（精密仪器及机械专业论文）基于虚拟仪器技术的光纤布拉格光栅测量系统软件设计.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 f b g 传感技术是目前光纤传感领域内的研究热点之一，有着广泛的应用前景， 特别是可用于大型复合材料和混凝土，例如对大坝、桥梁、矿井的健康诊断和安全 监测，对于保证结构的可靠性有重要意义。 虚拟仪器是由模块化仪器硬件、计算机硬件和具有数据采集、处理、通讯功能 的软件组成的测控系统。与传统的仪器相比较，虚拟仪器具有结构灵活、可扩展性 好、维护方便、用户可以自定义功能等优点，而且便于扩展成分布式的测控系统， 是未来仪器技术的发展方向之一。 本文从理论上分析和讨论了使用光纤布拉格光栅测量温度和应变的原理及光 栅波长的解调方法，并采用虚拟仪器技术构建了光纤布拉格光栅测量系统的架构。 本文设计了基于虚拟仪器的测量系统的控制软件的结构，并通过虚拟仪器软件开发 平台l a b w i n d o w s c v i 进行控制软件的开发，软件开发中涉及了多线程数据采集、 u s b 和串口通讯、数字信号处理、数据库技术和网络通讯等方面的知识。f b g 解调 系统软件实现了采集光纤布拉格光栅波长信号、解算波长、在此基础上计算相应传 感器的温度或应变的变化量、保存及查询数据、显示曲线及动态测量等功能，并能 够通过网络构成分布式测量系统，进行远程监测。论文在实验的基础上确定了波长 和扫描电压的关系，并针对温度传感器进行了实验，验证了系统的功能。 关键词：分布式测量系统，f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ，虚拟仪器， l a b w i n d o w s c v i ，u s b 东南大学硕士学位论文 a b s 仃a c t f b gs e n s o rt e c h n i q u ei so n eo f t h eh o t s p o t sl nc u r r e n t l yr e s e a r c h o f f i b e rs e n s o r f i e l d s ，a n dh a sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c t ，e s p e c i a l l yi nh e a l t hd i a g n o s e sa n d s a f e l ym o n i t o r so fl a r g e - s c a l ec o m p o s i t ea n dc o n c r e t e ，s u c ha sd a m ，b r i d g ea n dm i n e ， a n di si m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es t r u c t u r a lr e l i a b i l i t y v i r t u a li n s t r u m e n t ，am e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，i sm a d eu po fc o m p u t e r h a r d w a r e ，m o d u l a r i z a t i o ni n s t r u m e n th a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f d a t aa c q u i s i t i o n d a t a p r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n c o m p a r e sw i t ht h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t , t h ev ih a s f l e x i b l es t r u c t u r e s ，b e t t e re x p a n s i b i l i t y ，e a s ym a i n t a i n a b i l i t y ，u s e r d e f i n e df u n c t i o n s i ti s t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff u t u r ei n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h em e a s u r a t i o nt h e o r yo f f b ga n dm e t h o d so f d e m o d u l a t i o nw a v e l e n g t hw a s a n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h ep a p e r ，i ta s l s od e s i g n e dt h es t r u c t u r eo f f b gm e a s u r e m e n t s y s t e mw i t hv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 砷es t r u c t u r eo f s y s t e mc o n t r o ls o