精品光纤光栅传感器系统上位机软件设计毕业论文论文.docx
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精品光纤光栅传感器系统上位机软件设计毕业论文论文
课程设计论文
题目：
光纤光栅传感系统上位机软件设计
学院：
专业名称：
电子科学与技术
班级学号：
学生姓名：
指导教师：
2013年12月
目录
一、课题背景4
1.1国内外研究现状4
1.2国外研究现状4
1.3国内研究现状5
二、课题要求5
2.1设计内容5
2.2报告要求5
三、光纤布拉格光栅传感器原理及分类5
3.1光纤光栅的分类5
3.2光纤布拉格光栅原理6
3.3光纤布拉格光栅的传感原理7
3.4光纤布拉格光栅温度传感器原理7
四、光纤布拉格光栅波长解调原理8
4.1边缘滤波法9
4.2可调谐F-P腔滤波法9
4.3非平衡马赫-曾德干涉仪解调法10
4.4光谱分析仪法10
五、labview语言简介11
5.1LabVIEW基本概念11
5.2LabVIEW软件开发流程12
5.3LabVIEW编程模式13
5.4LabVIEW主要有以下几个优点13
六、光纤光栅各传感系统设计模块13
6.1LabVIEW导出解调模块动态链接库函数14
6.2数据循环釆集程序编制16
6.3图形显示程序编制17
6.4传感器拟合表格设计18
6.5告警程序设计19
6.6数据存储程序设计20
七、软件整合与性能测试20
7.1软件单元整合20
7.1.1软件界面显示20
7.1.2软件工作原理21
7.2软件性能测试22
7.2.1光通道切换性能测试22
7.2.2软件运行性能测试22
八、总结22
参考书籍23
致谢23
摘要：
光纤光栅传感器以其独到的电磁绝缘性，在电力、化工、采矿等行业中的应用日益增多。
光纤光栅传感器的核心在于其光栅中心波长解调技术。
光纤光栅在功能上可以看做是一个窄带滤波器，具有波长选择的功能，光敏性是物质的材料属性，是指在外部光的照射下，物质的物理或化学性质产生暂时的或永久的改变。
光纤光栅利用光敏性可制成许多具有独特功能的光纤无源器件，此外光纤本身就具有电绝缘性，传输信号损耗低、质量小等优点，因此在光纤通信和传感等领域光纤光栅都具有着广泛的发展前景。
光纤光栅可以用作传感元件，具有其他传感器无法比拟的优点。
利用Labview开发开发了系列波长解调模块的光纤方式传感系统。
该软件实现了光纤光栅传感信号的多通道实时采集和分析处理并可以用于实际工程应用。
该系统具有测量精度高、操作简便、功能全面的特点。
关键词：
光纤光栅Labview传感系统上位机
一、课题背景
1.1国内外研究现状
光纤传感器的应用范围很广，尤其适合在恶劣环境下使用，具有很大的市场需求。
主要以下几个方面：
民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、医学及生物传感器等。
（1）民用工程结构测量力学参量对桥梁、隧道、矿井、大坝、建筑物的使用状况和维护都是至关重要的。
通过对上面所叙述的民用工程结构应变分布的测量，可以预知其局部健康状况和载荷状态。
（2）航空航天业这是这一个大量使用传感器的地方，为了监测一架飞机的压力，温度，振动、等重要部位要用上百个传感器。
光纤光栅传感器具有的特性很适合作为飞行器的传感器。
（3）船舶航运业随着船载控制系统的复杂性不断增加，船体要求又愈来愈多精巧的传感器，光纤光栅传感器能够为现代船舶的操作提供瞬态的和各方面的传感信息。
（4）医学及生物传感器传统的热电偶、热敏电阻温度计和电子传感器在许多医学应用中士不适用的，会导致错误的输出。
