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毕业设计说明书用于光纤传感的激光器波长控制器的设计与开发用于光纤传感的激光器波长控制器的设计与开发摘要随着光纤传感系统智能化的发展,对光纤传感系统中的激光器工作性能的要求越来越高,需要对激光器的工作状态进行实时监测和控制,特别是建立基于计算机的数字化控制方式的激光器波长控制器实现对激光器的波长控制,对光纤传感系统的实现具有重要意义将虚拟仪器技术运用于光纤传感系统当中正符合光纤传感技术智能化的发展方向,同时利用计算机强大的软件功能提高光纤传感系统开发效率和降低开发成本因此,本文采用虚拟仪器软件开发平台对激光器波长控制器进行设计与开发首先,本文首先对光纤传感技术的国内外发展概况作了简要介绍,从光纤传感的原理出发论述了光纤传感系统的基本组成在此基础上,着重介绍了光纤传感系统中常用光源——分布反馈式激光器,详细阐述了分布反馈式激光器的结构特点、工作原理以及波长调谐特性,并对激光控制器作了介绍其次,根据ITC4001激光控制器的功能特性,结合虚拟仪器技术,建立了一套基于LabVIEW虚拟仪器技术的激光器波长控制器软件系统该软件系统可分为三大部分,第一部分用于建立激光控制器与PC机之间的通信;第二部分用于读取和控制激光器各参数;第三部分是系统最重要的组成部分,用于实现激光器波长的读取和反馈控制最终根据以上三部分各功能模块,设计了相应的虚拟仪器软件界面最后,通过搭建的光纤传感系统实验测试平台,验证了基于虚拟仪器技术的激光器波长控制软件系统的可行性关键词光纤传感,激光器波长控制,虚拟仪器,LabVIEWDesignandDevelopmentofLaserWavelengthControllerforFiberOpticalSensorAbstractWiththedevelopmentofintelligentfiber-opticsensorsystemthelaserwithhigherperformanceisrequiredandtheoperationconditionofthelaserisdemandedtobereal-timemonitoredandcontrolled.Tothatenditisofspecialimportancetodevelopalaserwavelengthcontrollerbasedondigitizedcontrolmodeofcomputers.Theapplicationofvirtualinstrumenttechnologyinfiber-opticsensorsystemmeetsthetrendofdevelopmentoffiberopticalsensingtechniquetowardintelligence.Moreovercomputer’spowerfulsoftwarefunctionhelpstoimprovetheefficiencyanddecreasethecostofdevelopment.Thereforethelaserwavelengthcontrollerbasedonvirtualinstrumentisdesignedanddevelopedinthispaper.Firstofallthedevelopmentoffiberopticalsensingtechniqueathomeandabroadisintroduced.Thenthebasiccomponentsandthetheoreticalprincipleofafiber-opticsensorsystemisdescribed.OnthesebasethedistributedfeedbackDFBlaserthecommonlyusedlightsourceinafiber-opticsensorsystemisemphaticallyintroducedwithadetaileddescriptionofitsstructureworkingprincipleandwavelengthtuningproperty.AlsothecontrolleroftheDFBlaserisintroduced.NextaccordingtothefunctionsoftheITC4001laserdiode/TECcontrollerandthevirtualinstrumenttechnologyasoftwaresystemforthewavelengthcontrolleroftheDFBlaserbasedonLabVIEWvirtualinstrumenttechnologyisbuilt.Thesoftwaresystemconsistsofthreeparts.ThefirstpartistobuildcommunicationbetweenPCandlasercontroller.Thesecondpartisforreadingandcontrollingparametersofthelaser.Thethirdpartthemostimportantpartofthesystemisforlaserwavelengthreadingandfeedbackcontrol.Virtualinstrumentsoftwareinterfacesaredesignedbasedonthefunctionalmodulesofthethreepartsrespectively.Finallytheexperimentalsetupforfiber-opticsensorsystemisbuiltandthefeasibilityofvirtual-instrument-technology-basedlaserwavelengthcontrolsoftwaresystemisexperimentallydemonstrated.Keywords:fiber-opticsensor,laserwavelengthcontrol,virtualinstrument,LabVIEW目录1引言
31.1本课题提出的背景及意义
31.2国内外发展概况
31.
2.1光纤传感技术国内外发展概况
31.
2.2智能化光纤传感国内外发展概况
31.
2.3虚拟仪器技术
31.3本课题主要研究内容32激光器波长控制的原理和方法
32.1光纤传感系统
32.
1.1光纤传感系统概述
32.
1.2光纤传感光源
32.2DFB激光器
32.
2.1DFB激光器简介
32.
2.2波长调谐
32.3激光控制器
32.
3.1激光控制器简介
32.
3.2ITC4001激光控制器33激光器波长控制器的软件设计
33.1软件系统设计原理
33.
1.1软件系统设计思路
33.
1.2基于虚拟仪器软件系统的仪器控制理论
33.2基于LabVIEW的激光器波长控制器软件系统
33.
2.1建立连接模块设计
33.
2.2开关控制模块设计
33.
2.3工作模式设定模块设计
33.
2.4光功率、激光电流、温度读取与设置模块设计
33.
2.5激光二极管调制设置模块设计
33.
2.6波长扫描模块设计
33.
2.7PID控制模块设计
33.3虚拟仪器界面设计34实验测试系统
34.1实验测试系统的组成
34.2实验测试
34.
2.1波长扫描模块实验测试
34.
2.2PID控制模块实验测试35全文总结3参考文献3致谢31引言
1.1本课题提出的背景及意义20世纪70年代,伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而发展起来一种以光为载体、光纤为媒介,感知和传输外界(被测量)信号的新型传感技术——光纤传感技术
[12]光纤传感技术一问世就受到极大重视,特别是在光纤通信的蓬勃带动下,随着半导体光电技术以及计算机技术等相关技术的进步,光纤传感技术迅速发展
[3]作为现代传感领域的重要分支,光纤传感展现出许多优异的性能,如径细、质轻、柔顺、抗拉;耐水、耐腐蚀、耐高温、耐辐射、耐电磁干扰、对被测量场无干扰;传送频带宽、信息容量大、传输损耗低,适合遥测遥控;对外界环境变化敏感,对多种物理量具有优良的传感性能;可通过阵列式或分布式结构实现大规模、长距离传感等等,具有传统的电传感器无法比拟的优越性
[45678910]因此,光纤传感技术的发展空间相当广阔,其应用范围已经渗透至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等各个领域,在温度、压力、振动、电流、电压、磁场等众多物理量的测量方面都有广泛的实验研究
[678910]光纤传感技术已成为传感技术的先导,推动着传感技术蓬勃发展随着现代传感技术的发展,传感系统化、智能化的要求赋予了光纤传感技术新的内容对于智能化的光纤传感系统,需要增加信号处理模块,将光纤传感器获取信息的功能与专用处理器的信息分析、处理、报警等功能相结合
[111213],针对特定的应用目的,实现目标信号的进一步提取,从而推动了光纤传感与计算机技术、信号处理、模式识别等领域的融合
[14]目前在智能化的光纤传感系统中,通常使用单片机、DSP芯片以及虚拟仪器等方式,实现数据处理、控制与信号处理;通过多层次的计算功能,实现各种智能化功能使传感由传统的仅仅进行信号形式转换的单个或多个敏感元件扩展为集信号获取、存储、传输、处理于一体的多功能系统
[3]作为光纤传感系统中关键的光学元件之一的光源,与光纤传感技术的发展是并肩前进的目前越来越多体积小、重量轻、功耗小、容易与光纤耦合的光源被广泛地应用于光纤传感系统,在实际中主要应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)和分布反馈式激光器DFB)
[15]光源的稳定度直接影响着光纤传感器的准确度,尤其是在采用激光器作为光源的光纤传感系统中,激光器的强度和波长稳定性对激光器的工作温度是非常敏感的为了保证激光器波长的稳定性,通常采用激光控制器对激光器的工作温度进行反馈控制另外,在光纤传感中,需要对激光器的工作电流进行控制,保证激光器输出功率的稳定性目前,已经有一些商业化的激光控制器被应用到光纤传感中随着虚拟仪器技术的发展,光纤传感和虚拟仪器的联系越来越紧密在对激光器稳定性要求较高的场合,采用模拟控制方式的纯硬件电路难以满足要求,建立基于微型计算机的数字化控制方式应运而生,该方式能够更有效地解决激光器工作的准确、稳定和可靠性问题
[16]在光纤传感系统中,可以借助于计算机读取和控制激光器的波长,同时通过利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理以及显示等因此,建立基于虚拟仪器技术的激光控制器在实际应用中是非常有意义的
1.2国内外发展概况
1.
