【正文】 bVIEW強(qiáng)大的虛擬儀器設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)一個(gè)分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、波形顯示、信號(hào)處理、波形存儲(chǔ)和回放等功能，主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字濾波模塊、頻譜分析模塊、波形顯示模塊、波形存儲(chǔ)和回放模塊以及數(shù)據(jù)記錄模塊，下面將對(duì)這些模塊作詳細(xì)的介紹。（1）數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)采集控件的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括對(duì)設(shè)備號(hào)、通道號(hào)、輸入連線端配置、采樣率、每通道采樣以及采樣方式的設(shè)置和控制。其中用到的主要VI節(jié)點(diǎn)有：DAQmx創(chuàng)建通道節(jié)點(diǎn)、DAQmx采樣時(shí)鐘VI實(shí)例、DAQmx開始任務(wù)節(jié)點(diǎn)、DAQmx讀取節(jié)點(diǎn)、DAQmx停止任務(wù)節(jié)點(diǎn)和DAQmx清除任務(wù)節(jié)點(diǎn)，使用到的程序結(jié)構(gòu)式while結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過程如下：首先利用DAQmx創(chuàng)建通道節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建虛擬通道，并創(chuàng)建用于選擇設(shè)備號(hào)、通道號(hào)、及輸入連線配置的輸入控件；接著使用DAQmx定時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)視鐘進(jìn)行設(shè)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(wù)節(jié)點(diǎn)以啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。添加while循環(huán)，在循環(huán)內(nèi)使用DAQmx讀取節(jié)點(diǎn)讀取采集到的數(shù)據(jù)，這里在DAQmx讀取節(jié)點(diǎn)的下拉菜單中選擇模擬波形1通道N采樣VI實(shí)例，并設(shè)置“每通道采樣”端口值為1，即讀取緩沖區(qū)中的全部數(shù)據(jù)。采集結(jié)束后需用DAQmx停止任務(wù)節(jié)點(diǎn)來停止數(shù)據(jù)采集任務(wù)，最后在循環(huán)外使用DAQmx清除任務(wù)節(jié)點(diǎn)來清除數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并創(chuàng)建一個(gè)錯(cuò)誤輸出簇顯示控件，用于顯示錯(cuò)誤。另外，為了控制數(shù)據(jù)采集過程，將采集過程中的狀態(tài)信息與布爾停止控件相或后連接到循環(huán)條件端子上，這樣當(dāng)采集過程中發(fā)生錯(cuò)誤或者單擊“停止”按鈕，都可以停止執(zhí)行數(shù)據(jù)采集。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(shù)。這樣便實(shí)現(xiàn)了基本的模擬輸入數(shù)據(jù)采集任務(wù)。完成后的數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖如圖45所示。圖45 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖切換到前面板，調(diào)整各種控件的大小和位置，可選擇數(shù)據(jù)采集的物理通道，如Dev1/ai0（設(shè)備1，模擬輸入通道0）。根據(jù)采集信號(hào)的特點(diǎn)和類型選擇信號(hào)測(cè)量方式，如RSE（參考單端），根據(jù)實(shí)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(yīng)的數(shù)據(jù)采集前面板輸入控制如圖46所示。圖46 數(shù)據(jù)采集模塊前面板（2）數(shù)字濾波模塊設(shè)計(jì)對(duì)于該系統(tǒng)的采集的信號(hào)，如果噪聲很多，必要時(shí)需要利用濾波器來進(jìn)行濾波調(diào)理，還有可以通過使用濾波器和沒有使用兩種情況來對(duì)波形做出比較。這里選用無限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器來進(jìn)行濾波。LabVIEW提供了數(shù)字IIR濾波器VI，利用該VI，可以選擇巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、反切比雪夫（Inverse Chebyshev）、橢圓（Elliptic）和貝塞爾（Bessel）濾波器，這幾種IIR濾波器的特點(diǎn)和用途各不相同，在使用中可以方便的任意選擇，通過比較得出最好的選擇。對(duì)濾波模塊的設(shè)計(jì)如下：為了實(shí)現(xiàn)有好的人機(jī)交互界面，使用一個(gè)開關(guān)按鈕來控制并顯示濾波器的啟用。在程序框圖中，添加一個(gè)條件結(jié)構(gòu)將開關(guān)按鈕與條件選擇端子相連。然后在條件結(jié)構(gòu)的“真”分支內(nèi)添加一個(gè)數(shù)字IIR濾波器，并創(chuàng)建IIR濾波器規(guī)范輸入控件。