基于光纖光柵數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究

【摘 要】本文首先分析光纖光柵傳感器的優(yōu)點及工作原理，然后介紹基于光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的組成，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行軟件設計和介紹基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集的關鍵技術(shù)，最后對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實例應用。

【關鍵詞】光纖光柵傳感器 數(shù)據(jù)采集 光纖布拉格光柵

光纖傳感器是通過檢測光信號來測量環(huán)境中參量變化（生物量、物理量或化學量），這些參量變化會引起光的傳輸特性變化。光纖傳感器有很多種類，按照傳感機理它可以分為強度型、干涉型和光纖布拉格光柵型這三種。這其中光纖布拉格光柵不僅具有強度型和干涉型的優(yōu)點，并且具有波長分離能力強、靈敏度高、傳感精度好、抗干擾能力強等優(yōu)勢。光纖光柵傳感器有著很大的發(fā)展前途，它可以在需要精確定位或者是絕對數(shù)字測量時，可以構(gòu)成多光柵空間分布單一光纖傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)。

本文研究的基于光纖光柵的數(shù)據(jù)采集，光纖光柵傳感器即采用的是光纖布拉格光柵，光纖光柵的原理如圖1所示。

光纖布拉格光柵的中心波長隨著外界環(huán)境參量的變化而隨之變化，它廣泛應用于壓力、溫度、應變等參數(shù)的測量。

一、基于光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

（一）光纖光柵傳感系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過光纖光柵傳感器采集數(shù)據(jù)，這是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前提條件。不同功能的光纖光柵傳感器能夠?qū)⒉煌奈锢韰⒘咳鐪囟?、壓力、應變和加速度等調(diào)制為相對應的光柵波長。光纖光柵傳感器輸出光波以后直接通過光纜便可以進行遠距離傳送。

（二）光纖光柵網(wǎng)絡分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)作用是將光纖光柵傳感器采集的光信號經(jīng)光纜的遠程傳輸后，將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并以物理參量的方式在計算機終端記錄、顯示或存入數(shù)據(jù)庫中。

該系統(tǒng)主要由光開關、光纖光柵解調(diào)儀及光纖跳線組成。光纖光柵解調(diào)儀的作用是將光纖光柵中心波長解調(diào)為數(shù)字信號。光開關的主要作用是將多路光信號一起或是分別進入光纖光柵解調(diào)儀，這樣就克服了光纖光柵通道數(shù)不能滿足工程應用的缺點。

（三）光纖通訊傳輸網(wǎng)絡

該系統(tǒng)由光纜和光纖適配器等組成。光纜是光信號傳輸?shù)耐ǖ?，光纖適配器連接光纜且損耗很低，這樣就可以避免工程現(xiàn)場的光纖熔接。單橋監(jiān)控室采用光纜以低損耗方式接連光纜，將遠距離采集的光信號引入中心監(jiān)控室的數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)上。

（四）數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)是對采集后的數(shù)據(jù)進行預處理且分析，為后續(xù)系統(tǒng)的基礎。該系統(tǒng)是由軟件系統(tǒng)組成，在現(xiàn)場工控機上運行，為專家評估系統(tǒng)奠定堅實的基礎平臺，是后續(xù)工作提供可靠的依據(jù)。

二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

在光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，首先運用了多線程技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)采集、實時顯示界面和數(shù)據(jù)存儲同時進行；其次，運用數(shù)據(jù)安全隊列來保護線程之間數(shù)據(jù)安全傳遞的同時，還要使采集到得數(shù)據(jù)可以在最快的時間內(nèi)得到顯示，最后在VS平臺下實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序，由于VS庫函數(shù)和空間豐富，編程環(huán)境界面友好，使得軟件不僅界面漂亮，而且開發(fā)難度大大的降低。數(shù)據(jù)采集的流程圖3-5所示。

在基于光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了使數(shù)據(jù)采集、儲存和實時顯示同時進行，必須采用多線程技術(shù)。此外，還可以采用數(shù)據(jù)安全隊列使采集到的數(shù)據(jù)能夠在最快時間實現(xiàn)顯示并能夠保護線程之間數(shù)據(jù)的安全傳遞。由于VS平臺下庫函數(shù)和空間豐富、界面友好，采用VS平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序可以使開發(fā)難度大大降低且軟件界面漂亮。數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖2所示。

三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

隨著社會的發(fā)展，大型橋梁的安全問題越來越受到人們的重視，為了保證橋梁運行的安全性、可靠性及耐久性等，研究表明，得到科學管理的橋梁有著更好的安全性以及耐用性，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)是橋梁建設中不可少的一部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是整個監(jiān)測系統(tǒng)的基石。對于橋梁健康監(jiān)測來說，傳感器具有數(shù)量大、種類多，信號采集的儲存實時性高等要求，這樣對于數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)有較高要求。本文以武漢某大型斜拉橋為例，研究基于光纖光柵的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設計及具體實現(xiàn)。

根據(jù)要求，傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。以某斜拉橋為例的健康監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用光纖光柵應力傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵位移傳感器、壓電式低頻加速度傳感器等等監(jiān)測斜拉橋應力、溫度等參數(shù)。本文主要針對的是光纖光柵型傳感器，將采集到的光信號通過光纜傳輸后經(jīng)過解調(diào)儀解調(diào)，最后通過網(wǎng)口對解調(diào)儀采集到數(shù)字信號存入數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)做準備。

