光纖傳感空分復(fù)用下多點溫度與應(yīng)力的監(jiān)測顯示

摘要：多參量多點實時監(jiān)測顯示是傳感研究領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。以光纖Fabry-Perot(F-P)腔與光纖Bragg光柵(FBG)傳感器的串聯(lián)復(fù)用結(jié)構(gòu)為單元構(gòu)建空分復(fù)用(SDM)系統(tǒng)，設(shè)計了溫度、應(yīng)力多點實時顯示的方案。由FPGA構(gòu)建的SOPC與NiosⅡ完成對多監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集，由VB串口通信接收FPGA存儲器存儲的采集數(shù)據(jù)，再把此數(shù)據(jù)由高斯曲線擬合方程處理得到溫度和應(yīng)力的參數(shù)值，最后用VB實現(xiàn)監(jiān)測顯示。結(jié)果表明F-P腔與FBG串聯(lián)能有效克服溫度與應(yīng)力的交叉敏感，F(xiàn)PGA結(jié)合VB能很方便的實現(xiàn)多參量多點的實時監(jiān)測顯示。
關(guān)鍵詞：光纖傳感；空分復(fù)用；溫度與應(yīng)力顯示；FPGA；VB

0 引言
    近年來，光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用在各行各業(yè)中得到了快速的發(fā)展。人們對待測物理量在精度、性能、容量以及多參數(shù)等方面提出了更高的要求。這極大地促進(jìn)了光纖光柵傳感復(fù)用類型相關(guān)理論和技術(shù)的研究，而解調(diào)顯示技術(shù)正是其中的一個重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)常以ARM，DSP，F(xiàn)P GA等芯片為核心控制多路數(shù)據(jù)信號的采集、存儲和處理，并用LabVIEW，VB，Matlab及其混合使用等做界面顯示處理。
    文中FPGA與VB結(jié)合實現(xiàn)多參量的監(jiān)測顯示，得益于FPGA高度集成、內(nèi)部資源豐富、功能強(qiáng)大、時序控制精確、支持并行處理、編程靈活等優(yōu)點；VB簡潔易懂、界面設(shè)計簡單。
    本文主要完成了對多監(jiān)測點雙參數(shù)監(jiān)控顯示的研究。FBG能通過反射或透射波長實現(xiàn)對溫度的測量；F-P可用做可調(diào)諧F-P腔、濾波器、傳感器等，調(diào)節(jié)腔長與電壓的關(guān)系能實現(xiàn)對應(yīng)力解調(diào)。故首先設(shè)計了一種基于FBG與F-P腔傳感器串聯(lián)復(fù)用，并對其進(jìn)行空分復(fù)用，構(gòu)建成能實現(xiàn)多監(jiān)測點雙參數(shù)高精度解調(diào)的系統(tǒng)。分析F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用的光譜，可知能實現(xiàn)待測信號的高精度解調(diào)：即F-P腔長(應(yīng)力)和FBG反射中心波長(溫度)的同時測量。并使用FBG和F-P腔分別對溫度與應(yīng)力進(jìn)行測量，進(jìn)而與F-P腔和FBG串聯(lián)復(fù)用所得結(jié)果進(jìn)行比較，通過實驗對該方法進(jìn)行了驗證。而空分復(fù)用就能實現(xiàn)多個監(jiān)測點的雙參數(shù)高精度解調(diào)。此后由FPGA構(gòu)建的SOPC與NiosⅡ完成對多監(jiān)測點雙參數(shù)的數(shù)據(jù)采集；由VB串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并把采集到的數(shù)據(jù)帶入高斯曲線擬合方程中，求出具體的溫度與應(yīng)力，并用VB界面實現(xiàn)了監(jiān)控顯示。

1 原理分析與理論模型
1．1 FBG的應(yīng)變和溫度響應(yīng)
    根據(jù)光纖耦合模型理論可知，滿足Bragg條件的反射光波長為：
    λB=2neffΛ      (1)
    式中：Λ為光柵周期；neff為有效折射率。當(dāng)Λ和neff因外界同時引起較小的變化ΔΛ和Δneff時，由Bragg條件可知，反射波長會發(fā)生移位ΔλB。ΔλB可表示為：
    △λB=2△neffΛ+2neffΔΛ     (2)
    若溫度、應(yīng)變共同作用時，產(chǎn)生的Bragg波長位移ΔλB，用線性關(guān)系可表示為：
   
