光纤光栅传感系统数据采集与处理技术

󰀁2008年󰀁第5期仪表技术与传感器Instrument󰀁Technique󰀁and󰀁Sensor2008󰀁No󰀁5󰀁

基金项目:浙江省自然科学基金(X106872)收稿日期:2007-07-19󰀁收修改稿日期:2007-12-11光纤光栅传感系统数据采集与处理技术王晓东,王真之,叶庆卫,周󰀁宇(宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波󰀁315211)󰀁󰀁摘要:在光纤光栅传感系统中,运用多通道智能光纤光栅解调器采集传感信号,并采用TCP/IP协议采集光纤光栅解调器各通道的光谱数据,经过峰值检测和温度补偿后,根据传感器的标定数据换算出对应各监测点的物理量,较好地实现了光纤光栅传感系统的数据采集与处理。并在光纤光栅反射波形的峰值检测技术中引进了指数平移钝化算法替代计算复杂度较高的高斯拟合算法,能有效地减少各种干扰因素引起的峰值波长抖动。关键词:光纤光栅传感器;数据采集;数据处理;峰值检测中图分类号:TP212;TP274󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1002-1841(2008)05-0047-02TechniquesofDataAcquisitionandProcessinginFiberGratingSensingSystemWANGXiao󰀂dong,WANGZhen󰀂zh,iYEQing󰀂we,iZHOUYu(FacultyofInformationScienceandEngineering,NingboUniversity,Ningbo315211,China)Abstract:Techniquesofdataacquisitionandprocessinginfibergratingsensingsystemwereimplementedbyusingamulti󰀂channelintelligentopticalsensinginterrogatorforsensorysignalsacquisition,whichcangatherspectradataofeachchannelviaTCP/IPprotocols.Afterdetectingpeakandcompensatingtemperature,itcanconvertitscalibrationdataintophysicalvalueforeachsensor.Inpeakdetectiontechnologyoffibergratingreflectionwaveform,thepaperintroducedintotheexponentialweightedmovingaveragearithmetictoinsteadofGaussianfittingarithmeticthathadhighercomputationalcomplexity,itcanreduceeffi󰀂cientlythejitterofpeakwavelengththatcausedbyvariousinterferencefactors.Keywords:fibergratingsensors;dataacquisition;dataprocessing;peakdetection0󰀁引言目前,应用光纤光栅传感器的最主要障碍是传感信号的解调[1],理论上研究的解调方法很多,但能够实际应用的解调产品并不多,而且价格较高;由于光源带宽有限、应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠,因此可复用光栅的数目受到限制;同时,还需要解决在复合材料中同时测量多轴向的应变,在复杂环境中识别各种环境因素引起的波长变化并且进行合理的补偿等问题。在光纤光栅传感器的应用中,使用了sm125智能光纤光栅解调器,该设备具有标准以太网接口和无线局域网接口,监控系统的采集客户端电脑通过TCP协议利用Socket接口采集各通道的光谱数据,根据各反射峰的位置偏移,结合标定数据换算出对应各监控点的物理量,再传输给监控中心服务器,可以实现基于光纤光栅传感器的远程监控。1󰀁光纤光栅传感器典型应用系统基于光纤光栅传感器和光纤光栅调制解调仪进行数据采集处理的监测系统如图1所示。首先在需要监测的部位布设好相应的压力、应变或气体传感器及对应的温度补偿传感器,将这些传感器通过光纤与智能光纤光栅解调仪相连,其每个通道内的传感器波段不能重叠。监控采集客户端可使用一般的工控电脑,通过Socket接口和智能光纤光栅解调仪通信并进行图1󰀁典型远程监测应用系统传感数据的采集[2]。在监控采集客户端电脑上配置各传感器的类型、标定波长等配置参数,对于不同的传感器,根据类型不同调用不同的数据处理模块。为了标识所布设的各种传感器,监控系统按光纤光栅调制解调仪、采集通道号和传感器波段三级进行编号,针对每个传感器还需要配置传感器类型、温度补偿传感器编号、标定波长值和计算参数等数据。监控采集客户端电脑可定时采集智能光纤光栅调制解调仪各通道的数据,然后再进行峰值监测[3]、偏移计算、温度补偿[4]和物理量换算等工作。然后,在记录采集日志或存储采集到的原始数据的同时,将得到的监控数据存入1个发送缓存队列,通过发送调度定时将其通过通信网络发送到监控中心服务器。在有线网络可以到达的监控点,可以使用有线宽带接入进行数据传输,在有线网络无法到达的地区,可以采用CDMA或GPRS移动信道进行数据传输。中央服务器的接收模块收到监控数据后,根据监控点编号更新传感器的状态和数值、追加历史记录,并根据预设的阈值信息进行阈值报警,任何接入互联网的监控客户端即可在服务器上观测各监控点的情况。󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁48󰀁InstrumentTechniqueandSensorMay󰀁2008󰀁2󰀁光纤光栅调制解调器数据采集系统选用的MOI-sm125智能光纤光栅解调器是基于光纤法-珀滤波器技术设计,配置4个通道,热稳定性及长期稳定性好。作为全光谱测量设备,MOI-sm125具有很大的动态范围,其动态范围仅受限于接收器的灵敏度,在1Hz的扫描速率下引起的噪声基底大约为60dB󰀂m.MOI-sm125使用1个内置的大功率扫描激光光源,包含了绝对波长参考,不需要外部波长校准,提高了测量的精准性,而内置的蓄电池为解调器供电,使解调器在无源或者环境恶劣的情况下也能正常工作。在MOI-sm125智能光纤光栅解调仪板中,内置了峰值探测算法,为了优化光谱的中心波长测量算法,假定了一定程度的对称和对比。对于典型的光纤布拉格光栅FBG(FiberBraggGrating)、洛伦兹型的FP峰和大多数的激光图形生成法LPG(LaserPictureGeneration)轮廓,利用该峰值探测算法,能得到理想的对称和明确的谱形。这种峰值探测算法的理想传感器光谱应有0󰀁05~2󰀁0nm的3dB带宽,每个形状的中心波长要有至少3~5dB的对称反差。为了实现更通用的峰值探测,以适应各种光谱形状的传感器,也可以不采用板载峰值探测算法,而从智能光纤光栅解调仪中把各通道的光谱数据全部取出在采集客户端进行处理。MOI-sm125智能光纤光栅解调仪提供以太网接口,采集客户端可以通过Socket接口向其发送#GETDATA指令,采集各通道的光谱数据。MOI-sm125对所有指令均先返回10个字节以表示后续的数据长度,而通过#GETDATA返回的数据中前20个字节是头部结构,其中定义了通道的个数DUT,紧接着会返回1~4个通道的全波长数值,根据最小波长和波长步进值可计算出各通道每个采样点的波长值,如图2所示。系统中有3个通道、7个传感器,在图中可以看出各传感器所在的波长点均有明显的反射峰。

