基于組態(tài)軟件與光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用

　　近年來，高速鐵路在我國(guó)得到了蓬勃發(fā)展。高速鐵路的特點(diǎn)是行車密度大，因此如果發(fā)生事故其造成的后果也會(huì)非常嚴(yán)重。保障運(yùn)行列車的安全成為日益凸顯的重要研究?jī)?nèi)容。

1 光纖光柵技術(shù)[1-3]與組態(tài)軟件的分析

　　光纖光柵是利用紫外暴光技術(shù)在光纖芯中引起折射的周期性變化而形成的。光纖光柵中折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致某一特定波長(zhǎng)光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變敏感，當(dāng)環(huán)境溫度、應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵反射光的峰值波長(zhǎng)漂移，通過對(duì)波長(zhǎng)漂移量的度量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測(cè)。

　　組態(tài)軟件為“組態(tài)式監(jiān)控軟件”。“組態(tài)”(Configure)的含義是“配置”、“設(shè)定”、“設(shè)置”，指用戶通過類似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，即所謂的“組態(tài)”。“監(jiān)控”（Supervisory Control）指通過計(jì)算機(jī)信號(hào)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備或過程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。

　　1.1 理論基礎(chǔ)

　　光纖光柵的周期在幾百納米數(shù)量級(jí)。當(dāng)某一寬帶光源的光入射到光纖光柵中時(shí)，折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致某一特定波長(zhǎng)光的反射，反射光的波長(zhǎng)（即諧振波長(zhǎng)）由Bragg公式確定：

　　光纖光柵應(yīng)力傳感器通常是將光纖光柵附著在某一彈性體上，同時(shí)進(jìn)行保護(hù)封裝。當(dāng)彈性體受到壓力時(shí)，光纖光柵與彈性體一起發(fā)生應(yīng)變，導(dǎo)致光纖光柵的諧振波長(zhǎng)漂移，漂移量由式(2)給出：

　　從式(3)可以看出，如果已知光纖光柵諧振波長(zhǎng)的漂移量以及其工作溫度的改變量，就可以計(jì)算出光纖光柵的應(yīng)變。

　　1.2 物理邏輯模型

　　光纖[4]光柵感應(yīng)輸出的是波長(zhǎng)改變量，必須采用專用的波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備進(jìn)行波長(zhǎng)識(shí)別，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理和報(bào)警。

　　圖1給出了光纖光柵應(yīng)力傳感器與波長(zhǎng)解調(diào)儀組成的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。

　　該應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵應(yīng)力傳感器[5]、基于可調(diào)F-P濾波器的波長(zhǎng)解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)及軟件分析處理系統(tǒng)四部分組成。圖中給出等間隔分布的多個(gè)光纖光柵應(yīng)力傳感器，這些光纖光柵通常要進(jìn)行串接。由寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號(hào)經(jīng)過隔離器和3 dB耦合器傳輸?shù)酱拥膫鞲泄鈻派希?jīng)過這些光纖光柵的波長(zhǎng)選擇后，一組不同波長(zhǎng)的窄帶光被反射，反射光再次經(jīng)過3 dB耦合器由波長(zhǎng)解調(diào)儀接收，經(jīng)過波長(zhǎng)解調(diào)儀對(duì)這些波長(zhǎng)進(jìn)行識(shí)別，得到一組應(yīng)力傳感信息。當(dāng)檢測(cè)傳感器外部應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，通過光柵解調(diào)器監(jiān)測(cè)出波長(zhǎng)的變化即應(yīng)力變化之后，輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，最后得到傳感器受壓分布狀況，從而判斷是否會(huì)產(chǎn)生塌方、位移等危險(xiǎn)影響，起到報(bào)警作用。

　　波長(zhǎng)解調(diào)儀由可調(diào)F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發(fā)生器、抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)混合器和LP低通濾波器五部分組成。波長(zhǎng)解調(diào)儀的工作原理是：波長(zhǎng)編碼的壓力傳感信號(hào)輸入到可調(diào)諧F-P濾波器，當(dāng)鋸齒波驅(qū)動(dòng)F-P濾波器使其透射波峰與光纖光柵反射峰重合時(shí)，即可根據(jù)此時(shí)的F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電壓與透射波長(zhǎng)關(guān)系測(cè)得光纖光柵反射峰位置。但由于F-P濾波器輸出的透射譜是光柵反射譜與F-P濾波器透射譜的卷積，會(huì)使帶寬增加，分辨率降低。所以，在掃描電壓上加一小的抖動(dòng)電壓，其輸出經(jīng)混頻和低通濾波器，測(cè)量抖動(dòng)頻率，在信號(hào)為零時(shí)，所測(cè)得數(shù)據(jù)即為光柵的反射峰值波長(zhǎng)。

　　1.3 組態(tài)軟件