（仪器科学与技术专业论文）光纤法珀应变传感多点测量技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 i 摘要 大型桥梁在国家交通、军事和社会生活中具有举足轻重的地位。对桥梁结构 实施健康监测，是保障其安全运行的重要手段。应变反映了结构受力与破坏状况 情况，是桥梁健康监测中的最重要的状态参数之一，由于大型桥梁体积巨大、结 构复杂，监测系统要比较全面地反映桥梁整体受力状态，往往需要在几十甚至上 百个关键部位进行应变监测。 光纤法珀应变传感器具有结构简单、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、温度 影响小、长期稳定性好等特点，非常适合于大型桥梁长期监测中使用。但由于原 理的限制，光纤法珀传感器的复用性能差，成为其在桥梁监测应用中的瓶颈。 当前光纤法珀应变多点测量的方法主要有传感器复用和使用光开关进行通道 切换。传感器复用研究仍停留在两个传感器简单的串联或者并联，复用数量低； 通道切换方法则每增加一个通道都会增加测量成本。 本文分析光纤法珀应变传感的基本原理和多种调制解调方法，选择相位调制 和离散腔长变换为调制解调方案。比较了多种复用方法，空分复用方法能够在不 改动测量设备、增加成本的情况下实现传感器的复用测量。提出了光纤法珀传感 器串并联混合连接的空分复用结构，分析了该复用结构的输出信号特征，进行了 仿真解调。最后完成四传感器串并联混合复用实验，验证了方案可行性。 采用光路切换方法，根据桥梁监测对测点数量和仪器稳定性的要求，对多通 道应变测量仪硬件和测量软件进行了设计。该测量系统除能够单独完成应变监测 外，还具备二次开发能力，供其它应用软件调用完成测量。测量软件在长期监测 中能够判断光谱质量并自动调整测量参数，提高监测的稳定性。制作了拥有 24 通 道的多通道光纤法珀应变测量仪样机，进行了多通道巡检测量实验。 结合多通道测量仪和串并联混合复用技术，使测量仪的多点测量能力进一步 得到提高，降低整体测量成本。 关键字：光纤法珀传感器，复用，多点测量，应变测量仪，桥梁健康监测 重庆大学硕士学位论文英文摘要 ii abstract large bridge plays an important role in traffic, military and daily life. health monitoring for large bridge is an important means to insure it run safely. strain, which reflects the stress and damage condition of the structure, is the most important parameter in bridge monitoring. for the huge body and complicated structure, it always needs dozens of strain sensors fixed on key positions to reflect the state of bridge completely. compared with traditional electric resistance strain gauge and fiber grating sensor, fiber fabry- perot strain sensor has the advantages of simple structure, corrosion resistance, anti electromagnetic interference, low sensitivity towards temperature, excellent long- time stability, and very suitable to use in bridge monitoring. for the principle of the fiber fabry- perot sensor, the application is limited because of the bad multiplexing ability. at present, methods for multi- points measurement of fiber fabry- perot sensor are always sensor multiplexing and changing measure channel using optical switch. the research on sensor multiplexing still remains in the tow sensors series or parallel connection. the multiplexing ability is limited. using switching channel method, the cost will be increased with the channel number. to measure more fiber fabry- perot strain sensors with less cost, research below is carried out. 1. the basic principle and modulation demodulation method of fiber fabry- perot sensor is analyzed. discrete gap transform method is chosen for demodulation. 