0 引言

    光纤光栅传感器作为光纤无源器件，具有感测和传输双重功能，测量过程中不受光源起伏、光纤弯曲等因素的干扰，信号传输过程中不受电磁干扰，测量稳定性好，现已被广泛应用于电力、矿业、石化、建筑、桥梁、航空航天等领域。光纤光栅传感器的工作原理是：光纤光栅的反射或投射谱的中心波长在受到外界物理量（温度、应变、压力等）作用时会发生变化，且波长的变化量与外界物理量有确定的关系，因此数据解调是光纤光栅传感系统应用的核心技术之一。目前，光纤光栅解调技术常用的方法有：可协调F-P滤波器法、衍射光栅分光、光纤M-Z干涉法、CCD阵列探测法。本文选用的是探测精度高、稳定性好^[1-4]的可协调F-P滤波器法。

    本文介绍了一种基于ARM与C#.Net的光纤光栅数据解调系统，系统由不同功能模块构成，安装方便，易于集成，可用于长期的现场测量。整个解调系统分为硬件和软件两大部分。硬件系统包括宽带光源、光路系统和电路系统三部分，通过ARM控制整个硬件系统进行波长解调、数据传输；软件系统是C#开发的C/S架构的上位机软件，数据库采用SQL Server，运行环境是Windows XP，系统人机交互方便，数据解调准确，可将得到的波长数据解析为实际物理量并将相关数据存入数据库，克服了现有数据解调系统只解调波长、不解析实际物理量的弊端。

1 光纤光栅解调系统

    基于ARM与C#.Net的光纤光栅数据解调系统的系统结构图如图1所示。宽带光源发出的光经过隔离器进入耦合器射入光纤光栅传感器，在外界物理变化的作用下，FBG传感器的反射信号将发生偏移，反射信号经过耦合器进入F-P滤波器，F-P滤波器在驱动电压的作用下对反射回来的FBG传感器的光波信号进行腔长扫描。当FBG传感器反射波的波长和F-P滤波器的透射波长一致时，光电探测器即可探测到最大光强，并将探测到的微弱的光信号转换为电信号。通过A/D采集进入ARM处理器，ARM通过寻峰算法提取出与最大峰值相对应的F-P滤波器驱动电压，由于驱动电压与透射波长近似线性相关即可得到反射波长。ARM处理器将得到的波长值通过RS232/485传给上位机，上位机软件通过配置文件及FBG传感器的物理特性，求出对应位置传感器的待测物理量，并将物理数据通过曲线的形式呈现给用户，同时把实时数据存入数据库，方便用户提取历史数据进行相关数据分析。

1.1 硬件系统组成

    光纤光栅解调系统的硬件设计结构分为三部分，包括宽带光源、光路系统(由光纤可调谐F-P滤波器、标准具及耦合器等光学器件构成)、电路系统(主要包括电源供电模块、ARM控制电路、光电转换放大电路及F-P驱动扫描电路)。系统采用24 V直流供电。宽带光源采用的输出功率为13 dBm，工作波长范围为1 537～1 568 nm，光谱纹波最大值为0.2 dB。光路系统中，光纤可协调F-P滤波器的自由光谱范围为100 nm，精度为650，工作波长覆盖C+L波段，最大调谐电压为70 V，FSR小于18 V。光电转换放大电路采用InGaAs PIN光电二极管，将光信号转化为微弱的电流信号，通过一级放大将电流信号转化为电压信号，通过RC滤波滤出干扰信号，再通过第二级放大电压信号，放大后的信号可以直接输入ARM的A/D采集模块。F-P驱动扫描电路是将由PIC16F877A输出的PWM脉宽调制信号转换为锯齿波信号，然后作用于F-P滤波器的压电陶瓷上。系统的控制单元采用ARM处理器的LPC2114 芯片，一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并嵌入128/256 KB的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，其控制流程图如图2所示。当上位机发出请求波长数据请求，控制系统将A/D采集值进行数字滤波处理，避免信号噪音对峰值解调产生干扰，再通过寻峰算法对数字滤波后的光谱进行处理，出现波峰位置对应的波长便是对应光纤光栅传感器的实际波长值^[6-8]。