f t w a r e b a s e do nv 1w a sd e s i g n e di nt h ep a p e ra l s o 力坩s o f t w a r ew a si m p l e m e n t e db yv i d e v e l o p m e n tp l a t f o r ml a b w i n d o w s c v i a n dr e f e r r e dt ot h ek n o w l e d g eo f u s b c o m m u n i c a t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t a b a s ea c c e s s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d e t c n es y s t e mc a ng a t h e rg r a t i n gw a v e l e n g t hs i g n a l so f f b g sa n dt h e nc a l c u l a t e w a v e l e n g t ha n dt h e nc o m p u t et h em e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r eo rs t r a i no f t h es e n s o r ， s a v ed a t at od a t a b s e ，d i s p l a yc u r v ea n dd y n a m i cm e a s u r e i tc a nc o n s t r u c td i s t r i b u t e d m e a s u r e m e n ts y s t e mt h r o u g hn e t w o r ke i t h e r t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nw a v e l e n g t h sa n d s c a nv o l t a g e sw a sd e d u c e db a s e do ne x p e r i m e n t s ，a n dt h ep a p e ra l s od i ds o m e e x p e r i m e n t so nf b gt e m p e r a t u r es e n s o rt ov a l i d a t et h ef u n c t i o n so f t h es y s t e m k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ，v i r t u a l i n s t r u m e n t ，l a b w i n d o w s c v i ，u s b i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 研究生签名 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 虢社聊繇纽日期 ， 伊1 6 、? 0 n 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 光纤传感技术是通过待测量对光纤内的传输光进行调制，使传输光的强度( 振幅) 、相位、 频率或偏振态等特性发生变化，再对被调制的光信号进行解调，从而得出待测量的一种新型传 感技术。光纤光栅传感器具有其它许多传感器无法比拟的优点，例如，抗电磁干扰、尺寸小、 重量轻、耐温性好、复用能力强、传输距离远、耐腐蚀、高灵敏度等。光纤传感器的应用前景 十分广阔，早在1 9 8 8 年，就成功地在航空、航天领域中用于无损检测。经过2 0 多年的发展， 光纤传感器取得了快速的发展，目前已经研制成功了多种光纤传感器，广泛应用于航空航天、 电力、石油、化工、船舶、煤矿各个行业中“”o 。 我国的经济建设中，光纤传感技术越来越多地被运用到各个领域，发挥了越来越重要的作 用。近几年来，随着我国国民经济的迅速发展，大型基础工程设施不断兴建。各种重大工程结 构如桥梁、高层建筑、大跨度空间结构、水坝、核电站、输电、输油网络系统等建设项目层出 不穷，对这些工程的健康诊断和安全监测一直是国内外工程领域广泛关注的重要课题。近l o 年来，光纤传感器的研究热点之一是光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g g6 r a t i n g ，f b 6 ) 传感器的 研究。由于f b 6 传感器被证实能对各种常数进行测量，其主要应用于大型复合材料和混凝土的 健康诊断和安全监测u ”。 常规监测技术多以点位式电测电传为主，但这些技术存在许多问题，如对被测点的影响； 耐久性及稳定性差：易受电磁干扰：测量点位少，测试人员工作量大，采集数据不够准确等。 因此传统的技术手段不能全面、方便地对大型的工程结构进行监测。f b 6 传感技术克服了传统 方法的缺点，可以用来对智能材料和大型结构进行监测，例如对大坝、桥梁、矿井的大型复合 材料和混凝土结构的应变和温度监测，对于保证结构的可靠性、安全性、稳定性有重要的作用。 因此，开展基于f b 6 解调系统的软件设计有比较现实的意义。 1 2 国内外现状 光纤传感技术由于应用的广泛性和市场的广阔性，其研究和开发引起了各国的高度重视。 