光纖傳感器是通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)來(lái)測(cè)量環(huán)境中參量變化(生物量、物理量或化學(xué)量)，這些參量變化會(huì)引起光的傳輸特性變化。光纖傳感器有很多種類，按照傳感機(jī)理它可以分為強(qiáng)度型、干涉型和光纖布拉格光柵型這三種。這其中光纖布拉格光柵不僅具有強(qiáng)度型和干涉型的優(yōu)點(diǎn)，并且具有波長(zhǎng)分離能力強(qiáng)、靈敏度高、傳感精度好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。光纖光柵傳感器有著很大的發(fā)展前途，它可以在需要精確定位或者是絕對(duì)數(shù)字測(cè)量時(shí)，可以構(gòu)成多光柵空間分布單一光纖傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　【摘 要】本文首先分析光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)及工作原理，然后介紹基于光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和介紹基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。

　　【關(guān)鍵詞】核心期刊發(fā)表,光纖光柵傳感器,數(shù)據(jù)采集,光纖布拉格光柵

　　本文研究的基于光纖光柵的數(shù)據(jù)采集，光纖光柵傳感器即采用的是光纖布拉格光柵，光纖光柵的原理如圖1所示。

　　光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)隨著外界環(huán)境參量的變化而隨之變化，它廣泛應(yīng)用于壓力、溫度、應(yīng)變等參數(shù)的測(cè)量。

　　一、基于光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

　　(一)光纖光柵傳感系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)通過(guò)光纖光柵傳感器采集數(shù)據(jù)，這是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前提條件。不同功能的光纖光柵傳感器能夠?qū)⒉煌�的物理參量如溫度、壓力、�?yīng)變和加速度等調(diào)制為相對(duì)應(yīng)的光柵波長(zhǎng)。光纖光柵傳感器輸出光波以后直接通過(guò)光纜便可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。

　　(二)光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)作用是將光纖光柵傳感器采集的光信號(hào)經(jīng)光纜的遠(yuǎn)程傳輸后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并以物理參量的方式在計(jì)算機(jī)終端記錄、顯示或存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

　　該系統(tǒng)主要由光開關(guān)、光纖光柵解調(diào)儀及光纖跳線組成。光纖光柵解調(diào)儀的作用是將光纖光柵中心波長(zhǎng)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)。光開關(guān)的主要作用是將多路光信號(hào)一起或是分別進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀，這樣就克服了光纖光柵通道數(shù)不能滿足工程應(yīng)用的缺點(diǎn)。

　　(三)光纖通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)

　　該系統(tǒng)由光纜和光纖適配器等組成。光纜是光信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃�光纖適配器連接光纜且損耗很低，這樣就可以避免工程現(xiàn)場(chǎng)的光纖熔接。單橋監(jiān)控室采用光纜以低損耗方式接連光纜，將遠(yuǎn)距離采集的光信號(hào)引入中心監(jiān)控室的數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)上。

　　(四)數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)是對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理且分析，為后續(xù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)是由軟件系統(tǒng)組成，在現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)上運(yùn)行，為專家評(píng)估系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)平臺(tái)，是后續(xù)工作提供可靠的依據(jù)。

　　二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　在光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，首先運(yùn)用了多線程技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)同時(shí)進(jìn)行;其次，運(yùn)用數(shù)據(jù)安全隊(duì)列來(lái)保護(hù)線程之間數(shù)據(jù)安全傳遞的同時(shí)，還要使采集到得數(shù)據(jù)可以在最快的時(shí)間內(nèi)得到顯示，最后在VS平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序，由于VS庫(kù)函數(shù)和空間豐富，編程環(huán)境界面友好，使得軟件不僅界面漂亮，而且開發(fā)難度大大的降低。數(shù)據(jù)采集的流程圖3-5所示。

　　在基于光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了使數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存和實(shí)時(shí)顯示同時(shí)進(jìn)行，必須采用多線程技術(shù)。此外，還可以采用數(shù)據(jù)安全隊(duì)列使采集到的數(shù)據(jù)能夠在最快時(shí)間實(shí)現(xiàn)顯示并能夠保護(hù)線程之間數(shù)據(jù)的安全傳遞。由于VS平臺(tái)下庫(kù)函數(shù)和空間豐富、界面友好，采用VS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序可以使開發(fā)難度大大降低且軟件界面漂亮。數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖2所示。

　　三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

　　隨著社會(huì)的發(fā)展，大型橋梁的安全問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，為了保證橋梁運(yùn)行的安全性、可靠性及耐久性等，研究表明，得到科學(xué)管理的橋梁有著更好的安全性以及耐用性，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)是橋梁建設(shè)中不可少的一部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基石。對(duì)于橋梁健康監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，傳感器具有數(shù)量大、種類多，信號(hào)采集的儲(chǔ)存實(shí)時(shí)性高等要求，這樣對(duì)于數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)有較高要求。本文以武漢某大型斜拉橋?yàn)槔�，研究基于光纖光柵的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及具體實(shí)現(xiàn)。

　　根據(jù)要求，傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。以某斜拉橋?yàn)槔�的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用光纖光柵應(yīng)力傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵位移傳感器、壓電式低頻加速度傳感器等等監(jiān)測(cè)斜拉橋應(yīng)力、溫度等參數(shù)。本文主要針對(duì)的是光纖光柵型傳感器，將采集到的光信號(hào)通過(guò)光纜傳輸后經(jīng)過(guò)解調(diào)儀解調(diào)，最后通過(guò)網(wǎng)口對(duì)解調(diào)儀采集到數(shù)字信號(hào)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