2. different technologies of sensor multiplexing are studied. using space division multiplex, multi strain sensors can be measured without any other additional device. series and parallel mixed multiplexing structure is proposed. the characteristic of the output signal is analyzed. the experimentation of four sensors mixed multiplexing is set up, and the result shows that mixed multiplexing is feasible. 3. base on the requirement of the number of measure points and the stability in bridge strain monitoring, the hardware system and measuring software of multi- channel stain measuring apparatus for fiber fabry- perot sensors are designed. this system is able to monitor strain state independently, and measuring software can be called by other application software to measure strain. in long term monitoring, measuring 重庆大学硕士学位论文英文摘要 iii software is able to judge the quality l of the spectrum signal, and adjust the measurement parameter to insure the system work properly. prototype instrument with 24 channels is made, and the multi- channel measure experiment based on the instrument is carried out. 4. with the technology of series parallel mixed multiplexing, the measuring ability for multi- points of the measuring apparatus is improved greatly, and the measure cost of the whole system is decreased. keywords: fiber fabry- perote sensor, multiplexing, multi- point measurement, strain gauge, health monitoring for bridge 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 绪论 1.1 多点应变测量在大型桥梁健康监测中的重要性 大型桥梁造价动辄几亿甚至几十亿元，在国家交通、军事和社会生活等方面 有着重要的战略意义。在其建设和运营过程中的多种因素会影响桥梁的正常使用 甚至危害其寿命。对桥梁实施健康监测是保证桥梁安全运营的重要手段，已经成 为该工程领域的前沿研究方向。 “健康监测”指对建筑结构及其工作环境进行实时监测,并利用监测得到的信 息分析结构的健康状况、评价其承受静、动态荷载的能力和结构的安全可靠性， 为运营及管理决策提供依据1。 桥梁健康监测是一个多参数的监测， 往往包括应变、 挠度、温度、湿度、震动、位移等状态参数。 在各种反映桥梁状态的参数中，应力是反映结构受力与破坏状况的关键指标， 而应变与应力又有对应关系，是反应结构受力状态最直接的参量。因此，应变是 结构健康监测中的最主要的参数之一。大型桥梁，特别是大型混凝土结构公路桥 梁， 其负载的 90以上来自桥梁自重， 而只有不到 10的负载由过往车辆引起的。 这使得大型桥梁结构的应变主要是由桥梁自重引起的静态应变，车辆活载引起的 动态应变相对较小。因此，在混凝土结构的大型桥梁的应变监测中，我们更关心 的是桥梁的静态应变。 从理论上讲, 结构健康监测系统使用的传感器越多,结构特性的描述就越准 确。大型桥梁体积巨大、结构非常复杂，图 1.1 给出了正在修建的重庆菜园坝长 江大桥桥梁整体效果图和桥梁钢桁梁截面结构图。