根据STM32的FFP-TF法FBG传感体系规划

摘要：经过对FBG传感器、FFP-TF(可调谐光纤F—P滤波器)以及STM32微操控器的研讨，规划了一种光纤光栅传感体系。该传感体系具有精密度高、结构紧凑、便于带着、运用便利、适用于野外作业等长处。本文给出了传感体系的硬件规划和软件完结。

现在，FBG(Fiber Bragg Grating)传感器已成为光纤光栅传感范畴研讨的热门之一，在石油化工，海洋勘探，航空航天，煤矿挖掘等范畴都有着极端可观的运用远景。传统传感器将电信号作为待测参量的载体，而FBG传感器是将光信号作为待测参量的载体。因为光的特性(安全、绝缘、抗电磁搅扰等)及光纤独有的长处(质轻、质软、耐腐蚀等)使得FBG传感器能够制成具有不同特定功用、恣意形状的光纤传感器FBG传感器能够完结在高温区、辐射区、狭小空间、强电磁搅扰以及高电压环境等传统传感器难以完结或许不能完结的使命。FFP—TF(FiberFab ry-Perot Tunable Filter)解调法具有调谐规模广、灵敏度高级长处，能够直接输出与FBG反射中心波长对应的光解调信号，可广泛运用于需求多点扫描的丈量傍边。

STM32系列32位闪存微操控器集先进的ARM Cortex-M3内核结构、拔尖立异的外设、杰出的功耗操控和低成本于一体，具有指令效率高、呼应速度快、实时功用优异、易于开发、代码便利移植等长处。因而，将STM32微操控器引进到解调体系中，开发了一个运用STM32微操控器处理数据的FBG传感体系。

1 FFP-TF解调原理

用可调谐F—P滤波器法对FBG传感器反射中心波长解调的根本原理如图1所示。

宽带光源宣布的光经光隔离器，再经过3 dB耦合器耦合到反射FBG传感阵列中，FBG传感器反射回来的不同波长的光波再经由耦合器耦合到可调谐F—P滤波器中。能够近似以为FBG的反射光谱契合高斯散布，设其间心波长为λB，其带宽为δ0。因为FBG的反射光谱带宽仅为0.2 nm，宽带光源光强在这段区间内能够近似以为是均匀散布的，设FBG的反射谱为G(λ)，则有式(1)：

式(2)中的λ的规模由光源规模决议，其间R、n、φ分别为F—P滤波器的反射率、折射率、光入射角。透过光纤F—P滤波器的光纤光栅反射光由PD(光电勘探器)接纳，PD接纳到的光功率PD(λ)是FBG反射谱和F—P滤波器透射函数的卷积积分如式(3)：

因为PZT(压电陶瓷)能够很好地将电能转化为机械能，在外加电动势的效果下可发生形变，故可用压电陶瓷作为F—P腔的驱动元件，在微位移驱动器的周期性驱动下，FFP-TF腔长进行周期性的弹性，使其透射波长在某一规模内进行扫描。设被测FBG中心波长λB在t0时刻满意FFP-TF透过的极大条件，即满意(5)式，PD此刻输出电压峰值。

2(L+△L)=kλB (5)

式(5)中的L为FFP-TF的初始腔长，△L为腔长的改变量，k为干与级数，是恣意整数。依据提早标定的FFP-TF的腔长改变、微位移驱动器周期驱动与时刻的联系，能够求出被测FBG的中心波长λB。再依据FBG中心波长的移动规模即可得到FFP-TF透射光波对应的光纤光栅传感点，然后可完结FBG的散布式传感。其间信号收集、信号处理、扫描电压操控以及显现进程由嵌入式微处理器完结。

2 解调体系的硬件规划

光纤光栅传感器解调体系首要分为两个模块：光信号处理模块与电信号处理模块。光信号处理模块首要用来盯梢剖析传感光纤光栅的中心反射波长的漂移，将光信号波长信息转化为电信号;电信号处理模块首要用来完结对光信号处理模块转化来的电信号进行处理和运算，转为数字信息，提取到外界信息后，最终以用户了解、界面友爱的方式输出显现。体系首要由三部分构成：光路体系，扩展电路以及嵌入式操控体系。

