熊藝文，林奕森，馬 莉，秦文忠

（1.桂林航天工業(yè)學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林市光明科技實業(yè)有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

布拉格光纖光柵（FBG）傳感器光，具有電絕緣性良好，抗電磁干擾（EMI）和抗射頻干擾（RFI）能力強，化學(xué)性能穩(wěn)定、耐腐蝕，體積小、重量輕，傳輸損耗小、容量大，結(jié)構(gòu)形式靈活、靈敏度高等特性[1]，故其構(gòu)成的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及振動等多參量檢測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)有突出的優(yōu)勢，正逐漸取代傳統(tǒng)傳感器而成為傳感器家族的主力軍，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 原理

其原理是在光纖上用紫外光刻寫光柵，利用FBG波長對溫度和應(yīng)變的敏感性（即溫度和應(yīng)變同時引起光纖光柵波長移動），通過測量光柵反射波長，可換算被測體溫度/應(yīng)變等物理量，因此FBG 傳感器可廣泛適用于溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、位移、壓強、液位、扭角、扭知（扭應(yīng)力）、加速度、電流、電壓、磁場、頻率及濃度等測量。

針對FBG 傳感器數(shù)據(jù)采集采用的是寬帶激光光源的掃描反射光譜的波長解調(diào)，因此，它屬于無源傳感器應(yīng)用[2]。在需要長期監(jiān)測的各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中得到廣泛的使用，如橋梁、大壩、航空航天、石油化工等行業(yè)。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，在光纖傳感數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，各種基于光纖傳感器包括震動傳感器、溫度、應(yīng)力傳感器等廣泛應(yīng)用，結(jié)合光纖通信技術(shù)，正在被廣泛應(yīng)用于電子圍欄、火災(zāi)報警、安全圍欄、橋梁隧道、路基等傳感監(jiān)測領(lǐng)域。相應(yīng)的光纖光柵傳感器的解調(diào)設(shè)備也出現(xiàn)大量生產(chǎn)和應(yīng)用需求，由于光纖光柵解調(diào)設(shè)備對光纖光柵傳感器的應(yīng)用采用的是傳感器串接后接入到光纖光柵解調(diào)設(shè)備對應(yīng)的通道上，每個通道可以串接32 個光纖光柵傳感器，由于在建筑、地質(zhì)等領(lǐng)域監(jiān)測范圍廣的原因，所應(yīng)用的光纖光柵傳感器的數(shù)量極其龐大，這就要求光纖光柵解調(diào)設(shè)備自帶的通道數(shù)盡可能多，用來解調(diào)如此龐大的光纖采集數(shù)據(jù)。而生產(chǎn)過程中，對光纖光柵解調(diào)設(shè)備各通道的性能好壞的檢測往往是人工處理的，這就造成工作量大、操作繁瑣，檢測效率低、成本高。設(shè)計一種光纖光柵解調(diào)設(shè)備生產(chǎn)線自動檢測裝置以及檢測算法就能有效提高檢測效率，降低人工成本，達(dá)到提高待測光纖光柵解調(diào)器在生產(chǎn)過程中的檢測性能，迅速判斷可靠性指標(biāo)正常與否，迅速定位故障通道的目的。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

針對光纖光柵解調(diào)設(shè)備生產(chǎn)過程中人工檢測光纖通道可靠性指標(biāo)正常與否等繁瑣的問題，為了提高檢測效率和檢測正確性、減輕檢測人員工作量，本論文設(shè)計了一種光纖光柵解調(diào)設(shè)備的生產(chǎn)線自動檢測裝置和檢測算法，具體設(shè)計方案如下：

在光纖光柵解調(diào)設(shè)備出廠的檢測過程中，通過兩軸聯(lián)動定位裝置水平、垂直移動以及電動伸縮桿的前后伸縮移動準(zhǔn)確的嵌入待測光纖光柵解調(diào)儀設(shè)備上的某個通道插口上，以便通過光纖光柵解調(diào)設(shè)備讀取連接該通道上的光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)，并上傳到與待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備連接的檢測管理主機中，以便分析該通道的物理連接可靠性和采集數(shù)據(jù)的正確與否，以此來檢測待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備在生產(chǎn)過程中的性能、可靠性指標(biāo)正常與否。

