白磊

（山西省交通建設工程質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)可實現(xiàn)多點測量。滿足“智能結構”對傳感器的要求，可對大型構件進行實時安全監(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用。目前在廉價的波長解調(diào)技術進一步發(fā)展完善背景下，光纖光柵傳感技術已經(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變、溫度、壓力、加速度和強磁場等多種物理量進行檢測，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用化的關鍵技術。光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)可應用于軌道交通、橋梁、隧道、軌道交通建筑、地質災害監(jiān)測、電力等領域?，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到改變光纖光柵的周期和有效折射率，從而達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變、溫度的變化量成線性關系。根據(jù)其特性，可將光纖光柵制作成應變、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物理量（溫度、應力等）的改變大小[1]。這樣就實現(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)設置兩部分，點擊系統(tǒng)設置圖標，則會切換到系統(tǒng)設置界面，在此界面可以進行系統(tǒng)時間設置、亮度大小調(diào)節(jié)、光標的使用或禁用、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。

點擊采集功能，則會切換到采集系統(tǒng)界面，本界面主要進行光纖光柵波長采集[2]，右上方為實時電量顯示，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行串口參數(shù)發(fā)送，與底層硬件進行通信，開始采集命令，采集結束，待數(shù)據(jù)顯示存儲后，需關閉激光器。

在進行波長解調(diào)和光譜解調(diào)之前要進行采集參數(shù)設置，如果不對各通道中各點中心波長值進行校準，則最后波長解調(diào)會按照所測得的波長，進行從小到大輸出，依次賦值于各通道的不同采集點。如按照各通道各傳感器的物理連接順序進行中心波長校準[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，可先進行通道選擇，然后進行該通道下波長最大偏移范圍設置，進行相對應的中心波長設置。

2.2 采集功能介紹

波長解調(diào)界面中左側為功能按鍵，右側為通道選擇鍵，可以選擇不同的4個通道，點擊開始解調(diào)則可進行波長解調(diào)，可在暫停解調(diào)后切換，也可在解調(diào)過程中進行通道切換，但要進行波長解調(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的中心波長實時變化曲線圖，橫坐標為時間，每格10s，縱坐標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，各采集點值對應不同顏色。屏幕中下方則為各采集點的數(shù)值顯示，如果進行采集參數(shù)設置，則排列位置即為該通道各采集點的物理串聯(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的中心波長實時光譜圖，橫坐標為各通道不同采集點的采集波長值，縱坐標為該采集波長對應的光譜能量，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)有相對應的四個采集通道，點擊對應的通道數(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個采集點的歷史數(shù)據(jù)。

2.3 實際操作

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

采集參數(shù)設置完畢后，打開激光器，然后點擊CH1，開始解調(diào)，燈變紅閃爍，在各采集點中心波長變化表中有一條線在1536nm左右向前延伸，在圖下側的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。

進入光譜解調(diào)界面，系統(tǒng)默認選擇CH1，點擊開始解調(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)，利用先進的光纖光柵數(shù)據(jù)采集技術，采用模塊化管理機制，界面清晰，工作性能穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)多通道多物理量同時測量，測量數(shù)據(jù)準確性高、實時性好。實時處理數(shù)據(jù)可通過變化趨勢圖對解調(diào)波長實時顯示，可利用XY曲線圖對單一通道的光譜數(shù)據(jù)進行循環(huán)更新采集，方便現(xiàn)場工作人員記錄和判斷。