0 引言

    光纖光柵傳感器作為光纖無(wú)源器件，具有感測(cè)和傳輸雙重功能，測(cè)量過(guò)程中不受光源起伏、光纖彎曲等因素的干擾，信號(hào)傳輸過(guò)程中不受電磁干擾，測(cè)量穩(wěn)定性好，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于電力、礦業(yè)、石化、建筑、橋梁、航空航天等領(lǐng)域。光纖光柵傳感器的工作原理是：光纖光柵的反射或投射譜的中心波長(zhǎng)在受到外界物理量（溫度、應(yīng)變、壓力等）作用時(shí)會(huì)發(fā)生變化，且波長(zhǎng)的變化量與外界物理量有確定的關(guān)系，因此數(shù)據(jù)解調(diào)是光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)用的核心技術(shù)之一。目前，光纖光柵解調(diào)技術(shù)常用的方法有：可協(xié)調(diào)F-P濾波器法、衍射光柵分光、光纖M-Z干涉法、CCD陣列探測(cè)法。本文選用的是探測(cè)精度高、穩(wěn)定性好^[1-4]的可協(xié)調(diào)F-P濾波器法。

    本文介紹了一種基于ARM與C#.Net的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)由不同功能模塊構(gòu)成，安裝方便，易于集成，可用于長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分。硬件系統(tǒng)包括寬帶光源、光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)三部分，通過(guò)ARM控制整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)、數(shù)據(jù)傳輸；軟件系統(tǒng)是C#開(kāi)發(fā)的C/S架構(gòu)的上位機(jī)軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server，運(yùn)行環(huán)境是Windows XP，系統(tǒng)人機(jī)交互方便，數(shù)據(jù)解調(diào)準(zhǔn)確，可將得到的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)解析為實(shí)際物理量并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，克服了現(xiàn)有數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)只解調(diào)波長(zhǎng)、不解析實(shí)際物理量的弊端。

1 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)

    基于ARM與C#.Net的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)隔離器進(jìn)入耦合器射入光纖光柵傳感器，在外界物理變化的作用下，F(xiàn)BG傳感器的反射信號(hào)將發(fā)生偏移，反射信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器進(jìn)入F-P濾波器，F(xiàn)-P濾波器在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下對(duì)反射回來(lái)的FBG傳感器的光波信號(hào)進(jìn)行腔長(zhǎng)掃描。當(dāng)FBG傳感器反射波的波長(zhǎng)和F-P濾波器的透射波長(zhǎng)一致時(shí)，光電探測(cè)器即可探測(cè)到最大光強(qiáng)，并將探測(cè)到的微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過(guò)A/D采集進(jìn)入ARM處理器，ARM通過(guò)尋峰算法提取出與最大峰值相對(duì)應(yīng)的F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電壓，由于驅(qū)動(dòng)電壓與透射波長(zhǎng)近似線性相關(guān)即可得到反射波長(zhǎng)。ARM處理器將得到的波長(zhǎng)值通過(guò)RS232/485傳給上位機(jī)，上位機(jī)軟件通過(guò)配置文件及FBG傳感器的物理特性，求出對(duì)應(yīng)位置傳感器的待測(cè)物理量，并將物理數(shù)據(jù)通過(guò)曲線的形式呈現(xiàn)給用戶，同時(shí)把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便用戶提取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

