一種光纖光柵解調設備生產線自動檢測裝置和檢測算法

熊藝文，林奕森，馬 莉，秦文忠

（1.桂林航天工業學院 計算機科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林市光明科技實業有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

布拉格光纖光柵（FBG）傳感器光，具有電絕緣性良好，抗電磁干擾（EMI）和抗射頻干擾（RFI）能力強，化學性能穩定、耐腐蝕，體積小、重量輕，傳輸損耗小、容量大，結構形式靈活、靈敏度高等特性[1]，故其構成的應力、應變、溫度及振動等多參量檢測的光纖光柵傳感網絡有突出的優勢，正逐漸取代傳統傳感器而成為傳感器家族的主力軍，具有廣闊的應用前景。

1 原理

其原理是在光纖上用紫外光刻寫光柵，利用FBG波長對溫度和應變的敏感性（即溫度和應變同時引起光纖光柵波長移動），通過測量光柵反射波長，可換算被測體溫度/應變等物理量，因此FBG 傳感器可廣泛適用于溫度、應變、應力、位移、壓強、液位、扭角、扭知（扭應力）、加速度、電流、電壓、磁場、頻率及濃度等測量。

針對FBG 傳感器數據采集采用的是寬帶激光光源的掃描反射光譜的波長解調，因此，它屬于無源傳感器應用[2]。在需要長期監測的各種結構健康監測系統中得到廣泛的使用，如橋梁、大壩、航空航天、石油化工等行業。隨著光纖傳感技術的發展，在光纖傳感數據采集領域，各種基于光纖傳感器包括震動傳感器、溫度、應力傳感器等廣泛應用，結合光纖通信技術，正在被廣泛應用于電子圍欄、火災報警、安全圍欄、橋梁隧道、路基等傳感監測領域。相應的光纖光柵傳感器的解調設備也出現大量生產和應用需求，由于光纖光柵解調設備對光纖光柵傳感器的應用采用的是傳感器串接后接入到光纖光柵解調設備對應的通道上，每個通道可以串接32 個光纖光柵傳感器，由于在建筑、地質等領域監測范圍廣的原因，所應用的光纖光柵傳感器的數量極其龐大，這就要求光纖光柵解調設備自帶的通道數盡可能多，用來解調如此龐大的光纖采集數據。而生產過程中，對光纖光柵解調設備各通道的性能好壞的檢測往往是人工處理的，這就造成工作量大、操作繁瑣，檢測效率低、成本高。設計一種光纖光柵解調設備生產線自動檢測裝置以及檢測算法就能有效提高檢測效率，降低人工成本，達到提高待測光纖光柵解調器在生產過程中的檢測性能，迅速判斷可靠性指標正常與否，迅速定位故障通道的目的。

2 裝置結構設計方案

針對光纖光柵解調設備生產過程中人工檢測光纖通道可靠性指標正常與否等繁瑣的問題，為了提高檢測效率和檢測正確性、減輕檢測人員工作量，本論文設計了一種光纖光柵解調設備的生產線自動檢測裝置和檢測算法，具體設計方案如下：

在光纖光柵解調設備出廠的檢測過程中，通過兩軸聯動定位裝置水平、垂直移動以及電動伸縮桿的前后伸縮移動準確的嵌入待測光纖光柵解調儀設備上的某個通道插口上，以便通過光纖光柵解調設備讀取連接該通道上的光纖光柵傳感器數據，并上傳到與待測光纖光柵解調設備連接的檢測管理主機中，以便分析該通道的物理連接可靠性和采集數據的正確與否，以此來檢測待測光纖光柵解調設備在生產過程中的性能、可靠性指標正常與否。

2.1 光纖光柵解調設備生產線自動檢測裝置結構設計

該光纖光柵解調設備的生產線自動檢測裝置包括：儀器擺放工作臺、待測光纖光柵解調設備、檢測管理主機、承載臺、兩軸聯動定位裝置、電動伸縮桿，其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 光纖光柵解調設備生產線自動檢測裝置

儀器擺放工作臺用于放置和固定待測光纖光柵解調設備；兩軸聯動定位裝置設置在儀器擺放工作臺上并固定在待測光纖光柵解調設備的左側，主要用于實現水平直線運動和垂直直線運動，實現光纖通道的檢測；承載臺固定在兩軸聯動定位裝置上，主要用于承載和固定電動伸縮桿；電動伸縮桿固定在所述承載臺上，并在兩軸聯動定位裝置的帶動下實現水平直線運動和垂直直線運動；管理主機主要分別實現跟兩軸聯動定位裝置、電動伸縮桿、待測光纖光柵解調設備的連接，在檢測光纖光柵解調器通道是否正常工作的同時，迅速定位故障通道的位置。

2.2 電動伸縮桿結構設計

光纖光柵解調設備的生產線自動檢測裝置的核心部件就是電動伸縮桿，主要功能是實現每個通道的檢測。電動伸縮桿包括伸縮桿、電動缸、FC/APC 接頭和光纖連接部。電動伸縮桿的結構如圖2 所示。

