基于LabVIEW的FBG溫度特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

劉佳，印新達(dá)

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430000；2.武漢理工光科股份有限公司湖北武漢430000）

基于LabVIEW的FBG溫度特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

劉佳1，印新達(dá)2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430000；2.武漢理工光科股份有限公司湖北武漢430000）

為研究光纖布拉格光柵的傳感特性，常常需要測(cè)試器溫度特性，通常采用人工手測(cè)。為提高測(cè)試效率，本文介紹了一種基于LabVIEW的光纖布拉格光柵溫度特性自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)可按照要求，測(cè)得規(guī)定溫度點(diǎn)所有光柵的中心波長(zhǎng)。通過(guò)分析本平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果，可以證明其測(cè)試準(zhǔn)確度不低于人工手測(cè)，而其測(cè)試效率遠(yuǎn)高于人工測(cè)試。

FBG；溫度特性；自動(dòng)測(cè)試；LabVIEW

光纖光柵傳感器相較于傳統(tǒng)的電器傳感器，具有抗電磁干擾、輕便、高精度、高靈敏度、耐腐蝕等特點(diǎn)［1］。光纖光柵常用于溫度傳感，而在研究和生產(chǎn)過(guò)程中，需要準(zhǔn)確的了解光纖光柵波長(zhǎng)與溫度的相互關(guān)系，因此常常需要測(cè)量光柵的溫度波長(zhǎng)特性曲線。

目前使用的溫度特性測(cè)試，其主要是依賴人工讀取溫度計(jì)（如水銀溫度計(jì)、熱電偶等），然后等待溫度可控設(shè)備的變化并判定參數(shù)穩(wěn)定后再讀取光譜儀及溫度計(jì)顯示的溫度值。這種方法需要安排專的人員值守測(cè)試臺(tái)，人工讀數(shù)再做紀(jì)錄，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化，測(cè)試效率非常低，且準(zhǔn)確度差。當(dāng)溫度迅速變化時(shí)，人工讀數(shù)有延時(shí)，又由于作業(yè)內(nèi)容簡(jiǎn)單又單一，容易使測(cè)試人員感到疲勞而帶來(lái)實(shí)驗(yàn)誤差。測(cè)試完畢后，需要手工整理收集并錄入計(jì)算機(jī)后再分析，非常的費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

因此，有必要搭建一套自動(dòng)化的溫度測(cè)試平臺(tái)［2］，并做到按實(shí)驗(yàn)要求自動(dòng)切換溫度、判斷穩(wěn)定、讀取數(shù)據(jù)，并將測(cè)試數(shù)據(jù)以指定文件名存儲(chǔ)到指定文件夾中。該測(cè)試平臺(tái)可以提高研發(fā)及生產(chǎn)的速度，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主要功能如下：

1）控制溫度可控設(shè)備到指定溫度；

2）判斷環(huán)境溫度是否溫度，即給定時(shí)間內(nèi)環(huán)境溫度變化在指定范圍內(nèi)；

3）環(huán)境溫度穩(wěn)定后，通過(guò)控制光譜儀及光開(kāi)關(guān)，讀取各光柵反射波長(zhǎng)；

4）完成測(cè)試后自動(dòng)關(guān)閉溫度可控設(shè)備。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

本光纖光柵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包括硬件、軟件兩部分。

其中硬件部分包括計(jì)算機(jī)、32通道可進(jìn)行程控的光開(kāi)關(guān)、寬帶穩(wěn)定光源、橫訶AQ6370光譜分析儀、重啟四達(dá)SDK401F高低溫箱、3 dB光耦合器及一些連接器材，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　FBG溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成圖

光源與光譜分析儀接入到光耦合器的同一端，光耦合器另一端與光開(kāi)關(guān)的輸入端相連，待測(cè)光纖光柵樣品置于高低溫箱內(nèi)后，其跳線依次與光開(kāi)關(guān)各通道相連，光開(kāi)關(guān)、高低溫箱均通過(guò)RJ45網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)相連，光譜儀通過(guò)GPIB鏈接線與計(jì)算機(jī)相連。

2　軟件實(shí)現(xiàn)

2.1功能描述

根據(jù)系統(tǒng)功能，可將軟件分為以下幾個(gè)部分：溫度可控設(shè)備控制模塊、溫度穩(wěn)定判斷模塊、光開(kāi)關(guān)控制模塊、光譜分析儀控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊［4-5］。

溫度可控設(shè)備控制模塊用于在測(cè)試過(guò)程中，按一定規(guī)則改變?cè)撛O(shè)備的參數(shù)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)切換溫度條件。一般所使用的規(guī)則為：給定起始和終止溫度點(diǎn)，并給定固定的溫度間隔，溫箱需要按照上述等差數(shù)列依次到達(dá)目標(biāo)溫度。此外，還可以控制溫箱的升/降溫速率。光譜分析儀控制模塊用于對(duì)光譜分析儀各參數(shù)，如：分辨率、靈敏度、中心波長(zhǎng)、抽樣點(diǎn)數(shù)、SPAN、分析模式等，進(jìn)行設(shè)定，在測(cè)試過(guò)程中讀取并存儲(chǔ)所需的光譜分析儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)，如:中心波長(zhǎng)值、光譜圖等一切光譜分析儀可提供的數(shù)據(jù)。光開(kāi)關(guān)控制模塊用于在測(cè)試過(guò)程中按照給定參數(shù)在規(guī)定的幾個(gè)光開(kāi)關(guān)之間按規(guī)定順序切換。溫度穩(wěn)定判斷模塊則用于當(dāng)溫箱達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度后，不斷的讀取環(huán)境溫度，通過(guò)分析環(huán)境溫度來(lái)判定環(huán)境溫度是否滿足溫度穩(wěn)定條件，若滿足則開(kāi)始下步操作，否則一直判斷。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，則在判斷溫度到達(dá)穩(wěn)定后，將測(cè)得的光柵中心波長(zhǎng)及實(shí)時(shí)溫度值存儲(chǔ)于指定文件中。

