光纖傳感空分復用下多點(diǎn)溫度與應力的監測顯示

2012年12月1日現代電子技術(shù)Dec.2012第35卷第23期Modern Electronics TechniqueVo.35No.23光纖傳感空分復用下多點(diǎn)溫度與應力的監測顯示王明波,惠小強酉安郵電大學(xué)理學(xué)院,陜西西安710121)摘要:多參量多點(diǎn)實(shí)時(shí)監測顯示是傳感研究領(lǐng)琙的一項重要技術(shù)。以光纖 Fabry-Perot(F-P)腔與光纖Brag光柵(FBG)傳感器的串聯(lián)復用結構為單元構建空分復用(SDM)系統,設計了溫度、應力多點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示的方案。由FPGA構建的SOPC與iosⅡ完成對多監測點(diǎn)的數據采集,由VB串口通信接收FPGA存儲器存儲的采集數據,再把此數據由高斯曲線(xiàn)擬合方程處理得到溫度和應力的參數值,最后用VB實(shí)現監測顯示。結果表明F-P腔與FBG串聯(lián)能有效克服溫度與應力的交叉敷感,FPGA結合VB能很方便的實(shí)現多麥量多點(diǎn)的實(shí)時(shí)監測顯示。關(guān)鍵詞:光纖傳感;空分復用;溫度與應力顯示;FPGA;VB中圖分類(lèi)號:TN911-34文獻標識碼:A文章編號:1004373X(2012)23-0164-05Display of multi-point temperature and strain in space division multiplexing of fiber sensorsWANG Ming-bo, XI Xiao-qiangSchool of Science, Xi'an University of Posts and Telecommunications, Xi'an 710121, China)Abstract: The real-time display of multi-parameter and multi-point monitoring is an important technology in the researchield of sensors. For the space division multiplexing constituted by the multiplexing of fiber Fabry-Perot(F-P) cavity in seriesith fiber bragg grating(FBG) sensor, a real-time display proposal of multi- point temperature and strain is designed. Theprogrammable system on chip(SOPC)constituted by FPga and Nios f are adopted for data acquisition on multiple pointsand then VB serial communication is used to receive and process data from FPGA memorizer. Third, the data are processed byGaussian curve fitting equation to obtain temperature and strain parameter values. Finally the real-time monitoring is realizedwith VB. The results show that the design method of fiber Fabry-Perot(F-P) cavity in series with fiber Bragg grating(FBG)sensor can overcome the cross-sensitivity of temperature and strain, and FPga with the combination of vb can realize the display of multi-parameter and multi-point convenientlyKeywords: fiber sensor; space division multiplexing; display of temperature and strain; FPGA; VB本文主要完成了對多監測點(diǎn)雙參數監控顯示的研0引言究。FBG能通過(guò)反射或透射波長(cháng)實(shí)現對溫度的測近年來(lái),光纖光柵傳感技術(shù)的應用在各行各業(yè)中得量;F-P可用做可調諧FP腔、濾波器、傳感器等,調到了快速的發(fā)展叫。人們對待測物理量在精度、性能、節腔長(cháng)與電壓的關(guān)系能實(shí)現對應力解調°。