圖2 電動伸縮桿結構示意圖

伸縮桿由電動缸驅動，伸縮桿的一端固定在電動缸靠近待測光纖光柵解調設備的一端，FC/APC 接頭則固定在伸縮桿的另一端，FC/APC 接頭的作用是接入光纖連接通道，實現跟待測光纖光柵解調儀的連接以及光纖數據的傳輸，而光纖連接部的功能是對接工作中的光纖，實現光纖數據的采集，再通過FC/APC接頭將數據輸入到待測光纖光柵解調儀中。電動缸伸縮桿采用24 V 直流供電，行程比較小，只有30 mm，同時由管理主機控制電動缸的伸縮。

2.3 兩軸聯動定位裝置的結構設計

兩軸聯動定位裝置包括X軸直線模組、Y軸直線模組。其中，X軸直線模組固定在儀器擺放工作臺上固定有待測光纖光柵解調設備的一側，Y軸直線模組豎直設置在X軸直線模組上并可在X軸直線模組的帶動下作水平直線運動，承載臺則設置在Y軸直線模組上，并可在Y軸直線模組的帶動下作垂直直線運動。兩軸聯動定位裝置還包括用于測量FC/APC 接頭水平直線運動距離的第一光柵尺和用于測量FC/APC 接頭垂直直線運動距離的第二光柵尺，第一光柵尺和第二光柵尺分別與檢測管理主機連接。

2.4 多層固定支架結構設計

多層固定支架的功能是固定待測光纖光柵解調儀設備，多層固定支架包括：豎直支撐板、水平支撐底板，其結構設計示意圖如圖3 所示，多層固定支架后視圖如圖4 所示。

圖3 多層固定支架前方結構示意圖

圖4 多層固定支架后視圖

儀器擺放工作臺上固定設置有多層固定支架，多層固定支架用于放置若干個待測光纖光柵解調設備。多層固定支架包括兩塊豎直支撐板和若干水平支撐底板，兩塊豎直支撐板相對設置，且互相平行，每層固定支架之間相互獨立。若干水平支撐底板設置在兩塊豎直支撐板之間，任何兩塊水平支撐底板之間的空間尺寸與待測光纖光柵解調設備的尺寸匹配，兩塊豎直支撐板在遠離待測光纖光柵解調設備通道的一側上設置了與待測光纖光柵解調設備所在位置相匹配的限位構件，主要是用于針對待測光纖光柵解調設備在兩塊水平支撐底板之間的空間處進行限位。限位構件包括固定在豎直支撐板上的定位桿以及一端可圍繞定位桿旋轉的擋塊。

設置多層固定支架的功能在于在檢測上層固定支架的光纖光柵解調儀時，可以拆除下層已經檢測過的光纖光柵解調儀，目的就是在可承重的前提下及時輪換放置待檢測的光纖光柵解調儀，將檢測完成的解調儀及時取走，方便更換新一批待測解調儀，實現往復循環，針對批量檢測的過程中，能有效提高檢測效率。

3 定位控制算法

光纖光柵解調儀設備的生產線自動檢測裝置的電動伸縮桿上設置有n個FC/APC 接頭（n≥1），用于同時匹配待測光纖光柵解調設備上當前層次的m個通道數，水平相鄰兩個通道中心的距離為d，垂直相鄰兩個通道之間的距離為h。每個FC/APC 接頭的光纖連接部連接有1 條光纖，而每條光纖上串接了若干個光柵傳感器，光纖光柵解調儀設備的每個通道的目的就是將這若干條串接光纖的數據按照每條光纖的數據分別解調出來，而該裝置就是用來檢測待測光纖光柵解調設備的通道是否正常工作。定位算法主要用于控制兩軸聯動定位裝置與電動伸縮桿相互配合使用，使得FC/APC 接頭自動插入待測光纖光柵解調設備的對應通道內部，以及讀取待測光纖光柵解調設備的信息，以分析判定待測光纖光柵解調設備的對應通道連接的可靠性和數據準確性。

為了進一步提高檢測效率、減輕檢測人員工作量，徹底解決光纖光柵解調設備生產過程中人工檢測繁瑣的問題。根據檢測任務需求的不同，裝置可以進行相應的功能擴展，對應的檢測方法也有所不同。本論文提出了三種光纖光柵解調設備的生產線自動檢測算法，用于實現不同情況下的檢測任務：

