基于LabVIEW的光纤布拉格光栅动态解调系统

摘要：为了实现光纤光栅动态解调的目的，采用了一种基于长周期光栅(LPFG)边缘滤波特性解调光纤布拉格光栅(FBG)的动态应变检测系统。将FBG作为传感元件，利用长周期光栅边缘滤波特性对光强调制，经光电转换获得电压信号，通过高速数据采集卡与LabVIEW软件设计结合由计算机采集。进行了振动实验，采集信号的时域波形图并进行频谱分析。试验结果表明该系统具有良好的动态响应特性，可实现2．5 kHz以内的动态应变监测。
关键词：虚拟仪器；光栅；边缘滤波；动态解调

0 引言
    与传统电子传感器相比，光纤光栅传感器是目前最具发展前途的传感器之一。降低了自身的重量和体积，在抗电磁干扰能力、电气隔离和传输损耗等方面都有着优越的表现，光纤光栅的出现给传感器技术领域发展带来了一种新的发展趋势。波长解调技术是实现光纤光栅传感的关键，在光纤光栅的应用领域，光纤光栅解调技术一直是人们关注的重点课题。目前正在研究的光纤光栅传感解调方案有许多，如利用干涉滤波法，可调谐光纤法布里-珀罗腔法，边缘滤波解调法等，其中，干涉滤波法仅适用于测量动态应变，无法测得绝对应变；高精度的可调谐光纤法布里一珀罗腔价格高昂，滤波损耗大。因此能够实际应用的解调产品并不多，特别是用于动态解调的解调设备，大多尤为昂贵，不利于工程应用。本文利用长周期光栅(Long-Period Fiber Grating，LPFG)具有边缘滤波特性，自行研制了一套光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)动态检测系统并将其用于振动方面的测试。试验结果表明，该解调系统能够较好地检测振动信号，相对于其他的解调方案，具有结构简单，解调速度快，成本较低等优点。本文利用高速数据采集卡读取采集数据传送到PC机，通过LabVIEW进行数据分析，实现了对动态应变系统状态的实时准确掌控。

1 解调原理
    基于长周期光纤光栅解调系统解调原理如图1所示。

    图中，曲线A为光纤布拉格光栅(FBG)的反射光谱，曲线C为长周期光纤光栅(LPFG)的透射谱，FBG反射光经过LPFG滤波后，光功率信号I(λ)为：
   
    式中：R(λ)为FBG的反射光谱；H(λ)为LPFG的透射光谱；在一定的波长范围内，H(λ)近似线性函数，而R(λ)的光谱宽度远小于该波长范围，因此I(λ)也近似线性函数，也即：
   
    由式(3)可知，通过测量I(λ)／I1(λ)的值即可获得波长信息，从而实现对FBG波长的检测。

2 解调系统的构建
    基于LabVIEW的光纤布拉格光栅动态解调系统框图如图2所示。宽带光源经过1×2耦合器到达传感FBG，该传感光栅的反射中心波长为1 536．529 nm，其反射的窄带光携带待测量信息，窄带光经过1×2耦合器耦合另一个1×2耦合器，50％光能进入长周期光栅，该长周期光栅的中心波长为1 531．137 nm，在1 510～1 550 nm之间有明显的损耗峰，并且该光栅的透射谱在1 534～1 542 nm区域具有很好的线性，经光电转换模块转换为电压V1，50％光能直接经过光电转换模块转换为参考电压V2。经过调制过的光信号由光电转换电路转换为电压信号。采用高速数据采集卡NI6024E将采集到的信号输入计算机进行处理。

3 数据采集软件系统
    采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW作为开发平台。LabVIEW程序主要用来进行数据采集、仪器控制及数据处理分析，是一款开放式的虚拟仪器开发系统应用软件。
    软件部分的实时数据采集程序由LabVIEW提供的硬件驱动模块和VI子程序搭建完成，完成对硬件的配置，测量函数功能的设定以及最终数据采集。数据分析处理模块主要完成测量数据曲线的校正、滤波、信号特性分析、信号存储与读取功能。数据采集部分可以实现采集通道数的选择，由实验的实际情况选择通道数量，提高系统的效率。因为测量系统中输入信号一端与模拟输入通道相连接，另一端连接系统地，故选择RES(单端由参考地)数据采集系统。数据存储部分可以将数据存储至指定的路径。

    为了便于实时监测，该系统设计了状态信息选择界面，系统状态显示界面。运行主程序，系统将自动初始化各个模块参数。本系统的关键程序如图3所示。配置模拟输入的子VI，AI config．vi，指定模拟输入操作硬件，通道等。范围常量子VI：Scaling constant tuner，vi，把模拟信号转化为数字信号。读取数据子VI：AIread．vi，从数据采集的缓存中读取数据；初始化数据现实与保存模块。包括Array to bluster，Spilt 1D array，formula nod，Write to spreadsheet file等函数；初始化程序运行控制模块，程序运行控制模块的功能是控制程序的运行、暂停、停止、保存和恢复等状态。

4 模拟机翼蒙皮结构监测实验及结果分析
    实验利用四边简支(长×宽×厚=1 500 mm×250 mm×2 mm)，弹性模量E=68 GPa试件，模拟飞机蒙皮结构。在试件的中间位置粘贴一根光纤布拉格光栅，在室温20℃时，其反射中心波长为1 536．529 nm。在实验过程中，将HEV-02的激振器产生的垂直周期力加载到试件上，通过改变激振器的振动频率和幅值来激发板结构做周期振动。利用LabVIEW软件显示实验中信号的变化，数据采集和处理部分实现观察输出信号波形和信号的频谱特性。

    图4(a)，(b)所示都是在试件上加载30 Hz垂直周期力时的时域波形图和经过快速傅里叶变换的频谱分析图，所不同的是图4(a)是功放输出电压为2 V时所采集的信号及分析图，图4(b)是功放输出电压为4 V时采集的信号及分析图。通过两幅图的对比显示，当激振幅度增大，采集到的信号幅值也大，幅频图上相应的谐波分量也随之增大。由此可见，利用长周期光栅的线性滤波准确测量试件的振动幅度。

    图5为系统采集到的电压信号时域波形图以及由FFT得到的频谱分析图。研究中选取频率为2 500 Hz激振器激励下的响应图。实验中，系统采集数据频率为50 kHz，从频谱图中看出激振产生的能量集中频段与施加载荷的频率吻合。
    本系统带通滤波器设置为200 Hz～3 kHz，对动态信号的响应带宽约为3 kHz，系统进行自动跟踪，在2 500 Hz的激励频率下，对试件施加激励，并对采集到的数据进行频谱分析，结果证明系统有较好的响应速度，改变光电探测电路的反应速度可以改善这个指标。在200 Hz～5 kHz带宽内，电路输出的本底噪声为100 mV，其分辨率为。

5 结语
    基于LabVIEW的光纤布喇格光栅动态解调系统实现了光纤布拉格光栅的动态解调。此方案相对于其他解调办法，较容易实现。本文采用该系统对2．5 kHz以下的振动信号进行监测，结果表明系统在解调范围内能较好地恢复出施加的激励信号，很好的实现动态波长的解调，达到较高的信噪比和可靠性，并且抗电磁干扰能力强，可以实现低速冲击，振动信号的实时、在线监测。