2.1光纤传感技术国内外发展概况20世纪60年代,激光的出现使基于光属性的检测技术获得了飞速发展
[17]20世纪80年代,光纤的出现使得光纤传感器显示出了广阔的应用前景
[18]20世纪90年代后期,在光通信技术的带动下光纤传感器呈产业化发展并形成了五大应用领域
[19]随着光纤技术的日趋成熟,对光纤传感系统实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键
[20]当前,世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向光纤传感技术的研究及其在各个领域的应用开发研究光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点,成为近年来国际上发展最快的高科技应用技术光纤传感技术的应用已经逐步从军事领域发展到了电力、石油、石化、交通和建筑等各个工业领域,在公共安全、国防、工农业安全生产、环保等重大安全监测领域有着重要应用由于光纤传感系统应用的广泛性及其广阔的市场,其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视,各国家竞相研究开发并引起激烈的竞争目前,光纤传感器已占据传感技术领域30%以上的产业份额,并将继续扩大许多发达国家如美国、德国、日本等均把光纤传感技术列为国家关键技术之一加以重点支持,西方国家还利用“巴统”来限制我国在该技术领域的发展由于受到国内整体水平和投资力度的限制,我国光纤传感的整体发展水平比国际先进水平相对落后
[21]我国虽然早己于20世纪70年代末期开始了光纤传感技术的研究工作,但是由于受到制造工艺、器件和配套电子技术的制约,尚未进入大规模工程应用阶段直到最近十年,随着光纤技术的发展,生产工艺逐渐走向成熟,相关器件和配套技术也在渐渐地不断完善,同时国内巨大市场对光纤传感器的需求日益增长,推动着我国光纤传感技术也将开始逐步进入实际工程应用阶段
[19]为此光纤传感技术取得了长足进步在地质土木
[22]、石化工业
[23]、电力工业
[24]、气液检测
[25]、医药及食品安全
[2627]、识别防伪
[28]以及测试测量
[29]等众多领域都有着广泛应用近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点
[30]目前,国内外的光纤传感领域存在“三多一少”,即实验报告多、论文多、研究成果多,但工业化,经市场考验不被淘汰的光纤传感项目少虽然光纤传感器能满足工业现场对传感器高精度、安全、高可靠的要求,但因制作十分精密,在恶劣场合下长期使用有一定的技术难度至今国内外尚未发现大批量生产的工程化的光纤传感产品
[20]
1.
2.2智能化光纤传感国内外发展概况智能化是现代传感技术的一个重要特征所谓智能,是指将先验知识调试或应用之前已知与自适应学习在调试或应用过程中获得组合起来的能力智能化使得传感由传统的仅仅进行信号形式转换的单个或多个敏感元件扩展为集信号获取、存储、传输、处理于一体的多功能系统
[31]目前光纤传感的智能化主要体现在光纤传感与通信技术及计算机技术的融合智能化光纤传感系统在许多崭新领域受到广泛关注,如智能材料
[32]、环境感知
[33]、声发射检测
[34]、石油测井
[35]等光纤智能结构的研究最初受美国国家航空航天局NASA支持,主要应用于飞机结构的动态监测、通信及控制之后,美国其他各军事部门以及加拿大、英国、法国、德国、意大利、日本等国都对光纤智能结构倾注了极大热情基于光纤传感的智能材料可以实现对周围环境变化的自判断性、自适应性、自诊断性、自修复性等诸多性能,广泛应用于航空航天、汽车工业、安防、体育、医疗及土木工程等众多方面
[32]智能光纤传感系统在石油测井方面也有广泛的研究应用,通过井下多参量传感和地面信号集中处理,可以实现流量、温度、压力、密度、自然伽马、井下地震等多种参量的监控,并通过光纤井下视像检测技术重现井筒真实状况,对于安全、高效的油井作业有重大意义
[23]清华大学在华北油田采用基于光纤Michelson干涉结构的3维VSP光纤检波器,通过DSP芯片实现预滤波及PGC算法,结合ARM控制器、FPGA、CPLD及总线技术的综合应用,保证了系统采集、处理、传输等实时性的要求
[4]在智能化周界监控方面,以色列Magal安全系统有限公司开发的基于Michelson干涉型分布式光纤传感系统的Intelli-Fiber振动传感光缆探测系统,通过智能化处理后,可区分是有人剪断围栏还是攀爬围栏或抬起围栏,通过其独特的自适应信号处理及识别程序,可减弱环境影响,降低误报
[35]从硬件的角度,目前的智能化光纤传感系统多采用单片机、DSP芯片以及虚拟仪器等方式实现
[43637]单片机集数据处理与控制于一体,综合性能较强,但是整个系统的实现需要复杂的硬件电路设计DSP芯片作为专用信号处理器,可以快速实现多种数字信号处理算法,具有较强的数字处理功能,但是需要再结合控制器ARM等构成系统,并进行复杂的接口设计虚拟仪器可方便的在通用微机、工控机、PXI机箱等实现,处理速度上相对略弱,但硬件成本大大降低,开发周期短,使用灵活从软件的角度,多层次的计算功能被引入光纤传感系统,如现代谱分析、时频分析、神经网络、遗传算法、模糊控制等
[383940],可以实现逻辑判断、数据分类、模式识别、自动报警等各种智能化功能
[334142]所以虚拟仪器技术的引入推动了光纤传感系统智能化的发展
1.
2.3虚拟仪器技术从20世纪80年代末美国成功研制了虚拟仪器以来,它以传统仪器无法比拟的速度飞速发展
[43]虚拟仪器技术的优势在于用户可自己定义仪器的功能和结构,构建容易,转换灵活,如今已广泛应用于教学科研、军事、航天、电子工程和生物医学等许多领域虚拟仪器的出现和兴起,改变了传统仪器的概念、模式和结构,是21世纪测控仪器的重要发展方向
[44]目前,国内外许多科研机构和公司都在积极开展这方面的研究和应用工作
[45]在国外,虚拟仪器技术的研究己经相当普遍,1982年,美国西北仪器系统公司推出了第一台个人仪器,以美国HP、NI为首的各大仪器厂商和科研机构纷纷致力于仪器的标准化、开放性和软件平台模块化的开发,相继推出了基于GPIB总线、PC-DAQ和VXI/PXI总线等多种虚拟仪器
[46]如美国的Geomatics和Goldsmith等公司利用虚拟仪器开发工具,研制开发了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统,作为仪器领域中最新兴的技术;在国内,虚拟仪器的研究与开发已经经历了起步阶段,90年代中期以来,重庆大学、西安交大、哈工大、中科泛华等很多高等院校与高科技公司,在研究以及开发仪器产品、虚拟仪器设计平台以及引进和吸收NI公司、HP公司产品等几方面都贡献了相当大的力量,如清华大学运用虚拟仪器技术,构建的汽车发动机检测虚拟仪器系统,其性能优于汽车发动机出厂前的自动检测
[474849]在给定计算机和必需的仪器硬件下,构造和使用虚拟仪器的关键就是应用软件虚拟仪器的应用软件主要包括集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口及虚拟仪器的用户界面虚拟仪器的应用软件由用户编制,可以采用各种编程软件,如C、BASIC等近年来,随着基于PC机和工作站基础上的图形接口标准及计算机运算能力的快速大幅提高,图形开发软件包和图形开发环境得以迅速普及在虚拟仪器图形软件开发平台方面,国际上许多公司都做了大量的工作,其中最有代表性的是NI公司的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一个业界领先的工业标准软件工具,用于开发测试、测量和控制系统LabVIEW是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境,是第一个借助于虚拟面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统,也是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言LabVIEW中编写的源程序很接近于程序流程图,利用LabVIEW画出方框图后即可自动生成测试软件使用集成化的LabVIEW环境与现实世界的信号相连,进行数据分析以获取实用信息,极大的提高了数据采集与控制系统的效率
[50]在当前计算机软硬件技术飞速发展下,虚拟仪器技术也被广泛地应用到各种通信系统中,其如何将硬件软件化、软件通用化的设计思想符合了光纤传感技术智能化的发展方向,虚拟仪器技术下的LabVIEW软件也为光纤传感系统提供了软件开发平台
1.3本课题主要研究内容本课题的研究内容主要包括
(1)建立ITC4001激光控制器与PC机之间的通信ITC4001激光控制器是具有USB接口的仪器设备,通过LabVIEW编程控制激光控制器的USB接口,实现激光器与PC机的通讯;
(2)在LabVIEW编程环境下开发对激光器进行控制的虚拟仪器,读取激光器参数并进行控制采用模块化的设计思想,编写相应的软件程序,主要功能模块包括开光控制模块,激光二极管工作模式设置模块,光功率、激光电流、温度读取和控制模块和激光二极管调制设置模块;
(3)利用可调谐激光器的温度调谐机理,在LabVIEW开发平台上实现调谐波段内的波长扫描,并对波长扫描曲线进行实时显示;
(4)通过LabVIEW开发平台实现对激光器波长的读取和反馈控制首先通过LabVIEW软件编程控制A/D采样,对温度变换所对应的电压信号进行采集,采集完毕后通过PID算法对温度进行重新设置,从而达到波长的反馈调节;
(5)设计虚拟仪器界面;
(6)通过测试实验平台,验证基于虚拟仪器的激光器波长控制器是否可行将所编写的软件与硬件相结合,通过对ITC4001激光控制器进行运行调试,分析实验结果,验证所编写的虚拟仪器平台是否可以实现激光器波长的自动读取和设置及其它功能模块的读取和控制2激光器波长控制的原理和方法光纤传感是20世纪70年代伴随着光纤通信迅速发展起来的一种崭新的传感技术它以光波为载体,光纤为媒质,实现被测量信号的感知和传输
[36]从本质上讲,光纤传感就是利用外界信号对光纤中传播的光进行调制
[23]
2.1光纤传感系统
2.
