（计算机应用技术专业论文）基于光纤光栅的火灾探测报警信息监控系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 “火灾”，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中， 火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对 火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来文明进步、光 明和温暖。但是，失去控制的火，就会给人类造成灾难。 及早的探测火灾的发生、做好预防火灾的各项工作一直是人们努力探寻的方 向。感温式火灾探测是一种火灾早期探测和预报的方法，这种方法实时跟踪环境 温度，在其温度异常变化或温度处于火警阀值时做出预报。传统的感温式火灾探 测方法是采用线性感温电缆实现探测，需要电源作为信号激励，所以无法应用在 石油、化工、冶金、电力、交通等需要本质安全防爆的特殊领域，光纤光栅温度 传感器作为当今最热门的研究领域之一，可实现监测现场的“全光无电 式测量， 在易燃易爆工况下尤为适用，较好的解决了传统火灾报警系统的弊端，具有较大 的现实意义。 本文阐述了光纤光栅传感的基本理论、温度对光纤光栅波长的影响，通过耦 合模理论得到光纤光栅b r a g g 方程，波长解调技术是光纤传感技术的关键。本 文介绍了目前的波长解调方法和原理，在此基础上，通过理论分析和实验，分析 了光纤光栅感温探测器的温敏特性，探求了获得较为满意的温度探测精度的方 法。 在理论学习的基础上设计研究了以光纤光栅火灾报警器为一次检测元件，配 合通讯模块、计算机、网络等构成完整的集数字化、集成化和自动化为一体的光 纤光栅火灾探测报警系统，探求了降低所采集温度数据信号的误码率、充分发挥 系统网络化优势，构成多点传感系统、实现人机友好交互界面的方法。 本文最后还介绍了武汉理工大学光纤研究中心自行研制的光纤光栅温度传 感器及感温火灾报警系统的具体应用案例，以及对未来工作的展望。 关键词：火灾，光纤b r a g g 光栅，温度检测，信号采集，火灾报警系统 a b s t r a c t ”f i r e ”r e f e r st ot h et i m eo rs p a c eo u to fc o n t r o lc a u s e db yt h ec o m b u s t i o no ft h e d i s a s t e r i nav a r i e t yo fd i s a s t e r s ，f i r ei st h em o s tf r e q u e n ta n dw i d e s p r e a do n eo ft h e m a j o rd i s a s t e rt h a tt h r e a tt op u b l i cs e c u r i t y a n ds o c i a ld e v e l o p m e n t t ou s ea n d c o n t r o lt h ef i r ei sa l li m p o r t a n ts i g nt h a tt h ep r o g r e s so fc i v i l i z a t i o n f i r eb r i n g s c i v i l i z a t i o n ，p r o g r e s s ，b r i g h ta n dw a r mt ot h em a n k i n d h o w e v e r , t h ef i r e o u to f c o n t r o lw i l lr e s u l ti nad i s a s t e rt om a n k i n d e a r l vd e t e c t i o no ft h eo c c u r r e n c eo ff i r ea n dd o i n gag o o dj o bo ft h e f i r e p r e v e n t i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e da l la l o n g t e m p e r a t u r e - f i r ed e t e c t i o ni sa m e t h o df o r f i r ef o r e c a s t i n g ，t h i sm e t h o dd e t e c tr e a l - t i m ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dm a k e f o r e c a s tw h e na b n o r m a lc h a n g e si nt e m p e r a t u r eo rt e m p e r a t u r ei naf i r et h r e s h o l d t r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r e f i r ed e t e c t i o ni sam e t h o do fu s i n gl i n e a rt e m p e r a t u r e _ c a b l e s t oa c h i e v ed e t e c t i o ni nw h i c hp o w e rs u p p l yi sn e e d e da sas i g n a li n c e n t i v e ，i tc a n n o t b eu s e di ns p e c i a la r e a sn e e d e d 。