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，測量穩定性好，現已被廣泛應用于電力、礦業、石化、建筑、橋梁、航空航天等領域。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、應變、壓力等）作用時會發生變化，且波長的變化量與外界物理量有確定的關系，因此數據解調是光纖光柵傳感系統應用的核心技術之一。目前，光纖光柵解調技術常用的方法有：可協調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、穩定性好^[1-4]的可協調F-P濾波器法。

    本文介紹了一種基于ARM與C#.Net的光纖光柵數據解調系統，系統由不同功能模塊構成，安裝方便，易于集成，可用于長期的現場測量。整個解調系統分為硬件和軟件兩大部分。硬件系統包括寬帶光源、光路系統和電路系統三部分，通過ARM控制整個硬件系統進行波長解調、數據傳輸；軟件系統是C#開發的C/S架構的上位機軟件，數據庫采用SQL Server，運行環境是Windows XP，系統人機交互方便，數據解調準確，可將得到的波長數據解析為實際物理量并將相關數據存入數據庫，克服了現有數據解調系統只解調波長、不解析實際物理量的弊端。

1 光纖光柵解調系統

    基于ARM與C#.Net的光纖光柵數據解調系統的系統結構圖如圖1所示。寬帶光源發出的光經過隔離器進入耦合器射入光纖光柵傳感器，在外界物理變化的作用下，FBG傳感器的反射信號將發生偏移，反射信號經過耦合器進入F-P濾波器，F-P濾波器在驅動電壓的作用下對反射回來的FBG傳感器的光波信號進行腔長掃描。當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，并將探測到的微弱的光信號轉換為電信號。通過A/D采集進入ARM處理器，ARM通過尋峰算法提取出與最大峰值相對應的F-P濾波器驅動電壓，由于驅動電壓與透射波長近似線性相關即可得到反射波長。ARM處理器將得到的波長值通過RS232/485傳給上位機，上位機軟件通過配置文件及FBG傳感器的物理特性，求出對應位置傳感器的待測物理量，并將物理數據通過曲線的形式呈現給用戶，同時把實時數據存入數據庫，方便用戶提取歷史數據進行相關數據分析。

1.1 硬件系統組成

    光纖光柵解調系統的硬件設計結構分為三部分，包括寬帶光源、光路系統(由光纖可調諧F-P濾波器、標準具及耦合器等光學器件構成)、電路系統(主要包括電源供電模塊、ARM控制電路、光電轉換放大電路及F-P驅動掃描電路)。系統采用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。光路系統中，光纖可協調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，最大調諧電壓為70 V，FSR小于18 V。光電轉換放大電路采用InGaAs PIN光電二極管，將光信號轉化為微弱的電流信號，通過一級放大將電流信號轉化為電壓信號，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驅動掃描電路是將由PIC16F877A輸出的PWM脈寬調制信號轉換為鋸齒波信號，然后作用于F-P濾波器的壓電陶瓷上。系統的控制單元采用ARM處理器的LPC2114 芯片，一個支持實時仿真和跟蹤的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特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，其控制流程圖如圖2所示。當上位機發出請求波長數據請求，控制系統將A/D采集值進行數字濾波處理，避免信號噪音對峰值解調產生干擾，再通過尋峰算法對數字濾波后的光譜進行處理，出現波峰位置對應的波長便是對應光纖光柵傳感器的實際波長值^[6-8]。

1.2 軟件系統設計

    現有的數據解調系統只能得到波長數據，不能與傳感器排布的位置及實際物理量相對應，用戶拿到數據后需進行大量人工標定操作，使用起來不方便。本系統可以很好地克服該弊端，創造更好的用戶體驗。

    當ARM通過串口把數據發給上位機后，軟件系統對數據進行處理，并將處理的數據進行整合、存庫、顯示。上位機軟件使用C#開發，數據庫采用SQL Server，運行環境是Windows XP。上位機軟件主要實現的功能：實時解調顯示通道波長、光譜數據以及定制的物理量（如溫度、應變、位移等）；針對不同傳感器的計算公式，可實現高次多項式公式的編輯及運算；具備遠程登錄和遠程操作功能，實時監控解調儀；具備實時解調數據遠程輸入數據庫功能；可實現歷史數據查詢與報表功能。系統主界面如圖3所示，主要分為3個板塊：板塊1主要功能是系統控制，用于實現傳感器配置、解調儀配置、激光器開啟/關閉、采集開始/結束、退出系統等功能；板塊2主要用于采集數據的顯示；板塊3為信息欄，可顯示解調儀的實時狀態。采集配置主要包括【參數設置】和【通訊設置】等功能：參數設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、計算公式進行設置，方便系統實現復雜公式計算；通訊設置可用于配置遠程登錄、遠程數據傳輸以及串口設置，用戶可以根據需求，設置對應的IP地址和端口號用于遠程登錄和遠程數據傳輸。解調參數可對光纖光柵解調儀8個通道的PEAKADC、DBMADC進行設置，便于系統辨識所有傳感器的峰值數據。數據查詢功能可向用戶提供系統解調的歷史數據，并可將其導出。主界面的【開啟激光器】用于控制內部激光器的開啟和關閉，紅燈表示激光器關閉，綠燈表示激光器開啟；點擊【開始采集】，默認進入波長采集；點擊主界面的【光譜】、【溫度】、【應變】、【位移】、【力】按鈕，進入相應數據采集界面，同時繪制相應的物理量曲線。

2 實驗測試

    為驗證光纖光柵解調系統的可行性，將系統接入5個FBG光纖光柵應變傳感器，在沒有應變的情況下進行解調，實驗解調結果如表1所示。數據表明：解調的應變波長與中心波長基本吻合，解調精度較高。從實驗采集的光譜數據分析可得，光譜隨時間的波動較小、信噪比高，波長解調準確性高，系統可實現高速解調，且解調精度可達到±0.1 pm，基本滿足設計要求。

3 現場應用

    風陵渡黃河特大橋于1994年11月建成通車，全長1 409 m，由主孔橋和邊孔橋組成。根據風陵渡黃河公路特大橋的結構特點，橋梁健康監測系統主要監測環境溫度、關鍵界面應力、主梁振動、吊桿內力以及主梁變形，其中橋梁結構應力是判斷橋梁結構安全最直接的指標。整個橋梁健康監測系統的傳感器采用光纖光柵傳感器，系統布設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。該系統主要由解調儀模塊、工控機主板、觸摸屏和電源模塊組成，多個傳感器通道可以同時解調多條光纖上的傳感器并進行通道分析，獲得的所有數據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。

    系統經過一段時間的試運行，運行結果表明，系統穩定可靠，分析測得的波長與應變數據可知，數據整體變化趨勢及測得的應變值與相應狀態下結構物理參數理論變化值接近，說明光纖光柵數據解調系統基本滿足橋梁健康監測的需求，可以廣泛應用。

4 結論

    本文基于ARM與C#.Net開發了一套C/S架構的光纖光柵數據解調系統，通過ARM實現對光譜數據的濾波、尋峰和波長計算，并將計算的數據通過串口發送給上位機，上位機軟件采用C#.Net開發了一套光纖光柵數據采集系統，用于對采集的波長數據進行管理，方便人機交互。經過長期重復性和穩定性測試，系統可實現高速解調，且解調精度可達到±0.1 pm。將光纖光柵數據解調系統在風陵渡黃河大橋上進行現場測試，其精度與穩定性可以滿足橋梁健康監測需求，說明系統有很高的實用價值。

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