1.1光纤传感系统概述光纤传感是以光为载体、光纤为媒质,感知和传输外界信号的传感技术
[51]光纤传感的基本原理是光纤中的光波参数如光强I、频率ω、波长λ、相位Φ以及偏振态等随外界参数的变化而变化,通过检测光纤中光波参数的变化而达到检测外界被测物理量的目的
[52]光纤传感系统一般包括光源、光纤、传感头、光探测器和信号处理电路等光源相当于一个信号源,负责信号的发射;光纤是传输媒质,负责信号的传输;传感头感知外界信息,相当于调制器;光探测器负责信号转换,将光纤送来的光信号转换成电信号;信号处理电路的功能是还原外界信息,相当于解调器、调制和解调是光纤传感技术研究的主要内容
[53]系统结构图如图
2.1所示可用信号被测量光纤电信号光纤光源传感头光探测器信号处理图
2.1光纤传感系统结构框图光源发出的光耦合进光纤,经光纤进入调制区(测量区),在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号,使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光;再经过光纤送入光探测器,光探测器对进来的光信号进行光电转换,输出电信号;最后对电信号进行信号处理而得到可用信号,从而获得被测参数光纤传感器可以测量的环境参量主要有应力、温度、振动、化学浓度及电磁场等等光纤传感系统从原理上讲,就是发出光信号—调制—传输—接收光信号—电信号,从而实现检测功能
[54]光纤传感系统突出的优点是光信号不仅能直接感知,而且还可以利用半导体二极管,进行光电转换,还具有灵敏度高、可靠性好、体积小、重量轻、原材料硅资源丰富、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可挠曲、防爆、频带宽、损耗低等特点同时,它还便于与计算机相连,以实现智能化和远距离监控
[20]
2.
1.2光纤传感光源在光纤传感系统中,所选光源的类型很大程度上决定了传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及解调精度,因而选择合适的光源对光纤传感系统的设计起着重要的作用
[55]光纤传感用光源必须满足如下原则
[56]
(1)光源的激射波长必须在传输光纤的低损耗窗口波段
0.85um(通常称作短波长波段)、l.31um和
1.55um波段(通常将
1.31um和
1.55um称为长波长波段);
(2)光源的发射功率要大;
(3)调制特性和发光/消光(响应速度)特性要好;
(4)可靠性要高,寿命要长;
(5)光源必须轻巧,适应振动、温度、湿度等环境变化;
(6)能批量生产,价格便宜目前光纤传感系统中常用的光源主要有半导体激光器(LaserDiode,LD)、半导体发光二极管(LightEmittingDiode,LED)、放大自发辐射(AmplifiedSpontaneousEmission,ASE)光源和分布式反馈(DistributedFeed-Back,DFB)激光器等
[57]其中半导体激光器LD(LaserDiode)和半导体发光二极管LED是使用最多也是最重要的光源其主要优点是体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、供电电源简单、易于控制调节、发光亮度和发光效率高,并且抗冲击、耐振动、工作电压低、耗电小、单色性好、能在环境恶劣的条件下使用它与光纤的特点相容,因此,在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用
[5859]
2.2DFB激光器DFB激光器由于其输出激光的线宽窄、凋啾小、动态特性好、单纵模特性好、可输出特定波长、易规模生产等优点
[6061],成为目前实用光纤传感系统中优选的理想光源
[62]
2.
2.1DFB激光器简介分布反馈式(DistributedFeed-back,DFB)半导体激光器(DFB-LD)与普通半导体激光器的区别在于DFB激光器不是由激光器端面的集中反射提供,而是由内藏布拉格光栅来实现光的反馈由于DFB激光器的光栅分布在整个谐振腔中,所以称之为分布反馈
[63]DFB激光器是在有源区或邻近波导层上刻蚀所需的周期波纹光栅而构成的,DFB激光器的激光振荡是由光栅形成的光耦合来提供,其基本原理是布拉格反射原理,当电流注入激光器后,有源区内电子-空穴复合,辐射出相应能量的光子,这些光子将受到有源层表面每一个光栅的反射
[64]有源区内周期性波纹的周期即布拉格光栅的栅距为,只要用泵浦(光泵浦或电泵浦)激发,形成足够的粒子数反转,则介质就具备了增益条件,如果波纹深度满足一定要求,两端就可以得到激光输出,所发射的激光波长满足(式
2.1)这种激光器的工作原理并不复杂,是熟知的布拉格散射原理当一束入射角为的光波照射到一个周期变化的波纹结构上时,入射光波被周期性波纹结构所散射,这些散射波相互之间有一定相位关系,只有那些出射方向的角度满足下列关系时(式
2.2)各散射波才有叠加增强的作用,而在其他方向上的散射波互相抵消所以,只有在一系列值上才有反射的光波,这就是所谓的“Bragg反射”,此光波的波长称为布拉格波长,这就是波长的选择性把介质内部由左向右和由右向左传播的光波看作是和都为90º,这时(式
2.2)变为(式
2.1),只有波长满足(式
2.1)的光波才被允许在介质中来回反射,这种反射不是由某个反射面提供,而是由周期性波纹结构提供反向行进的两列光波的相互耦合,耦合的程度由周期性调制的调制深度决定分布反馈式结构中的激光振荡为两列反向行进的光波,一列向左传播,另一列朝右传播
[65]各光波在有源区周期性波纹结构的传播过程中接收来自反向传输光波的布拉格散射光,这样在波纹结构上产生了反馈机制,由于波纹结构具有增益,所以只要有足够的反馈,就能产生激光振荡,此激射光波的波长正好在布拉格波长处由于布拉格效应能对波长进行选择,因此这种分布反馈式结构不但紧凑而且有高度的光谱选择性DFB激光器的主要优点包括由于只存在一个纵模(主模),其他边模都被抑制了,所以DFB激光器的线宽主要由主模的线宽决定,比多模激光器的线宽要窄的多,发光功率较高这种线宽很窄的激光器尤其适用于高速率、高功率预算系统的应用另外,由于光栅的稳定性好,DFB激光器输出功率的线性较好,这对于多路信号的传输效果较好,因为可以减少传输过程中的互调干扰DFB激光器的性能稳定,很少受时间和外部环境的影响
[66]DFB-LD与普通半导体激光器一样,是靠电流泵浦的改变光栅区的偏置电流值,可以改变折射率进而改变布拉格波长,最终改变激射波长所以,DFB-LD的波长是可变的
[67]
2.
