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光纖傳感空分復用下多點溫度與應力的監(jiān)測顯示

   2013年03月05日 16:13  
  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)復用結(jié)構(gòu)為單元構(gòu)建空分復用(SDM)系統(tǒng),設(shè)計了溫度、應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力的參數(shù)值,zui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;空分復用;溫度與應力顯示;FPGA;VB
  
  引言
  
  近年來,光纖光柵傳感技術(shù)的應用在各行各業(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。這極大地促進了光纖光柵傳感復用類型相關(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)PGA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、功能強大、時序控制、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)復用,并對其進行空分復用,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腔分別對溫度與應力進行測量,進而與F-P腔和FBG串聯(lián)復用所得結(jié)果進行比較,通過實驗對該方法進行了驗證。而空分復用就能實現(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
  
  1.1FBG的應變和溫度響應
  
  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變,這就是溫度與應變的交叉敏感問題。當應變和溫度同時發(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)油氣井下應力和溫度的同時測量。本文研究F-P腔與FBG串聯(lián)復用傳感,能消除交叉敏感影響,并對該串聯(lián)復用傳感器進行空分復用實行多點監(jiān)測,zui終用VB編碼實現(xiàn)數(shù)值界面顯示。
  
  1.2F-P腔與FBG串聯(lián)復用傳感器的解復用
  
  因為F-P腔有溫度-壓力交叉敏感性能實現(xiàn)對溫度的補償,能使測量精度提高,故可采用F-P腔與FBG串聯(lián)復用傳感器的解復用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
  
  原理闡述:光從光纖左端入射Iin,進入FBG與F-P腔串聯(lián)復用的結(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zui終的輸出光譜Iout。其數(shù)學表達式為:
  
  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,將導致結(jié)果發(fā)生偏差,影響溫度測量精度。為了得到的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,可得的FBG反射光譜,進而通過對解出的光譜峰值部分進行高斯擬合,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)做上述運算,得到分離后FBG的新光譜并進行高斯擬合,即可得到的FBG的中心波長位置。故該串聯(lián)復用能實現(xiàn)雙參數(shù)解調(diào)。
  
  2、解調(diào)研究
  
  2.1FBG與F-P腔傳感串聯(lián)復用進行空分復用的解調(diào)
  
  分析FBG與F-P腔傳感串聯(lián)復用可知,能同時實現(xiàn)對溫度和應變的高精度測量。通過對該串聯(lián)復用系統(tǒng)進行空分復用,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變,并且能大幅度提高度的空分復用系統(tǒng)。對該空分復用系統(tǒng)各路光纖進行解調(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。zui終通過對FPGA進行配置與編程,實現(xiàn)對存儲器的讀寫轉(zhuǎn)換,用RS232數(shù)據(jù)線通過VB串口通信連接到計算機中進行處理,實現(xiàn)對溫度/應力的顯示。FPGA的I/O端口可擴展為多路開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換,進一步能實現(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SOPCBuilder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時鐘模塊進行時序控制;SDRAM隨機存儲器;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RS232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NiosⅡIDEmain()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(RS232)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:
  
 ?。?)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5s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5000,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。
  
  2.2.3VB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,求出對應的溫度和應力。由于條件限制,實驗中采用的FBG中心波長均為1550nm,腔長為15μm的F-P腔。以第1路光纖為例,實驗測得的參數(shù)由Matlab進行高斯曲線擬合結(jié)果如圖4所示:圖4(a)為F-P腔長與應力變化關(guān)系曲線,在F-P腔長為8.5μm范圍內(nèi)對應著10-3ε,擬合的高斯方程可表示為:
  
  F=(L-15)×1000/85(7)
  
  式中:L代表所測的F-P腔長;F代表應力。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+1550.12175(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。zui后通過VB代碼編寫實現(xiàn)所測溫度與應力的界面監(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)復用傳感器可以消除溫度與應力的交叉敏感,能實現(xiàn)對監(jiān)測點溫度與應力的高精度解調(diào),同時由空分復用可實現(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,準確的對溫度與應力實現(xiàn)實時監(jiān)控,且運行穩(wěn)定。而FPGA的預留I/O端口可作為擴展端口使用,以便實現(xiàn)更多監(jiān)測點的測量。當實時性達到一定精度后,該方案就能滿足大型工程的應用需求,如在航空航天的衛(wèi)星發(fā)射時,對其各子系統(tǒng)溫度與應力的實時動態(tài)監(jiān)控;以及對大型機械廠房溫壓的實時動態(tài)監(jiān)控等等。

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