【正文】 傳感器技術成熟，成本低，性能高，因而近年來對干涉型傳感器特別是其多路復用技術的研究掀起了高潮[[] J. P. Kurmeretal. Application of a Novel Distributed Fiber Optic Acoustic Sensor for Leak Detection. Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors. SPIE, 1992, 1797：63~71.]。所以，使用寬帶光源和高雙折射保偏光纖可以提高系統(tǒng)的分辨力。具有高耦合系數的特種光纖的研究是提高該方法定位準確度的關鍵。采用寬光譜的光源和高雙折射率的光纖可以提高系統(tǒng)的空間分辨力。兩束光在兩臂的光纖端面處經過反射返回耦合器，經過分光后，一部分反射光會被光電探測器探測。光源發(fā)出的光，經耦合器后分為兩路，分別沿順時針和逆時針方向在傳感光纖中傳播。由于光路的對稱性，由光源2發(fā)出的光，也可以在耦合器1處發(fā)生干涉。圖 24 馬赫曾德（MZ）干涉技術 各類干涉技術比較（1）Michelson干涉技術l Michelson干涉技術是利用光纖反射光進行干涉測量，因此，其信號比較微弱時，也可以通過在光纖后端面接反射鏡以增加反射光強；l 當傳感光纖上的可動反射鏡每移動半個波長長度時，光探測器的輸出就從最大值變?yōu)樽钚≈?，再變最大值，即變化一個周期，如果使用HeNe激光器，這種技術能檢測um級的位移，該干涉技術可用于大型工作的精密測量和長度的測量；l Michelson干涉技術需要利用復雜的解調技術進行相位解調；l Michelson干涉技術要求光源的相干長度大于光學回路的長度，因此，在長距離測量時，需要相干度極高的光源，這對光源的制作要求很高。因此，在傳感光纖的布放時，需要將其中一路光纖進行擾動隔離，以避免由于互易效應而造成干涉信號的相消，或者采用其它技術，使傳感光纖形成線性結構，但這樣將造成系統(tǒng)成本大大提高，并且系統(tǒng)實現(xiàn)難度也進一步增大[[] 陳德勝，都洪云，肖靈等. ,2006,17（4）：415418. ]。在技術上也比較成熟，干涉效果好，傳感能力強，在探測和信號處理方面，還具有抑制光源噪聲和模式噪聲等顯著優(yōu)點，易于進行信號的探測和處理。第三章 基于MZ干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng) 分布式MZ振動傳感原理本課題中，通過上述的分析，選擇采用的光纖傳感單元以馬赫曾德干涉儀為基礎。本系統(tǒng)根據馬赫曾德干涉原理，應用光相位偏移檢測技術，達到檢測光纖是否受外界的擾動的目的。下面以常見的應力應變效應來討論引起敏感光纖中光相位調制基本原理。傳感光纖各種參數的變化都將會引起光纖中傳輸的光波相位產生相應的變化。根據彈光效應公式有： （35）其中為彈光張量分量，由于傳感光纖在均勻振動壓強作用下不產生剪切應力，故僅存在分量，即 （36）對于均勻的各向同性材料，在受非軸向應力參量的情況下，三個基本軸方向的光學指標變化量與相應方向的應變存在如下的關系： （37）式中，所以；、等為應變光學常數；和為光纖的橫向應變且=，為光纖的縱向應變。光纖的縱截面如圖31所示。只需考慮應變效應導致光纖Z方向長度的變化，有 （327）又由于波數，則，由此可得： （328）根據光彈效應有： （329）因光波沿軸向（z方向）傳播，所以僅在橫向（x，y方向）有影響，由此可得： （330）將式（330）代入式（328）中得： （331）式（327）和式（331）代入式（326）中得： （332） 由上式可見，在光纖參量基本恒定的條件下，光波相位差的變化正比于外界信號的機械強度，振動信號可以直接且動態(tài)的對傳感光纖中的光相位進行調制[[] Rogers A J. Polarirationoptical time domain reffectometry：a technique for themeasurement of field distributions. APPLIED OPTICS, 1981, 20（6）：1060~1074]。（2）當外界干擾信號作用于信號臂上，對信號臂內的光信號進行相位調制，此時參考臂內的光信號沒有變化。所設計的MZ干涉型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)具有檢測靈敏度高、結構簡單、不易受外界環(huán)境的干擾和限制等優(yōu)點。第四章 基于LabVIEW的分布式光纖檢測系統(tǒng)設計 LabVIEW概述 LabVIEW虛擬儀器簡介虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是基于計算機技術發(fā)展起來的儀器測量、測試和控制技術，是計算機技術與儀器技術密切結合的產物，現(xiàn)已成為控制、自動測試和信號處理等領域中的一個嶄新的發(fā)展方向。