2.1 光纖光柵解調(diào)設(shè)備生產(chǎn)線自動檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

該光纖光柵解調(diào)設(shè)備的生產(chǎn)線自動檢測裝置包括：儀器擺放工作臺、待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備、檢測管理主機、承載臺、兩軸聯(lián)動定位裝置、電動伸縮桿，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 光纖光柵解調(diào)設(shè)備生產(chǎn)線自動檢測裝置

儀器擺放工作臺用于放置和固定待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備；兩軸聯(lián)動定位裝置設(shè)置在儀器擺放工作臺上并固定在待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的左側(cè)，主要用于實現(xiàn)水平直線運動和垂直直線運動，實現(xiàn)光纖通道的檢測；承載臺固定在兩軸聯(lián)動定位裝置上，主要用于承載和固定電動伸縮桿；電動伸縮桿固定在所述承載臺上，并在兩軸聯(lián)動定位裝置的帶動下實現(xiàn)水平直線運動和垂直直線運動；管理主機主要分別實現(xiàn)跟兩軸聯(lián)動定位裝置、電動伸縮桿、待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的連接，在檢測光纖光柵解調(diào)器通道是否正常工作的同時，迅速定位故障通道的位置。

2.2 電動伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

光纖光柵解調(diào)設(shè)備的生產(chǎn)線自動檢測裝置的核心部件就是電動伸縮桿，主要功能是實現(xiàn)每個通道的檢測。電動伸縮桿包括伸縮桿、電動缸、FC/APC 接頭和光纖連接部。電動伸縮桿的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電動伸縮桿結(jié)構(gòu)示意圖

伸縮桿由電動缸驅(qū)動，伸縮桿的一端固定在電動缸靠近待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的一端，F(xiàn)C/APC 接頭則固定在伸縮桿的另一端，F(xiàn)C/APC 接頭的作用是接入光纖連接通道，實現(xiàn)跟待測光纖光柵解調(diào)儀的連接以及光纖數(shù)據(jù)的傳輸，而光纖連接部的功能是對接工作中的光纖，實現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)的采集，再通過FC/APC接頭將數(shù)據(jù)輸入到待測光纖光柵解調(diào)儀中。電動缸伸縮桿采用24 V 直流供電，行程比較小，只有30 mm，同時由管理主機控制電動缸的伸縮。

2.3 兩軸聯(lián)動定位裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

兩軸聯(lián)動定位裝置包括X軸直線模組、Y軸直線模組。其中，X軸直線模組固定在儀器擺放工作臺上固定有待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的一側(cè)，Y軸直線模組豎直設(shè)置在X軸直線模組上并可在X軸直線模組的帶動下作水平直線運動，承載臺則設(shè)置在Y軸直線模組上，并可在Y軸直線模組的帶動下作垂直直線運動。兩軸聯(lián)動定位裝置還包括用于測量FC/APC 接頭水平直線運動距離的第一光柵尺和用于測量FC/APC 接頭垂直直線運動距離的第二光柵尺，第一光柵尺和第二光柵尺分別與檢測管理主機連接。

2.4 多層固定支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

多層固定支架的功能是固定待測光纖光柵解調(diào)儀設(shè)備，多層固定支架包括：豎直支撐板、水平支撐底板，其結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖3 所示，多層固定支架后視圖如圖4 所示。

圖3 多層固定支架前方結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 多層固定支架后視圖

儀器擺放工作臺上固定設(shè)置有多層固定支架，多層固定支架用于放置若干個待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備。多層固定支架包括兩塊豎直支撐板和若干水平支撐底板，兩塊豎直支撐板相對設(shè)置，且互相平行，每層固定支架之間相互獨立。若干水平支撐底板設(shè)置在兩塊豎直支撐板之間，任何兩塊水平支撐底板之間的空間尺寸與待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的尺寸匹配，兩塊豎直支撐板在遠(yuǎn)離待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備通道的一側(cè)上設(shè)置了與待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備所在位置相匹配的限位構(gòu)件，主要是用于針對待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備在兩塊水平支撐底板之間的空間處進(jìn)行限位。限位構(gòu)件包括固定在豎直支撐板上的定位桿以及一端可圍繞定位桿旋轉(zhuǎn)的擋塊。