1.1 硬件系統(tǒng)組成

    光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分為三部分，包括寬帶光源、光路系統(tǒng)(由光纖可調(diào)諧F-P濾波器、標(biāo)準(zhǔn)具及耦合器等光學(xué)器件構(gòu)成)、電路系統(tǒng)(主要包括電源供電模塊、ARM控制電路、光電轉(zhuǎn)換放大電路及F-P驅(qū)動(dòng)掃描電路)。系統(tǒng)采用24 V直流供電。寬帶光源采用的輸出功率為13 dBm，工作波長(zhǎng)范圍為1 537～1 568 nm，光譜紋波最大值為0.2 dB。光路系統(tǒng)中，光纖可協(xié)調(diào)F-P濾波器的自由光譜范圍為100 nm，精度為650，工作波長(zhǎng)覆蓋C+L波段，最大調(diào)諧電壓為70 V，F(xiàn)SR小于18 V。光電轉(zhuǎn)換放大電路采用InGaAs PIN光電二極管，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號(hào)，通過(guò)一級(jí)放大將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)RC濾波濾出干擾信號(hào)，再通過(guò)第二級(jí)放大電壓信號(hào)，放大后的信號(hào)可以直接輸入ARM的A/D采集模塊。F-P驅(qū)動(dòng)掃描電路是將由PIC16F877A輸出的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為鋸齒波信號(hào)，然后作用于F-P濾波器的壓電陶瓷上。系統(tǒng)的控制單元采用ARM處理器的LPC2114 芯片，一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并嵌入128/256 KB的高速Flash存儲(chǔ)器，128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，其控制流程圖如圖2所示。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出請(qǐng)求波長(zhǎng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，控制系統(tǒng)將A/D采集值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，避免信號(hào)噪音對(duì)峰值解調(diào)產(chǎn)生干擾，再通過(guò)尋峰算法對(duì)數(shù)字濾波后的光譜進(jìn)行處理，出現(xiàn)波峰位置對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)便是對(duì)應(yīng)光纖光柵傳感器的實(shí)際波長(zhǎng)值^[6-8]。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    現(xiàn)有的數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)只能得到波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，不能與傳感器排布的位置及實(shí)際物理量相對(duì)應(yīng)，用戶拿到數(shù)據(jù)后需進(jìn)行大量人工標(biāo)定操作，使用起來(lái)不方便。本系統(tǒng)可以很好地克服該弊端，創(chuàng)造更好的用戶體驗(yàn)。

    當(dāng)ARM通過(guò)串口把數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)后，軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、存庫(kù)、顯示。上位機(jī)軟件使用C#開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server，運(yùn)行環(huán)境是Windows XP。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能：實(shí)時(shí)解調(diào)顯示通道波長(zhǎng)、光譜數(shù)據(jù)以及定制的物理量（如溫度、應(yīng)變、位移等）；針對(duì)不同傳感器的計(jì)算公式，可實(shí)現(xiàn)高次多項(xiàng)式公式的編輯及運(yùn)算；具備遠(yuǎn)程登錄和遠(yuǎn)程操作功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控解調(diào)儀；具備實(shí)時(shí)解調(diào)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程輸入數(shù)據(jù)庫(kù)功能；可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢與報(bào)表功能。系統(tǒng)主界面如圖3所示，主要分為3個(gè)板塊：板塊1主要功能是系統(tǒng)控制，用于實(shí)現(xiàn)傳感器配置、解調(diào)儀配置、激光器開(kāi)啟/關(guān)閉、采集開(kāi)始/結(jié)束、退出系統(tǒng)等功能；板塊2主要用于采集數(shù)據(jù)的顯示；板塊3為信息欄，可顯示解調(diào)儀的實(shí)時(shí)狀態(tài)。采集配置主要包括【參數(shù)設(shè)置】和【通訊設(shè)置】等功能：參數(shù)設(shè)置可對(duì)傳感器的類型、修正傳感器、修正傳感器的類型、特征波長(zhǎng)、校正系數(shù)、計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)置，方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜公式計(jì)算；通訊設(shè)置可用于配置遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸以及串口設(shè)置，用戶可以根據(jù)需求，設(shè)置對(duì)應(yīng)的IP地址和端口號(hào)用于遠(yuǎn)程登錄和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。解調(diào)參數(shù)可對(duì)光纖光柵解調(diào)儀8個(gè)通道的PEAKADC、DBMADC進(jìn)行設(shè)置，便于系統(tǒng)辨識(shí)所有傳感器的峰值數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢功能可向用戶提供系統(tǒng)解調(diào)的歷史數(shù)據(jù)，并可將其導(dǎo)出。主界面的【開(kāi)啟激光器】用于控制內(nèi)部激光器的開(kāi)啟和關(guān)閉，紅燈表示激光器關(guān)閉，綠燈表示激光器開(kāi)啟；點(diǎn)擊【開(kāi)始采集】，默認(rèn)進(jìn)入波長(zhǎng)采集；點(diǎn)擊主界面的【光譜】、【溫度】、【應(yīng)變】、【位移】、【力】按鈕，進(jìn)入相應(yīng)數(shù)據(jù)采集界面，同時(shí)繪制相應(yīng)的物理量曲線。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