光纤光栅传感器以最小限度伤害人体组织功能方式，进行内部测量，并得出精确的有关温度、压力和声波场的局部信息。
1.2国外研究现状
加拿大渥太华通信研究中心于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光纤光敏效应，并用驻波写入法制作了世界上第一根光纤光栅。
美国联合技术研究中心1989年实现了用紫外光在光纤侧面直接写入布拉格光栅，这一技术的实现使光纤光栅技术逐步走向成熟和商业化。
自1989年第一次用光纤光栅做传感器，这使得光纤光栅在传感领域的使用受到了人们广泛关注，并且取得了快速的发展。
美国、英国、加拿大、日本等国，利用巨大资金投入，处于光纤光栅传感器的领先地位，在国外，光纤光栅传感技术已经在桥梁铁路等工程中获得应用。
1.3国内研究现状
相较于国外，国内关于光纤光栅传感器的研究工作开展的较晚。
我国在90年代才开始光纤光栅技术的应用研究，主要集中在理论分析和误差计算方面。
当前，国内已有许多大学和研究所都在光纤传感器领域进行研究。
他们在光纤温度传感器，压力计等相关领域进行了一系列的理论和实验研究，取得了很多项科研成果，其中有些科研成果具有很高的实用价值，在实际工程中也得到了初步应用。
二、课题要求
2.1设计内容
1.分析了光纤光栅传感器的基本原理。
2.Labview环境下，独立开发基于FPGA模块的上位机系统。
2.2报告要求
1．封面
2.课程设计报告：
3.⑴ 系统总体方案
⑵ 设计思路和主要步骤
⑶ 各功能模块和流程图
⑷ 设计代码
⑸ 心得体会和参考资料
三、光纤布拉格光栅传感器原理及分类
3.1光纤光栅的分类
1.光纤布拉格光栅即均匀短周期分布光栅，其特点是折射率呈周期性分布，可以将特定波长的光反射，是发现最早，也是目前应用最广泛的一种。
其主要应用在光纤激光器、光纤传感器，光通信中的波分复用等领域。
2.啁啾光纤光栅主要是通过改变光栅的周期、平均折射率或光栅的长度获得。
啁啾光纤光栅被广泛应用于EDFA增益平坦，也可用于传感领域。
3.相移光纤光栅主要是在制作过程中引入光栅相移得到，可以看做是两个光栅的不连续连接。
其具有高质量的臂长选择度，被广泛应用于密集波分中作解复用器。
4.闪耀光纤光栅其主要特点是光栅的刻写平面与光纤轴呈一定的夹角。
闪耀光纤光栅因其独特的分光特性，主要用作掺铒光纤放大器的增益平坦滤波器等。
5.超结构与重叠光纤光栅主要是在光栅刻写过程中对写入紫外光源频率进行一定的调制，或者在光纤同一位置写入多个具有不同中心波长的光栅，这两种光栅在多波长光纤激光器方面有一定的应用价值。
6.长周期光纤光栅即光栅周期>1um的光纤光栅，其与布拉格光栅不同之处在于他是某个特定波长的光耦合到光纤包层中去，而不是反射回去。
其在高灵敏光纤传感器、宽带EDFA的增益平坦等方面有重要的应用价值。
3.2光纤布拉格光栅原理
光纤布拉格光栅是发展最早，应用最广的光纤光栅。
使光纤纤芯折射率发生周期性变化就构成了最简单的均匀光纤布拉格光栅，其结构示意图如图所示：
（图1）
实际上布拉格条件是满足能量和动量守恒的一种表示形式。
能量守恒要求入射光与反射光频率相同，即：
（2-1）
动量守恒则要求入射波矢量与光栅波矢量之和等于散射波矢量，即：
（2-2）
光栅波矢量K幅度大小等于2π/Λ,方向与光栅面的法向一致。
散射波矢量与入射波矢量大小相等，方向相反，则式（2-2）变为
式中λ为光纤光栅中心波长，是光纤光栅反射回来的入射光在自由空间中的中心波长。
3.3光纤布拉格光栅的传感原理