設(shè)置多層固定支架的功能在于在檢測上層固定支架的光纖光柵解調(diào)儀時，可以拆除下層已經(jīng)檢測過的光纖光柵解調(diào)儀，目的就是在可承重的前提下及時輪換放置待檢測的光纖光柵解調(diào)儀，將檢測完成的解調(diào)儀及時取走，方便更換新一批待測解調(diào)儀，實現(xiàn)往復(fù)循環(huán)，針對批量檢測的過程中，能有效提高檢測效率。

3 定位控制算法

光纖光柵解調(diào)儀設(shè)備的生產(chǎn)線自動檢測裝置的電動伸縮桿上設(shè)置有n個FC/APC 接頭（n≥1），用于同時匹配待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備上當(dāng)前層次的m個通道數(shù)，水平相鄰兩個通道中心的距離為d，垂直相鄰兩個通道之間的距離為h。每個FC/APC 接頭的光纖連接部連接有1 條光纖，而每條光纖上串接了若干個光柵傳感器，光纖光柵解調(diào)儀設(shè)備的每個通道的目的就是將這若干條串接光纖的數(shù)據(jù)按照每條光纖的數(shù)據(jù)分別解調(diào)出來，而該裝置就是用來檢測待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的通道是否正常工作。定位算法主要用于控制兩軸聯(lián)動定位裝置與電動伸縮桿相互配合使用，使得FC/APC 接頭自動插入待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的對應(yīng)通道內(nèi)部，以及讀取待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的信息，以分析判定待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的對應(yīng)通道連接的可靠性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

為了進(jìn)一步提高檢測效率、減輕檢測人員工作量，徹底解決光纖光柵解調(diào)設(shè)備生產(chǎn)過程中人工檢測繁瑣的問題。根據(jù)檢測任務(wù)需求的不同，裝置可以進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展，對應(yīng)的檢測方法也有所不同。本論文提出了三種光纖光柵解調(diào)設(shè)備的生產(chǎn)線自動檢測算法，用于實現(xiàn)不同情況下的檢測任務(wù)：

當(dāng)待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備當(dāng)前層次的通道數(shù)為m，電動伸縮桿上的FC/APC 接頭數(shù)n=1 時，管理主機的定位控制算法和運動軌跡為：

步驟（1）：管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置驅(qū)動電動伸縮桿上的1 個FC/APC 接頭運動至初始位置，也就是在最左側(cè)，并且剛好對準(zhǔn)放置在多層固定支架對應(yīng)層的待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的最左側(cè)通道；管理主機控制電動伸縮桿向前伸出，使得FC/APC 接頭與該待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的第1 個通道連接，完成數(shù)據(jù)交互后，管理主機控制電動伸縮桿向后縮進(jìn)，完成第一個通道的檢測任務(wù)，再向右移動d個距離；在檢測該待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的第i個通道時，檢測管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置向右移動（i-1）d，并且控制電動伸縮桿向前伸出，使得FC/APC 接頭與該待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的第i個通道連接，等檢測管理主機讀取對應(yīng)待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的信息后控制電動伸縮桿向后縮回，如此循環(huán)m次，直至檢測完該層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的m個通道；

步驟（2）：在檢測完一層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的m個通道后，檢測管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置向左運動回到該層初始位置，也就是最左側(cè)，在需要檢測上一層或下一層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備時，則檢測管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置垂直向上或垂直向下運動h的距離，然后重復(fù)步驟（1）即可完成檢測任務(wù)。

當(dāng)待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備當(dāng)前層次的通道數(shù)為m，電動伸縮桿上的FC/APC 接頭數(shù)，且時，管理主機的定位控制算法和運動軌跡為：

