光纖傳感器是通過檢測光信號來測量環境中參量變化(生物量、物理量或化學量)，這些參量變化會引起光的傳輸特性變化。光纖傳感器有很多種類，按照傳感機理它可以分為強度型、干涉型和光纖布拉格光柵型這三種。這其中光纖布拉格光柵不僅具有強度型和干涉型的優點，并且具有波長分離能力強、靈敏度高、傳感精度好、抗干擾能力強等優勢。光纖光柵傳感器有著很大的發展前途，它可以在需要精確定位或者是絕對數字測量時，可以構成多光柵空間分布單一光纖傳感網絡系統。

　　【摘 要】本文首先分析光纖光柵傳感器的優點及工作原理，然后介紹基于光纖光柵傳感器的數據采集監測系統的組成，對數據采集系統進行軟件設計和介紹基于網絡的數據采集的關鍵技術，最后對數據采集系統進行實例應用。

　　【關鍵詞】核心期刊發表,光纖光柵傳感器,數據采集,光纖布拉格光柵

　　本文研究的基于光纖光柵的數據采集，光纖光柵傳感器即采用的是光纖布拉格光柵，光纖光柵的原理如圖1所示。

　　光纖布拉格光柵的中心波長隨著外界環境參量的變化而隨之變化，它廣泛應用于壓力、溫度、應變等參數的測量。

　　一、基于光纖光柵數據采集系統的組成

　　(一)光纖光柵傳感系統

　　該系統通過光纖光柵傳感器采集數據，這是該數據采集系統的前提條件。不同功能的光纖光柵傳感器能夠將不同的物理參量如溫度、壓力、應變和加速度等調制為相對應的光柵波長。光纖光柵傳感器輸出光波以后直接通過光纜便可以進行遠距離傳送。

　　(二)光纖光柵網絡分析系統

　　該系統作用是將光纖光柵傳感器采集的光信號經光纜的遠程傳輸后，將光信號轉化為數字量并以物理參量的方式在計算機終端記錄、顯示或存入數據庫中。

　　該系統主要由光開關、光纖光柵解調儀及光纖跳線組成。光纖光柵解調儀的作用是將光纖光柵中心波長解調為數字信號。光開關的主要作用是將多路光信號一起或是分別進入光纖光柵解調儀，這樣就克服了光纖光柵通道數不能滿足工程應用的缺點。

　　(三)光纖通訊傳輸網絡

　　該系統由光纜和光纖適配器等組成。光纜是光信號傳輸的通道，光纖適配器連接光纜且損耗很低，這樣就可以避免工程現場的光纖熔接。單橋監控室采用光纜以低損耗方式接連光纜，將遠距離采集的光信號引入中心監控室的數據處理及分析系統上。

　　(四)數據處理及分析系統

　　該系統是對采集后的數據進行預處理且分析，為后續系統的基礎。該系統是由軟件系統組成，在現場工控機上運行，為專家評估系統奠定堅實的基礎平臺，是后續工作提供可靠的依據。

　　二、數據采集系統的設計

　　在光纖數據采集系統中，首先運用了多線程技術，以保證數據采集、實時顯示界面和數據存儲同時進行;其次，運用數據安全隊列來保護線程之間數據安全傳遞的同時，還要使采集到得數據可以在最快的時間內得到顯示，最后在VS平臺下實現數據采集系統程序，由于VS庫函數和空間豐富，編程環境界面友好，使得軟件不僅界面漂亮，而且開發難度大大的降低。數據采集的流程圖3-5所示。

　　在基于光纖光柵數據采集系統中，為了使數據采集、儲存和實時顯示同時進行，必須采用多線程技術。此外，還可以采用數據安全隊列使采集到的數據能夠在最快時間實現顯示并能夠保護線程之間數據的安全傳遞。由于VS平臺下庫函數和空間豐富、界面友好，采用VS平臺實現數據采集系統程序可以使開發難度大大降低且軟件界面漂亮。數據采集的流程圖如圖2所示。

　　三、數據采集系統的程序實現

　　隨著社會的發展，大型橋梁的安全問題越來越受到人們的重視，為了保證橋梁運行的安全性、可靠性及耐久性等，研究表明，得到科學管理的橋梁有著更好的安全性以及耐用性，橋梁健康監測系統已經是橋梁建設中不可少的一部分，數據采集系統則是整個監測系統的基石。對于橋梁健康監測來說，傳感器具有數量大、種類多，信號采集的儲存實時性高等要求，這樣對于數據采集和處理系統有較高要求。本文以武漢某大型斜拉橋為例，研究基于光纖光柵的數據采集系統的軟件設計及具體實現。

