一种光纤光栅解调设备生产线自动检测装置和检测算法

熊艺文，林奕森，马 莉，秦文忠

（1.桂林航天工业学院 计算机科学与工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林市光明科技实业有限公司，广西 桂林 541004）

0 引言

布拉格光纤光栅（FBG）传感器光，具有电绝缘性良好，抗电磁干扰（EMI）和抗射频干扰（RFI）能力强，化学性能稳定、耐腐蚀，体积小、重量轻，传输损耗小、容量大，结构形式灵活、灵敏度高等特性[1]，故其构成的应力、应变、温度及振动等多参量检测的光纤光栅传感网络有突出的优势，正逐渐取代传统传感器而成为传感器家族的主力军，具有广阔的应用前景。

1 原理

其原理是在光纤上用紫外光刻写光栅，利用FBG波长对温度和应变的敏感性（即温度和应变同时引起光纤光栅波长移动），通过测量光栅反射波长，可换算被测体温度/应变等物理量，因此FBG 传感器可广泛适用于温度、应变、应力、位移、压强、液位、扭角、扭知（扭应力）、加速度、电流、电压、磁场、频率及浓度等测量。

针对FBG 传感器数据采集采用的是宽带激光光源的扫描反射光谱的波长解调，因此，它属于无源传感器应用[2]。在需要长期监测的各种结构健康监测系统中得到广泛的使用，如桥梁、大坝、航空航天、石油化工等行业。随着光纤传感技术的发展，在光纤传感数据采集领域，各种基于光纤传感器包括震动传感器、温度、应力传感器等广泛应用，结合光纤通信技术，正在被广泛应用于电子围栏、火灾报警、安全围栏、桥梁隧道、路基等传感监测领域。相应的光纤光栅传感器的解调设备也出现大量生产和应用需求，由于光纤光栅解调设备对光纤光栅传感器的应用采用的是传感器串接后接入到光纤光栅解调设备对应的通道上，每个通道可以串接32 个光纤光栅传感器，由于在建筑、地质等领域监测范围广的原因，所应用的光纤光栅传感器的数量极其庞大，这就要求光纤光栅解调设备自带的通道数尽可能多，用来解调如此庞大的光纤采集数据。而生产过程中，对光纤光栅解调设备各通道的性能好坏的检测往往是人工处理的，这就造成工作量大、操作繁琐，检测效率低、成本高。设计一种光纤光栅解调设备生产线自动检测装置以及检测算法就能有效提高检测效率，降低人工成本，达到提高待测光纤光栅解调器在生产过程中的检测性能，迅速判断可靠性指标正常与否，迅速定位故障通道的目的。

2 装置结构设计方案

针对光纤光栅解调设备生产过程中人工检测光纤通道可靠性指标正常与否等繁琐的问题，为了提高检测效率和检测正确性、减轻检测人员工作量，本论文设计了一种光纤光栅解调设备的生产线自动检测装置和检测算法，具体设计方案如下：

在光纤光栅解调设备出厂的检测过程中，通过两轴联动定位装置水平、垂直移动以及电动伸缩杆的前后伸缩移动准确的嵌入待测光纤光栅解调仪设备上的某个通道插口上，以便通过光纤光栅解调设备读取连接该通道上的光纤光栅传感器数据，并上传到与待测光纤光栅解调设备连接的检测管理主机中，以便分析该通道的物理连接可靠性和采集数据的正确与否，以此来检测待测光纤光栅解调设备在生产过程中的性能、可靠性指标正常与否。

2.1 光纤光栅解调设备生产线自动检测装置结构设计

该光纤光栅解调设备的生产线自动检测装置包括：仪器摆放工作台、待测光纤光栅解调设备、检测管理主机、承载台、两轴联动定位装置、电动伸缩杆，其结构示意图如图1 所示。

图1 光纤光栅解调设备生产线自动检测装置

仪器摆放工作台用于放置和固定待测光纤光栅解调设备；两轴联动定位装置设置在仪器摆放工作台上并固定在待测光纤光栅解调设备的左侧，主要用于实现水平直线运动和垂直直线运动，实现光纤通道的检测；承载台固定在两轴联动定位装置上，主要用于承载和固定电动伸缩杆；电动伸缩杆固定在所述承载台上，并在两轴联动定位装置的带动下实现水平直线运动和垂直直线运动；管理主机主要分别实现跟两轴联动定位装置、电动伸缩杆、待测光纤光栅解调设备的连接，在检测光纤光栅解调器通道是否正常工作的同时，迅速定位故障通道的位置。

2.2 电动伸缩杆结构设计

光纤光栅解调设备的生产线自动检测装置的核心部件就是电动伸缩杆，主要功能是实现每个通道的检测。电动伸缩杆包括伸缩杆、电动缸、FC/APC 接头和光纤连接部。电动伸缩杆的结构如图2 所示。