a n t i b l a s ts e c u r i t ye s s e n t i a l l ys u c ha so i l ，c h e m i c a l ， m e t a l l u r g i c a l ，p o w e r a n dt r a n s p o r t a t i o n o p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gt e m p e r a t u r e s e n s o ra st h em o s tp o p u l a ra r e a so fs t u d yc a nr e a l i z e ”a l l o p t i c a lw i t h o u te l e c t r i c i t y m e a s u r e m e n tt od e t e c tl o c a l ee s p e c i a l l yi ne x p l o s i v ec o n d i t i o n s ，w h i c hh a sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c eb ys u c c e s s f u l l yo v e r c o m i n gt h ed i s a d v a n t a g e so f t h et r a d i t i o n a lf i r e a l a r ms y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i ct h e o r yo fo p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o ra n dt h ee f f e c t 0 ft e m p e r a t u r eo no p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gw a v e l e n g t ha r ee x p l a i n e d t h ef i b e r b r a g gg r a t i n ge q u a t i o ni so b t a i n e dt h r o u g hc o u p l e dm o d et h e o r y t h et e c h n o l o g yo f w a v ed e m o d u l a t i o ni st h ek e yo fo p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y t h em e t h o da n d p r i n c i p l e o fs o m ed e m o d u l a t o r sh a v e b e e n i n t r o d u c e d o nt h i sb a s i s ，t h e t h e r m o s e n s i t i v ef e a t u r eo ft h ef i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t o ri se x p l a i n e dt h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a l ，t h em e t h o dt oa b t a i nb e t t e ra c c u r a c yo f t e m p e r a t u r ed e t e c t i o ni se x p l o r e d o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a ls t u d y ，ad i g i t a l ，i n t e g r a t e da n da u t o m a t i c a lf i r e d e t e c t i n ga n dh a z a r d a l a r m i n gs y s t e mb a s e do nf b g i sd e s i g n e da n ds t u d i e d i nt h i s s y s t e m ，f i r ea l a r mi su s e da sb o t t o md e t e c t i n gd e v i c e ，w i t hc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， c o m p u t e ra n dn e t w o r kg a t h e r e di na ne n t i t y i na d d i t i o n ，t h em e t h o d so fr e d u c i n gt h e 武汉理工大学硕士学位论文 e r r o rr a t eo ft