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

　　近年來，高速鐵路在我國得到了蓬勃發(fā)展。高速鐵路的特點是行車密度大，因此如果發(fā)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(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(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，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(xiàn)對溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的感測。

　　組態(tài)軟件為“組態(tài)式監(jiān)控軟件”?！敖M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(tài)”?！氨O(jiān)控”（Supervisory Control）指通過計算機信號對自動化設(shè)備或過程進行監(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。當(dāng)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(jié)構(gòu)導(dǎo)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(yīng)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(dāng)彈性體受到壓力時，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(yīng)變。

　　1.2 物理邏輯模型

　　光纖[4]光柵感應(yīng)輸出的是波長改變量，必須采用專用的波長解調(diào)設(shè)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(yīng)力傳感器與波長解調(diào)儀組成的應(yīng)力測量系統(tǒng)。

　　該應(yīng)力測量系統(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濾波器的波長解調(diào)儀和計算機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光纖光柵應(yīng)力傳感器，這些光纖光柵通常要進行串接。由寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號經(jīng)過隔離器和3 dB耦合器傳輸?shù)酱拥膫鞲泄鈻派?，?jīng)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(jīng)過3 dB耦合器由波長解調(diào)儀接收，經(jīng)過波長解調(diào)儀對這些波長進行識別，得到一組應(yīng)力傳感信息。當(dāng)檢測傳感器外部應(yīng)力發(fā)生變化時，通過光柵解調(diào)器監(jiān)測出波長的變化即應(yīng)力變化之后，輸入到計算機進行數(shù)據(jù)分析處理，最后得到傳感器受壓分布狀況，從而判斷是否會產(chǎn)生塌方、位移等危險影響，起到報警作用。

　　波長解調(diào)儀由可調(diào)F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發(fā)生器、抖動信號發(fā)生器、信號混合器和LP低通濾波器五部分組成。波長解調(diào)儀的工作原理是：波長編碼的壓力傳感信號輸入到可調(diào)諧F-P濾波器，當(dāng)鋸齒波驅(qū)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(jù)此時的F-P濾波器驅(qū)動電壓與透射波長關(guān)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(jīng)混頻和低通濾波器，測量抖動頻率，在信號為零時，所測得數(shù)據(jù)即為光柵的反射峰值波長。

　　1.3 組態(tài)軟件