图2 电动伸缩杆结构示意图

伸缩杆由电动缸驱动，伸缩杆的一端固定在电动缸靠近待测光纤光栅解调设备的一端，FC/APC 接头则固定在伸缩杆的另一端，FC/APC 接头的作用是接入光纤连接通道，实现跟待测光纤光栅解调仪的连接以及光纤数据的传输，而光纤连接部的功能是对接工作中的光纤，实现光纤数据的采集，再通过FC/APC接头将数据输入到待测光纤光栅解调仪中。电动缸伸缩杆采用24 V 直流供电，行程比较小，只有30 mm，同时由管理主机控制电动缸的伸缩。

2.3 两轴联动定位装置的结构设计

两轴联动定位装置包括X轴直线模组、Y轴直线模组。其中，X轴直线模组固定在仪器摆放工作台上固定有待测光纤光栅解调设备的一侧，Y轴直线模组竖直设置在X轴直线模组上并可在X轴直线模组的带动下作水平直线运动，承载台则设置在Y轴直线模组上，并可在Y轴直线模组的带动下作垂直直线运动。两轴联动定位装置还包括用于测量FC/APC 接头水平直线运动距离的第一光栅尺和用于测量FC/APC 接头垂直直线运动距离的第二光栅尺，第一光栅尺和第二光栅尺分别与检测管理主机连接。

2.4 多层固定支架结构设计

多层固定支架的功能是固定待测光纤光栅解调仪设备，多层固定支架包括：竖直支撑板、水平支撑底板，其结构设计示意图如图3 所示，多层固定支架后视图如图4 所示。

图3 多层固定支架前方结构示意图

图4 多层固定支架后视图

仪器摆放工作台上固定设置有多层固定支架，多层固定支架用于放置若干个待测光纤光栅解调设备。多层固定支架包括两块竖直支撑板和若干水平支撑底板，两块竖直支撑板相对设置，且互相平行，每层固定支架之间相互独立。若干水平支撑底板设置在两块竖直支撑板之间，任何两块水平支撑底板之间的空间尺寸与待测光纤光栅解调设备的尺寸匹配，两块竖直支撑板在远离待测光纤光栅解调设备通道的一侧上设置了与待测光纤光栅解调设备所在位置相匹配的限位构件，主要是用于针对待测光纤光栅解调设备在两块水平支撑底板之间的空间处进行限位。限位构件包括固定在竖直支撑板上的定位杆以及一端可围绕定位杆旋转的挡块。

设置多层固定支架的功能在于在检测上层固定支架的光纤光栅解调仪时，可以拆除下层已经检测过的光纤光栅解调仪，目的就是在可承重的前提下及时轮换放置待检测的光纤光栅解调仪，将检测完成的解调仪及时取走，方便更换新一批待测解调仪，实现往复循环，针对批量检测的过程中，能有效提高检测效率。

3 定位控制算法

光纤光栅解调仪设备的生产线自动检测装置的电动伸缩杆上设置有n个FC/APC 接头（n≥1），用于同时匹配待测光纤光栅解调设备上当前层次的m个通道数，水平相邻两个通道中心的距离为d，垂直相邻两个通道之间的距离为h。每个FC/APC 接头的光纤连接部连接有1 条光纤，而每条光纤上串接了若干个光栅传感器，光纤光栅解调仪设备的每个通道的目的就是将这若干条串接光纤的数据按照每条光纤的数据分别解调出来，而该装置就是用来检测待测光纤光栅解调设备的通道是否正常工作。定位算法主要用于控制两轴联动定位装置与电动伸缩杆相互配合使用，使得FC/APC 接头自动插入待测光纤光栅解调设备的对应通道内部，以及读取待测光纤光栅解调设备的信息，以分析判定待测光纤光栅解调设备的对应通道连接的可靠性和数据准确性。

为了进一步提高检测效率、减轻检测人员工作量，彻底解决光纤光栅解调设备生产过程中人工检测繁琐的问题。根据检测任务需求的不同，装置可以进行相应的功能扩展，对应的检测方法也有所不同。本论文提出了三种光纤光栅解调设备的生产线自动检测算法，用于实现不同情况下的检测任务：