故首先設容量以及多參數等方面提出了更高的要求。這極大地計了一種基于FBG與FP腔傳感器串聯(lián)復用,并對其促進(jìn)了光纖光柵傳感復用類(lèi)型相關(guān)理論和技術(shù)的研究,進(jìn)行空分復用,構建成能實(shí)現多監測點(diǎn)雙參數高精度解而解調顯示技術(shù)正是其中的一個(gè)重要環(huán)節,現常以調的系統。分析FP腔與FBG串聯(lián)復用的光譜,可知能ARM,DSP,FPGA等芯片為核心控制多路數據信號的實(shí)現待測信號的高精度解調:即FP腔長(cháng)(應力)和FBG采集、存儲和處理,并用 LabVIew,VB, Matlab及其混反射中心波長(cháng)(溫度)的同時(shí)測量。并使用FBG和合使用等做界面顯示處理241。FP腔分別對溫度與應力進(jìn)行測量,進(jìn)而與FP腔和文中FPGA與VB結合實(shí)現多參量的監測顯示,FBG串聯(lián)復用所得結果進(jìn)行比較,通過(guò)實(shí)驗對該方法進(jìn)得益于FGA高度集成、內部資源豐富、功能強大、時(shí)行了驗證。而空分復用就能實(shí)現多個(gè)監測點(diǎn)的雙參數高序控制精確、支持并行處理、編程靈活等優(yōu)點(diǎn);VB簡(jiǎn)潔精度解調。此后由FPGA構建的SOPC與Nos完成對易懂、界面設計簡(jiǎn)單多監測點(diǎn)雙參數的數據采集;由VB串口通信進(jìn)行數據接收,并把采集到的數據帶入高斯曲線(xiàn)擬合方程屮,求收稿日期:20120724出具體的溫度與應力,并用VB界面實(shí)現了監控顯示?；痦椖?國家自然科學(xué)基金資助(11174165)第23期王明波,等:光纖傳感空分復用下多點(diǎn)溫度與應力的監測顯示1651原理分析與理論模型形成最終的輸出光譜Io。其數學(xué)表達式為:Iout=I +14=In[fBG+(1-fFBG)2fE-PJ (4)1.1FBG的應變和溫度響應式中:fFBG=R·exp[-(λ-AB)2/C2],即用高斯分布來(lái)根據光纖耦合模型理論可知,滿(mǎn)足 Bragg條件的反表示FBG的反射譜,R為光柵峰值反射率;λB為 Bragg射光波長(cháng)為:反射中心波長(cháng);c值的大小用于表征反射峰的寬度;AB= nera(1)fp=2r[1+cos(4πL/λ+x)],其中r為光纖端面反射式中:A為光柵周期;nf為有效折射率。當A和nd因外率,L為FP腔的腔長(cháng),為光波長(cháng)界同時(shí)引起較小的變化△A和△n時(shí),由 Bragg條件可由式(4)可知,由傳感器返回的光譜并不是FBG傳知,反射波長(cháng)會(huì )發(fā)生移位△B?！鰽B可表示為:感器與FP腔傳感器各自反射光譜的簡(jiǎn)單疊加。此△AB=2△n4+2n:△A(2)時(shí),若直接采集光譜信號中的FBG反射峰值波長(cháng)作為若溫度、應變共同作用時(shí),產(chǎn)生的 Bragg波長(cháng)位移FBG傳感器的溫度解調信號,將導致結果發(fā)生偏差,影B,用線(xiàn)性關(guān)系可表示為:響溫度測量精度。為了得到精確的FBG反射光譜信B1 neff dvndd7△T號,將式(4)展開(kāi)成為關(guān)于∫FB的一元二次方程:入fe-PfEBG+(1-2fe-p)fEsG+ fep- Iou/Iin=0(5[1-:(pn1-t2Dp2-03p2)]e解此方程,可得精確的FBG反射光譜,進(jìn)而通過(guò)對a△T+Re(3)解出的光譜峰值部分進(jìn)行高斯擬合,求解出中心位置,式中:a是光纖材料的熱膨脹系數;△T是溫度變化量;p可解出FBG的中心波長(cháng)。式(5)中Im和Im是可直力m為材料的光彈系數;,U3為泊松比。由式(3)可知接測量得到的光譜分布數據,fP通過(guò)F-P腔反射光譜由單一FBG在測得中心波長(cháng)移動(dòng)△AB時(shí),還需知道溫的交叉相關(guān)解調算法得到。消除FBG對F-P腔解調度才能求出應變,這就是溫度與應變的交叉敏感問(wèn)題的影響只需找到FBG的粗略峰值位置,將FBG峰值部當應變和溫度同時(shí)發(fā)生變化時(shí),光纖光柵無(wú)法區分由分光譜數據從光譜中扣除。由于FBG光譜寬度遠小于二者獨自引起的波長(cháng)變化,測量其中一個(gè)量時(shí),總會(huì )受寬譜光源寬度,而交叉相關(guān)計算對于小范圍光譜數據的到另一個(gè)量的影響。為解決交叉敏感問(wèn)題,人們提出了缺失不敏感,因而不影響FP腔解調結果的精度。多種方法,其中串聯(lián)復用傳感就是一種有效的方法。如將相關(guān)解調計算得到的fP帶入式(5),得到方程光纖布拉格光柵和長(cháng)周期光柵結合的傳感器系統,該系的解為:統能實(shí)現油氣井下應力和溫度的同時(shí)測量8。