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基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

来源：华佗健康网

南京航空航天大学硕士学位论文

姓名：陈盛票申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器

指导教师：朱永凯

2011-01

南京航空航天大学硕士学位论文

摘要

目前，桥梁、大坝、天然气管道、风力发电场等大型设施安全问题不断出现，急需发展能有效地对这些设施的结构安全进行监测的技术，其中，设施应变的实时监测是结构健康监测的目标之一。

光学方法和光纤传感技术用于应变测量具有强抗干扰性、高测量精度、易于多路复用等诸多优点，通过对应变测量方法的分析，本文提出了基于光学低相干应变测量的方法。对低相干法光纤应变测量技术进行了理论分析；设计构建了1550nm近红外波段放大自发辐射光源（Amplifier Spontaneous Emission，ASE）的全光纤光学低相干应变传感测量系统，分别对光路干涉模块、信号采集及处理模块、显示存储和控制模块进行了详细设计；软件部分，用LabVIEW开发设计了具有良好人机交互性能的上位机软件平台；针对抑制色散、滤除信号干扰噪声等技术环节，研究了系统优化方法，提高了系统的测量精度及稳定性；提出了低相干应变测量用于拉伸和扭转的方法，可应用于结构件应变的监测。

系统性能验证结果表明系统的线性度达到±0.44%，重复性可达到0.4%，传感性能良好；应用实验表明，系统能灵敏地检测出结构件发生拉伸和扭转形变的趋势及形变量，具有很好的应用价值。该研究为全光纤低相干应变测量技术的进一步应用奠定了基础。关键词：光学低相干，应变测量，测控系统，LabVIEW，信号处理

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ABSTRACT

At present, the safety problems of bridges, dams, natural gas pipelines, wind farm and other large infrastructure are increasing quickly, there is a great demand for the technology in the safety monitoring of these facilities structure, while the real-time monitoring of facilities strain is one of its goals.

Optical method and optical fiber sensing technology have many advantages such as strong anti-jamming, high measurement precision and easy to multiplexing when they were used in strain measurement, this paper puts forward low coherent strain measurement method through the analysis of strain measurement method, and low coherent method of optical fiber strain measurement technology was analyzed in theory as well. A strain measurement system of 1550nm Amplifier Spontaneous Emission (ASE) was designed based on the optical low-coherence interference theory, which carried on the detailed design on optical road, the signal interference module collection, processing module, display storage and control module, respectively. In software section, with the LabVIEW a good human-machine interaction properties of PC software platform was designed as well. In order to restrain dispersion and filter signal noise interference, the method of system optimization had been studied which was also enhanced the measurement's precision and stability. The method that low coherent strain measurement used in tensional deformation and torsion deformation can also be applied in the monitoring of structure strain.

The system performance experiment showed that the linearity of the system was ±0.44% and the repeatability was 0.4%, and sensing capacity is good. While the experimental studies of this system demonstrated that the system can be sensible to detect the trend and deformation of structure's tensional deformation and torsion deformation, which has good application value. The research will lay the foundation for the further study of all-optical strain measurement technique.

Key words: Optical Low-coherence, Strain Measurement, Monitoring and Control System, LabVIEW, Signal Processing

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图清单

图1.1 杭州湾跨海大桥 ......................................................................................................................... 1 图1.2 海上风力发电场 ......................................................................................................................... 1 图1.3 明尼阿波利斯塌桥 ..................................................................................................................... 2 图1.4 光纤应变测量方法总结 ............................................................................................................. 4 图2.1 不同相干信号随反射平面镜位移变化图 ................................................................................. 7 图2.2 光学低相干应变测量系统光路图 ........................................................................................... 11 图2.3 低相干最小测量系统组成原理图 ........................................................................................... 12 图2.4 带功能扩展的应变测量系统组成原理框图 ........................................................................... 13 图2.5 三点弯曲测量法原理图 ........................................................................................................... 16 图2.6 三点弯曲测量法受力模型图 ................................................................................................... 16 图2.7 三点弯曲法的应力量与曲率半径R及曲率1/R的关系曲线图 ........................................... 17 图2.8 被测件受力弯曲几何受力模型图 ........................................................................................... 17 图3.1 应变测量系统整体组成框图 ................................................................................................... 19 图3.2 全光纤光路干涉模块的组成原理图 ....................................................................................... 20 图3.3 光电探测电路组成原理图 ....................................................................................................... 23 图3.4 构建的光路干涉模块实物图 ................................................................................................... 24 图3.5 干涉信号频谱分析图 ............................................................................................................... 25 图3.6 PLV单通道模拟量输入子VI信息 ......................................................................................... 26 图3.7 包络检波分析功能软件界面图 ............................................................................................... 27 ，最值点数不同的包络曲线图 ...................................................... 28 图3.8 截取点数固定（100点）

图3.9 截取点数与最值点数比例固定（4:1）的包络曲线图 .......................................................... 29 图3.10 包络检波子程序算法实现流程图 ......................................................................................... 30 图3.11 系统信号采集及处理模块软件设计流程图 ......................................................................... 31 图3.12 波形图表（WAVEFORM CHART）控件 .................................................................................. 32 图3.13 生产者/消费者设计模式（数据）的实现框图 .................................................................... 33 图3.14 XY图（XY GRAPH）控件 ..................................................................................................... 33 图3.15 XY图追加显示功能的实现框图 ........................................................................................... 34 图3.16 系统软件字符串显示控件 ..................................................................................................... 34 图3.17 用时间命名文件子VI的设计 ............................................................................................... 35

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图3.18 测量结果导出程序框图 ......................................................................................................... 35 图3.19 电机通信子VI的设计 ........................................................................................................... 37 图3.20 电机控制平台的软件实现框图 ............................................................................................. 38 图3.21 单点应变测量控制程序流程图 ............................................................................................. 39 图3.22 系统软件中选项卡控件的使用界面图 ................................................................................. 40 图3.23 系统软件整体运行流程图 ..................................................................................................... 40 图4.1 传感检测样品的制作原理参数及实物图 ............................................................................... 42 图4.2 实验用环氧树脂胶及固化剂实物图 ....................................................................................... 43 图4.3 构建的应力施加平台实物图 ................................................................................................... 43 图4.4 系统重复性实验结果图 ........................................................................................................... 44 图4.5 对实验数据求平均后的结果图 ............................................................................................... 45 图4.6 测量结果的直线拟合曲线图 ................................................................................................... 45 图4.7 实测应变值和理论应变值间的对比曲线图 ........................................................................... 47 图4.8 等强度梁拉伸形变测量实验的光纤贴覆图 ........................................................................... 50 图4.9 拉伸形变测量坐标图 ............................................................................................................... 51 图4.10 扭转检测实验的光纤贴覆图 ................................................................................................. 52 图4.11 扭转形变检测结果坐标图 ..................................................................................................... 53

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表清单

表1.1 应变测量方法比较 ..................................................................................................................... 2 表3.1 ASE宽带光源典型性能参数表 ............................................................................................... 21 表3.2 C0617183光纤耦合器典型性能参数表 .................................................................................. 21 表3.3 EMP605光电二极管典型性能参数表..................................................................................... 23 表3.4 7STA04150A电动平移台典型性能参数表 ............................................................................. 24 表3.5 7SC303三轴运动控制器控制指令表 ...................................................................................... 36 表4.1 对测量数据进行的相关分析表 ............................................................................................... 48 表4.2 拉伸形变测量数据分析表 ....................................................................................................... 51 表4.3 扭转形变检测数据分析表 ....................................................................................................... 52

VII

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注释表

参考光电场总光强真空光速光源中心波长

初始场

光谱分布自相关函数

相位角函数光源功率谱函数宽带光源半高全宽

时间延迟支撑顶针间距离曲率半径

受力中性层所对圆心角应变检测光纤初始长度

应变扫描速度线性度重复性极差系数

传感光电场

I(l) c

Es*

Es的复共轭矢量

光程差参考镜移动速度传感镜反射比复相干度宽带光源中心频率宽带光源相干长度宽带光源功率谱波长宽度

施力顶针应力量检测光纤中轴与中性层间距离

曲率

应变检测光纤所对圆心角应变检测光纤长度变化量峰值与信号采集起点间距离

扫描时间线性误差极差相关系数

λ0

Γ(τ) arg()

υ(t)

γ(τ)

ω0

Δλ

G(ν) Δν

m d

R ρ

θ′

ΔL s

L Si dn

VIII

承诺书

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)

作者签名：日期：

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第一章绪论

1.1

课题背景

随着经济的快速发展和科技的不断进步，世界各国不断加大对道路、桥梁、石油天然气管道等各种基础设施建设的投入。目前，国内大型设施、设备的建设正广泛展开，如“南水北调”、“西气东输”等投资巨大的工程建设，加强了国内不同地域资源的有效利用；修建了全长36公里的世界上最长的跨海大桥——杭州湾跨海大桥（如图1.1所示）[1]，带动了浙江杭州湾地区的经济发展；具有划时代意义的三峡水利枢纽建设，有效解决了部分区域用电紧张的局面。

同时，由于全球石油、煤炭等不可再生能源的不断消耗和枯竭，加上全球气候变暖等不可持续发展问题的日俱严重，世界各国正不断加强对风力发电等新能源的开发投入，而新能源技术的重要环节就是能源设备、设施，因此，各种大型风力发电场也不断得到投资建设。由于海上风能通常高于陆地，而且相比于陆地，海洋地形平坦，风场也相对平稳[2,3]，因此，近年来海上风力发电场（如图1.2所示）得到了较快发展。

图1.1 杭州湾跨海大桥

图1.2 海上风力发电场[4]

但是，伴随着各领域大型设施设备的发展，也频繁发生各种事故。1959年12月，法国马尔帕塞特(Malpasset)拱坝垮塌[5]；1998年，中国渤海石油钻井2号平台倒塌[6]；2007年8月，美国明尼苏达州明尼阿波利斯的一座桥梁发生坍塌（见图1.3），导致13人死亡，145人受伤[7,8]；同月，我国湖南省凤凰县境内的沱江大桥发生倒塌[9]；2008年2月，丹麦一风力发电机在工作中突然发生爆炸[10]；等等，均造成了不同程度的人员伤亡和经济损失。

此外，风力发电场、石油天然气管道等均处于野外，环境条件十分恶劣，容易出现故障，维修起来需耗费大量的人力物力。相比而言，海上风力发电场、跨海大桥、海上石油钻井平台等的建造和维修费用要远远高于陆地，而且海上的自然条件也更加恶劣（如闪电、强风等），更是从各方面加大了这些设施的故障率，大大提高对设施故障的维修难度。因此，对风力发电设备及桥梁、道路等各种基础设施进行健康监测不仅可以避免重大事故的发生，更可以对可能产生的故障起到提前评估预测，进而提前预防处理，使故障在萌发之初就得到排除解决，从而延

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长这些设施设备的使用寿命，提高使用效率。

图1.3 明尼阿波利斯塌桥

众多设施设备在发生故障或故障前期都会有裂纹、疲劳、脱粘、分层等一种或几种情况产生，在这些情况下，最明显的表现是物体具有可恢复或不可恢复的形变。因此，对物体的形变及形变量（也即应变情况）进行测量是结构健康监测中最为重要的监测参量之一。因此，本课题选择应变测量作为应用研究的对象具有实际意义。

1.2 应变测量方法概述

目前，测量应变及应变量的方法可分为电学、光学、声学等几大类，而每类中又包含有各种不同的测量方法[11-14]。表1.1对各主要测量方法的优缺点进行了总结比较。

表1.1 应变测量方法比较

方法

优点

1. 精度较高、线性特性较好 2. 易于集成，对结构性能影响小

压阻式

[15-18]

缺点

3. 易于进行各种补偿 4. 可实现在线实时检测 5. 价格较便宜

1. 可对损伤进行准确定位

1. 易受温湿度等环境因素影响 2. 大面积检测系统复杂度高

1. 易受温湿度、声噪声等环境因素影响2. 压电陶瓷具有易脆性 3. 提取的信号较微弱

压电式[19,20]

2. 可实现在线实时检测 3. 价格较便宜

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表1.1（续）

方法

优点

1. 尺寸小、重量轻

2. 灵敏度高、测量带宽很宽

光纤

[21-24]

缺点

1. 具有易脆性 2. 应变和温度识别力差 3. 出入口转换问题 4. 造价较高

1. 微弱的声发射信号衰减相对较快 2. 缺少好的理论结果和监测方法 3. 传感器在检测中必须与试件耦合良好4. 试件必须处于应力状态

5. 当同时出现大量损伤时精度降低 1. 要求被检表面光滑 2. 需要耦合介质(如水、空气) 3. 难以探测出细小裂纹

4. 不适用于形状复杂或表面粗糙的试件1. 材料必须导电 2. 检测范围相对较小

3. 多数检测只适用于简单规则的物体 4. 精度随检测深度的增加而降低 1. 工作受诸多因素影响(如潮湿等) 2. 穿透深度受高频 3. 不能检测金属导体内部缺陷 4. 空间分辨率较低(>1mm) 1. 高度依赖于缺陷的深度和尺寸 2. 热量的产生高度依赖于裂痕表面的磨损程度

3. 防腐蚀、抗电磁干扰 4. 可构成传感网络，实现在线实时检测

1. 可监测缺陷的发生和发展

声发射

[25,26]

2. 可用来确定特定负载下损伤的危险程度

3. 可进行实时实地监测 1. 对表层和内层断裂都较敏感

超声

[27-29]

2. 穿透深度优于其它方法 3. 在定位反射位置和预测缺陷尺寸及形状上精度较高 1. 用简单的仪器设备就可实现高

涡流

[30,31]

性能快速检测，开发成本低 2. 对小缺陷敏感，且适用于进行局部评估

1. 可快速高效地进行大面积检测

雷达和微波

[32-35]

2. 不需要耦合介质

3. 对物质变化和结构特征敏感 4. 适用于对非金属材料的检测 1. 用一个快照就可对大面积进行

热振动和热弹性

[36,37]

