基于Labview的光纖傳感器相位解調(diào)技術(shù)
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1 相位調(diào)制型傳感器調(diào)制基本原理與干涉解調(diào)結(jié)構(gòu)
相位調(diào)制是指當(dāng)傳感光纖受到外界機(jī)械或溫度場(chǎng)的作用時(shí),外界信號(hào)通過(guò)光纖的力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致光纖中的光相位變化,以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制.在光纖中傳播常數(shù)為的光波通過(guò)長(zhǎng)度為l的光纖, 會(huì)產(chǎn)生相位延遲：
則
式(2)中Δl為纖長(zhǎng)l的變化;Δα為纖芯半徑α的變化;Δn為纖芯折射率n的變化;所得即為光相位的變化。
圖1 基于2 ×2和3 ×3耦合器的馬赫—澤德(Mach - Zehnder)干涉儀
圖1為基于2 ×2和3 ×3耦合器的馬赫—澤德(Mach - Zehnder)干涉儀。其中激光器發(fā)出的相干光經(jīng)3dB耦合器C1分成光強(qiáng)比1∶1的兩束光分別進(jìn)入信號(hào)臂和參考臂光纖,再經(jīng)3×3對(duì)稱(chēng)耦合器C2匯合相干形成調(diào)制的干涉條紋,在終端采用光電探測(cè)器D檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化,在光纖參量基本恒定的條件下,信號(hào)臂與參考臂之間的位相差變化正比于外界信號(hào)。
由于目前的光探測(cè)器不能直接探測(cè)或讀出光的相位差值,故通常采用干涉法將光的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的干涉條紋光強(qiáng)變化1由光束干涉原理可知,干涉儀產(chǎn)生的干涉光強(qiáng)I可記為:
式(3)中I0為干涉場(chǎng)的固定直流分量, K0為干涉引起的變化峰值(幅度) , p ( t)為外界信號(hào)的作用規(guī)律,而Φ則為光纖干涉臂不等長(zhǎng)引起的固定相位差(通常計(jì)入p( t)中) .
干涉過(guò)程是一種非線性調(diào)諧作用,因此隨著信號(hào)峰值及頻率的不同干涉波形會(huì)產(chǎn)生很大的變化。圖2給出了信號(hào)p( t) = p0×sin (wt) (其中p0為信號(hào)振幅, w為信號(hào)頻率)時(shí)干涉波形隨信號(hào)振幅的變化情況。
圖2 原始信號(hào)與不同幅度調(diào)制信號(hào)比較圖
由圖2可見(jiàn),和原信號(hào)(曲線a)相比,原信號(hào)幅度較小(曲線b和c)時(shí),波形失真不大;而原信號(hào)幅度較大(曲線d)時(shí),波形失真非常明顯1因此在大信號(hào)情況下必須對(duì)輸出的干涉信號(hào)進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)原始信號(hào)的頻率和振幅。
2 當(dāng)前使用的軟硬件解調(diào)技術(shù)
解調(diào)不僅是將相位差變化轉(zhuǎn)化為干涉條紋變化,其最終目的是從式(3)中解出原信號(hào)p( t) 。解調(diào)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)恢復(fù)的惟一方法,也是相位調(diào)制型傳感應(yīng)用的關(guān)鍵和難點(diǎn)目前國(guó)內(nèi)外的解調(diào)提取信號(hào)方法主要分為硬件和軟件兩大類(lèi)。
2. 1 硬件解調(diào)提取信號(hào)方法特點(diǎn)
硬件解調(diào)提取信號(hào)方法主要是指完全依靠對(duì)電路和光路的設(shè)置或調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)的方法1按照信號(hào)光和參考光頻率差是否為零,將解調(diào)分為零差解調(diào)和外差解調(diào)方法。為了實(shí)現(xiàn)全光纖化檢測(cè)以及解決相移和振幅失配可能導(dǎo)致檢測(cè)閾值降低的問(wèn)題,目前通常采用零差解調(diào)方法。當(dāng)前比較成熟的解調(diào)技術(shù),除無(wú)源零差解調(diào)法之外,還廣泛采用交流相位跟蹤零差法( PTAC)和相位載波零差法( PGC)等有源零差解調(diào)法。比較而言,硬件解調(diào)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,系統(tǒng)制造周期長(zhǎng),成本較高。
2. 2 軟件解調(diào)提取信號(hào)方法特點(diǎn)
