光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定电路及标定方法

摘要

本发明公开了一种光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定电路，CPU控制第一DA转换器的输出电压达到起点电压；第二DA转换器的输出电压作为第三DA转换器的参考电压，通过调节第二DA转换器的输出电压实现第三DA转换器的输出电压范围可调，电压加法器将起点电压和扫描电压叠加，再经过电压反相器反相，驱动F-P滤波器。本发明还公开了一种光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定方法，运行过程中，每次扫描测量后，计算标准具的第一个波峰的中心电压V3与最后一个波峰的中心电压V4，控制电压加法器的输出电压Vo范围的V1~V2为V3-1.5V~V4+1.5V。本发明能够自动确定F-P滤波器的电压扫描范围，省时省力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定电路，还涉及一种光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定方法，属于技术领域。

背景技术

光纤传感器作为新一代传感器，能以高分辨率测量许多物理量、化学量和生物量，可实现对现场非电测量的测量，这就从本质上解决了传统的电类传感器难以涉足的易燃易爆、强电磁场场所的安全测量问题；可以方便、精确和有效地对各种环境尤其是各种恶劣环境中有关物理量、化学量和生物量的检测。另外光纤信息容量大，在一根光纤上可制备多个甚至数百个探测点，可进行时分复用、波分复用，实现分布式测量和网络化监控；光纤体积小、纤细柔软，特别适用于一些具有窄小复杂结构空间的检测；并且可埋入材料、结构件和工程设施内部，在其工作期间实现它们的状态自诊断而不损坏其结构。

对光纤光栅传感信号的解调有很多办法，如复合干涉解调法、被动波长比率解调法、波分复用光纤耦合器解调法、锁模解调法、基于F-P滤波器解调法、非平衡扫描Mishelson干涉仪解调法等。

目前最常用的光纤光栅解调仪的设计方案是是基于F-P滤波器解调法，由于F-P滤波器采用PZT来改变F-P腔的腔长，因此F-P滤波器具有蠕变性和回滞性等特点。回滞性，是指驱动电压增加和下降时，输出波长会相应地减小和增大，但是减小时的曲线和增大时的曲线不会重合；蠕变性，是指在驱动电压升高或者降低的过程中，输出波长的重复性不好。因此F-P滤波器的驱动电压波形必须是周期性的。此外，F-P滤波器的输出波形也会受环境温度的影响。光纤光栅解调仪在低温和高温环境下，输出波形发生了很大的变化。在电路设计中，应重视温度对F-P滤波器的影响，调整电压来补偿温度。

由于F-P滤波器的以上特点，使得基于F-P滤波器的光纤光栅解调仪的的生产调试极其不便，主要包括以下两点：

(1)扫描电压需要人工调节

由于每个F-P滤波器对应于波长在1525～1565nm之间的扫描电压范围都不固定，对于F-P滤波器的驱动电压范围目前均使用人工调节的办法，人工调节极度费时费力。

(2)F-P滤波器受温度影响较大

在不同温度下，每个F-P滤波器对应于波长在1525～1565nm之间的扫描电压范围都不固定，需要分别在高低温下在确定的F-P滤波器的扫描电压范围，取高低温下扫描电压范围的并集，这样才能满足高温下都能正常测量，这样会大幅度降低测量的分辨率，并且整个标定过程耗费大量人力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定电路，能够自动确定F-P滤波器的电压扫描范围，有效消除了F-P滤波器的温度特性对测量的影响。

为达到上述目的，本发明提供的光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定电路所采用的技术方案是：光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定电路，包括起点电压电路、扫描电压电路、电压加法电路和电压反相器，

所述起点电压电路包括：与CPU连接的第一DA转换器和连接在第一DA转换器输出端的第一调理电路；

所述扫描电压电路包括：用于控制F-P滤波器扫描电压范围的的第三DA转换器、用于为第三DA转换器提供参考电压的第二DA转换器和连接在第三DA转换器输出端的第二调理电路，第二DA转换器也与所述CPU连接；

所述第一调理电路和第二调理电路分别与电压加法电路的输入端连接，所述电压加法器的输出端分成两条支路，其中一条支路与F-P滤波器连接，另一条支路经所述电压反相器与F-P滤波器连接；

CPU控制第一DA转换器的输出电压达到起点电压；第二DA转换器的输出电压作为第三DA转换器的参考电压，通过调节第二DA转换器的输出电压实现第三DA转换器的输出电压范围可调，电压加法器将起点电路输出的起点电压和扫描电压电路输出的扫描电压叠加，输出电压Vo，再经过电压反相器反相输出-Vo，两者叠加驱动F-P滤波器。