当待测光纤光栅解调设备当前层次的通道数为m，电动伸缩杆上的FC/APC 接头数n=1 时，管理主机的定位控制算法和运动轨迹为：

步骤（1）：管理主机控制两轴联动定位装置驱动电动伸缩杆上的1 个FC/APC 接头运动至初始位置，也就是在最左侧，并且刚好对准放置在多层固定支架对应层的待测光纤光栅解调设备的最左侧通道；管理主机控制电动伸缩杆向前伸出，使得FC/APC 接头与该待测光纤光栅解调设备的第1 个通道连接，完成数据交互后，管理主机控制电动伸缩杆向后缩进，完成第一个通道的检测任务，再向右移动d个距离；在检测该待测光纤光栅解调设备的第i个通道时，检测管理主机控制两轴联动定位装置向右移动（i-1）d，并且控制电动伸缩杆向前伸出，使得FC/APC 接头与该待测光纤光栅解调设备的第i个通道连接，等检测管理主机读取对应待测光纤光栅解调设备的信息后控制电动伸缩杆向后缩回，如此循环m次，直至检测完该层待测光纤光栅解调设备的m个通道；

步骤（2）：在检测完一层待测光纤光栅解调设备的m个通道后，检测管理主机控制两轴联动定位装置向左运动回到该层初始位置，也就是最左侧，在需要检测上一层或下一层待测光纤光栅解调设备时，则检测管理主机控制两轴联动定位装置垂直向上或垂直向下运动h的距离，然后重复步骤（1）即可完成检测任务。

当待测光纤光栅解调设备当前层次的通道数为m，电动伸缩杆上的FC/APC 接头数，且时，管理主机的定位控制算法和运动轨迹为：

步骤（1）：管理主机控制两轴联动定位装置驱动电动伸缩杆上的n个FC/APC 接头运动至初始位置，也就是在最左侧，并且刚好使得最左侧的FC/APC 接头对准放置在多层固定支架对应层的待测光纤光栅解调设备的最左侧通道；管理主机控制n个电动伸缩杆向前伸出，使得FC/APC 接头与该待测光纤光栅解调设备的n个通道连接，完成数据交互后，管理主机控制电动伸缩杆向后缩进，则完成该层次的检测任务；

步骤（2）：在检测完该层待测光纤光栅解调设备的m个通道后，管理主机控制两轴联动定位装置垂直向上或垂直向下运动h距离，然后重复步骤（1）即可完成相邻层待测光纤光栅解调设备的通道的检测任务。

当待测光纤光栅解调设备当前层次的通道数为m，电动伸缩杆上的FC/APC 接头数，且时，管理主机的定位控制算法和运动轨迹为：

步骤（1）：管理主机控制两轴联动定位装置驱动电动伸缩杆上的n个FC/APC 接头运动至初始位置，也就是在最左侧，并且刚好使得最左侧的FC/APC 接头对准放置在多层固定支架对应层的待测光纤光栅解调设备的最左侧通道；管理主机控制n个电动伸缩杆向前伸出，使得n个FC/APC 接头分别与待测光纤光栅解调设备的对应n个通道分别一一对应连接，完成数据交互后，管理主机控制电动伸缩杆向后缩进，使得n个FC/APC 接头分别与待测光纤光栅解调设备的对应n个通道分离；

步骤（2）：管理主机控制两轴联动定位装置带动电动伸缩杆上n个FC/APC 接头往右运动n*d距离，继续检测下一n个通道，直至重复K次，其中K由式（1）计算得到。

如此循环则完成该层待测光纤光栅解调设备的检测任务；

步骤（3）：在检测完该层待测光纤光栅解调设备的m个通道后，管理主机控制两轴联动定位装置向左运动回到该层初始位置，也就是最左侧，在需要检测上一层或下一层待测光纤光栅解调设备时，则检测管理主机控制两轴联动定位装置垂直向上或垂直向下运动h距离，然后重复步骤（1）-（2）即可完成相邻层待测光纤光栅解调设备的检测任务。

该装置的定位控制算法流程见图5。

图5 定位控制算法流程图

4 结语

一种新的光纤光栅解调设备的生产线自动检测装置，其创新点为：设置多层固定支架，可同时对多个待测光纤光栅解调设备进行检测，提高了检测效率。通过多层固定支架对光纤光栅解调设备进行限位，提高了检测的精度。同时，该装置采用光栅尺辅助定位，提高了定位精度。根据检测任务需求的不同，装置可以进行相应的功能扩展，来应对不通情况下的通道数和电动伸缩杆数量。

提出的3 种光纤光栅解调设备的生产线自动检测算法，用于实现不同情况下的检测任务。同时，对多层固定支架与两轴联动定位装置的相对位置进行合理设置，两轴联动定位装置带动电动伸缩杆上的n个FC/APC 接头运动至最左侧时，使得电动伸缩杆上的最左侧的FC/APC 接头正对待测光纤光栅解调设备的最左侧通道，如此简化了定位算法，提高了定位效率和检测精度。

随着自动检测装置的功能扩展，能实现批量自动检测的功能，无需人工一一检测，有效降低人工成本，达到提高待测光纤光栅解调器在生产过程中的检测性能，迅速判断可靠性指标正常与否，迅速定位故障通道的目的，适合批量投入市场使用。