光纤传感空分复用下多点温度与应力的监测显示

2012年12月1日现代电子技术Dec.2012第35卷第23期Modern Electronics TechniqueVo.35No.23光纤传感空分复用下多点温度与应力的监测显示王明波,惠小强酉安邮电大学理学院,陕西西安710121)摘要:多参量多点实时监测显示是传感研究领琙的一项重要技术。以光纤 Fabry-Perot(F-P)腔与光纤Brag光栅(FBG)传感器的串联复用结构为单元构建空分复用(SDM)系统,设计了温度、应力多点实时显示的方案。由FPGA构建的SOPC与iosⅡ完成对多监测点的数据采集,由VB串口通信接收FPGA存储器存储的采集数据,再把此数据由高斯曲线拟合方程处理得到温度和应力的参数值,最后用VB实现监测显示。结果表明F-P腔与FBG串联能有效克服温度与应力的交叉敷感,FPGA结合VB能很方便的实现多麥量多点的实时监测显示。关键词:光纤传感;空分复用;温度与应力显示;FPGA;VB中图分类号:TN911-34文献标识码:A文章编号: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本文主要完成了对多监测点双参数监控显示的研0引言究。FBG能通过反射或透射波长实现对温度的测近年来,光纤光栅传感技术的应用在各行各业中得量;F-P可用做可调谐FP腔、滤波器、传感器等,调到了快速的发展叫。人们对待测物理量在精度、性能、节腔长与电压的关系能实现对应力解调°。故首先设容量以及多参数等方面提出了更高的要求。这极大地计了一种基于FBG与FP腔传感器串联复用,并对其促进了光纤光栅传感复用类型相关理论和技术的研究,进行空分复用,构建成能实现多监测点双参数高精度解而解调显示技术正是其中的一个重要环节,现常以调的系统。分析FP腔与FBG串联复用的光谱,可知能ARM,DSP,FPGA等芯片为核心控制多路数据信号的实现待测信号的高精度解调:即FP腔长(应力)和FBG采集、存储和处理,并用 LabVIew,VB, Matlab及其混反射中心波长(温度)的同时测量。并使用FBG和合使用等做界面显示处理241。FP腔分别对温度与应力进行测量,进而与FP腔和文中FPGA与VB结合实现多参量的监测显示,FBG串联复用所得结果进行比较,通过实验对该方法进得益于FGA高度集成、内部资源丰富、功能强大、时行了验证。而空分复用就能实现多个监测点的双参数高序控制精确、支持并行处理、编程灵活等优点;VB简洁精度解调。此后由FPGA构建的SOPC与Nos完成对易懂、界面设计简单多监测点双参数的数据采集;由VB串口通信进行数据接收,并把采集到的数据带入高斯曲线拟合方程屮,求收稿日期:20120724出具体的温度与应力,并用VB界面实现了监控显示。基金项目:国家自然科学基金资助(11174165)第23期王明波,等:光纤传感空分复用下多点温度与应力的监测显示1651原理分析与理论模型形成最终的输出光谱Io。其数学表达式为:Iout=I +14=In[fBG+(1-fFBG)2fE-PJ (4)1.1FBG的应变和温度响应式中:fFBG=R·exp[-(λ-AB)2/C2],即用高斯分布来根据光纤耦合模型理论可知,满足 Bragg条件的反表示FBG的反射谱,R为光栅峰值反射率;λB为 Bragg射光波长为:反射中心波长;c值的大小用于表征反射峰的宽度;AB= nera(1)fp=2r[1+cos(4πL/λ+x)],其中r为光纤端面反射式中:A为光栅周期;nf为有效折射率。当A和nd因外率,L为FP腔的腔长,为光波长界同时引起较小的变化△A和△n时,由 Bragg条件可由式(4)可知,由传感器返回的光谱并不是FBG传知,反射波长会发生移位△B。△AB可表示为:感器与FP腔传感器各自反射光谱的简单叠加。此△AB=2△n4+2n:△A(2)时,若直接采集光谱信号中的FBG反射峰值波长作为若温度、应变共同作用时,产生的 Bragg波长位移FBG传感器的温度解调信号,将导致结果发生偏差,影B,用线性关系可表示为:响温度测量精度。为了得到精确的FBG反射光谱信B1 neff dvndd7△T号,将式(4)展开成为关于∫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,可得精确的FBG反射光谱,进而通过对a△T+Re(3)解出的光谱峰值部分进行高斯拟合,求解出中心位置,式中:a是光纤材料的热膨胀系数;△T是温度变化量;p可解出FBG的中心波长。式(5)中Im和Im是可直力m为材料的光弹系数;,U3为泊松比。由式(3)可知接测量得到的光谱分布数据,fP通过F-P腔反射光谱由单一FBG在测得中心波长移动△AB时,还需知道温的交叉相关解调算法得到。消除FBG对F-P腔解调度才能求出应变,这就是温度与应变的交叉敏感问题的影响只需找到FBG的粗略峰值位置,将FBG峰值部当应变和温度同时发生变化时,光纤光栅无法区分由分光谱数据从光谱中扣除。由于FBG光谱宽度远小于二者独自引起的波长变化,测量其中一个量时,总会受宽谱光源宽度,而交叉相关计算对于小范围光谱数据的到另一个量的影响。为解决交叉敏感问题,人们提出了缺失不敏感,因而不影响FP腔解调结果的精度。多种方法,其中串联复用传感就是一种有效的方法。如将相关解调计算得到的fP带入式(5),得到方程光纤布拉格光栅和长周期光栅结合的传感器系统,该系的解为:统能实现油气井下应力和温度的同时测量8。本文研究FP腔与FBG串联复用传感,能消除交叉敏感影响,FBG(1-2fFP)并对该串联复用传感器进行空分复用实行多点监测,最(1-2/F)2-4fF(F-lom/m)}2f(6)终用VB编码实现数值界面显示在实际解调过程中,可取测量得到的原始FBG光1.2F-P腔与FBG串联复用传感器的解复用谱峰值附近一定范围的光谱数据做上述运算,得到分离因为F-P腔有温度-压力交叉敏感性能实现对温度后FBG的新光谱并进行高斯拟合,即可得到精确的的补偿,能使测量精度提高,故可采用FP腔与FBG串FBG的中心波长位置10。故该串联复用能实现双参数联复用传感器的解复用。其结构如图1所示解调。FBGFP腔2解调研究1-42.1FBG与FP腔传感串联复用进行空分复用的解调图1FBG与FP腔串联复用传感器的结构分析FBG与F-P腔传感串联复用可知,能同时实原理阐述:光从光纤左端入射I,进入FBG与FP现对温度和应变的高精度测量。通过对该串联复用系腔串联复用的结构中,首先经过FBG温度传感器,此时统进行空分复用,能实现对多监测点的双参数测量。以Bragg反射波长附近的一部分光I1被反射,而透射光可调谐窄带激光F-P腔做光源,可使各分路的光功率Ⅰ2入射到F-P腔传感器,得到FP反射光谱为一低反提高,提高系统的信噪比,解调范围可控制。为此构建衬度的FP腔干涉光谱Ⅰ,l3再通过FBG传感器,其透一个能同时测量温度和应变,并且能大幅度提高精确度射光部分为I4。与之前的FBG传感器反射光1相叠加的空分复用系统。对该空分复用系统各路光纤进行解166现代电子技术2012年第35卷调设计的原理如图2所示。核处理器中的UART(RS232)实现数据与PC通信此处需在PC上用VB编写一个串口通信端口来接收第1路「…「第8路RAM里的数据。注意UART与VB接收端口的波特多路开关率必须一致,否则不能成功通信。以下为VB处理数据光电检测FPGA总线代码计算机(1)ⅤB串口端口通信,由 mscom控件来完成通AD转换信,其初始化为:图2FBG与F-P腔构建的空分复用系统的解调原理With. MsComm首先用FPGA控制多路选择开关,选择具体的某settings=9600,n,8, 1路光纤。进人到光电探测器中,将光信号转换为模拟电outbuffersize=1024信号并用A/D转换为数字信号。采集完数据并存储于inbuffersize=1024portopen-trueFPGA存储器中,再进行下一路光纤数据的采集,如此 End with循环,在一给定的时序内完成所有光路的数据采集,并用 oncomm事件来完成数据的通信,接收与发送代将数据用数组存储。最终通过对FPGA进行配置与编码为:程,实现对存储器的读写转换,用RS232数据线通过Private Sub MSComm OnCommoVB串口通信连接到计算机中进行处理,实现对温度/ On Error goto er应力的显示。FPGA的IO端口可扩展为多路开关和Select Case MSComm Comm EventCase comEvRcceiveA/D转换,进一步能实现对更多路的监测解调。If ChkHexReceive, value=1 Then2.2数值界面监控显示Call hexreceive2.2.1软核配置与数据采集ElseCall textreceive以FPGA开发板EP2C8Q208为硬件平台,在End lfQuartusⅡ11.0的 SOPC Builder里,设计NiosⅡ软Case comevsendIf ChkHexSend, value 1 Then核处理器及功能模块。直接调用 Altera提供的IP核,EI功能模块IP核经配置后,即可加入到系统中。此处添Call textsendEnd if加的模块有CPU, SDRAM, FLASH,PIO,SPICase elseM4KRAM,UART,DS等。其连接图如图3所示。End SelectEPIOSDRAMEnd sub据采集M4KRAMFLASH(2)VB串口通信文本接收代码DS软核SPIPrivate Sub textReceiveNiosⅡUART显Input Signal MSComm InputReceiveCount= Receive Count LenB( StrConv( InputSignal, vbFPGA开发板JTAGFromUnicode))EP2C8Q208If DSwitch False The图3NiosⅡ软核处理器与外围连接Txt Receive. Text= TxtReceive. Text Input signalTxtReceive SelStart Len(TxtReceive. Text)PIO模块主要用来实现A/D的配置和控制;RAMEnd if为缓冲存储块,设置为双端口RAM,一个端口写,另一个TxtRXCount. Text =RX: &.ReceiveCountE端口读;DS时钟模块进行时序控制; SDRAM随机存储 End sub器; FLASH程序下载固化时用;NiosⅡ软件编程控制模(3) Txt Receive接收文本的数据,每过5s刷新数块,通过各模块的配置以及NiosⅢ的程序来寻址TP核,据,并继续接收由FPGA采集传来的数据。由tmer控件完成数据的采集12;以RS232串口线完成FPGA与处理,其属性 Enabled为True, Interval.500,timr(PC的连接并由UART与编写的VB串口实现通信13]。事件为Form1.Text1.Text=串口调试软件, TxtReceive2.2.2数据串口通信Text。确保引用接收到的数据是实时正确的主要是将 Nios l ide main(里的数组寻址RAM模2.2.3VB界面显示块读来的数据,传送到VB串口接收窗口中,以NosⅡ软将VB串口通信接收端接收到的数据,经过高斯曲第23期王明波,等:光纤传感空分复用下多点温度与应力的监测显示167线拟合方程处理,求出对应的温度和应力。由于条件限由FBG1采集的数据,用 Matlab高斯曲线拟合通制,实验中采用的FBG中心波长均为1550nm,腔长为过方程处理求出T/F。15pm的F-P腔。以第1路光纤为例,实验测得的参数温度FBG2= Format(val(a(4)/9.565,".00”)由 Matlab进行高斯曲线拟合结果如图4所示:图4(a)为u∈压力F_P2= Format(va(a(5)-15)*2000/17,0.000″)FP腔长与应力变化关系曲线在FP腔长为8.5μm范温度FBG3= Format(val(a(6)/9.565,",00″)围内对应着103∈,拟合的高斯方程可表示为:L-15)×1000/85(7)。"∈压力F_P3= Format(val(a(7)-15)“200017,000″)温度FBG4= Forma(val(a(8))/9.565,".00式中:L代表所测的FP腔长;F代表应力。故由测得的u∈压力FP4= Format(Val(a(9)-15)*2000/17,腔长L可求出F。0.000")温度FBG5= Forma(Val(a(10))/9.565,",00")图4(b)为FBG反射中心波长与温度变化关系,拟∈压力F_P5= Format(Val(a(11)-15)兼2000/17,合的高斯方程为:0.000″)温度FBG6= Format(val(A(12)/9.565,",00)λB=9.565T+1550.12175(8u∈压力FP6= Format(Val(A(13)-15)“2000/17,式中:T代表所测温度;AB代表FBG反射中心波长。故0.000)温度FBG7= Format(val(A(14)/9.565,",00")由测得反射中心波长入B可求出T。最后通过VB代码编写实现所测温度与应力的界面监控显示。o∈压力F_P7= Format(val(A(15)-15)*20017,000)Text2.Text=Text2.Text&."温度FBG0="&.温度FP腔长与店力光化关系FBG0& vbCrLf&"u∈压力FP0=&u∈压力F_P0Text3.Text=Text3.Text&."温度FBG1=”&.温度FBG1&. vbCrLf8."u∈压力FP1=”8u∈压力FP1Text4.Text=Text4.Text&."温度FBG2="&温度FBG2& vbCrLf&"u∈压力F_P2=”&u∈压力F_P2Text5.Text=Text5.Text&."温度FBG3="&温度FBG38 vbCrLf8."u∈压力F_P3="&.u∈压力FP3Text6.Text=Text6.Text&."温度FBG4="&.温度FBG48. vbCrLf&."u∈压力FP4=″&.u∈压力FP4Text7.Text=Text7.Text&."温度FBG5=”&温度(a)FP腔长与应力变化曲线FBG5&. vbCrlf&."u∈压力FP5="&.u∈压力FP5P0c及射甲心波长温度变化系Text8.Text=Text8.Text&."温度FBG6=〃&.温度Data portFBG6& vbCrLf&"u∈压力F_P6=″&u∈压力F_P6151.2Text9.Text=Text.Text&."温度FBG7="8温度151.1FBG7& vbCrLf8."u∈压力F_P7=8.u∈压力F_P7End Sub多路解调双参数T/F数值监控显示的实验结果如FBG1图5所示。(b)FBG反射中心波长与温度变化关系图4采集的数据点进行高斯曲线拟合潘空收区这里以引用VB串口接收8路通道采集的数据为例,双参数显示的代码如下: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)串口实时接收采集的8通道数值Form1.Text1.Text=串口调试软件. TxtReceive.Text数是2)sa!b= Text. Text温度FBG0= Format(val(a(0))/9.565,".00”)u∈压力F_P0= Format(Val(a(1)-15)#2000/17,0.000″)由FBG0采集的数据,用 Matlab高斯曲线拟合通过方程处理求出T/F。温度FBGl= Format(val(a(2))/9.565,(b)8通道TF数值实时显示u∈压力F_P1= Format(val(a(3)-15)*2000/17,0.000”)图58路通道的双参数数值处理结果168现代电子技术2012年第35卷3结语[5]刘云启,郭转运,张颍,等,单个光纤光栅压力和温度的同时测量[J].中国激光,2000,27(11):1002-1006理论与实验结果分析可知,FBG与FP腔串联复用6]张侠多通道光纤光栅传感解调系统研究[D]武汉:武汉理传感器可以消除温度与应力的交叉敏感,能实现对监测工大学,2010点温度与应力的高精度解调同时由空分复用可实现多7张磊,于清旭,光纤FP腔与FBG复用传感器精确解调方个监测点的同时测量。系统设计采用FPGA+NosⅡ完法研究[].光电子·激光,2009,20(8):1008-1011[8] QIAO Xue-guang. Hybrid FBG/ LPEG sensors for simulta成数据的采集与VB通信的处理。实验结果表明,该系neous measuring strain and temperature of oil/ gas bottom统性能可靠,准确的对温度与应力实现实时监控,且运hole [j]. Journal of Optoelectronics Laser, 1999, 10(1)行稳定。而FPGA的预留IO端口可作为扩展端口使42-45用,以便实现更多监测点的测量。当实时性达到一定精9 JING Zhen guo, YU Qing-xu, White light optical fiber ef度后,该方案就能满足大型工程的应用需求,如在航空PI sensor bases on cross-correlation signal processing航天的卫星发射时,对其各子系统温度与应力的实时动method [C]// 2005 International Symposium on Test and态监控;以及对大型机械厂房温压的实时动态监控Measurement. Dalian, China: China Ordnance Society等等。2005:3505-3507L10] WU Fu-gang, ZHANG Qing-shan, JIANG De-sheng参考文献et al. Method of gaussian curve fitting for measuring fiber[1]廖延彪,光纤传感器的今日与发展[.传感世界,2004(2)Bragg wavelength [J]. Journal of Wuhan University ofTechnology,2007,29(12):116-118刘雪冬,谢学征,徐元哲.基于 LabvieW的光纤光栅传感解[11]级大伟,徐抒岩,胡君,等基于FPGA的多通道高速数据采集系统[].仪表技术与传感器,2011(12):69-71.调系统的研究[].现代仪器,2010(2):48-50[3]李长义,陈海清,黄翀,等.VB语言环境下基于串口通信的[12]杨卫,李飞,张皎,等.基于NiosⅡ的高速多路数据采集系光纤光栅传感网络分析软件的设计[J].应用光学,2010,31统[门.计算机测量与控制,2011,19(2):465-467[13]蔡德胜,方寿海.一种高可靠性的计算机与FPGA串行通(6):1005-1009[4]徐何,李滔,李勇. Matlab与 LabvIew混合编程方法应用信的实现[J]现代电子技术,2011,34(19):84-86.研究[].科学技术与工程,2010,10(33):8267-8271[14]李智祥,陈瑞.多点温度监控系统的设计J].现代电子技术,2009,32(3):140-142作者简介:王明波男,1987年出生,重庆人,硕士研究生。主要从事光纤光栅解调显示研究。55>>2555>5>>(上接第160页)具有广泛的应用前景。开环环境下可以很迅速的达到[6]陈永军基于dPIC的无刷直流电机调速系统方案[J.电速度要求。在闭环控制中启动、运行良好,反应速度快。机与控制应用,2006,33(8):32-35[7]孙立军.无刷直流电机PWM调制方式的研究[哈尔滨理参考文献工大学学报,2006,11(2):120-123[1]张琛无刷直流电动机原理及应用[M].2版.北京:机械工[8]罗能之霍尔传感器应用于无刷电机驱动控制[J.江西科业出版社,204学,2005,36(1):61-64[2]王晓明,王玲.电动机的DSP控制:TI公司的DSP应用9ˉ李晓梅,丁宁,朱喜林.基于DSP控制芯片的无刷直流电机LM].北京:北京航空航天大学出版社,2004控制系统研究[J].长春大学学报,2006,16(1):1-6.[3] Microchip. dsPIc30F系列参考手册(中文版)[M,USA:[107 Microchip dsPIC30F指令集(英文版LMJ.USA: Micro-Microchip, 2005chip,2004.[4] Microchip. dsPIC30F6010数据手册(英文版LM].USA[1] Microchip. MPLAB ASM30汇编手册(英文版)[M].Microchip, 2004.USA: Microchip, 2004[5]陈继红,楼顺天.DSC在无刷直流电动机控制中的应用[J][12]梁海浪.dsPC数字信号控制器C程序开发设计[M].北微电机,2005,38(3):82-83京:北京航空航天大学出版社,2006作者简介:刘陆女,1978年出生,山西人,高校讲师。主要研究方向为控制工程。杨丽英女,1977年出生,沈阳人,技术员。主要研究方向为测控技术。