一种基于光纤Bragg光栅传感网的在线监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤光栅的在线监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤Bragg光栅传 感网的在线监测方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技的不断发展和进步，特别是近二十年来光纤传感技术的飞速发展，光纤 Bragg光栅(FBG)是最近几年发展最为迅速的一种新型光纤无源器件。FBG传感器被广泛应 用于大型复合材料、混泥土的结构监测、电力工业、石油工业、智能材料性能监测等领域。 FBG传感检测精度和传感网络化分布，使得FBG传感解调技术成为当前FBG传感技术研究领 域的重点和难点之一。
[0003]应用于复杂传感系统的传统检测技术包括波分复用、时分复用和频分复用技术， 通过在一条光纤传输多个载有对应于不同光学传感器信道的不同波长光信号，波分复用技 术能够大幅提高处理能力，并且降低探询成本。时分复用技术使用一个调制过的脉冲实现 对多个光学传感器的探询，同时经过调整群延迟提高探询能力。与时分复用类似，频分复用 技术通过频率调制和解调来提高探询能力。
[0004]光纤传感器具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀、能在复杂的化学环境下工作等特 点。其波长编码特性及其可复用性更是其它类型传感器所无法比拟的。如何对光纤光栅的 波长编码信号进行解调，是实现光纤光栅传感的关键。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤Bragg光栅传感网的在线监测方 法，所述在线监测方法能够对多通道、多传感的上百只光纤Bragg光栅传感网进行解调，并 接收光纤Bragg光栅传感器(FBG)的检测信号。
[0000]本发明的技术方案以下：一种基于光纤Bragg光栅传感网的在线监测方法，包括以 下步骤：
[0007] 步骤(1)首先对光纤Bragg光栅解调仪设备连接进行配置，首先设置光开关对应的 串口号和波特率以及配置光开关通道总数，然后设置解调模块对应的串口号和波特率，其 中光开关和解调模块通信接口需查看计算机硬件管理器的串口号分配；
[0008] 步骤(2)硬件系统基本参数配置，配置光纤Bragg光栅解调仪模块和光开关的基本 参数，首先设置光纤Bragg光栅解调仪模块前端采样频率、噪声阈值、工作模式，然后设置光 开关切换时间；
[0009] 步骤(3)向光纤Bragg光栅解调仪发送初始化指令;判断初始化是否成功;如果是， 则进行步骤(4);否则，则重新对光纤Bragg光栅解调仪进行初始化；
[0010] 步骤(4)m为光开关工作模式，m的值为0或1，m的值可以人为控制，如果m=l，贝1J进 入模式一自动工作模式，如果m = 0，则进入模式二手动工作模式；
[0011]模式一自动工作模式:步骤（1-1)配置解调仪为自动切换通道模式，发送切换通道 指令后，系统可以自动获取通道的光纤Bragg光栅传感器所检测到的光信号的波长值；
[0012] 步骤（1-2)获取光信号的波长值后，将波长值保存至数据库，实时显示数据，保证 通道数据准确存入数据库；
[0013] 步骤（1-3)若到达通道切换设定时间，则跳转至步骤（1-4)，否则，继续重复步骤 (1_2)；
[0014] 步骤（1-4)切换到下一通道并获取该通道的光信号波长值，跳转至步骤（1-2)直至 所有通道采集完毕；
[0015] 模式二手动工作模式：
[0016] 步骤(2-1)配置系统为手动切换通道模式，设置系统采集通道，发送切换通道指令 后，系统只获取某一通道的光纤光栅传感器所检测到的光信号的波长值，如需获取其他通 道的光信号的波长值，需要手动切换通道；
[0017] 步骤(2-2)获取光信号的波长值后，将波长值保存至数据库，实时显示数据，保证 通道数据准确存入数据库；
[0018] 步骤(2-3)若满足终止条件，则结束采集，否则，继续重复步骤(2-2);
[0019] 终止条件及判断依据由变量c决定；
[0020] 若c为1;则表示通道采集模式:终止条件为到达设定光道采集时间；
[0021 ]若c为0;则表示单次采集模式:终止条件为设定值是否为继续采集。