当前，光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究和应用开发。随着光纤技术的日趋成 熟，对光纤传感技术的实用化开发成为整个领域发展的热点和关键1 。 美国是研究光纤传感技术起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的方面，其进展 都十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：用于水下探测的光纤传感器、用于航空 监测的传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。美国也是最早将光纤传感器用于 民用领域的国家之一，如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测 桥梁等大型建筑物浇灌混凝土时内部的温度和应力变化等。日本和西欧各国也高度重视并投入 大量经费开展光纤传感技术的研究和开发。日本在2 0 世纪8 0 年代便制定了“光控系统应用计 划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的 信号测量和传输以及生产过捍的控制。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感技术 的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司，法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司 2 1 】 东南大学硕士学位论文 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感技术的研究，其起步时间与国际相差不远。目 前，已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆 大学、电子工业部1 4 2 6 所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、 位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科技成果，其中用相当数量的研究成果具有很 高的实用价值，有的达到世界先进水平“。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的 差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生 产和工程化应用，与国外的差距还比较大 1 3 光纤传感器的特点及应用前景 光纤传感器作为一种新型传感器，与传统的机电式传感器相比，有其独特的优势，非接触 测量、抗电磁干扰、可工作于恶劣环境、灵敏度高、传输距离远，使用寿命长、结构小巧、可 适应分布式多点测量，测量对象广泛。其中以波长编码作为传感信息的f b g 传感器被认为是目 前最有前途的传感器之一。 光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其 可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题“1 。 主要表现在以下方面： ( 1 ) 在高温传感领域中，我国传统方法是采用铅铑丝热电偶，寿命短、成本高，因此， 研究和开发高精度、低成本的高温光纤传感器具有广阔的市场； ( 2 ) 在电力系统中，需要测定温度、电流、电压等参数，由于电类传感器易受强电磁场 的干扰，无法在这些场合实用，最佳的方案只能是采用光纤传感器： ( 3 ) 在大坝安全监测自动化中，防雷抗干扰己经成为最为棘手的问题。光纤传感器的使 用为彻底解决防雷抗干扰的问题创造了条件； ( 4 ) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等环境中，需要检测氧气、碳氢化合物、c 0 等气 体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重是会引起安全事故。研究和开发高性能的 光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。 ( 5 ) 在环境监测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感 器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器具有很强的抗干扰能力和 较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确的检测。 光纤传感器经过2 0 多年的发展，已取得了长足的进步，出现了很多实用性的产品，但仍 然远远不能满足实际需要，还有许多亟待解决的课题“： ( 1 ) 传感器的实用化研究，提高传感器的性价比。 ( 2 ) 传感器的应用研究，在现有的科研成果基础上，大力开展应用研究和应用成果宣传。 ( 3 ) 新传感理论的研究，开发新型光纤传感器。 ( 4 ) 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。 1 4 研究内容 光纤传感技术是目前国内外研究的热点之一，而f b g 分布式测鼍系统在工业生产和国民经 济建设中具有良好的应用前景。