调谐法布里—珀罗滤波器驱动技术

摘要：波长编码的光纤光栅(FBG)传感器的传感结果具有不受光路能量波动影响、抗电磁干扰、抗腐蚀、安全可靠、测量范围广等优点，近年来已被广泛运用于诸多场合。然而，光纤光栅的信号解调技术是限制光栅传感进展的一个重要因素，同时也是传感领域面对的一个重大挑战。目前，光纤光栅传感解调的主要方式有：滤波法、干涉法和色散法。其中，滤波法原理简单、容易实现。它多利用可调法布里-珀罗滤波器对波长进行扫描，该滤波器的扫描范围为几十纳米，甚至上百纳米；透射峰带宽可低于0.2nm，甚至0.05nm；波长的分辨率可以达到皮米量级。通常它是借助压电陶瓷的电致伸缩效应，通过调节谐振腔腔长，实现对透过波长的调节，由此可调法布里-珀罗滤波离不开电压驱动技术，有必要设计一个高精度、实时可调的驱动电路。本论文浅析了可调谐法布里-珀罗腔的工作原理，提出一种采取数字电路与模拟电路相结合的驱动思路。它利用数字电路产生锯齿波信号，再通过模拟电路对锯齿波信号进行功率放大，实现对可调谐法布里-珀罗滤波器的扫描驱动。实施历程中，锯齿波信号由STM32系列微处理器产生，功率放大主要依靠三极管TIP29C和TIP30C组成的推挽式放大电路。另外，借助嵌入式开发工具MDK平台，采取Keil C完成软件系统的开发和设计。主要工作包括串口通信，实现上位机与微处理器之间的数据交换；微处理器与数/模转换芯片AD5660之间的数据传输，将微处理器输出的数字信号实时转换为模拟信号并输出。研制的驱动电路输出电压在0~30V、频率在0~1KHz、偏置在0~30V、占空比在0.006%~99.994%内连续可调。输出波形稳定、精度非常高，纹波抑制比低至0.0025%。输出的锯齿波驱动信号带负载能力强，后接容性阻抗极大的可调谐法布里-珀罗滤波器时，波形不会产生失真。为了便于后续信号的采集和寻峰，在单个自由光谱程范围内，利用三次曲线拟合方式对驱动电压进行了修正，波长调谐的标准差降低了62.7%，最大误差降低了80.1%。在室温环境下，利用微动平台给传感光栅施加应变，采取扫描电压频率为5.8Hz、输出电压为11.4V~23.3V、上升沿占空比为99.994%的锯齿波信号去驱动可调谐法布里-珀罗滤波器，经过4小时重复性试验，获得在2个微应变时获得的波长测量精度为1.58pm，稳定性为4pm，重复性为

4.02pm。关键词：可调谐法布里-珀罗滤波器论文锯齿波论文嵌入式论文非线性论文

摘要5-6

ABSTRACT6-8

致谢8-14

第一章 绪论14-23

1.1 引言14

1.2 FBG 的进展概况及运用14-17

1.2.1 FBG 的进展概况14-15

1.2.2 光纤光栅的运用15-17

1.3 光纤光栅传感滤波解调技术的探讨概况17-18

1.3.1 光纤光栅传感解调技术探讨近况17-18

1.3.2 可调谐光滤波器技术探讨近况18

1.4 解调用可调谐法布里-珀罗滤波器驱动技术的探讨近况18-21

1.4.1 传统的三角波驱动方式18-19

1.4.2 锯齿波驱动方式19-20

1.4.3 锯齿波驱动法布里-珀罗滤波的优点20-21

1.5 课题探讨的目的及作用21-22

1.6 论文的主要内容22-23

第二章 法布里-珀罗滤波解调的工作原理23-35

2.1 光纤光栅传感论述23-24

2.2 可调谐法布里-珀罗滤波器的工作原理24-29

2.2.1 光学论述基础24-27

2.2.2 可调谐法布里-珀罗滤波器的输出特性与技术指标27-29

2.3 可调谐法布里-珀罗滤波解调的原理29-31

2.4 可调谐法布里-珀罗滤波器解调技术探讨近况31-32

2.5 可调谐法布里-珀罗滤波器32-33

2.6 本章小结33-35

第三章 可调谐法布里-珀罗滤波器驱动系统硬件设计35-52

3.1 硬件电路案例的选型35-38

3.2 基于 ARM 的锯齿波产生电路设计38-46

3.2.1 嵌入式系统概况38

3.2.2 STM32F103 微处理器介绍38-39

3.2.3 由 STM32F103C8 构成的硬件系统39-46

3.2.3.1 串口通信模块39-40

3.2.3.2 最小系统40-43

3.2.3.3 模/数转换模块43-44

3.2.3.4 方波放大模块44-45

3.2.3.5 程序烧写模块45-46

3.3 大功率、高电压放大电路设计46-47

3.4 驱动电路电源设计47-49

3.5 制约电路 PCB 板设计49-50

3.6 本章小结50-52

第四章 可调谐法布里-珀罗滤波器驱动系统软件设计52-58

4.1 嵌入式处理器软件设计52-55

4.2 上位机串口通信界面设计55-57

4.3 本章小结57-58

第五章 可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动结果浅析58-68

5.1 功率测试58

5.2 系统光路搭建58-59

5.3 电源性能测试59-60

5.4 驱动电路的可调电压与输出电流测试60-61

5.5 可调谐法布里-珀罗滤波器驱动信号频率选择61-63

5.6 解调系统实验63-64

5.7 扫描电压与透射波长联系曲线的非线性修正64-66

5.8 实验结果浅析66-67

5.9 本章小结67-68

第六章 结论与展望68-70

6.1 结论68

6.2 展望68-70