基于組態(tài)軟件與光纖光柵傳感技術(shù)的監測系統在鐵路上的應用

　　近年來(lái)，高速鐵路在我國得到了蓬勃發(fā)展。高速鐵路的特點(diǎn)是行車(chē)密度大，因此如果發(fā)生事故其造成的后果也會(huì )非常嚴重。保障運行列車(chē)的安全成為日益凸顯的重要研究?jì)热荨?/P>

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構，導致某一特定波長(cháng)光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長(cháng)對溫度、應力和應變敏感，當環(huán)境溫度、應力或應變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵反射光的峰值波長(cháng)漂移，通過(guò)對波長(cháng)漂移量的度量就可以實(shí)現對溫度、應力和應變的感測。

　　組態(tài)軟件為“組態(tài)式監控軟件”?！敖M態(tài)”(Configure)的含義是“配置”、“設定”、“設置”，指用戶(hù)通過(guò)類(lèi)似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來(lái)完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫(xiě)計算機程序，即所謂的“組態(tài)”?！氨O控”（Supervisory Control）指通過(guò)計算機信號對自動(dòng)化設備或過(guò)程進(jìn)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(shí)，折射率分布的周期性結構導致某一特定波長(cháng)光的反射，反射光的波長(cháng)（即諧振波長(cháng)）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(zhù)在某一彈性體上，同時(shí)進(jìn)行保護封裝。當彈性體受到壓力時(shí)，光纖光柵與彈性體一起發(fā)生應變，導致光纖光柵的諧振波長(cháng)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(cháng)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(cháng)改變量，必須采用專(zhuān)用的波長(cháng)解調設備進(jìn)行波長(cháng)識別，然后送入計算機進(jìn)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(cháng)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(cháng)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(gè)光纖光柵應力傳感器，這些光纖光柵通常要進(jìn)行串接。由寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號經(jīng)過(guò)隔離器和3 dB耦合器傳輸到串接的傳感光柵上，經(jīng)過(guò)這些光纖光柵的波長(cháng)選擇后，一組不同波長(cháng)的窄帶光被反射，反射光再次經(jīng)過(guò)3 dB耦合器由波長(cháng)解調儀接收，經(jīng)過(guò)波長(cháng)解調儀對這些波長(cháng)進(jìn)行識別，得到一組應力傳感信息。當檢測傳感器外部應力發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)光柵解調器監測出波長(cháng)的變化即應力變化之后，輸入到計算機進(jìn)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(huì )產(chǎn)生塌方、位移等危險影響，起到報警作用。

　　波長(cháng)解調儀由可調F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發(fā)生器、抖動(dòng)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(cháng)解調儀的工作原理是：波長(cháng)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(dòng)F-P濾波器使其透射波峰與光纖光柵反射峰重合時(shí)，即可根據此時(shí)的F-P濾波器驅動(dòng)電壓與透射波長(cháng)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(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，測量抖動(dòng)頻率，在信號為零時(shí)，所測得數據即為光柵的反射峰值波長(cháng)。

　　1.3 組態(tài)軟件