2.2波长调谐波长可调谐半导体激光器从20世纪80年代起开发就很活跃,按调谐机理划分,有电调谐、热调谐和机械调谐三大类
[68]半导体激光器的波长调谐基本原理是用各种方式引起禁带宽度发生变化,从而实现输出光波长的调谐
[69]半导体激光器与其它传统激光器相比,激光二极管的输出光功率和频率受温度和注入电流的影响显著因此激光二极管的波长调谐可采用温度调谐和注入电流调谐
[70]波长可调谐激光器一般主要由三个基本部分组成具有有源增益区和谐振腔的二极管激光器;改变和选择波长的可调装置;稳定输出波长的装置(波长锁定器或标准具)波长可调谐半导体激光器是在DFB激光器基础上发展的DFB激光器具有较好的稳定性、良好的光谱和噪声特性以及快速频响特性,并有较好的功率输出,成本低,技术成熟
[71]波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调目前波长调谐主要基于布拉格反射光栅,通常通过改变温度、注入电流等方法,改变光栅的有效折射率,从而改变光栅的布拉格波长电流调谐是通过改变不同位置的光纤光栅和相位控制部分的注入电流,使光纤光栅的相对折射率发生变化,产生不同的光谱,实现波长的调谐,调谐速度为ms级,调谐带宽较窄、但输出功率较小,主要有多电极DFB激光器,波长可调范围一般都可达到5-10nm
[72]电流调谐机理可以解释为注入电流的变化引起载流子浓度改变,而载流子浓度的变化不但会引起材料折射率的改变,而且会改变增益系数;由于半导体激光器的发射波长既与增益系数有依赖关系,又受折射率变化的影响,从而实现了波长调谐热调谐是通过调整DFB激光器腔内温度,改变有源区折射率来改变波长一般采用热电冷却器(TEC)来保证波长的精度,技术简单一般来说,激光二极管的波长-温度曲线有很好的线性,能够通过温度的改变精确地控制波长,但是温度调制速度较慢
[73]在半导体中,温度和能隙之间存在着依赖关系,有以下经验公式
[74]式
2.3式中,为绝对零度时的能隙,和为经验参量,能隙的变化又引起波长的变化,如式
2.4所示式
2.4所以通过控制有源区的温度,可以改变半导体激光器有源区的能隙,从而使激光器的波长得到调谐
2.3激光控制器随着技术的进步、工艺水平的提高和计算机技术在光纤传感系统中的应用,光纤传感系统的可靠性不断提高在半导体激光器作为光源的系统中,对激光器工作的准确度、可靠性以及温度控制的精确度的要求也越来越高,人们采用大规模集成电路技术研制出了半导体激光器的专用驱动器和温度控制器
[75],并结合接口电路、保护电路以及显示控制对激光器的工作进行监控继而形成了专用的激光控制器,用来测试和控制激光二极管,以保证激光器稳定工作目前,已经有一些商业化的激光控制器被应用到光纤传感中
2.
3.1激光控制器简介半导体激光器对工作条件要求苛刻,瞬态电流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器,会造成性能的急剧恶化,电流、温度的起伏会引起光功率的变化,影响输出的准确、稳定驱动电流的波动,不仅会引起激光器的激光强度噪声,还会造成输出波长光谱线宽的展宽而温度的改变,不仅会造成半导体激光器二极管输出波长的不稳定,还会引起输出功率产生波动,同时会影响激光器的使用寿命所以需要对激光器的工作进行监控对激光器的保护措施要足够完备,因为在一些电学瞬变的过程,如电源的瞬间启动、电源的电涌、AC电路的辐射等,都会引起激光器的性能变差,甚至损坏器件,所以激光控制器通过外加元件构成了激光器的保护电路它不仅能够为半导体激光器提供稳定的输出,而且还对半导体激光器提供更加可靠、有效的保护
[76]半导体激光器控制器通常包括两大部分驱动部分和恒温控制部分驱动部分又包括恒流驱动、恒功率驱动和调制驱动,以及保护电路恒流驱动通过外围设置提供恒定的直流电流、恒功率驱动通过PD检测到驱动电流的变化来调节驱动电流,达到恒定光功率输出、调制驱动通过外接调制信号,使半导体激光器输出调制的光信号恒温控制电路通过监测激光器表面的热敏电阻的阻值变化来获取温度的变化,然后通过半导体热电制冷器对半导体激光器进行制冷或加热,从而实现半导体激光器温度控制
[777879]
2.
3.2ITC4001激光控制器ITC4001激光控制器是美国Thorlabs公司ITC4000系列的激光二极管/温度控制器ITC4001激光控制器包括一个激光二极管电流控制器加上一个TEC元件控制器从本质上讲,这是LDC4000系列电流控制器和一个TED4015温度控制器的组合它旨在为激光二极管提供一个精确稳定的电流,其注入电流为1安至20安,并具有24小时内
0.002摄氏度的优异温度稳定性它支持所有的激光二极管和监测二极管引脚配置,并且可使用大多数常用的温度传感器ITC4001激光控制器的激光二极管可用两种模式驱动恒电流(CC)模式,其激光电流可精确保持在用户调节的水平;或恒功率(CP)模式,此模式下光学功率传感器用于监测激光器的输出功率以进行主动功率控制当需要最低噪声和最高响应速度时,应选择CC模式,但这种模式一般也要求温度稳定在CP模式下,来自集成到大多数激光二极管封装的内部光电二极管,或外部光电二极管的反馈用于主动稳定激光器的输出功率ITC4001激光控制器具有增强的激光二极管保护功能精密可调节的电流限制确保了最大激光器电流不会超出Thorlabs特意限制了对此功能的操作,以防止意外的调节增加激光器驱动电流超过预设限制,将导致可见和短声音指示即使使用外部调制功能,也不能超过电流限制设定值ITC4001激光控制器包含一个电流高达±15安的高性能数字TEC控制器它提供24小时内
0.002ºC的出色的温度稳定性通过独立的可调节参数或自动PID函数,数字PID控制器可以适配不同的热负载温度传感器输入的最大控制范围,对于热敏电阻为100Ω~1MΩ,对温度传感集成电路或铂RTD传感器为-55~150ºC实际适用的温度范围受所连接的传感器和热装置的限制为了提供最高的TEC元件保护,ITC提供的保护功能包括可调节的TEC输出电流限制,和温度传感器故障报警ITC4001激光控制器通过前面板按键,以及大型易阅读的图形化液晶显示器上直观的操作菜单进行控制此外ITC4001激光控制器可通过SCPI兼容的USB接口进行控制并提供了驱动软件包,用户可以通过驱动程序进行功能扩展以适应实际应用的具体要求由于前面板分辨率受显示器分辨率的限制,通过远程控制运行可获得更高的设置和测量分辨率不同的输出和数字输入/输出端口提供许多控制和连接选项内置的函数发生器可以对激光器输出进行开箱即用的模拟调制ITC4001提供许多增强功能,如准连续波(QCW)操作模式、简易自动PID设置以及多种激光二极管和TEC元件保护功能这些功能加上新型设计提供了安静和高功效的运行,使ITC4001激光控制器成为实验室和生产环境中,中等功率到高功率激光二极管和LED的精密和安全操作的理想选择
[80]3激光器波长控制器的软件设计
3.1软件系统设计原理
3.
1.1软件系统设计思路本设计采用传统设备结合虚拟仪器的方法,建立了一套基于LabVIEW虚拟仪器技术的激光器波长控制器软件系统借助ITC4001激光控制器作为桥梁,实现PC机对激光器工作情况的读取、控制和显示软件系统设计的原理框图如图
3.1所示DFB激光器激光控制器计算机接口虚拟仪器软件平台仪器驱动程序图
3.1软件系统设计原理框图计算机接口为硬件模块和计算机操作系统提供了软硬件接口,激光控制器通过USB数据线与计算机接口连接起来,实现PC机和激光控制器之间命令和数据的传输;仪器驱动程序模块是通过接口实现对硬件模块的控制,实现软件开发平台对硬件的调用,完成对硬件的管理;软件开发平台是用户为测试和实验而设计生成的系统软件平台,为用户提供一个编程环境,通过开发设计的系统界面,用户可以直接通过虚拟显示面板进行实验中的各种操作,可以进行发送操作指令、接收采集数据和后续的显示及分析数据等操作软件面板的设计是整个系统的关键,决定了系统的易操作性、功能完善以及可扩展性等
[81]作为系统核心的控制程序是在LabVIEW环境下编写完成的,在配合相应的硬件便能实现仪器控制、数据采集、数据分析等特定的功能通过LabVIEW编写控制程序时,通常采用模块化的编程方式本设计中根据实际应用需要,对激光器波长控制软件系统设计了以下四个功能模块
(1)首先需建立ITC4001激光控制器与PC机之间的通信功能,通过激光控制器将激光器的数据传输至监控计算机由于ITC4001激光控制器是带有USB接口的仪器设备,并且遵循USBTMC规范,所以通过向USB接口写入相应的命令程序,即可实现激光控制器与PC机之间的通信
(2)建立连接之后,即可通过计算机对激光控制器进行基本的控制操作和参数的读取和设置在本软件系统中,根据本课题实际控制需求,只需对激光器的部分参数进行控制操作,主要包括激光二极管和热电冷却器的开关控制功能、温度、光功率和激光电流的读取与设置功能,以及激光二极管的工作模式和调制模式的读取与设置功能由于ITC4001激光控制器提供了驱动软件包,所以在LabVIEW编程环境下通过调用库函数节点对驱动程序的相应函数进行调用,从而实现对激光器参数的读取和设置功能
(3)根据DFB激光器的热调谐机理,在LabVIEW编程环境下实现调谐波长波段内的自动扫描通过计算机控制数据采集卡完成A/D转换,当激光器的温度达到设定温度后,对该温度下所对应的电压信号进行采集,并通过波形图表的形式对波长扫描曲线进行实时显示
(4)由于激光器的波长与温度呈线性关系,所以通过控制激光器的工作温度实现对激光器的输出波长的反馈控制在软件系统中,通过LabVIEW编程控制数据采集卡完成A/D转换,对实际温度所对应的电压信号进行采集,并送回PC机,将实际电压值与设置电压值之差进行PID控制运算,根据PID调节的输出量重新设置温度,从而实现激光器波长的反馈控制
3.