    式中：α是光纖材料的熱膨脹系數(shù)；△T是溫度變化量；pmn為材料的光彈系數(shù)；v2，v3為泊松比。由式(3)可知，由單一FBG在測得中心波長移動ΔλB時，還需知道溫度才能求出應(yīng)變，這就是溫度與應(yīng)變的交叉敏感問題。當(dāng)應(yīng)變和溫度同時發(fā)生變化時，光纖光柵無法區(qū)分由二者獨(dú)自引起的波長變化，測量其中一個量時，總會受到另一個量的影響。為解決交叉敏感問題，人們提出了多種方法，其中串聯(lián)復(fù)用傳感就是一種有效的方法。如光纖布拉格光柵和長周期光柵結(jié)合的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)油氣井下應(yīng)力和溫度的同時測量。本文研究F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用傳感，能消除交叉敏感影響，并對該串聯(lián)復(fù)用傳感器進(jìn)行空分復(fù)用實行多點監(jiān)測，最終用VB編碼實現(xiàn)數(shù)值界面顯示。
1．2 F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用傳感器的解復(fù)用
    因為F-P腔有溫度-壓力交叉敏感性能實現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償，能使測量精度提高，故可采用F-P腔與FBG串聯(lián)復(fù)用傳感器的解復(fù)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    原理闡述：光從光纖左端入射Iin，進(jìn)入FBG與F-P腔串聯(lián)復(fù)用的結(jié)構(gòu)中，首先經(jīng)過FBG溫度傳感器，此時Bragg反射波長附近的一部分光I1被反射，而透射光I2入射到F-P腔傳感器，得到F-P反射光譜為一低反襯度的F-P腔干涉光譜I3，I3再通過FBG傳感器，其透射光部分為I4。與之前的FBG傳感器反射光I1相疊加形成最終的輸出光譜Iout。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
    Iout=I1+I4=Iin[fFBG+(1-fFBG)2fF-P]      (4)
    式中：fFBG=R·exp[-(λ-λB)2／c2]，即用高斯分布來表示FBG的反射譜，R為光柵峰值反射率；λB為Bragg反射中心波長；c值的大小用于表征反射峰的寬度；fF-P=2r[1+cos(4πL／λ+π)]，其中r為光纖端面反射率。L為F-P腔的腔長，λ為光波長。
    由式(4)可知，由傳感器返回的光譜并不是FBG傳感器與F-P腔傳感器各自反射光譜的簡單疊加。此時，若直接采集光譜信號中的FBG反射峰值波長作為FBG傳感器的溫度解調(diào)信號，將導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生偏差，影響溫度測量精度。為了得到精確的FBG反射光譜信號，將式(4)展開成為關(guān)于fFBG的一元二次方程：
   
    解此方程，可得精確的FBG反射光譜，進(jìn)而通過對解出的光譜峰值部分進(jìn)行高斯擬合，求解出中心位置，即可解出FBG的中心波長。式(5)中Iout和Iin是可直接測量得到的光譜分布數(shù)據(jù)，fF-P通過F-P腔反射光譜的交叉相關(guān)解調(diào)算法得到。消除FBG對F-P腔解調(diào)的影響只需找到FBG的粗略峰值位置，將FBG峰值部分光譜數(shù)據(jù)從光譜中扣除。由于FBG光譜寬度遠(yuǎn)小于寬譜光源寬度，而交叉相關(guān)計算對于小范圍光譜數(shù)據(jù)的缺失不敏感，因而不影響F-P腔解調(diào)結(jié)果的精度。
    將相關(guān)解調(diào)計算得到的fF-P帶入式(5)，得到方程的解為：
   
    在實際解調(diào)過程中，可取測量得到的原始FBG光譜峰值附近一定范圍的光譜數(shù)據(jù)做上述運(yùn)算，得到分離后FBG的新光譜并進(jìn)行高斯擬合，即可得到精確的FBG的中心波長位置。故該串聯(lián)復(fù)用能實現(xiàn)雙參數(shù)解調(diào)。

2 解調(diào)研究
2．1 FBG與F-P腔傳感串聯(lián)復(fù)用進(jìn)行空分復(fù)用的解調(diào)
    分析FBG與F-P腔傳感串聯(lián)復(fù)用可知，能同時實現(xiàn)對溫度和應(yīng)變的高精度測量。通過對該串聯(lián)復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行空分復(fù)用，能實現(xiàn)對多監(jiān)測點的雙參數(shù)測量。以可調(diào)諧窄帶激光F-P腔做光源，可使各分路的光功率提高，提高系統(tǒng)的信噪比，解調(diào)范圍可控制。為此構(gòu)建一個能同時測量溫度和應(yīng)變，并且能大幅度提高精確度的空分復(fù)用系統(tǒng)。對該空分復(fù)用系統(tǒng)各路光纖進(jìn)行解調(diào)設(shè)計的原理如圖2所示。

    首先用FPGA控制多路選擇開關(guān)，選擇具體的某路光纖。進(jìn)入到光電探測器中，將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號并用A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采集完數(shù)據(jù)并存儲于FPGA存儲器中，再進(jìn)行下一路光纖數(shù)據(jù)的采集，如此循環(huán)，在一給定的時序內(nèi)完成所有光路的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)用數(shù)組存儲。最終通過對FPGA進(jìn)行配置與編程，實現(xiàn)對存儲器的讀寫轉(zhuǎn)換，用RS 232數(shù)據(jù)線通過VB串口通信連接到計算機(jī)中進(jìn)行處理，實現(xiàn)對溫度／應(yīng)力的顯示。FPGA的I／O端口可擴(kuò)展為多路開關(guān)和A／D轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步能實現(xiàn)對更多路的監(jiān)測解調(diào)。
2．2 數(shù)值界面監(jiān)控顯示
2．2．1 軟核配置與數(shù)據(jù)采集
    以FPGA開發(fā)板EP2C8Q208為硬件平臺，在QuartusⅡ11．0的SOPC Builder里，設(shè)計NiosⅡ軟核處理器及功能模塊。直接調(diào)用Altera提供的IP核，功能模塊IP核經(jīng)配置后，即可加入到系統(tǒng)中。此處添加的模塊有CPU，SDRAM，F(xiàn)LASH，PIO，SPI，M4KRAM，UART，DS等。其連接圖如圖3所示。