光纤布拉格光栅（FBG）传感是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用在光纤光栅上的应变或温度的改变，从而使光纤布拉格光栅中心波长发生改变，通过建立并标定光纤光栅的应变或温度响应与被测参量变化关系，可以由光纤光栅中心波长的变化，测出被测参量的变化。
由式（2-4）得，当外界物理量作用与光纤光栅时，其波长变化为
其中，ΔΛ为光纤在应力作用下的弹性形变。
由上式可知光纤布拉格光栅的反射波长随折射率和栅格常数变化而变化。
这种反射波长或透射波长随外界物理量的变化而变化的现象可以应用到传感领域，外界应力导致应变和温度的变化会直接影响光纤布拉格光栅的折射率和栅格常数，因而光纤布拉格光栅对应力和温度的变化有响应。
温度对光纤布拉格光栅的影响是由于热膨胀效应和热光效应造成的，应力对光纤布拉格光栅的影响是由于光栅周期变化和弹光效应造成的。
3.4光纤布拉格光栅温度传感器原理
假设光纤光栅在不受力的状态下，温度改变T是，由于热膨胀效应导致的光纤光栅周期改变为
其中，α为光纤的热膨胀系数。
由热光效应导致的有效折射率改变为
其中，ζ为光纤的热光系数，表示折射率的变化率。
可得：
3.5光纤布拉格光栅应变传感器原理
假设温度恒定，光纤光栅受轴向应变力时，由于光栅周期和弹光效应造成的有效折射率的变化可由弹光系数矩阵和应变张量矩阵表示为：
当光纤受轴向应变时，其横向也会有相应的应变，在x，y方向上均为-vε。
V是泊松比，为在受到轴向应力作用时，垂直于轴向的方向产生的应变和轴向应变之比。
泊松比v是小于1的数。
由于光纤的各向同性，可以认为在光纤没有剪切应变。
应变张量矩阵为
弹光矩阵为
由于
经计算可得
由式可得，在温度恒定时，光纤光栅反射波长的变化与外加应变成正比。
四、光纤布拉格光栅波长解调原理
对光纤光栅的解调，最直接的方法就是使用高精度光谱仪，是光谱仪成本高、体积大，很适合实验室研究个光纤光栅特性，实际工程应用价值低。
为了实现在实际工程应用中的测量，国内外对光纤光栅的波长解调方式做出了大量的研究，提出了很多解调方法。
这些方法按原理主要可分为滤波法，可调光源扫描法，干涉扫描法和CCD成像法。
下面对这几种典型的光纤光栅解调方法做一介绍。
（图2）
4.1边缘滤波法
边缘滤波法是指具有一定单值边缘的滤波器，它的单值边缘较宽，远大于光纤光栅的反射谱宽。
边缘滤波器的输出光强与波长呈线性关系，其解调原理如图所示。
通过环形器返回的FBG反射光被耦合器分成两束：
一束光作为参考光，光强为In保持不变；另一束光进入边缘滤波器后的光强I1与FBG中心波长的漂移成对应关系。
通过计算采得I1和I0的比值可以求得布拉格波长λB的漂移量，其求解公式为：
式中A为边缘滤波器的倾斜度，b为FBG的3dB带宽。
该方法成本低，解调速度快，但是测量精度较低。
（图3）
4.2可调谐F-P腔滤波法
（图4）
如图所示为典型的基于DSP嵌入式系统的可调谐F-P腔解调光纤光栅的原理图，该方法也是目前使用较多的解调光纤光栅传感信号的方法。
可调谐F-P腔的本质是一个由驱动电压控制透射波长的洛伦佐带通滤波器，其带宽需小于光栅带宽。
F-P腔的输出为F-P滤波器透射谱和光栅的输出光谱的卷积。
宽带ASE光源的光通过环形器进入FBG阵列，反射光经由环形器3口射入F-P腔滤波器中。
滤波器通过DSP输出模拟电压信号驱动，在带宽ASE光源所提供波长范围内以较小的波长间隔扫描。
其输出的卷积谱通过PD接受并进行A/D转换成数字信号输入DSP，DSP通过分析整个周期内的波长-功率谱精确求得光栅中心波长。
可调谐F-P腔滤波解调法在国内得到了广泛的研究。
但目前该方法的解调能力主要受F-P腔性能的影响。