在IIR濾波器規(guī)范中選擇濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Butterworth、Chebyshev、Elliptic等濾波器）、類型（低通、高通、帶通、帶阻）、階數(shù)、低截止頻率、高截止頻率、通帶紋波和帶阻衰減等。最后將信號(hào)輸入端接采集到的信號(hào)，濾波后信號(hào)通過條件結(jié)構(gòu)輸出通道輸出。在條件結(jié)構(gòu)的“假”分支中，不需要濾波，則將信號(hào)直接輸出。濾波器模塊的程序框圖如圖47所示，前面板如圖48所示。在前面板中，當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，指示燈點(diǎn)亮，啟用濾波器對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波，用戶可以設(shè)定濾波器的具體參數(shù)，需要注意的是，選擇類型為低通和高通時(shí)濾波器的高截止頻率被忽略，而低截止頻率不能小于等于0，不能大于采樣率的一半。當(dāng)開關(guān)沒有按下時(shí)，則不會(huì)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波。 圖47 濾波器模塊程序框圖 圖48 濾波器模塊前面板 （3）頻譜分析模塊設(shè)計(jì)頻域分析可以將復(fù)雜的信號(hào)分解成單一的頻率成分，因而一些在時(shí)域中很難分析的信號(hào)，在頻域中它的特性可以一目了然的看出。本課題中利用傅里葉變換來獲得信號(hào)的頻譜，以更好的觀察分析信號(hào)。下面將對(duì)這一模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：通過頻譜分析模塊可以觀察到波形的幅度譜和相位譜，這里采用LabVIEW中的FFT頻譜（幅度相位）VI節(jié)點(diǎn)來計(jì)算信號(hào)的頻譜。FFT頻譜VI節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)及端口如圖49所示，其使用十分方便，只需將時(shí)間信號(hào)加到FFT頻譜上，便能得到該信號(hào)的幅度譜和相位譜，而不用考慮傅里葉變換的算法，設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單明了。頻譜分析模塊程序框圖如圖410所示。 圖49 FFT頻譜（幅度相位）VI節(jié)點(diǎn)的圖表及端口 圖410 頻譜分析模塊程序框圖（4）波形顯示模塊設(shè)計(jì)波形顯示模塊的功能是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，并能顯示經(jīng)過處理后的波形，如濾波波形和頻譜圖。這里使用波形圖控件來進(jìn)行顯示，需要三個(gè)波形圖，分別用來顯示采集到的信號(hào)、信號(hào)的幅度譜、以及波形回放。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(gè)波形圖放置在一個(gè)選項(xiàng)卡控件上。選項(xiàng)卡控件如圖411所示。將選項(xiàng)卡控件置于前面板窗口，調(diào)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(xiàng)卡”命令，使其具有三個(gè)選項(xiàng)卡，分別命名為波形圖、幅度譜、波形回放，然后將三個(gè)波形圖控件分別置于這三個(gè)選項(xiàng)卡中即可。前面板如圖412所示。 圖411 選項(xiàng)卡控件 圖412 波形顯示模塊前面板（5）波形存儲(chǔ)和回放模塊設(shè)計(jì)在采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)中，當(dāng)軟件完成數(shù)據(jù)采集、處理工作后，可以將采集到的數(shù)據(jù)的波形進(jìn)行存儲(chǔ)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(chǔ)和回放顯示模塊來實(shí)現(xiàn)。具體的設(shè)計(jì)如下：波形存儲(chǔ)應(yīng)包含兩個(gè)方面：將波形保存為圖片格式和將波形數(shù)據(jù)寫入文件，實(shí)現(xiàn)將波形保存為圖片格式的程序框圖如圖413所示。該設(shè)計(jì)主要采用了調(diào)用節(jié)點(diǎn)和寫入JPEG文件VI，首先創(chuàng)建一個(gè)波形圖的調(diào)用節(jié)點(diǎn)，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。單擊“保存”按鈕，觸發(fā)條件結(jié)構(gòu)，并彈出保存對(duì)話框，可以設(shè)置保存的文件名和路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖片的保存。對(duì)波形的回放只需要使用“寫入測(cè)量文件”和“讀取測(cè)量文件”兩個(gè)Express VI即可，其程序框圖如圖414所示。 圖413 波形保存程序框圖 圖414 波形回放程序框圖（6）數(shù)據(jù)記錄模塊的設(shè)計(jì)在本課題的數(shù)據(jù)采集控件中，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)記錄模塊，以便于可以使用MATLAB對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的處理和分析。這一模塊只需使用“寫入測(cè)量文件”Express VI即可，其圖標(biāo)及端口如圖415所示，可在該Express VI的配置對(duì)話框中設(shè)置存儲(chǔ)路徑。數(shù)據(jù)記錄模塊程序框圖如圖416所示。 