【正文】 bVIEW強大的虛擬儀器設(shè)計功能設(shè)計一個分布式光纖檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲、波形顯示、信號處理、波形存儲和回放等功能，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、波形存儲和回放模塊以及數(shù)據(jù)記錄模塊，下面將對這些模塊作詳細(xì)的介紹。（1）數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計數(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，包括對設(shè)備號、通道號、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)點有：DAQmx創(chuàng)建通道節(jié)點、DAQmx采樣時鐘VI實例、DAQmx開始任務(wù)節(jié)點、DAQmx讀取節(jié)點、DAQmx停止任務(wù)節(jié)點和DAQmx清除任務(wù)節(jié)點，使用到的程序結(jié)構(gòu)式while結(jié)構(gòu)，設(shè)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(shè)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(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)點以啟動數(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)點讀取采集到的數(shù)據(jù)，這里在DAQmx讀取節(jié)點的下拉菜單中選擇模擬波形1通道N采樣VI實例，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)點來清除數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并創(chuàng)建一個錯誤輸出簇顯示控件，用于顯示錯誤。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)采集信號的特點和類型選擇信號測量方式，如RSE（參考單端），根據(jù)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(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)計對于該系統(tǒng)的采集的信號，如果噪聲很多，必要時需要利用濾波器來進行濾波調(diào)理，還有可以通過使用濾波器和沒有使用兩種情況來對波形做出比較。這里選用無限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器來進行濾波。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。對濾波模塊的設(shè)計如下：為了實現(xiàn)有好的人機交互界面，使用一個開關(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。最后將信號輸入端接采集到的信號，濾波后信號通過條件結(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，指示燈點亮，啟用濾波器對采集信號進行濾波，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，則不會對采集信號進行濾波。 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)計頻域分析可以將復(fù)雜的信號分解成單一的頻率成分，因而一些在時域中很難分析的信號，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的頻譜，以更好的觀察分析信號。下面將對這一模塊進行設(shè)計：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)點來計算信號的頻譜。FFT頻譜VI節(jié)點的圖標(biāo)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(shè)計過程簡單明了。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)計波形顯示模塊的功能是對采集到的信號進行實時的顯示，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行顯示，需要三個波形圖，分別用來顯示采集到的信號、信號的幅度譜、以及波形回放?？紤]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。選項卡控件如圖411所示。將選項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“在后面添加選項卡”命令，使其具有三個選項卡，分別命名為波形圖、幅度譜、波形回放，然后將三個波形圖控件分別置于這三個選項卡中即可。前面板如圖412所示。 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(shè)計在采用LabVIEW實現(xiàn)的分布式光纖檢測系統(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)。具體的設(shè)計如下：波形存儲應(yīng)包含兩個方面：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)計主要采用了調(diào)用節(jié)點和寫入JPEG文件VI，首先創(chuàng)建一個波形圖的調(diào)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。單擊“保存”按鈕，觸發(fā)條件結(jié)構(gòu)，并彈出保存對話框，可以設(shè)置保存的文件名和路徑，實現(xiàn)對圖片的保存。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)計在本課題的數(shù)據(jù)采集控件中，還需要設(shè)計一個數(shù)據(jù)記錄模塊，以便于可以使用MATLAB對所采集的數(shù)據(jù)進行詳細(xì)的處理和分析。這一模塊只需使用“寫入測量文件”Express VI即可，其圖標(biāo)及端口如圖415所示，可在該Express VI的配置對話框中設(shè)置存儲路徑。數(shù)據(jù)記錄模塊程序框圖如圖416所示。 