h et e m p e r a t u r ed a t as i g n a l s ，t a k i n gt h ea d v a n t a g e so ft h en e t w o r ks y s t e m ， c o n s t r u c t i n gm u l t i p o i n ts e n s o rs y s t e ma n da c h i e v i n gf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e a l er e s e a r c h e d f i n a l l y ，s e v e r a la p p l i c a t i o nc a s e so ft h eo p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gt e m p e r a t u r e s e n s o ra n dt h et e m p e r a t u r e f i r ea l a r ms y s t e mi nt h ef i b e rs e n s i n gc e n t e ro fw u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya l ei n t r o d u c e d ，a sw e l la st h ep r o s p e c t sf o rf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：f i r ed i s a s t e r ，o p t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n g s ，t e m p e r a t u r em e a s u r e ， i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，f i r ea l a r m i n gs y s t e m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：一啦5 ，2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一一新签磐 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 火灾作为危害人类生存的大敌，自古就受到了人们的广泛关注。进入现代社 会，随着我国经济、社会的发展，国家对石油、化工、冶金、电力、交通等行业 的投资规模不断扩大，大量易燃、易爆、高危险、高灾害的工业场所及基础设施 给消防工作带来了新的课题。这些行业是国民经济发展的基础，且和人民生活息 息相关，一旦发生火灾事故，将给国家财产和人民生命带来巨大的损失。如：哈 尔滨亚麻厂粉尘爆炸火灾、山东黄岛油库雷击火灾、北京通州区东方化工厂爆炸 火灾、还有台湾华航飞机的爆炸火灾【1 】等等，群死群伤的悲惨情景让人们的心情 久久不能平静。 近年来我国相继制定和实施了日趋严格的消防法规，对建筑工程的消防要求 也更为严格。而消防系统要求贯彻的“防消结合，以防为主 的原则使火灾探测 报警系统在工业消防中扮演着更加重要的角色。工业场所恶劣的环境特点以及重 要的保护价值对火灾探测报警系统提出了更高更特殊的要求，工业火灾具有火灾 形式多样、火势发展速度快、爆炸危险性严重、扑救难度大、损失及影响重大等 特点，有效预防、减少或避免火灾爆炸事故的发生显得尤为重要。火灾自动探测 报警系统是人们为了早期发现、通报火灾，使工业企业及消防部门及时采取有效 措施控制和扑灭火灾，从而使人员伤亡及财产损失降到最低所采用的必要技术手 段。基于以上原因，一种运用新兴传感器件的火灾探测报警系统即光纤光栅火灾 探测报警信息监控系统受到人们的普遍关注。光纤光栅火灾探测系统和传统的电 信号火灾探测系统具有本质区别，它属于光纤传感器，即其传输信号是光信号而 非传统的电信号。光纤光栅火灾探测系统与传统的电信号火灾探测系统相比在总 体性能上得到很大提高，它具有测量精度高、本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、 耐高温、体积小、重量轻等优点，非常适合于石油化工企业的大型储油罐、地下 电缆隧道、地下油库、高压变电站等恶劣环境场所中的应用【2 j 。 1 2 火灾探测技术简介 火灾探测技术从诞生到现在经历了一个多世纪的发展过程，1 8 4 7 年美国牙 科医生c h a n n i n g 和缅因大学教授f a 珊e r 【3 】研究出了世界上第一台用于城镇火灾 报警的发送装置。同年，德国的s i e m e n s 和h a l s k e 公司将电报装置用于传送火 武汉理工大学硕士学位论文 灾报警信号，从此揭开了人类发展火灾自动探测与报警技术的序幕。1 8 9 0 年英 国成功研制了第一个感温式火灾探测器，它能够有效地探测到火灾产生的热量并 自动报警，标志着火灾自动探测技术的正式诞生。从此，人类开创了火灾自动探 测报警技术的新纪元。随着火灾探测技术的发展，相继出现了各类火灾探测技 术。 ( 1 ) 电阻式感温探测技术：其灵敏度低，探测速度慢，报警时间迟，易受 气温或温度变化的影响，对阴燃火反应差，不适用于早期报警。 ( 2 ) 感烟探测技术：无论是离子感烟探测器还是光电感烟探测器都是对粒 子进行探测，易受各种灰尘、水滴、油雾、昆虫等粒子的干扰，误报率高。 ( 3 ) 气体探测技术：气体探测技术分为载体催化型、光干涉型、热导型、 气敏半导体型等。其中载体催化型测温范围小，存在温度漂移、易中毒等问题； 光干涉型选择性差，易受温度与气压影响而产生误差；热导型易受水蒸汽和氧气 浓度的影响，同时受加工精度影响很大；气敏半导体型具有灵敏度高、售邕耗少、 寿命长等优点，但选择性差，线性测量范围窄。 ( 4 ) 静电探测技术：通过探测燃烧生成离子的电荷或电荷极性发现火灾， 对无烟火和有机溶剂火灾较灵敏，对其他类型火灾灵敏度较低。 ( 5 ) 火焰探测技术：是一种对火焰发出的辐射进行探测的火灾探测器，当 响应波长低于4 0 0 n m 辐射磁通量时为紫外探测，波长高于7 0 0 r i m 辐射磁通量时 为红外探测，其响应速度快，可早期报警，但易受电焊弧、雷击、照明、太阳光 的干扰。 ( 6 ) 声音探测技术：科学家们研究发现，物体燃烧时的高温可加热周围空 气，使之膨胀而产生压力声音，形成可闻声、超声和超低频声波，其中人耳听不 见的0 0 5 - - - ，3 h z 的超低频范围的声波可作为燃烧声波的探测源使用，这种燃烧音 传播速度为音速，并且日常声音中不包含3 h z 以下的超低频范围的声音，因此 在这个频带进行探测可去除大多数噪声干扰，将燃烧音与背景噪音施行有效分 离。如w i l l i a mg r o s s h a n d l e re t a l 于1 9 9 3 年开始对火灾的声学特性进行研究，到 1 9 9 4 - - - 1 9 9 7 年日本已做出多次改进的燃烧音探测器的样机，但目前尚未有这方 面的应用案例。 综合分析以上各种探测技术可知火灾的情况是复杂的，发生火灾时所表现 出的物理特征是多方面的，上述探测技术都不可避免地存在着探测精度低、探测 速度慢、测温范围小、易受环境干扰等缺陷从而导致误报。特别是上述几种火灾 探测技术大都以电作为传输信号极不适用于对“电 极为敏感的场所，如：石油 化工企业的大型储油罐、地下电缆隧道、地下油库、高压变电站等恶劣环境场所 中。 2 武汉理工大学硕士学位论文 进入本世纪，随着光学技术的不断进步，涌现出了以光作为调制信号的火灾 探测报警技术，这里面尤以拉曼散射技术及光纤光栅传感技术最为引人注目。 ( 1 ) 喇曼散射测温原理是：基于喇曼散射的光纤温度传感器所检测的物理 量是微弱的后向喇曼散射光的光强。微弱的后向喇曼散射光的光强会随着检测光 缆周围温度的变化而变化，从而能测知光缆周围的温度值。它利用了拉曼散射产 生的反斯托克斯线与斯托克斯线的光强比值。由于斯托克斯线，特别是反斯托克 斯线的信号非常微弱，甚至完全淹没在噪声中，因而探测信号会受发光光源稳定 性、连接损耗、光缆缺陷、光缆位置的微小变动等因素的影响，从而影响检测结 果的可靠性和精确性；再则，基于喇曼散射的光纤温度传感器其探测系统需要采 用很复杂的信号处理手段，造成对信号的响应时间长，不能很好地满足实际工作 中对火灾进行预报的要求。 ( 2 ) 光纤光栅传感技术探测的是光束的中心波长，是一种波长检测的数字 式传感，而波长在光束的传输过程中不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和 探测器老化等因素的影响。研究表明，光纤b r a g g 波长对外界环境具有高度敏感 的特性，而且在相同的环境下，这个特征波长还具有高度的一致性，因此用它制 作的传感器也具有响应时间快、灵敏度高和测量精度高的特性，可实现实时监测。 1 3 光纤光栅传感器技术简介 光纤是2 0 世纪7 0 年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构 成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。由于光纤具有许多新的特性，所 以不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法，例如，把待测 量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器【4 j 。到1 9 7 8 年加拿大渥太华通信 研究中心的k o h i l l 5 j 等人采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。1 9 8 9 年，美国联合技术研究中心的g m e l t z 等人实现了光纤b r a g g 光栅( f b g ) 的u v 激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展，于是光纤光栅传 感器应运而生。 光纤光栅传感器，其传输信号是光信号而非传统的电信号，因此它是一种先 进的无电化传感器技术。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤 芯内锗离子相互作用引起的折射率的永久性变化) 在光纤的纤芯形成的空间相位 光栅【6 m 。光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对b r a g g 光栅中心波长的 调制来获取信息，是一种波长调制型光纤传感器。因此，可利用b r a g g 光栅波 长的漂移来感测外界负载、应变、温度、振动等变化量的微小改变，制成相应的 传感器件【剐，如图1 - 1 所示。 