作為一種基于G語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，LabVIEW相對于常用的面向對象軟件，編程難度大大降低，使得軟件開發(fā)效率高，界面友好，功能強大，且擴展性好，對采集到的數據可用于高級分析庫進行信號處理，也可以為了使所得測試曲線符合實際情況，進行擬合處理。目前，LabVIEW已經成為測試領域應用最廣泛和最有前途的軟件開發(fā)平臺之一，也是應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境之一。圖標端口主要用來將LabVIEW程序定義成一個子程序，從而可以實現(xiàn)模塊化編程。前面板是用戶與虛擬儀器進行信息交互的接口，當測試程序開發(fā)完成后，運行將會產生圖41所示的圖形化的測試界面。與控件選板相類似，函數選板中的每個圖標也代表某一類函數。還可以選擇“顯示連線板”定義子VI輸入、輸出端口和主程序之間的參數形式和接口類型，連接器從輸入端子接受數據，并在VI執(zhí)行完成是將數據傳送到輸出端子，從而可以實現(xiàn)模塊化編程。而且LabVIEW圖形化的開發(fā)環(huán)境，具有精確、高效、功能強大、開發(fā)簡易、實時性強、界面友好等優(yōu)點，給用戶提供了強大功能和使用的靈活性，因此非常適合用于進行仿真、實時檢測和控制[[] 何毅，劉德明，孫琪真. 基于LabvIEW的光纖傳感器相位解調技術. （l）：9497.]。在編寫數據采集的程序時，LabVIEW不但具備了傳統(tǒng)程序調試的工具，而且可以在程序框圖中設置斷點和單步運行，還提供了高亮執(zhí)行和探針等獨具特色的工具，更加便于觀察程序執(zhí)行的細節(jié)和相應的修改。要完成對研究信號的數據采集，需要通過數據采集卡（DAQ card）來實現(xiàn)，下面先介紹一下本系統(tǒng)中數據采集部分所使用的采集卡。每路通道上的偽差分輸入，使在對輸入進行同步采樣的同時，盡可能地避免接地回路。此外它的采集控制器（DAQ Core）可以由PCI總線接口在采集系統(tǒng)啟動時動態(tài)下載，可以支持采集卡的遠程動態(tài)升級服務，也便于靈活地設計滿足特殊用戶的測試功能與時序要求，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的動態(tài)升級。其中用到的主要VI節(jié)點有：DAQmx創(chuàng)建通道節(jié)點、DAQmx采樣時鐘VI實例、DAQmx開始任務節(jié)點、DAQmx讀取節(jié)點、DAQmx停止任務節(jié)點和DAQmx清除任務節(jié)點，使用到的程序結構式while結構，設計過程如下：首先利用DAQmx創(chuàng)建通道節(jié)點創(chuàng)建虛擬通道，并創(chuàng)建用于選擇設備號、通道號、及輸入連線配置的輸入控件；接著使用DAQmx定時節(jié)點對視鐘進行設置，并創(chuàng)建用于輸入采樣率、每通道采樣、采樣方式的輸入控件；然后使用DAQmx開始任務節(jié)點以啟動數據采集任務。獲取采集過程狀態(tài)信息的方法是：利用按名稱解除綁定函數。根據采集信號的特點和類型選擇信號測量方式，如RSE（參考單端），根據實際情況輸入采樣率（如1000Hz）和每通道采樣（如1000），并確定采樣方式，如連續(xù)采樣，相應的數據采集前面板輸入控制如圖46所示。對濾波模塊的設計如下：為了實現(xiàn)有好的人機交互界面，使用一個開關按鈕來控制并顯示濾波器的啟用。最后將信號輸入端接采集到的信號，濾波后信號通過條件結構輸出通道輸出。當開關沒有按下時，則不會對采集信號進行濾波。FFT頻譜VI節(jié)點的圖標及端口如圖49所示，其使用十分方便，只需將時間信號加到FFT頻譜上，便能得到該信號的幅度譜和相位譜，而不用考慮傅里葉變換的算法，設計過程簡單明了。考慮到前面板的美觀和節(jié)省面板的空間，可以將波形圖、幅度譜、波形回放三個波形圖放置在一個選項卡控件上。 圖411 選項卡控件 圖412 波形顯示模塊前面板（5）波形存儲和回放模塊設計在采用LabVIEW實現(xiàn)的分布式光纖檢測系統(tǒng)中，當軟件完成數據采集、處理工作后，可以將采集到的數據的波形進行存儲和回放，以便于日后的研究和比較，這樣的功能就依靠波形存儲和回放顯示模塊來實現(xiàn)。對波形的回放只需要使用“寫入測量文件”和“讀取測量文件”兩個Express VI即可，其程序框圖如圖414所示。 圖415 “寫入測量文件”Express VI圖標及端口 圖416 數據記錄模塊程序框圖通過上述各個功能模塊的設計，將后五個功能模塊全部置于第一個功能模塊的While循環(huán)內，并進行連線，將各個模塊組織起來并進行調試，得出完整的分布式光纖檢測系統(tǒng)程序框圖，如圖417所示：圖417 分布式光纖檢測系統(tǒng)程序框圖之后還要對前面板進行必要的設計。