基于STM32的FFP-TF法FBG传感系统设计

摘要：通过对FBG传感器、FFP-TF(可调谐光纤F—P滤波器)以及STM32微控制器的研究，设计了一种光纤光栅传感系统。该传感系统具有精密度高、结构紧凑、便于携带、使用方便、适用于野外作业等优点。本文给出了传感系统的硬件设计和软件实现。

目前，FBG(Fiber Bragg Grating)传感器已成为光纤光栅传感领域研究的热点之一，在石油化工，海洋探测，航空航天，煤矿开采等领域都有着极其可观的应用前景。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。由于光的特性(安全、绝缘、抗电磁干扰等)及光纤独有的优点(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能、任意形状的光纤传感器FBG传感器可以完成在高温区、辐射区、狭小空间、强电磁干扰以及高电压环境等传统传感器难以完成或者不能完成的任务。FFP—TF(FiberFab ry-Perot Tunable Filter)解调法具有调谐范围广、灵敏度高等优点，能够直接输出与FBG反射中心波长对应的光解调信号，可广泛应用于需要多点扫描的测量当中。

STM32系列32位闪存微控制器集先进的ARM Cortex-M3内核结构、出众创新的外设、良好的功耗控制和低成本于一体，具有指令效率高、响应速度快、实时性能优异、易于开发、代码方便移植等优点。因此，将STM32微控制器引入到解调系统中，开发了一个应用STM32微控制器处理数据的FBG传感系统。

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基本原理如图1所示。

宽带光源发出的光经光隔离器，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。可以近似认为FBG的反射光谱符合高斯分布，设其中心波长为λB，其带宽为δ0。由于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可以近似认为是平均分布的，设FBG的反射谱为G(λ)，则有式(1)：

式(2)中的λ的范围由光源范围决定，其中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(光电探测器)接收，PD接收到的光功率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)：

由于PZT(压电陶瓷)可以很好地将电能转换为机械能，在外加电动势的作用下可产生形变，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腔长进行周期性的伸缩，使其透射波长在某一范围内进行扫描。设被测FBG中心波长λB在t0时刻满足FFP-TF透过的极大条件，即满足(5)式，PD此时输出电压峰值。

2(L+△L)=kλB (5)

式(5)中的L为FFP-TF的初始腔长，△L为腔长的变化量，k为干涉级数，是任意整数。根据提前标定的FFP-TF的腔长变化、微位移驱动器周期驱动与时间的关系，可以求出被测FBG的中心波长λB。再根据FBG中心波长的移动范围即可得到FFP-TF透射光波对应的光纤光栅传感点，从而可实现FBG的分布式传感。其中信号采集、信号处理、扫描电压控制以及显示过程由嵌入式微处理器完成。

2 解调系统的硬件设计

光纤光栅传感器解调系统主要分为两个模块：光信号处理模块与电信号处理模块。光信号处理模块主要用来跟踪分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换为电信号;电信号处理模块主要用来完成对光信号处理模块转换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，最后以用户熟悉、界面友好的形式输出显示。系统主要由三部分构成：光路系统，扩展电路以及嵌入式控制系统。

2.1 光路系统

光路系统主要是由宽带光源、光隔离器、3 dB耦合器、FBG传感网络及可调谐F—P滤波器部分等组建而成。光路系统需要外界提供扫描电压给可调谐F—P滤波器，用来驱动可调谐F—P滤波器。

2.2 扩展电路

扩展电路主要包括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的透射光谱转换为电压信号，通过信号放大调理电路将光路系统输出的电压信号进行放大调理，再送至STM32系统进行A/D采样。D/A输出模块用来对光路系统中的可调谐F—P滤波器提供扫描电压。

2.2.1 A/D输入模块

光电检测电路是由一个实为光-电流-电压转换的PIN光电二极管及相关电路部分组成。PIN光电二极管的缺点是输出的电流一般只有数微安。PIN光电二极管将接收到的光信号变为与之成对应比例的微弱电流信号，经运算放大器以及与PIN光电二极管的串联电阻所组成的放大器转换为电压信号。持续光照的PIN光电二极管可看成一个电流源，当它的负载阻抗为零时，输出特性为最好。

A/D转换是采样电路的核心，考虑到系统对分辨率、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转换芯片，最高采样频率为100 kHz。超低功耗和体积小使ADS8320成为理想的便于携带和电池供电系统。

2.2.2 D/A输出模块

可调谐F—P扫描电压由单片机通过外围电路产生，根据系统要求，系统的动态扫描范围为40 nm，分辨率为1 pm，故D/A芯片的位数N应该满足：

2N≥(40·1 000 pm)/1 pm (6)

即N≥16，为了给可调谐F—P滤波器提供一个高精度的电压供给，决定选用DAC8811芯片，16位精度的高速D/A转换芯片。

2.3 嵌入式控制系统

主控芯片选用ST公司推出的基于Cortex—M3内核的STM32F103C8T6芯片，它集先进Cortex—M3内核结构、良好的功耗控制、出众创新的外设和低成本于一体。STM32拥有全系列软件的高度兼容性及脚对脚和外设，能够在不修改软件及原始框架的条件下，可将应用精简为使用更少的存储空间，或升级为需要更多的存储空间。

3 解调系统的软件设计

根据STM32易于开发，可使产品快速进入市场的特点，采用STM32固件库进行编写。STM32固件库提供易用的函数可以使用户方便地访问STM32的各个标准外设，并使用它们的所有特性。

整个系统的软件设计实现了如下功能：

1)制FBG解调系统的工作;

2)采样滤波电路所处理过的电信号;

3)给PZT提供锯齿波驱动电压，若某时采集到FBG信号，则记录此时的驱动电压，并对数据进行处理;

4)根据FBG传感器所测量的外界物理量与本身中心波长的对应关系，计算出所测物理量的值并显示结果。

4 实验数据及分析

进行温度测试实验。光源选用ASE-C型C波段宽带光源，工作波长范围为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℃开始，每增加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‘▲’表示波长理论值，‘▼’表示波长实际测量值，‘■’表示理论波长与实际测量波长的绝对误差值，‘●’表示标定温度与实际测量温度的误差值，直线为对数据进行的线性拟合。x轴表示温度，y轴表示波长或者温度。

从测试结果来看，该温度传感系统具有良好的线性度，测得的波长、温度与理论波长、标定温度基本一致，各点的波长偏差在±4 pm以内，系统的温度测量精度可达±0.2 ℃。

5 结论

本文提出了基于STM32的FFP-TF法FBG传感系统的设计方案，完成了STM32控制系统的硬件设计和系统软件实现。该传感系统具有测量速度快，精确度高等优点，达到了对温度的实时精确测量的目的。该传感系统可用于智能结构(石油化工、海洋探测、航空航天、煤矿开采等)的温度等参数的采集，具有较高的应用价值。