3 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 光纤光栅传感器的应用 光纤光栅传感器与传统电信号传感器及喇曼散射感温传感器相比在传输介 质、传感信号、调制参量、测量精度、总体性能等方面存在不同，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 光纤光栅传感器与传统传感器对比 传统电子式感温传喇曼散射感温传光纤光栅温度传 感器感器感器 调制参数电压、电流光强 相位、波长 传感信号电光光 传输介质电线光纤光纤 测量精度低 中i 哥 信号激励电源高性能激光光源普通s l e d 光源 系统稳定性超温即被破坏需经常维护稳定 易受电磁干扰 抗干扰能力强， 抗干扰能力强， 总体性能但分辨率低，器分辨率高，长期 长期稳定性差 件易老化稳定性好 光纤光栅传感器其总体性能上得到很大提高，具有以下优点【9 j ： 抗电磁干扰、电绝缘性好，本质安全：由于光纤光栅传感器是利用光波 获取和传递信息，而光纤又是电绝缘、本质安全的传输媒质，不怕电磁 干扰，也不影响外界的电磁场； 夺耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料石英具有极高的化学 稳定性，因此，光纤光栅传感器极适用于在较恶劣的环境中； 夺灵敏度高、响应速度快、动态范围大、测量精度高； 夺重量轻，体积小、耗电少、几何结构灵活，光路有可绕曲性，有利于狭 4 武汉理工大学硕士学位论文 窄空间的应用； 夺测量对象广泛，目前已有多种测量温度、压力、位移、速度、加速度、 液面、流量、振动、水声、电流、电压、磁场、电场、核辐射等各种物 理量、化学量、生物量等的光纤光栅传感器； 令具有传感器复用以及分布式测量功能，一根光纤的作用相当于很多离散 的常规传感器： 令成本低。有些光纤光栅传感器其成本将大大低于现有同类传感器；而有 些光纤光栅传感器由于其特殊性能，它和现有仪器结合，将使其大大增 值： 测量结果具有良好的重复性，且传输距离远( 传感器到解调端可达几公 里) 。 1 4 光纤光栅传感器技术国内外发展状况 正是由于光纤光栅传感器( f b g ) 具有以上所述的突出优点，它正逐步广泛用 于社会建设的各行各业，成为2 1 世纪乃至今后更长时期为世人广泛关注的“智 能结构 、“智能材料、“智能蒙皮 ( 3 m ) 技术中多点位、多参数、网络化测量 的理想传感方式。具体来说有以下两方面的发展： 1 4 1 国内研究现状 在国内，由于国家自然基金、8 6 3 计划等国家基金以及其他部委专项基金的 支持和资助，f b g 的传感的应用研究取得了丰硕成果。在传感理论研究方面， 以清华大学、吉林大学、中科院半导体所、上海光机所等为代表，对光纤的光敏 性、成栅机理、光波传输规律等问题进行了深入研究【1 0 】【1 1 】；在f b g 传感的关键 技术研究方面，南开大学、武汉理工大学、重庆大学、西安石油大学、深圳朗科 公司、北京品傲公司、上海紫珊公司等单位做了各有特色的工作。其中：哈尔滨 工业大学研制开发出针对结构表面监测的两种光纤光栅应变传感器和两种光纤 光栅温度传感器，分别申报了国家实用新型专利，并于2 0 0 3 年4 月将光纤光栅 系统应用于松花江斜拉桥，监测桥梁和索塔的温度场及其变化；武汉理工光科股 份有限公司生产的t g w - 1 0 0 b 型光纤光栅感温火灾探测系统在镇海炼油化工股 份有限公司大型储罐上得到了使用，进行油罐火灾安全检测，取得了非常好的效 果；清华大学、西安石油大学、中山大学等也开展了将光纤光栅用于压力、温度、 液位、电流等参量的传感应用研究，取得了不少阶段性成果。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 国外研究现状 国际上，美、英、加拿大等西方发达国家以及亚洲的日本、韩国利用其在光 通信领域的优势和巨大资金投入，处于光纤光栅传感领域研究的领先地位，主要 研究机构有：美国的海军实验室( n r l ) 、国家航空航天管理局( n a s a ) 的大实验室 ( l a r g e r r e s e a r e h l a b ) ，b l u e r o a d r e s e a r e h 公司、m i e r o n o p t i e s 公司等；英国的k e n t 大学、伦敦c i t y 大学、s m a r t f i b e r s 公司等；加拿大的p h o t o n i c s r e s e a r c h 公司以 及韩国的国家光子研究中心等。研究内容包含：利用光纤光栅传感器实现潜艇、 鱼群等水下物体的测量和定位( 即光纤光栅水听器) ；军民用火箭( 导弹) 、飞机等 航天器中新型复合材料组件结构完整性和应力、应变状况实时监测1 1 2 1 ；桥梁、 大坝、楼宇等民用工程中钢筋混凝土结构的长期健康监测；海啸、地震、山体滑 坡等地质灾害的预测；肿瘤热疗过程中的温度监控；新生儿呼吸率的监测；脑瘫 及腿缺陷病人的步态分析等。如：美国在波音7 7 7 上跟踪复合材料的温度、应力、 应变等物理量变化的实验中应用光纤光栅技术取得了显著成果；德国应用光纤光 栅温度、应力传感器系统监测空中客车a 3 4 0 6 0 0 飞行器结构受到的温度变化和 应力情况也取得了良好结果；美国航空及太空总署在航天飞机x 3 8 上安装了这 种光纤光栅传感系统对航天飞行器结构的应变和温度进行实时监测；欧洲的法 国、瑞士、比利时、葡萄牙正在联合研制用于矿井的光纤光栅传感器系统【1 3 1 。 