虚拟仪器技术在FBG传感系统中的应用
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摘 要：介绍了一种基于虚拟仪器技术的光纤Bragg光栅(FBG)传感监测系统，包括FBG传感器的基本工作原理、虚拟仪器技术的特点和Lab VIEW软件的应用。实验表明：该系统能够正确采集FBG传感过程中的应变和温度等特征信号，并能有效利用计算机实现信号的处理，可以满足FBG实时监测的要求。
光纤Bragg光栅(FBG)是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。基于FBG的传感器，是利用FBG的中心波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器。与传统的光纤传感器相比，FBG将被测信息转化为共振波长的移动，即采用波长调制方式，同时，还可方便地将多个光栅复闪，这是其他传感器件无法比拟的。FBG传感器的出现给光纤传感领域带来了新的生机，近年来，在复合材料及混凝土结构状态检测、电力、医学以及能源化工等实际应用领域都取得了长足进展。
基于FBG可被用作连续负载监测系统的基本传感元件这一机理，本文引入了虚拟仪器(Ⅵ)技术，结合计算机和数据采集卡，对埋入复合材料内部的FBG传感系统中的应变和温度等特征信号进行监测，依靠Lab View实时模块的高性能和可靠性来实现信号的处理。通过试验证明：检测系统性能可靠、操作方梗、有很大的灵话性，适合于FBG传感监测系统。
一、虚拟仪器技术
传统的Bragg波长位移测量和信号分析处理大多是利用电子仪器来实现的；但电子仪器代价昂贵，结构复杂，也缺乏友好的人机界面。如何利用先进的计算机技术提高效率，成为该领域迫切需要解决的问题。20世纪80年代末，美国研制成功了虚拟仪器。所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用PC强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的出现，使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。虚拟仪器的发展标志着自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个崭新方向。
从硬件来看，目前虚拟仪器主要有以下几种构成方式：PC总线方式的插卡型虚拟仪器；GPIB总线方式的虚拟仪器；VXI总线方式的虚拟仪器；PXI总线方式的虚拟仪器。本系统采用了PC总线方式的插卡型虚拟仪器。
从软件来看，目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具。一类是文本式编程语言，如C，Visual C++，Visual Basic，Lab Windows/CVI等；另一类是图形化编程语言，如Lab View，HPVEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。
实验室虚拟仪器工程平台(laboratory virtual instrument engineering workbench，Lab View)是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于图形化编程语言(graphics language，G语言)的虚拟仪器软件开发工具。它具有图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。Lab View程序由前面板、数据流框图程序和图标连接端口组成。虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，因为它模仿了实际仪器的面板。它包含旋钮、按钮、图形和其他的控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。每一个程序前面板都有相应的框图程序与之对应，框图程序用图形编程语言编写，从功能模板上选择对象，并用线将它们连接起来以便数据进行传递，从而构建流程图。图标／连接端口可以让用户把VI程序定义为一个子程序，从而实现模块化编程。
二、系统组成及特性
1．系统组成
基于Ⅵ技术的FBG传感系统组成为：“传感结构”+“数据采集卡”+“Lab View”+“PC”的系统构成方式。被测对象信号加在传感头FBG上，Bragg中心波长将会产生移位△λBo包含负载信息的光波FBC反射，经耦合器和光电转换后导人数据采集卡中，经过A／D转换为数字信号，进入PC处理，通过Lab View软件工具编程，实现信号的调理、滤波和分析统计，并能实时在PC显示器中显示。如果有intemet设备，还可以构成远程虚拟仪器。
2．传感器
在本系统中，FBG布局在复合材料中，构成传感结构。由于载荷与温度的变化、化学和环境的作用等都会使材料内部存在和产生微观的以至宏观的缺陷，造成系统传感性能的变化。在结构的健康状态诊断中，多参量的同时测量是十分必要的，例如：静态应变和温度及其分离以实现热应变，误差校正就相当重要。此外，除静态应变和温度外的结构振动模态测试和分析也十分重要。传统的光纤光栅传感器都要面临一个由温度和应变等多参量产生的交叉敏感问题。非本征型法布里—珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPl)集成传感器却能有效地解决这个问题，而且，它还能同时测量由振动带来的影响。EFH集成传感器由石英毛细管、单模光纤及其中的FBG、用作反射端的多模光纤构成。FBG光栅被写入左边的单模光纤，两光纤端面相距几百微米，光纤光栅和由光纤端面构成的EFPI干涉腔位于中间位置；在石英管两端，光纤和石英管熔接在一起。光纤光栅在石英管中处于自由状态，不受应力作用，用于温度检测；单/多模光纤端面构成的传感F-P腔常在应变作用下产生相应位置变化，用于应变检测，这就构成了可同时检测温度和应变的EFPI光纤传感器。
