便攜式光纖光柵檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

白磊

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

光纖光柵傳感器是目前國內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。FBG傳感器具有靈敏度高，可靠性好，在一根光纖內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。滿足“智能結(jié)構(gòu)”對傳感器的要求，可對大型構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時安全監(jiān)測，與傳統(tǒng)傳感器安裝相比，節(jié)省了大量的電纜和施工費(fèi)用。目前在廉價的波長解調(diào)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展完善背景下，光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)走向成熟階段，很多也已經(jīng)商用化。

光纖光柵傳感器可對應(yīng)變、溫度、壓力、加速度和強(qiáng)磁場等多種物理量進(jìn)行檢測，但其基本原理是相同的，即外界待測參量的變化引起光纖光柵中心波長的偏移，如何方便快捷地檢測出光纖光柵的微小位移是光纖光柵傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)。光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)可應(yīng)用于軌道交通、橋梁、隧道、軌道交通建筑、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、電力等領(lǐng)域?，F(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場工程需要，開發(fā)一款便攜式光纖光柵數(shù)據(jù)采集儀，是便攜式光纖光柵數(shù)據(jù)采集儀的控制系統(tǒng)。

1 光纖光柵采集系統(tǒng)原理概述

通過拉伸或壓縮光纖光柵，或者改變溫度可以達(dá)到改變光纖光柵的周期和有效折射率，從而達(dá)到改變光纖光柵的反射波長的目的，如圖1所示。而且光纖光柵的中心波長的變化量和應(yīng)變、溫度的變化量成線性關(guān)系。根據(jù)其特性，可將光纖光柵制作成應(yīng)變、溫度、壓力、加速度、位移等多種傳感器。

光纖光柵信號處理器用于實(shí)時采集各光纖光柵傳感器的波長值，通過光柵傳感器波長變化量的大小推算出相應(yīng)物理量（溫度、應(yīng)力等）的改變大小[1]。這樣就實(shí)現(xiàn)了物理量傳感檢測的目的。

2 控制系統(tǒng)說明

2.1 系統(tǒng)功能介紹

便攜式采集儀上電后，進(jìn)入系統(tǒng)首頁。系統(tǒng)主界面主要包括采集功能和系統(tǒng)設(shè)置兩部分，點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)置圖標(biāo)，則會切換到系統(tǒng)設(shè)置界面，在此界面可以進(jìn)行系統(tǒng)時間設(shè)置、亮度大小調(diào)節(jié)、光標(biāo)的使用或禁用、聲音的使用或禁用和重新啟動軟件，右下角首頁按鈕則可回到系統(tǒng)首頁。

點(diǎn)擊采集功能，則會切換到采集系統(tǒng)界面，本界面主要進(jìn)行光纖光柵波長采集[2]，右上方為實(shí)時電量顯示，左邊則是功能鍵按鈕，依次為激光器控制、系統(tǒng)參數(shù)、采集參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)、波長解調(diào)和光譜解調(diào)，進(jìn)行采集時需開啟激光器后，左邊指示燈會變紅閃爍。激光器開啟后則可進(jìn)行串口參數(shù)發(fā)送，與底層硬件進(jìn)行通信，開始采集命令，采集結(jié)束，待數(shù)據(jù)顯示存儲后，需關(guān)閉激光器。

在進(jìn)行波長解調(diào)和光譜解調(diào)之前要進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)置，如果不對各通道中各點(diǎn)中心波長值進(jìn)行校準(zhǔn)，則最后波長解調(diào)會按照所測得的波長，進(jìn)行從小到大輸出，依次賦值于各通道的不同采集點(diǎn)。如按照各通道各傳感器的物理連接順序進(jìn)行中心波長校準(zhǔn)[3]，則波長解調(diào)的輸出波長也會與接入物理位置一一對應(yīng)，可先進(jìn)行通道選擇，然后進(jìn)行該通道下波長最大偏移范圍設(shè)置，進(jìn)行相對應(yīng)的中心波長設(shè)置。

