基於LabVIEW的光纖布拉格光柵動態解調系統
2021-01-18 51CTO為了實現光纖光柵動態解調的目的，採用了一種基於長周期光柵(LPFG)邊緣濾波特性解調光纖布拉格光柵(FBG)的動態應變檢測系統。將FBG作為傳感元件，利用長周期光柵邊緣濾波特性對光強調製，經光電轉換獲得電壓信號，通過高速數據採集卡與LabVIEW軟體設計結合由計算機採集。進行了振動實驗，採集信號的時域波形圖並進行頻譜分析。試驗結果表明該系統具有良好的動態響應特性，可實現2．5 kHz以內的動態應變監測。
作者：朱珠來源：現代電子科技|2012-12-26 15:140 引言
與傳統電子傳感器相比，光纖光柵傳感器是目前最具發展前途的傳感器之一。降低了自身的重量和體積，在抗電磁幹擾能力、電氣隔離和傳輸損耗等方面都有著優越的表現，光纖光柵的出現給傳感器技術領域發展帶來了一種新的發展趨勢。波長解調技術是實現光纖光柵傳感的關鍵，在光纖光柵的應用領域，光纖光柵解調技術一直是人們關注的重點課題。目前正在研究的光纖光柵傳感解調方案有許多，如利用幹涉濾波法，可調諧光纖法布裡-珀羅腔法，邊緣濾波解調法等，其中，幹涉濾波法僅適用於測量動態應變，無法測得絕對應變;高精度的可調諧光纖法布裡一珀羅腔價格高昂，濾波損耗大。因此能夠實際應用的解調產品並不多，特別是用於動態解調的解調設備，大多尤為昂貴，不利於工程應用。本文利用長周期光柵(Long-Period Fiber Grating，LPFG)具有邊緣濾波特性，自行研製了一套光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)動態檢測系統並將其用于振動方面的測試。試驗結果表明，該解調系統能夠較好地檢測振動信號，相對於其他的解調方案，具有結構簡單，解調速度快，成本較低等優點。本文利用高速數據採集卡讀取採集數據傳送到PC機，通過LabVIEW進行數據分析，實現了對動態應變系統狀態的實時準確掌控。
1 解調原理
基於長周期光纖光柵解調系統解調原理如圖1所示。
圖中，曲線A為光纖布拉格光柵(FBG)的反射光譜，曲線C為長周期光纖光柵(LPFG)的透射譜，FBG反射光經過LPFG濾波後，光功率信號I(λ)為：
式中：R(λ)為FBG的反射光譜;H(λ)為LPFG的透射光譜;在一定的波長範圍內，H(λ)近似線性函數，而R(λ)的光譜寬度遠小於該波長範圍，因此I(λ)也近似線性函數，也即：
由式(3)可知，通過測量I(λ)/I1(λ)的值即可獲得波長信息，從而實現對FBG波長的檢測。
2 解調系統的構建
基於LabVIEW的光纖布拉格光柵動態解調系統框圖如圖2所示。寬帶光源經過1×2耦合器到達傳感FBG，該傳感光柵的反射中心波長為1 536.529 nm，其反射的窄帶光攜帶待測量信息，窄帶光經過1×2耦合器耦合另一個1×2耦合器，50%光能進入長周期光柵，該長周期光柵的中心波長為1 531.137 nm，在1 510～1 550 nm之間有明顯的損耗峰，並且該光柵的透射譜在1 534～1 542 nm區域具有很好的線性，經光電轉換模塊轉換為電壓V1，50%光能直接經過光電轉換模塊轉換為參考電壓V2。經過調製過的光信號由光電轉換電路轉換為電壓信號。採用高速數據採集卡NI6024E將採集到的信號輸入計算機進行處理。
3 數據採集軟體系統
採用美國NI公司的圖形化程式語言LabVIEW作為開發平臺。LabVIEW程序主要用來進行數據採集、儀器控制及數據處理分析，是一款開放式的虛擬儀器開發系統應用軟體。