检测

2. 数据易于保存和处理 3. 检测速度快

在以上应变测量方法中，可用于在线实时检测的只有压阻式、压电式、声发射和光纤应变测量法，但压阻式在大面积结构检测中进行应用的难度较大，压电式和声发射的检测信号都较微弱，抗干扰性差，而课题背景部分所提到的设施设备都具有结构巨大、应用环境较为恶劣的特点，因此，只有光纤应变测量法适合用于对大面积结构进行在线实时的检测。这也是本课题

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选择光纤传感器进行应变测量的依据。而本课题所采用的光学低相干法，除具有一般光学传感的优点外，还具有传感光纤长度可变、易于多路复用等功能特点，更适合应用于结构形变量的测量。

1.3 光纤应变测量技术的发展

光纤应变测量法以光纤作为传感介质，利用光学原理和技术，通过对光的强度、位相、偏振态、波长等光学参数因外界因素（如拉力、压力等）的作用而发生的变化进行检测度量，以虽然光纤应变测量的产生和发展才20多年，但已在较多领实现对被测物体应变量的测量[38,39]。域得到研究和应用。

1.3.1 光纤应变测量的发展

光纤自上世纪70年代初被成功加工出来后，因具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、高灵敏度等优点，不仅在通讯领域得到广泛应用，在传感领域也得到了快速的发展和应用。美国是光纤传感研究起步最早的国家。从最初在军事领域的航空监测研究应用到后来民用设施传感检测领域的应用，美国在技术上都处于国际领先水平。上世纪80年代初，日本和欧洲的一些发达国家也相继投入光纤传感研究领域。随着各国研究的深入，各种不同测量原理的光纤应变测量方法不断得到发展应用。现根据不同调制方式将光纤应变测量方法总结如下[40-42]： ⎧⎧ 光纤微弯应变传感⎪ 振幅调制 ⎨

⎩ 光纤受抑全内反射应变传感⎪

⎪⎧ 光纤 Michelson 干涉⎪⎪⎪ 光纤 Mach-Zehnder 干涉 ⎪⎪

光纤应变测量法 ⎨ 相位调制 ⎪⎨ 光纤 Sagnac 干涉

⎪⎪ 光纤 Fabry-Perot 干涉⎪⎪⎪⎪⎩ 光纤环形腔干涉⎪

⎪ 偏振态调制 − 光纤偏振干涉⎪

⎩ 波长调制 − 光纤光栅应变传感

图1.4 光纤应变测量方法总结

我国光纤传感研究始于上世纪70年代末，起步较早。目前，包括中国科学院、清华大学、南京大学、华中科技大学、上海交通大学、重庆大学、南京航空航天大学、哈尔滨工程大学等上百个科研院所都在从事包括应变测量在内的光纤传感领域的应用研究，而从事光纤传感器生产的公司企业更是为数众多。虽然一些研究成果达到了国际先进水平，但是，更多的应用研究还是处于实验室研制阶段，在传感器的商品化方面跟欧美等发达国家相比还有较大差距。而且，公司生产的也是偏低端的光纤传感器产品，高端产品还大量依赖进口。

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1.3.2 光纤应变传感器的应用

由于具有长传输引线、可嵌入和易于多路复用等优点，在传统的应变测量传感器所无法应用的领域，光纤应变传感器已充分显现出其应用优势。下面对一些主要的应用领域进行叙述，更为详细的应用可参考文献[43]、[44]、[45]。

(1) 海事应用

在海洋环境中，光纤应变传感器具有在短期应用测量中不需要采取大量防水措施的优势。此外，许多应变传感系统可通过大量传感器的复用，实现对舰艇和潜艇等大型结构的大面积传感检测。例如，光纤布拉格光栅应变传感器在舰艇表面的波冲击和载荷测量中得到了应用[46,47]，美国船级社（ABS）则将其用于载人潜艇的认证中[48]。

(2) 石油和天然气应用

近年来，光纤应变传感器在石油和天然气领域的应用取得了较大进展。在结构监测方面，已实现将光纤应变传感器应用于管道上升管的监测中。上升管是在近海平台中广泛应用于包括钻探、注水和石油收集等地方的长结构部件。由于潮汐会引起这些结构的振动，进而对上升管结构产生影响，因此，最近研究人员将光纤应变传感器用于该领域的应用研究中[49,50]。

(3) 风力发电应用

随着石油价格的上涨，发展其替代能源得到了越来越广泛的关注。其中，风能等可再生能源已成为研究热点。

风力发电机是由复合材料叶片等组成的大型结构。由于光纤应变传感器易于复用、不受射频噪声影响、不受雷击电荷影响，而且能嵌入复合材料内部进行测量，使其在风机监测方面得到了广泛研究与关注。风机制造商正在研究提高风机设备效率的有效方法，且开始利用光纤应变传感器进行载荷监测和数据测量[51]。同时，光纤应变传感器在风机的健康监测[51]、叶片形状测量[52]等方面也有应用。

(4) 土木结构监测

光纤应变传感器在土木结构监测中的应用是目前获益最大的领域。利用长引线纤维和传感器复用的特性，光纤传感器成为大型结构的载荷及结构健康监测的理想方法。

目前，光纤布拉格光栅应变传感器已被应用于桥面[43]、桥墩[53]、斜拉锁[43]等桥梁结构的监测。在这些监测中，通常将传感器埋入结构内部。随着光纤布拉格光栅应变传感技术的发展，它将在越来越多的民用结构中得到应用。

基于迈克尔逊干涉仪的系统也被应用于桥梁[]、大坝[55]、建筑[56]等土木结构的监测。由于迈克尔逊干涉仪传感器的长度可以做得很长，因此，常被用于大型结构的损伤探测中。而且，迈克尔逊干涉仪的参考臂和传感臂可以封装在一起，易于实现被测信号的温度补偿。

布里渊散射应变传感系统由于易于埋入被测结构中，也常用于如管道、大坝等土木结构的

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监测[57]。另外，布里渊散射应变传感系统的分布式传感特性允许沿光纤每米间隔进行应变测量，使其在土木结构监测中得到广泛应用。

1.4 研究意义

光纤应变传感器所涉及的应用研究领域虽然越来越广，但是，目前应用较成熟的是光纤布拉格光栅应变传感器和光纤F-P应变传感器，它们的应用领域主要集中于土木结构和复合材料的应变传感测量。其它的应变传感测量方法在国外虽然有一些应用报道，但在国内，更多的都还处于实验室研究阶段，并未实现产品化。因此，本课题对基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用进行研究，是对光纤应变传感方法的补充，具有一定的实际意义，也是后续开展实际应用性研究的基础。

1.5 本文的工作

本课题基于光学低相干原理，结合虚拟仪器技术、计算机技术及数字信号处理技术，构建了以全光纤迈克尔逊干涉系统为传感前端，以计算机为硬件核心，虚拟仪器软件平台LabVIEW为软件核心的应变测量系统，并用其对应变和扭转进行了有效的应用检测。

本文的主要工作包括：

1、详细介绍应变测量技术的发展状况；阐述了低相干测量原理，研究了低相干应变测量系统组成模块的功能原理；分析论证了三点弯曲应变测量法。

2、设计并构建基于光学低相干原理的光纤应变测量系统。系统根据全光纤低相干应变测量系统的组成原理进行构建，组成包括光路干涉、信号采集及处理、显示存储、控制等模块。其中，光路干涉模块采用全光纤迈克尔逊干涉原理进行构建；信号采集用数据采集卡实现；信号的接收处理、实时显示、控制信号的发生等均通过上位机LabVIEW软件平台编程实现。

3、通过具体实验对所构建应变测量系统（包括应变检测传感器）的线性特性、重复性等主要性能参数进行实验研究，并对系统进行测量结果的标定。在该部分实验中，将应变检测光纤贴覆于实验样品表面，并采用力学研究中的三点弯曲法对系统进行性能研究。

4、用所构建的应变测量系统对物体的拉伸及扭转形变分别进行应用实验研究。应用实验的应变传感检测光纤采用与性能研究实验中相同的贴覆方法，以便直接应用性能研究中所得到的系统特性参数。在拉伸形变检测实验中，将应变检测光纤贴覆于等强度梁的上边沿，后通过对等强度梁施加应力使其产生弯曲形变；扭转形变的检测通过将两条应变检测光纤在被测样品表面进行交叉贴覆的方式进行。

5、对研究工作所存在的不足及改进措施进行阐述，并就后续有待进行的工作进行展望。

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第二章低相干法光纤应变测量技术

低相干光纤应变测量技术的原理是构建实际应变测量系统的基础。因此，对低相干原理及测量系统组成模块的功能原理有比较全面、深入的理解后，才能构建出合理可行的测量系统。

在本章中，主要从理论层面对低相干法光纤应变测量技术所涉及的相关技术原理进行分析。本章首先对应变测量所采用的光学低相干原理进行介绍，后着重介绍应变测量系统组成模块的功能原理，最后，对低相干应变测量研究中所采用的三点弯曲法进行理论分析论证。

2.1 低相干法光纤应变测量原理

2.1.1 光学低相干原理

在两个(或多个)光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象称为光的干涉[58]。在波动光学里，把能产生相关叠加的两束光称为相干光[59]。要产生相干叠加，两路光必须满足振动频率相同、方向相同、相位差恒定三个基本条件。一般两个光源所发出的光波无法同时满足上述三个相干条件。即使它们的频率和振动方向都相同，其相位差也不可能保持恒定。同一光源两个不同部分所发出的光，也不能满足相干条件，也不是相干光。因此，只有从同一光源的相同部分发出的光，通过分束装置进行分束，然后再经过不同的光程后相遇，才能满足相干条件，产生光的干涉现象。

普通单色光（如激光）产生干涉条纹的形式是如图2.1(a)所示的周期性等幅正弦波。在低相干光学中，由于采用的是宽带光源，因此，产生的是包络经光源光谱傅立叶函数变换调制的正弦波。由于调制函数的作用，只有传感臂和参考臂的光程差小于光源的相干长度时，才会产生如图2.1 (b)所示的干涉条纹。其中，具有极大振幅的中心干涉条纹对应于传感臂和参考臂光程的等光程处。在实际的应用测量中，就是根据产生的干涉信号寻找这一极大的中心干涉条纹。

(a) 强相干光源的情形

(b) 低相干光源的情形

图2.1 不同相干信号随反射平面镜位移变化图

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

对比图2.1中的(a)、(b)两个图可以发现，低相干最突出的优点在于可以对物体进行绝对长度的测量。利用低相干原理，当光纤应变传感器传感臂的长度发生变化时，将使传感臂和参考臂的光程差发生相应的变化。因此，通过移动参考臂后端的扫描反射平面镜C，寻找到新的干涉点，再根据测量得到的扫描反射平面镜变化前后位置的位移量，可以计算出光纤应变传感器传感臂上检测光纤长度的变化量。

为了对低相干信号的特性进行进一步理解，下面从理论层面对其进行分析。

首先，假设所采用的是单色光源，传感臂和参考臂的两路光经过反射，传输到探测器后产生相干，其总光强I(l)为

⎛2l⎞

I(l)=Es(t)+Er⎜t+⎟

c⎠⎝

⎡22⎛2l⎞⎤

=Es+Er+2Re⎢Es∗(t)Er⎜t+⎟⎥ (2.1)

c⎠⎦⎝⎣⎛2l⎞22

⎟=Er+Es+2ErEscos⎜⋅π2⎜⎟λ0⎠⎝

其中，各符号所表示的含义为：Es—传感光电场；Er—参考光电场；Es—Es的复共轭

矢量；c—真空中的光速；l—传感臂和参考臂的光程差；λ0—光源中心的波长。

由式2.1可知，等式的前两项是常数项，第三项是干涉项。从干涉项可知，如果Es和Er满足光干涉的三要素，光强达到最大：

IM=ErIm=Er

+Es+2ErEs (2.2)

如果Es和Er的频率和振动矢量方向均相同，但相位差为180°，光强为最小：

+Es−2ErEs (2.3)

从式2.2和2.3中可以看出，所产生的光强信号是在作为基底的直流量上下作周期性的振荡变化。

如果移动扫描反射平面镜C（见图2.2），传感臂和参考臂将产生一定的光程差，为

l=υ(t)⋅t。其中，υ(t)是扫描反射平面镜的移动速度，t是其移动过程中所用的时间。那么，

探测器探测到的光强为

I(l)=I(t)=Er

+Es

⎡2υ(t)⋅t⎤

+2ErEscos⎢2π⋅⎥ (2.4)

λ0⎦⎣

随着扫描反射平面镜匀速地运动（远离或者是靠近传输光纤出口，υ(t)=υ0为常量），探测器前的光强I(l)将是如图2.1(a)所示，周期性的等幅余弦形式。此分布表明，从扫描反射平面镜反射回探测器的参考光和从传感臂反射回探测器的传感光的光程是以波长λ0为周期的明暗相间条纹。

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如果采用的光源不是激光，而是宽带光源，考虑到宽带光相位的随机性[60]，将宽带光的分布表示为解析信号[61]，那么，光强I(l)为

I(l)=Es(t)+Er(t+τ)

=Es(t)其中，

⎛2l⎞+Er⎜t+⎟

c⎠⎝

⎛2l⎞⎛2l⎞

+E(t)Er⎜t+⎟+Es(t)Er*⎜t+⎟

c⎠c⎠⎝⎝

(2.5)

表示时间平均。

由于光在参考臂的扫描反射平面镜C和传感臂的AB处均发生反射，假如忽略色散，设

Er=RE0，Es=SE0。其中，E0是初始场，R、S分别是在参考臂的扫描反射平面镜C

和传感臂的AB处的反射比，都为实常量。那么，可把式2.5表示成

I(l)=SE0(t)

⎛2l⎞

+RE0⎜t+⎟

c⎠⎝

(2.6)

2l⎞2l⎞**⎛(t)E0⎛+RSE0⎜t+⎟+RSE0(t)E0⎜t+⎟c⎠c⎠⎝⎝

现定义

并且

I0=E0(t)2

⎛2l⎞=E0⎜t+⎟

c⎠⎝

(2.7)

(t+τ) (2.8) Γ(τ)=E0(t)E0

可把式2.8所定义的复解析信号的自相关函数Γ(τ)称为光谱分布的自相关函数[61]。由此，

I0=Γ(0)，那么，可以定义

γ(τ)=

其中，γ(τ)称为复相干度，且有

Γ(τ) (2.9) Γ(0)

γ(0)=1，γ(τ)≤1 (2.10)

那么，式2.6可以写成如下形式

I(l)=(S+R)I0+RSΓ

2l⎛2l⎞+RSΓ*⎜⎟c⎝c⎠

⎡⎛2l⎞⎤

=(S+R)I0+2RSRe⎢Γ⎜⎟⎥

⎣⎝c⎠⎦

如果把复相干度写成振幅和相位表达式

(2.11)

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

其中，arg(

γ(τ)=γ(τ)exp{−i[ω0τ−α(τ)]} (2.12)

α(τ)=arg[γ(τ)]+ω0τ (2.13)

)指相位角函数，ω0指宽带光源的中心频率。那么，式2.11可以写成

⎞2l⎞⎤⎫⎪⎛⎟−α⎜⎟⎬ (2.14) ⎥⎟⎝c⎠⎦⎪⎠⎭

ω2π其中，λ0指宽带光源的中心波长，与中心频率满足关系式：0=。

λ0c

当l≈0时，条纹强度γ⎜

⎧⎡⎛2l⎪2RS⎛2l⎞

I(l)=(S+R)I0⎨1+γ⎜⎟cos⎢2π⎜⎜λS+Rc⎝⎠⎪⎝0⎣⎩

⎛2l⎞⎛2l⎞

⎟≈1，α⎜⎟≈0。在这个区域，相干信号I(l)被cos函数

⎝c⎠⎝c⎠

调制。

当远离l≈0区域时，γ⎜

⎛2l⎞⎛2l⎞

⎟将逐渐衰减至0，所产生的干涉条纹将会有一个α⎜⎟的调⎝c⎠⎝c⎠

整，其具体值取决于光源频谱。

同样，当移动参考臂的扫描反射平面镜C时，式2.5可以写成：

⎧⎡⎛2υt⎞2υt⎞⎤⎫⎪2RS⎛2υt⎞⎪⎛⎟γ⎜α−I(t)=(S+R)I0⎨1+⎜⎟⎟cos⎢2π⎜⎥⎬ (2.15) ⎜⎟λS+Rcc⎠⎦⎪⎝⎝⎠⎪⎣⎝0⎠⎩⎭

当扫描反射平面镜C匀速运动，且刚好经过传感臂和参考臂的等光程位置时，在探测器上

将得到如图2.1(b)所示的光强度分布。此分布表明，当扫描反射平面镜C反射到探测器的参考光与从传感臂的AB处反射到探测器的传感光的光程完全相等时，干涉光强达到最大值，而且，干涉光强随两臂光程离等光程差点距离的增大而减弱。

根据Goodman在《统计光学》中的解释，只有在等光程差点，所有波长的光才都处于相干增强状态；在偏离等光程差点后，即使某一个波长的光处于相干增强状态，但其它波长的光不一定处于相干增强状态，那么，该处的总干涉光强就比等光程差点处的干涉光强小；类似的，离等光程差点越远，各波长段的光都处于相干增强状态的几率将越来越小，那么，总的干涉强度也就越来越小[60]。

由Wiener-Khinchin定理可知，自相关函数Γ(τ)与光源功率谱函数G(ν)之间是傅立叶变换关系[61]，即

那么

Γ(τ)=

∫

∞

G(ν)exp(−2iντ)dν (2.16) G(ν)exp(−2iντ)dν∫γ(τ)=

∞

∫

∞

G(ν)dν (2.17)

现定义γ(τ)振幅γ(τ)的半高全宽（FWHM）为宽带光源的相干长度lc。如果使用高斯型功率谱的光源，即满足下式

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⎧⎫⎤⎡2ln2⎪2ln2(ν−ν0)⎪exp⎨−⎢G(ν)=⎥⎬ (2.18)

ΔπΔνν⎥⎪⎦⎪⎣⎩⎢⎭

其中，Δν为宽带光源的半高全宽值。那么

⎧⎪⎡πΔντ⎤⎫⎪=exp⎨−⎢⎥⎬ (2.19)

2ln2⎪⎦⎪⎩⎣⎭

γ(τ)然后，可得到光源的相干长度为

2ln2λ2

⋅0 (2.20) lc=

πΔλ其中，λ0是所采用光源的中心波长，Δλ是所采用光源功率谱的波长宽度，它与Δν满足

cΔλ关系式：Δν=2。

λ0

由式2.20可知，系统的相干长度（即系统分辨率）直接由光源光谱的形状和带宽决定。因此，光源的中心波长和波长宽度是光纤低相干应变测量系统中最重要的参数。当光源的中心波长λ0不变时，光源的光谱宽度越大，相干长度越小，分辨率则越高。

2.1.2 光纤低相干应变测量原理

基于低相干法的光纤应变测量系统的光路构成原理如图2.2所示。

图2.2 光学低相干应变测量系统光路图

光路中，以光纤迈克尔逊(Michelson)干涉仪为例进行分析。干涉仪主要包括检测应变的传感臂（图中由分布在应变发生机构内的检测光纤、AB反射回路及传输光纤组成）和测量应变的参考臂（图中由反射回路及传输光纤组成）两部分。其中，传感臂中A、B的相对位置固定，B是一个反射平面镜，将传输光纤出射光反射后再次进入传输光纤沿光路返回。参考臂中，C为一个扫描反射平面镜。现假设，图中A＇点的位置是发生应变前光纤耦合器O到B的等光程点，B＇点的位置是发生应变后光纤耦合器O到B点的等光程点。应用测量时，只要事先测量得到应变发生机构在没发生应变时，即等光程在A＇点处时的相对位置，再在应变发生机构产生某

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

一形变后，通过调节扫描反射平面镜C的位置寻找到等光程点（比如为B＇点处），按相同方式确定出B＇点的相对位置后，可得到被测物体所产生的形变量，为A＇B＇（长度量），再把得到的结果经过相关换算处理，得到物体的应变值。

2.2 光纤低相干应变测量系统组成模块的功能原理

基于低相干法的应变测量系统，具体组成包括光路干涉模块、信号采集及处理模块、显示存储模块、控制模块、通信模块等。按各模块在系统中的重要性和必要性，可以将各种功能模块分成系统的基本结构和系统的功能扩展两部分。

2.2.1 测量系统的基本结构

基于低相干法的应变测量系统组成模块包括光路干涉模块和信号采集及处理模块。其构成原理[62]如图2.3所示。

图2.3 低相干最小测量系统组成原理图

其中，光路干涉模块的组成包括低相干光源、参考干涉仪、传输光纤和传感干涉仪。在上一节低相干原理的描述中，已经知道低相干光源的影响因素（即光路模块的选择依据）主要包括中心波长、谱宽、光源的输出功率等几个方面。

参考干涉仪主要是获取（产生）干涉条纹信息。具体功能根据后续光路设计的不同有所差异。

传输光纤和传感干涉仪的组成由光路干涉模块具体采用的干涉信号处理方法决定。如果光路干涉模块采用分光计，光传经参考干涉仪后分成两路或两路以上，之后，各路光经后续光路的传输反射后传回参考干涉仪，在参考干涉仪中产生干涉信号（上一节在论述低相干原理时即使用该方法）。如果光路干涉模块采用第二干涉仪结构（图2.3所示的传感干涉仪），那么，参考干涉仪和传感干涉仪将直接采用传输光纤进行串接，此时，参考干涉仪起传输干涉信号的作用。

信号采集及处理模块所起的作用主要有： ① 对干涉光信号进行光电转换； ② 对转换后的电信号进行采集；

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③ 对采集到的电信号进行峰值检测等处理。其中，光电转换功能也可以归类于光路干涉模块。

信号采集的基本原理是先将模拟电信号转换成计算机或微处理芯片可识别的数字信号，后计算机或微处理芯片对数字信号进行读取（采集）。其具体的实现方式较多，如用数据采集卡直接实现，用A/D转换电路对电信号进行模/数转换后再对数字量进行读取等。在本课题中，直接采用具有模拟信号采集功能的数据采集卡实现信号的采集。

信号处理应实现的基本功能是对干涉信号的特征量进行提取。其具体的实现方式取决于系统的应用对象和应用目的。不同的信号处理方法对测量系统整体性能的影响较大，因此，进行该部分设计的最终目标是通过选择或设计良好的信号处理方式提高测量系统的整体性能。

2.2.2 测量系统的功能扩展

应变测量系统的功能扩展指系统在实现基本测量功能的基础上，根据实际应用需求对基本结构功能进行的相关扩展。包括显示、存储、控制及通信等。具体的组成原理框图如图2.4所示。

图2.4 带功能扩展的应变测量系统组成原理框图

从原理框图中可以看出，带扩展功能的测量系统以控制模块为核心，协调各功能模块有序工作。下面按模块对系统组成进行介绍：

(1) 光路干涉模块、信号采集及处理模块

光路干涉模块和信号采集及处理模块所实现的基本功能和实现方式已在上一小节中进行介绍，本部分主要对系统进行功能扩展后对两个模块所产生的影响进行介绍。

光路干涉模块的功能组成并未因系统功能的扩展而产生大的影响。添加的电机驱动模块是针对上一节参考干涉仪的介绍中采用分光计设计原理的光路干涉模块。光路干涉模块采用第二干涉仪（传感干涉仪）结构进行设计，则可省去电机驱动模块。电机驱动模块的具体功能将在该模块的介绍中详述。

信号采集及处理模块的功能有较多扩展，但具体扩展的功能取决于系统的整体功能扩展。对于图2.4所具有的功能组成，信号采集及处理模块应具有的功能还包括：

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

① 将采集到的信号送显示；

② 根据控制模块实现的功能对信号进行进一步的处理，如去噪、滤波、取包络等； ③ 将处理得到的信号结果送显示。 (2) 电机驱动模块

如前所述，该模块的设置取决于光路干涉模块的具体实现方式。当光路干涉模块采用分光计设计原理对应变进行传感检测时，就需要电机驱动模块实现对应变量的检测。电机驱动模块起到寻找干涉点的作用。在低相干原理介绍中，当两臂（参考臂和传感臂）的光程差在光源的相关长度内，会有比较明显的干涉信号产生，当两臂的光程差大于光源的相关长度，则不会产生干涉信号。因此，被测对象产生形变后，通过驱动电机实现对参考臂长度的调节，使干涉信号再次产生，便实现被测对象具体应变量的检测判断。

除了使用电机驱动反射平面镜实现对新干涉位置的寻找，此功能还可以采用其它方式实现，具体包括[63]：

① 通过采用压电晶体对光纤的拉伸实现对参考臂光程的控制；

② 通过压电陶瓷对一对平行镜面的横向驱动，使光束在两镜面间多次反射的光程发生变

化，实现横向扫描；

③ 通过光栅和透镜把参考镜的旋转以位移量进行量化，实现高速扫描。

不同的扫描方法在具体组成原理和构成复杂度上有比较大的差别，而且此模块也是系统误差的一个重要来源。因此，选择驱动方法时，要对扫描速度和扫描精度进行综合考虑。

(3) 控制模块

在带扩展功能的测量系统中，控制模块是协调其它功能模块有序工作的核心。因此，控制模块的功能设计是否完善直接影响整个应变测量系统的性能。

对于图2.4的应变测量系统，其控制模块的功能主要包括以下几个方面： ① 对信号采集及处理模块检测到的干涉峰值信号进行实时接收读取；

② 根据设定的控制参数（通过按键输入），结合数据采集及处理模块得到的干涉峰值信号，

给电机驱动模块发送相应的动作信号；

③ 根据设置的参数（通过按键输入实现）对采集的信号和处理结果进行存储操作； ④ 通过通信模块实现应变测量系统的远程控制和对测量结果进行远程数据传输等； ⑤ 实现其它控制功能。 (4) 通信模块

通信模块主要实现应变测量系统与外界的功能交互，包括测量数据的传送和控制信号的传输等。通信模块的实现方式较多，具体的实现方法由系统的使用对象决定。例如对于近场或室内的应变测试，可以通过RS232或RS485等有线方式实现数据的可靠交互；对于野外等测试人

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员不宜长期停留且通信线路铺设成本较高的地方，一般采用可靠性不如有线传输方式的无线传输方式。但是，随着技术的发展，无线传感网络的可靠性和传输速度也不断得到提高。因此，无线传输方式是通信模块的发展趋势。

(5) 显示存储模块

显示存储模块主要实现采集信号和测量结果的显示，根据控制模块的参数设置对相关数据的存储功能。系统的显示终端包括LED数码管、液晶显示屏、以及上位机软件的图表显示等，具体由系统的应用场合决定，所达到的最终目的都是实现更加人性化的人机交互。

以上介绍的测量系统组成中各功能模块及其作用具有一定的通用性，也存在比较大的局限性。系统的功能组成、功能模块的划分、及模块间数据及信号的流向都有相对性。例如远程控制系统，信号的显示和存储、按键操作，都需要通过通信模块进行无线传输实现。总之，应变测量系统功能扩展模块的选择和设计，取决于系统实际的功能需求及其应用环境。

2.3 用于低相干应变测量的三点弯曲法

本节主要对本研究课题的低相干应变测量实验研究中所采用的三点弯曲法进行理论分析。包括三点弯曲法的可行性分析和基于三点弯曲法的理论应变公式的分析推导两部分。

2.3.1 三点弯曲法的可行性分析

对被测对象进行应变测量实验研究，所使用的应变测量方法应具有很好的线性特性。即采用的应力加载方法，施加的应力量和在被测对象上产生的应变量（形变量）间应具有很好的线性特性。否则，将增加实验测量结果的处理复杂度，且容易在测量方法上引入不必要的测量误差，降低实验的准确性和可靠性。尤其对构建的实验系统各项性能进行检测研究实验，应变施加方法的选择更加重要。

力学研究中比较常用的应变施加方法主要有悬臂梁法[]、三点弯曲法[65]、拉伸法[66]和挤压法。各种方法所适用的被测对象有所差异。悬臂梁法和三点弯曲法适合对弹性较好的对象进行应变应用，拉伸法和挤压法主要应用于具有较好伸展性的被测物体，也经常对传感材料进行直接操作。

悬臂梁法和三点弯曲法的受力弯曲模型基本相同，拉伸法和挤压法的受力-拉伸相对比较简单，靠拉伸或挤压量就可以决定。因此，本节主要对三点弯曲法的应力量-曲率关系进行理论分析。

三点弯曲法的受力示意图如图2.5所示。

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图2.5 三点弯曲测量法原理图

1.应变检测光纤；2.环氧树脂胶结剂薄层；3.光纤连接器； 4.连接光纤；5.弹性钢板；6.螺旋测微计；7.顶针（支柱）

对原理图进行理论建模，得到图2.6所示的数学模型。

ORAR-mDnmC中性层B

图2.6 三点弯曲测量法受力模型图

图中，R为被测样品受力弯曲后的曲率半径，n为两顶针支撑点间的距离，m为施力顶针在样品上产生的应力量（即力学中的绕度，本研究实验中为与后面的概念保存一致，称为应力量）。

一般的应变研究实验中，已知量为m、n。因此，得到如下等式关系：

⎛n⎞22

⎜⎟+(R−m)=R (2.21) ⎝2⎠

进而得到曲率半径R的计算公式为：

求得对应的曲率ρ为：

n2+4m2R= (2.22)

ρ=

18m=2 (2.23) Rn+4m2

AB间的距离n可以用游标卡尺等测量器具进行直接测量（本课题构建的平台中，其大小为222.02mm）。进行应变实验时，用螺旋测微计的顶针对被测样品的中心加力。假设所产生的应力量m的变化范围为1.50~11.00mm，可绘制出应力量与曲率半径及曲率的关系曲线如图2.7所示：

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图2.7 三点弯曲法的应力量与曲率半径R及曲率1/R的关系曲线图

从绘制的对比图中可以看出，曲率与应力量间近似呈线性关系。因此，该应力施加方法可在应变测量实验中进行应用，包括应变测量系统的性能研究实验。

2.3.2 三点弯曲法的理论应变值

科学测量中，对测量系统进行标定是系统开发的重要步骤，是校正系统误差、改善仪器或系统正确度的关键。因此，对构建的传感测量系统各项性能进行研究时，系统的标定不可或缺。应变测量系统的标定，是寻找系统理论应变值（实际应变值）与实际测量所得应变值（实测应变值）间的相关系数。因此，必需对系统受力模型的理论应变值进行分析计算。

根据上一小节三点弯曲测量法的理论数学模型，结合本课题研究实验中构建的应变传感检测平台的实际情形，得到几何受力模型如图2.8所示。

图2.8 被测件受力弯曲几何受力模型图

图中，O为圆心，受力部分对应的中性层弧长AB=l，应变检测光纤贴覆部分的轴心弧长EF=L，AB对应的圆心角为θ，曲率半径为R，EF对应的圆心角为θ′，曲率半径为R+d，

︿

d为应变检测光纤中心轴线到中性层的距离。在本课题的应变测量系统中，样品的弯曲半径（弯

曲内表皮半径与材料厚度之比）大于5，所以，被测样品的中性层和中心层重合[67]，d值为样

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品厚度的一半。系统的应力量CD=m。

。其中，已知量为m，n，d及初始的应变检测光纤长（用L0表示）

由于L在中性层上对应的弧长恒为L0，l的长度随应力量的变化而变化，所以，得到L与

l对应的圆心角的比值为

因此，根据扇形的弧长公式

求得圆心角θ′的值为

θ′L0

(2.24) =

θl

l=θR (2.25)

θ′=

L0L

⋅θ=0 (2.26) lR

对于应变检测光纤贴覆的样品表面，有

求得应变检测光纤长度的变化量为

L=θ′(R+d) (2.27)

ΔL=L−L0=θ′(R+d)−L0 (2.28)

结合式2.22，求得系统的应变公式为

ε=

ΔLθ′(R+d)−L0d8md

(2.29) ===2

L0L0Rn+4m2

由式2.29可知，系统的应变值仅跟应力量、被测件厚度及两支撑顶针间的距离有关系，与应变检测光纤的长度无关。

2.4 本章小结

本章中，首先按理论分析和测量原理对应变测量系统采用的低相干法进行了介绍。其中，理论分析部分通过对干涉信号特性的分析，得到光源的谱宽和相干长度决定测量系统的纵向分辨率，为系统光源的选择提供了参考依据。之后，按系统的基本结构和系统的功能扩展对光学低相干应变测量系统各组成模块的功能原理进行了详细介绍。最后，对本课题研究实验中采用三点弯曲法的可行性进行了分析论证，且对基于该方法的理论应变公式进行了分析推导，在理论方面为后续研究工作的开展奠定了基础。

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第三章光纤低相干应变测量系统设计

在本章中，首先根据上一章介绍的光学低相干应变测量系统的组成原理，结合本课题研究的目标，对光纤低相干应变测量系统进行整体功能原理模块设计。之后，以模块为单位对系统的各组成部分进行设计构建，包括各模块软硬件的具体构成、软件的详细设计流程及所涉及的相关注意事项和设计技巧等。

3.1 测量系统的整体设计

本课题构建的应变测量系统是通过上位机控制软件对应变检测光路进行的实时控制和数据读取，实现对实验样品的实时应变测量。基于该研究目的，结合上一章介绍的应变测量系统的组成原理，设计了如图3.1所示的低相干应变测量系统。

图3.1 应变测量系统整体组成框图

从系统组成框图可以看出，设计的应变测量系统除包含最小系统（原理系统）的功能，还具有显示存储及相应控制功能。系统功能的具体实现中，考虑到本课题所设计的系统属于初次研究开发，有较多不可预知的因素存在，因此，除光路干涉和电机驱动两个模块由硬件实现外，其余功能模块都在上位机虚拟仪器平台上用软件编程的方式实现。如果直接将可由软件实现的功能用固件（如嵌入式系统）实现，不论从开发周期还是经济性角度考虑，都不如用软件方式设计实现可取。而且，大部分功能用软件编程方式实现也具有比较高的灵活性。在具体虚拟仪器平台的选择上，设计采用了NI公司的图形化编程软件——LabVIEW平台[68-70]进行软件编程开发，这主要是基于以下几个方面的考虑[71,72]：

① LabVIEW使用的图形化编程语言——G语言，属于“所见即所得”模式，具有简单、

直观、易于上手等特点；

② LabVIEW前面板中形象的控件使开发的系统具有比其它虚拟仪器平台更加友好的人

机界面；

③ LabVIEW软件平台提供了大量的数据采集与处理功能模块供开发使用。这一特点充分

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利用了PC机强大的数据处理能力来对被测信号进行采集和处理。因此，减少了用其它固件进行实现时所存在的数据采集速度慢以及信号处理不易实现等问题；

④ LabVIEW运用了多线程的编程技术。利用此特点能并行地实现数据的实时采集、处理、

显示和存储等功能。同时，数据采集和电机控制信号的有序协调工作也基于LabVIEW的多线程技术；

⑤ LabVIEW除提供了大量实用的函数库外，还具有较多易于调用的标准通信接口驱动程

序。因此，用LabVIEW协调各仪器仪表间的有序工作在实现上更加方便。

总之，LabVIEW的众多优点不仅大大降低了课题系统的实现难度，而且使开发的系统更加稳定、高效、友好。

3.2 测量系统光路干涉模块设计

根据上一章介绍的最小系统（原理系统）组成原理，结合本课题研究的实际情况，设计了如图3.2所示的全光纤光路干涉模块。

图3.2 全光纤光路干涉模块的组成原理图

从图中可以看出，全光纤光路干涉模块的组成包括：低相干光源、全光纤干涉回路、探测器和电机驱动平台。下面对模块各组成部分的设计进行分析。

3.2.1 光源的选择

从上一章低相干原理部分的理论分析中知道，所用光源的特性决定应变测量系统的纵向分辨率。为了提高测量系统的灵敏度及动态检测范围，一般选用中心波长较长，功率较高的光源。中心波长虽然与灵敏度成正比，与纵向分辨率却成反比，所以，在选择光源时要对灵敏度和纵向分辨率进行综合考虑。同时，低相干系统的信噪比(SNR)与位于中心单模的光源功率成正比，因此，选择功率较高的光源比较有利。

低相干测量系统中，使用较多的是超辐射发光二极管光源(Superluminescent Diode，SLD)和放大自激辐射光源(Amplified Spontaneous Emission，ASE)。SLD光源的光谱谱型接近于理想的高斯光谱光源。由于SLD光源对驱动电流/电压及温度都比较敏感，因此，其波长稳定性较差。但低相干应变测量系统的使用环境条件一般都比较恶劣，因此，SLD光源很难满足使用要求。

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相比较来说，ASE光源不仅具有微米级的纵向分辨率，还具有平均波长稳定性高、使用寿命长、偏振相关损耗小、谱线宽及输出光源功率高等优点。同时，ASE光源的供电电路比较简单，对温度不太敏感，可减少光学克尔效应引起的位相漂移、光纤瑞利散射引起的位相噪声以及系统的相干噪声。与具有低相干特性的超辐射发光二极管相比，课题选用的ASE光源具有受环境影响小，易于与单模光纤传感系统进行耦合等优点。

本课题应变测量系统选用的是无锡市中兴光电子技术有限公司生产的ASE宽带光源。其典型性能参数见表3.1[73]。

表3.1 ASE宽带光源典型性能参数表

参数

最小

典型

最大

单位

中心波长 1550 nm 波长范围 1520 1620 nm 谱宽 80 nm 总输出功率 13 dBm 功率稳定性 -0.05 0.05 dB 偏振相关 2 5 % 工作温度 0 50 ℃

工作湿度 5 95 %

3.2.2 全光纤干涉回路的设计

从图3.2可以看出，全光纤干涉回路的组成主要包括以下几部分：2×2光纤耦合器、传感臂应变检测光纤、参考臂光纤、准直光纤、反射平面镜、传输光纤以及光纤接头。下面分别介绍各组成部分的设计。

(1) 光纤耦合器

在全光纤干涉回路中，光纤耦合器的作用主要有两个：一是将光源传送过来的低相干光按等光强分成两束，分别送往传感臂和参考臂；二是将传感臂和参考臂反射回来的光进行耦合，产生干涉信号并送往探测器。

本系统选用的是广州奥鑫通讯设备有限公司的2×2单模光纤单窗宽带耦合器C0617183，其典型性能参数见表3.2[74]。

表3.2 C0617183光纤耦合器典型性能参数表

参数

最小

典型

最大

单位

使用波长 1550 nm 带宽 -40 40 nm

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表3.2（续）

参数

最小

典型

最大

单位

分光比 50:50 插入损耗 3.30 dB 偏振损耗 0.10 dB 附加损耗 0.10 dB 回波损耗 55 dB 温度变动系数 0.002 dB/℃ 工作温度 -5 75 ℃

在光纤耦合器的性能参数中，使用波长和带宽必需和选用的ASE光源的基本参数一致，否则会对光波的使用效率产生较大影响。50:50的分光比指光纤耦合器将光源发送过来的低相干光分成等强度的两束；较低的插入损耗、偏振损耗和附加损耗可以使绝大部分光通过光纤耦合器；回波损耗指在测试的参考点处，入射光功率与同一线路的返回光功率之比的对数，它直接决定了回波对光源稳定输出影响的大小，本课题中使用光纤耦合器的回波损耗高达55dB，能基本杜绝传感臂和参考臂反射回来的回波信号对ASE光源本身稳定输出的影响，且大大减小了由ASE光源本身输出的不稳定性对干涉信号的影响，有效地提高了干涉系统的稳定性及信噪比[75]。

(2) 回路中与传感臂和参考臂相关的部分

传感臂和参考臂的有效设计是系统正常工作的基础。全光纤干涉回路中包含了传感臂和参考臂的关键部分，包括参考臂中的光纤、传感臂中的应变检测光纤、准直光纤和反射平面镜等。

其中，参考臂中的光纤和传感臂中的应变检测光纤除了长度有微小差别（≤10mm），其它各项性能参数都完全相同。这样，干涉回路在被测物体没有产生应变时能容易地找到系统的初始干涉点，也能尽量避免光纤参数差别所带来的不必要的系统误差。

在传输光纤的出射端（与反射平面镜间），采用自聚焦透镜(Gradient-index Lens，GRIN Lens)作为光纤准直器，对出射的传输光路进行调整，使其产生平行光，方便光路的对准。

(3) 光纤接头

全光纤干涉回路采用模块化的设计方式，因此，各模块之间需要用传输光纤进行连接。而不同模块与传输光纤或传输光纤与传输光纤之间需要用具有极高耦合率的精工适配器（又称光纤接头）进行连接。在本设计中，选用的是日本SEIKOH GIKEN公司生产的SAA-4型[76]精工适配器，其插入损耗一般低于0.2dB。

3.2.3 探测及驱动平台的设计

(1) 光电探测电路

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光电探测电路对低相干应变测量系统的检测质量有重要影响。因此，设计性能良好的光电探测电路才能保证系统测量稳定性、提高测量精度和抗干扰能力。针对本课题系统产生的干涉信号的特点，设计了如图3.3所示的探测电路组成原理框图。

图3.3 光电探测电路组成原理图

从上图中可以看出，传感臂和参考臂的反射光在2×2光纤耦合器中叠加产生的干涉信号经过探测器中的光电二极管，转换为相应大小的电流信号。由于不易对电流信号进行采集和处理，因此，用I/V变换电路将电流信号转换成相应幅值的电压信号。之后，对电压信号进行高通滤波，以滤除工频等干扰噪声。最后，将微弱的电压信号进行放大后送入数据采集卡采集及进行后续的信号处理。

对于光电探测器，应具有响应速度快、工作波段与光源匹配、低渗漏、较高的检测灵敏度等特点。综合考虑，本课题选用了JDSU公司型号为EMP605的PIN光电二极管，其典型性能参数见表3.3。

表3.3 EMP605光电二极管典型性能参数表

参数

最小

典型

最大

单位

工作波段 1550 nm 带宽 20 GHz 响应频率 0.85 A/W 后向反射 -40 dB 偏振相关损耗 0.10 dB

暗电流 0.08 nA 正/反向电流 10 mA 方向电压 25 V 功耗 100 mW

运算放大器选用TI公司的OPA4340UA，带宽为5.5MHz，转换率为6V/μs，总谐波失真和噪声为0.0007%(f=1kHz)，静态电流为750μA/channel[77]。

(2) 电机驱动平台

参考臂上的电机驱动平台主要用来寻找传感臂发生形变后的新干涉点，因此，其操作控制需要进行精确量化。直流电机量化的可控制性比步进电机差，因此，系统选择步进电机作为驱动电机。步进电机有固定步长，且步长的大小决定了系统的测量精度。根据上一章推导得到的

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式2.20以及所选定光源的性能参数，计算得到光源的相干长度为13μm。也就是说，选择的步进电机脉冲当量只有小于13μm，光路干涉模块才能产生低相干信号。由于步进电机的脉冲当量一般比光学量低一个数量级，为微米级，所以，步进电机的脉冲当量决定了系统的测量精度。在单个组成原件中，步进电机对系统测量精度的影响最大。因此，步进电机驱动平台的选择特别重要。

综合考虑，本课题系统选用了北京赛凡光电仪器有限公司的7STA04150A 电动平移台和与此配套的7SC303三轴运动控制器。它们都配有标准的RS232接口[78]，因此，可通过软件编程对运动控制器进行控制，运动控制器对电动平移台的控制也通过RS232接口实现。7STA04150A 电动平移台的典型参数见表3.4[79]。

表3.4 7STA04150A电动平移台典型性能参数表

参数行程

最小

典型

最大

单位 mm

150 分辨率（8细分） 0.00125 mm

最大速度 20 mm/s 重定位精度 0.005 mm 轴向间隙 0.03 mm 最大静转矩 0.4 Nm

从表中可以看出，电动平移台在8细分时分辨率最小，为1.25μm。因此，理论上构建的应变测量系统最小分辨率为1.25μm。

最终构建的系统光路干涉模块如图3.4所示。

图3.4 构建的光路干涉模块实物图

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3.3 测量系统信号采集及处理模块设计

光路干涉模块产生可读取的模拟电压信号后，如何对信号进行有效的采集和处理便成为设计的重点。下面从数据采集卡的选择和系统的信号处理两部分对本课题系统中的信号采集及处理模块的设计进行分析。

3.3.1 数据采集卡的选择

数据采集卡是上位机软件与下位机硬件电路间的连接通道，它的选择依据主要有采样频率、采样精度、数据采集方式和数据采集通道数等几个方面。其中，采样频率虽然越高越好，但具有高采样频率采集卡的价格也较为昂贵。因此，采集卡采样频率的选择以够用且有一定余量为准则。根据对用示波器采集的干涉信号进行的频谱分析，得到系统在步进电机电动平移台运行速度为0.076388mm/s时的频谱如图3.5所示。

图3.5 干涉信号频谱分析图

从图中可以看出，信号的频率主要集中在110Hz附近。根据时域采样定理（香农采样定理），信号的采样频率大于或等于信号最高频率的两倍时，采样信号才不会出现频率混叠的现象[80]。在实际的工程应用中，一般取连续时间信号最高频率的5~10倍作为系统的采样频率，以确保采集到信号的正确性。因此，本课题系统中，采样频率定为600Hz。一般的数据采集卡都能满足这一采样要求。

采样精度直接决定记录信号的动态范围。因此，采样精度越高，采集信号的分辨率也越高。对于12位的采样精度，可以把信号分成4096（212）级，即对于一个动态变化范围为0~5V的电压信号，采样分辨率可达到1.22mV。结合所构建系统信号的特点、一般采集卡的性能特点和价格等因素，本课题选择12位的采样精度。

根据以上分析得到的数据采集卡主要选择参数，课题选择了凌华PCI 9112数据采集卡[81]。PCI 9112数据采集卡不仅有12位的采样分辨率，而且可以直接对模拟量以12位的分辨率进行采集。同时，它的采样频率最高可达到110kHz。这些性能参数及功能特性不仅满足了所构建应

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变测量系统对采样参数的要求，还简化了前端电路的功能设计。在软件支持方面，凌华公司为采集卡配置了包括Matlab、Visual C++和LabVIEW等常用GUI软件的驱动程序模块。因此，程序中对采集卡进行控制操作可直接通过调用驱动程序模块实现，大大提高了软件的编程效率。

本课题系统对数据采集卡进行操作时，需要对采集到的信号数据进行实时显示，因此，程序调用了PLV单通道模拟量输入子VI（见图3.6），并通过一个单独的While循环对其进行采样控制。

图3.6 PLV单通道模拟量输入子VI信息

该方法的数据读取方式中，每发送一次采样命令，便读取返回的一个采样数据。因此，系统的采样速率受到了很大的。但经过实验验证，在软件全速运行时（即两次采样间不加延时操作），系统采样速率达到1kHz，完全可以满足本系统对600Hz采样速率的要求。但是，在实际软件实现中，需要通过具体细节的优化编程实现总采样时间的精确计量和信号采样的均匀性。对此，程序主要从以下几个方面进行了优化设计：

① 确保程序在进入PLV单通道模拟量输入子VI所在While循环前的最后一步操作为启

动时间计数器（Tick Count）；

② 从PLV单通道模拟量输入子VI所在While循环内转移所有可不在该循环内进行的功

能操作；

③ 确保程序在退出PLV单通道模拟量输入子VI所在While循环后的第一步操作为停止

时间计数器（Tick Count）。

3.3.2 系统的信号处理

信号处理的功能主要包括对采集的数字信号进行包络检波和根据参数计算系统测量值两部分。下面对这两部分的功能及其实现进行分析设计。

(1) 包络检波

从上一章低相干原理的描述中知道，系统产生的是一个具有极大包络波峰（对应有极小包络波谷）的干涉信号。检波的目的就是通过软件编程确定波峰（或波谷）的位置，然后将位置数据送到下一个信号处理环节进行处理。

最简单的软件检波方法是取极值法，即将一组测量数据中的最大值（或最小值）作为所测干涉信号的波峰（或波谷）位置。该方法实现起来比较简单，执行速度较快，但存在抗干扰能力差的缺点，只适合在外界干扰很小或无干扰的场合应用。通过对同一应变状态下的多次测量

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结果进行剔除粗大误差并求取平均数的方式进行复合滤波操作可以加强抗干扰能力，但无法体现出该方法检波速度快的优势。特别是扫描时间远比检波时间长时，该方法劣势更加明显。

其它的检波方法中，比较常用的是对信号取包络，即将干涉信号中的低频信号解调出来，因此，也称为低通滤波操作。包络检波即可以用硬件方式，也可以用软件编程的方式进行实现。由于本课题系统采用软件编程的方法对采样信号进行峰值检测，因此，包络检波方法也通过软件编程进行实现。用软件进行包络检波的方法比较多，例如，对固定长度的信号取极大值（或极小值），然后将各段极值进行平滑连接，便可实现包络的效果，但该方法对测量精度有比较大的损失；可以对干涉信号进行函数变换处理得到信号的包络。具体的方法选择根据实际需求而定。

本课题系统中，传感臂应变检测光纤中的光强损失较为严重，导致干涉信号的波峰比较小，而波谷比较正常（相对较大）。因此，软件设计中采用对固定长度的信号取极小值，然后将各段极值进行平滑连线的方式进行实现。但为了不损失测量精度，算法中实行单点移动，而不是按截取点数长度进行移动。即对于长度为n的数组A，如果截取点数的长度为k，则第1次截取的是A[0]-A[k-1]，第2次截取的是A[1]-A[k]，依次进行，直至第n-k次截取A[n-k-1]-A[n-1]。

为了确定包络的最佳参数值n和k，用LabVIEW编写了如图3.7所示的“包络检波分析”软件对采集的干涉信号进行了以下两方面分析：一、截取点数长度恒定时，所取的最值点数对包络线所产生的影响（见图3.8）；二、最值点数比例恒定时，每段截取的点数对包络线所产生的影响（见图3.9）。

图3.7 包络检波分析功能软件界面图

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上图所示的软件功能界面中，参数设置栏内的设置窗口代表的意义如下：

选取文件——选择所要分析的数据文件；截取点数——一次分析所用的数据长度；

最值点数——在所取数据长度内取出的最小点个数；延时——对所截取的每段数据进行处理的时间间隔；数组大小——对所读取数组大小进行显示。

(a) 1点 (b) 5点

(e) 35点 (f) 50点

(g) 70点 (h) 100点

图3.8 截取点数固定（100点），最值点数不同的包络曲线图

从图3.8可以得到如下规律：截取点数恒定（100点）时，所取的最值点数越少，包络线受采集信号尤其是干扰信号的影响越大；所取的最值点数越多，包络随采集信号的变化越小；所取的最值点数适中，包络能比较好地反映出信号的变化规律。通过对多组包络的分析可以看出，

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所取的最值点数在15-35之间时，包络效果较为理想。因此，取25点为最佳值。

(a) 10:3 (b) 20:5

(e) 75:19 (f) 100:25

(g) 125:31 (h) 160:40 图3.9 截取点数与最值点数比例固定（4:1）的包络曲线图

从图3.9可以得到如下规律：截取点数与最值点数成固定比例（4:1，由图3.8分析结果得到）时，所截取的点数越短，包络随采集信号的波动越大，包络不够平滑；所截取的点数越长，包络随采集信号的变化越小，不能准确反映出信号的变化规律。通过对所进行的多组包络的分析可以看出，所截取点数的长度在75-125之间时，包络效果比较理想。因此，取100点为最佳值。

综合以上两种不同角度的包络分析结果，得出所设计系统的包络检波方案为：按单点逐步移动原则，将采集到的干涉信号数据以100点的长度进行顺序截取，并计算其中最小25个点的平均值，后对计算得到的新数据数组进行判断，将其中最小值点的位置作为系统测量信号的干

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涉中心。算法的软件流程图如图3.10所示。

图3.10 包络检波子程序算法实现流程图

(2) 峰值计算

峰值计算主要是确定干涉中心与信号采集起点之间的距离。在本系统中，其实现方式可用公式表示为

其中，各符号所表示的含义如下：

×vt (3.1) n

s——所求峰值相对信号采集起点的位置值；

m——最小值点在数组中所处位置的序号（从0开始）；

n——数组长度；

v——步进电机电动平移台上扫描反射平面镜运动速度；

t——单次扫描所用时间；

式3.1右边的各项参数均为已知量，因此，峰值的计算也比较简单。 (3) 复合滤波

本系统信号处理中的复合滤波算法是将均值滤波和剔除粗大误差方法进行结合实现。即对某一应力量的测量次数i如果超过3次（包括3次），软件将把i次测量结果中的最大值和最小值剔除，对i-2次测量结果进行求平均，所得的测量值作为测量结果。

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信号采集及处理模块的整体设计流程图如图3.11所示。

(a) 整体软件设计流程图

(b) 单次测量值计算子程序流程图

图3.11 系统信号采集及处理模块软件设计流程图

该模块的程序设计主要是对数组进行操作处理，程序框图实现起来比较简单，因此，不再对程序框图的具体实现过程进行详述。

3.4 测量系统显示存储与控制模块设计

显示存储与控制模块的人性化设计是系统软件增加人机交互友好性的关键，既涉及软件的易操作性，又包括波形和系统测量结果的直观、人性化显示。因此，该部分的设计除了很好地实现软件的基本功能，还要着重进行软件人机界面的优化设计。

3.4.1 显示存储模块的设计

(1) 系统测量信息的显示设计

系统的显示主要包括两个方面：一、系统采集的波形数据的实时显示；二、不同应力量下测量值的显示。其它的还包括各种操作动作的实时显示等。

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1) 波形的实时显示

之前的设计介绍中已经提到，本课题系统的设计是对未知现象带有摸索性的研究，在系统实现上更加重视对实时运行测量信号的观察把握，而不是追求测量系统的速度。因此，程序设计必需实现对数据采集卡采集到的每个干涉信号点进行实时显示。本设计中，采用LabVIEW的波形图表（Waveform Chart）控件对此功能进行实现（如图3.12所示）。波形图表控件的特点是保留并显示之前采集到的数据的同时，对新采集到的数据进行追加显示，即将采集的数据以连续更新的方式进行显示[82]。

(a) 前面板显示

图3.12 波形图表（Waveform Chart）控件

(b) 框图图标

在信号采集及处理模块设计部分已经阐明，虽然采用实时显示方式会大大影响信号的采样速率，但是不能对信号采样的均匀性造成影响。并且在程序优化设计方法的第二点提到，在PLV单通道模拟量输入子VI所在While循环内转移一切可不在该循环内进行的功能操作。其中，就包括采样信号的实时显示。把信号的实时显示控件直接放在此While循环内，虽然可以简化编程，但将严重影响信号采样的实时性和均匀性。

本设计中，将进行采样信号实时显示的波形显示控件放在另外一个与PLV单通道模拟量输入子VI所在While循环并列的While循环内，以互不干扰的双线程形式运行，线程间数据的实时传递采用基于队列的生产者/消费者设计模式（数据）。在LabVIEW中，队列除了实现一般所熟知的数据存储和数据先进先出操作外，还有一个比较特殊且非常重要的用途：在不同的线程间实现数据的交换[70]。不像局部变量里的数据可以反复读取，队列里的数据一旦被取出之后便被清除。利用队列的这些功能特性，可以避免通常进行数据传递时利用局部变量的方法所产生的问题，即当显示线程的执行速度快于采集线程的执行速度时，显示线程内的波形图表显示控件在采样数据被更新前，会对同一个数据点进行反复显示，进而使操作人员无法正确地观察到系统所产生的干涉信号。该部分程序中，进行信号采集的线程属于生产者，对信号进行实时显示的线程属于消费者。具体的实现框图如图3.13所示。

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图3.13 生产者/消费者设计模式（数据）的实现框图

为便于对测量系统所使用的基于数据的生产者/消费者设计模式（其它还有基于事件的生产者/消费者设计模式）进行理解，图3.12中已对框图内容进行简化，将其它（如逻辑判断等）程序框图用“其它相关操作”代替。

2) 测量值的显示

系统软件的显示模块中，测量值的显示主要是利用XY图（XY Graph）实现对不同应力量与所测得的测量值之间的对应关系曲线的显示。其中，X轴为应力量，Y轴为对应的测量值（如图3.14所示）。

(a) 前面板显示

图3.14 XY图（XY Graph）控件

(b) 框图图标

由于每次测量完成后都需要在原来的测量曲线上将最新测量结果（测量值）实时显示出来，而XY图只能对一组数据进行静态显示，没有波形图表的动态追加显示功能。要在XY图上实现类似波形图表的动态追加功能，可以在程序中建立一个临时的簇数组，将每次的应力量和对应的测量值组成的簇在簇数组中进行追加存储，然后，再将整个簇数组数据送显示。具体的程序实现框图如图3.15所示。

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图3.15 XY图追加显示功能的实现框图

3) 其它信息的显示

系统软件中，对其它操作信息的显示都通过字符串显示控件实现（如图3.16所示）。

图3.16 系统软件字符串显示控件

其显示内容除了程序启动运行时的欢迎词外，还包括：

(a) 前面板显示 (b) 框图图标

① 电机驱动平台的控制操作结果。包括电机连接测试、电机速度设置、电机速度查询、

参考臂电机启停控制、参考臂坐标查询等等；

② 系统的实时测量过程。包括电机归位、电机归位完毕、扫描检测过程等； ③ 单次应变测量信息。包括采样频率、应力量、电机行程、峰值位置等； ④ 其它相关信息。如退出系统程序的致谢词等。 (2) 测量数据的存储设计

系统的数据存储功能主要包括两个部分：一、每次测量数据点的存储；二、XY图中显示的簇数组数据的导出存储。下面将分别对其进行功能分析设计。

1) 测量数据的自动存储

系统软件中，每次测量的数据点用时间命名[83]后以txt的格式在指定文件夹中进行自动存储，以起到数据的备份作用。其中，程序将用时间命名的程序框图封装成了可调用的子VI，其接口设置如图3.17(a)所示。图3.17(b)为用时间命名文件子VI的具体程序实现。

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(a) 子VI的接口设置

(b) 子VI的具体程序实现图3.17 用时间命名文件子VI的设计

从图3.17(b)中可以看出，默认情况下，程序将文件命名为“年-月-日-时-分-秒序号.txt”，默认的存储位置在桌面的new file文件夹里。

2) 簇数组的导出存储

系统测量分析结果的记录保存是测量系统的最终目的之一。在本测量系统软件的“半自动测试”界面，设置了“导出数据”按钮，实现对应变测量结果的导出存储。

该功能利用LabVIEW的事件结构（Event Structure）进行实现，具体程序实现框图如图3.18所示。当单击“导出数据”按钮时，软件会弹出存储文件路径对话框，使用者只要选定所要存储的文件（txt格式），就能将应变测量结果以二维数组的形式进行导出存储。

图3.18 测量结果导出程序框图

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3.4.2 控制模块的设计

上一章的系统组成原理介绍中已经提到，控制模块是协调整个系统软件各功能模块有序工作的核心。本系统软件中，控制模块的核心功能是协调电机驱动平台和数据采集卡的有序工作。同时，其它辅助功能的设计也是系统软件流畅运行的基础。

(1) 电机控制软件设计

光路干涉模块设计中选用了北京赛凡光电仪器有限公司的7STA04150A 电动平移台和与此配套的7SC303三轴运动控制器作为本课题系统的电机驱动平台。由于该平台具有可以和上位机进行直接通信的RS232标准接口，且有自己的控制指令（见表3.5）。因此，在控制软件中，只要向电机驱动平台发送相应的指令，即可实现对电机动作的控制。

表3.5 7SC303三轴运动控制器控制指令表

指令

格式

说明

该指令发出200ms以内SC3回送：“?R”&CHR

联络指令 “?R”&CHR$(13) $(13)&“OK”&CHR$(10)，表示联络成功

SC3接到该指令后回送：“?V”&CHR$(13)&“V

速度查询指令 “?V”&CHR$(13) number”&CHR$(10)。其中number为以ASC

码表示的SC3当前速度值，范围丛0-255

SC3接到该指令后回送：

“?X”&CHR$(13)&“X+number”&CHR$(10)。其

坐标查询指令 “?X”&CHR$(13) 中number为以ASC码表示的SC3当前坐标

值，正负号代表当前位置在开机位置(0位)的

正负方向的位置

其中number为以ASC码表示的速度设置值，

“V”&number &CHR$(13)

范围丛0-255。SC3接到该指令后设定速度，

然后回送：

“V”&number&CHR$(13)&“OK”&CHR$(10)，

表示速度设置完成

其中number为以ASC码表示的位移量值，

运行指令

“X direction number”&CHR$(13)

direction表示运行方向，direction=“＋”时表示向正方向运行，direction=“—”则表示向负方向运行。SC3接到此类指令后执行位移命令

SC3接到该指令后立刻停止电移台的运动，然停止指令 “S”&CHR$(13) 后回送：“ERR1”&CHR$(10)，表示平台已停

速度设置指令

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步进电机电动平移台移动速度与速度指令所设置的速度值speed间的转换公式为

(speed+1)×22000×脉冲当量(mm/s) (3.2)

720

丝杆导程

(mm) (3.3)

步进电机每转整步数×细分数

其中，脉冲当量（即分辨率）的计算公式为

脉冲当量=

选用的电动平移台中，丝杆导程=4，步进电机每转整步数=3600.9=400。因此，对于本测量系统所采用的八细分数，平移台的分辨率为

脉冲当量=

对应的电动平台移动速度为

=0.00125(mm) (3.4)

400×8

(speed+1)×22000×0.00125

(mm/s) (3.5)

720

=0.038194×(speed+1)当speed取1时——本测量系统的扫描速度，电动平移台的运行速度为0.076388mm/s。控制指令的传送方面，程序设计中利用LabVIEW自带的VISA系列控件单独设计了用于实现系统软件与控制平台进行通信的功能子VI。子VI的接口设置及其具体实现框图如图3.19所示。

(a) 子VI接口设置

(b) 子VI具体实现框图图3.19 电机通信子VI的设计

具体控制指令的传送，程序通过事件结构进行设计实现。图3.20为系统与电机控制平台之间发送联络信号的程序实现框图。

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图3.20 电机控制平台的软件实现框图

从图中可以看出，程序只需要向电机通信子VI传送相应的操作指令，就可以方便地实现对电机控制平台的指定操作。并且，相应的操作结果也会在信息反馈窗口中实时显示出来。

(2) 应变测量过程的实现

本部分所描述的应变测量过程并不是广义的整个系统所实现的应变测量功能，是指系统对某一应变状态进行测量时，软件中的相关控制操作流程。由于该过程涉及到信号的采集、显示、处理与存储等操作，因此，跟前面所介绍的功能模块会有一定的交叉。但该部分从控制的角度进行描述，因此，有其的逻辑特性。

单点应变测量控制过程的程序设计流程图如图3.21所示。从流程图中可以看出，单点应变测量控制程序流程图在不同位置都对运行及测量信息进行不同方式的显示，使软件使用者在操作过程中可实时掌握系统的运行进度及状态。

该控制流程图基于整个测量过程，在LabVIEW程序框图的实现上较为综合。除包括本章之前介绍的信号采集及处理模块和显示存储模块外，还涉及到很多其它相关的判断操作等。因此，在这就不再对程序框图的具体实现进行详述。

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图3.21 单点应变测量控制程序流程图

(3) 其它控制功能的实现

其它控制功能中，最主要的是软件前面板各项操作间进行相互切换时所使用的选项卡控件（如图3.22所示）的有效、流畅控制。其中，有效主要是指当控件页面发生切换后，被切换页面所运行的程序能有效、快速地结束，并开始新页面程序的执行；流畅主要指进行页面间相互切换时，软件不能因为需要结束原来页面的工作而发生程序卡死、长等待等现象。

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图3.22 系统软件中选项卡控件的使用界面图

从图3.22中可以看出，本应变测量系统软件主要包括“参数设置”、“手动操作”、“半自动操作”和“全自动操作”4个功能页面。其整体程序运行过程如图3.23所示。

图3.23 系统软件整体运行流程图

结合图3.22和图3.23，软件界面中的“参数设置”主要实现包括串口、数据存储路径、电

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机联络、电机速度、扫描延时等在程序开始运行时所需要进行的功能初始化设置；“手动操作”界面主要实现寻找并设定参考臂零点坐标位置的功能；“半自动测试”和“全自动测试”实现对被测对象应变值的测量。

程序设计中，选项卡控件页面间的快速切换，主要通过事件结构进行实现；页面间的有效切换，通过在各页面程序框图中对设置的页面切换标志的判断进行实现，当程序运行中判断出页面切换标志发生变化时，立刻结束该页面后续程序的执行。

由于具体的软硬件设计涉及到很多细节的处理，基于篇幅所限，本章所阐述的只是系统各模块核心功能的设计实现方法，很多具体细节的设计实施并未在各模块的设计中给出。而且，系统虽然分为光路干涉、信号采集及处理、显示存储和控制4个模块，它们之间的功能在具体实现时却相互交叉，因此，在进行程序流程说明时，才有功能交叉的现象出现。

3.5 本章小结

本章首先根据课题的实际需求，对系统的整体功能组成进行了设计，并选择了NI公司的LabVIEW作为系统软件开发平台。之后，本章分别对构成测量系统的光路干涉、信号采集及处理、显示存储和控制等组成模块的设计进行了详述。其中，光路干涉模块基于全光纤迈克尔逊干涉原理进行设计，并对包括光源、全光纤干涉回路、探测及驱动平台的各具体组成部件进行选型设计；信号采集及处理模块中，选择了凌华采样速率可达100kHz的12位数据采集卡PCI 9112作为信号采集硬件，而信号处理则通过对包络检波、峰值计算和复合滤波等功能措施的设计，保证了测量系统具有较强的抗干扰性和较高的测量精度；显示存储模块对系统测量信息的显示和测量结果的存储都进行了较为系统的设计和描述；控制模块则从控制的角度对系统的整个控制操作进行了设计介绍。

本章通过对测量系统软硬件的详细优化设计，为之后基于所构建应变测量系统的系列研究实验的顺利开展奠定了坚实的基础。

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第四章光纤低相干应变测量系统的实验研究

本章主要基于所构建的光纤低相干应变测量系统进行实验研究，包括系统特性实验研究和系统应用实验研究两部分，系统应用实验研究又包括被测实验样品拉伸形变测量研究和样品扭转形变检测研究两部分。

4.1 光纤低相干应变测量系统的特性实验

一个应用系统相关性能参数的确定是对它进行应用的前提。本部分运用第二章中分析的三点弯曲法对构建的测量系统进行特性研究实验，为之后的应用实验研究提供依据。具体工作主要包括实验样品的制作、实验的进行、实验数据的分析以及系统优化几个方面。

4.1.1 测量系统的特性研究

特性研究实验主要包括实验样品的制作和进行实验两部分。 (1) 实验样品的制作

实验样品的制作包括传感检测样品的制作和应力施加平台的构建。 1）传感检测样品的制作

传感检测样品是用环氧树脂胶把用于检测应变的光纤贴覆在弹性钢板表面制作而成。样品规格及具体贴覆方法如图4.1(a)所示，图4.1(b)是制作完成后的样品实物。

(a) 样品参数及贴覆原理

(b) 实际制作的样品

图4.1 传感检测样品的制作原理参数及实物图

样品制作中，应变检测光纤的有效贴覆是关键，课题选用环氧树脂胶（如图4.2所示）对应变检测光纤进行贴覆。

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图4.2 实验用环氧树脂胶及固化剂实物图

由于环氧树脂胶粘剂需要和固化剂按一定比例混合后才能使用，所以，它们混合比例的合理控制是进行有效粘贴的关键前提。环氧树脂胶粘剂和固化剂的混合比例越大，制作的胶水弹性越好，但越难固化；混合比例越小，固化速度越快，但固化后具有易脆性。混合时需要注意的是，固化剂的比例不能过高（小于3:1），否则，所混合的胶水会因化学反应过于剧烈而出现急剧发热冒烟的现象。根据实践，当环氧树脂胶粘剂和固化剂的混合比例为6:1-9:1时，效果比较理想。本研究实验将其比例控制在8:1左右。

2）应力施加平台的构建

实验是用三点弯曲法进行应力施加，平台主要包括支撑顶针和应力施加顶针。本实验中，应力施加顶针用北京赛凡光电仪器有限公司的轻灵平移台7STM02213[84]进行实现，精度为0.005mm，行程为13mm。所构建的平台实物如图4.3所示。

(a) 未放置被测样品时

(b) 放置被测样品后

图4.3 构建的应力施加平台实物图

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

从图4.3(a)中可以看出，应力施加平台用四根相同圆铁柱支起的矩形架子作为支撑顶针；采用双端同时手动操作轻灵平移台的方式实现应力施加顶针的功能。

(2) 实验的开展

系统特性研究的具体实验主要是对传感臂上的弹性钢板进行应力施加，使其逐渐弯曲形变，每次的应力增量为0.5mm。由于轻灵平移台7STM02213的量程为13mm，因此，选择的测量范围为1.5-11mm。当应力量达到设定的最大值11mm后，再以0.5mm的应力量进行递减测量，如此往复（小→大→小→大→小），共进行4个循环的实验测量。最后得到的实验结果如图4.4所示：

图4.4 系统重复性实验结果图

从图中可以看出，所构建的应变测量系统具有较好的重复性。下面对实验结果进行具体的量化分析。

(3) 实验结果分析

实验结果分析主要包括实验数据的直线拟合，线性特性及重复性等性能参数的分析计算和系统的标定几部分。

1）数据的MATLAB直线拟合

进行直线拟合前，先对测量得到的多组测量值数据依据对应的应力量求平均，并将得到的计算结果在坐标图中进行显示（如图4.5所示）。

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图4.5 对实验数据求平均后的结果图

对求平均后的测量数据用MATLAB进行直线拟合，得到直线拟合图表如图4.6所示。

测量拟合直线 0.4拟合直线测量值0.35测量值(mm)0.3y=0.1588+0.0239x0.250.2 23457应力量(mm)61011

图4.6 测量结果的直线拟合曲线图

其中，拟合直线方程为

根据第二章应变实验可行性分析中的三点弯曲法理论分析论证，结合图4.6的测量及直线拟合结果，可以看出，实际测量结果与理论分析论证结果能较好吻合。

2）线性特性及重复性等性能参数的分析计算[85]

根据所得到的实验测量数据和拟合结果，对构建的应变测量系统（包括其中的光纤应变检

y=0.1588+0.0239x (4.1)

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

测样品）的线性特性及重复性等关键性能参数进行了分析计算，得到的数据见表4.1。

a）线性度和线性误差

从表4.1中可以看出，测量系统的最大误差为1μm。由于不知道系统的最大量程，因此，无法准确地确定出系统的线性度。但就所测的测量值范围，计算得到系统线性度为

L=±

ΔYmax1

×100%=±×100%=±0.44% (4.2)

Ymax−Ymin227

因此，可以判断出系统的线性度不大于±0.44%。测量系统线性误差的计算公式为

ξ=

ΔYmaxYmax−Ymin

×100% (4.3)

因此，可以知道系统的线性误差不大于0.44%。 b）重复性

表4.1中，系统的重复性用极差法进行计算。其计算公式为

Si=

(4.4) dn

式中：Wi——极差。在第i个校准点的n个测量值中最大值与最小值之差的绝对值；

dn——极差系数（可根据n值查表获得）。取决于测量循环数，即测量次数或样本

容量n。在本测量研究实验中，n为4，对应的dn为2.24。

从计算结果可以看出，系统的重复性为0.4%。 c）迟滞

系统的迟滞是指对于某一输入量，传感器在正行程时的输出量明显地、有规律地不同于其在反行程时在同一输入量下的输出量。

根据所测得的4组实验数据（见表4.1）可以看出，传感器正行程和反行程的测量值间并没有呈现出规律性的不同，因此，系统并不存在迟滞现象。

3）系统的标定

标定实验的研究内容是寻找实验测得的实测应变值与构建的实验系统模型的理论应变值之间的对应关系，以使构建的应变测量系统在实际应用测量中可对被测应变值进行准确度量。

第二章低相干应变测量实验的理论研究中，已对所构建应变测量系统的理论应变公式进行分析推导，并得到了理论应变值的计算公式

ε=

8md

(4.5)

n2+4m2

在本研究实验所构建的应变测量系统中，式4.5（即式2.29）中的各项参数分别为：

n=212.02mm，L0=203.14mm，d=1.32−(0.90/2+0.12/2)=0.805mm。

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其中，d中的1.32mm指贴覆的应变检测光纤上表面到样品下表面间的总厚度，0.90mm为被测样品厚度，0.12mm为光纤直径。

因此，根据式2.29可计算出系统的理论应变值，具体见表4.1。

现分别对实测应变值和理论应变值用MATLAB进行直线拟合，得到的直线拟合方程分别为

y实测=−0.1586+117.7534x (4.6)

由此，计算出系统实测应变值与理论应变值（即真值）之间的相关系数为

y理论=4.4835+129.2586x (4.7)

117.7524

=0.9110 (4.8)

129.2586

从相关系数k的值可以看出，系统在进行实际的应变测量中，应变损失较小。因此，理论应变值（式中表示为ε实际）与实测应变值之间的关系可以用公式表示为

ε实际=

ε实测

0.9110

(4.9)

为易于对公式所表示的内容进行理解，公式中理论应变值用ε实际（即实际应变值）表示，说明它为被测物体实际的应变值；系统实测应变值用ε实测表示，说明它为应变传感检测光纤所测量得到的应变值。

根据计算得到的相关系数k绘制的实测应变值和理论应变值的对比曲线如图4.7所示。

图4.7 实测应变值和理论应变值间的对比曲线图

从图中也可以看出，本研究课题用低相干法构建的全光纤应变测量系统所测得的应变值与被测物理论应变值之间具有很好的线性对应关系（计算得到的线性度不大于±0.44%），因此，系统可用于进行实际应变的应用测量。

性 3 4 2 2 2 2 1 2 1 2 3 3 2 3 2 3 2 3 4 3复 i00000000000000000000S00000000000000000000重....................00000000000000000000 差6845352566569600000000000000000000极00000000000000000000....................00000000000000000000应)εμ 2918616200763199量(839506384062849528391223445567701122测值变11111 ）值)i m 差N1 1 0 01 0 001 01 1 m-r0000000000000001011 11合e00000000000000000000v.....0........00..0000为拟A00000-000000.00....-00-0--0000均(位初)合0N 单-r 0 2 3 5 8 0 1 2 5 78 0 24 7 9 1 3究据拟e346702345679012356v00000011111111222222研数-....................值A(00000000000000000000用中应表均值其，值 5 7 9 1 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 24 6 8 0 2及注合)i901345679012356712N12222222233333333344术标拟(....................00000000000000000000技殊量特测未值 )6 7 9 1 2 4 7 8 0 1 5 6 8 0 1 3 7 9 13901345679012356712变如均rev12222222233333333344....................应（平A(00000000000000000000纤表光析测4 4701569912637070的分际值90124567123457800212222222223333333444法关实量....................00000000000000000000干相相的低行测3921416801256673176829123456012346702于进际值12222222233333333344....................00000000000000000000基据实量数量测2 34792381147713379266测际值90124560124567801212222222233333333444....................对实量00000000000000000000 1.4表测1 76914666905871025713际值90134567801235671212222222233333333344实量....................0000000000000 应)εμ 0 0 0 0 0 0 0论(理值6162727272615048260396295285184174063962123345567790112234变1111量 1 1 1力50505050505050505050....................应1223344556677001111序号 01234567012345671111111111 48 南京航空航天大学硕士学位论文

4.1.2 测量系统的误差来源分析

虽然对系统进行的特性实验研究得到构建的光纤低相干应变测量系统具有较好的性能指标，但是，有必要对系统的误差来源进行分析，以便于系统性能的进一步优化提高。

下面，将从软硬件设计等方面对系统的误差来源进行分析。 (1) 光路干涉模块

虽然全光纤低相干应变测量系统在原理上具有比较强的抗干扰性和检测灵敏度，但是，在实际平台的构建上，往往由于光纤的高灵敏度而引入外界干扰误差。这类误差中，最主要的来源之一是连接各光学元件的传输光纤。即使很微弱的气场流动，都会对就地放置或悬置的传输光纤产生影响。同时，周围环境的振动以及温度变化等也会对光路干涉模块产生干扰。

(2) 应力施加机构

本课题系统中，应力施加机构的设计比较简单，也存在一些问题。比如，被测实验钢板直接放置在作为支撑顶针用的四根相同圆铁柱所支起的矩形架子上；作为应力施加顶针的轻灵平移台所采用的双端同时手动操作方式等均会引入误差。

(3) 电机驱动平台

由于电机驱动平台中用于驱动的步进电机有固定步长，因此，它引入的主要是系统误差。本课题系统中，使用的电动平移台最小分辨率为1.25μm，因此，系统的测量分辨率也将大于1.25μm。同时，电动平移台本身在运行过程中也存在行进误差。

(4) 信号采集电路

虽然选择的PCI 9112数据采集卡具有12位的采样精度，对于动态变化范围为0~5V的电压信号，采样分辨率可达到1.22mV，但是，这也说明当电压变化小于1.22mV时，采集卡将不能分辨出来，而引入采样误差。

(5) 软件设计

本课题系统中，软件设计所具有的误差包括采样时间的计算、采样数据的均匀性、峰值检测算法等几个方面。

4.1.3 测量系统的精度提高方法

本课题的光纤低相干应变测量系统中，主要从以下几个方面对系统的误差来源进行消除或减弱以提高系统测量精度。

(1) 光路干涉模块

针对上一小节所分析的光路干涉模块的误差来源，除了将实际的实验平台构建于光学隔振平台上，还采用单模光纤连接光路以有效抑制色散，并且对悬置光纤进行了固定。同时，实验时也尽量不去触碰光路干涉模块；尽量避免因动作过大而引起大的气场流动。由于系统最终的

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

测量值是跟初始测量值进行作差得到的，很多固有误差（包括温度等）都会因作差而相互抵消或大大减小。

对于光路干涉模块所引入的误差，最好的解决方式是将该模块固化集成于一个特定装置内。考虑到实际的实验条件以及方便后续研究工作的开展，本课题并未采取此种较为彻底的抗干扰方式。

(2) 应力施加机构

研究实验中，应力的施加是通过手动操作实现的，因此，主要通过操作轻灵平移台时对螺旋测微计的正确读数实现减小应力量误差的目的。对连接两个轻灵平移台的施力小铁柱，将原来使用的两根短柱换成了一根可同时连接到两个轻灵平移台的长柱子，以消除应力施加过程中小铁柱的位置形变所引入的误差。

(3) 软件设计

软件的优化设计是无止境的，包括软件流程控制、软件算法，甚至软件开发平台等。对于本测量系统，已在第三章信号采集及处理模块的设计中对包括包络检波、峰值计算和复合滤波提出了软件优化方法，因此，在这就不再赘述。

4.2 光纤低相干应变测量系统的应用实验

全光纤低相干应变测量系统的应用实验研究，从对简单的拉伸形变进行测量和对扭转进行检测研究两方面开展。

4.2.1 拉伸形变测量

拉伸形变测量实验的研究思路是将传感性能已经确定的应变检测光纤贴覆于力学实验中所使用的等强度梁上边沿，通过等量增加等强度梁的负载，使梁发生弯曲形变，然后利用所构建的应变测量系统对形变量进行测量，并计算出等强度梁的应变值。

(1) 实验装置的制作

拉伸形变检测光纤在悬臂梁上具体的贴覆原理示意图如图4.8(a)所示。图4.8(b)是实验中所制作的等强度梁应变测量装置实物图。

(a) 原理示意图

(b) 测量装置实物图

图4.8 等强度梁拉伸形变测量实验的光纤贴覆图

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用游标卡尺测得图4.8(a)中的各项参数为：贴敷光纤长l1=135.10mm；轴心长l2=100.00mm；上臂宽l3=24.10mm；下臂宽l4=11.96mm。

该实验装置中应变检测光纤的贴覆方法与系统特性研究实验中的贴覆方法完全相同，因此，可用之前的标定结果对本实验测量结果进行应变表示。

(2) 实验结果分析

根据图4.8(a)的实验装置原理示意图，推导得到等强度梁轴心上的实验数据变换公式为

⎛l3−l4⎞2

⎜⎟+l2⎝2⎠x′=×(xi−x0) (4.10)

进而，根据轴心长l2及式4.10，便可计算得到实际应变值。具体的数据分析结果见表4.2。

图4.9为根据应力量和实际应变值绘制的坐标图。

表4.2 拉伸形变测量数据分析表（如未特殊标注，表中数据单位均为mm）应力量实验测量值实际变化值序号 (g) (xi - x0) (xi)

数据变换

(x′)

实测应变值实际应变值

(με) (με)

0 67 1 0 0.123 0.000 0.000 0 2 200 0.132 0.008 0.006 61 3 400 0.140 0.017 0.012 124 136 4 600 0.147 0.023 0.017 172 1 5 800 0.155 0.031 0.023 233 255 6 1000 0.163 0.040 0.029 294 323

图4.9 拉伸形变测量坐标图

从图4.9中可以看出，系统的测量结果较为理想。该拉伸形变测量研究实验说明，本课题

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

所构建的系统可在实际拉伸形变等简单应变量的测量中进行应用。而物体拉伸形变等简单应变量是结构健康监测中的基本检测参量，同时，这些简单应变量的测量也是进行其它复杂应用测量的基础。因此，本课题所构建的应变测量系统在实际应用中具有实用性。

4.2.2 扭转形变检测

扭转形变检测实验的研究思路是通过在被测样品表面对多条应变检测光纤位置分布的设计，以及对测量得到的实验结果的分析，找出应变测量值与样品扭转量之间的对应关系。

(1) 实验样品的设计制作

本研究实验中，应变检测光纤采用交叉分布的方法在被测钢板表面进行贴覆。具体的光纤贴覆原理示意图如图4.10(a)所示。图4.10(b)是应变检测光纤贴覆实物图。

(a) 原理示意图

(b) 测量样品实物图

图4.10 扭转检测实验的光纤贴覆图

用游标卡尺测得图4.10(a)中贴敷光纤的长度分别为l1=219.04mm，l2=219.48mm。

该实验样品中应变检测光纤具体的贴覆方法与系统特性研究实验中的贴覆方法完全相同。因此，可用之前的标定结果对本实验测量结果进行应变表示。

(2) 实验的开展及结果分析

实验时，通过在样品的N角和S角（见图4.10(a)）分别朝外施加应力，同时固定其它三个未加力角，使受力角发生步进约1°的均匀扭转。利用所构建的应变测量系统对两条应变检测光纤的测量值进行检测。