本文研究FP腔與FBG串聯(lián)復用傳感,能消除交叉敏感影響,FBG(1-2fFP)并對該串聯(lián)復用傳感器進(jìn)行空分復用實(shí)行多點(diǎn)監測,最(1-2/F)2-4fF(F-lom/m)}2f(6)終用VB編碼實(shí)現數值界面顯示在實(shí)際解調過(guò)程中,可取測量得到的原始FBG光1.2F-P腔與FBG串聯(lián)復用傳感器的解復用譜峰值附近一定范圍的光譜數據做上述運算,得到分離因為F-P腔有溫度-壓力交叉敏感性能實(shí)現對溫度后FBG的新光譜并進(jìn)行高斯擬合,即可得到精確的的補償,能使測量精度提高,故可采用FP腔與FBG串FBG的中心波長(cháng)位置10。故該串聯(lián)復用能實(shí)現雙參數聯(lián)復用傳感器的解復用。其結構如圖1所示解調。FBGFP腔2解調研究1-42.1FBG與FP腔傳感串聯(lián)復用進(jìn)行空分復用的解調圖1FBG與FP腔串聯(lián)復用傳感器的結構分析FBG與F-P腔傳感串聯(lián)復用可知,能同時(shí)實(shí)原理闡述:光從光纖左端入射I,進(jìn)入FBG與FP現對溫度和應變的高精度測量。通過(guò)對該串聯(lián)復用系腔串聯(lián)復用的結構中,首先經(jīng)過(guò)FBG溫度傳感器,此時(shí)統進(jìn)行空分復用,能實(shí)現對多監測點(diǎn)的雙參數測量。以Bragg反射波長(cháng)附近的一部分光I1被反射,而透射光可調諧窄帶激光F-P腔做光源,可使各分路的光功率Ⅰ2入射到F-P腔傳感器,得到FP反射光譜為一低反提高,提高系統的信噪比,解調范圍可控制。為此構建襯度的FP腔干涉光譜Ⅰ,l3再通過(guò)FBG傳感器,其透一個(gè)能同時(shí)測量溫度和應變,并且能大幅度提高精確度射光部分為I4。與之前的FBG傳感器反射光1相疊加的空分復用系統。對該空分復用系統各路光纖進(jìn)行解166現代電子技術(shù)2012年第35卷調設計的原理如圖2所示。核處理器中的UART(RS232)實(shí)現數據與PC通信此處需在PC上用VB編寫(xiě)一個(gè)串口通信端口來(lái)接收第1路「…「第8路RAM里的數據。注意UART與VB接收端口的波特多路開(kāi)關(guān)率必須一致,否則不能成功通信。以下為VB處理數據光電檢測FPGA總線(xiàn)代碼計算機(1)ⅤB串口端口通信,由 mscom控件來(lái)完成通AD轉換信,其初始化為:圖2FBG與F-P腔構建的空分復用系統的解調原理With. MsComm首先用FPGA控制多路選擇開(kāi)關(guān),選擇具體的某settings=9600,n,8, 1路光纖。進(jìn)人到光電探測器中,將光信號轉換為模擬電outbuffersize=1024信號并用A/D轉換為數字信號。采集完數據并存儲于inbuffersize=1024portopen-trueFPGA存儲器中,再進(jìn)行下一路光纖數據的采集,如此 End with循環(huán),在一給定的時(shí)序內完成所有光路的數據采集,并用 oncomm事件來(lái)完成數據的通信,接收與發(fā)送代將數據用數組存儲。最終通過(guò)對FPGA進(jìn)行配置與編碼為:程,實(shí)現對存儲器的讀寫(xiě)轉換,用RS232數據線(xiàn)通過(guò)Private Sub MSComm OnCommoVB串口通信連接到計算機中進(jìn)行處理,實(shí)現對溫度/ On Error goto er應力的顯示。FPGA的IO端口可擴展為多路開(kāi)關(guān)和Select Case MSComm Comm EventCase comEvRcceiveA/D轉換,進(jìn)一步能實(shí)現對更多路的監測解調。If ChkHexReceive, value=1 Then2.2數值界面監控顯示Call hexreceive2.2.1軟核配置與數據采集ElseCall textreceive以FPGA開(kāi)發(fā)板EP2C8Q208為硬件平臺,在End lfQuartusⅡ11.0的 SOPC Builder里,設計NiosⅡ軟Case comevsendIf ChkHexSend, value 1 Then核處理器及功能模塊。直接調用 Altera提供的IP核,EI功能模塊IP核經(jīng)配置后,即可加入到系統中。此處添Call textsendEnd if加的模塊有CPU, SDRAM, FLASH,PIO,SPICase elseM4KRAM,UART,DS等。其連接圖如圖3所示。End SelectEPIOSDRAMEnd sub據采集M4KRAMFLASH(2)VB串口通信文本接收代碼DS軟核SPIPrivate Sub textReceiveNiosⅡUART顯Input Signal MSComm InputReceiveCount= Receive Count LenB( StrConv( InputSignal, vbFPGA開(kāi)發(fā)板JTAGFromUnicode))EP2C8Q208If DSwitch False The圖3NiosⅡ軟核處理器與外圍連接Txt Receive. Text= TxtReceive. Text Input signalTxtReceive SelStart Len(TxtReceive. Text)PIO模塊主要用來(lái)實(shí)現A/D的配置和控制;RAMEnd if為緩沖存儲塊,設置為雙端口RAM,一個(gè)端口寫(xiě),另一個(gè)TxtRXCount. Text =RX: &.ReceiveCountE端口讀;DS時(shí)鐘模塊進(jìn)行時(shí)序控制; SDRAM隨機存儲 End sub器; FLASH程序下載固化時(shí)用;NiosⅡ軟件編程控制模(3) Txt Receive接收文本的數據,每過(guò)5s刷新數塊,通過(guò)各模塊的配置以及NiosⅢ的程序來(lái)尋址TP核,據,并繼續接收由FPGA采集傳來(lái)的數據。由tmer控件完成數據的采集12;以RS232串口線(xiàn)完成FPGA與處理,其屬性 Enabled為T(mén)rue, Interval.500,timr(PC的連接并由UART與編寫(xiě)的VB串口實(shí)現通信13]。事件為Form1.Text1.Text=串口調試軟件, TxtReceive2.2.2數據串口通信Text。確保引用接收到的數據是實(shí)時(shí)正確的主要是將 Nios l ide main(里的數組尋址RAM模2.2.3VB界面顯示塊讀來(lái)的數據,傳送到VB串口接收窗口中,以NosⅡ軟將VB串口通信接收端接收到的數據,經(jīng)過(guò)高斯曲第23期王明波,等:光纖傳感空分復用下多點(diǎn)溫度與應力的監測顯示167線(xiàn)擬合方程處理,求出對應的溫度和應力。由于條件限由FBG1采集的數據,用 Matlab高斯曲線(xiàn)擬合通制,實(shí)驗中采用的FBG中心波長(cháng)均為1550nm,腔長(cháng)為過(guò)方程處理求出T/F。15pm的F-P腔。以第1路光纖為例,實(shí)驗測得的參數溫度FBG2= Format(val(a(4)/9.565,".00”)由 Matlab進(jìn)行高斯曲線(xiàn)擬合結果如圖4所示:圖4(a)為u∈壓力F_P2= Format(va(a(5)-15)*2000/17,0.000″)FP腔長(cháng)與應力變化關(guān)系曲線(xiàn)在FP腔長(cháng)為8.5μm范溫度FBG3= Format(val(a(6)/9.565,",00″)圍內對應著(zhù)103∈,擬合的高斯方程可表示為:L-15)×1000/85(7)。"∈壓力F_P3= Format(val(a(7)-15)“200017,000″)溫度FBG4= Forma(val(a(8))/9.565,".00式中:L代表所測的FP腔長(cháng);F代表應力。故由測得的u∈壓力FP4= Format(Val(a(9)-15)*2000/17,腔長(cháng)L可求出F。0.000")溫度FBG5= Forma(Val(a(10))/9.565,",00")圖4(b)為FBG反射中心波長(cháng)與溫度變化關(guān)系,擬∈壓力F_P5= Format(Val(a(11)-15)兼2000/17,合的高斯方程為:0.000″)溫度FBG6= Format(val(A(12)/9.565,",00)λB=9.565T+1550.12175(8u∈壓力FP6= Format(Val(A(13)-15)“2000/17,式中:T代表所測溫度;AB代表FBG反射中心波長(cháng)。故0.000)溫度FBG7= Format(val(A(14)/9.565,",00")由測得反射中心波長(cháng)入B可求出T。最后通過(guò)VB代碼編寫(xiě)實(shí)現所測溫度與應力的界面監控顯示。o∈壓力F_P7= Format(val(A(15)-15)*20017,000)Text2.Text=Text2.Text&."溫度FBG0="&.溫度FP腔長(cháng)與店力光化關(guān)系FBG0& vbCrLf&"u∈壓力FP0=&u∈壓力F_P0Text3.Text=Text3.Text&."溫度FBG1=”&.溫度FBG1&. vbCrLf8."u∈壓力FP1=”8u∈壓力FP1Text4.Text=Text4.Text&."溫度FBG2="&溫度FBG2& vbCrLf&"u∈壓力F_P2=”&u∈壓力F_P2Text5.Text=Text5.Text&."溫度FBG3="&溫度FBG38 vbCrLf8."u∈壓力F_P3="&.u∈壓力FP3Text6.Text=Text6.Text&."溫度FBG4="&.