1.2基于虚拟仪器软件系统的仪器控制理论虚拟仪器(virtualinstrument)技术是基于计算机的仪器及测量技术与传统仪器技术不同,虚拟仪器技术是指在包含数据采集设备的通用计算机平台上,根据需求可以高效率地构建起功能不同的测量系统对大多数使用者来说,仪器的开发的主要工作变成了软件的设计在众多开发软件中,LabVIEW是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境LabVIEW是一种专门用于数据采集、分析与仪器控制的图形化软件,它所开发的虚拟仪器很好的结合了计算机强大的数据处理能力和仪器的硬件测试控制能力,并且具有精确、高效、功能强大、开发简易、实时性强、界面友好等优点,为用户提供了强大的功能支持和使用的灵活性
[82],因此LabVIEW开发平台是激光器波长控制器软件设计的最佳选择在虚拟仪器的系统中,软硬件需要相互配合完成系统的整个功能,所以在软件系统中通常需要对外部的数据和程序进行调用,很多软件系统和硬件设备也都提供了能够共享的代码,通过代码的调用即可实现相应的功能,资源的共享可以省去众多烦琐的程序编写过程动态链接库即是重要的代码共享技术之一
[83]所谓动态链接库(DynamicLinkLibrary,DLL),是由可执行程序模块组成的函数库,包含了应用程序或其他DLL可能调用的函数代码和资源由于这些代码库是采用动态链接方式链接到应用程序或其他DLL中的,可以被多个应用程序或DLL所共享,所以这种库称为动态链接库DLLDLL文件也是一种可执行文件但它不能独立运行,而是用来为其他的可执行文件如EXE或DLL提供共享函数DLL只有在其中的某个导出函数被调用时才被执行LabVIEW开发平台具有强大的外部接口能力,可以实现LabVIEW与外部应用软件以及其它编程语言之间的通信,从而可以方便快捷的调用外部代码LabVIEW实现外部数据接口的方式有四种代码接口节点、动态链接库机制、共享库和ActiveX,其中前两者功能较强、应用较广
[84]由于在本设计中仪器生产厂家提供了相应的DLL文件,所以在LabVIEW开发平台下选择调用DLL方式作为外部代码接口在LabVIEW中动态链接库函数的调用是通过调用库函数节点(CallLibraryFunctionNode)实现的
[85]用CLFN调用我们已有的动态链接库函数的步骤如下
(1)准备好需要调用的动态链接库文件;
(2)在框图程序编写处点击鼠标右键,在弹出的函数功能模板中选择互联接口→库与可执行程序→调用库函数节点,在框图程序中将会出现调用库函数节点的图标;
(3)双击调用库函数节点图标,将会弹出调用库函数对话框,选择函数选项,在函数选项中填写所调用函数所在动态链接库的库名/路径以及所调用的函数名,设置完成后可以通过参数选项查看该函数的所有参数,以及各个参数的名称、参数类型等详细信息;
(4)调用库函数对话框填写完成关闭后,就完成了动态链接库中一个函数调用的全过程
3.2基于LabVIEW的激光器波长控制器软件系统LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是NI公司创立的面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台,主要用于仪器测控、数据采集、数据分析等领域在LabVIEW环境中开发的程序称为虚拟仪器(VirtualInstrument,VI)它配合相应硬件便能实现特定的功能,从而取代昂贵、复杂的实际仪器设备,达到降低成本、小型化系统的目的
[86]基于LabVIEW的激光器波长控制器软件系统主要完成如下工作建立连接;开关控制;激光二极管工作模式设置;光功率、激光电流、温度读取与设置;激光二极管调制设置;波长扫描以及PID控制下面将对上述七个功能模块的主要功能及软件实现方法进行介绍
3.
2.1建立连接模块设计本设计要想实现对激光控制器的控制首先需要对设备进行连接,只有在设备连接成功的状态下,后续的控制操作才能继续进行,所以激光器波长控制器软件系统设计的第一步是建立ITC4001激光控制器与PC机之间通信的程序设计建立连接模块即是用于实现激光控制器与计算机之间通信的功能模块ITC4001激光控制器具有USB接口功能,可由计算机编程控制首先通过USB数据线实现计算机和激光控制器之间的硬件连接,再通过LabVIEW编程控制计算机与激光控制器之间的通信激光控制器与计算机的连接方式如图
3.2所示接收命令发送命令USB数据线LabVIEW激光控制器图
3.2激光控制器与计算机连接方式ITC4001激光控制器提供了一个USB
2.0全速链接,遵循USB
2.0规范、USBTMC规范和USBTMCUSB488规范它允许从主机发送命令到仪器由于激光控制器遵循USBTMC规范(USBTestMeasurementClass),而USBTMC是建立在USB之上的一种通讯协议,通过USBTMC可以像控制GPIB接口仪器一样控制USB接口仪器对于主机端,当将一个USBTMC兼容仪器插入PC机时,该设备就能被系统识别并且启动新硬件向导,接着在向导中可以选择NI-VISA作为该设备的驱动如果已经正确安装了NI-VISA,那么该设备就会正确识别为USBTestMeasurementClass设备打开MeasurementAutomationExplorer(MAX),该设备会出现在MAX里面的DeviceandInterfaces→USBDevices目录下这时,就可以控制其他GPIB设备一样使用这个资源名来控制USBTMC设备激光控制器附带的设备包含一个VXIpnp仪器这台仪器驱动程序库简化了仪器控制和减少测试程序的开发时间它适用于各种编程环境,包括NI-LabVIEW开发平台所以通过以上方式可以实现ITC4001激光控制器与计算机之间的连接由Thorlabs公司为ITC4000系列的激光控制器提供了范例程序,其中包括仪器初始话、关闭、状态查询、选择USB-INSTR对话框以及VXIpnp错误转换器5个子VI通过LabVIEW程序框图的函数→选择VI目录下,选择该VI所存放的地址可以对所需的子VI进行调用为了实现ITC4001激光控制器与计算机之间的通信,需调用初始化和选择USB-INSTR对话框两个子VI,具体的程序框图如图
3.3所示图
3.3建立连接模块的程序框图在LabVIEW前面板中设计了相应的对话框供用户操作以实现连接功能其对话框如图
3.4所示图
3.4建立连接模块的前面板在运行程序时,会自动弹出上述对话框,如果计算机与激光控制器连接正确,提示框中会出现激光控制器的仪器名称和序列号,如图
3.5所示图
3.5建立连接模块的运行界面当对话框中出现正确的仪器名称和序列号之后,选择OK按钮,即可完成计算机与激光控制器之间的通信建立连接之后,对话框会自动消失当接收到以上消息命令后,ITC4001将自动进入远程模式,并在屏幕上显示Remote标记,此时前面板上的所有操作被禁止,只能通过远程计算机进行控制,从而避免偶然进入和设置冲突通过前面板的F4键,可以退出远程模式而回到本地操作模式
3.