1.2 软件系统设计

    现有的数据解调系统只能得到波长数据，不能与传感器排布的位置及实际物理量相对应，用户拿到数据后需进行大量人工标定操作，使用起来不方便。本系统可以很好地克服该弊端，创造更好的用户体验。

    当ARM通过串口把数据发给上位机后，软件系统对数据进行处理，并将处理的数据进行整合、存库、显示。上位机软件使用C#开发，数据库采用SQL Server，运行环境是Windows XP。上位机软件主要实现的功能：实时解调显示通道波长、光谱数据以及定制的物理量（如温度、应变、位移等）；针对不同传感器的计算公式，可实现高次多项式公式的编辑及运算；具备远程登录和远程操作功能，实时监控解调仪；具备实时解调数据远程输入数据库功能；可实现历史数据查询与报表功能。系统主界面如图3所示，主要分为3个板块：板块1主要功能是系统控制，用于实现传感器配置、解调仪配置、激光器开启/关闭、采集开始/结束、退出系统等功能；板块2主要用于采集数据的显示；板块3为信息栏，可显示解调仪的实时状态。采集配置主要包括【参数设置】和【通讯设置】等功能：参数设置可对传感器的类型、修正传感器、修正传感器的类型、特征波长、校正系数、计算公式进行设置，方便系统实现复杂公式计算；通讯设置可用于配置远程登录、远程数据传输以及串口设置，用户可以根据需求，设置对应的IP地址和端口号用于远程登录和远程数据传输。解调参数可对光纤光栅解调仪8个通道的PEAKADC、DBMADC进行设置，便于系统辨识所有传感器的峰值数据。数据查询功能可向用户提供系统解调的历史数据，并可将其导出。主界面的【开启激光器】用于控制内部激光器的开启和关闭，红灯表示激光器关闭，绿灯表示激光器开启；点击【开始采集】，默认进入波长采集；点击主界面的【光谱】、【温度】、【应变】、【位移】、【力】按钮，进入相应数据采集界面，同时绘制相应的物理量曲线。

2 实验测试

    为验证光纤光栅解调系统的可行性，将系统接入5个FBG光纤光栅应变传感器，在没有应变的情况下进行解调，实验解调结果如表1所示。数据表明：解调的应变波长与中心波长基本吻合，解调精度较高。从实验采集的光谱数据分析可得，光谱随时间的波动较小、信噪比高，波长解调准确性高，系统可实现高速解调，且解调精度可达到±0.1 pm，基本满足设计要求。

3 现场应用

    风陵渡黄河特大桥于1994年11月建成通车，全长1 409 m，由主孔桥和边孔桥组成。根据风陵渡黄河公路特大桥的结构特点，桥梁健康监测系统主要监测环境温度、关键界面应力、主梁振动、吊杆内力以及主梁变形，其中桥梁结构应力是判断桥梁结构安全最直接的指标。整个桥梁健康监测系统的传感器采用光纤光栅传感器，系统布设8个通道，每个通道16个光纤光栅传感器，采用铠装、以贴片的方式固定于桥梁基体上。该系统主要由解调仪模块、工控机主板、触摸屏和电源模块组成，多个传感器通道可以同时解调多条光纤上的传感器并进行通道分析，获得的所有数据可以通过触摸屏显示，也可以通过外接的通信和视频接口传至PC。

    系统经过一段时间的试运行，运行结果表明，系统稳定可靠，分析测得的波长与应变数据可知，数据整体变化趋势及测得的应变值与相应状态下结构物理参数理论变化值接近，说明光纤光栅数据解调系统基本满足桥梁健康监测的需求，可以广泛应用。

4 结论

    本文基于ARM与C#.Net开发了一套C/S架构的光纤光栅数据解调系统，通过ARM实现对光谱数据的滤波、寻峰和波长计算，并将计算的数据通过串口发送给上位机，上位机软件采用C#.Net开发了一套光纤光栅数据采集系统，用于对采集的波长数据进行管理，方便人机交互。经过长期重复性和稳定性测试，系统可实现高速解调，且解调精度可达到±0.1 pm。将光纤光栅数据解调系统在风陵渡黄河大桥上进行现场测试，其精度与稳定性可以满足桥梁健康监测需求，说明系统有很高的实用价值。

参考文献

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