目前F-P腔的生产技术被少数几家大企业垄断，成本高昂，并且可解调F-P腔的腔长由压电陶瓷控制，具有压电陶瓷本征的蠕变、温漂和零漂等非线性特性，实际使用中透射波长会漂移，导致波长与驱动电压不能一一对应。
即便加入参考光栅阵列和标准具进行校准，解调精度依然很受影响。
目前MOI公司已很好地解决了F-P腔漂移这一难题。
4.3非平衡马赫-曾德干涉仪解调法
如图所示，该方法中，来自宽带光源的光注入光栅，反射光通过环形器射入到一不等臂长的马赫-曾德干涉仪中。
此时入射到干涉仪中的反射光成为一可调谐光源。
非平衡马赫-曾德干涉仪把FBG反射波长的偏移转化为干涉仪输出端相位的变化，从而实现光栅光谱的识别。
当光栅反射波长变化Δλsinωt时，输出相位变化为：
式中nd为马赫-曾德干涉仪的光程差，λ为光栅中心波长
（图5）
（马赫-曾德干涉仪解调原理图）
该方法的优点是分辨率高，但因无法消除温度变化导致的干涉仪相位漂移，目前只适用于动态检测如应变量的检测。
4.4光谱分析仪法
对光纤布拉格光栅波长检测最直接，最简单，最经典的方法是采用光谱仪或单色仪检测。
宽带光源发出的光经传感光栅反射后进入光谱仪，通过光谱仪直接观察传感光栅反射的特性变化，在经过计算获得被检测物理量的信息。
图所示为光谱仪解调系统。
这种方法结构简单，便于使用，常用在实验室的科研工作，但具有在高分辨率的光谱仪体积较大，价格较高，防振性差，因此也不利于在野外现场检测，而且它不能直接获得物理量的大小，也不方便对数据进行记录和存储。
（图6）
五、labview语言简介
5.1LabVIEW基本概念
LabVIEW全称是LaboratoryVirtuallnstrumentEngineeringWorkbench,是美国NI公司推出的应用于工业测量测试的系统化的设计平台和可视化的编程语言开发环境,是目前国际上唯一的编译型图形化软件开发平台[41]。
LabVIEW用图标、连线和框图代替传统语言的文本行程序编码,除了编程方式不同之外,
LabVIEW具备语言的所有特性,是一种图形化的编程语言,因此又被称为G语言（GraphicalProgrammingLanguage,图形化编程语言）。
其图形化语言在编译
时严格执行,并要求在运行前或保存时翻译成机器可执行代码[42]。
LabVIEW的
主要应用领域是仪器控制、模拟仿真、数据釆集、工业自动化等,在功能完整性
和应用灵活性上不逊于其他任何高级语言,并拥有适用于Windows、Linux、Unix、
MacOS等操作系统的软件幵发版本,其最新版本是LabVIEW2011。
LabVIEW提供用于与GPIB、RS232/485、PCI、VXI、PXI、USB等各种仪器通信的绝大多数功能函数,它们在LabVIEW中都以图形化节点的形式存在。
其32位的编译器可以生成32位的编译程序,保证用户数据采集、数据分析程序的高速执行；提供包括DDE（DynamicDataExchange,动态数据交换）、DLL（DynamicLinkLibrary,动态链接库）、ActiveX在内的大量与外部软件或程序代码进行连接的模块,提供CIN（CodeInterfaceNode,代码接口节点）使得用户可以使用由C或C++语言编译的代码程序;支持DataSocket协议、TCP/UDP协议等,使得其可以自由与外部通信。
此外,LabVIEW还提供常用的程序调试工具,具有数据探针、断点设置、单步调试和动态显示执行流程等功能,使用户能够清楚的观察数据传递过程中的细节,让程序的幵发与调试更加便捷。
LabVIEW的运行机制己经不属于传统的基于存储程序控制原理的冯?