虚拟仪器是随着计算机技术发展起来的，有着传统的仪器不可 比拟的优势，所以本文所做的工作就是使用虚拟仪器的设计方法实现了f b g 分布式解调系统的 测量控制软件。 本文在查阅国内外文献的基础上介绍了光纤传感技术的特点、国内外的发展状况以及应用 2 第章绪论 前景，阐述了光纤布拉格光栅的工作原理、光纤光栅的温度、应变传感特性以及光纤布拉格 光栅的波长解调方法。针对不同的波长解调方法，最后选定一种作为本文设计的f b 6 测量系统 的解调方法，并详细介绍了系统的光路及电路部分的原理、结构及器件。文章围绕虚拟仪器技 术详细介绍了虚拟仪器的概念、特点、组成和分类，并确定了本系统开发所需要的软件开发平 台- - l a b w i n d o w s c v i 。在介绍l a b w i n d o w s c v i 的基本概念和开发流程的同时，本文还详细介 绍了l a b w i n d o w s c v i 中的一些高级开发方法，如动态链接库、多线程和a c t i v e x 技术。 本文针对目标系统的软硬件平台，提出了系统控制软件的总体结构，并进行了模块化的设 计，将数字滤波、u s b 驱动开发、u s b 和串口通讯、数据库操作技术以及网络通讯技术通过动 态链接库、多线程和a c t i v e x 等技术结合起来，为基于l a b w i n d o w s c v l 的虚拟仪器开发提供 了有益的参考。设计完成的系统能够接收和处理从d s p 发送的数据，进行光栅波长的解算，将 计算得出的温度或应变的变化保存在数据库中便于查询，并能够利用网络组建分布式的测控系 统。本文介绍系统测控软件的功能，并针对温度传感器进行了温度试验，验证了系统的性能。 3 东南大学硕士学位论文 第二章光纤布拉格光栅解调系统 光纤传感器与传统的传感器最大的区别在于：传统的传感器以电的变化为基础，通过有线 或者无线的方式对电信号进行传输；而光纤传感器是以光作为被测信号变化量的载体，利用光 纤进行信号传输。由于光的特殊性，光纤传感器具有许多独特的优点：不受电磁场的干扰；绝 缘性高，安全性好，能在易燃、易爆的环境下可靠运行：体积小、重量轻，具有极高的灵敏度 和分辨率。 2 1 光纤布拉格光栅传感原理 1 9 7 8 年，h i l l 等人首先发现在掺锗光纤中的光致光栅现象并且制作出世界上第一根光纤 布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，简称f b g ) ”“。1 9 8 9 年，m e l t z 等人实现了f b g 的u 、， 光( 紫外光) 侧面写入技术，之后各种新的制作方法和新型光栅相继诞生o 。f b g 是短周期 光栅，也可称为光纤反射光栅，当入射光源中含有与光栅周期相同或十分接近的波长时此波 段光波将被光栅反射回去，反射光的中心波长称为布拉格波长或者特征波长。其特征波长会随 外界温度或应变的影响而变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。除了一般光纤传感器 具有的优点之外，光纤光栅传感器还具有一些明显优于其它类型光纤传感器的特点： ( 1 ) 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗和探测器老化等影响 ( 2 ) 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要 ( 3 ) 能方便的利用波分复用技术在一根光纤中串接多个光栅进行分布式测量 光纤的光敏性是指光纤的折射率在紫外光的照射下，随着光强发生变化的特性。光纤的这 种折射率变化具有稳定性，可以保持永久性不变。光纤布拉格光栅是利用石英光纤的紫外光敏 性，通过某些工艺方法( 通常是向g e 磁芯光纤照射2 4 0 n m 左右的紫外线) ，使外界入射的光 子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿光纤轴方向周期性或非周期性的永久性变 化，在纤芯内形成空间相位光栅“”。光纤光栅结构如图2 - 1 所示。 入射光 + 4 - - 透射光 透射光 一一+ 图2 - 1 光纤光栅示意图 光纤光栅必须满足相位匹配条件： 届一区= 邯= 詈 ( 2 _ 1 ) a 是光栅周期，届、废为耦合模的传播常数，前向传播为正，后向传播为负，卢为耦 合模的传播常数差。根据人的长短不同，周期性的光纤光栅可以分为短周期和长周期两类光 纤光栅。对于短周期的光纤光栅，当广谱光波( 宽带) 在其中传播时，两个反向传播的芯模( 导 4 第二章光纤布拉格光栅解调系统 模) l p 0 1 之间产生能量耦合，形成特定波长为九的反射波。对于前向传播的l p o - 模压= 风， 对于后向传播的l p o l 模届= 一风l ，两耦合模的传播常数差卢= 2 风l ，将这种光栅称为布拉 格光栅( h 妒f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 。光纤光栅中光波的传输特性如图2 - 2 所示。 图2 - 2光纤光栅中光波的传输特性 当有光入射时，f b g 能够反射波长满足布拉格发射条件的特定波长的光。f b g 返回的窄带 光波的中心波长为九( 也称为布拉格波长) 为： 九2 2 ，人 ( 2 2 ) 反射光带宽钆( 半峰值宽度) 为： 反射率k 为 阮= k = 鼬2 ( 半) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 上式中，是纤芯的有效折射率；为光栅长度：”为纤芯折射率起伏；啊为纤芯折 射率。