光纤光栅传感器系统上位机软件设计课程设计论文(编辑修改稿)

光纤光栅传感器系统上位机软件设计课程设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

纤光 栅中心波长的变化，测出被测参量的变化。 由式（ 24）得，当外界物理量作用与光纤光栅时，其波长变化为 其中， ΔΛ 为光纤在应力作用下的弹性形变。 由上式可知光纤布拉格光栅的反射波长随折射率和栅格常数变化而变化。 这种反射波长或透射波长随外界物理量的变化而变化的现象可以应用到传感领域，外界应力导致应变和温度的变化会直接影响光纤布拉格光栅的折射率和栅格常数，因而光纤布拉格光栅对应力和温度的变化有响应。 温度对光纤布拉格光栅的影响是由于热膨胀效应和热光效应造成的，应力对光纤布拉格光栅的影 响是由于光栅周期变化和弹光效应造成的。 光纤布拉格光栅温度传感器原理 假设光纤光栅在不受力的状态下，温度改变 T 是，由于热膨胀效应导致的光纤光栅周期改变为 其中， α 为光纤的热膨胀系数。 由热光效应导致的有效折射率改变为 其中， ζ 为光纤的热光系数，表示折射率的变化率。 可得： 光纤布拉格光栅应变传感器原理 假设温度恒定，光纤光栅受轴向应变力时，由于光栅周期和弹光效应造成的有效折射率的变化可由弹光系数 矩阵和应变张量矩阵表示为： 当光纤受轴向应变时，其横向也会有相应的应变，在 x， y 方向上均为 vε。 V 是泊松比，为在受到轴向应力作用时，垂直于轴向的方向产生的应变和轴向应变之比。 泊松比 v是小于 1 的数。 由于光纤的各向同性，可以认为在光纤没有剪切应变。 应变张量矩阵 为 第 8 页 弹光矩阵为 由于 经计算可得 由式可得，在温度恒定时，光纤光栅反射波长的变化与外加应变成正比。 四、光纤布拉格光栅波长解调原理 对光纤光栅的解调，最直接的方法就是使用高精度光谱 仪，是光谱仪成本高、体积大，很适合实验室研究个光纤光栅特性，实际工程应用价值低。 为了实现在实际工程应用中的测量，国内外对光纤光栅的波长解调方式做出了大量的研究，提出了很多解调方法。 这些方法按原理主要可分为滤波法，可调光源扫描法，干涉扫描法和 CCD 成像法。 下面对这几种典型的光纤光栅解调方法做一介绍。 （图 2） 第 9 页 边缘滤波法 边缘滤波法是指具有一定单值边缘的滤波器，它的单值边缘较宽，远大于光纤光栅的反射谱宽。 边缘滤波器的输出光强与波长呈线性关系，其解调原理如图所示。 通过环形器返回的 FBG 反射光被耦合 器分成两束：一束光作为参考光，光强为 In 保持不变；另一束光进入边缘滤波器后的光强 I1 与 FBG 中心波长的漂移成对应关系。 通过计算采得 I1 和 I0 的比值可以求得布拉格波长 λ B的漂移量，其求解公式为： 式中 A 为边缘滤波器的倾斜度， b 为 FBG 的 3dB带宽。 该方法成本低，解调速度快，但是测量精度较低。 （图 3） 可调谐 FP 腔滤波法 （图 4） 如图所示为典型的基于 DSP 嵌入式系统的可调谐 FP 腔解调光纤光栅的原理图，该方法也是目前使用较多的解调光纤光栅传感信号的方法。 可调谐 FP 腔的本质是一个由驱动电压控制透射波长的洛伦佐带通滤波器，其带宽需小于光栅带宽。 FP 腔的输出为 FP 滤波器透射谱和光栅的输出光谱的卷积。 宽带 ASE 光源的光通过环形器进入 FBG 阵列，反射光经由环形器 3 口射入 FP 腔滤波器中。 滤波器通过 DSP 输出模拟电压信号驱动，在带宽 ASE 光源所提供波长范围内以较小的波长间隔扫描。 其输出的卷积谱通过 PD 接受并进行 A/D 转换成数字信号输入 DSP， DSP 通过分析整个周期内的波长 功率谱精确求得光栅中心波长。 可调谐 FP 腔滤波解调法在国内得到了广泛的研究。 