诺伊曼计算机体系结构了。
从本质上讲,它是一种基于数据流模式的图形控制流结构。
数据流语言的特点是其每个节点在执行之前需要提供其输入端口的所有数据,这
样,LabVIEW由连接各个方框图的数据流连线控制程序的执行顺序,而不像传统语言编写的程序在执行时受到文本行顺序的约束。
LabVIEW允许用户在同一个后台程序界面上拥有多个不同节点,而这些节点可以并行执行。
因此,LabVIEW可以通过相互连接的方框图快速高效的开发应用程序,缩短程序的幵发周期。
使用LabVIEW开发平台编写的程序称为虚拟仪器程序,简称vi。
完整的vi
包括三个部分:
程序前面板（如图3-2左）、框图程序（如图3-2右）和图标/连接器。
程序前面板用于设置程序的输入输出,其中输入量被称为控制,而输出量被称为显示。
控制和显示分别以不同类型的图标出现在前面板上,如按钮、指示灯、旋钮、图表、表格等,通过模拟真实仪器的界面情况使得用户更易于上手操作。
每一个程序前面板都对应着一段框图程序。
框图程序是用LabVIEW图形化语言编写,相当于利用传统语言所写的源代码。
框图程序由端口、图标和连线构成,其中端口是用来控制程序前面板和显示传递数据,图标是结构化程序的控制命令,连线代表程序执行过程中的数据流,不同颜色、粗细的连线代表不同的数据类型。
图标/连接器是其它vi调用该子vi的接口。
图标是子vi在其他程序框图中被调用的节点表现形式;而连接器则表示节点数据的输入/输出口,就像函数的参数。
（图7）
LabVIEW的强大归因于它的层次化结构,用户可以自行创建vi程序当作自己的了程序,子程序又可以调用其他的子程序,层层调用以创建更复杂的程序,而labv—iew对调用的层级并无限制。
此外,LabVIEW通过一种Run-TimeEngine的机制保证创建的程序可以在没有安装LabVIEW的环境下跨平台运行。
5.2LabVIEW软件开发流程
（1）系统定义阶段
在系统幵始设计之初由系统幵发方与需求方共同讨论,确定系统开发必需完成的总目标,分析项目的可行性以及估算项目所需资源和成本。
（2）结构设计阶段
LabVIEW编程符合结构化的程序设计思想,要按照软件工程的3个主要目标:
重用性、灵活性和扩展性,从多层模型角度将系统大致分成图形界面层、用户服务层、业务逻辑层和数据服务层,每个层次再进行细分,从而形成逐层调用的树形软件层次结构。
（3）细节设计阶段
细节设计阶段的任务就是把解决方法具体化。
这个阶段的任务还不是编写程序,而是设计出程序的详细规格说明,为程序编写打好基础。
（4）编写代码阶段
把详细设计的结果翻译成图形语言书写的程序,并且仔细测试编写出的每一个软件模块。
按照计划和分工由低层程序幵始编写图形代码,再逐步向集成,直到汇总成顶层程序。
（5）程序测试阶段
测试过程需严格按照一定的测试计划进行,测试计划应包括系统的功能完整性、输入和输出、进度安排、测试工具、测环境、测试用例的选择以及所有阶段产生的文档等。
（6）系统维护阶段
系统维护是为了使软件满足用户的长期需求,延续系统的使用寿命。
系统维护包括改进性维护、适应性维护、完善性维护和预防性维护。
5.3LabVIEW编程模式
LabVIEW编程模式,是指一些固定有用的LabVIEW程序设计结构模式,是前人编程经验的总结和提炼。
使用这些被广泛接受的编程模式设计应用程序,可以使得软件变得通俗易懂且容易复用。
常用的LabVIEW编程模式主要有以下五种:
（1）状态机模式
（2）队列消息模式
（3）用户界面事件模式
（4）主/从结构模式
（5）生产/消费者模式
5.4LabVIEW主要有以下几个优点
（1）提供了丰富的图形空间，并采用图形化的编程方法。
（2）采用数据流模型，实现了自动的多线程，能充分利用处理器，尤其是多处理器。
（3）有内建的编译器。
用户写出程序的同时，后台就自动完成了编译。
在编写程序的过程中如果出现语法错误，会被显示出来。
（4）利用CIN节点、ActiveX、MATLAB等节点，可以使LabVIEW与其他编程语言进行混合编程。
（5）LabVIEW提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件连接。
（6）LabVIEW内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。
六、光纤光栅各传感系统设计模块
