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基于LabVIEW的光纤光栅传感干涉解调系统仿真设计

2008年第4期

仪表技术与传感器

InstrumentTechniqueandSensor

2008

No.4基于LabVIEW的光纤光栅传感干涉解调系统仿真设计

邝业成,余有龙,胡亮,李意峰

(暨南大学光电工程研究所,广东广州510632)

摘要:针对光纤光栅传感器干涉解调技术,发展了一种基于ImbVlEW软件平台的虚拟仪器,用于对扫描干涉输出信

号进行带通滤波等处理,并具备锁相和相移信息提取,并对监测到的待测信息进行实时显示等功能。另外,它还可用EX—CEL表格自动记录获得的数据,便于操作、控制,为该类传感技术的进一步实用化提供了新思路。

关键词:光纤光栅;LabVlEW;干涉解调;信号处理;虚拟仪器

中图分类号:TP311TF274文献标识码:A文章编号:1002—1841(2008)04—0019—02

SimulationDesignonFiberBraggGrating(FBG)Interferometrie

DemodulationSystemBasedonLabVIEW

KUANGYe—eheng,YUYou-long,HULiang,LiYi-feng

(InstituteofOpto-electronicalEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

Abstract:AimingatthefiberBragggrating(FBG)[沱ngorinterferometriedemodulationtechnology,avirtualinstnnnentsys—tembasedonLabVIEWwasintroduced.Thescannedinterferometricinputsignaldatacanbeprocessedbythesystem,anditacts

asanarrowband—passfilter.Thelock-infunctioncanbecarried

outandrelativephaseoftheinputsi伊lal

Canbedetermined.It

displaysthechangeofsensingsignalandsavesitintoexceltableautomaticallyafterprocessingthesignal.Itiseasytobeopera-ted,eontroHed,andprovidesanewideaforFBGsensingtechnology.ThesystemCanprocessthescannedinterfemmetricinput

8i昏lal

data,anditactsasanan'owband—passfilter.

Key

words:fiberBragggrating;LabVIEW;interferometficdemodulation;signalprocessing;virtualinstrument

0引言

采用波长编码的光纤光栅(FBG)传感器的传感结果不受光源功率的波动及光路中连接和传输损耗的影响,具有高灵敏度、易于复用等特点,因此广泛应用于应变、温度、压力等多种物理量的测量¨.2’。该类传感技术实用化必须要解决的关键的技术之一是发展稳定、有效的解调技术以及与之配套的信号处理技术。常见的解调方法有滤波法和干涉法等一。4J,其中干涉法适合于动态测量,其传感分辨率可达到微应变甚至以下的数量级。虽然非平衡干涉解调技术已多有报道,但与之配套的信号处理技术还不成熟,如何有效地从干涉输出中提取相移信息,换算并实时显示待测信息(如:应变),是信息处理领域亟待攻克的难题。

I.abVEIW具有图形化编程以及多功能的编程语言等特点,便于与其他测量硬件之间的连接,并可对硬件设备的数据进行采集和控制,还可对数据进行分析、处理和显示,适合于应用程序的开发”J。

干涉解调技术通过将波长漂移信息变为相移信息,定标后得到解调目的。传统的方法中涉及到的滤波、放大、相移探测等技术分别借助滤波器、信号放大器和相位计来完成的。参数范围的设定是在仪器面板上进行的,数据处理一般由计算机M。71或人工来完成的,无法直接给出待测

基金项目:教育部“新世纪优秀人才支持计划”项目(NCET一04—0828);广东省自然科学基金重点项目(04105843)

收稿日期:2007—09—28收修改稿日期:2008-01—06信息。整个装置庞大、费用高,操作过程也非常繁琐,不实用。相位显示的范围一般是O一360。,严重地限制了系统的测量范围。利用LabVIEW软件平台,通过虚拟相位计对采集到的来自干涉输出的数据信号,进行带通滤波和锁相处理,得到相移信息。并利用计算机实时显示监测到的信息,并自动存储数据。发展的条纹计数技术,有力于拓宽系统的监测范围。

1光纤光栅传感干涉解调原理

能被光纤光栅反射的光波,其反射波长A满足布喇格公式:

AB=2n4(1)式中:A为光栅常数;n甜为光栅纤芯处的有效折射率。

其微分形式为

AAB=2AndA+2n毋AA(2)通过对折射率和光栅常数的影响,作用于光栅的轴向应变、温度和径向压力可直接影响FBG的布喇格波长,观测波长漂移量△A。,便可判断待测信息的变化。

利用Michelson干涉解调技术,将FBG的反射光信号通过非平衡波长扫描Michelson干涉仪进行波长解码,把波长漂移转换为相位差的变化(称为“相移”),经过光电转换,通过锁相放大器观测相移,从而可以获得传感信息哺】。基本原理图如图1所示。

而干涉仪的输出表示为

万方数据

InstrumentTechniqueandSensorApr.2008

3dB耦合器传感光橱

腼争——、、lJ放大器

PZTK才叫卜伊—_T—_,—]

