的腔长。这种方法的优点是：A/D 转换芯片对于连续值的转换时间短， 因此锯齿波的斜率较大，相应的扫描频率较高。扫描频率可以自由改变，给出的精确电压是已知数值的，可以直接用来换算中心波长。这样施加的PZT驱动电压一般只是在 0V到 10V 的一小段上变化， 而不用每次都从0V开始连续上升到10V再重新扫描。 施加给 PZT的驱动电压可以是双极性的

9、也可以是单极性的，只要设计时选好控制信号即可。三、实验步骤1、实验准备（1） 、拿出实验器材， 取出三相电源连接线，将电源线的一端插入DSP开发板的电源插孔中，另一端插入220V交流供电插座上，保证连接稳固。（2） 、将 JATG连接线的 JATG端口连接到DSP开发板上的JTAG口，另一端连接到仿真器。（3） 、将 USB连接线的一端接仿真器，另一端接计算机。（4） 、电源上电。2、 D/A 模块功能实验D/A 功能实验主要测试电流和电压模拟量的的输出功能，实验步骤如下：（1） 、在 J21 接口上接上 +15V和-15V 电压。（2） 、在 CCS中用 Project-Open 命令，打开

10、工程目录下的test_da.pjt工程文件；（3） 、在 CCS中用 File-Load Program命令，加载CCS 目录下的Out 文件；（4） 、用示波器观察J2 的 1、2、3、4 脚。依次应为三角波、方波、锯齿波、正弦波。各管脚输出波形如下：（1） 、1 号管脚输出波形如下图：（2） 、2 号管脚输出波形如下图：（3） 、3 号管脚输出波形如下图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - （4） 、4 号管脚输

11、出波形如下图：如果各输出波形实际测试时幅值和频率都正确说明实验成功（三角波和方波是300HZ ，锯齿波和正弦波是600HZ ，幅值都是6V） ，否则失败。3、 A/D 模块功能实验A/D 功能实验主要考察利用第二个实验中的D/A 功能来测试A/D 通道采样功能，采样范围为 -12V-+12V ，实验步骤如下（1） 、将 DSP开发板上 J3 的 21-26 号管脚分别接A/D 采样的 6 个通道 C0、C1、B0、B1、A0、 A1。（2） 、测试 D/A 通过后，将 D/A 脚信号加载为A/D 端信号源。例如，将J2 第 1 脚接 J3第 26 脚，测量U11第 36 脚，如为三角波则正确。

12、（3） 、在 CCS中用 Project-Open 命令，加载CCS目录下的 out 文件，运行程序（快捷键为 F5） ；在 CCS中使用 View-Graph-Time/frequency命令，弹出对话框， 做如下配置：Start Address:CH2_BUF Acquisition Buffer Size:410 Display Data Size:410 Dsp Data Type:32-bit floating point 配置好后点击OK ，就会弹出一个图形框，图中波形和D/A 输入波形一致则正确。J2 第 3 脚（锯齿波）接J3 的第 25 脚（ A0） ，查看 CCS中 CH1

13、_BUF 为锯齿波则正确；J2 第 1 脚（三角波）接J3 的第 26 脚（ A1） ，查看 CCS中 CH2_BUF 为三角波则正确；J2 第 4 脚（正弦波）接J3 的第 23 脚（ B0） ，查看 CCS中 CH3_BUF 为正弦波则正确；J2 第 2 脚（矩形波）接J3 的第 24 脚（ B1） ，查看 CCS中 CH4_BUF 为矩形波则正确；J2 第 1 脚（三角波）接J3 的第 21 脚（ C0） ，查看 CCS中 CH5_BUF 为三角波则正确；J2 第 1 脚（三角波）接J3 的第 22 脚（ C1） ，查看 CCS中 CH6_BUF 为三角波则正确。4、 光纤 FBG传感器

14、信号处理实验流程如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 四、实验注意事项（1） 、除了按键和开关之外，尽量不要触摸DSP开发板。（2） 、电源的上电和下电顺序：核电压要比I/O 电压先加载；下电顺序相反。（3） 、为了便于文件的管理，把要做的实验复制到CCS安装目录里的myproject里面。（ 4 ） 、 如 果 出 现 异 常 不 能 调 试 ， 请 复 位CPU 。 具 体 做 法 是 点 击 菜 单 栏 里

15、 的Project-Debug-reset CPU，重新加载程序。如果还不行，先关掉CCS ，然后断掉外部电源进行热复位，打开电源，重新启动CCS 。五、实验报告要求（1） 、按照实验指导书的格式简述实验目的，基本要求，实验内容以及实验原理。（2） 、详细写明每一个实验的具体步骤，如何实现，在具体操作中遇到的问题以及如何解决。（3） 、在每一步中，分析各种不同的情况所得出的结果，并进行对比，得出结论。（4） 、在本次实验报告的最后，总结本次实验的主要内容以及所掌握的内容。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -