基于組態軟件與光纖光柵傳感技術的監測系統在鐵路上的應用

　　近年來，高速鐵路在我國得到了蓬勃發展。高速鐵路的特點是行車密度大，因此如果發生事故其造成的后果也會非常嚴重。保障運行列車的安全成為日益凸顯的重要研究內容。

1 光纖光柵技術[1-3]與組態軟件的分析

　　光纖光柵是利用紫外暴光技術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構，導致某一特定波長光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長對溫度、應力和應變敏感，當環境溫度、應力或應變發生變化時，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量就可以實現對溫度、應力和應變的感測。

　　組態軟件為“組態式監控軟件”。“組態”(Configure)的含義是“配置”、“設定”、“設置”，指用戶通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計算機程序，即所謂的“組態”。“監控”（Supervisory Control）指通過計算機信號對自動化設備或過程進行監視、控制和管理。

　　1.1 理論基礎

　　光纖光柵的周期在幾百納米數量級。當某一寬帶光源的光入射到光纖光柵中時，折射率分布的周期性結構導致某一特定波長光的反射，反射光的波長（即諧振波長）由Bragg公式確定：

　　光纖光柵應力傳感器通常是將光纖光柵附著在某一彈性體上，同時進行保護封裝。當彈性體受到壓力時，光纖光柵與彈性體一起發生應變，導致光纖光柵的諧振波長漂移，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的漂移量以及其工作溫度的改變量，就可以計算出光纖光柵的應變。

　　1.2 物理邏輯模型

　　光纖[4]光柵感應輸出的是波長改變量，必須采用專用的波長解調設備進行波長識別，然后送入計算機進行分析處理和報警。

　　圖1給出了光纖光柵應力傳感器與波長解調儀組成的應力測量系統。

　　該應力測量系統主要由寬帶光源、光纖光柵應力傳感器[5]、基于可調F-P濾波器的波長解調儀和計算機及軟件分析處理系統四部分組成。圖中給出等間隔分布的多個光纖光柵應力傳感器，這些光纖光柵通常要進行串接。由寬帶光源發出的寬帶光信號經過隔離器和3 dB耦合器傳輸到串接的傳感光柵上，經過這些光纖光柵的波長選擇后，一組不同波長的窄帶光被反射，反射光再次經過3 dB耦合器由波長解調儀接收，經過波長解調儀對這些波長進行識別，得到一組應力傳感信息。當檢測傳感器外部應力發生變化時，通過光柵解調器監測出波長的變化即應力變化之后，輸入到計算機進行數據分析處理，最后得到傳感器受壓分布狀況，從而判斷是否會產生塌方、位移等危險影響，起到報警作用。

　　波長解調儀由可調F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發生器、抖動信號發生器、信號混合器和LP低通濾波器五部分組成。波長解調儀的工作原理是：波長編碼的壓力傳感信號輸入到可調諧F-P濾波器，當鋸齒波驅動F-P濾波器使其透射波峰與光纖光柵反射峰重合時，即可根據此時的F-P濾波器驅動電壓與透射波長關系測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，會使帶寬增加，分辨率降低。所以，在掃描電壓上加一小的抖動電壓，其輸出經混頻和低通濾波器，測量抖動頻率，在信號為零時，所測得數據即為光柵的反射峰值波長。

　　1.3 組態軟件