f b g 中光波的光谱特性如图2 - 3 所示： 图2 - 3f b g 中光波的光谱特性 由式2 - 2 ，光栅的中心波长位移可以表示为【3 7 3 2 ： - - 2 a 劭+ 2 劭a a ( 2 5 ) 布拉格波长取决于光栅周期和纤芯的有效折射率，任何使这两个参量发生改变的物理量都 将引起光栅布拉格波长的改变，通过检测光栅布拉格波长的变化就能够测出物理量的变化。应 变和温度都能够导致人和月发生变化，当光栅受到外界应变作用时，光栅的拉伸会导致光栅 5 东南大学硕士学位论文 周期a 的变化，同时光弹效应会导致光栅折射率变化锄；当光栅受到外界温度影响时，由 于材料热膨胀，会使光栅周期人发生变化，同时折射率也会随着温度而变化，以上的变化都 将导致布拉格波长漂移。通过对应变的测量还可以实现对其它物理量的测量如：位移、振动、 电磁场等。波长的漂移与应变和温度的关系如下： 尝生：( 1 一见) s + ( 口+ ) r ( 2 6 ) 式中，s 是轴向应变，a t 是温度差，p c 是有效弹光系数，a 和 分别是光纤的热膨胀 系数和熟光系数。波长的漂移与应变、温度的关系可以近似表示为： _ 5 ：t ：k e + x t 酊( 2 - 7 ) 芎 式中，疋，k t 分别为应变、温度灵敏系数。由式2 - 7 可知，f b g 的反射波长与温度和应 变都有比较好的线性关系，通过检测反射波长的变化就能够计算出对应的温度和应变的变化。 这个就是f b 6 传感器测量温度和应变的基本原理。 2 2 光纤布拉格光栅波长解调方法 由上一节的分析可以知道，温度和应变的变化可以导致光栅布拉格波长的变化，而起这个 变化还是呈近似线性。因此如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移是光纤布拉格光栅传感器 应用面临的关键问题。 f b g 波长编码的解调过程中，一般使用的是光谱仪、单色仪等仪器，但光谱仪价格偏高， 不适用于普通用户；精度较低，不能满足高精度测量要求；扫描速度慢，不适用于实时性要求 较高的场合：体积大，携带不方便，不适用于户外现场检测。此外，用光谱仪无法直接获得所 测参量的大小。因此，发展了多种技术用于波长的解调。归纳起来，解调技术主要有以下几种 类型：匹配滤波法、边缘滤波法、干涉法、可调光纤法布里一珀罗腔法“”。 ( 1 ) 匹配滤波法 匹配光栅滤波法是利用其他的f b g 或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪f b 6 的波 长变化，然后通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。这种方法又可以分为反射 型和透射型。透射型与反射型的区别在于：前者的光电探测器不是放在接收反射光的位置，而 是放置于接收透射光的位置，通过监测透射光的有无来确定是否匹配，从而避免了测量光强微 弱的信号。此方法要求采用高功率的宽带光源和高反射率的光纤光栅。 ( 2 ) 边缘滤波法 波分耦合器在1 5 2 0 - 1 5 6 0 n m 的波长范围内，耦合器的效率与波长基本呈线性关系，因而可 以利用该特性来测量波长的变化。该方法在一些对测量分辨率要求不是很高的场合提供了一种 结构简单、性能价格比很高的测量方案。 ( 3 ) 干涉法 光纤马赫一曾德干涉仪具有灵敏度高、易实现多路复用的特点，它对信号的解调是通过测 量干涉信号相位的变化来实现的，但容易受干扰的影响，产生测量的误差。另一种方法是应用 迈克尔逊干涉仪，利用波长稳定的激光对干涉仪的光程差扰动进行监测，然后进行反馈补偿。 对于干涉扫描法而言，波长扫描器件的自由光谱范围决定了测量范围的大小，波长扫描器件的 6 第二章光纤布拉格光栅解调系统 光程差决定了波长扫描器件的分辨率。波长扫描器件的自由光谱范围域光程差是相互制约的， 因此系统的测量范围与分辨率也是相互制约的。 ( 4 ) 光纤法布里一珀罗可调谐滤波器法 光纤法布里一珀罗可调谐滤波器( f i b e rf a b r y - p e r o tt u n a b l ef i l t e r ，简称f - p 可调谐 滤波器) 是该方案中的关键器件。f b g 传感系统在一根光纤中串接多个f b g 传感器s - ，s ：，s 3 s n 。宽带光源照射光纤时，每个f b g 射回一个不同布拉格波长的窄带光波。该方法通过耦合器 将光纤光栅反射光导入f - p 可调谐滤波器，通过电控压电陶瓷改变滤波器中的f - p 腔的长度来 改变f - p 滤波器的导通频带。在调谐控制信号的作用下，光纤f - p 滤波器的导通频带扫描整个 光栅反射光光谱。由于光纤f - p 滤波器的导通频带很窄，当光纤卜p 滤波器的导通中心波长与 某一光纤光栅的布拉格波长相等时，有且仅有一个光纤光栅的反射光通过f p 滤波器进入到光 电探测器，光电探测器将这一光纤光栅的反射光变换成电信号，这个信号的峰顶对应于从这一 光纤光栅反射回的波长。f - p 可调谐滤波器法光能利用率高，操作简单，适用范围广，具有较 宽的调谐范围，可大大提高测量范围和f b 6 传感器的复用个数，可以实现较高的分辨率及测量 精度。 f b 6 传感器实用化的一个关键技术就是多波长的解调检测方法，目前适用的f b g 传感器阵 列的解调技术主要采用两类： ( 1 ) 时分复用 时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称t d m ) 是通过测量光脉冲返回到探测系统的 时间来识别一根光纤上的多个f b 6 传感器。