圖415 “寫入測(cè)量文件”Express VI圖標(biāo)及端口 圖416 數(shù)據(jù)記錄模塊程序框圖通過上述各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，將后五個(gè)功能模塊全部置于第一個(gè)功能模塊的While循環(huán)內(nèi)，并進(jìn)行連線，將各個(gè)模塊組織起來并進(jìn)行調(diào)試，得出完整的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)程序框圖，如圖417所示：圖417 分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)程序框圖之后還要對(duì)前面板進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集控件是人機(jī)交互的界面，在設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮界面的美觀、操作簡(jiǎn)潔方便。完成后的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)前面板如圖418所示：圖418 分布式光纖檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本章小結(jié)本章首先對(duì)LabVIEW這一虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)作了簡(jiǎn)單的介紹，之后對(duì)所要數(shù)據(jù)采集的原理以及PCI6115數(shù)據(jù)采集卡作了詳細(xì)的闡述，最后通過對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字濾波模塊、頻譜分析模塊、波形顯示模塊、波形存儲(chǔ)和回放模塊以及數(shù)據(jù)記錄模塊六個(gè)模塊的設(shè)計(jì)說明和程序?qū)崿F(xiàn)，完成了基于LabVIEW的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第五章 基于MZ干涉原理的分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)該示意圖搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖51：圖51 干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等。數(shù)據(jù)處理軟件為基于LabVIEW編寫的處理程序以及基于MATLAB的處理程序。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)是能輸出線性度好、高功率、長(zhǎng)期穩(wěn)定的激光信號(hào)，激光器輸出的光信號(hào)經(jīng)過隔離器隔離后進(jìn)入光耦合器。實(shí)驗(yàn)中光源的工作波長(zhǎng)設(shè)定為155Onm，輸出功率為23mw，3dB線寬為2kHz。如圖52所示：圖52 HP8153A光波萬用表（2）實(shí)驗(yàn)中使用損耗為3dB的光耦合器，其技術(shù)指標(biāo)為工作波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中選取的兩根構(gòu)成MachZehnder干涉儀的兩臂。用光時(shí)域反射儀（OTDR），兩光纖的長(zhǎng)度之比接近于1：1。如圖54所示：圖54 Agilent E6000 MiniOTDR測(cè)光纖長(zhǎng)度（4）實(shí)驗(yàn)中當(dāng)受信號(hào)臂到干擾信號(hào)作用時(shí)，會(huì)使其中的光相位發(fā)生變化。經(jīng)過耦合器匯合發(fā)生干涉，導(dǎo)致光強(qiáng)變化。光強(qiáng)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)中使用的光電轉(zhuǎn)換器是一個(gè)集成的光電轉(zhuǎn)換器，它需要5V的穩(wěn)定供電電壓，如圖55所示：圖55 光電轉(zhuǎn)換器（5）光電轉(zhuǎn)換器通過NI公司的BNC2110連接器與插在工控機(jī)PCI插槽上的數(shù)據(jù)采集卡PCI6115相連接。光電轉(zhuǎn)換器輸出的電信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡采集至工控機(jī)。BNC2110連接器與數(shù)據(jù)采集卡PCI6115如圖56所示：圖56 數(shù)據(jù)采集卡以上介紹了檢測(cè)干擾信號(hào)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為了進(jìn)一步的研究干擾信號(hào)的物理屬性（如頻率），又搭建了如圖57的振動(dòng)頻率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)在上述平臺(tái)的基礎(chǔ)上，增加了發(fā)波卡、HEAS功率放大器、HEV50激振器等器件，通過對(duì)一定頻率的激勵(lì)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和分析，達(dá)到檢測(cè)干擾信號(hào)振動(dòng)頻率的目的。圖57 振動(dòng)頻率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在組建系統(tǒng)的過程中，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：l 正確使用切割刀和熔接機(jī)，以使熔接的光纖損耗最?。籰 在跳線連接頭處用酒精擦拭，以保證連接暢通及較小的損耗。