因此，要比较全面地反映桥梁 整体结构的受力状态，健康监测系统往往需要在桥梁多个关键部位进行应变监测。 表 1.1 列出了部分大型桥梁健康监测系统中应变测点的数量2,3,4。可以看出，一座 大型桥梁健康监测系统的应变测点往往有好几十甚至成百个，这要求应变监测系 统要有良好的多点测量能力。否则，给每个测点配套一个测量设备，系统复杂程 度将大大增加，监测成本也将随之增大。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 (a) simulated picture (b)structure of steel truss 图 1.1 重庆菜园坝长江大桥 fig1.1 caiyuanba yangtse river bridge at chongqing china 表 1.1 部分桥梁监测系统应变测点数量 table1.1 number of strain measuring points in some bridge monitoring 桥梁应变测点数量 加拿大魁北克 portneuf bridge24 香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥110 江苏江阴长江大桥64 广东虎门大桥24 重庆马桑溪长江大桥40 重庆高家花园嘉陵江大桥24 重庆大佛寺长江大桥40 重庆大学硕士学位论文1 绪论 3 图 1.2 美国佛罗里达的 sunshine skyway bridge fig1.2 sunshine skyway bridge at florida usa 图 1.3 香港青马大桥 fig1.3 tsing ma bridge at hong kong, china 图 1.4重庆马桑溪长江大桥 fig1.4masangxi yangtse river bridge at chongqing china 重庆大学硕士学位论文1 绪论 4 1.2 常用应变测量方法 应变测量方法根据使用传感器类型不同可以分为电类测量方法和光纤类测量 方法。电阻应变片测量法是典型常用的电类测量方法；光纤类应变测量方法中， 常用的有光纤法珀传感器应变测量方法和光纤光栅传感器应变测量方法。 1.2.1 电类应变测量方法 电阻应变片是一种电阻式的敏感元件5。电阻片一般由基底、敏感栅、覆盖层 和引线四部分组成。在测量应变时，要用粘贴剂把电阻片牢牢地贴在试件的测量 部位，以保证电阻片的应变与被测试件的应变相等。当试件受到外力作用时，测 点处的变形通过粘贴剂和电阻应变片的基底传递给电阻片的敏感栅。于是敏感栅 也随试件测点同时变形，从而引起电阻的变化。电阻变化率的大小与电阻片下被 覆盖的试件处的平均应变成正比。通过测量电阻的变化来测量出传感器粘贴部位 结构的应变值。 wire grid foundation bed spot weld leading wire strain direction r3r4 r2 u r1 u0 (a) structure of resistance strain gauge(b) translation circuit 图 1.4 电阻应变片结构 fig 1.4 structure of resistance strain gauge 在一定测量范围内，应变片的电阻变化率 r/ r 与应变 成正比： k r r （1.1） k 为应变片的灵敏系数。 对电阻应变片电阻变化的测量往往是通过电桥来完成，电桥结构如图 1.4- b。 当电桥平衡时， 31 24 rr rr （1.2） 此时，电桥输出电压0u 。在电桥结构中，只有 r1为应变片时电桥称为单臂电桥， r1、r2为应变片时称为半桥电路，r1、r2、r3、r4全为应变片称为全桥电路。全 桥的测量灵敏度最高，此时 重庆大学硕士学位论文1 绪论 5 011 /uurr（1.3） 电阻应变片具有技术成熟、结构简单、安装方便、价格便宜等特点而被广泛 应用在应变测量中。但由于其原理限制，容易受到引线连接质量及长度、环境温 度及电磁场变化等的干扰，产生温漂、时漂6，长期稳定性很差，因而更多的用于 短期应变测量。在大型桥梁的野外长期应变监测中，电阻应变片根本无法胜任。 1.2.2 光纤类应变测量方法 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光通讯技术的发展而逐步形成的，是 20 世 纪 70 年代末发展起来的一门崭新的技术7。光纤传感器是通过被测量对光纤内传 输的光进行调制，使传输光的强度（振幅） 、相位、频率或偏振态等特性发生变化， 再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出被测量的一种新型传感器。与传 统的电类传感器相比，光纤传感器有具有结构简单、体积小、重量轻、反应快、 灵敏度高、不导电、耐腐蚀、耐潮、抗电磁干扰、防爆，以及集传感与传输于一 体易于进行组网测量等独特优点8,9。 迄今为止，已发明的光纤应变传感器达数十种之多，而在实际结构应变监测 中，应用最为普遍的两种分别是光纤光栅(fiber grating)传感器、光纤法珀 （fabry- perot, f- p）传感器。 