2.2开关控制模块设计由于ITC4001激光控制器内部包括一个激光二极管电流控制器和一个TEC元件控制器所以首先需要对激光二极管(LD)和热电制冷器(TEC)的打开和关闭状态进行控制开关控制模块即是用来控制LD、TEC开关的打开与关闭状态的功能模块根据ITC4001激光控制器的性能和实际操作需要设计了以下功能
(1)用户根据实际操作需要,选择LD、TEC开关控件的开、关状态,点击确定按钮后,即可实现LD、TEC开关的打开与关闭设置;通过指示灯会显示激光控制器LD、TEC两个开关的实际状态,指示灯点亮表示开关处于打开状态,指示灯熄灭表示开关处于关闭状态
(2)由于实际操作中,对于LD、TEC开关的打开与关闭都有规范的顺序要求,在打开开关时,必须先打开TEC开关,再打开LD开关,而在关闭开关时正好相反,必须先关闭LD开关,再关闭TEC开关所以在系统软件中设计了相应的限制保护措施,在打开开关时必须在TEC打开的状态下才能打开LD开关,否则无法打开LD,并且会出现错误提示“请先打开TEC”;而在关闭开关时必须在LD关闭的状态下才能打开TEC开关,否则无法打开LD,并且会出现错误提示“请先关闭LD”
(3)为了与激光控制器保持一致,在实际的操作界面中对于LD指示灯的显示也是先闪烁3秒再点亮,而TEC指示灯直接点亮即可LD开关和TEC开关是相互关联、相互制约的,在LabVIEW环境下编写程序时需要互相作为开、关状态的判断条件在LabVIEW程序框图中点击右键,选择创建→属性节点→闪烁,实现指示灯的闪烁功能,并通过定时等待控件设置闪烁时间,本设计中闪烁时间设为3000毫秒通过工具→选项→环境菜单中颜色选项,可以对指示灯闪烁时的颜色进行重新设置,首先取消使用默认颜色选项,然后重新设置闪烁前景的颜色,默认情况下为黄色,在本设计中已设置为绿色通过工具→选项→前面板→常规菜单中的前面板控件闪烁时间延迟选项,可以对指示灯的闪烁快慢进行调节,本设计中设为1000毫秒该软件系统中开关控制模块的整体程序框图如图
3.6所示图
3.6开关控制模块的框图程序根据上述要求,本软件系统的开关控制模块的前面板设计如图
3.7所示图
3.7开关控制模块的前面板
3.
2.3工作模式设定模块设计ITC4001激光控制器的激光二极管可用两种模式驱动恒电流(CC)模式和恒功率(CP)模式在恒电流(CC)模式下,激光电流可精确保持在用户调节的水平;在恒功率(CP)模式下,光学功率传感器用于监测激光器的输出功率以进行主动功率控制工作模式设定模块即用于读取和设置激光二极管的工作模式具体功能如下所示
(1)通过激光二极管工作模式选择控件的下拉菜单选择恒电流或恒功率工作模式,点击确定按钮,随即完成工作模式的设置;通过激光二极管工作模式查询控件对激光二极管实际的工作模式进行显示
(2)由于在实际操作中为了保护激光二极管,在设置工作模式前必须先关闭LD开关再进行设置,设置完成后再打开开关,过程烦琐,甚至有时会忽略或忘记此操作过程而对激光二极管造成损害所以在这里设计了自动操作过程,在设置工作模式时,LD开关将自动关闭,设置完成后,LD开关将自动打开要想实现上述功能,就必须按照一定的逻辑关系得以实现,具体的流程如图
3.8所示设置工作模式关闭LD开关设置完毕打开LD开关LD开关显示控件闪烁3秒点亮LD开关显示控件图
3.8工作模式设置模块流程图根据上述流程图,在LabVIEW环境下编写的框图程序如图
3.9所示在该模块设计中,是通过比较模式选择控件与查询控件两者的工作模式是否相同作为判断条件来确定用户是否正在对激光二极管的工作模式进行重新设置;在确定用户已经进行了重新设置后,以确定按钮作为判定依据来判断用户是否已完成工作模式的设置图
3.9工作模式设置模块的框图程序根据上述功能要求,本软件系统的激光二极管工作模式设定模块的前面板设计如图
3.10所示图
3.10工作模式设置模块的前面板
3.
2.4光功率、激光电流、温度读取与设置模块设计光功率、激光电流、温度是激光器最重要的三个参数,并且经常需要对这三个参量进行控制功率、激光电流、温度读取与设置模块即用于实现对激光控制器功率、激光电流和温度这三个参量的读取和设置具体功能如下所示
(1)激光器的光功率、激光电流及温度值通过各参数的读取控件进行读取显示,并且读取值每隔100ms数据更新一次
(2)激光器的光功率、激光电流及温度值的设置过程为首先在前面板数值控件的数字框中输入设定值,然后点击相应的参数设置按键即可实现该参数的设置功能为了防止在进行参数设置时输入的设定值超过量程范围而毁坏激光器,故对参数的输入值范围做了强制性限制,光功率范围为0-10mW,激光电流范围为20-100mA,温度范围为15-30ºC
(3)由于激光器的温度变化不能过大,否则会损坏激光器,所以当激光控制器的温度设定值与实际温度值相差大于5摄氏度时,采用每200ms上升或下降1摄氏度的方式进行缓慢设置;小于5摄氏度时直接设定在LabVIEW程序框图中,通过在while循环中放置定时等待控件,并设置等待时间为100ms,则此while循环每隔100ms运行一次,相对应的前面板参数读取值将会每隔100ms更新一次对于参数设置时输入值的范围限制是在前面板中选中相应数值控制点击右键,选择属性,在弹出的属性对话框中选择数值输入,数值输入选项中,取消使用默认界限,然后设置最大值、最小值以及增量,并且对超出界限的值的响应复选框中选择强制;而对于参数设置和读取值的数值位数设置同样是在属性选项中,右键→属性→显示格式,在显示格式选项中,通过类型、位数、精确类型即可对数值的显示位数进行设置对于温度的设置需要通过逻辑判断对不同情况做出不同的响应,此温度设置模块的框图程序如图
3.11所示图
3.11温度设置模块的框图程序在LabVIEW软件平台下整个光功率、激光电流、温度读取与设置模块的框图程序如图
3.12所示图
3.12光功率、激光电流、温度读取与设置模块的框图程序根据上述功能要求,本软件系统的光功率、激光电流、温度读取与设置模块的前面板设计如图
3.13所示图
3.13光功率、激光电流、温度读取与设置模块的前面板
3.
2.5激光二极管调制设置模块设计ITC4001激光控制器提供了一个可调制的激光二极管,可工作在恒流和恒功率模式下调制信号可以通过内部调制源或外部调制源两种方式产生激光二极管调制设置模块用于实现对激光控制器的调制状态、调制源、调制形式、调制频率以及调制深度各参量状态进行读取和设置调制源包括内调制源、外调制源以及内调制源和外调制源共同作用三种方式;调制形式包括正弦波、三角波和方波;调制频率的范围为20赫兹到100千赫;可以设置的调制深度从
0.1%到100%在LabVIEW环境下,通过前面板的数值输入控件和设置按钮对上述各参量状态进行设置,通过数值输出控件对激光控制器各参量当前的实际状态进行显示对于调制源和调制形式的三种方式通过下拉菜单进行切换和选择,对于调制频率和调制深度的范围限制同样是通过数值控件的属性选项进行设置该激光二极管调制设置模块的框图程序如图
3.14所示图
3.14激光二极管调制设置模块的框图程序根据上述功能要求,本软件系统的激光二极管调制设置模块的前面板设计如图
3.15所示图
3.15激光二极管调制设置模块的前面板
3.
2.6波长扫描模块设计分布反馈式激光器通常可以采用温度调谐和电流调谐两种方式实现波长调谐本设计中,利用激光器的温度调谐机理,通过计算机对激光器进行自动升温,能够简单、快捷的实现初始温度到终止温度所对应波段范围内的波长调谐波长扫描模块即是用于实现从初值温度开始,每隔t毫秒升温T摄氏度,直至达到终止温度停止;由于温度与波长呈线性关系,所以通过该匀速升温过程,即可实现相应波段范围内的波长扫描通过数据采集卡对温度所对应的电压信号进行采集,通过波形图表形式对波长扫描曲线进行实时显示在本设计中采用北京阿尔泰公司的USB2813A数据采集卡USB2813A卡是一种基于USB总线的数据采集卡,可直接和计算机的USB接口相连本设计中需要一路A/D转换,将采集到的数字量送入计算机,并且在该模块中只需在升温后采集一个值,不需要一直进行AD采集由于激光控制器的升温或降温是有一个过程的,所以在对激光控制器进行温度设置时,不可能马上就达到设置的温度,会有一定的时间延迟,所以在升温操作后,必须先延时t毫秒,以保证激光控制器此时已经达到设定温度后再进行采集,这时的采样值才是正确的所以该波长扫描模块的流程图如图
3.16所示是初始温度、终止温度设置定时模块1采样定时模块2升温判断设置温度是否达到终止温度否停止图
3.16波长扫描模块流程图在LabVIEW框图程序中,需要借助顺序结构实现升温、定时、采样过程在每次进行波长扫描之前,需要将波形图表之前的图形进行清除,在LabVIEW的框图程序中选中相应的波形图表,点击右键,选择创建→属性节点→历史数据,连接空数组至该属性可清空图表的历史数据该波形扫描模块的整个框图程序如图
3.17所示图
3.17波长扫描模块的框图程序根据上述功能要求,本软件系统的波长扫描模块的前面板设计如图
3.18所示图
3.18波长扫描模块的前面板
3.