镏船删器申随

I扫描干涉仪l坚:;!竺

信号发生器

刀/1

锁相放大器

图1基于Michelson干涉仪的解调原理图

,=,o{1+cos【中一等AAe一警c。曲(专)。(t.rect(专))】)

(3)

式中:,o为入射光强;x为对应干涉条纹的可见度;币为静态相移;一冬哗△A。为入射波长变化引起的动态相移;一4百"trnZ址o

^B^曰1

comb(÷)o(I?rect(专))是压电陶瓷(Pzl')对两臂间光程差的微扰导致的相移。

由于相位计参考信号与PZT驱动信号一致,则其显示的相移值△币就是

△予=署△AB(4)

AB

设计的目的是在LabVlEW平台上开发实现锁相放大器基本功能,能够对波形移动一个周期时进行判断并计数,极大的拓展了系统的测量范围,通过数据处理实现了实时显示传感量的变化。‘

2LabVIEW编程实现

实验中传感FBG的长度约为Icm,带宽△A。庀=O.2nm,中心波长为1553.82rim;输出端接有隔离器的ASE的功率为45ttW;全光纤扫描迈克耳逊干涉仪两端镜的反射率相等,接近90%,平均臂长为441era,L=3lllnl,光纤介质的折射率为1.4489;锯齿波驱动信号的频率为80Hz,占空比接近1;探测器工作的波长范围为900—1700啪;选用数据采集卡信号为PCI一4472,有8个同步输入端子,分辨率为24bit,动态范围为110dB,最大采样率为102.4kS/s.传感信号经过干涉仪解调后通过数据采集卡进行数据采集及处理。

锁相放大器的主要功能是精确测量被掩盖在噪声中的微弱信号。利用LabVIEW软件可以根据分析参考信号的频率和相位,对待测信号作快速傅立叶变换来消除噪声,相当于一个以参考信号的频率为中心的狭窄的带通滤波器,提取需要的特定频率信号"】。

参考信号通过内部参考合成器提取其频率和相位信息,并生成其基频正弦和余弦信号。此信号与放大的待测信号相乘,对于每个频率成分的待测信号,相乘器产生了输出信号包括了两部分,其中一部分的频率等于参考信号和待测信号的频率差值,另一部分的频率为参考信号与待测信号的频率之和。待测信号中频率与参考信号一致的那部分信号,经过第一个相乘器后出现频率为0的信号成分(为直流信号),而经过第二个相乘器后出现频率为两倍参考信号频率的信号成分。2路信号分别通过低通滤波器,滤波后为直流信号,分别为A?cosO和A?sin0.其振幅与待测信号一致,相位为待测信号与参考信号相位之差值。因此通过对这两路信号的处理可以把待测信号的振幅和与参考信号的相位差提取出来,实现锁相放大器的功能。基本原理图如图2所示。

图2锁相放大器设计原理图

提取出来的相位差读数的取值区间为一叮r一订,如果引入条纹计数功能,可以大大拓宽了系统的测量范围。利用锁相放大器经过一个周期后相移值突变的原理,判断其变化趋势的导数若为90。或一900,可进行条纹计数,并增加了置零选择功能,选择正常显示为原始相位数据,若开始记录传感量可选择置零,设定此时相位为零,以此为基准值计算传感量。条纹计数VI的后面板程序框图如图3所示。联系相移与FBG的波长漂移关系以及与传感量之间的关系,将提取出来的相位差值经过公式节点可以直接计算出所需要的传感信息。其后面板程序如图4所示。

图3条纹计数器程序框图

图4公式运算程序框图

接下来只需要把传感信号用波形图表控件显示出来,同时调用系统自带的电子表格写入子程序:驯tetospreadsheetfile.、ri,按当前时间将其以.】【ls的文件形式保存。(下转第87页)

万方数据

第4期陆荣等:PID控制器的量子粒子群多目标优化设计87

(上接第加页)控件追加数据的功能为,当无操作时,系统将采集

的数据重复地写入电子表格的第一行;当鼠标点击并释放它时,则

开始按照时间依次存储采集的数据。其程序框图如图5所示。

圈5显示和记录数据程序框图

主程序的前面板框图如图6所示,只需要在此面板上进行参数的输入,即可实时观测到传感量的变化。对传感光栅进行拉伸,可在程序界面上实时观测其应变变化。当对光栅所受应变为1057肛,锁相放大器相位读数为146.1240,条文数为一5,选择物理量为应变,可算出此时应变量为1053雌,误差为o.38%。

3结束语

通过LabVIEW虚拟仪器平台开发针对FBG干涉解调的具有条纹计数功能锁相放大器,实时显示传感信号的变化,具有便于操作、控制方便及直观等优点。利用数据采集卡把多路真实传感信号采集,在该系统的基础上模拟多通道锁相放大器,可对FBG传感网络进行实时监测。由于采用了虚拟仪器,大大降低装置成本,使其具有广阔的应用前景。

参考文献:

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圈6主程序前面板框图

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作者简介:邝业成(1983一),硕士研究生。主要从事光纤光栅传感技术