在时分复用系统中，每个f b g 传感器的中心波长都 是一样的：同时要求每个f b 6 传感器都有一个比较低的反射率，这样可以保证透过前面f b g 的光到达下游的f b 6 传感器时仍然具有足够的光功率。当环境改变时，从每个f b g 传感器的返 回时间将随之改变。时分复用技术是通过这些时间漂移来反映被测参数的变化的，如温度、应 力等。该方法的优势在于适合使用的f b c , 的成本比较低。但随着f b g 制作技术的进步，这种优 势正在逐渐的减小。时分复用系统必须考虑传感器采样频率与光源到探测系统的距离，在发送 下一个光脉冲时，必须保证上一个光脉冲已经从最远的传感器返回。f b g 传感器之间的距离必 须大于某个特定值以便辨别相邻的f b g 。 ( 2 ) 波分复用 波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称w d m ) 是在f b 6 传感网络领域被广泛 采用的技术。波分复用原理就是把不同波长的信号复用在一根光纤上传输，从而提高了光纤带 宽资源的利用率。这种方式的频谱利用率主要决定于携带信息的光源的线宽和峰值波长的间隔 大小，其次是波分复用器件的性能。波分复用是通过波长来辨别各个f b g 传感器，这样就要求 各个f b g 传感器的中心波长不能相同，必须存在一定的差值。分布式f b g 传感器是将传感光纤 沿监测区域分布，感知光纤传输路径上待测场( 如应力、温度、压力等) 的空间分布和随时间 变化的信息，而产生中心波长的改变。波分复用方法是目前分布式f b g 测量系统比较常用的方 法之一。大多数w 蹦系统都包括两个基本光器件配置：激光二极管光源和可调谐滤波器。 2 3 分布式f b g 波长解调系统 在上节所述的几种解调方法中，利用f - p 可调谐滤波器对f b g 传感器的波长进行解调的方 法，光能利用率高，具有灵敏度高，体积小，操作简单，适用于工程应用的特点，是一种较好 的解调方法。目前在工程应用方面被广泛采用。本系统的波长解调系统也是采用这个方案。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 1 波长解调系统结构 基于波长解调的方法，根据可调谐滤波器位置的不同以及激光二极管光源的数量有多种设 计方案。无论在何种方案中，都使用了f - p 可调谐滤波器，由于这种滤波器对许多参数都比较 敏感，如温度、结构等，而且滤波器的输入电压和导通波长呈现非线性关系。在综合考虑了其 它解调方案的基础上，本系统通过在光路系统中设置参考光栅和标准具来消除可调谐滤波器由 于温度飘移导致的测量不准确。整个f b g 分布式解调系统的光路结构如图2 4 所示： 图2 - 4f b g 波长解调系统光路结构图 f b g 波长解调系统中，f - p 可调谐滤波器在周期扫描控制电压的作用下，使宽带光源中不 同频带的光波周期性通过滤波器，经过光耦合器分成两个支路。其中一路光经过光隔离器和光 耦合器入射到待测光栅上，当入射光的波长与光栅中心波长一致时，反射光经过光耦合器输入 到p i n l ( 光电二极管放大电路) 转换并放大；另一路光经光隔离器和光耦合器入射到标准具 和一个参考光栅上，它们所返回的特定波长的光被p i n 2 转换并放大，这部分光路的作用是用 来对可调滤波器输出的光信号的波长进行标定。 在一个扫描周期内，f b g 和标准具会返回一系列的波峰，扫描电压与返回波峰的波长之间 的关系如图2 5 所示，图中所示的为光纤中接入了三个光栅时的情况。 图2 - 5 扫描电压与波长关系图 8 第二章光纤布拉格光栅解调系统 扫描控制电压为频率可调的锯齿波，可调谐滤波器的导通波长与其扫描电压呈线性关系。 因此，f b g 反射的波峰的波长与扫描电压有对应关系，将扫描电压通过a d 转换后就能够计算 出对应的波峰的波长。由于扫描电压需要有一个参考的基准，所以在光路中加入了标定部分来 确定扫描电压与反射波长的对应比例关系。 光路的标定部分通过标准具和一个参考光栅来实现。在一个扫描周期中，标准具会反射回 5 0 个等间隔的波峰。在一些特殊情况下，在一个扫描周期中有可能不是返回刚好5 0 个波峰， 这样每个波峰对应的扫描电压就难以确定，因此引入了参考光栅。这样返回的信号中将会多出 一个波峰，根据该光栅返回的波峰在标准具返回的5 0 个波峰中所处的位置，可判定所有波峰 对应的电压值。标定部分光路与待测光栅通过光耦合器共用一个光源，节约了系统成本。 整个光路系统最终输出三路待测电压信号，即待测光栅输出的信号，标定电路输出的信号 和滤波器的扫描控制信号，必须将这些模拟信号转换成数字信号，以供微处理器处理。在该系 统中选用了t i 的自带1 2 位a d 转换器的d s p 徼处理器2 8 1 2 ，经过d s p 处理和分析的数据通 过通讯端口发送到计算机，由计算机进行进一步处理。 2 3 2 光路系统器件 ( 1 ) 宽带光源 光源选用的是s u p e r l u md i o d e sl t d 的s l d - 7 6 1 - m p 3 冷却型宽带光源模块。该模块包括 激光二极管( s u p e rl u m i n e s c e n td i o d e ，简称s l d ) 、温度传感器和热电冷却器( t h e r m o e l e c t r i c c o o l e r ，简称t e c ) 。 激光二极管的工作易受温度影响，如果温度过高甚至会损坏激光二极管，因此激光二极管 的需要一个稳定的工作温度z k s l d - 7 6 1 - m p 3 冷却型模块中，s l d 的t n o m 是2 0 c ，输入电流最大限制是2 3 5 m a ，输出的最 大功率是2 m w ，s l d 的输出功率正比于输入电流。