光纤光栅传感器应变测量方法 光纤光栅传感器是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，将呈空间周期性的强紫外 激光照射掺杂光纤、从而使掺杂光纤的纤芯形成折射率沿轴向周期性分布，得到 一种芯内位相光栅，即光纤光栅，依据解调信号的不同又可分为光纤布拉格光栅 (fiber brag grating, fbg) 10和光纤长周期光栅（long period grating, lpg）11， 两者根本的不同在于 fbg 解调光纤光栅的反射信号而 lpg 解调光纤光栅的透射信 号。根据布拉格衍射原理，当多种波长的光束由光纤内入射到 fbg 上时，只有某 一个波长的光被 fbg 反射并沿原路返回， 其余所有波长的光都无损失地穿过 fbg 继续往前传输（如图 1.5-a 所示） 。被 fbg 反射的那一个波长称为布拉格波长b， 它由 fbg 的栅距及有效折射率 eff n决定： effb n2(1.4) 重庆大学硕士学位论文1 绪论 6 bbs wavelength detect 1 fbg m21 , m2, 1 1 2 3 m m fbg 3 fbg 2 fbg (a)schematic of fiber grating (b)system of fbg bbs wavelength detect 1 lpg 1 2 3 m m lpg 3 lpg 2 lpg (c)system of lpg 图 1.5 光纤光栅测量系统 fig 1.5 measure system of fiber grating 当结构应变使 fbg 的栅距或有效折射率 eff n产生变化时，被 fbg 反射的布 拉格波长b亦产生相应变化；如果将 fbg 固定于结构中时，结构应变的变化会引 起 fbg 的布拉格波长变化，因此可以通过探测 fbg 的反射波长得出结构的应变 12： )1 ( eb b p (1.5) 其中 e p 为有效弹光系数。 当将多个不同波长的 fbg 串联在同一光纤上时13，各个 fbg 只反射它自己 特定波长的光波，彼此之间互不干涉(如图 1.5-b)，因此可以方便地用一个波长检 测系统同时检测多个 fbg 反射的布拉格波长的变化，从而完成光纤光栅传感器的 多传感器复用，实现结构应变参量的准分布测量。光纤长周期光栅的复用与此类 似,只是探测器检测到的不是某个波长段的波峰而是波谷。光纤光栅传感器具有复 用性能好的优点。 但由于光纤光栅传感器的测量是通过对波长的直接测量得到的，波长测量精 度直接对应着应变测量精度。要提高应变测量精度，必须提高光谱测量仪的光谱 分辨率。光纤光栅应变传感器的波长对应应变的关系约为 1 /pm，这要求光谱测 量精度达到皮米级别。这么高精度的光谱测量仪价格昂贵，稳定性相对低精度的 也要差一些。此外，光纤光栅应变传感器受温度影响较大，其热膨胀系数达到 10 /，在应变测量时需要进行温度补偿。目前，光纤光栅应变传感器的测量分 重庆大学硕士学位论文1 绪论 7 辨力约为 1 ，测量精度为 3 。这样的分辨力还无法达到钢筋混凝土结构大型 公路桥梁的静态应变监测要求。虽然光纤光栅传感器具有良好的动态测量能力， 但对于钢筋混凝土结构大型公路桥梁非常微弱的动态应变，它在分辨力的要求上 无法达到测量要求。 光纤法珀传感器应变测量方法 （a）schematic of fabry- perot sensor light source detector ffpis matching liquid coupler （b）system of fabry- perot sensor 图 1.6 光纤法珀传感器测量系统 fig1.6 measure system of fiber fabry- perot sensor 光纤法珀传感器(fiber fabry- perot interferometer sensor, ffpis)是在光纤中人 为制造出两个反射面形成一个反射腔，称为光纤法珀腔14，其结构如图 1.6- a。光 束通过光纤入射到腔内时，会在两个端面分别反射形成多光束干涉，也称为法珀 干涉。当两个反射面的反射率 r 很小时，这种干涉可以近似为双光束干涉15。若 入射光谱为 ii( )，波长为 ，传感器腔长为 l，光纤的等效折射率为 n，则该珐珀腔 的反射输出光谱ir( )可以表示为： 4 ( )2 (1 cos() ( ) ri irnl i (1.6) 由式 1.4 可看出，当输入光谱 ii( )一定时，法珀传感器的腔长 l 是波长、反 射输出光谱 ir( )以及法珀腔介质折射率 n 的函数，即 l=f(ir,n)。光纤传感器与结 构固定时，结构应变变化使得光纤法珀传感器的腔长 l 同步变化。若入射光为单一 波长的激光时，腔长变化将引起输出光强的改变；而当入射光为宽带光时，腔长 变化将改变输出的光谱分布；通过测量上述变化，可以测得腔长变化量 l，并根 据传感器的敏感长度 a，进而可以求出结构的应变： 111000 (,)(,) rr f inf inl aa (1.7) 光纤法珀应变传感器除具备一般光纤传感器的优点外，还具测量灵敏度高的 特点。光纤法珀应变传感器对光谱测量精度的要求比光纤光栅低得多，只要求亚 纳米级的光谱分辨力就能够达到 0.1 的应变测量分辨力。 当前光纤法珀应变传感 input/ouput fabry- perot gap 重庆大学硕士学位论文1 绪论 8 器的测量分辨力达到了 0.1 ，测量精度 1 ，能够满足混凝土结构大型公路桥梁 静态应变的监测要求，同时还能够对桥梁的动态应变进行准动态监测。 