由此可以看出，研究的热点已从军用转向民用，从单元器件的关键技术攻关 和小规模传感器组网试验转向多参量、大规模传感网络的工程化、实用化研究和 开发。据统计利用光纤光栅传感器可以测量的物理、化学和生物量包括温度、应 变、压力、液位、电流、电压、折射率、p h 值、呼吸率等7 0 多个。在上述被测 量中，已有许多单元及中、小规模光纤光栅传感系统从实验室阶段发展为商品， 其中尤以温度和应变传感最为成熟，光纤光栅传感技术正在成为光纤传感的生力 军。 1 5 课题的主要工作 本课题采用理论研究和实验分析相结合的研究方法，探讨了光纤光栅用于温 度测量的原理。文中采用了光纤光栅温度传感器进行感温式火灾探测，并对该光 纤光栅火灾探测系统的各个环节作了较详细的论述，论文所做的主要工作有： ( 1 ) 介绍了光纤光栅的突出优点和目前国内外光纤光栅传感技术的发展状 况。 ( 2 ) 研究了光纤光栅的基本光学特性，分析了光纤光栅传感技术的基本理 论。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 分析比较了几种国内外提出和进行研究过的光栅波长解调方法，在此 基础之上选用了电压驱动角度调谐法布里珀罗腔作为本课题研究的 解调系统的解调方案。 ( 4 ) 组建了光栅感温探测头温度特性试验的实验装置，通过实验分析了封 装后的光纤光栅的温敏特性。 ( 5 ) 结合实际应用研究并开发了配套的通讯程序及监控系统程序。 ( 6 ) 对本课题的研究工作进行了阶段性的总结，提出了未来工作的展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章光纤光栅传感理论 在当今信息化时代发展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理 的功能器件传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系 统中不可缺少的重要技术工具。获取各种信息的传感器无疑“掌握”着这些系统 的命脉。 传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制( 包括遥 感、遥测、遥控) 的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在 和发展的物质与技术基础。目前，从工业生产、海洋开发、灾情预报、环境监测、 宇宙探索到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民群众的日 常生活等等，几乎无一不与传感器和传感器技术紧密联系着。因此，可以毫不夸 张地说：没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。图2 1 展示了一 些国家对传感器的应用领域及需求量1 1 训。 _ 4 富 五2 卜 o 1 1 冈 一 【l 用l 信电交输机家汽飞船气海环资医防 息信通电器用车机舶象洋境源疗火 处电控系人电污 理话制统 器 染 图2 - 1 传感器的应用领域及需求量 2 2 光纤光栅及其传感原理 目前的传感器种类繁多、原理各异、检测对象更是五花k l - j ，给分类工作带 来一定困难，还没有一个公认的较为统一的分类方法，但传感器技术的发展却没 8 土木建筑 水产农林 机械能利用 热能利用光能利用 武汉理工大学硕士学位论文 有因此停步，正朝着集成化、智能化的方向前进。光( 导) 纤( 维) 的发明，将光纤 光栅应用与传感领域使传感器技术进入到一个崭新的阶段。 2 2 1 光纤光栅的光学特性 光纤b r a g g 光栅的基本光学特性主要由三个量来表征：( 1 ) 峰值反射率；( 2 ) 反射带的半宽度；( 3 ) 位相特性。这里主要讨论前两个特性。 导波模在光纤光栅中的传播和相互作用可以用耦合波理论来处理【1 5 1 。 假设一个均匀的正弦调制的光纤b r a g g 光栅如图2 2 所示： 图2 2 正弦调制光栅入射光示意图 其芯折射率曝光后的空间分布为： n ( z ) = 咒。+ 屯【1 + c o s ( 2 7 匕a ) 】 ( 2 - 1 ) 其中万一为未曝光纤芯处的折射率，瓯为光纤光栅折射率的调制深度，人为 光纤光栅折射率的空间调制周期，由写入光波长及倾角口决定： a b 2 s i n ( 0 2 )( 2 2 ) 光通过光纤光栅时，纤芯中具有两个光波模式，一个是入射波模式，另一个 是反射波模式。设入射光波模式的振幅为4 ，反射光波模式的振幅为4 ，两模 式的传播常数分别为屈和屏，则耦合波方程可以写成： 丢4 f = m e x p ( i 2 6 f l z ) ( 2 - 3 ) 老4 ；尼4 e x p ( 一i 2 t 5 f l z )( 2 ：4 ) 式中，k 为耦合系数。对于结构参数为y 的光纤，波导效率通常表示为： ，7 = 1 - 1 v 2( 2 - 5 ) 则耦合系数 k = 刀( 莉咒a ) 一( 1 一i v 2 ) ( 莉，l a ) ( 2 - 6 ) 而 r 巧p = ( 屈一屏一2 p a a ) 2 ( 2 7 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 p = 1 ，2 ，反映了前后向导波模之间的位相匹配程度。