发射的不可见光的波长范围可以是1 4 0 0 n m 1 6 3 0 h m 。s l d 在t n o m 是2 0 c 的条件下，当输入电流2 3 5 m a 时，光谱中心波长是1 5 5 1 3 n w ，输 出光谱有效宽度是5 0 6 r i m 。s l l ) - 7 6 i - m p 3 的实物图及输出光谱如图2 - 6 所示。 w a v e l e n g t h ，n m 图2 - 6s l d 7 6 1 m p 3 的实物及输出光谱 ( 2 ) f - p 可调谐滤波器 f - p 可调谐滤波器使用的是m i c r o no p t i c s 公司的产品。f - p 可调谐滤波器中导通频带的 中心波长由法布里一珀罗谐振腔的长度决定。通过控制加在压电陶瓷上的电压可以改变腔的长 度。f _ p 谐振腔是由两个反射镜l l 、l 2 和一段固定的空隙h 构成。卜p 谐振腔的结构如图2 7 所示。 9 rr毋lil协ceul j e 占u a 东南大学硕士学位论文 rz l h 图2 - 7 f - p 谐振腔结构 f - p 谐振腔可以看作是一个窄带滤波器，依据干涉效应，在一定波长范围内，若以平行光 入射到f - p 谐振腔，则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉。f - p 谐振腔产生 的光谱是窄线宽，尖顶型的光谱。在谐振腔内完成总相移为零的那些波长，可用如下公式表示： 2 = 玎 ( 2 - 8 ) 式中，n 是整数，h 是f p 谐振腔的腔长，其深长量与所加电压差成正比。满足上面公式 的波长能够形成稳定的振荡并输出等间隔的梳状波形。 f - p 可调谐滤波器实物图如图2 8 所示： 图2 - 8f - p 可调谐滤波器实物图 ( 3 ) 标准具 标准具用于对波长的参考，可以实现精确到p m 级的实时波长校准精度。本系统中的标准 具使用的是p r i m a n e x 公司的产品。标准具校准波长范围是1 5 2 5 5 7 9 n m 一1 5 6 4 5 9 0 n m ，带宽 i o o g h z ，共有5 0 个通道，输出的等间距波峰的间距约为8 0 0 n m ，波长漂移小于1 2 5 g h z 。标 准具实物图如图2 - 9 所示。 图2 - 9 标准具实物图 ( 4 ) 光电二极管 光电二极管是p i n 模块中的核心器件，将光信号转换为电信号。本系统中选用 p e r k i n e l m e r d 的单相p i n 光电二极管，该光电二极管适用于c 波段( 1 5 2 0 n m 1 5 7 0 n m ) ，1 5 5 0 r m 的最小光谱响应是0 8 5 ，频带可达2 o g h z ，1 5 5 0 r i m 的典型偏振相关损耗p d l 是0 i d b ，可以 在一4 0 8 5 下正常工作。 l o 第二章光纤布拉格光栅解调系统 2 3 3 硬件电路及接口 光信号通过p i n 电路转换成模拟电信号后，经过0 p a 6 3 7 组成的放大电路将信号放大，然 后输入到d s p 的h n 输入端口进行转换后才能进行进一步解调、处理，得出的数据才能够用于 计算其对应的f b 6 波长信号。 系统的硬件主要包括d s p 及外围电路、u s b 及r s 2 3 2 通信接口电路、可调谐滤波器驱动电 路、信号放大电路，电源电路等。 以d s p 为核心的硬件系统整体结构如图2 - 1 0 所示。 哥 f 兽 一i 竺r - 图2 1 0 硬件系统结构图 ( 1 ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 及外围电路 本系统的硬件电路的核心为t i 公司的2 8 x x 系列中的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片。它是一种 低功耗的3 2 位定点数字信号处理器，具有精简指令集计算( r i s c ) 功能、微型控制器结构、 固件( f i r w a r e ) 及工具装置等。它采用改进型的哈佛结构和循环寻址方式：单周期执行指令、 寄存器到寄存器的操作：使用直观指令简化操作、压缩和非压缩的字节应用以及对位的操作等。 内部集成多个处理单元，如硬件乘法器( m u l ) 、累加器( a c c ) 、算术逻辑单元( a l u ) 、辅 助算术单元( a r a u ) 以及d m a 控制器等。可以在单指令周期内完成命令的执行，并且这种运算 往往是同时完成的，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有外部数据总线和地址总线，便于系统资源的扩展，其工 作时钟频率最高可以达到1 5 0 m h z 。 由于采集三路信号的数据量很大，d s p 内置的存储器空间不能够满足要求，所以扩展了外 部存储器，选用的是i s s i 豹静态存储器i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 。 ( 2 ) u s b 及r s 2 3 2 通信接口电路 下位杌需要将数据发向上位机进行处理，同时上位机也需要对下位机进行控制。所以需要 一个合适的通信接口。 f 2 8 1 2 的串行通信接口s c i 是一个双线的异步串口，可以通过r s 2 3 2 协议与上位机通信。 