    為驗(yàn)證光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的可行性，將系統(tǒng)接入5個(gè)FBG光纖光柵應(yīng)變傳感器，在沒(méi)有應(yīng)變的情況下進(jìn)行解調(diào)，實(shí)驗(yàn)解調(diào)結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明：解調(diào)的應(yīng)變波長(zhǎng)與中心波長(zhǎng)基本吻合，解調(diào)精度較高。從實(shí)驗(yàn)采集的光譜數(shù)據(jù)分析可得，光譜隨時(shí)間的波動(dòng)較小、信噪比高，波長(zhǎng)解調(diào)準(zhǔn)確性高，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速解調(diào)，且解調(diào)精度可達(dá)到±0.1 pm，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

    風(fēng)陵渡黃河特大橋于1994年11月建成通車，全長(zhǎng)1 409 m，由主孔橋和邊孔橋組成。根據(jù)風(fēng)陵渡黃河公路特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、關(guān)鍵界面應(yīng)力、主梁振動(dòng)、吊桿內(nèi)力以及主梁變形，其中橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力是判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全最直接的指標(biāo)。整個(gè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器采用光纖光柵傳感器，系統(tǒng)布設(shè)8個(gè)通道，每個(gè)通道16個(gè)光纖光柵傳感器，采用鎧裝、以貼片的方式固定于橋梁基體上。該系統(tǒng)主要由解調(diào)儀模塊、工控機(jī)主板、觸摸屏和電源模塊組成，多個(gè)傳感器通道可以同時(shí)解調(diào)多條光纖上的傳感器并進(jìn)行通道分析，獲得的所有數(shù)據(jù)可以通過(guò)觸摸屏顯示，也可以通過(guò)外接的通信和視頻接口傳至PC。

    系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，分析測(cè)得的波長(zhǎng)與應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)及測(cè)得的應(yīng)變值與相應(yīng)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)物理參數(shù)理論變化值接近，說(shuō)明光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)基本滿足橋梁健康監(jiān)測(cè)的需求，可以廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論

    本文基于ARM與C#.Net開(kāi)發(fā)了一套C/S架構(gòu)的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)ARM實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的濾波、尋峰和波長(zhǎng)計(jì)算，并將計(jì)算的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)軟件采用C#.Net開(kāi)發(fā)了一套光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于對(duì)采集的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，方便人機(jī)交互。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期重復(fù)性和穩(wěn)定性測(cè)試，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速解調(diào)，且解調(diào)精度可達(dá)到±0.1 pm。將光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)在風(fēng)陵渡黃河大橋上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其精度與穩(wěn)定性可以滿足橋梁健康監(jiān)測(cè)需求，說(shuō)明系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] KERSEY A D，DANDRIDGE A，BURNS W K．Fiber optic gy-roscope technology[J]．Optic News，1989，15(11)．

[2] 江毅.高級(jí)光纖傳感技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3] 姜德生，何偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J].光電子·激光，2002，13(4)：420-430.

[4] 何海濤，姚國(guó)珍.光纖光柵解調(diào)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2010，31(6)：42-45.

[5] 周立功.ARM 微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[6] PENG P C，CHI S.A reliable architecture for FBG sensor systems[J]．Microwave and Optical Technology Letters，2003，39(6)：479-482.

[7] EDEN R，KLOWAK C，MUFTI A，et a1．First application of second generation steel-free deck slabs for bridge rehabilitation[C].NDE for Health Monitoring and Diagnostics.International Society for Optics and Photonics，2004：86-94.

[8] 常國(guó)偉.光纖光柵在高速公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].山西交通科技，2014(2)：56-57.