[0022] 步骤(2)采样频率< 5k;噪声阀值的设定值为4000~5000db;光开关切换时间的设 置值2 20ms。
[0023]本发明根据光纤光栅解调原理计算光信号的反射波长。
[0024] a)光纤光栅解调原理
[0025]当光经过光纤Bragg光栅时，对满足Bragg相位匹配条件的光产生很强的反射;对 不满足Bragg条件的光，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回来。
[0026] 作为传感单元，基于光纤Bragg光栅的传感器的传感信息是通过外界参量对其 Bragg中心波长的调制来获取的：
[0027] λβ = 2ηθ?? Λ (1)
[0028]由（1)式可确定其Bragg波长λΒ与光栅周期Λ和反向親合模有效折射率n eff的关 系，为光纤Bragg光栅在外界的传感过程中提供了理论依据，当两个参数发生变化时就会引 起光纤Bragg光栅波长发生移位现象。
[0029] 本发明中基于光纤Bragg光栅传感网的在线监测系统，包括光栅解调仪和光纤 Bragg光栅传感检测系统；
[0030] 所述光纤Bragg光栅传感检测系统，所述检测系统内嵌有在线监测方法，通过串口 总线与光纤光栅解调仪通信，采集解调仪的解调数据和控制多通道光开关的通道切换，经 过数据组态配置对数据进行存储，最后对数据显示。
[0031] 所述的光纤Bragg光栅解调仪为8通道或16通道光纤Bragg光栅解调仪。
[0032]所述16通道光纤Bragg光栅传感器解调仪，所述解调仪包括宽带光源（7)、光纤 Bragg光栅解调模块(8)、法兰盘（12)、3dB光纤耦合器（10)、1X 16单模光开关（2)、法兰盘 (12)、单片机控制板(3)、USB通信口（6)和串口通信口（4);
[0033]其中，宽带光源（7)和光纤Bragg光栅解调模块(8)分别通过法兰盘(9)与3dB光纤 耦合器（10)的两个接口连接，3dB光纤耦合器（10)的另一个接口与1 X 16单模光开关(2)的 光公共端相连，IX 16单模光开关(2)的16路光通道分别与所述解调仪后面板16个法兰盘 (12)相连，光纤Bragg光栅解调模块(8)电路输入输出接口、单模光开关(2)通道切换端口与 单片机控制板(3)连接，单片机控制板(3)并与串行通信口（ 4)、USB通信口（ 6)连接。
[0034]所述宽带光源(7)发出的光经3dB光纤耦合器（10)和IX 16单模光开关(2)的一个 光通道，然后光经过法兰盘（12)入射到接入该光通道一根串联多个光纤Bragg光栅传感的 光纤，光纤Bragg光栅传感反射不同中心波长的光波，反射光波经耦合器（10)照射到光纤 Bragg光栅解调模块(8)的输入接口，光纤Bragg光栅解调模块(8)利用光生伏特效应以及信 号处理原理，将光信号转换为包含光谱信息的电信号，电信号由单片机控制板(3)电平转 换，并经过仪器的USB接口（6)和串行通信口（4)传送至上位机，从而进行解调和在线监测。 [0035]所述1X16单模光开关(2)通道切换由单片机控制板(3)输出高低电平信号控制，1 X 16单模光开关(2)只能有一路光通道与公共端开通，两个或多个光通道不能同时处于开 通状态。
[0036] 所述宽带光源(7)的输出光功率为13dBm，发出的光的工作波长为1525~1565nm。 [0037]所述FBG解调模块(8)由光谱分析单元、探测单元和电处理单元组成，所述光谱分 析单元为全息体相位光栅(VPHG)，结构为透射式，能将包含多路光信号的波长进行分离;所 述探测单元为铟砷化镓（InGaAs)阵列探测器，结构为PIN二极管探测阵列结构，利用pn结的 光伏效应，实现光电转换，将光谱信号变化电信号;所述电处理单元能将包含光谱信号的电 信号进行数字信号处理，处理后的数据经单片机控制板电平转换后，由串口通信接口（10) 和USB通信接口（ 1)上传至上位机。
[0038] 所述FBG解调模块使用512个探测阵列，工作在C波段1525~1565nm能够探测80个 以内的波长峰值。
[0039]本发明提供的解调仪的工作原理为:C波段ASE宽带光源发出光经耦合器和光开 关，入射到串联于一根光纤的光纤Bragg光栅传感元件，传感元件反射不同中心波长的光 波。反射光波经耦合器照射到解调仪的光谱分析单元对不同波长的光进行分离，照射在由 512个光电二极管组成的线阵探测阵列上，利用光生伏特效应转换为电信号，信号处理单元 对包含光谱信息的电信号进行处理。上位机