由于前后向导波模必须 满足位相频率匹配条件，即 屈= 一成一2 n r n a ( 刀酊为模的有效折射率) ( 2 - 8 ) 故： 6 pip i p 冗| 入q 焉_ 利用边界条件4 f 【0 ) 一1 ，4 ( l ) = o 解耦合波方程组，司以求得光纤光栅中正反 向导波模的振幅分别为： 4(z)=：j万i五五蕃兰薹声卢sinh【s(z一三)】+话c。sh【s(z一三)】(21。) 4 ( z ) = 二五万五五i k i _ e x 聂p 巧( j - i i f i f l ：z 5 ) 硐s i n h 【s ( z 一工) 】 ( 2 - 1 1 ) 式中，l 为光栅长度，s 2 一k 2 一筇2 。因此z i 寺, n 而口处( z = o ) 当七2 筇2 时入 射光的反射率为： 贴2s 秭希 p 1 力 当k 2 n 光纤光栅信号处理器 光纤光栅信号处理器 光纤光栅感温探测头 光纤光栅感温探测头 图4 1 系统结构示意图 数据采集层主要包括光纤光栅传感器、传输光缆和光纤光栅信号处理器 等构成数据采集前端。 监测层由监测计算机组成，主要完成对所有测点的实时数据采集、数据 转换及传送。 3 2 武汉理工大学硕士学位论文 管理层主要便于企业内部管理人员对所采集数据进行处理、实时数据显 示、报警操作、报表生成等功能，并能对保存的原始数据、历史数据和报警数据 进行分析。 4 3 通信接口的软件设计 本文采用r s 4 8 5 总线作为系统的通信总线，在此基础上设计开发了本系统 的通信子程序。 4 3 1r s 4 8 5 总线简介 在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统当中，经常需要使用串行 通信来实现数据交换。目前，有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 几种接口标准用于串 行通信。r s 2 3 2 是最早的串行接口标准，在短距离，较低波特率串行通信当中 得到了广泛应用。其后针对r s 2 3 2 接口标准的通信距离短，波特率比较低的状 况，又提出了r s 4 2 2 接口标准和r s 4 8 5 接口标准。与一r s 2 3 2 接口标准相比 r s 4 8 5 接口标准具有以下优点【3 5 】： r s 4 8 5 的电气特性：逻辑“1 ”以两线间的电压差为+ ( 2 - 6 ) v 表示；逻辑 “0 ”以两线间的电压差为( 2 - _ 6 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 c 降低 了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与 订l 电路连接。 r s 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s r s 4 8 5 接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强， ，即抗噪声干扰性好。 r s 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米， 另外r s 2 3 2 c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力。而 r s 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。即具有多站能力， 这样用户可以利用单一的r s 4 8 5 接口方便地建立起设备网络。 r s 4 8 5 作为一种多点、差分数据传输的电气规范现己成为业界应用最为广 泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双 向通信、它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标 准无法比拟的。正因为此，许多不同领域都采用r s 4 8 5 作为数据传输链路。 r s 4 8 5 有关的电气参数见表4 1 所示： 3 3 武汉理工大学硕士学位论文 表4 1r s 4 8 5 电气参数 规定 r s 2 3 2r s 4 2 2 r s 一4 8 5 工作方式 单端差分差分 节点数1 收、1 发1 收、1 0 发1 收、3 2 发 最大传输电缆长度1 5 米1 2 0 0 米1 2 0 0 米 最大传输速率 2 0 k b s 1 0 m b s l o m b s 最大驱动输出电压 + 2 5 v0 2 5 v - - + 6 v7 v + 1 2 v 驱动器输出信号电平( 负载最小+ | - 甜+ | 钳 + 一2 o v“一1 5 v 值) 驱动器输出信号电平( 负载最大 + - 2 5 v七t 一斟+ 一6 v 值) 驱动器负载阻抗( q ) 3 k 7 k1 0 05 4 摆率( 最大值)3 0 v usn f a 。n | 入 接收器输入电压范围+ 1 5 v1 0 v + 1 0 v7 v + 1 2 v 接收器输入门限 + 3 v+ 。2 0 0 m v + 一2 0 0 m v 接收器输入电阻 3 k 7 k4 k ( 最小)1 2 k 4 3 2 软件设计 通信子程序设计采用的是m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 开发软件。