2.1 光路体系

光路体系首要是由宽带光源、光隔离器、3 dB耦合器、FBG传感网络及可调谐F—P滤波器部分等组成而成。光路体系需求外界供应扫描电压给可调谐F—P滤波器，用来驱动可调谐F—P滤波器。

2.2 扩展电路

扩展电路首要包含A/D输入模块以及D/A输出模块。A/D输入模块中PIN光电二极管将FFP-TF的透射光谱转化为电压信号，经过信号扩大调度电路将光路体系输出的电压信号进行扩大调度，再送至STM32体系进行A/D采样。D/A输出模块用来对光路体系中的可调谐F—P滤波器供应扫描电压。

2.2.1 A/D输入模块

光电检测电路是由一个实为光-电流-电压转化的PIN光电二极管及相关电路部分组成。PIN光电二极管的缺陷是输出的电流一般只稀有微安。PIN光电二极管将接纳到的光信号变为与之成对应份额的弱小电流信号，经运算扩大器以及与PIN光电二极管的串联电阻所组成的扩大器转化为电压信号。继续光照的PIN光电二极管可当作一个电流源，当它的负载阻抗为零时，输出特性为最好。

A/D转化是采样电路的中心，考虑到体系对分辨率、速度与精度等参数的要求，ADC芯片选用Burr-Brown公司出品的ADS8320，16位精度的高速A/D转化芯片，最高采样频率为100 kHz。超低功耗和体积小使ADS8320成为抱负的便于带着和电池供电体系。

2.2.2 D/A输出模块

可调谐F—P扫描电压由单片机经过外围电路发生，依据体系要求，体系的动态扫描规模为40 nm，分辨率为1 pm，故D/A芯片的位数N应该满意：

2N≥(40·1 000 pm)/1 pm (6)

即N≥16，为了给可调谐F—P滤波器供应一个高精度的电压供应，决议选用DAC8811芯片，16位精度的高速D/A转化芯片。

2.3 嵌入式操控体系

主控芯片选用ST公司推出的依据Cortex—M3内核的STM32F103C8T6芯片，它集先进Cortex—M3内核结构、杰出的功耗操控、拔尖立异的外设和低成本于一体。STM32具有全系列软件的高度兼容性及脚对脚和外设，能够在不修正软件及原始结构的条件下，可将运用精简为运用更少的存储空间，或晋级为需求更多的存储空间。

3 解调体系的软件规划

依据STM32易于开发，可使产品快速进入市场的特色，选用STM32固件库进行编写。STM32固件库供应易用的函数能够运用户便利地拜访STM32的各个规范外设，并运用它们的一切特性。

整个体系的软件规划完结了如下功用：

1)制FBG解调体系的作业;

2)采样滤波电路所在理过的电信号;

3)给PZT供应锯齿波驱动电压，若某时收集到FBG信号，则记载此刻的驱动电压，并对数据进行处理;

4)依据FBG传感器所丈量的外界物理量与自身中心波长的对应联系，计算出所测物理量的值并显现成果。

4 试验数据及剖析

进行温度测验试验。光源选用ASE-C型C波段宽带光源，作业波长规模为1 525.nm～1 565 nm。传感器选用GFRP封装的FBG温度传感器，30.0 ℃时标定的中心波长为1 553.971 nm，温度系数为19.05 pm/℃。将FBG传感器放入温控箱，不受外界应变的影响。从20℃开端，每添加10℃定温20 min测定一次波长，直至80℃。测得的数据如表1所示。

将测得的数据绘制成波长一温度曲线图，如图2所示。图中的‘▲’表明波长理论值，‘’表明波长实践丈量值，‘■’表明理论波长与实践丈量波长的肯定误差值，‘●’表明标定温度与实践丈量温度的误差值，直线为对数据进行的线性拟合。x轴表明温度，y轴表明波长或许温度。

从测验成果来看，该温度传感体系具有杰出的线性度，测得的波长、温度与理论波长、标定温度根本共同，各点的波长误差在±4 pm以内，体系的温度丈量精度可达±0.2 ℃。

5 定论

本文提出了依据STM32的FFP-TF法FBG传感体系的规划方案，完结了STM32操控体系的硬件规划和体系软件完结。该传感体系具有丈量速度快，准确度高级长处，达到了对温度的实时准确丈量的意图。该传感体系可用于智能结构(石油化工、海洋勘探、航空航天、煤矿挖掘等)的温度等参数的收集，具有较高的运用价值。