但目前该方法的解调 能力主要受FP 腔性能的影响。 目前 FP 腔的生产技术被少数几家大企业垄断，成本高昂，并且可解调FP 腔的腔长由压电陶瓷控制，具有压电陶瓷本征的蠕变、温漂和零漂等非线性特性，实际 第 10 页 使用中透射波长会漂移，导致波长与驱动电压不能一一对应。 即便加入参考光栅阵列和标准具进行校准，解调精度依然很受影响。 目前 MOI 公司已很好地解决了 FP 腔漂移这一难题。 非平衡马赫 曾德干涉仪解调法 如图所示，该方法中，来自宽带光源的光注入光栅，反射光通过环形器射入到一不等臂长的马赫 曾德干涉仪中。 此时入射到干涉仪中的反射光成为一可 调谐光源。 非平衡马赫 曾德干涉仪把 FBG 反射波长的偏移转化为干涉仪输出端相位的变化，从而实现光栅光谱的识别。 当光栅反射波长变化 Δλ sinω t 时，输出相位变化为： 式中 nd 为马赫 曾德干涉仪的光程差， λ 为光栅中心波长 （图 5） （马赫 曾德干涉仪解调原理图） 该方法的优点是分辨率高，但因无法消除温度变化导致的干涉仪相位漂移，目前只适用于动态检测如应变量的检测。 光谱分析仪法 对光纤布拉格光栅波长检测最直接，最简单，最经典的方法是采用光谱仪或单色仪检测。 宽带光源发出的光经传感光栅反射后进入光谱仪，通过光谱仪直接观察传感光栅反射的特性变化，在经过计算获得被检测物理量的信息。 图所示为光谱仪解调系统。 这种方法结构简单，便于使用，常用在实验室的科研工作，但具有在高分辨率的光谱仪体积较大，价格较高，防振性差，因此也不利于在野外现场检测，而且它不能直接获得物理量的大小，也不方便对数据进行记录和存储。 （图 6） 第 11 页 五、 labview 语言简介 LabVIEW 基本概念 LabVIEW 全称是 Laboratory Virtuallnstrument Engineering Workbench,是美国 NI 公司推出的应用于工业测量测试的系统化的设计平台和可视化的编程语言开发环境 ,是目前国际上唯一的编译型图形化软件开发平台 [41]。 LabVIEW 用图标、连线和框图代替传统语言的文本行程序编码 ,除了编程方式不同之外 , LabVIEW 具备语言的所有特性 ,是一种图形化的编程语言 ,因此又被称为 G 语言 (Graphical Programming Language,图形化编程语言 )。 其图形化语言在编译 时严格执行 ,并要求在运行前或保存时翻译成机器可执行代码 [42]。 LabVIEW 的 主要应用领域是仪器控制、模拟仿真、数据釆集、工业自动化等 ,在功能完整性 和应用灵活性上不逊于其他任何高级语言 ,并拥有适用于 Windows、 Linux、 Unix、 Mac OS 等操作系统的软件幵发版本 ,其最新版本是 LabVIEW 20xx。 LabVIEW 提供用于与 GPIB、 RS232/48 PCI、 VXI、 PXI、 USB 等各种仪器通信的绝大多数功能函数 ,它们在 LabVIEW 中都以图形化节点的形式存在。 其 32 位的编译器可以生成 32 位的编译程序 ,保证用户数据采集、数据分析程序的高速执行 ； 提供包括 DDE (Dynamic Data Exchange,动态数据交换 )、 DLL(Dynamic Link Library,动态链接库 )、 ActiveX在内的大量与外部软件或程序代码进行连接的模块 ,提供 CIN (Code Interface Node,代码接口节点 )使得用户可以使用由 C 或 C++语言编译的代码程序。 支持 Data Socket 协议、 TCP/UDP协议等 ,使得其可以自由与外部通信。 此外 ,LabVIEW 还提供常用的程序调试工具 ,具有数据探针、断点设置、。