基于嵌入式技术的光纤干涉仪震动检测系统设计 .pdfVIP

基于嵌入式技术的光纤干涉仪震动检

测系统设计

摘要

本文针对现代工业生产活动中对震动检测的需求，结合内嵌式光纤法布里-

佩罗干涉仪（FPI）反射光谱在拉伸应变和压缩应变中的不同表现，以FPI作为

应力传感器，设计了一种利用嵌入式技术进行数据采集、信号解调和分析的系统

与方法。基于此，可满足利用FPI对高频震动进行检测的需求。

关键词：震动检测；法布里-佩罗干涉仪；嵌入式技术

1.概述

本光纤应力传感器如图1-1所示，由双端镜面单模光纤（SMF）制成的内嵌

式法布里-佩罗干涉仪（FPI）组成。FPI的干涉光谱呈现出一连串条纹，干涉光

谱随传感器形变状态而改变。当其发生拉伸应变时，条纹发生红移；当发生压缩

应变时，条纹出现蓝移。因此，通过观察和统计干涉光谱位移变化可推断应变状

态从而间接检测物体震动水平。

图1-1利用SMF构建的FPI

2.系统设计

整体系统设计如图2-1所示。系统利用分布反馈式激光器作为光源，采用光

电探头接收传感器反射的光信号并将其转换为电压信号。为保证至少两个波峰或

波谷被设备试别，系统还包含了一个波形发生器用以产生一个10KHz三角波信号，

该信号将与光电探头产生的电压信号同被信号采集分析设备所接收。

图2-1系统框架简述图

传感器探头被安装在高弹尼龙材料外壳内，可通过螺栓与被测物体连接，也

可利用夹具固定安装于被测物体上。因FPI内嵌于光纤内，传感器可与光源分离

布置，仅需以单模光纤相连接，安装距离可不小于5米。

传感器产生的干涉图因其能量分布特性，可驱使光电探头产生电压信号。绘

制该信号可得波长-强度参数下的正弦波信（后称波-强图）。传感器因受力发生

应变时，构成FPI的Mirror1与Mirror2间距离发生细微变化（压缩增大间距，

拉伸减小间距），此变化将影响FPI产生的干涉图形。具体描述，即压缩传感器

外壳使其发生压缩应变时，干涉图像条纹蓝移，拉伸传感器外壳使其发生拉伸应

变时，干涉图像条纹红移，同时其强度仅有细微变化。相应的，绘制波-强图可

观测到明显的相位变化且强度变化极小，如图2-2所示。

图2-2应力下电压信号

由上可知，获取、绘制与观测电压信号相位变化即可了解传感器应变情况。

将震动施加于传感器之上，可视为传感器受应力类型连续变化的情况，此时波-

强图在X轴上可观测到连续的峰-峰间（或谷-谷间）距离变化。

采用专用嵌入式系统可简化获取、绘制与观测的流程。本系统采用基于

TMS320F28335DSP（后称F28335）处理器的嵌入式系统完成该过程。此处理器内

嵌有一个12bit模-数转换器（ADC）与两个暂存器，可同时对两组模拟信号进行

采样并将数据上传至暂存器内等待ADC依次转换为数字信号。前文所提10KHz三

角波将于此处产生作用。光电探头产生的电压信号与固定频率的三角波信号将在

同一时间被采集与存储。被存储的信号经过模数转换后可由嵌入式系统直接绘制

或生成文本文档后通过计算机绘制。三角波信号为基准信号，对比光电探头电压

信号（后称探头信号）峰、谷位置与三角波峰、谷位置，可定性获得传感器震动

情况。同时，统计两个三角波波峰内探头信号数量，可定量计算震动频率。

3.信号采集与分析

本系统采用F28335处理器提供的连续运行模式采集数据，即不间断采样至

SRAM中存储并将采样数据进行AD转换。由文献【３】可知AD转换进行数据转换，

同时启动ＤＭＡ读取转换后的数据。

为保证探头信号与三角波信号在同一时间采

样，使用ADCINA0和ADCINB0端口作为信号输入端口，两路数据将被单独存储在

采样保持器A与B中（S/H-A和S/H-B）。配置AD控制寄存器ADCTRL1和

ADCTRL3，选择级联序列器的同时采样模式。在此模式下，配置CONV00=0x0，系

统将同时对前文所提两个端口输入的信号进行采样，并将收集的信号存储到相同

的采样保持（S/H）电路中。

因采样起始时间与信号发生时间并不严格同步，完成采样后首先需要找到三

角波上升沿与波峰位置。基于前期对三角波波形采样分析的结果，其波形边缘较

为平整，可通过寻找点T(i)满足同时大于点T(i+5)与T(i