此外，光纤法珀应变传感器还具温度影响不明显的特点。石英光纤法珀应变 传感器的热膨胀系数只有 0.5 /，在温度变化不大的场合，可以不用进行温度 补偿。 综上所述，在各种常用应变传感器中，法珀应变传感器具有测量精度高、长 期稳定性好的优点，是大型桥梁长期应变监测的理想选择。然而，法珀应变传感 器由于其原理的限制，复用相当困难。在大型桥梁的多点应变监测中，给每个测 点配一套解调仪，不但增加监测系统的复杂程度，还将大大增加监测成本。寻求 一种低成本的多点测量方法，成为光纤法珀应变传感器在大型结构健康监测中得 到广泛应用的关键。 1.3 光纤法珀应变传感及多点测量技术的研究现状 1.3.1 国外光纤法珀应变传感及多点测量技术的研究现状 国外用于结构应变监测光纤法珀应变传感技术的基础研究始于 1983 年。1995 年以后，美国、英国、德国、加拿大、韩国等国家逐渐开始把这一技术推向应用。 国外从事光纤法珀应变传感研究的机构主要有： 美国的佛蒙特大学、海军实验研究中心、维吉尼亚理工学院、加里佛尼亚州 立大学、光纤传感公司（fi 107 switching frequencies, random s- 1100 表 4.4 eol 系列光开关电气特性 table4.4 electrical characteristics of eol series switch parameterunittest conditions / comments operating voltage5v typ. switching current 60 120 400 mamin. matyp. mamax. switching frequency = 0hz switching frequency = 50hz 4.2.3 光谱测量器件选择 光谱测量是实现传感器法珀腔长解调的基础，光谱扫描的质量直接关系到应 变测量的精度。光谱测量器件的主要性能特征有：光谱分辨力、光谱测量范围、 光谱响应特性、动态范围等。要实现高精度的应变解调，要求光谱测量仪具有较 高的光谱分辨力；另外，由于传感器反射光谱较弱，还要求光谱测量仪有很好的 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 38 灵敏度。由于光谱测量仪是应用在多通道应变测量仪中，要求它还要具有体积小、 功耗低及方便的数据接口。综合考虑，选择微型光纤光谱仪作为本系统的光谱测 量器件，其结构如图 4.8 所示。 图 4.8 微型光纤光谱扫描仪结构 fig4.8 structure of spectrometer 图 4.9 光谱仪探测器灵敏度 fig4.9 detector sensitivity of spectrometer 图 4.8 中微型光纤光谱扫描仪结构中内部个各器件为： (1) sma 905 连接器，(2) 狭缝（起入射孔径作用） ，(3) 吸收过滤（可选） ， (4) 准直反射镜， (5) 光栅， (6) 聚焦反射镜， (7) 探测器聚光透镜， (8) oflv 滤 波器 (可选)，(9) 紫外增强(可选)，(10) ccd 探测器。 该微型光纤光谱仪的光谱测量范围可达 200nm-1100nm，通过配置光栅和入射 孔径，可以实现 0.3nm 光谱分辨力的高精度光谱测量。它还具有高灵敏度、体积 小和价格低等特点。同时，该光谱仪还具有 usb 即插即用快速连接、低功耗的特 点，非常适合在本系统中作为光谱测量器件使用。 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 39 表4.5 微型光纤光谱仪参数 table4.5 specifications of fiber spectrometer 探测器2048像素的线型硅ccd 阵列 ad采样12位adc 信噪比250:1 (at full signal) 信噪比2.5 rms counts 线性校正99.8% 光学分辨率0.310.0 nm fwhm（与光栅和狭缝宽度的选择有关） 动态范围2x108（系统），2000:1（单个扫描信号） 灵敏度206光子/计数800nm 积分时间3ms65s 光纤连接sma905接口，与0.22na的单股光纤相连 数据传输速率每13ms 一个全扫描入存储器（usb接口） 功率消耗90ma5vdc 根据 sld 光源中心波长约为 820nm，光谱带宽 20nm 的输出光谱特性，选择 6# 光栅，使光谱仪的拥有 743nm-1102nm 的光谱测量范围和约为 0.35nm 的光谱分辨 力。 4.2.4 接口扩展设计 在桥梁监测现场的恶劣野外环境中，测量仪与外部其它设备过多的活动连接 将是长期工作稳定性的重大隐患。在本测量系统中，存在多个需要与计算机进行 数据连接的模块，若每个模块都单独使用一根连接与计算机进行通信，则测量仪 的稳定性将大大降低，而且大大增加测量仪的使用复杂程度。通过接口扩展，使 计算机与测量仪间连接减少到最少，能够提高其使用的便捷性和工作稳定性。根 据前面的设计，整个应变测量仪中的光谱测量仪为 usb 设备，光开关模块则拥有 rs232、并行接口和 i2c 接口。 usb 是当前最流行的计算机与外围设备的数据连接方式， 它使用广泛， 当前的 计算机都拥有 usb 接口。 