　　根據要求，傳感器數據采集系統能夠提供監測數據。以某斜拉橋為例的健康監測系統中，系統采用光纖光柵應力傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵位移傳感器、壓電式低頻加速度傳感器等等監測斜拉橋應力、溫度等參數。本文主要針對的是光纖光柵型傳感器，將采集到的光信號通過光纜傳輸后經過解調儀解調，最后通過網口對解調儀采集到數字信號存入數據庫中，為后續監測系統做準備。

　　光纖光柵解調儀具有以太網接口，根據實際需要進行網絡編程，實現網絡程序有很多種方式，Windows Socket是其中比較簡單的方法。本系統監測對象比較多并且要求系統實時性高，多線程技術可以滿足系統要求，它支持系統一個進程中執行多個線程，多個操作可以在不同線程中同時進行。光信號經解調儀傳輸后是字節流，可以使用memmove函數對字節流進行分解處理。

　　(一)光纖光柵傳感器的配置

　　數據采集方案的確定和傳輸方式的選擇一般是根據傳感器空間分布情況確定的。斜拉橋的跨度比較大，一般為幾百米到幾千米，橋上敷設的傳感器的數量種類也特別多，這個時候為了減少信號在傳輸中受到干擾、衰減失真等情況，首先要對傳感器進行配置，再選擇合適的數據采集方案和傳輸方式。

　　數據采集之前要確定傳感器的總數、解調儀的數量、所需通道數、采樣頻率和存儲頻率等各方面信息。傳感器的總數決定了數據傳輸設備的數量和數據的傳輸方式。傳感器的采樣頻率是由數據處理系統對數據的要求以及數據本身的動態特性決定的。在進行傳感器配置的時，采取四層結構，采用樹形控件，應用如圖3所示。第一層是光纖光柵系統，第二層是光纖光柵解調儀，第三層是通道，第四層是傳感器。在數據采集系統首次運行時要進行初始配置，這樣才能提高系統的運行速率。傳感器配置有兩種方式，一種是在界面進行配置，第二種是修改配置文件的內容。開始配置時首先將配置信息顯示在界面上，對界面進行配置，然后將數據寫入數據庫。 　　界面的配置步驟為：光纖系統總配置、光纖光柵解調儀配置、通道配置、傳感器配置。將每一個配置的傳感器編號，通過傳感器編號可以查詢具體信息。比如：傳感器的名稱、類別、位置、初始應變、報警上限、報警下限、標定系數、標定斜率、是否要溫度補償、基準波長、標定波長、所屬的解調儀和通道數等信息。

　　(二)網口采集

　　武漢某斜拉橋健康監測系統需采集的信號數量大、實時性高、處理較復雜。數據采集系統負責將光纖光柵解調儀的信號通過網口以后，進行數據的采集、分析、轉化為相應數據儲存，為后續的數據分析處理以及安全評估提供可靠地實時數據。本系統是采用開放式Windows系統平臺，軟件開發環境為Visual Studio 2005，把任務分成幾個獨立的線程，使用多線程方式，這樣就能夠保證數據采集的實時性，用戶其他操作也能及時響應，這樣提高了利用率和程序的運行效率。

　　光纖光柵解調儀主要作用是把光纖光柵中心波長解調出來，解調的機理有很多，本系統采用的解調原理是基于F―P濾波器的原理，基于網口的數據采集技術較成熟，解調儀的通信協議為UDP協議，傳輸速率要求能夠完全滿足系統要求。

　　對于UDP無連接的數據報服務，客戶機給服務機發送一個含有地址的數據報，客戶機和服務器并沒有建立連接。服務器是通過調用Recvfrom()等待客戶端數據。基于UDP的socket編程思路為：首先創建套接字(socket)，然后將套接字綁定到一個本地端口和地址上，等待接收的數據，最后關閉 socket。

　　根據實際情況開發服務端軟件基于UDP的，UDP能夠提供端口機制便于UDP用戶使用。UDP長度中包括UDP本身長度、源端口、目的端口、用戶數據和UDP校驗等。實際開發，端口號為5000，首先使用“ping”命令判斷測試網絡是否連通，原理為發送UDP數據包給對方主機，對方主機回復是否收到數據報，如果回復及時，則網絡已經連接，軟件流程如下圖4所示。

　　四、小結

　　光纖光柵傳感器使用越來越普遍，本文介紹基于光纖光柵傳感器的數據采集監測系統的組成，對數據采集系統進行軟件設計和介紹基于網絡的數據采集的關鍵技術，最后對數據采集系統進行實例應用。

　　參考文獻：

　　[1]柳旭.基于光纖傳感技術的橋梁健康監測數據序系統研究：[工學碩士論文].武漢：武漢理工大學，2006

　　[2]張金濤.基于光纖光柵傳感網絡的健康監測技術：[工學碩士論文].黑龍江：黑龍江大學，2005

　　[3]劉勝春.光纖光柵智能材料與橋梁健康監測系統研究：[博士學位論文].武漢：武漢理工大學，2006