    PIO模塊主要用來實現(xiàn)A／D的配置和控制；RAM為緩沖存儲塊，設(shè)置為雙端口RAM，一個端口寫，另一個端口讀；DS時鐘模塊進(jìn)行時序控制；SDRAM隨機(jī)存儲器；FLASH程序下載固化時用；NiosⅡ軟件編程控制模塊，通過各模塊的配置以及NiosⅡ的程序來尋址IP核，完成數(shù)據(jù)的采集；以RS 232串口線完成FPGA與PC的連接，并由UART與編寫的VB串口實現(xiàn)通信。
2．2．2 數(shù)據(jù)串口通信
    主要是將NiosⅡIDE main()里的數(shù)組尋址RAM模塊讀來的數(shù)據(jù)，傳送到VB串口接收窗口中，以NiosⅡ軟核處理器中的UART(RS 232)實現(xiàn)數(shù)據(jù)與PC通信。此處需在PC上用VB編寫一個串口通信端口來接收RAM里的數(shù)據(jù)。注意UART與VB接收端口的波特率必須一致，否則不能成功通信。以下為VB處理代碼：
    (1)VB串口端口通信，由mscomm控件來完成通信，其初始化為：
   
    (3)TxtReceive接收文本的數(shù)據(jù)，每過5 s刷新數(shù)據(jù)，并繼續(xù)接收由FPGA采集傳來的數(shù)據(jù)。由timer控件處理，其屬性Enabled為True，Interval為5 000，timer()事件為Form1．Text1．Text=串口調(diào)試軟件．TxtReceive．Text。確保引用接收到的數(shù)據(jù)是實時正確的。
2．2．3 VB界面顯示
    將VB串口通信接收端接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過高斯曲線擬合方程處理，求出對應(yīng)的溫度和應(yīng)力。由于條件限制，實驗中采用的FBG中心波長均為1 550 nm，腔長為15 μm的F-P腔。以第1路光纖為例，實驗測得的參數(shù)由Matlab進(jìn)行高斯曲線擬合結(jié)果如圖4所示：圖4(a)為F-P腔長與應(yīng)力變化關(guān)系曲線，在F-P腔長為8．5 μm范圍內(nèi)對應(yīng)著10-3ε，擬合的高斯方程可表示為：
    F=(L-15)×1 000／85            (7)
    式中：L代表所測的F-P腔長；F代表應(yīng)力。故由測得的腔長L可求出F。

    圖4(b)為FBG反射中心波長與溫度變化關(guān)系，擬合的高斯方程為：
    λB=9．565T+1 550．121 75      (8)
    式中：T代表所測溫度；λB代表FBG反射中心波長。故由測得反射中心波長λB可求出T。最后通過VB代碼編寫實現(xiàn)所測溫度與應(yīng)力的界面監(jiān)控顯示。
    這里以引用VB串口接收8路通道采集的數(shù)據(jù)為例，雙參數(shù)顯示的代碼如下：

    由FBG0采集的數(shù)據(jù)，用Matlab高斯曲線擬合通過方程處理求出T／F。

    由FBG1采集的數(shù)據(jù)，用Matlab高斯曲線擬合通過方程處理求出T／F。

    多路解調(diào)雙參數(shù)T／F數(shù)值監(jiān)控顯示的實驗結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)語
    理論與實驗結(jié)果分析可知，F(xiàn)BG與F-P腔串聯(lián)復(fù)用傳感器可以消除溫度與應(yīng)力的交叉敏感，能實現(xiàn)對監(jiān)測點溫度與應(yīng)力的高精度解調(diào)，同時由空分復(fù)用可實現(xiàn)多個監(jiān)測點的同時測量。系統(tǒng)設(shè)計采用FPGA+NiosⅡ完成數(shù)據(jù)的采集與VB通信的處理。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能可靠，準(zhǔn)確的對溫度與應(yīng)力實現(xiàn)實時監(jiān)控，且運(yùn)行穩(wěn)定。而FPGA的預(yù)留I／O端口可作為擴(kuò)展端口使用，以便實現(xiàn)更多監(jiān)測點的測量。當(dāng)實時性達(dá)到一定精度后，該方案就能滿足大型工程的應(yīng)用需求，如在航空航天的衛(wèi)星發(fā)射時，對其各子系統(tǒng)溫度與應(yīng)力的實時動態(tài)監(jiān)控；以及對大型機(jī)械廠房溫壓的實時動態(tài)監(jiān)控等等。