便携式光纤光栅检测数据采集系统研究

白磊

（山西省交通建设工程质量检测中心有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。FBG传感器具有灵敏度高，可靠性好，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求，可对大型构件进行实时安全监测，与传统传感器安装相比，节省了大量的电缆和施工费用。目前在廉价的波长解调技术进一步发展完善背景下，光纤光栅传感技术已经走向成熟阶段，很多也已经商用化。

光纤光栅传感器可对应变、温度、压力、加速度和强磁场等多种物理量进行检测，但其基本原理是相同的，即外界待测参量的变化引起光纤光栅中心波长的偏移，如何方便快捷地检测出光纤光栅的微小位移是光纤光栅传感器实用化的关键技术。光纤光栅传感解调系统可应用于轨道交通、桥梁、隧道、轨道交通建筑、地质灾害监测、电力等领域。现根据现场工程需要，开发一款便携式光纤光栅数据采集仪，是便携式光纤光栅数据采集仪的控制系统。

1 光纤光栅采集系统原理概述

通过拉伸或压缩光纤光栅，或者改变温度可以达到改变光纤光栅的周期和有效折射率，从而达到改变光纤光栅的反射波长的目的，如图1所示。而且光纤光栅的中心波长的变化量和应变、温度的变化量成线性关系。根据其特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度、位移等多种传感器。

光纤光栅信号处理器用于实时采集各光纤光栅传感器的波长值，通过光栅传感器波长变化量的大小推算出相应物理量（温度、应力等）的改变大小[1]。这样就实现了物理量传感检测的目的。

2 控制系统说明

2.1 系统功能介绍

便携式采集仪上电后，进入系统首页。系统主界面主要包括采集功能和系统设置两部分，点击系统设置图标，则会切换到系统设置界面，在此界面可以进行系统时间设置、亮度大小调节、光标的使用或禁用、声音的使用或禁用和重新启动软件，右下角首页按钮则可回到系统首页。

点击采集功能，则会切换到采集系统界面，本界面主要进行光纤光栅波长采集[2]，右上方为实时电量显示，左边则是功能键按钮，依次为激光器控制、系统参数、采集参数、历史数据、波长解调和光谱解调，进行采集时需开启激光器后，左边指示灯会变红闪烁。激光器开启后则可进行串口参数发送，与底层硬件进行通信，开始采集命令，采集结束，待数据显示存储后，需关闭激光器。

在进行波长解调和光谱解调之前要进行采集参数设置，如果不对各通道中各点中心波长值进行校准，则最后波长解调会按照所测得的波长，进行从小到大输出，依次赋值于各通道的不同采集点。如按照各通道各传感器的物理连接顺序进行中心波长校准[3]，则波长解调的输出波长也会与接入物理位置一一对应，可先进行通道选择，然后进行该通道下波长最大偏移范围设置，进行相对应的中心波长设置。

2.2 采集功能介绍

波长解调界面中左侧为功能按键，右侧为通道选择键，可以选择不同的4个通道，点击开始解调则可进行波长解调，可在暂停解调后切换，也可在解调过程中进行通道切换，但要进行波长解调必须重新开始采集[4]。开始解调后下方指示灯会变红闪烁，暂停解调后灯熄灭。中间为不同通道不同采集点的中心波长实时变化曲线图，横坐标为时间，每格10s，纵坐标为中心波长的波长值，所显示通道数会在图上方红字部分显示，各采集点值对应不同颜色。屏幕中下方则为各采集点的数值显示，如果进行采集参数设置，则排列位置即为该通道各采集点的物理串联位置。屏幕的右下方为首页按键，可返回首页。

光谱解调界面可以选择不同的4个通道，操作与波长解调一致，中间为不同通道中各采集点的中心波长实时光谱图，横坐标为各通道不同采集点的采集波长值，纵坐标为该采集波长对应的光谱能量，所显示通道数会在图上方红字部分显示。

历史数据界面显示框内有相对应的四个采集通道，点击对应的通道数，如通道1，则会弹出近期采集的数据及其对应的采集时间[5]，向右拉伸滚动条，则可读取该通道18个采集点的历史数据。

2.3 实际操作

进入采集参数界面，如图2所示，将通道数设置为1，偏移范围设置为1nm，将采集点P1的中心波长设置为1536.000nm，点击设置进行保存。将通道数设置为2，偏移范围设置为1nm，将采集点P1的中心波长设置为1539.000nm，将采集点P4的中心波长设置为1541.000nm，将采集点P10的中心波长设置为1555.000nm，点击设置进行保存。

采集参数设置完毕后，打开激光器，然后点击CH1，开始解调，灯变红闪烁，在各采集点中心波长变化表中有一条线在1536nm左右向前延伸，在图下侧的P1数值显示框中显示有采集到的中心波长1536.000nm。暂停解调，选择CH2，然后开始解调，灯变红闪烁，在各采集点中心波长变化[6]中有三条线分别在1539nm、1541nm和1555nm左右向前延伸，在图下侧的P1、P4和P10的数值显示框中显示有采集到的中心波长1539.246nm、1541.407nm和 1555.449nm。

进入光谱解调界面，系统默认选择CH1，点击开始解调，左边的红灯开始闪烁，大约2s左右，CH1通道的光谱就会在中间显示框中显示，光谱中有一个波峰[7]，大约在1536nm左右，暂停解调，选择CH2，点击开始解调，左边的红灯开始闪烁，大约2s左右，CH2通道的光谱就会在中间显示框中显示[8]，光谱中有三个波峰，大约在1539nm、1541nm和1555nm左右。

3 结论

便携式光纤光栅数据采集控制系统基于EasyBuilder8000编程软件开发，利用先进的光纤光栅数据采集技术，采用模块化管理机制，界面清晰，工作性能稳定，能够实现多通道多物理量同时测量，测量数据准确性高、实时性好。实时处理数据可通过变化趋势图对解调波长实时显示，可利用XY曲线图对单一通道的光谱数据进行循环更新采集，方便现场工作人员记录和判断。