测量得到的实验数据及其处理结果见表4.3。其中，应变值（即实际应变值）是通过测量得到的测量值求出实测应变值后，再结合式4.9计算得到。图4.11为根据应力量和实际应变值绘制的坐标图。

表4.3 扭转形变检测数据分析表（如未特殊标注，表中数据单位均为mm）

扭转量 (°)

测量值 (N点)

正测光纤

应变值测量值 (με) (S点)

测量值

(N点)

斜测光纤

测量值应变值

(με) (S点)

应变值

(με) 应变值(με)

0 0.183 0 0.179 0 0.312 0 0.309 0 1 0.180 -11 0.178 -6 0.304 -34 0.310 6 2 0.179 -17 0.177 -9 0.296 -68 0.314 22 52

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表4.3（续）

扭转量 (°)

正测光纤

测量值应变值测量值(N点) (με) (S点)

测量值

(N点)

斜测光纤

应变值测量值应变值 (με) (S点) (με)

应变值

(με)

3 0.178 -21 0.174 -20 0.290 -91 0.316 29 4 0.176 -29 0.171 -35 0.286 -111 0.322 57 5 0.174 -38 0.169 -41 0.278 -142 0.323 62 6 0.172 -46 0.167 -50 0.275 -156 0.326 69 7 0.170 -53 0.1 -60 0.268 -183 0.329 85 8 0.168 -63 0.162 -70 0.265 -195 0.332 97 9 0.166 -71 0.160 -80 0.260 -219 0.338 119 10 0.163 -81 0.158 -87 0.253 -245 0.339 126 11 0.161 -90 0.1 -102 0.247 -270 0.340 130 12 0.160 -95 0.150 -118 0.236 -316 0.343 143

图4.11 扭转形变检测结果坐标图

从图4.11中可以看出，在N角或S角对实验样品（弹性钢板）朝外施加应力，对正测光纤（l1）所产生的影响（应变值的变化规律）基本一致，都呈微缩状态，但对斜测光纤（l2）所产生的影响（应变值的变化规律）比较不同。当在N角朝外施加应力时，对应变检测光纤所产生的压缩效果明显大于在S角朝外施加应力时对应变检测光纤所产生的拉伸效果（斜率绝对值相差两倍以上）。

在给弹性钢板的某一个角施加应力时，其它三个角被固定住，所以，弹性钢板产生的扭转

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

不是以长边轴心为扭转轴。而对弹性钢板施加的应力朝向外侧，因此，贴覆应变检测光纤侧会有微压的情况产生。所以，实验所得结果跟理论分析一致。对于斜测光纤，情况也类似，在此不再展开分析。

该应用研究实验说明，课题所构建的应变测量系统可通过改变应变检测光纤的分布方式对被测物体的扭转及扭转量进行应用测量。而物体的扭转量是结构健康监测中的重要参量之一，尤其对于像风力发电机叶片、飞机机翼等大扭矩结构，往往容易因扭转疲劳而发生脱胶、开裂，以至结构断裂等健康问题。因此，进一步说明本课题所构建的应变测量系统在实际应用中的实用性。

4.3 本章小结

本章首先对构建的应变测量系统的关键性能参数进行了实验研究。结果表明，系统具有较好的线性度和重复性，其指标分别达到了±0.44%和0.4%。同时，对所构建系统的测量应变值进行了标定，得到实测应变值与理论应变值（实际应变值）之间的相关系数k为0.9110。随后，从光路干涉模块、应力施加机构、电机驱动平台、信号采集电路和软件设计等方面对系统的误差来源和精度提高方法进行了分析论述。

在确定了系统的各项性能参数及标定结果后，用该系统分别在实际的拉伸形变测量和扭转形变检测中进行了应用实验研究。研究结果表明，所构建的应变测量系统不仅能很好地应用于物体拉伸形变等简单应变量的测量，还可以通过对应变检测光纤具体分布方式的改进设计，实现对物体的扭转及扭转量的应用测量。

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第五章总结与展望

5.1

工作总结

光学低相干原理的强抗干扰性、高测量精度、易于多路复用等优点使其在越来越多的领域得到应用。而且，随着计算机技术、微电子技术、信号处理技术及高精密加工技术等的快速发展，也在各方面推动了低相干原理的发展与应用。本文利用目前较为先进的虚拟仪器技术、高精密加工技术和计算机技术等，开发设计了具有较好测量性能的光纤低相干应变测量系统。

本课题工作取得的主要成果包括以下几个方面：

1、通过对应变测量技术的发展及应用的详细调研，得出对其开展应用研究的必要性；通过对低相干测量原理及基于该原理的应变测量系统组成模块功能原理的分析，得出所构建低相干应变测量系统方案的可行性；通过对低相干应变测量实验所采用的三点弯曲法的理论分析论证，得出了实验方案的可实施性。

2、根据低相干应变测量系统的组成原理，结合课题研究工作的实际需求，设计并构建了光纤低相干应变测量传感系统。所构建的系统主要包括光路干涉、信号采集及处理、显示存储与控制4个模块，选用LabVIEW作为软件开发平台。系统模块组成中，光路干涉模块选择中心频率为1550nm的具有高分辨率、长时间稳定输出特点的ASE光源，干涉回路基于迈克尔逊干涉原理进行构建，连接光路采用能有效抑制色散的单模光纤，驱动平台采用赛凡光电公司的7SC3系列运动控制器及其配套的步进电机电动平移台；信号采集用凌华公司的具有12位模拟量输入功能且最高采样速率可达100kHz的PCI 9112数据采集卡实现，信号的处理进行了包括包络检波、峰值计算和复合滤波等工作，保证了测量系统具有较强的抗干扰性和较高的测量精度；对系统采样波形及测量结果进行了实时显示功能设计，使人机界面更加友好、软件更具可操作性，数据存储设计了测量数据的自动存储和测量结果的导出存储功能；控制模块主要保证了步进电机运动平移台和信号采集动作的有序性，从而保证系统测量过程有序、可靠地进行。

3、通过具体实验对构建的应变测量系统（包括应变检测传感器）的各项性能参数进行了研究。性能研究实验中，应变检测光纤用环氧树脂胶结剂贴覆于实验样品（弹性钢板）表面，三点弯曲法测量平台用轻灵平移台7STM02213等构建。首先，研究实验结果表明，所构建系统的线性度达到了±0.44%，重复性达到0.4%；之后进行的系统测量应变值标定，得到系统实测应变值与理论应变值（实际应变值）之间的相关系数k为0.9110；最后，从光路干涉模块、应力施加机构、电机驱动平台、信号采集电路和软件设计等方面对系统的误差来源和精度提高方法进行了分析论述。

4、用所构建的光纤低相干应变测量系统对物体的拉伸形变及扭转形变分别进行了应用实

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

验研究。拉伸形变测量研究实验中，采用了与性能研究实验相同的光纤贴覆方法，将应变检测光纤贴覆于等强度梁上边沿，然后对等强度梁等量增加应力砝码，使其产生弯曲形变，结果表明，所构建的应变测量系统能很好地应用于物体拉伸形变的应用测量中；扭转形变的检测将两条长约219mm的应变检测光纤以一定角度交叉贴覆于被测物体表面，通过对物体施加应力使其发生等量扭转，实验结果表明，随着扭转量的变化，两条不同贴覆位置应变检测光纤的测量结果各有其规律，进而说明所构建的应变测量系统可用于物体扭转及扭转量的应用测量中。

5.2 展望

5.2.1 工作中待改进的地方

虽然所构建的应变测量系统具有较好的功能特性，但也存在一些不足，主要包括以下两个方面：

(1) 测量速度有待提高

在进行系统设计构建时，提到本课题系统的设计研究属于前期的探索性研究阶段，因此，以系统方案的可行性为主要研究目的。但是，作为一个测量系统，其测量速度不可忽视。所以，下面就不同应用环境分别对系统测量速度的提高方式进行分析论述。

1) 大应变测量环境

由于参考臂上扫描反射平面镜及其驱动平台主要用来寻找系统的干涉点，因此，对于大应变测量，驱动平台的扫描行程也比较大。对于这种测量情况，必需提高驱动平台的扫描速度。但随着驱动平台扫描速度的提高，干涉信号的频率也将随之增大。根据香农采样定理，信号的采样速率也应该随之增大。因此，对于大应变的测量，应从提高驱动平台的扫描速度和增大信号采样频率两个方面着手。

随着扫描速度的提高，系统的干扰也随之增大，因此，对系统的信号处理等抗干扰措施提出了更高的要求。同时，系统采样频率的增大将大大提高系统的构建成本。因此，系统测量速度的提高及提高到的程度，都需要根据实际的需求和条件来决定。

2) 小应变测量环境

小应变测量和大应变测量的不同之处在于，它的扫描行程较短，因此，扫描速度对其所产生的影响相对较小。对于这种测量情况也可以使用大应变的测量速度提高方式，但从设计成本考虑，应该从其它方面寻找改进途径。可行的改进途径之一是改变信号采集时的检波方法。其实现思路是，在干涉信号的采集过程中，当系统（可在软件中实现）确定检测到干涉点时（波峰或波谷），立即停止后续信号的采集，同时停止扫描。这样，可以有效地节省系统的测量时间。至于如何确定已检测到系统的干涉点，则需要设计者另外开动脑筋，在此不再赘述。此外，驱动平台改用PZT驱动方式也是提高扫描速度的可行方法之一。

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(2) 抗干扰性的加强

虽然课题所构建的测量系统从干涉原理的选择和信号处理等方面在一定程度上提高了系统的抗干扰性，但是，前端干涉回路所引入的干扰，系统中并未采取比较有效的措施，而它是系统干扰的初始来源，也是大误差（干扰）的主要来源之一。因此，只有有效地阻止前端干涉回路所引入的干扰误差，才能在源头上抑制干扰。前端干涉回路的组成中，最容易引入测量误差（干扰）的是传输光纤，同时，驱动扫描平台也是主要的误差（干扰）来源之一。因此，它们应是系统优化设计的重点。可行的方法之一是对前端干涉回路进行集成设计，这样，可以在很大程度上减弱上述干扰。当然，系统的其它组成模块也会在一定程度上引入干扰，较为彻底的解决方法是对整个测量系统进行功能集成，其中也包括对电磁兼容等的设计。

5.2.2 后续工作展望

针对本课题系统所存在的不足，以及完整系统功能设计的要求，后续的研究工作可以从以下几个方面进行开展：

(1) 温度等环境因素对系统的影响

虽然通过测量值的作差法可以在一定程度上抵消系统固有误差，但是环境因素对系统所带来的影响还是不可避免，因此，如何对此类影响进行抑制或补偿，是该部分工作的核心。比如，温度对光纤所产生的影响有其规律性，因此，对于此类影响因素，可以采用温度补偿的方式进行实现。

(2) 多通道分布式检测系统的研究开发

在选择低相干作为测量系统的干涉原理进行应用时，已经阐述了该原理易于进行多路复用的重要性。对于一个测量系统，如果只能进行单通道检测，其性价比就显得比较低。低相干法传感检测光纤的多路复用方式比较多。例如，可以对传感检测光纤采用串联式多路复用[23,86-90]、并联式多路复用[91]、矩阵式多路复用[]以及环形网络复用[92]等。不同的复用方式有其固有的优缺点，因此，在进行多通道分布式检测系统的研发时，应根据具体的应用对象选择最合适的复用方式。

(3) 应用性研究的开展

测量系统只有在具体对象中进行应用才有实际意义。因此，开展应变测量系统在建筑、桥梁、大坝、船舶、风力发电机、飞机等实际检测对象中的应用研究也是研究工作所不可缺少的。该项工作的重点主要是根据具体的应用对象设计具体的传感检测方式。比如，对于本文所进行的扭转检测研究，可以应用于风力发电机叶片及飞机机翼的结构健康监测中。

(4) 嵌入式测量系统的开发

嵌入式测量系统的开发——即系统的集成开发，是测量系统成品化开发的必然结果。它不仅使所开发的系统具有更加紧凑小巧的体积，易于进行现场应用，而且将使所开发的系统具有

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

更高的稳定性和更强的抗干扰性。但是，进行系统集成开发时，除了要较好地实现系统的应变传感检测功能外，还应使开发的系统具有易于进行功能扩展和组成传感网络的特点。

南京航空航天大学硕士学位论文

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南京航空航天大学硕士学位论文

致谢

本文的研究工作是在导师朱永凯的悉心指导下顺利完成的。朱老师严谨务实的治学态度，一丝不苟的工作作风，平易近人的待人态度都深深地影响了我，也将是我学习的榜样。两年多来，不论是课题研究还是社会实践，朱老师都给了我最大的发挥空间，同时又不忘在关键时刻给予我指导和帮助，可谓倾注了大量的时间和心血，在此向朱老师表示诚挚的谢意！

同时，感谢实验室王海涛老师所提供的指导和帮助；感谢潘仁前、李二飞、崇博等同学在课题研究中所提供的建议和帮助，并协助我完成课题实验。在两年多的学习和生活期间，实验室的崔利东、孙海龙、张雅静、孙衍国、顾鑫、林啸鸣、刘智、甄理、史振、张颖、杨初、李小伟等室友们以及舍友肖福勤、叶红兵、曹伟杰和已经毕业的孙逸飞、邹恒、戴恒、程继隆、蔡佳慧等师兄师姐都给过我帮助、鼓励和启发，使我受益匪浅，谢谢他们伴我度过了充实而又愉快的研究生生活。

当然，更要感谢我的家人，他们在生活和精神上所给予的无微不至的关怀和支持是我顺利完成学业的源动力！

最后，感谢所有曾经关心、帮助过我的老师、同学、亲人和朋友们。

基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

在学期间的研究成果及发表的学术论文

发表论文

1. 陈盛票, 朱永凯, 田贵云, 等. 基于碳纳米管压阻效应的复合材料结构健康监测技术. 2010远东无损检测新技术论坛论文集.

申请专利

1. 赵波, 陈盛票, 董颖华, 等. 智能电能表计量误差与EMS频率自动匹配测试系统及方法. 专利申请号: 201010500069.2.

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