它是开发 应用程序的可视化的开发工具，使用了面向对象的开发技术，又被称为是一种应 用程序快速开发工具( g h or a p i da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ) 。它采用 p m e ( p r o p e r t i s e sm e t h o de v e n t ) 结构。编写程序过程就像在搭积木，拼凑一个个 现成的组件( c o m p o n e n t ) ：设定好每个组件的属性，指定它们响应外来的刺激事 件( e v e n t s ) ，并决定它们面向事件之外的方法( m e t h o d s ) ，所有操作都可以以拖拉 组件、设计数值完成。 在本系统的温度巡检网络中，通信子程序通过计算机的串l 口( c o m ) 并通过一 个r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器：( a d a m 4 5 2 0 ) 与信号处理器“串接 在一起。每一台计 算机都有一个或者多个串口，它们依次被命名为c o m1 ，c o m 2 ，c o m3 等。 串口为计算机与外部串行设备之间的数据传输提供了通道。它的本质功能是作为 c p u 和串行设备间的编码转换器。当c p u 要经串口发送数据时，字节的数据被 转换为串行的位；反之，在从串口接收数据时，串行的位则被转换为字节。在数 据通信运行过程中，采用4 8 5 全双工方式，计算机是主机，发送查询指令，借助 于v b 开发环境中的m s c o m m 控件，通过设定其属性，完成计算机串口收发器 的设置工作。通讯参数如下： 武汉理工大学硕士学位论文 波特率：9 6 0 0 ；启始位：1 ；数据位：8 ；奇偶效验位：无；停止位：1 进行温度巡检时，计算机按序发出信号处理器i d 值，经过转换，m s c o m m 控件发出一个值为该i d 的字符，信号处理器的接收与发送通过中断服务程序完 成。计算机将收到对应于该d 的信号处理器发出的一个字符串，字符串的启始 符和终止符保证了一帧字符串的完整性，为了保证通讯数据的正常，每当信号处 理器向计算机发送数据时，一次同时发送两帧数据。数据格式如表4 2 所示： 表4 2 信号处理器传输的数据结构 起始符信号处理器i d分隔符信号处理器状态 gx x x x xxx x x x x 分隔符1 区温度分隔符2 区温度 xx x x x xxx x x x x 分隔符3 区温度分隔符4 区温度 xx x x x xxx x x x x 结束符 h 光纤光栅火灾探测信号处理器连续发送两帧数据，上位机在收到这个字符串 后，将对一帧数据的完整性进行甄别，字符串处理子程序框图如图4 3 所示： 图4 3 字符串处理子程序框图 信号处理器采用一次发送两帧数据的方法大大提高了计算机进行温度巡检 时读取数据的成功率，实际应用中数据通信成功率在9 9 9 0 以上。 图4 2 为该通信子程序的控制框图： 3 5 武汉理工大学硕士学位论文 图4 2 通信子程序的控制框图 武汉理工大学硕士学位论文 通讯中断服务子程序主要代码如下： 在声明中定义变量 d i mc o m d a t u sa sv a r i a n t d i ma d d r e s s ( 0 ) a sb y t e 在f o r m _ l o a d o q b ，对各个控件主要参数进行初始化，其余的参数采用默认值。 p r i v a t es u bf o r m _ l o a d 0 m s c o r o r n l c o m m p o r t = 3 设置通讯串口号 m s c o m r n l i n b u f f e r s i z e = 1 0 2 4 设置输入输出缓存 m s c o n u n l 0 u t b u f f e r s i z e = 5 1 2 m s c o n u n l s e t t i n g s = ”9 6 0 0 ，n ，8 ，1 ”以字符串的形式设置波特率、奇偶校验、 数据位、停止位 m s c o m m l r t h r e s h o l d = 0 不产生o n c o m m 事件 m s c o m m l i n p u t m o d e = c o m l n p u t m o d e b i n a r y 数据通过i n p u t 属性以二进制形 式取卧 m s c o m m l i n p u t l e n = 0 使用h i p u t 将使m s c o m m l 控件读取接收缓冲区中全部 的内容 m s c o m m l p o r t o p e n = t r u e 打开串口 t i m e r l i n t e r v a l = 2 0 0 设置采样周期 t i m e r 2 i n t e r v a l = 2 0 0 t i m e r l e n a b l e d = t r u e 使t i m e r l 控件有效 e n d s u b 经历了t i m e r l 控件的时间后，v i s u a i b a s i c 将生成t i m e r l 事件，t i m e r l 控件可以 有规律的隔一段时间执行一次代码，在例中，执行的是通过串口发送地址的代码。 p r i v a t e s u b t i m e r l _ t i m e r 0 发送地址栈号，每台光纤液位计都有一个仪表号和地址栈号。 基中地址栈号= 仪表号+ l o o ( 十进制) i fa d d r e s s ( 0 )