當待測光纖光柵解調設備當前層次的通道數為m，電動伸縮桿上的FC/APC 接頭數n=1 時，管理主機的定位控制算法和運動軌跡為：

步驟（1）：管理主機控制兩軸聯動定位裝置驅動電動伸縮桿上的1 個FC/APC 接頭運動至初始位置，也就是在最左側，并且剛好對準放置在多層固定支架對應層的待測光纖光柵解調設備的最左側通道；管理主機控制電動伸縮桿向前伸出，使得FC/APC 接頭與該待測光纖光柵解調設備的第1 個通道連接，完成數據交互后，管理主機控制電動伸縮桿向后縮進，完成第一個通道的檢測任務，再向右移動d個距離；在檢測該待測光纖光柵解調設備的第i個通道時，檢測管理主機控制兩軸聯動定位裝置向右移動（i-1）d，并且控制電動伸縮桿向前伸出，使得FC/APC 接頭與該待測光纖光柵解調設備的第i個通道連接，等檢測管理主機讀取對應待測光纖光柵解調設備的信息后控制電動伸縮桿向后縮回，如此循環m次，直至檢測完該層待測光纖光柵解調設備的m個通道；

步驟（2）：在檢測完一層待測光纖光柵解調設備的m個通道后，檢測管理主機控制兩軸聯動定位裝置向左運動回到該層初始位置，也就是最左側，在需要檢測上一層或下一層待測光纖光柵解調設備時，則檢測管理主機控制兩軸聯動定位裝置垂直向上或垂直向下運動h的距離，然后重復步驟（1）即可完成檢測任務。

當待測光纖光柵解調設備當前層次的通道數為m，電動伸縮桿上的FC/APC 接頭數，且時，管理主機的定位控制算法和運動軌跡為：

步驟（1）：管理主機控制兩軸聯動定位裝置驅動電動伸縮桿上的n個FC/APC 接頭運動至初始位置，也就是在最左側，并且剛好使得最左側的FC/APC 接頭對準放置在多層固定支架對應層的待測光纖光柵解調設備的最左側通道；管理主機控制n個電動伸縮桿向前伸出，使得FC/APC 接頭與該待測光纖光柵解調設備的n個通道連接，完成數據交互后，管理主機控制電動伸縮桿向后縮進，則完成該層次的檢測任務；

步驟（2）：在檢測完該層待測光纖光柵解調設備的m個通道后，管理主機控制兩軸聯動定位裝置垂直向上或垂直向下運動h距離，然后重復步驟（1）即可完成相鄰層待測光纖光柵解調設備的通道的檢測任務。

當待測光纖光柵解調設備當前層次的通道數為m，電動伸縮桿上的FC/APC 接頭數，且時，管理主機的定位控制算法和運動軌跡為：

步驟（1）：管理主機控制兩軸聯動定位裝置驅動電動伸縮桿上的n個FC/APC 接頭運動至初始位置，也就是在最左側，并且剛好使得最左側的FC/APC 接頭對準放置在多層固定支架對應層的待測光纖光柵解調設備的最左側通道；管理主機控制n個電動伸縮桿向前伸出，使得n個FC/APC 接頭分別與待測光纖光柵解調設備的對應n個通道分別一一對應連接，完成數據交互后，管理主機控制電動伸縮桿向后縮進，使得n個FC/APC 接頭分別與待測光纖光柵解調設備的對應n個通道分離；

步驟（2）：管理主機控制兩軸聯動定位裝置帶動電動伸縮桿上n個FC/APC 接頭往右運動n*d距離，繼續檢測下一n個通道，直至重復K次，其中K由式（1）計算得到。

如此循環則完成該層待測光纖光柵解調設備的檢測任務；

步驟（3）：在檢測完該層待測光纖光柵解調設備的m個通道后，管理主機控制兩軸聯動定位裝置向左運動回到該層初始位置，也就是最左側，在需要檢測上一層或下一層待測光纖光柵解調設備時，則檢測管理主機控制兩軸聯動定位裝置垂直向上或垂直向下運動h距離，然后重復步驟（1）-（2）即可完成相鄰層待測光纖光柵解調設備的檢測任務。

該裝置的定位控制算法流程見圖5。

圖5 定位控制算法流程圖

4 結語

一種新的光纖光柵解調設備的生產線自動檢測裝置，其創新點為：設置多層固定支架，可同時對多個待測光纖光柵解調設備進行檢測，提高了檢測效率。通過多層固定支架對光纖光柵解調設備進行限位，提高了檢測的精度。同時，該裝置采用光柵尺輔助定位，提高了定位精度。根據檢測任務需求的不同，裝置可以進行相應的功能擴展，來應對不通情況下的通道數和電動伸縮桿數量。

提出的3 種光纖光柵解調設備的生產線自動檢測算法，用于實現不同情況下的檢測任務。同時，對多層固定支架與兩軸聯動定位裝置的相對位置進行合理設置，兩軸聯動定位裝置帶動電動伸縮桿上的n個FC/APC 接頭運動至最左側時，使得電動伸縮桿上的最左側的FC/APC 接頭正對待測光纖光柵解調設備的最左側通道，如此簡化了定位算法，提高了定位效率和檢測精度。

隨著自動檢測裝置的功能擴展，能實現批量自動檢測的功能，無需人工一一檢測，有效降低人工成本，達到提高待測光纖光柵解調器在生產過程中的檢測性能，迅速判斷可靠性指標正常與否，迅速定位故障通道的目的，適合批量投入市場使用。