图2󰀁智能光纤光栅解调仪采集的光谱数据3󰀁光纤光栅传感数据分析处理采集客户端在得到如图2所示的各通道的光谱数据后,需要在各传感器所在的通道和波段进行扫描,识别出各传感器的反射峰值后换算出各传感器的物理量。系统根据配置参数中各传感器的标定波长和当前峰值可计算出波长偏移值,再根据传感器的类型换算为实际物理量。以温度传感器为例,当中心波长变化不大时,导致的波长变化约为10pm/ 左右。不同光纤光栅的传感灵敏度会有差异,必须经过标定才能用故实际测量。计算方法如下:T=󰀁T-󰀁0kT+T0式中:󰀁0,T0和kT为标定值;󰀁T为测量得到的实际峰值波长。但是,压力、应变、特种气体溶度等物理量又与温度有关。以应变[5]为例,当温度恒定时,一旦应变灵敏度系数确定,可以方便地通过波长变化获得实际的应变值;而当温度变化时,必须对应变传感进行温度补偿,即将一根布拉格光栅布设于监测点,另一根布设于与被测材料一样、温度场一致且不受力的构件上,即保证两者发生同样的温度效应。计算方法如下:󰀂=(󰀁-󰀁󰀂0)-3!(󰀁T-󰀁0)k󰀂式中:󰀁󰀂0和k󰀂为标定值;󰀁0和󰀁T由补偿温度传感器决定;󰀁为测量得到的实际峰值波长。系统采用的光纤光栅传感器应变灵敏度系数为1󰀁2pm/ 󰀂,温度灵敏度系数为0󰀁01nm/ .数据的分析处理流程如图3所示。

图3󰀁数据分析处理流程示意图峰值识别的最佳方法是高斯拟合算法,但该算法需要较多的计算资源,如果改用简单的最高峰值识别方法得到的中心波长常常存在较大的抖动。在实际应用中,发现对温度等采集频度较高、实际变化幅度不大的物理量进行监测时,可以使用指数平移钝化算法有效地减少各种干扰因素引起的抖动,计算方法如下:󰀁∀p=(1-!)󰀁∀p+!󰀁p式中:󰀁p为当前实测峰值;󰀁∀p为钝化后的峰值;!为钝化系数。钝化系数可根据实际情况取值,一般可取0󰀁125。图4为某天11:19~15:39采集的1组26个温度传感数据,采集间隔为10min.在分别采用了3种算法计算得到反射波长并换算成温度值后,可以看到钝化算法和高斯拟合算法的效果非常接近。由于温度数据常常要用作补偿依据,因此钝化算法对提高传感系统的整体准确性和稳定性有很大的作用。4󰀁结束语光纤光栅传感器可用于桥梁、隧道、煤矿、油井、水库大坝和高速公路等大型建筑的监控系统中,光纤光(下转第51页)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第5期胡宝玲等:基于GPRS的远程高精密测温系统51󰀁󰀁入错误时,视为非法指令,返回ERROR.2󰀁3󰀁后台管理软件以BorlandC++Builder[5]为开发平台,MicrosoftAccess为后端数据库,数据库连接采用当今流行的ADO技术;集成RS-232、USB、以太网接口,实现与下位机的通信;集成了数据采集与处理、动态数据库、数据实时与历史显示、数据记录管理,报表,EXCEL数据导出等功能。其功能框图见图5。