2.7PID控制模块设计PID控制模块通过数字PID调节器实现了波长的反馈调节通过LabVIEW控制数据采集卡完成A/D转换,对实际温度所对应的电压信号进行采集,并将采样值送回PC机,对实际电压值与设置电压值之差进行PID控制运算,根据PID调节的输出量重新设置温度,从而实现激光器波长的反馈控制在PID控制模块中,也需要利用USB2813数据采集卡进行AD采集由于PID控制模块和波长扫描模不会同时使用,所以在整个系统中只需要一路A/D采集,分时复用即可在使用USB2813A数据采集卡之前,必须在准备插入采集卡的计算机中进行LabVIEW软件和硬件驱动程序的安装,然后再根据需要编写数据采集的程序在对USB2813A采集卡进行编程控制时,按功能分,该程序主要分为三个部分,第一部分是对采集卡进行初始化,完成采集卡重要工作参数的设置,如量程选择、单双端选择、首通道和末通道选择;第二部分是进行数据采集和有用数据的存储,将数据先放入采集卡的板裁缓存FIFO中,再由计算机读取板裁缓存中的数据写入由计算机的内存中分配出的用户缓存,后根据需要将有用数据从内存中存入计算机硬盘中,该部分中包括的子VI有读取数据模块、数据存储模块以及显示所采集信号的时域图形的模块;第三部分就是在采集结束后关闭采集卡综上所述USB2813数据采集卡的A/D采集实现过程如图
3.19所示否是创建设备对象初始化和启动AD读取AD数据取平均值格式转换判断是否停止释放和停止AD设备释放设备对象图
3.19A/D采集实现过程流程图LabVIEW是通过硬件驱动程序来识别各种采集卡的所谓硬件驱动程序就是应用软件对硬件的编程接口,它包含着特定硬件可以接受的操作命令,完成与硬件之间的数据传递然而LabVIEW自带的仪器驱动程序库仅适用于NI公司或与NI公司有合作关系的著名厂商的仪器设备对于非NI公司生产的普通数据采集卡在LabVIEW中采用以下三种硬件接口编程方式
[87]直接端口读/写方式(I/0方式)、调用C语言源代码的方式(CIN方式)和调用动态链接库(CLF)的方式由于生产厂家提供了USB2813A数据采集卡相应的驱动程序,所以本设计中,在LabVIEW编程环境下通过调用库函数节点实现动态链接库的调用按照上述A/D采集实现过程编写的框图程序如图
3.20所示图
3.20A/D采集实现过程流程图PID控制模块流程图如图
3.21所示否是设置PID参数和设定值开始计算设定值与采样值之差PID控制重新设置温度重新设置波长判断是否停止停止图
3.21PID控制模块流程图LabVIEW开发平台为用户提供了多种工具包以方便用户实现所需的功能,其中就包括PID控制软件包,该工具包由10个VI组成,借助此工具包可以快速有效地搭建一个数字PID控制器,精确可靠地完成系统需求在本设计中,利用PID.vi搭建一个简单的PID控制器即可满足要求在该vi的输入端给入PID的3个参数值(PIDgains),系统反馈值(processvariable),实际期望值(setpoint)以及微分时间(dt),便能得到需要的输出值(output)经过该PID控制子VI进行PID控制运算,根据PID控制输出的控制变化量,对温度控制量进行重新设置,从而实现了温度的反馈控制在该模块中,是通过输出控制量直接对温度进行重新设置的,所以在这里为了防止温度控制值超出激光器所能承受的范围而对激光器造成损坏,在LabVIEW框图程序中编写了相应的保护功能,在温度小于15摄氏度和大于35摄氏度时,系统强制性的将温度设置为20摄氏度,从而使得温度控制量只能控制在15摄氏度到35摄氏度之间,达到了对激光器进行温度保护的作用综上所述,该PID控制模块的整个框图程序如图
3.22所示图
3.22PID控制模块的框图程序在实际操作中,要想达到理想的PID反馈控制,不仅需要编写正确的PID控制程序,更需要选择合适的比例、积分、微分参数才能很好的实现PID调节功能,否则PID调节可能会不理想,甚至根本无法实现PID调节根据上述功能要求,本软件系统需要在前面板中对温度所对应的电压设定值以及比例、积分、微分各参数进行设置,在设置完各参数后,点击开始按钮,该系统开始进行PID反馈控制,通过显示控件对PID控制输出的控制变化量、温度控制值以及波长设定值进行实时显示,并且通过波形图表的形式可以直观的显示出采样值与设定值的趋近程度,由此可以对PID反馈控制的调节效果进行判断,通过停止按钮即可结束PID反馈控制过程综上所述,该PID控制模块的前面板设计如图
3.23所示图
3.23PID控制模块的前面板
3.3虚拟仪器界面设计虚拟仪器界面是软件部分的核心,它直接面向用户,是基于虚拟仪器的激光器波长控制器软件系统的最上层它不仅提供与用户交互的界面,而且还能通过面板上的各种按钮、开关等控件来控制激光控制器的工作,这部分必须做到界面美观、友好方便、操作简洁,能够通过面板上的菜单和按钮实现数据的采集、分析、控制和显示本设计中,激光器波长控制器的软件平台总界面设计主要有六个部分,分别为开关控制模块;激光二极管工作模式设置模块;光功率、激光电流、温度读取与设置模块;激光二极管调制设置模块;波长扫描模块和PID控制模块其中波长扫描模块和PID控制模块,采用了函数→控件→新式→容器中的选项卡控件,将两个功能模块分别放在不同的选项卡中通过模块化的设计思路,实现了一套简单大方、操作方便的激光器波长控制器软件系统其虚拟仪器软件界面的整体设计如图
3.24所示图
3.24激光波长控制器的虚拟仪器界面在运行LabVIEW程序时,首先会自动弹出建立连接对话框,在正确建立连接之后,即可对以上各功能模块进行操作,对激光控制器进行读写控制以实现用户所需功能4实验测试系统
4.1实验测试系统的组成本设计建立了一套基于LabVIEW虚拟仪器技术的激光器波长控制器软件系统该激光器波长控制器软件系统的设计主要是为了对光纤传感系统的激光器进行控制为了验证软件系统的可行性,需要搭建一个简单的光纤传感系统来对其进行验证,系统的结构框图如图
4.1所示光纤DFB激光器激光控制器计算机光耦合器探测器数据采集卡传感器 图
4.1实验测试系统总体结构框图图
4.1中系统总体结构由DFB激光器、ITC4001激光控制器、传感光纤、传感器、光耦合器、光探测器、数据采集卡以及计算机七部分组成DFB激光器作为光纤传感系统的光源,是整个系统的信号源;ITC4001激光控制器对激光器进行控制和保护;传感光纤是系统中的传输和感应介质;光纤耦合器是利用光波导的横向耦合原理制成的一种重要的光无源器件,用来连接两根或者多根光纤,实现光信号的分路与合路,或者用作延长光纤链路;被测量通过传感器接入实验系统,对光信号进行调制;调制后的光信号通过探测器转化为电信号;数据采集卡将光电转换后得到的模拟电信号进行离散化处理,得到离散信号,并通过USB接口将离散信号传往计算机;计算机对离散信号进行处理,并根据处理结果对激光控制器进行调节控制,并将处理的结果通过界面显示给用户在虚拟仪器系统中,数据采集卡是每个系统都必不可少的硬件设备,采集卡的选择应根据实际系统而定在本系统中,选用北京阿尔泰公司的USB2813A采集卡即可满足实验要求,实现一路A/D采集,该数据采集卡AD模拟量输入功能的主要性能参数如下所示
[88]:输入量程±10V、±5V、0~10V转换精度12位(bit)采样频率最高系统通过率100KHz物理通道数16通道(单端SE),8通道(双端DI)模拟量输入方式单端模拟输入和双端模拟输入(双端也叫差分输入)模拟输入阻抗100MΩ系统测量精度
0.1%根据实际实验系统的需要,输入量程选择±10V档;模拟量输入方式选择单端模拟输入;采样通道数设置为一通道本设计的验证实验是在实验室内完成根据图
4.1所示的实验测试系统结构框图搭建了实验测试平台,其硬件实物图如图
4.2所示图
4.2实验测试系统硬件实物图
4.2实验测试
4.