步驟（1）：管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置驅(qū)動電動伸縮桿上的n個FC/APC 接頭運動至初始位置，也就是在最左側(cè)，并且剛好使得最左側(cè)的FC/APC 接頭對準(zhǔn)放置在多層固定支架對應(yīng)層的待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的最左側(cè)通道；管理主機控制n個電動伸縮桿向前伸出，使得FC/APC 接頭與該待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的n個通道連接，完成數(shù)據(jù)交互后，管理主機控制電動伸縮桿向后縮進(jìn)，則完成該層次的檢測任務(wù)；

步驟（2）：在檢測完該層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的m個通道后，管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置垂直向上或垂直向下運動h距離，然后重復(fù)步驟（1）即可完成相鄰層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的通道的檢測任務(wù)。

當(dāng)待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備當(dāng)前層次的通道數(shù)為m，電動伸縮桿上的FC/APC 接頭數(shù)，且時，管理主機的定位控制算法和運動軌跡為：

步驟（1）：管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置驅(qū)動電動伸縮桿上的n個FC/APC 接頭運動至初始位置，也就是在最左側(cè)，并且剛好使得最左側(cè)的FC/APC 接頭對準(zhǔn)放置在多層固定支架對應(yīng)層的待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的最左側(cè)通道；管理主機控制n個電動伸縮桿向前伸出，使得n個FC/APC 接頭分別與待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的對應(yīng)n個通道分別一一對應(yīng)連接，完成數(shù)據(jù)交互后，管理主機控制電動伸縮桿向后縮進(jìn)，使得n個FC/APC 接頭分別與待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的對應(yīng)n個通道分離；

步驟（2）：管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置帶動電動伸縮桿上n個FC/APC 接頭往右運動n*d距離，繼續(xù)檢測下一n個通道，直至重復(fù)K次，其中K由式（1）計算得到。

如此循環(huán)則完成該層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的檢測任務(wù)；

步驟（3）：在檢測完該層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的m個通道后，管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置向左運動回到該層初始位置，也就是最左側(cè)，在需要檢測上一層或下一層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備時，則檢測管理主機控制兩軸聯(lián)動定位裝置垂直向上或垂直向下運動h距離，然后重復(fù)步驟（1）-（2）即可完成相鄰層待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的檢測任務(wù)。

該裝置的定位控制算法流程見圖5。

圖5 定位控制算法流程圖

4 結(jié)語

一種新的光纖光柵解調(diào)設(shè)備的生產(chǎn)線自動檢測裝置，其創(chuàng)新點為：設(shè)置多層固定支架，可同時對多個待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備進(jìn)行檢測，提高了檢測效率。通過多層固定支架對光纖光柵解調(diào)設(shè)備進(jìn)行限位，提高了檢測的精度。同時，該裝置采用光柵尺輔助定位，提高了定位精度。根據(jù)檢測任務(wù)需求的不同，裝置可以進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展，來應(yīng)對不通情況下的通道數(shù)和電動伸縮桿數(shù)量。

提出的3 種光纖光柵解調(diào)設(shè)備的生產(chǎn)線自動檢測算法，用于實現(xiàn)不同情況下的檢測任務(wù)。同時，對多層固定支架與兩軸聯(lián)動定位裝置的相對位置進(jìn)行合理設(shè)置，兩軸聯(lián)動定位裝置帶動電動伸縮桿上的n個FC/APC 接頭運動至最左側(cè)時，使得電動伸縮桿上的最左側(cè)的FC/APC 接頭正對待測光纖光柵解調(diào)設(shè)備的最左側(cè)通道，如此簡化了定位算法，提高了定位效率和檢測精度。

隨著自動檢測裝置的功能擴(kuò)展，能實現(xiàn)批量自動檢測的功能，無需人工一一檢測，有效降低人工成本，達(dá)到提高待測光纖光柵解調(diào)器在生產(chǎn)過程中的檢測性能，迅速判斷可靠性指標(biāo)正常與否，迅速定位故障通道的目的，適合批量投入市場使用。