軟體部分的實時數據採集程序由LabVIEW提供的硬體驅動模塊和VI子程序搭建完成，完成對硬體的配置，測量函數功能的設定以及最終數據採集。數據分析處理模塊主要完成測量數據曲線的校正、濾波、信號特性分析、信號存儲與讀取功能。數據採集部分可以實現採集通道數的選擇，由實驗的實際情況選擇通道數量，提高系統的效率。因為測量系統中輸入信號一端與模擬輸入通道相連接，另一端連接系統地，故選擇RES(單端由參考地)數據採集系統。數據存儲部分可以將數據存儲至指定的路徑。
為了便於實時監測，該系統設計了狀態信息選擇界面，系統狀態顯示界面。運行主程序，系統將自動初始化各個模塊參數。本系統的關鍵程序如圖3所示。配置模擬輸入的子VI，AI config.vi，指定模擬輸入操作硬體，通道等。範圍常量子VI：Scaling constant tuner，vi，把模擬信號轉化為數位訊號。讀取數據子VI：AIread.vi，從數據採集的緩存中讀取數據;初始化數據現實與保存模塊。包括 Array to bluster，Spilt 1D array，formula nod，Write to spreadsheet file等函數;初始化程序運行控制模塊，程序運行控制模塊的功能是控制程序的運行、暫停、停止、保存和恢復等狀態。
4 模擬機翼蒙皮結構監測實驗及結果分析
實驗利用四邊簡支(長×寬×厚=1 500 mm×250 mm×2 mm)，彈性模量E=68 GPa試件，模擬飛機蒙皮結構。在試件的中間位置粘貼一根光纖布拉格光柵，在室溫20℃時，其反射中心波長為1 536.529 nm。在實驗過程中，將HEV-02的激振器產生的垂直周期力加載到試件上，通過改變激振器的振動頻率和幅值來激發板結構做周期振動。利用LabVIEW 軟體顯示實驗中信號的變化，數據採集和處理部分實現觀察輸出信號波形和信號的頻譜特性。
圖4(a)，(b)所示都是在試件上加載30 Hz垂直周期力時的時域波形圖和經過快速傅立葉變換的頻譜分析圖，所不同的是圖4(a)是功放輸出電壓為2 V時所採集的信號及分析圖，圖4(b)是功放輸出電壓為4 V時採集的信號及分析圖。通過兩幅圖的對比顯示，當激振幅度增大，採集到的信號幅值也大，幅頻圖上相應的諧波分量也隨之增大。由此可見，利用長周期光柵的線性濾波準確測量試件的振動幅度。
圖5為系統採集到的電壓信號時域波形圖以及由FFT得到的頻譜分析圖。研究中選取頻率為2 500 Hz激振器激勵下的響應圖。實驗中，系統採集數據頻率為50 kHz，從頻譜圖中看出激振產生的能量集中頻段與施加載荷的頻率吻合。
本系統帶通濾波器設置為200 Hz～3 kHz，對動態信號的響應帶寬約為3 kHz，系統進行自動跟蹤，在2 500 Hz的激勵頻率下，對試件施加激勵，並對採集到的數據進行頻譜分析，結果證明系統有較好的響應速度，改變光電探測電路的反應速度可以改善這個指標。在 200 Hz～5 kHz帶寬內，電路輸出的本底噪聲為100 mV，其解析度為。
5 結語
基於LabVIEW的光纖布喇格光柵動態解調系統實現了光纖布拉格光柵的動態解調。此方案相對於其他解調辦法，較容易實現。本文採用該系統對2.5 kHz以下的振動信號進行監測，結果表明系統在解調範圍內能較好地恢復出施加的激勵信號，很好的實現動態波長的解調，達到較高的信噪比和可靠性，並且抗電磁幹擾能力強，可以實現低速衝擊，振動信號的實時、在線監測。
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