2.1波长扫描模块实验测试波长扫描模块是利用激光器的温度调谐机理,通过计算机控制激光器实现自动升温,从而完成了相应的初始温度到终止温度所对应波段范围内的波长扫描过程,并通过数据采集卡对温度所对应的电压信号进行采集,通过波形图表对波长扫描曲线进行实时显示波长扫描模块的实验测试系统的结构框图如图
4.3所示首先进行初始温度和终止温度的设置,激光器首先达到所设置的初始温度,通过传感器感知被测量,然后通过探测器将光信号转换为电信号,通过数据采集卡进行A/D转换,将模拟量转换为数字量,将数字量送入计算机,在每个温度点处采集该温度所对应的电压值,通过波长扫描曲线显示记录,然后继续进行升温操作,重复上述过程,直到达到所设置的终止温度停止采集卡升温传感器探测器波长扫描初始、终止温度设置KA激光器图
4.3波长扫描模块实验测试系统结构框图在实验中,首先需要通过虚拟仪器前面板设置初始温度、终止温度、温度步长以及延时时间,设置完成后,点击确定按钮,激光器开始升温操作,直到达到设置的终止温度停止若升温过程中发现参数设置有误或光谱信息错误,可以点击停止按钮终止系统继续升温,在更改参数或检查系统无误后点击确定按钮重新开始扫描验证实验中采用光纤光栅传感器,温度从15℃变化到30℃,步长为
0.05℃,在每个温度点,延时3秒使激光器的实际温度达到设置温度后,对该温度所对应的电压值进行采集,每采一个点都通过波形图表实时显示,直到波长扫描过程结束,最终得到整个扫描波段的反射谱曲线实验测试结果如图
4.4所示本次波长扫描实验中所对应的波长范围为
1556.41nm~
1557.84nm,该波段下与光栅的实际反射谱进行对比基本吻合实验证明,软件系统的波长扫描模块是正确可行的,并且具有较高的分辨率图
4.4波长扫描模块实验测试结果
4.
2.2PID控制模块实验测试PID控制模块实验测试系统的结构框图如图
4.5所示-++++设定值采集卡KAPD波长设置温度设置激光器传感器探测器I采样值图
4.5PID控制模块实验测试系统结构框图探测器输出的电压信号首先送入USB2813数据采集卡进行A/D转换,再经USB通用数据总线将数字量送入PC机,通过软件系统的PID控制模块,对实际电压值与设置电压值之差进行PID控制运算,根据PID调节的输出量重新设置温度,从而实现激光器波长的反馈控制在实验中,首先需要对电压设定值进行设置,点击开始按钮后,系统会根据设定值与采样值的差值进行PID调节对激光器的温度进行控制,通过波形图表可以直接的看到PID控制的效果当然我们都希望采样值能够快速的接近设定值,并且能保持稳定不来回振荡,所以PID控制的难点不是编写控制程序,而是整定控制器的三个参数比例系数、积分时间常数、微分时间常数如果参数整定得不好,即使程序设计没有问题,系统的动静态性能也达不到要求,甚至会使系统不能稳定运行所以必须掌握PID参数的整定方法PID控制是由比例控制、积分控制、微分控制三部分组成单的说,PID控制各控制环节作用如下:
(1)比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号et,在偏差出现时能立即起作用,使被控制量朝着偏差减小的方向变化但比例控制存在稳态误差,稳态误差与比例系数成反比
(2)积分环节主要用于消除稳态误差,提高系统控制精度积分控制相当于根据当时的误差值,周期性地微调,只要误差不为零,控制器的输出就会因为积分作用而不断变化但积分环节会导致系统的响应变慢,并且具有滞后特性,对系统的稳定性不利
(3)微分环节反映了偏差信号的变化趋势(变化速率),具有超前的控制作用,能够改变系统的动态性能,但微分部分过强会使系统抑制干扰噪声的能力降低在PID控制中,各环节的控制能力是由各参数大小所决定依据自动控制原理可知,PID控制器的传递函数为:(式
4.1)对于比例系数,如果太小,调节的力度不够,变化缓慢,调节时间会过长;如果过大,调节力度太强,会造成调节过头,并且可能造成忽高忽低,来回振荡对于积分时间常数,与积分作用的强弱成反比,如果太小积分作用太强,其累积的作用与比例系数过大相同,会使系统的动态性能变差,超调量增大,甚至使系统不稳定;如果太大积分作用太弱,则消除稳态误差的速度太慢对于微分时间常数,与微分作用的强弱成正比,越大,微分作用越强;但如果太大,将导致微分部分剧烈变化,可能会使响应曲线变得很怪异,甚至出现“毛刺”,并且会使系统抑制干扰噪声的能力降低所以必须正确选择比例、积分、微分参数PID参数的整定是一个综合的、各参数相互影响的过程,在实际调试过程中应按照“先比例,再积分,最后微分”的实验整定步骤进行试凑
(1)整定比例环节是将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线;
(2)整定积分环节是先将步骤
(1)中选择的比例系数减小为原来的50~80%,再将积分时间置于一个较大值,观测响应曲线然后减小积分时间,加大积分作用,并相应调整比例系数,反复试凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数;
(3)整定微分环节是先置微分时间=0,逐渐加大,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数;
(4)如果超调量太大,经过多次振荡才能进入稳态或者根本不稳定,应减小控制器的比例系数或增大积分时间;如果没有超调量,但是被控量上升过于缓慢,过渡过程时间太长,应按相反的方向调整上述参数;
(5)如果消除误差的速度较慢,可以适当减小积分时间,增强积分作用实际调试过程中的多次尝试是非常重要的,也是必须的其中需要注意的是在改变比例系数的值时,同时会影响到积分分量和微分分量的值,而不是仅仅影响到比例分量根据上述PID参数整定的基本准则,通过实验反复尝试,最终确定了该系统各参数值=-
0.0001;=
0.005min;=
0.0025min根据上述数据进行了实验测试,其实验测试结果如图
4.6所示图
4.6PID控制模块实验测试结果从图
4.6右侧的波形图表中可以看出,此时PID控制器能够对控制量进行很好的调节,温度所对应的电压采样值在PID控制开始后,经历了一个短暂的调节过程,在轻微的震荡后逼近设定值,最终达到设定值,并且采样值在达到设定值之后波动不大,基本保持不变故该PID控制器不仅能够对温度量进行快速的调节,并且能保持稳定不会来回震荡,满足系统需要5全文总结本文在概述国内外光纤传感技术的基础上,从光纤传感智能化的发展方向出发,将光纤传感与虚拟仪器技术相结合,提出了建立一套基于LabVIEW虚拟仪器技术的激光器波长控制器软件系统的构想希望通过该软件系统能够更有效地解决激光器工作的准确、稳定和可靠性问题在本课题中,利用LabVIEW开发平台,最终实现了用于光纤传感的激光器波长控制器的设计与开发在整个设计开发过程中,得出的结论及所做的主要研究工作如下:
(1)设计了基于LabVIEW的激光器波长控制器软件系统整个软件系统包括三部分、七个功能模块第一部分建立连接部分包括建立连接模块;第二部分激光器参数读取和控制部分包括开关控制模块,激光二极管工作模式设置模块,光功率、激光电流、温度读取与设置模块以及激光二极管调制设置模块;第三部分激光器波长控制部分包括波长扫描模块和PID控制模块
(2)根据激光器波长控制器软件系统的各功能模块设计了虚拟仪器界面该软件界面简单大方、操作方便
(3)利用分布反馈式激光器、激光控制器、光纤、传感器、探测器、数据采集卡以及计算机等设备搭建了一个简单的光纤传感系统作为实验测试平台,验证了该软件系统是可行的,并且易于操作、工作稳定参考文献
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