　　光纖光柵解調(diào)儀具有以太網(wǎng)接口，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)程序有很多種方式，Windows Socket是其中比較簡(jiǎn)單的方法。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象比較多并且要求系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高，多線程技術(shù)可以滿足系統(tǒng)要求，它支持系統(tǒng)一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線程，多個(gè)操作可以在不同線程中同時(shí)進(jìn)行。光信號(hào)經(jīng)解調(diào)儀傳輸后是字節(jié)流，可以使用memmove函數(shù)對(duì)字節(jié)流進(jìn)行分解處理。

　　(一)光纖光柵傳感器的配置

　　數(shù)據(jù)采集方案的確定和傳輸方式的選擇一般是根據(jù)傳感器空間分布情況確定的。斜拉橋的跨度比較大，一般為幾百米到幾千米，橋上敷設(shè)的傳感器的數(shù)量種類也特別多，這個(gè)時(shí)候?yàn)榱藴p少信號(hào)在傳輸中受到干擾、衰減失真等情況，首先要對(duì)傳感器進(jìn)行配置，再選擇合適的數(shù)據(jù)采集方案和傳輸方式。

　　數(shù)據(jù)采集之前要確定傳感器的總數(shù)、解調(diào)儀的數(shù)量、所需通道數(shù)、采樣頻率和存儲(chǔ)頻率等各方面信息。傳感器的總數(shù)決定了數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的數(shù)量和數(shù)據(jù)的傳輸方式。傳感器的采樣頻率是由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的要求以及數(shù)據(jù)本身的動(dòng)態(tài)特性決定的。在進(jìn)行傳感器配置的時(shí)，采取四層結(jié)構(gòu)，采用樹形控件，應(yīng)用如圖3所示。第一層是光纖光柵系統(tǒng)，第二層是光纖光柵解調(diào)儀，第三層是通道，第四層是傳感器。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)要進(jìn)行初始配置，這樣才能提高系統(tǒng)的運(yùn)行速率。傳感器配置有兩種方式，一種是在界面進(jìn)行配置，第二種是修改配置文件的內(nèi)容。開始配置時(shí)首先將配置信息顯示在界面上，對(duì)界面進(jìn)行配置，然后將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。 　　界面的配置步驟為：光纖系統(tǒng)總配置、光纖光柵解調(diào)儀配置、通道配置、傳感器配置。將每一個(gè)配置的傳感器編號(hào)，通過(guò)傳感器編號(hào)可以查詢具體信息。比如：傳感器的名稱、類別、位置、初始應(yīng)變、報(bào)警上限、報(bào)警下限、標(biāo)定系數(shù)、標(biāo)定斜率、是否要溫度補(bǔ)償、基準(zhǔn)波長(zhǎng)、標(biāo)定波長(zhǎng)、所屬的解調(diào)儀和通道數(shù)等信息。

　　(二)網(wǎng)口采集

　　武漢某斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需采集的信號(hào)數(shù)量大、實(shí)時(shí)性高、處理較復(fù)雜。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光纖光柵解調(diào)儀的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)口以后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析、轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理以及安全評(píng)估提供可靠地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)是采用開放式Windows系統(tǒng)平臺(tái)，軟件開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2005，把任務(wù)分成幾個(gè)獨(dú)立的線程，使用多線程方式，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，用戶其他操作也能及時(shí)響應(yīng)，這樣提高了利用率和程序的運(yùn)行效率。

　　光纖光柵解調(diào)儀主要作用是把光纖光柵中心波長(zhǎng)解調(diào)出來(lái)，解調(diào)的機(jī)理有很多，本系統(tǒng)采用的解調(diào)原理是基于F―P濾波器的原理，基于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)采集技術(shù)較成熟，解調(diào)儀的通信協(xié)議為UDP協(xié)議，傳輸速率要求能夠完全滿足系統(tǒng)要求。

　　對(duì)于UDP無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，客戶機(jī)給服務(wù)機(jī)發(fā)送一個(gè)含有地址的數(shù)據(jù)報(bào)，客戶機(jī)和服務(wù)器并沒有建立連接。服務(wù)器是通過(guò)調(diào)用Recvfrom()等待客戶端數(shù)據(jù)。基于UDP的socket編程思路為：首先創(chuàng)建套接字(socket)，然后將套接字綁定到一個(gè)本地端口和地址上，等待接收的數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉 socket。

　　根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)服務(wù)端軟件基于UDP的，UDP能夠提供端口機(jī)制便于UDP用戶使用。UDP長(zhǎng)度中包括UDP本身長(zhǎng)度、源端口、目的端口、用戶數(shù)據(jù)和UDP校驗(yàn)等。實(shí)際開發(fā)，端口號(hào)為5000，首先使用“ping”命令判斷測(cè)試網(wǎng)絡(luò)是否連通，原理為發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包給對(duì)方主機(jī)，對(duì)方主機(jī)回復(fù)是否收到數(shù)據(jù)報(bào)，如果回復(fù)及時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連接，軟件流程如下圖4所示。

　　四、小結(jié)

　　光纖光柵傳感器使用越來(lái)越普遍，本文介紹基于光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和介紹基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

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