軟件解調(diào)提取信號(hào)方法是指部分依靠PC機(jī)和軟件實(shí)現(xiàn)解調(diào)的方法,其基本原理與硬件解調(diào)相同。除去光電探測(cè)轉(zhuǎn)換部分采用的電路和光路之外,信號(hào)的處理由微機(jī)實(shí)現(xiàn)1軟件方法省去了一般電路分析、制作、調(diào)試等步驟,不含有微分、相乘等易于引入噪聲的相關(guān)電路。目前已有采用Turbo C成功開(kāi)發(fā)軟件解調(diào)系統(tǒng)的先例。和硬件相比,軟件解調(diào)更加靈活,成本較低,開(kāi)發(fā)周期短,易于調(diào)試。
2. 3 Labview軟件的特點(diǎn)
Labview是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)門(mén)用于數(shù)據(jù)采集、分析與儀器控制的圖形化軟件1基于該軟件開(kāi)發(fā)的虛擬儀器可通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體,從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量,控制能力結(jié)合在一起1Labview具有革命性的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境,摒棄了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的復(fù)雜性,為用戶提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還充分保證了系統(tǒng)靈活性。
3 實(shí)驗(yàn)研究
3. 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)使用3×3耦合器對(duì)稱(chēng)無(wú)源零差方法對(duì)相位差進(jìn)行解調(diào)。系統(tǒng)前端采用如圖1所示的3 ×3對(duì)稱(chēng)無(wú)源零差解調(diào)結(jié)構(gòu)。根據(jù)干涉儀3×3耦合器3個(gè)相位輸出的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)特性可知,從C2輸出的3路信號(hào)在理想分光比( 1∶1∶1)的情況下,相位分別相差2π/3,即三端探測(cè)器(D0,D1,D2)組件輸出探測(cè)電壓:
式(4)中D為直流分量I0轉(zhuǎn)換的電壓幅值, A 為K0轉(zhuǎn)換的電壓幅值, m 為對(duì)應(yīng)耦合器的探測(cè)器序號(hào)。
軟件解調(diào)流程如圖3所示:將3項(xiàng)Um 求和后除以3得到信號(hào)直流量D;從式(4)的3路Um中分別減去D,使其各自只余下干涉信號(hào)的變化量Xm;然后分別將Xm 對(duì)時(shí)間求導(dǎo),得到dXm /dt;其后再將每一路信號(hào)Xm與另兩路信號(hào)求導(dǎo)差相乘;依此處理的3路信號(hào)乘積和即可消去式( 4)余弦,僅剩余帶系數(shù)的導(dǎo)數(shù)dp( t) /dt?？紤]到此式系數(shù)中仍包含有條紋襯比度,故將Xm3路信號(hào)的平方和與其相除,再對(duì)結(jié)果求時(shí)間的積分,即可完整恢復(fù)原信號(hào)函數(shù)p( t)。
圖3 軟件信號(hào)解調(diào)部分原理框圖
3. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上述軟件解調(diào)結(jié)構(gòu)編寫(xiě)Labview解調(diào)程序,實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)的解調(diào)功能。實(shí)驗(yàn)中對(duì)各種情況下原始信號(hào)的解調(diào)結(jié)果進(jìn)行了模擬和對(duì)比。
3. 2. 1 普通正弦信號(hào)的解調(diào)
當(dāng)原始信號(hào)為Pa ( t) = 3π ×sin (2πf t) , f = 100 Hz時(shí), p( t)可視為理想的簡(jiǎn)諧波1圖3中各節(jié)點(diǎn)a、b、c、d的波形如圖4所示。 由圖4各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形圖可見(jiàn),軟件解調(diào)可探測(cè)到與硬件解調(diào)對(duì)應(yīng)位置相同的波形,說(shuō)明簡(jiǎn)諧波Pa ( t)調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)該程序后得到了正確恢復(fù)。
評(píng)論