基于DSP的光纤法珀应变仪数据采集技术研究

　　1　引言

　　随着光纤法珀传感(简称光纤F-P传感)技术的不断发展,光纤F-P应变传感器在桥梁、高速公路、大坝等民用基础设施的状态监测、航空航天等领域得到了广泛应用[1]。其中在相位解调的光纤F-P应变传感系统中,对传感器的信号解调和处理基本上都是通过计算机来实现,而计算机由于其自身比较大的体积,不便于实现小型化,因此在民用基础设施的状态监测的恶劣野外环境条件下,就受到部分限制。用现代数字信号处理芯片(简称DSP)代替计算机是解决的可能途径之一。

　　通过DSP芯片,再加上显示和键盘控制部分,可形成基于DSP的一体化光纤F-P应变仪。由于其有望实现对应变的快速和实时测量,便于小型化、便携化而受到青睐。因此,有必要对基于DSP的一体化光纤F-P应变仪作深入的研究。其中,数据采集是一个必须首先完成并且至关重要的环节。

　　2　基于DSP的一体化光纤F-P应变仪的问题提出

　　位相解调式光纤F-P应变仪的典型结构由宽带光源、光谱解调系统、A/D卡组成。其中光谱解调系统可以是含有光纤光栅或F-P可调滤波器等各种形式的解调装置,也可是透镜、光栅、CCD图像传感阵列等组成的普通光谱仪。而将光纤F-P应变仪与光纤F-P应变传感器、计算机一起,就构成了图1所示的光纤法珀应变测理系统。

　　由于光纤应变仪内部已经完成光信号向电信号的转换,只要通过其RS-232接口,用计算机编写适当的软件,就可完成电信号的采集、处理、数据存贮、显示等功能。而如果要用DSP取代图1中的计算机,成为图2中虚线框内所示的基于DSP的一体化光纤F-P应变测量仪,其本身的数据采集与PC机不同,必须针对光纤应变测量仪输出信号的特点,完成数据采集硬软件的设计。

　　3　光纤F-P应变测量仪输出信号的特点

　　根据光纤F-P应变传感器的原理[2],使用宽带光源的传感器待处理的输出信号为式(1)所示:

式中:R为F-P传感器的两端面反射率(假设两端面反射率相等,即R1=R2=R);λp为光源波长分布的中心波长;B为光强随波长分布的半宽度;I0为光源中心波长处的光强;t为F-P应变传感器的腔长。

　　根据式(1),在传感器腔长t为110μm的条件下,光谱解调后的信号输出如图3所示。该信号在由AN2131和高速的8051芯片组成的微控制器(包含8 k的内部SRAM和128 k的外部SRAM)控制下,经A/D换后不断地通过RS-232接口向外发送。其中,微控制器允许从外部输入一些指令,控制或改变采样参数,并且还提供与外界正确通讯的判断标准。因此,DSP完成数据采集的关键在于解决好DSP与应变仪内部微控制器之间的指令发送和数据通讯的问题。