本发明还提供了一种光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定方法，包括如下步骤：

步骤一：初始化：设置：第一DA转换器的输出电压为0V、电压加法电路的输出电压Vo范围V1～V2为0V～6V；

步骤二：扫描电压自动设置：扫描电压电路对F-P滤波器进行扫描并对标准具的输出波形进行测量，计算标准具波长中心，进行波峰中心检测：若没有检测到波峰中心，则CPU控制第一DA转换器的输出电压，使电压加法电路的输出电压Vo范围V1～V2增加1V，重新进行扫描测量；若检测到波峰中心，则设第一个波峰中心对应电压为V3，使V1＝V3-1.5V，V2＝V2+2V，再次进行扫描测量，直到不再有新的波峰产生；

计算标准具的最后一个波峰中心电压V4，通过控制第一DA转换器、第二DA转换器使得电压加法器的输出电压Vo范围的V1～V2为V3-1.5V～V4+1.5V，并将此参数进行保存，从而完成了扫描电压的自动设置；

步骤三：运行过程自动微调：

光纤光栅解调仪在运行过程中，在每次扫描测量后，计算标准具的第一个波峰的中心电压V3与最后一个波峰的中心电压V4，通过控制第一DA转换器、第二DA转换器使得电压加法器的输出电压Vo范围的V1～V2为V3-1.5V～V4+1.5V。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、实现了对F-P滤波器扫描电压的自动设置，省时省力且具有较高的分辨率；

2、工作时，动态调节F-P滤波器扫描电压，消除了F-P滤波器蠕变性、回滞性以及温度特性对测量的影响，保证系统正常工作。

本发明可以广泛用于广泛地用于大型结构监测(大坝、桥梁、大型建筑物等)、电力、水利、石油、化工、冶金、核工业、国防军工等领域，尤其可以在高电压、强电磁干扰等许多传统传感器无法使用的恶劣场所应用。

附图说明

图1是光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定电路的原理框图。

图2是光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定电路，包括起点电压电路、扫描电压电路、电压加法电路和电压反相器。

起点电压电路包括：与CPU连接的第一DA转换器和连接在第一DA转换器输出端的第一调理电路。

扫描电压电路包括：用于控制F-P滤波器扫描电压范围的第三DA转换器、用于为第三DA转换器提供参考电压的第二DA转换器和连接在第三DA转换器输出端的第二调理电路，第二DA转换器也与CPU连接。

第一调理电路和第二调理电路分别与电压加法电路的输入端连接，电压加法器的输出端分成两条支路，其中一条支路与F-P滤波器连接，另一条支路经电压反相器与F-P滤波器连接。

CPU控制第一DA转换器的输出电压达到起点电压；第二DA转换器的输出电压作为第三DA转换器的参考电压，通过调节第二DA转换器的输出电压实现第三DA转换器的输出电压范围可调，电压加法器将起点电路输出的起点电压和扫描电压电路输出的扫描电压叠加，输出电压Vo，再经过电压反相器反相输出-Vo，两者叠加驱动F-P滤波器。

如图2所示，是本发明提供的光纤光栅解调仪F-P滤波器的自动标定方法，该方法采用上述自动标定电路，它包括如下步骤：

步骤一：初始化：设置：第一DA转换器的输出电压为0V、电压加法电路的输出电压Vo范围V1～V2为0V～6V；

步骤二：扫描电压自动设置：扫描电压电路对F-P滤波器进行扫描并对标准具的输出波形进行测量，计算标准具波长中心，进行波峰中心检测：若没有检测到波峰中心，则CPU控制第一DA转换器的输出电压，使电压加法电路的输出电压Vo范围V1～V2增加1V，重新进行扫描测量；若检测到波峰中心，则设第一个波峰中心对应电压为V3，使V1＝V3-1.5V，V2＝V2+2V，再次进行扫描测量，直到不再有新的波峰产生；

计算标准具的最后一个波峰中心电压V4，通过控制第一DA转换器、第二DA转换器使得电压加法器的输出电压Vo范围的V1～V2为V3-1.5V～V4+1.5V，并将此参数进行保存，从而完成了扫描电压的自动设置；

步骤三：运行过程自动微调：

光纤光栅解调仪在运行过程中，由于F-P滤波器具有蠕变性和回滞性的特点，再综合环境温度的变化，施加给F-P滤波器的驱动扫描电压对应的波形发生的一定的偏移，随着时间的积累，偏移会一直增加，最终可能会导致光纤光栅解调仪无法进行波长解算，为消除波形偏移的累计效应，在每次扫描测量后，计算标准具的第一个波峰的中心电压V3与最后一个波峰的中心电压V4，通过控制第一DA转换器、第二DA转换器使得电压加法器的输出电压Vo范围的V1～V2为V3-1.5V～V4+1.5V，这样可以保证每次有效波形都在扫描范围的中心位置，从而消除了F-P滤波器扫描波形的偏移，克服了环境温度对其的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。