圖415 “寫入測量文件”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功能模塊的設(shè)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(nèi)，并進行連線，將各個模塊組織起來并進行調(diào)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(shè)計。數(shù)據(jù)采集控件是人機交互的界面，在設(shè)計前面板時，主要考慮界面的美觀、操作簡潔方便。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(shè)計。 本章小結(jié)本章首先對LabVIEW這一虛擬儀器開發(fā)平臺作了簡單的介紹，之后對所要數(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、波形存儲和回放模塊以及數(shù)據(jù)記錄模塊六個模塊的設(shè)計說明和程序?qū)崿F(xiàn)，完成了基于LabVIEW的分布式光纖檢測系統(tǒng)的設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)該示意圖搭建相應(yīng)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(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等。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(jīng)過隔離器隔離后進入光耦合器。實驗中光源的工作波長設(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）實驗中使用損耗為3dB的光耦合器，其技術(shù)指標(biāo)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(gòu)成MachZehnder干涉儀的兩臂。用光時域反射儀（OTDR），兩光纖的長度之比接近于1：1。如圖54所示：圖54 Agilent E6000 MiniOTDR測光纖長度（4）實驗中當(dāng)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。經(jīng)過耦合器匯合發(fā)生干涉，導(dǎo)致光強變化。光強經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。本實驗中使用的光電轉(zhuǎn)換器是一個集成的光電轉(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)換器輸出的電信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集至工控機。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干擾信號的實驗平臺，為了進一步的研究干擾信號的物理屬性（如頻率），又搭建了如圖57的振動頻率檢測實驗平臺。該平臺在上述平臺的基礎(chǔ)上，增加了發(fā)波卡、HEAS功率放大器、HEV50激振器等器件，通過對一定頻率的激勵信號的數(shù)據(jù)采集和分析，達到檢測干擾信號振動頻率的目的。圖57 振動頻率檢測實驗平臺在組建系統(tǒng)的過程中，應(yīng)該注意以下幾點：l 正確使用切割刀和熔接機，以使熔接的光纖損耗最??；l 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，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(jié)果造成的影響。在振動模擬外界干擾信號的時候，干擾點應(yīng)固定好，以避免敲擊對其他部分傳感光纜造成振動影響。 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(jù)MZ干涉型分布式光纖振動傳感系統(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，對該光纖振動傳感系統(tǒng)的做原理性的實驗。可在實驗室中搭建如圖58所示的實驗平臺。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(dāng)抖動信號臂時，在示波器中可以得到如圖59所示的波形。由此實驗可知，課題中所設(shè)計的干涉型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)在原理上是可行的。圖 59 擾動波形圖 干擾信號以及振動頻率的檢測根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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。（1）干擾信號的檢測在系統(tǒng)的光路連接就緒之后，打開光源以及計算機中LabVIEW采集程序，就可以準(zhǔn)備進行干擾信號的采集。實驗中在分布式光纖檢測系統(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，點擊運行按鈕開始運行。在信號臂靠近光耦合器OC1的某一位置處，用手撮動光纖來模擬外界干擾信號，單擊分布式光纖檢測系統(tǒng)中的保存按鈕，可得到如圖510的波形圖。與此同時，運行中的LabVIEW采集程序?qū)⑺杉降碾妷盒盘栆粤械男问奖４嬖谝粋€LVM文件中，以便后期數(shù)據(jù)處理。本實驗中選用無擾動、觸碰、撮動、腳踢光纖四種方式來模擬外界干擾信號，對各種方式的數(shù)據(jù)進行采集和分析。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(chǎn)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(shè)定物理通道為Dev1/ai0，采樣模式為連續(xù)采樣，采樣率為2kHz，點擊運行按鈕開始運行。當(dāng)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。同樣，運行中的LabVIEW采集程序?qū)⑺杉降碾妷盒盘栆粤械男问奖４嬖谝粋€LVM文件中。本實驗中選擇100Hz、200Hz、300Hz、500Hz的四種激振頻率。圖 511 振動波形圖 數(shù)據(jù)處理與分析（1）干擾信號檢測實驗實驗中選擇了無擾動、觸碰、撮動、腳踢光纖四種方式來模擬外界干擾信號，用MATLAB對相應(yīng)的存儲數(shù)據(jù)進行處理?？傻玫剿姆N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(dāng)光纖不受擾動時，波形圖基本上是一條直線；當(dāng)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。根據(jù)波形圖與無干