3．数据采集卡
本系统采样频率和孔径时间由波长信号频率来决定，涉及到光电转换后的信号保持、放大和滤波等因素。由于需要同时测量应变信号和温度，本文初步确定采样频率为100kHz，同时为了保证多路信号的同步，需用同步采集卡。综合以上几方面的要求，选用了台湾凌华公司的DAQ—2010采集卡。它是一款四通道的同步数据采集卡，其采样频率可达2ms／s，分辨率为14位，输入单极性／双极性可编程选择，放大倍率也可以编程选择(x1，x2，x4，x8)，转换触发源有软件触发、外部数字触发和外部模拟触发3种，并带有8k的FIFO。卡上提供有同步端口，只需简单的连接就可以保证多卡同步。该采集卡的接口为32位的PCI接口，可直接插在计算机的扩展槽上进行数据采集。
4．系统程序
系统的软件部分由Lab View程序实现。它由前面板、数据流框图程序和图标连接端口组成。图标/连接端口可以让用户把VI程序定义为一个个子程序，从而实现模块化编程。
前面板分为控制与显示两部分，实现对数据采集的控制和显示。显示部分包括应变和温度2个参量的显示、统计分析显示和日期时间显示；控制部分包括各测量仪器开关、采集速率、存储数据等。数据流框图程序即功能模块，可分为温度计、应变仪等模块，每个模块可独立使用，分别测试各个单元。信号采集完毕，还可以进行数据保存、图表打印或网页发布。
当用户在前面板拨动“预置”开关后，程序将为DAQ—2010卡分配卡号，配置通道和分配缓存，之后，触发“就绪”指示灯点亮。拨动“采集”开关后，采集卡开始采集数据。此时，可以实时显示采集通道的信号，标出所选的通道号；当数据采集结束时或数据读人时，可选择数据功能进行回放，对采集的信号进行观察。程序编制使用LabView和凌华公司ADLINK随DAQ～2010数据采集卡提供的编程子Ⅵ。
利用数据处理子Ⅵ还可进行在线分析和离线分析。
当采集或读入多通道数据后，选用不同的窗函数，对采集数据进行频域分析、时域分析，显示功率谱波形，或采集信号的基频、最高/低值和峰-峰值等。同时，可以根据需要，由软件来定义其他仪器的功能和实现。
三、测试结果
为了验证VI测试系统的准确性，选用了电子应变仪作同步应变测试对比，从测试结果中可以看出：利用虚拟仪器技术构成的F-P传感器系统与用电子应变仪器所获得的曲线拟合基本一致，说明了该系统是准确可靠的。
四、结束语
基于虚拟仪器技术的FBG传感器及数据处理系统，完全能替代传统的电子测量仪器，能同时对多个参数进行实时、高效的测量和处理。另外，此系统具有和其他设备或系统互连的能力，如：和VXI或现场总线等的接口；和Internet的连接，这决定了该系统具有更广阔的应用领域。但也存在一些需要解决的问题，如：智能结构中的特殊光纤的研制、光纤光栅掩埋、贴附新技术、新工艺的研究，以及多点分布、多参量信号检测、分离和处理技术等。
光纤Bragg光栅(FBG)是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。基于FBG的传感器，是利用FBG的中心波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器。与传统的光纤传感器相比，FBG将被测信息转化为共振波长的移动，即采用波长调制方式，同时，还可方便地将多个光栅复闪，这是其他传感器件无法比拟的。FBG传感器的出现给光纤传感领域带来了新的生机，近年来，在复合材料及混凝土结构状态检测、电力、医学以及能源化工等实际应用领域都取得了长足进展。
基于FBG可被用作连续负载监测系统的基本传感元件这一机理，本文引入了虚拟仪器(Ⅵ)技术，结合计算机和数据采集卡，对埋入复合材料内部的FBG传感系统中的应变和温度等特征信号进行监测，依靠Lab View实时模块的高性能和可靠性来实现信号的处理。通过试验证明：检测系统性能可靠、操作方梗、有很大的灵话性，适合于FBG传感监测系统。
一、虚拟仪器技术
传统的Bragg波长位移测量和信号分析处理大多是利用电子仪器来实现的；但电子仪器代价昂贵，结构复杂，也缺乏友好的人机界面。如何利用先进的计算机技术提高效率，成为该领域迫切需要解决的问题。20世纪80年代末，美国研制成功了虚拟仪器。所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用PC强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的出现，使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。虚拟仪器的发展标志着自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个崭新方向。
从硬件来看，目前虚拟仪器主要有以下几种构成方式：PC总线方式的插卡型虚拟仪器；GPIB总线方式的虚拟仪器；VXI总线方式的虚拟仪器；PXI总线方式的虚拟仪器。本系统采用了PC总线方式的插卡型虚拟仪器。
从软件来看，目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具。一类是文本式编程语言，如C，Visual C++，Visual Basic，Lab Windows/CVI等；另一类是图形化编程语言，如Lab View，HPVEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。