2.2軟件設(shè)計(jì)

按照上述設(shè)計(jì)，軟件流程圖如圖2所示。

圖2　軟件流程圖

軟件采用狀態(tài)機(jī)作為基礎(chǔ)框架［6-7］，用自定義的簇作為不同狀態(tài)機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞媒介。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖4中各狀態(tài)名如表1所示，各狀態(tài)所執(zhí)行功能為：1）初始化：對(duì)應(yīng)于圖3中201、202步，用于初始化各參數(shù)、讀取用戶設(shè)置參數(shù)及檢測(cè)各設(shè)備狀態(tài)；2）設(shè)定溫度：對(duì)應(yīng)于圖3中204步；3）讀取當(dāng)前溫度：不斷讀取溫箱的當(dāng)前溫度，用于圖3中第205步的判斷；4）數(shù)據(jù)讀取并更改參數(shù)，對(duì)應(yīng)于圖3中206～209步，將獲得的數(shù)據(jù)存于指定電子表格中；5）報(bào)錯(cuò)：當(dāng)設(shè)備檢測(cè)異常時(shí)，用于提醒用戶進(jìn)行檢測(cè)；6）關(guān)閉設(shè)備：對(duì)應(yīng)于圖3中212步，當(dāng)測(cè)試完成后，關(guān)閉高低溫箱。

表1　狀態(tài)編號(hào)表

圖4中各狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件描述如下：1）C1:各設(shè)備通信正常；2）C2：高低溫箱響應(yīng)正常；3）C3：故障排除；4）C4:高低溫箱溫度達(dá)到穩(wěn)定條件；5）C5：測(cè)試已完成，圖中條件后括號(hào)內(nèi)“1”表示條件為真，“0”表示條件為假。

2.3測(cè)試結(jié)果

通過(guò)上述自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試了10支光柵自-20～80℃每5℃讀取一次中心波長(zhǎng)，其中溫度穩(wěn)定條件設(shè)為5分鐘內(nèi)，溫度變化不大于0.5℃，測(cè)得數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　測(cè)試數(shù)據(jù)折線圖

對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)采用線性擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看到，擬合確定系數(shù)在（0.997，0.9995）之間，與手動(dòng)測(cè)試所得結(jié)果一直，因此自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行正常，可以正確的讀得所需數(shù)據(jù)。

表2　線性擬合確定系數(shù)表

3　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光柵測(cè)試的自動(dòng)化，不需要測(cè)試人員不斷的重復(fù)單調(diào)的測(cè)試工作，按照文中的測(cè)試方法，若人工手測(cè)則需要10小時(shí)，而采用該系統(tǒng)后，測(cè)試時(shí)間壓縮到了5個(gè)小時(shí)，極大的提高了測(cè)試效率并降低了測(cè)試成本。同時(shí)避免了人在測(cè)試過(guò)程中會(huì)因測(cè)試疲勞而帶入誤差，同時(shí)直接將測(cè)試數(shù)據(jù)以電子檔保持下來(lái)，不需要再進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入工作也避免了在數(shù)據(jù)錄入時(shí)帶來(lái)的錄入錯(cuò)誤。本系統(tǒng)對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)研究光柵溫度特性帶來(lái)了便利，同時(shí)也可用于大規(guī)模生成時(shí)對(duì)光纖光柵溫度傳感器的傳感特性的檢測(cè)。

［1］姜德生.光纖Bragg光柵傳感特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.傳感器技術(shù)，2003，22（7）.

［2］Yu Youlong，Zhao Hong Xia.A Novel Demodulation Scheme for Fiber Bragg Grating Sensor System［J］.IEEE Photonics Techmology Letters，VOL:17，NO.1，JANUARY 2005.

［3］金永興，劉濤，方濤，等.基于Labview的光纖光柵溫度傳感器實(shí)驗(yàn)研究［J］.激光雜志，2009，30（1）.

［4］（美）Jeffrey Travis，Jim Kring著.LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程［M］.喬瑞萍，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［5］汪敏生.LabVIEW基礎(chǔ)教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［6］Rick Bitter，Taqi Mohiuddin，MatthewNawrocki.LabVIEW-advancedProgramming Techniques SECOND EDITION［M］. CRCPress，2000.

［7］楊樂(lè)平.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Thermo-sensitivity of FBG auto-testing system based on LabVIEW

LIU Jia1，YIN Xin-da2
（1.Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430000，China；2.Wuhan Wutos Technology Limited by Share Ltd.，Wuhan 430000，China）

To study the sensing property of FBG，we need get the thermo-sensitivity of FBG by hand.This article introduce a auto-testing system which is based on LabVIEW.This system can measure the wavelength of FBG at any temperature.The results of this system show that it can get a data as accurate as by hand.

FBG；thermo-sensitivity；auto-test；LabVIEW

TP399

A

1674－6236（2016）12-0084-02

2015-07-07稿件編號(hào)：201507065

劉佳（1991—），女，湖北武漢人，碩士。研究方向：光纖與光波導(dǎo)技術(shù)。