溫度FBG48. vbCrLf&."u∈壓力FP4=″&.u∈壓力FP4Text7.Text=Text7.Text&."溫度FBG5=”&溫度(a)FP腔長(cháng)與應力變化曲線(xiàn)FBG5&. vbCrlf&."u∈壓力FP5="&.u∈壓力FP5P0c及射甲心波長(cháng)溫度變化系Text8.Text=Text8.Text&."溫度FBG6=〃&.溫度Data portFBG6& vbCrLf&"u∈壓力F_P6=″&u∈壓力F_P6151.2Text9.Text=Text.Text&."溫度FBG7="8溫度151.1FBG7& vbCrLf8."u∈壓力F_P7=8.u∈壓力F_P7End Sub多路解調雙參數T/F數值監控顯示的實(shí)驗結果如FBG1圖5所示。(b)FBG反射中心波長(cháng)與溫度變化關(guān)系圖4采集的數據點(diǎn)進(jìn)行高斯曲線(xiàn)擬合潘空收區這里以引用VB串口接收8路通道采集的數據為例,雙參數顯示的代碼如下:Private Sub Command1 Click)Dim a As variant, b As stringDim FBG(1 To 8)As Single, F_P(l To 8)As Single(a)串口實(shí)時(shí)接收采集的8通道數值Form1.Text1.Text=串口調試軟件. TxtReceive.Text數是2)sa!b= Text. Text溫度FBG0= Format(val(a(0))/9.565,".00”)u∈壓力F_P0= Format(Val(a(1)-15)#2000/17,0.000″)由FBG0采集的數據,用 Matlab高斯曲線(xiàn)擬合通過(guò)方程處理求出T/F。溫度FBGl= Format(val(a(2))/9.565,(b)8通道TF數值實(shí)時(shí)顯示u∈壓力F_P1= Format(val(a(3)-15)*2000/17,0.000”)圖58路通道的雙參數數值處理結果168現代電子技術(shù)2012年第35卷3結語(yǔ)[5]劉云啟,郭轉運,張潁,等,單個(gè)光纖光柵壓力和溫度的同時(shí)測量[J].中國激光,2000,27(11):1002-1006理論與實(shí)驗結果分析可知,FBG與FP腔串聯(lián)復用6]張俠多通道光纖光柵傳感解調系統研究[D]武漢:武漢理傳感器可以消除溫度與應力的交叉敏感,能實(shí)現對監測工大學(xué),2010點(diǎn)溫度與應力的高精度解調同時(shí)由空分復用可實(shí)現多7張磊,于清旭,光纖FP腔與FBG復用傳感器精確解調方個(gè)監測點(diǎn)的同時(shí)測量。系統設計采用FPGA+NosⅡ完法研究[].光電子·激光,2009,20(8):1008-1011[8] QIAO Xue-guang. Hybrid FBG/ LPEG sensors for simulta成數據的采集與VB通信的處理。實(shí)驗結果表明,該系neous measuring strain and temperature of oil/ gas bottom統性能可靠,準確的對溫度與應力實(shí)現實(shí)時(shí)監控,且運hole [j]. Journal of Optoelectronics Laser, 1999, 10(1)行穩定。而FPGA的預留IO端口可作為擴展端口使42-45用,以便實(shí)現更多監測點(diǎn)的測量。當實(shí)時(shí)性達到一定精9 JING Zhen guo, YU Qing-xu, White light optical fiber ef度后,該方案就能滿(mǎn)足大型工程的應用需求,如在航空PI sensor bases on cross-correlation signal processing航天的衛星發(fā)射時(shí),對其各子系統溫度與應力的實(shí)時(shí)動(dòng)method [C]// 2005 International Symposium on Test and態(tài)監控;以及對大型機械廠(chǎng)房溫壓的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監控Measurement. Dalian, China: China Ordnance Society等等。2005:3505-3507L10] WU Fu-gang, ZHANG Qing-shan, JIANG De-sheng參考文獻et al. Method of gaussian curve fitting for measuring fiber[1]廖延彪,光纖傳感器的今日與發(fā)展[.傳感世界,2004(2)Bragg wavelength [J]. 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