上位机通常都直接带有r s 2 3 2 接口，如果是短距离的通信，可以使用r s 2 3 2 接口；如果距离较 长可以通过r s 4 8 5 的转接口进行转换。f 2 8 1 2 的s c i 接口采用0 1 0 s 电平，例0 s 转2 3 2 电平的 芯片很多，本系统采用l l a x i m 公司的m a x 2 3 2 芯片。 虽然串行口的通用性比较好，但是串行通信的速度较低，当采集光谱信号时，需要传输的 东南大学硕士学位论文 数据量会很大，用串口通信耗时较长，所以增加u s b 接口作为另一种通信方式。 通用串行总线( j n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) ，是一种快速、灵活的总线接口与其它通 信接口比较，t j s b 接口的最大特点是易于使用。u s b 2 0 接口的理论速度可以达到4 0 0 1 4 b p s ，适 合大量数据的传输。目前生产i j s 8 收发控制器的公司主要有c y p r e s s 、s i p e x 、m a x i m 和p h i l i p s 等公司，其中p h i l i p s 公司的i s f l 5 8 1 芯片市场使用率较高，参考资料也较多，所以选用该型 号的控制芯片。 整个f b g 解调系统如图2 一1 1 所示。 图2 i if b g 解调系统 1 2 第三章虚拟仪器开发技术 第三章虚拟仪器开发技术 虚拟仪器相对于传统仪器具有突出的特点，它将传统仪器的硬件和计算机技术充分结合起 来。以软件技术为仪器的核心，综合了总线技术、数据采集技术、数字信号处理及软件工程等 技术，构成了功能强大，结构灵活，使用方便的新型仪器。 3 1 虚拟仪器 虚拟仪器一般由物理仪器硬件、接口硬件和计算机上运行的虚拟仪器软件等三个部分组 成。物理仪器硬件负责对被测信号的调理及采集。接口硬件部分可以由数据采集卡、g p i b 接 口、并行串行口、v x i 、p x i ，现场总线接口等部件组成，负责信号的输入和输出。虚拟仪器核 心和关键的部分就是软件，它负责对信号进行处理分析、结果的表达和输出以及对硬件进行控 制【2 【”。虚拟仪器由于其相对于传统仪器的突出优点，成为仪器技术的发展方向之一。 3 1 1 虚拟仪器概念及特点 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 的概念是由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，n i ) 在1 9 8 6 年提出的。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自 己的需求定义和设计仪器的测试功能，其实质是将传统仪器硬件与最新计算机软件技术充分结 合起来，以实现并扩展传统仪器的功能”o 。 虚拟仪器技术集传统仪器和计算机之长，综合了总线技术、模块化数据采集技术、数字信 号处理、高速数据传输和软件工程等技术。虚拟仪器弘透明的方式把计算机资源和仪器硬件( 如 a d 、d a 、数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量功能、控制能力结合在一起，通过软件 实现对数据的分析处理，表达以及图形化用户接口，从而实现仪器的功能。与传统的仪器相比， 虚拟仪器最大的特点就是通过软件来实现仪器的功能，而传统的仪器则是通过硬件来实现的。 相对于传统的仪器，虚拟仪器具有以下几个特点”“l 7 j ( 1 ) 丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管 理集中交给计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理能力，使系统的组建变得更加灵 活、简单。 ( 2 ) 突出了软件就是仪器的概念。在虚拟仪器中，传统仪器中实现某些功能的硬件被计 算机中的软件替代，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立模拟硬件，使仪器 的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 ( 3 ) 仪器功能由用户自己定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码 库，可以很方便地修改仪器功能的面板，设计仪器的功能，实现与外设、网络及其它应用连接。 ( 4 ) 开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，用户可以将仪器 的设计、使用和管理的标准统一起来，提高资源的可重复利用率，使仪器功能易于扩展，降低 生产、维护和开发费用。 ( 5 ) 便于构成复杂的测试网络。虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过计 算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控和故障诊断。 1 3 东南大学硕士学位论文 3 1 2 虚拟仪器组成与分类 仪器一般由三大功能模块构成：数据的采集与控制、数据的分析与处理、结果的输出与显 示模块。传统的仪器中，这三个模块均是以硬件或固化的软件的形式存在，这种相对固定的结 构就决定了仪器的功能单元只能由生产厂家来定义、设计和制造。随着电子技术的发展，后来 出现的数字化仪器、智能仪器，使传统仪器的精度提高、功能增强，但仍未改变传统仪器那种 独立使用、手动操作、任务单一的模式，在较为复杂的