及其在工程中的应用方面的研究。

万方数据

基于LabVIEW的光纤光栅传感干涉解调系统仿真设计

作者:邝业成, 余有龙, 胡亮, 李意峰, KUANG Ye-cheng, YU You-long, HU Liang, Li Yi-feng

作者单位:暨南大学光电工程研究所,广东广州,510632

刊名:

仪表技术与传感器

英文刊名:INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR

年,卷(期):2008,(4)

引用次数:0次

参考文献(8条)

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4.Yu Youlong Fiber-Laser-Based Wavelength-Division Multiplexed Fibet Bragg Grating Sensor System 2001(7)

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1.期刊论文周伟林.杨华勇.胡永明.ZHOU Weilin.YANG Huayong.HU Yongming基于LabVIEW光纤光栅波长移位检测

系统-激光与光电子学进展2006,43(4)

LabVIEW是一个高效的图形化程序设计环境,它在测量、测试及工业控制领域已有广泛的应用.介绍了一种基于LabVIEW的光纤光栅波长移位检测系统,依靠虚拟仪器工作平台(LabVIEW),实现了PC机与可调谐激光器之间的通信及数据采集、分析和显示;从而快速、智能化地实现了光纤光栅波长移位检测.实验表明该系统的波长检测灵敏度为0.00965nm/℃,波长分辨率为2pm,波长检测范围不受系统限制,一般可达30 m以上.

2.学位论文黄耀新型光纤光栅振动传感解调技术研究2009

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布置的拓扑结构。利用自平衡法对实验用桥墩进行24小时加载,并记录光纤光栅反射谱数据。通过加载实验结果,结合神经网络技术,提出了对桥墩载荷分区监测的概念,判断合理的安全使用范围,相对误差小于5%。 4、创新性地引入神经网络数据融合算法对光纤光栅传感器的温度补偿作尝试性的研究。调节悬臂梁结构获得的应变信号作为神经网络的目标量信息输入,调节温度循环箱模拟测试环境的温度变化作为神经网络的非目标量信息输入。温度循环分为三个档次,中心温度分别为T=5℃,25℃,45℃,每个温度档次有±5℃的波动。传感信号经过神经网络数据融合算法的温度补偿后

,其均方误差都小于5με,识别率是温度补偿前的10-20倍。研究表明,神经网络算法适用于光纤光栅应变传感器的温度补偿,为今后的包含温度信息的多传感器数据融合研究提供了依据。

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传感解调-传感技术学报2008,21(1)

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,对传感器进行了温度系数标定试验,考察了传感器封装技术的重复可靠性。此外,本章还介绍了光纤光栅间接测量物理量传感器,自行开发了光纤光栅拉杆式位移传感器和光纤光栅微位移传感器,用以大位移量程和微位移的测量。 第三章介绍了自行开发的光纤光栅与电类传感器同步测量系统。该系统软件基于LabView编程环境,利用NI PXI-1044仪器,将电信号测量模块嵌入了Si425光纤光栅解调程序中,同时采样及存储,从而实现了真正意义上的同步测量。这种同步测量系统在大厦模型试验中得到了应用。通过系列试验考察了这种同步测量系统的可靠性和工作稳定性,同时也验证了所开发的短标距光纤光栅应变传感器的工作性能。 第四章主要内容是光纤光栅传感器在模拟地震激励下的模型动力特性监测的应用。介绍了海底管线地震反应特性试验、仿真碾压混凝土大坝分段模型地震模拟试验以及拱坝整体模型地震破坏试验。试验结果表明,光纤光栅传感器所监测到的应变与传统电阻应变片测量结果以及理论计算结果一致。试验结果证明光纤光栅具有体积小、精度高、方便安装的优点,具有很好的发展前景。 第五章介绍了光纤光栅传感器作为核心传感元件的实际工程应用。首先介绍了应用于地源热泵系统地下温度测量的光纤光栅分布式温度监测系统。该温度监测系统的目的是测量地下深井沿管方向的温度长期变化趋势,并考察光纤光栅温度传感器的长期测量的可靠性。在海洋石油平台应用项目中,在单立柱平台底部安装了光纤光栅应变及温度传感器,用于平台的结构健康监测。传感器成功监测到了海浪及船冲击对平台的外荷载作用。监测结果表明,光纤光栅具有在恶劣环境下长期稳定工作的能力,能够应用于海洋石油平台结构的长期实时健康监测。本章介绍了自行开发的基于光纤光栅传感技术的海洋石油平台整体荷载实时监测系统。 第六章还介绍了光纤光栅在医学工程的应用,利用光纤光栅微位移传感器监测了足跟腱和膝韧带的变形状况,获得了令人鼓舞的成果。

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提出了一种基于Labview语言的实时数据采集及处理系统设计方案,介绍了光纤光栅温度传感波长解调原理,应用Labview语言编写了程序,实现对数据的处理和显示,试验结果表明:该系统能够有效利用计算机实现信号的处理,满足FBG传感器实时数据采集和处理的要求,获得了0.3℃温度测量精度和0.1

℃分辨率.

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