光纖光柵解調(diào)儀具有以太網(wǎng)接口，根據(jù)實際需要進行網(wǎng)絡編程，實現(xiàn)網(wǎng)絡程序有很多種方式，Windows Socket是其中比較簡單的方法。本系統(tǒng)監(jiān)測對象比較多并且要求系統(tǒng)實時性高，多線程技術(shù)可以滿足系統(tǒng)要求，它支持系統(tǒng)一個進程中執(zhí)行多個線程，多個操作可以在不同線程中同時進行。光信號經(jīng)解調(diào)儀傳輸后是字節(jié)流，可以使用memmove函數(shù)對字節(jié)流進行分解處理。

（一）光纖光柵傳感器的配置

數(shù)據(jù)采集方案的確定和傳輸方式的選擇一般是根據(jù)傳感器空間分布情況確定的。斜拉橋的跨度比較大，一般為幾百米到幾千米，橋上敷設的傳感器的數(shù)量種類也特別多，這個時候為了減少信號在傳輸中受到干擾、衰減失真等情況，首先要對傳感器進行配置，再選擇合適的數(shù)據(jù)采集方案和傳輸方式。

數(shù)據(jù)采集之前要確定傳感器的總數(shù)、解調(diào)儀的數(shù)量、所需通道數(shù)、采樣頻率和存儲頻率等各方面信息。傳感器的總數(shù)決定了數(shù)據(jù)傳輸設備的數(shù)量和數(shù)據(jù)的傳輸方式。傳感器的采樣頻率是由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的要求以及數(shù)據(jù)本身的動態(tài)特性決定的。在進行傳感器配置的時，采取四層結(jié)構(gòu)，采用樹形控件，應用如圖3所示。第一層是光纖光柵系統(tǒng)，第二層是光纖光柵解調(diào)儀，第三層是通道，第四層是傳感器。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首次運行時要進行初始配置，這樣才能提高系統(tǒng)的運行速率。傳感器配置有兩種方式，一種是在界面進行配置，第二種是修改配置文件的內(nèi)容。開始配置時首先將配置信息顯示在界面上，對界面進行配置，然后將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。

界面的配置步驟為：光纖系統(tǒng)總配置、光纖光柵解調(diào)儀配置、通道配置、傳感器配置。將每一個配置的傳感器編號，通過傳感器編號可以查詢具體信息。比如：傳感器的名稱、類別、位置、初始應變、報警上限、報警下限、標定系數(shù)、標定斜率、是否要溫度補償、基準波長、標定波長、所屬的解調(diào)儀和通道數(shù)等信息。

（二）網(wǎng)口采集

武漢某斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)需采集的信號數(shù)量大、實時性高、處理較復雜。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責將光纖光柵解調(diào)儀的信號通過網(wǎng)口以后，進行數(shù)據(jù)的采集、分析、轉(zhuǎn)化為相應數(shù)據(jù)儲存，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理以及安全評估提供可靠地實時數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)是采用開放式Windows系統(tǒng)平臺，軟件開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2005，把任務分成幾個獨立的線程，使用多線程方式，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)采集的實時性，用戶其他操作也能及時響應，這樣提高了利用率和程序的運行效率。

光纖光柵解調(diào)儀主要作用是把光纖光柵中心波長解調(diào)出來，解調(diào)的機理有很多，本系統(tǒng)采用的解調(diào)原理是基于F—P濾波器的原理，基于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)采集技術(shù)較成熟，解調(diào)儀的通信協(xié)議為UDP協(xié)議，傳輸速率要求能夠完全滿足系統(tǒng)要求。

對于UDP無連接的數(shù)據(jù)報服務，客戶機給服務機發(fā)送一個含有地址的數(shù)據(jù)報，客戶機和服務器并沒有建立連接。服務器是通過調(diào)用Recvfrom（）等待客戶端數(shù)據(jù)?；赨DP的socket編程思路為：首先創(chuàng)建套接字（socket），然后將套接字綁定到一個本地端口和地址上，等待接收的數(shù)據(jù)，最后關閉socket。

根據(jù)實際情況開發(fā)服務端軟件基于UDP的，UDP能夠提供端口機制便于UDP用戶使用。UDP長度中包括UDP本身長度、源端口、目的端口、用戶數(shù)據(jù)和UDP校驗等。實際開發(fā)，端口號為5000，首先使用“ping”命令判斷測試網(wǎng)絡是否連通，原理為發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包給對方主機，對方主機回復是否收到數(shù)據(jù)報，如果回復及時，則網(wǎng)絡已經(jīng)連接，軟件流程如下圖4所示。

四、小結(jié)

光纖光柵傳感器使用越來越普遍，本文介紹基于光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的組成，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行軟件設計和介紹基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集的關鍵技術(shù)，最后對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實例應用。

參考文獻：

[1]柳旭.基于光纖傳感技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)序系統(tǒng)研究：[工學碩士論文].武漢：武漢理工大學，2006

[2]張金濤.基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡的健康監(jiān)測技術(shù)：[工學碩士論文].黑龍江：黑龍江大學，2005

[3]劉勝春.光纖光柵智能材料與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究：[博士學位論文].武漢：武漢理工大學，2006