第五章 基于MZ干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動檢測實驗 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)實驗平臺在第三章中，圖32給出了MZ干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)結構示意圖，根據該示意圖搭建相應的實驗平臺如圖51：圖51 干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)實驗平臺如圖所示，硬件系統(tǒng)中的器件包括：激光器、光隔離器、3dB光耦合器、傳感光纖、光電轉換器、數據采集卡、計算機等。如圖52所示：圖52 HP8153A光波萬用表（2）實驗中使用損耗為3dB的光耦合器，其技術指標為工作波長1550nm，偏振敏感損耗，方向性，工作溫度，如圖53所示：圖53 2x2光耦合器（3）傳感光纖選用單模光纖，實驗中選取的兩根構成MachZehnder干涉儀的兩臂。光強經過光電轉換器，將光信號轉換為電信號。該平臺在上述平臺的基礎上，增加了發(fā)波卡、HEAS功率放大器、HEV50激振器等器件，通過對一定頻率的激勵信號的數據采集和分析，達到檢測干擾信號振動頻率的目的。 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動檢測實驗 原理性實驗根據MZ干涉型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)結構示意圖，可以將其中的數據采集、數據處理和分析模塊用示波器來代替，對該光纖振動傳感系統(tǒng)的做原理性的實驗。圖 59 擾動波形圖 干擾信號以及振動頻率的檢測根據所設計的系統(tǒng)結構，搭建如圖51和57的實驗平臺，對干擾信號以及振動頻率進行檢測。與此同時，運行中的LabVIEW采集程序將所采集到的電壓信號以列的形式保存在一個LVM文件中，以便后期數據處理。當振動頻率為50Hz時，單擊分布式光纖檢測系統(tǒng)中的保存按鈕，可得到如圖511的波形圖。可得到四種波形圖如下：圖 512 無擾動光纖波形圖圖 513 觸碰光纖波形圖圖 514 撮動光纖波形圖圖 515 腳踢光纖波形圖從以上的波形圖中可以很清楚的看到，當光纖不受擾動時，波形圖基本上是一條直線；當光纖受到觸碰、撮動、腳踢這三種干擾信號時，波形圖與無干擾相比發(fā)生了明顯變化。本實驗中選擇100Hz、200Hz、300Hz、500Hz的四種激振頻率。圖 510 干擾信號波形圖（2）振動頻率的檢測首先將靠近光耦合器OC1的信號臂貼在與激振器相連的鋁板上，激振器通過發(fā)波卡和功率放大器后產生不同頻率的振動信號。實驗中在分布式光纖檢測系統(tǒng)的界面中設定物理通道為Dev1/ai0，采樣模式為連續(xù)采樣，采樣率為10MHz，點擊運行按鈕開始運行。圖 58 原理性實驗平臺在實驗中，固定住MZ干涉中的參考臂，在信號臂沒有受到擾動時，示波器中的波形圖基本上為一條直線；當抖動信號臂時，在示波器中可以得到如圖59所示的波形。當光路出現(xiàn)問題時，可以使用光功率計測試各連接處光信號的功率來找出中斷所在的位置；l 用膠帶將實驗光路系統(tǒng)固定，盡量減小環(huán)境噪聲對實驗結果造成的影響。光電轉換器輸出的電信號通過數據采集卡采集至工控機。如圖54所示：圖54 Agilent E6000 MiniOTDR測光纖長度（4）實驗中當受信號臂到干擾信號作用時，會使其中的光相位發(fā)生變化。實驗中的主要器材如下：（1）光源選取HP8153A光波萬用表光源模塊的激光光源，其特點是能輸出線性度好、高功率、長期穩(wěn)定的激光信號，激光器輸出的光信號經過隔離器隔離后進入光耦合器。完成后的分布式光纖檢測系統(tǒng)前面板如圖418所示：圖418 分布式光纖檢測系統(tǒng)前面板綜上所述，即完成了基于LabVIEW的分布式光纖檢測系統(tǒng)的設計。這一模塊只需使用“寫入測量文件”Express VI即可，其圖標及端口如圖415所示，可在該Express VI的配置對話框中設置存儲路徑。該設計主要采用了調用節(jié)點和寫入JPEG文件VI，首先創(chuàng)建一個波形圖的調用節(jié)點，將其Image Data輸入端與寫入JPEG文件VI相連，便能將波形保存為JPEG圖片。將選項卡控件置于前面板窗口，調整合適大小，單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“在后面添加選項卡”命令，使其具有三個選項卡，分別命名