为了方便实验室需要以及实现工程应用,需开发一套基于该模块的光纤光栅传感系统软件,实现数据釆集,数据寻峰,波形显示,数据存储和多路复用等功能。
软件设计力图精简,只包含所有的必需功能,整体的软件设计按功能可以划分为以下几块,如图所示:
（图8（软件体系结构））
（1）数据采集:
包括USB协议驱动（调用动态链接库）,1*8光开关倒换和连续循环采集;
（2）传感器拟合:
包括传感器编号,传感器拟合公式输入,传感器寻峰算法设计以及拟合后的传感器温度输出;
（3）图形显示:
包括传感器波长-功率图形显示,图形的标尺设置以及图形放缩;
（4）附加功能:
包括寻峰、温度的数据存储,传感器温度超限的分级告警以及历史记录查询等。
6.1LabVIEW导出解调模块动态链接库函数
解调模块是通过USB协议连接到工控机上的,在安装好模块的USB驱动之后,需要通过调用动态链接库函数（VOSE32DLL.dll）实现与解调模块的通信。
LabVIEW通过一个调用库函数（CallLibraryFunction,CLF）节点实现DLL的调用。
但在调用之前,需要先导出动态链接库函数,导出解调模块的动态链接库函数流程如下:
选择启动项目中的工具一导入一共享库（.dll）,如图9所示;
在指定创建或更新模式中选择为共享库创建vi;
选择共享库（.dll）和头文件（上）,如图9;
等待解析头文件后,选择待转换函数,如图10;
选择错误处理模式（简单错误处理）,如图10;
配置vi及控件（配置调用规范:
C,配置每个函数的输入输出参数）,如图11;
完成导出,生成动态链接函数子vi,如图11。
（图9）（导入库函数选项路径（左）和选择共享库以及头文件（右））
（图10）生成库函数（左）和配置错误处理方式（右）
（图11）配置VI函数属性（左）和生成的子vi函数（右）
生成的子vi可以在调用时直接拖动到LabVIEW后面板变成带输入输出接口子vi函数,也可以打开子vi后将里面的动态链接库函数拖到LabVIEW后面板。
6.2数据循环釆集程序编制
解调模块数据采集的流程如下:
模块初始化->选择输出参数（波长）->获取波长数组->选择输出参数（率）
->获取功率数组;
配置模块初始化的动态链接库函数为voseStart（int32_tnSerialType,int32—tnPortlndex）,其中nSerialType用来配置通讯方式（1代表USB方式,2代表RS232方式,3代表并口方式）。
nPortlndex是在RS232方式后选择串口端口的,默认为C0M1。
由于本系统只连接了USB线到本地主机,所以将nSerialType的值设
为1。
如图（12）左：
（图12）模块初始化和选择输出参数函数配置
选择输出参数的函数为voseSetPixelReportMode,其中nPixelReportMode可选3个值,0为volt,代表电压型的光功率输出;1为dBm,代表dBm型的光功率输出;2为wavelength,代表波长的输出,本项目默认采用dBm型的功率输出用于图形显示和峰值波长计算。
如图（12）右。
连续采集就是在配置好的信息外面加上while循环,利用公共线程（错误簇）引导数据流,控制程序运行流程,如图（13）所示:
图（13）数据釆集示意图
6.3图形显示程序编制
在图13中已经包含波长-功率波形的显示,其采用X-Y波形图模式的前面板显示如图14。
图形拖动和放缩通过左下角的图形工具选板控件实现。
通过波形图属性节点的设置，当鼠标指向波形图时会表明通
图（13）波形显示
在图形界面可以直观的显示光栅阵列光谱的同时,程序还设置了一个类似图表的显示界面,显示内容如图14所示,通过一个下拉列表控制:
1是显示光纤光栅峰值波长和对应的传感温度,2是显示通道原始光谱。
图（14）图表显示的两种界面
图（15）图表显不程序编制及其子vi图标
图表显示界面被做成子vi形式用于在程序中调用,如图15所示。
6.4传感器拟合表格设计
传感器部分采用表格显示,如下图16所示:
图（16）传感器信息显示表格
LabVIEW中,表格控件可以同时用于输入和显示。
其中编号、传感器类型、典型波长值、拟合公式、告警下限和上限是需要自行输入的,而当前波长和当前温度是从程序中读取的。
这部分的LabVIEW程序如图17所示:
图（17）传感器表格写入温度数据
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