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,，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,，同時把實(shí)時數(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，一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的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)時監(jiān)控解調(diào)儀；具備實(shí)時解調(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個通道，每個通道16個光纖光柵傳感器,，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，多個傳感器通道可以同時解調(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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