【正文】 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(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。本實(shí)驗(yàn)中選擇100Hz、200Hz、300Hz、500Hz的四種激振頻率。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。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。與此同時，運(yùn)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。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)擊運(yùn)行按鈕開始運(yùn)行。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(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建如圖51和57的實(shí)驗(yàn)平臺，對干擾信號以及振動頻率進(jìn)行檢測。圖 58 原理性實(shí)驗(yàn)平臺在實(shí)驗(yàn)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。 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)擾動檢測實(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(shí)驗(yàn)。當(dāng)光路出現(xiàn)問題時，可以使用光功率計(jì)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(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)固定，盡量減小環(huán)境噪聲對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。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(dá)到檢測干擾信號振動頻率的目的。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(jī)。光強(qiáng)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。如圖54所示：圖54 Agilent E6000 MiniOTDR測光纖長度（4）實(shí)驗(yàn)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。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。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(jìn)入光耦合器。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(shí)驗(yàn) 基于MZ分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺如圖51：圖51 干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)等。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(jì)。 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(jì)，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(jìn)行連線，將各個模塊組織起來并進(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(jìn)行必要的設(shè)計(jì)。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。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。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。 圖411 選項(xiàng)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(jì)在采用LabVIEW實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)。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，使其具有三個選項(xiàng)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(xiàng)卡中即可?？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(xiàng)卡控件上。 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采集到的信號進(jìn)行實(shí)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。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(jì)過程簡單明了。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。當(dāng)開關(guān)沒有按下時，則不會對采集信號進(jìn)行濾波。濾波器模塊的程序框圖如圖47所示，前面板如圖48所示。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。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。對濾波模塊的設(shè)計(jì)如下：為了實(shí)現(xiàn)有好的人機(jī)交互界面，使用一個開關(guān)按鈕來控制并顯示濾波器的啟用。這里選用無限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器來進(jìn)行濾波。根據(jù)采集信號的特點(diǎn)和類型選擇信號測量方式，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。完成后的數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖如圖45所示。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)。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)建一個錯誤輸出簇顯示控件，用于顯示錯誤。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、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(diǎn)對視鐘進(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)以啟動數(shù)據(jù)采集任務(wù)。本課題中利用LabVIEW強(qiáng)大的虛擬儀器設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)一個分布式光纖檢測系統(tǒng)，實(shí)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。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(yuǎn)程動態(tài)升級服務(wù)，也便于靈活地設(shè)計(jì)滿足特殊用戶的測試功能與時序要求，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的動態(tài)升級。