通用串行总线 （universal serial bus， usb） 是由 intel、 microsoft 等厂商制定的连接计算机与具有 usb 接口的多种外设之间通信的串行 总线，所有的 usb 设备使用工业标准的矩形连接器和插头组合。usb 连接具有传 输速度快（usb2.0 high speed 的理论速度达到了 480mbps） 、即插即用和热拔插 的优点及连接设备方便快捷的优点。 usb 接口扩展性能优秀，usb 总线最多可支持 127 个 usb 外围设备连接到计算 机系统。usb 的拓扑是树形结构，有 1 个 usb 根集线器（root hub） ，下面还可有 若干集线器，1 个集线器下面可接若干 usb 接口，usb 总线扩展如图 4.10 所示。 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 40 hub transponder hub controller port 0(root port) port 1port 2port 3port n- 1 port n down port . host computer root hub devicedevice hub device device hub device device device equipment complex (a) structure of usb hub(b) topological structure of usb 图 4.10 通用串行总线扩展 fig4.10 expansion structure of usb usb 集线器按其传输转译器（transaction translator, tt）数量分为单传输 转译器（singlett）型和多传输转译器（multi-tt）型，结构如图 4.11 所示。 tt 组件负责将每一台下行设备的讯号安插在上行数据流之中，它无法同时处理好 几台装置。当同时连接数台 usb 1.1 装置时，singlett 结构的 usb 集线器便会 因此而产生传输瓶颈，从而导致整个 usb 外设性能下降，甚至不能正常工作。而 multi-tt结构的usb集线器能轻松解决多个usb1.1外设连接时的兼容性问题和传 输瓶颈问题。 （a）singlett （b）multitt 图 4.11 usb 集线器工作原理图 fig4.11 usb hub operating principle 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 41 光开关模块的 rs232 与 usb 同为串行接口，两者的转换相当方便。因此，我 们选择 usb 作为统一的连接接口。 目前市场上已经有成熟的 usb 集线器产品和 usb 转 rs232 接口产品销售，使用它们接口扩展，便能实现计算机与 1 个微型光纤光 谱仪和多个光开关模块使用一条 usb 连接完成所有数据交换，整体扩展结构如图 4.12 所示。 usb hub usb/ rs232 optical switch optical switch . usb wire usb wire usb wire rs232 wire rs232 wire computer spectrometer 图 4.12 测量仪接口扩展 fig4.12 interface expansion in instrument 根据系统的稳定性和速度等方面的性能要求，我们选择了贝尔金的 f5u234zh usb 集线器作为 usb 接口扩展器件。 图 4.13 f5u234zh usb 集线器 fig4.13 f5u234zh usb hub 该集线器具有以下特点： 通过 usb-if 认证； 内建过流保护功能，确保不会因为另一端的设备的冲击电流通过集线器窜 入而烧毁其它设备； 采用外部电源供电（+5v dc） ，确保每个 usb 端口都能有稳定电流供应； 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 42 采用晶体晶振，传输带宽频率更加稳定； 采用了 multi-tt 扩展了 4 个高速 480mbps 端口，实现对 usb1.1 的兼容， 在连接多个 usb 外设时性能更稳定。 选用 jetcon 220x 系列 rs-232 转 usb 信号转换器，完成一个 usb 接口到多个 rs232 串行接口的扩展转换。jetcon 220x 系列全面兼容 usb 1.1、1.0、 2.0，通 过 fcc class b, ce class b emi 电磁兼容测试，拥有 16kv esd 串口保护。 图 4.14 jetcon 2204 实物图 fig4.14 picture of jetcon 2204 表 4.6 jetcon 220x 系列主要性能参数 table4.6 specification of jetcon 220x series 波特率75 bps 至 115.2 kbps 数据位5, 6, 7, 8 校验odd, even, none 停止位1, 1.5, 2 流控xon/xoff, rts/cts fifo512 bytes 电源供应总线供电：5 vdc 外部供电：5 vdc 耗电量总线耗电：250maat 5 vdc 外部耗电：250maat 5 vdc 在连接计算机并安装驱动程序后，对 jetcon 220x 设备上串口进行操作跟操 作计算机上的串口一致。 