基于光纖應(yīng)力傳感器的智能光電系統(tǒng)

文/李妍　張婉怡　劉喆　呂東

光纖應(yīng)力傳感器由于耐腐蝕、對(duì)介質(zhì)的影響小、具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，與傳統(tǒng)的傳感器相比具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高等特點(diǎn)，近年來(lái)這一技術(shù)在橋梁、大壩、高層建筑等大型建筑物的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的得到了廣泛的應(yīng)用及研究。但是由于結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力引起光纖應(yīng)力傳感器光強(qiáng)信號(hào)的變化很小，經(jīng)光探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的光電流信號(hào)變化極其微弱(本系統(tǒng)為10～3pA)，加上各種噪聲的影響，因此，如何準(zhǔn)確檢測(cè)微小信號(hào)一直是信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)，微弱光電流信號(hào)的檢測(cè)更是一個(gè)普遍性的問(wèn)題，開(kāi)展對(duì)這方面的研究對(duì)許多微小信號(hào)的檢測(cè)也有參考意義。

1　光纖應(yīng)力傳感器系統(tǒng)

系統(tǒng)由多套單路光纖傳感器縱橫交錯(cuò)地排列在一起。其中將光源、探測(cè)器和光纖封裝在一起，用光纖連接器及法蘭盤(pán)聯(lián)接上光纖傳感部分，即形成了一套完整的單路光纖傳感器。單路光纖傳感器中的光纖傳感部分采用纏繞式光纖應(yīng)力傳感器。

系統(tǒng)中，將光纖交接點(diǎn)布置在工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)位置并對(duì)光纖進(jìn)行編號(hào)，可實(shí)現(xiàn)故障定位。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)中某區(qū)域受到損傷時(shí)，會(huì)引起通過(guò)這一區(qū)域的光纖的輸出功率突變，從而引起探測(cè)器輸出電流信號(hào)的突變。因此，通過(guò)比較出是那兩根光纖輸出的信號(hào)變化較大，則可以診斷出結(jié)構(gòu)的損傷位置即為這兩根光纖交接點(diǎn)的位置。同時(shí)，根據(jù)信號(hào)的大小，可以判斷出結(jié)構(gòu)損傷的程度。

2　基于微小信號(hào)的智能光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)微弱信號(hào)檢測(cè)理論，如何有效地識(shí)別出有用信號(hào)是光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要條件。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖應(yīng)力傳感器系統(tǒng)輸出的微弱光電信號(hào)檢測(cè)，我們引入一束參考光（與目標(biāo)信號(hào)兩者使用同一的光源并且所處的環(huán)境也一樣），經(jīng)差動(dòng)放大后所得到的電壓信號(hào)只反映信號(hào)光纖中光強(qiáng)變化的信號(hào)，有效地消除了光源噪聲和環(huán)境噪聲。

2.1　智能光電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

智能光電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括高速AD采樣、CPU處理器、CPLD高速數(shù)據(jù)處理、電源模塊和數(shù)據(jù)通信模塊等。

圖1：智能光電系統(tǒng)電路原理框圖

光纖傳感器由于外力等原因發(fā)生輸出信號(hào)突變后，與參考光源經(jīng)過(guò)差分放大電路進(jìn)行抗干擾處理后，經(jīng)由專(zhuān)門(mén)的放大電路及濾波電路，輸出0～5V的電壓信號(hào)，通過(guò)線路傳輸至智能光電系統(tǒng)的主控板中。因?yàn)楣饫w傳感器信號(hào)瞬間改變，因此我們選用高速A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及CPLD進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)處理。CPU處理器主要功能有：與CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；與上位機(jī)進(jìn)行通信；對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行同步控制。

2.2　智能光電系統(tǒng)電路主要器件選型

2.2.1CPU處理器

STM32F429是由ST(意法半導(dǎo)體)開(kāi)發(fā)的一種高性能微控制器。其采用了90 納米的NVM 工藝和ART(自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAcceleratorTM)。ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行的效率，使得STM32 F4系列可達(dá)到210DMIPS@168MHz，同時(shí)ART能夠完全釋放Cortex-M4 內(nèi)核的性能;當(dāng)CPU 工作于所有允許的頻率(≤168MHz)時(shí)，在閃存中運(yùn)行的程序，可以達(dá)到相當(dāng)于零等待周期的性能。

2.2.2高速A/D轉(zhuǎn)換器

ADS1605是TI公司開(kāi)發(fā)的高速、高精度的16位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。其采樣速率為5MSPS，帶寬為 2.45MHz，帶內(nèi)信號(hào)波動(dòng)小于±0.0025d B，信噪比(SNR)為88d B；非線性失真(THD)為-99d B，無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為 101d B。倍頻采樣(2X 模式)時(shí)，數(shù)據(jù)采樣率能達(dá)到10MSPS。簡(jiǎn)易的并行數(shù)字輸出數(shù)據(jù)接口可直接與復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）連接，方便進(jìn)行接口設(shè)計(jì)。

2.2.3復(fù)雜可編程邏輯器件

CPLD是系統(tǒng)的又一核心部件，系統(tǒng)選擇MAX7000系列中典型芯片EPM7032。芯片可以通過(guò)JTAG在線編程，有128個(gè)邏輯宏單元和2500個(gè)可用邏輯門(mén)，符合高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。CPLD接收來(lái)自總線的控制指令，并將其轉(zhuǎn)化為控制ADC的轉(zhuǎn)換指令，完成數(shù)據(jù)的采集和讀取。

2.3　智能光電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，有兩個(gè)核心器件均需要軟件編程。其中，CPLD程序設(shè)計(jì)是通過(guò)MAX+PLUSII開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)的，使用高級(jí)硬件描述語(yǔ)言編程將設(shè)計(jì)好的硬件邏輯下載到芯片中，使得對(duì)硬件的設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)一樣方便快捷。STM32F429選用 IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)軟件。IAR Embedded Workbench是一套用于編譯和調(diào)試嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工具，支持匯編、C和C++語(yǔ)言。它提供完整的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括工程管理器、編輯器、編譯鏈接工具和C-SPY調(diào)試器。IAR Embedded Workbench中每個(gè)C/C++編譯器不僅包含一般全局性的優(yōu)化，也包含針對(duì)特定芯片的低級(jí)優(yōu)化，以充分利用您所選芯片的所有特性，確保較小的代碼尺寸。

3　智能光電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)原理框圖利用Altium Designer 16軟件設(shè)計(jì)智能光電系統(tǒng)原理圖并完成PCB設(shè)計(jì)，在PCB布板中應(yīng)注意高速A/D轉(zhuǎn)換器的模擬部分與數(shù)字部分應(yīng)獨(dú)立布局，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)跨分區(qū)放置，同時(shí)模擬部分與數(shù)字部分敷設(shè)統(tǒng)一地，但模擬電源與數(shù)字電源分割，這樣可以有效減少EMI干擾。完成元器件焊接后可將STM32F429的程序及EPM7032的程序?qū)懭氩⑦M(jìn)行調(diào)試，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)光纖應(yīng)力傳感器輸出微弱光電信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適用于微弱信號(hào)檢測(cè)的智能光電檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分析，可應(yīng)用于精度高（可達(dá)十萬(wàn)分之一）、速度快（最高達(dá)10MHz）的微弱信號(hào)采集系統(tǒng)中。