2.2 采集功能介紹

波長解調(diào)界面中左側(cè)為功能按鍵，右側(cè)為通道選擇鍵，可以選擇不同的4個通道，點(diǎn)擊開始解調(diào)則可進(jìn)行波長解調(diào)，可在暫停解調(diào)后切換，也可在解調(diào)過程中進(jìn)行通道切換，但要進(jìn)行波長解調(diào)必須重新開始采集[4]。開始解調(diào)后下方指示燈會變紅閃爍，暫停解調(diào)后燈熄滅。中間為不同通道不同采集點(diǎn)的中心波長實(shí)時變化曲線圖，橫坐標(biāo)為時間，每格10s，縱坐標(biāo)為中心波長的波長值，所顯示通道數(shù)會在圖上方紅字部分顯示，各采集點(diǎn)值對應(yīng)不同顏色。屏幕中下方則為各采集點(diǎn)的數(shù)值顯示，如果進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)置，則排列位置即為該通道各采集點(diǎn)的物理串聯(lián)位置。屏幕的右下方為首頁按鍵，可返回首頁。

光譜解調(diào)界面可以選擇不同的4個通道，操作與波長解調(diào)一致，中間為不同通道中各采集點(diǎn)的中心波長實(shí)時光譜圖，橫坐標(biāo)為各通道不同采集點(diǎn)的采集波長值，縱坐標(biāo)為該采集波長對應(yīng)的光譜能量，所顯示通道數(shù)會在圖上方紅字部分顯示。

歷史數(shù)據(jù)界面顯示框內(nèi)有相對應(yīng)的四個采集通道，點(diǎn)擊對應(yīng)的通道數(shù)，如通道1，則會彈出近期采集的數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的采集時間[5]，向右拉伸滾動條，則可讀取該通道18個采集點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)際操作

進(jìn)入采集參數(shù)界面，如圖2所示，將通道數(shù)設(shè)置為1，偏移范圍設(shè)置為1nm，將采集點(diǎn)P1的中心波長設(shè)置為1536.000nm，點(diǎn)擊設(shè)置進(jìn)行保存。將通道數(shù)設(shè)置為2，偏移范圍設(shè)置為1nm，將采集點(diǎn)P1的中心波長設(shè)置為1539.000nm，將采集點(diǎn)P4的中心波長設(shè)置為1541.000nm，將采集點(diǎn)P10的中心波長設(shè)置為1555.000nm，點(diǎn)擊設(shè)置進(jìn)行保存。

采集參數(shù)設(shè)置完畢后，打開激光器，然后點(diǎn)擊CH1，開始解調(diào)，燈變紅閃爍，在各采集點(diǎn)中心波長變化表中有一條線在1536nm左右向前延伸，在圖下側(cè)的P1數(shù)值顯示框中顯示有采集到的中心波長1536.000nm。暫停解調(diào)，選擇CH2，然后開始解調(diào)，燈變紅閃爍，在各采集點(diǎn)中心波長變化[6]中有三條線分別在1539nm、1541nm和1555nm左右向前延伸，在圖下側(cè)的P1、P4和P10的數(shù)值顯示框中顯示有采集到的中心波長1539.246nm、1541.407nm和 1555.449nm。

進(jìn)入光譜解調(diào)界面，系統(tǒng)默認(rèn)選擇CH1，點(diǎn)擊開始解調(diào)，左邊的紅燈開始閃爍，大約2s左右，CH1通道的光譜就會在中間顯示框中顯示，光譜中有一個波峰[7]，大約在1536nm左右，暫停解調(diào)，選擇CH2，點(diǎn)擊開始解調(diào)，左邊的紅燈開始閃爍，大約2s左右，CH2通道的光譜就會在中間顯示框中顯示[8]，光譜中有三個波峰，大約在1539nm、1541nm和1555nm左右。

3 結(jié)論

便攜式光纖光柵數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)基于EasyBuilder8000編程軟件開發(fā)，利用先進(jìn)的光纖光柵數(shù)據(jù)采集技術(shù)，采用模塊化管理機(jī)制，界面清晰，工作性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道多物理量同時測量，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、實(shí)時性好。實(shí)時處理數(shù)據(jù)可通過變化趨勢圖對解調(diào)波長實(shí)時顯示，可利用XY曲線圖對單一通道的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)更新采集，方便現(xiàn)場工作人員記錄和判斷。