0 引言

    光纖光柵傳感器作為光纖無源器件，具有感測和傳輸雙重功能，測量過程中不受光源起伏、光纖彎曲等因素的干擾，信號傳輸過程中不受電磁干擾，測量穩(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在受到外界物理量（溫度、應(yīng)變、壓力等）作用時(shí)會發(fā)生變化，且波長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陣列探測法。本文選用的是探測精度高、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，可用于長期的現(xiàn)場測量。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ARM控制整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行波長解調(diào)、數(shù)據(jù)傳輸；軟件系統(tǒng)是C#開發(fā)的C/S架構(gòu)的上位機(jī)軟件，數(shù)據(jù)庫采用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，克服了現(xiàn)有數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)只解調(diào)波長、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傳感器的反射信號將發(fā)生偏移，反射信號經(jīng)過耦合器進(jìn)入F-P濾波器，F(xiàn)-P濾波器在驅(qū)動電壓的作用下對反射回來的FBG傳感器的光波信號進(jìn)行腔長掃描。當(dāng)FBG傳感器反射波的波長和F-P濾波器的透射波長一致時(shí)，光電探測器即可探測到最大光強(qiáng)，并將探測到的微弱的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。通過A/D采集進(jìn)入ARM處理器，ARM通過尋峰算法提取出與最大峰值相對應(yīng)的F-P濾波器驅(qū)動電壓，由于驅(qū)動電壓與透射波長近似線性相關(guān)即可得到反射波長。ARM處理器將得到的波長值通過RS232/485傳給上位機(jī)，上位機(jī)軟件通過配置文件及FBG傳感器的物理特性，求出對應(yīng)位置傳感器的待測物理量，并將物理數(shù)據(jù)通過曲線的形式呈現(xiàn)給用戶，同時(shí)把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，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，將光信號轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號，通過一級放大將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過RC濾波濾出干擾信號，再通過第二級放大電壓信號，放大后的信號可以直接輸入ARM的A/D采集模塊。F-P驅(qū)動掃描電路是將由PIC16F877A輸出的PWM脈寬調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為鋸齒波信號，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存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨(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)出請求波長數(shù)據(jù)請求，控制系統(tǒng)將A/D采集值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，避免信號噪音對峰值解調(diào)產(chǎn)生干擾，再通過尋峰算法對數(shù)字濾波后的光譜進(jìn)行處理，出現(xiàn)波峰位置對應(yīng)的波長便是對應(yīng)光纖光柵傳感器的實(shí)際波長值^[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)只能得到波長數(shù)據(jù)，不能與傳感器排布的位置及實(shí)際物理量相對應(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通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)后，軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、存庫、顯示。上位機(jī)軟件使用C#開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用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、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、激光器開啟/關(guān)閉、采集開始/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)置可對傳感器的類型、修正傳感器、修正傳感器的類型、特征波長、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)置對應(yīng)的IP地址和端口號用于遠(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【開啟激光器】用于控制內(nèi)部激光器的開啟和關(guān)閉，紅燈表示激光器關(guān)閉，綠燈表示激光器開啟；點(diǎn)擊【開始采集】，默認(rèn)進(jìn)入波長采集；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)變波長與中心波長基本吻合，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)間的波動較小、信噪比高，波長解調(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)場應(yīng)用

    風(fēng)陵渡黃河特大橋于1994年11月建成通車，全長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)測系統(tǒng)主要監(jiān)測環(huán)境溫度、關(guān)鍵界面應(yīng)力、主梁振動、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)可以通過觸摸屏顯示，也可以通過外接的通信和視頻接口傳至PC。

    系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的試運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，分析測得的波長與應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)整體變化趨勢及測得的應(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)測的需求，可以廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論

    本文基于ARM與C#.Net開發(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ARM實(shí)現(xiàn)對光譜數(shù)據(jù)的濾波、尋峰和波長計(jì)算，并將計(jì)算的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)軟件采用C#.Net開發(fā)了一套光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于對采集的波長數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，方便人機(jī)交互。經(jīng)過長期重復(fù)性和穩(wěn)定性測試，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)場測試，其精度與穩(wěn)定性可以滿足橋梁健康監(jiān)測需求，說明系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值。

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