除此之外，PCI6115還有2路12位模擬輸出、2個24位計(jì)數(shù)器/定時器和8條通用數(shù)字I/O線，適合于更多的應(yīng)用。每路通道上的偽差分輸入，使在對輸入進(jìn)行同步采樣的同時，盡可能地避免接地回路。其中板載內(nèi)存的一半用于模擬輸入，另一半則用于模擬輸出。要完成對研究信號的數(shù)據(jù)采集，需要通過數(shù)據(jù)采集卡（DAQ card）來實(shí)現(xiàn)，下面先介紹一下本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集部分所使用的采集卡。它是將外界存在的溫度、壓力、流量、位移以及角度等物理量，應(yīng)用非電量電測技術(shù)轉(zhuǎn)換成電信號模擬量（Analog Signal），然后再轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能識別和處理的數(shù)字信號（Digital Signal），最后將這些收集到的數(shù)字信號通過計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步記錄、處理、傳輸與顯示的過程。在編寫數(shù)據(jù)采集的程序時，LabVIEW不但具備了傳統(tǒng)程序調(diào)試的工具，而且可以在程序框圖中設(shè)置斷點(diǎn)和單步運(yùn)行，還提供了高亮執(zhí)行和探針等獨(dú)具特色的工具，更加便于觀察程序執(zhí)行的細(xì)節(jié)和相應(yīng)的修改。其中，設(shè)備驅(qū)動程序是聯(lián)系用戶應(yīng)用程序與底層硬件設(shè)備的基礎(chǔ)。而且LabVIEW圖形化的開發(fā)環(huán)境，具有精確、高效、功能強(qiáng)大、開發(fā)簡易、實(shí)時性強(qiáng)、界面友好等優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了強(qiáng)大功能和使用的靈活性，因此非常適合用于進(jìn)行仿真、實(shí)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(diào)技術(shù). （l）：9497.]。此外，常用的數(shù)據(jù)處理語言包括C、MATLAB等，但由于C、MATLAB程序效率低、實(shí)時性差，因而不容易產(chǎn)生理想的實(shí)驗(yàn)效果。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(shù)形式和接口類型，連接器從輸入端子接受數(shù)據(jù)，并在VI執(zhí)行完成是將數(shù)據(jù)傳送到輸出端子，從而可以實(shí)現(xiàn)模塊化編程。在測試程序中，絕大部分工作都是在流程圖中完成，程序的流程圖如圖42所示：圖42 程序流程圖（3）圖標(biāo)每個VI都有一個默認(rèn)的圖標(biāo)，顯示在前面板和框圖窗口的右上角。與控件選板相類似，函數(shù)選板中的每個圖標(biāo)也代表某一類函數(shù)。結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流框圖程序是LabVIEW的核心，是實(shí)現(xiàn)程序功能的關(guān)鍵部分。前面板是用戶與虛擬儀器進(jìn)行信息交互的接口，當(dāng)測試程序開發(fā)完成后，運(yùn)行將會產(chǎn)生圖41所示的圖形化的測試界面。當(dāng)打開LabVIEW軟件新建一個VI文件時，就會彈出這個VI的前面板，在前面板中單擊鼠標(biāo)右鍵會彈出控件選板，選板上包含了全部的控件類別。圖標(biāo)端口主要用來將LabVIEW程序定義成一個子程序，從而可以實(shí)現(xiàn)模塊化編程。程序前面板相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的控制面板，用于設(shè)置輸入?yún)?shù)和觀察輸出結(jié)果，程序前面板上的每一個控件都對應(yīng)著一段方框圖程序。目前，LabVIEW已經(jīng)成為測試領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛和最有前途的軟件開發(fā)平臺之一，也是應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境之一。，經(jīng)過了不斷改進(jìn)和完善。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?qū)ο筌浖?，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(qiáng)大，且擴(kuò)展性好，對采集到的數(shù)據(jù)可用于高級分析庫進(jìn)行信號處理，也可以為了使所得測試曲線符合實(shí)際情況，進(jìn)行擬合處理。它還提供了大量與外部代碼或軟件的通信機(jī)制，尤其是與各種專業(yè)工具箱的結(jié)合使用，使虛擬儀器的數(shù)據(jù)處理能力更大加強(qiáng)。第四章 基于LabVIEW的分布式光纖檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) LabVIEW概述 LabVIEW虛擬儀器簡介虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的儀器測量、測試和控制技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物，現(xiàn)已成為控制、自動測試和信號處理等領(lǐng)域中的一個嶄新的發(fā)展方向。 本章小結(jié)本章首先介紹了光相位調(diào)制原理，充分闡明了振動傳感所基于的光學(xué)相位干涉技術(shù)和彈性光學(xué)的理論，并對此作了詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。所設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡單、不易受外界環(huán)境的干擾和限制等優(yōu)點(diǎn)。光強(qiáng)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。（2）當(dāng)外界干擾信號作用于信號臂上，對信號臂內(nèi)的光信號進(jìn)行相位調(diào)制，此時參考臂內(nèi)的光信號沒有變化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖32所示：圖32 MZ干涉型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該MZ干涉型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)由三個主要功能模塊構(gòu)成：MZ干涉模塊（由光源、隔離器、耦合器、傳感光纖、參考光纖組成）、光電轉(zhuǎn)換模塊（集成的光電轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)采集及分析模塊（由數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)組成）。只需考慮應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)致光纖Z方向長度的變化，有 （327）又由于波數(shù)，則，由此可得： （328）根據(jù)光彈效應(yīng)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(jī)械強(qiáng)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(jìn)行調(diào)制[[] Rogers A J. Polarirationoptical time domain reffectometry：a technique for themeasurement of field distributions. APPLIED OPTICS, 1981, 20（6）：1060~1074]。又光纖中傳播波導(dǎo)的波長，則傳播常數(shù)為：