实验室虚拟仪器工程平台(laboratory virtual instrument engineering workbench，Lab View)是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于图形化编程语言(graphics language，G语言)的虚拟仪器软件开发工具。它具有图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。Lab View程序由前面板、数据流框图程序和图标连接端口组成。虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，因为它模仿了实际仪器的面板。它包含旋钮、按钮、图形和其他的控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机屏幕上观看结果。每一个程序前面板都有相应的框图程序与之对应，框图程序用图形编程语言编写，从功能模板上选择对象，并用线将它们连接起来以便数据进行传递，从而构建流程图。图标／连接端口可以让用户把VI程序定义为一个子程序，从而实现模块化编程。
二、系统组成及特性
1．系统组成
基于Ⅵ技术的FBG传感系统组成为：“传感结构”+“数据采集卡”+“Lab View”+“PC”的系统构成方式。被测对象信号加在传感头FBG上，Bragg中心波长将会产生移位△λBo包含负载信息的光波FBC反射，经耦合器和光电转换后导人数据采集卡中，经过A／D转换为数字信号，进入PC处理，通过Lab View软件工具编程，实现信号的调理、滤波和分析统计，并能实时在PC显示器中显示。如果有intemet设备，还可以构成远程虚拟仪器。
2．传感器
在本系统中，FBG布局在复合材料中，构成传感结构。由于载荷与温度的变化、化学和环境的作用等都会使材料内部存在和产生微观的以至宏观的缺陷，造成系统传感性能的变化。在结构的健康状态诊断中，多参量的同时测量是十分必要的，例如：静态应变和温度及其分离以实现热应变，误差校正就相当重要。此外，除静态应变和温度外的结构振动模态测试和分析也十分重要。传统的光纤光栅传感器都要面临一个由温度和应变等多参量产生的交叉敏感问题。非本征型法布里—珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPl)集成传感器却能有效地解决这个问题，而且，它还能同时测量由振动带来的影响。EFH集成传感器由石英毛细管、单模光纤及其中的FBG、用作反射端的多模光纤构成。FBG光栅被写入左边的单模光纤，两光纤端面相距几百微米，光纤光栅和由光纤端面构成的EFPI干涉腔位于中间位置；在石英管两端，光纤和石英管熔接在一起。光纤光栅在石英管中处于自由状态，不受应力作用，用于温度检测；单/多模光纤端面构成的传感F-P腔常在应变作用下产生相应位置变化，用于应变检测，这就构成了可同时检测温度和应变的EFPI光纤传感器。
3．数据采集卡
本系统采样频率和孔径时间由波长信号频率来决定，涉及到光电转换后的信号保持、放大和滤波等因素。由于需要同时测量应变信号和温度，本文初步确定采样频率为100kHz，同时为了保证多路信号的同步，需用同步采集卡。综合以上几方面的要求，选用了台湾凌华公司的DAQ—2010采集卡。它是一款四通道的同步数据采集卡，其采样频率可达2ms／s，分辨率为14位，输入单极性／双极性可编程选择，放大倍率也可以编程选择(x1，x2，x4，x8)，转换触发源有软件触发、外部数字触发和外部模拟触发3种，并带有8k的FIFO。卡上提供有同步端口，只需简单的连接就可以保证多卡同步。该采集卡的接口为32位的PCI接口，可直接插在计算机的扩展槽上进行数据采集。
4．系统程序
系统的软件部分由Lab View程序实现。它由前面板、数据流框图程序和图标连接端口组成。图标/连接端口可以让用户把VI程序定义为一个个子程序，从而实现模块化编程。
前面板分为控制与显示两部分，实现对数据采集的控制和显示。显示部分包括应变和温度2个参量的显示、统计分析显示和日期时间显示；控制部分包括各测量仪器开关、采集速率、存储数据等。数据流框图程序即功能模块，可分为温度计、应变仪等模块，每个模块可独立使用，分别测试各个单元。信号采集完毕，还可以进行数据保存、图表打印或网页发布。
当用户在前面板拨动“预置”开关后，程序将为DAQ—2010卡分配卡号，配置通道和分配缓存，之后，触发“就绪”指示灯点亮。拨动“采集”开关后，采集卡开始采集数据。此时，可以实时显示采集通道的信号，标出所选的通道号；当数据采集结束时或数据读人时，可选择数据功能进行回放，对采集的信号进行观察。程序编制使用LabView和凌华公司ADLINK随DAQ～2010数据采集卡提供的编程子Ⅵ。
利用数据处理子Ⅵ还可进行在线分析和离线分析。
当采集或读入多通道数据后，选用不同的窗函数，对采集数据进行频域分析、时域分析，显示功率谱波形，或采集信号的基频、最高/低值和峰-峰值等。同时，可以根据需要，由软件来定义其他仪器的功能和实现。
三、测试结果
为了验证VI测试系统的准确性，选用了电子应变仪作同步应变测试对比，从测试结果中可以看出：利用虚拟仪器技术构成的F-P传感器系统与用电子应变仪器所获得的曲线拟合基本一致，说明了该系统是准确可靠的。
四、结束语
基于虚拟仪器技术的FBG传感器及数据处理系统，完全能替代传统的电子测量仪器，能同时对多个参数进行实时、高效的测量和处理。另外，此系统具有和其他设备或系统互连的能力，如：和VXI或现场总线等的接口；和Internet的连接，这决定了该系统具有更广阔的应用领域。但也存在一些需要解决的问题，如：智能结构中的特殊光纤的研制、光纤光栅掩埋、贴附新技术、新工艺的研究，以及多点分布、多参量信号检测、分离和处理技术等。
虚拟仪器在测试行业很热门啊