當(dāng)光路出現(xiàn)問題時(shí)，可以使用光功率計(jì)測(cè)試各連接處光信號(hào)的功率來找出中斷所在的位置；l 用膠帶將實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)固定，盡量減小環(huán)境噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。在振動(dòng)模擬外界干擾信號(hào)的時(shí)候，干擾點(diǎn)應(yīng)固定好，以避免敲擊對(duì)其他部分傳感光纜造成振動(dòng)影響。 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 原理性實(shí)驗(yàn)根據(jù)MZ干涉型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，可以將其中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析模塊用示波器來代替，對(duì)該光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的做原理性的實(shí)驗(yàn)。可在實(shí)驗(yàn)室中搭建如圖58所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖 58 原理性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)中，固定住MZ干涉中的參考臂，在信號(hào)臂沒有受到擾動(dòng)時(shí)，示波器中的波形圖基本上為一條直線；當(dāng)抖動(dòng)信號(hào)臂時(shí)，在示波器中可以得到如圖59所示的波形。由此實(shí)驗(yàn)可知，課題中所設(shè)計(jì)的干涉型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)在原理上是可行的。圖 59 擾動(dòng)波形圖 干擾信號(hào)以及振動(dòng)頻率的檢測(cè)根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建如圖51和57的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)干擾信號(hào)以及振動(dòng)頻率進(jìn)行檢測(cè)。（1）干擾信號(hào)的檢測(cè)在系統(tǒng)的光路連接就緒之后，打開光源以及計(jì)算機(jī)中LabVIEW采集程序，就可以準(zhǔn)備進(jìn)行干擾信號(hào)的采集。實(shí)驗(yàn)中在分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)的界面中設(shè)定物理通道為Dev1/ai0，采樣模式為連續(xù)采樣，采樣率為10MHz，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕開始運(yùn)行。在信號(hào)臂靠近光耦合器OC1的某一位置處，用手撮動(dòng)光纖來模擬外界干擾信號(hào)，單擊分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)中的保存按鈕，可得到如圖510的波形圖。與此同時(shí)，運(yùn)行中的LabVIEW采集程序?qū)⑺杉降碾妷盒盘?hào)以列的形式保存在一個(gè)LVM文件中，以便后期數(shù)據(jù)處理。本實(shí)驗(yàn)中選用無擾動(dòng)、觸碰、撮動(dòng)、腳踢光纖四種方式來模擬外界干擾信號(hào)，對(duì)各種方式的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。圖 510 干擾信號(hào)波形圖（2）振動(dòng)頻率的檢測(cè)首先將靠近光耦合器OC1的信號(hào)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(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中在分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)的界面中設(shè)定物理通道為Dev1/ai0，采樣模式為連續(xù)采樣，采樣率為2kHz，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕開始運(yùn)行。當(dāng)振動(dòng)頻率為50Hz時(shí)，單擊分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)中的保存按鈕，可得到如圖511的波形圖。同樣，運(yùn)行中的LabVIEW采集程序?qū)⑺杉降碾妷盒盘?hào)以列的形式保存在一個(gè)LVM文件中。本實(shí)驗(yàn)中選擇100Hz、200Hz、300Hz、500Hz的四種激振頻率。圖 511 振動(dòng)波形圖 數(shù)據(jù)處理與分析（1）干擾信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中選擇了無擾動(dòng)、觸碰、撮動(dòng)、腳踢光纖四種方式來模擬外界干擾信號(hào)，用MATLAB對(duì)相應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？傻玫剿姆N波形圖如下：圖 512 無擾動(dòng)光纖波形圖圖 513 觸碰光纖波形圖圖 514 撮動(dòng)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(dāng)光纖不受擾動(dòng)時(shí)，波形圖基本上是一條直線；當(dāng)光纖受到觸碰、撮動(dòng)、腳踢這三種干擾信號(hào)時(shí)，波形圖與無干擾相比發(fā)生了明顯變化。根據(jù)波形圖與無干