基于LabVIEW的光纖布拉格光柵動態(tài)解調(diào)系統(tǒng)

摘要：為了實現(xiàn)光纖光柵動態(tài)解調(diào)的目的，采用了一種基于長周期光柵(LPFG)邊緣濾波特性解調(diào)光纖布拉格光柵(FBG)的動態(tài)應(yīng)變檢測系統(tǒng)。將FBG作為傳感元件，利用長周期光柵邊緣濾波特性對光強(qiáng)調(diào)制，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換獲得電壓信號，通過高速數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW軟件設(shè)計結(jié)合由計算機(jī)采集。進(jìn)行了振動實驗，采集信號的時域波形圖并進(jìn)行頻譜分析。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，可實現(xiàn)2．5 kHz以內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；光柵；邊緣濾波；動態(tài)解調(diào)

0 引言
    與傳統(tǒng)電子傳感器相比，光纖光柵傳感器是目前最具發(fā)展前途的傳感器之一。降低了自身的重量和體積，在抗電磁干擾能力、電氣隔離和傳輸損耗等方面都有著優(yōu)越的表現(xiàn)，光纖光柵的出現(xiàn)給傳感器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展帶來了一種新的發(fā)展趨勢。波長解調(diào)技術(shù)是實現(xiàn)光纖光柵傳感的關(guān)鍵，在光纖光柵的應(yīng)用領(lǐng)域，光纖光柵解調(diào)技術(shù)一直是人們關(guān)注的重點課題。目前正在研究的光纖光柵傳感解調(diào)方案有許多，如利用干涉濾波法，可調(diào)諧光纖法布里-珀羅腔法，邊緣濾波解調(diào)法等，其中，干涉濾波法僅適用于測量動態(tài)應(yīng)變，無法測得絕對應(yīng)變；高精度的可調(diào)諧光纖法布里一珀羅腔價格高昂，濾波損耗大。因此能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多，特別是用于動態(tài)解調(diào)的解調(diào)設(shè)備，大多尤為昂貴，不利于工程應(yīng)用。本文利用長周期光柵(Long-Period Fiber Grating，LPFG)具有邊緣濾波特性，自行研制了一套光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)動態(tài)檢測系統(tǒng)并將其用于振動方面的測試。試驗結(jié)果表明，該解調(diào)系統(tǒng)能夠較好地檢測振動信號，相對于其他的解調(diào)方案，具有結(jié)構(gòu)簡單，解調(diào)速度快，成本較低等優(yōu)點。本文利用高速數(shù)據(jù)采集卡讀取采集數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，通過LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了對動態(tài)應(yīng)變系統(tǒng)狀態(tài)的實時準(zhǔn)確掌控。

1 解調(diào)原理
    基于長周期光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)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，F(xiàn)BG反射光經(jīng)過LPFG濾波后，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；在一定的波長范圍內(nèi)，H(λ)近似線性函數(shù)，而R(λ)的光譜寬度遠(yuǎn)小于該波長范圍，因此I(λ)也近似線性函數(shù)，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(xiàn)對FBG波長的檢測。

2 解調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)建
    基于LabVIEW的光纖布拉格光柵動態(tài)解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖2所示。寬帶光源經(jīng)過1×2耦合器到達(dá)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(jīng)過1×2耦合器耦合另一個1×2耦合器，50％光能進(jìn)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，并且該光柵的透射譜在1 534～1 542 nm區(qū)域具有很好的線性，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電壓V1，50％光能直接經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為參考電壓V2。經(jīng)過調(diào)制過的光信號由光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號。采用高速數(shù)據(jù)采集卡NI6024E將采集到的信號輸入計算機(jī)進(jìn)行處理。

3 數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)
    采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW作為開發(fā)平臺。LabVIEW程序主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、儀器控制及數(shù)據(jù)處理分析，是一款開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件。
    軟件部分的實時數(shù)據(jù)采集程序由LabVIEW提供的硬件驅(qū)動模塊和VI子程序搭建完成，完成對硬件的配置，測量函數(shù)功能的設(shè)定以及最終數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)分析處理模塊主要完成測量數(shù)據(jù)曲線的校正、濾波、信號特性分析、信號存儲與讀取功能。數(shù)據(jù)采集部分可以實現(xiàn)采集通道數(shù)的選擇，由實驗的實際情況選擇通道數(shù)量，提高系統(tǒng)的效率。因為測量系統(tǒng)中輸入信號一端與模擬輸入通道相連接，另一端連接系統(tǒng)地，故選擇RES(單端由參考地)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)存儲部分可以將數(shù)據(jù)存儲至指定的路徑。

    為了便于實時監(jiān)測，該系統(tǒng)設(shè)計了狀態(tài)信息選擇界面，系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面。運行主程序，系統(tǒng)將自動初始化各個模塊參數(shù)。本系統(tǒng)的關(guān)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件，通道等。范圍常量子VI：Scaling constant tuner，vi，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。讀取數(shù)據(jù)子VI：AIread．vi，從數(shù)據(jù)采集的緩存中讀取數(shù)據(jù)；初始化數(shù)據(jù)現(xiàn)實與保存模塊。包括Array to bluster，Spilt 1D array，formula nod，Write to spreadsheet file等函數(shù)；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(fù)等狀態(tài)。

4 模擬機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)監(jiān)測實驗及結(jié)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(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)。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(chǎn)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(fā)板結(jié)構(gòu)做周期振動。利用LabVIEW軟件顯示實驗中信號的變化，數(shù)據(jù)采集和處理部分實現(xiàn)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(jīng)過快速傅里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時所采集的信號及分析圖，圖4(b)是功放輸出電壓為4 V時采集的信號及分析圖。通過兩幅圖的對比顯示，當(dāng)激振幅度增大，采集到的信號幅值也大，幅頻圖上相應(yīng)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(zhǔn)確測量試件的振動幅度。

    圖5為系統(tǒng)采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(yīng)圖。實驗中，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)頻率為50 kHz，從頻譜圖中看出激振產(chǎn)生的能量集中頻段與施加載荷的頻率吻合。
    本系統(tǒng)帶通濾波器設(shè)置為200 Hz～3 kHz，對動態(tài)信號的響應(yīng)帶寬約為3 kHz，系統(tǒng)進(jìn)行自動跟蹤，在2 500 Hz的激勵頻率下，對試件施加激勵，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果證明系統(tǒng)有較好的響應(yīng)速度，改變光電探測電路的反應(yīng)速度可以改善這個指標(biāo)。在200 Hz～5 kHz帶寬內(nèi)，電路輸出的本底噪聲為100 mV，其分辨率為。

5 結(jié)語
    基于LabVIEW的光纖布喇格光柵動態(tài)解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)了光纖布拉格光柵的動態(tài)解調(diào)。此方案相對于其他解調(diào)辦法，較容易實現(xiàn)。本文采用該系統(tǒng)對2．5 kHz以下的振動信號進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明系統(tǒng)在解調(diào)范圍內(nèi)能較好地恢復(fù)出施加的激勵信號，很好的實現(xiàn)動態(tài)波長的解調(diào)，達(dá)到較高的信噪比和可靠性，并且抗電磁干擾能力強(qiáng)，可以實現(xiàn)低速沖擊，振動信號的實時、在線監(jiān)測。