4.2.5 电源选择 电源是测量硬件系统工作的能量基础。在恶劣的现场工作中，电源的工作稳 定性成为了其选择的最关键指标。由前面的 sld 光源、光开关、usb hub、rs-232 转 usb 信号转换器的电源要求，选择测量仪总的电源转换器。本系统中各耗电模 块的供电要求如表 4.7。 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 43 表 4.7 各模块功耗 table4.7 power consumption of each module 模块功耗 光开关400ma(max.)5vdc 光谱仪90ma5vdc usb hub80ma5vdc jetcon 220x250ma5vdc sld 驱动器2a9vdc 朝阳电源是国内最大的专业电源生产基地，其集成一体化电源具有效率高、 品质好、可靠性高的特点。我们选择了具有过流保护、过热保护、过压保护、短 路保护的 4nic-k28 开关一体化电源。在本测量仪中，一般不会超过 10 个光开关 模块，考虑一定的富余度，增加工作稳定性，选择的 4nic-k28 型号开关电源的主 要参数如下： 电源输入ac220v10%50hz 单相 输出电压 1dc5v，精度1%，负载 5a； 输出电压 2dc9v，精度1%，负载 5a； 电压调整率0.5% 电流调整率1% 纹波有效值0.1% 纹波峰峰值1% 工作温度-25 +50 4.3 软件设计 根据总体设计，本多通道应变测量系统的应变解调、测量管理、数据存储和 显示等功能由安装在计算机上的测量软件完成。由于应变解调使用的是复杂的离 散腔长变换（dgt）方法，这要求测量软件除具有良好的数据管理能力及方便的操 作界面外，还应具备高效的算法处理能力。 c+ builder 是 borland 公司开发的 32 位 windows 环境下的快速开发工具 （rad） ，它基于最流行的面向对象的程序设计（oop）语言 c+，采用先进的数据 库技术，并结合使用了图形用户界面（gui）的先进特性和设计思想。它把完全的 可视化与真正的的面向对象和 c+高效率、 高性能完美地结合起来， 在大大地简化 了开发过程的同时， 并没有降低代码的效率53。 相比microsoft公司的visual c+， c+ builder 保留了 c+的高效性，又具有图形界面设计、数据库开发等方面的方 便快捷的优势；而相比 visual basic、delphi 等具备图形界面设计的开发工具， 它又具有 c+语言的在算法设计方面的高效性优势。综合比较，我们选择 c+ builder6 作为测量软件的设计开发工具。 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 44 4.3.1 测量管理模块设计 测量管理现实测量软件各种数据的管理和维护功能，包括系统配置、测量结 果的存储和显示及在测量中自动进行参数调整。 一、系统配置 通过配置系统，能使测量软件具备一定的通用性和灵活性，只需更改相关配 置参数，就能满足不同的测量要求，而不用每次修改测量要求时都用修改软件程 序。 本测量软件中的系统配置的主要参数有： 系统初始化配置。配置系统的硬件信息，使测量软件能适应不同通道数量 的测量仪。配置参数包括设置光开关数量、光开关地址及对应测量仪通道号与其 实际物理通信通道号对应。 测量相关参数配置，设定测量软件的测量模式和实际工作测量通道。 传感器参数配置，设定工作传感器的初始腔长、敏感长度及光谱测量的积 分时间等相关参数。 所有的这些配置信息将保存在测量软件的配置文件 config.ini 中。ini 文件 是早期 windows 3.x 系统下对系统软件和硬件进行配置的文件，在系统配置及应 用程序参数保存与设置方面， 具有很重要的作用。 ini 文件是一种分为若干段的文 本文件；每一段都包含若干了“关键字-值”对，应用程序的参数信息保存在相应 的关键字键值中， ini 文件的每个条目都可以通过它所在的段和关键字名来识别出 来。这方便将配置信息分类存储于各段中。ini 文件格式如下： section1 key1 = value1 key2 = value2 section2 key1 = value1 key2 = value2 c+ builder 提供了一个 tinifile 类，使我们可以非常灵活的处理 ini 文件。 我们只需要使用该类的成员函数便能非常方便地对ini配置文件进行写入或读取。 在这里我们选择 ini 文件来保存测量软件的配置参数。系统配置界面如图 4.16 所 示。 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 45 （a）system initialization(b) measure configuration(c)sensors configuration 图 4.16 系统配置软件界面 fig4.16 software surface of system configuration 二、测量结果存储与显示 数据库是比文件系统更高级的一种数据组织方式，它以一定的组织方式存储 在一起的相关数据的集合，能够方便的对数据进行管理。c+ builder 中自带有 bde、ado 等多种数据库的连接方式，使应用程序可以方便、快速地与目前流行的 数据库进行操作管理。 