图5󰀁后台管理软件功能框图3󰀁结束语实践证明:该远程测温系统的测量精度高,可达#0󰀁01 ,具有很强的实用参考价值。同时,该系统硬件成本低,组网灵活,运行安全可靠,抗干扰能力强,应用前景十分广阔。参考文献:[1]󰀁马潮.高档8位单片机Atmega128原理与开发应用指南.北京:北京航空航天大学出版社,2004.[2]󰀁LC2MOSSignalConditioningADCwithRTDCurrentSourceAD7711A.AnalogDevices,1998.[3]󰀁彭远芳,赵又新.高精度温度采集系统.仪表技术与传感器,2007(5):45-46.[4]󰀁Q2406andQ2426ProductSpecification.WaveCOM,24thJanuary2003.[5]󰀁曾棕根.C++Builder数据库开发实用教程.北京:清华大学出版社,2006.作者简介:胡宝玲(1976∃),工程师,硕士研究生,主要研究方向为嵌入式系统。E-mai:lhubaoling@126.com(上接第39页)2.4󰀁ZigBee基站节点的软件设计基站的软件设计包括协议栈设计(Z󰀂StackZi

gBee协议软件开发工具)、硬件驱动设计和嵌入式系统TinyOS设计。2.5󰀁上位机的软件设计上位PC机作为控制中心必须具备网络唤醒、数据处理、路由维护功能,C++Builder、Delphi和微软的VisualBasic都是可选的快速开发工具。该系统上层软件功能由Delphi实现。󰀁󰀁󰀁3󰀁结束语ZigBee技术作为一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,有效地弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺。而ARM7系列处理器具有功耗低、处理速度快、集成度高等特点,而且地址空间大,可以扩展大容量的存储器,对于需要大量内存、外存以及高数据吞吐率和处理能力的ZigBee基站节点,是很理想的选择。因此,随着技术的进一步发展,采用ARM7和ZigBee技术来实现短距离低速率无线数据通信将是很理想的应用方案和发展趋势。参考文献:[1]󰀁刘秋丽,蒋耘晨,杨明.ZigBee技术无线传感器网络在天然气联合站中的应用.仪表技术与传感器,2007(1):20-21.[2]󰀁ChipconASSmartRFCC2420PreliminaryDatasheet(rev1.2),2004.[3]󰀁郑霖,曾志民,万济萍,等.基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络.传感器技术,2005,24(7):86-88.[4]󰀁黄双华,赵志宏,郭志,等.ZigBee无线传感器网络路由研究与实现.电子测量技术,2007,30(2):59-61,64.作者简介:吴呈瑜(1982∃),硕士生,研究方向为嵌入式系统开发和无线通信技术。E-mai:lalley_515@163.com(上接第48页)

图4󰀁峰值识别算法效果对比示意图栅传感信号经过解调、采集、处理和分析的一系列步骤,可进行压力、应变、特种气体溶度和温度等物理量的监测。在峰值检测中引进的钝化算法简化了数据处理的复杂度,提高了系统的整体准确性和稳定性,这些技术已经在多个监控系统中经过近1年的实践检验,效果显著。参考文献:[1]󰀁胡家艳,印新达.光纤光栅传感器的解调与复用技术.光通信研究,2006(1):63-66.[2]󰀁沈卫国,肖立志,张元中,等.基于单片机实现FBG传感器的数据采集.仪器仪表学报,2006,27(z1):122-124.[3]󰀁孙桂玲,刘波,李维祥,等.谱图曲线中高斯峰的分离算法与计算机实现.南开大学学报,2004,37(4):115-117.[4]󰀁ROBERTOM,SIMONEP.Atemperature󰀂compensatedrotationalposi󰀂tionsensorbasedonfiberBragggratings.SensorsandActuatorsA:Physica,l2006,132(2):533-540.[5]󰀁CHALAPATIMT,PATTNAIKPK,SELVARAJANA,eta.lAmethodtodiscriminatestrainandtemperatureinfiberbragggratingsensors.InProceedingsSICon/05󰀂SensorsforIndustryConference,Houston,Texas,USA,2005.作者简介:王晓东(1970∃),硕士,讲师,主要研究方向为网络通信,计算机软件。E-mai:lwangxiaodong@nbu.edu.cn