在本测量软件中，测量结果为应变值及对应的测量时间，数据结构简单，对 测量结果的操作只有存储、读取和删除等简单操作。对数据库的要求只要能够将 测量结果方便有效地进行存取就可以了，为此选用 c+ builder 自带的 paradox 数据库来管理测量结果。 paradox 数据库是 boland 利用 bde 进行操作的桌面数据库，paradox 数据库 本身以独立的表存在的，非常适合在本系统中作存储测量结果数据使用。由于 paradox 数据库是 boland 公司很早以前的产品，以至于 ado 都不提供 paradox 数 据库的引擎了，在这里使用 bde(borland database engine)控件来管理数据库。 为使用户能够直观地了解测量结构的变换趋势，要求软件能以图形曲线和表 格的形式现实测量结果。显示内容包括测量结果的实时显示和历史数据的查询。 c+ builder 中集成的 tchart 是一个很好的图表显示组件，它能够通过连接到指 定数据库或以手动方式添加数据点的方式，方便地以不同的颜色同时显示多条曲 线。 三、参数调整 在实际测量中，由于现场情况复杂，无法保证光谱测量仪输出的传感器反射 信号并都为完好的传感器反射光谱。因此，在使用 dgt 变换解调传感器腔长前， 有必要对探测器输出光谱序列进行质量判断和调整。一般情况下，光谱仪的输出 光谱有可能出现的情况如图 4.17 所示的几种典型情况。 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 46 (a) proper (b) weak (c) saturated wavelength /nm intensity /counts wavelength /nm wavelength /nm intensity /countsintensity /counts 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 47 (d) spectrum when fiber is cut (e) spectrum without input light 图 4.17 典型的光谱输出 fig4.17 typical output spectrum 若传感光路正常，输出光谱在 sld 光源中心波长附近出现余弦曲线。我们定 义特征值 s 为光谱在峰值波长30nm 范围内大于光谱峰值一半点数所占的比重。 用 matlab 在计算机上对特征值 s 在理想状态下（传感器反射光谱输出如 2.3 式） 进行仿真，仿真结果如图 4.18 所示。可以看出，在腔长从 20270 m 变化时 s 值保持在 0.18 到 0.25 之间。因此，可以通过统计光谱峰值大小 ip和 s 这两个特 征值来判断光谱质量。 wavelength /nm intensity /counts wavelength /nm intensity /counts 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 48 图 4.18 s 值仿真曲线 fig4.18 s value simulation 结合在实际测量中输出光谱存在暗噪声及背景光的情况，通过多次试验，我 们选择 0.160.35 为认定输出光谱正常时特征值 s 的范围；当传输光纤断开，在 光纤断开处光被反射回光谱仪， 此时输出光谱 （如图 4.-d） 的 s 是约为 0.450.60； 当 sld 光源未启动或损坏没有光输出时，扫描输出光谱（如图 4.-e）为光谱仪的 暗噪声，此时 s 值约为 0.951.0。 根据以往经验，输出光谱峰值大小在 15002500counts 时对传感器应变解调 是最好的。光谱仪的扫描输出除了和输入光的强度有关外，还和光谱扫描的积分 时间有关。在恒定的输入光强下，光谱仪的输出值与积分时间成正比关系。在系 统光路插入损耗受到影响而到达光谱仪的光强改变的情况下，我们可以通过修改 积分时间使得光谱仪的扫描输出仍然保持在 15002500counts 之间。 在一般情况下，两次测量时间间隔不会太久，如果只是测量光路插入损耗改 变，输出光谱变换不会太大。若出现了光谱峰值从一千多降低到几百或者只有一 百多这些太大的变化，则可能不只是测量光路插入损耗的改变，而是测量光路受 到了损毁。 由上面的分析，完成光谱质量判断及积分时间自动调整的参数调节程序流程 图如图 4.19 所示。 gap l/ m s value 重庆大学硕士学位论文4 多通道光纤法珀应变测量系统研究与设计 49 以积分时间t扫 描光谱 统计光谱的 ip和s值 完成 读配置文件得 到积分时间t 0.45s0.95 记录错误“情 况未知” t=t*2000/i p 修改积分时间 tt 保存t到配置文 件中 1500ip2500 ispqua=1ispqua=2ispqua=3ispqua=4 no yes no yes no 0.16s0.35ip4000 yes noyes yes no 图 4.19 参数调整流程图 fig4.19 flowchart of spectrum quality judgement 4.3.2 应变测量模块设计 应变测量是本测量软件的核心功能模块。应变测量可以分为手动单次、连续 多次和定时测量 3 种测量模式。手动测量只完成