光纤陀螺监测系统设计

光纤陀螺监测系统设计（精选6篇）

光纤陀螺监测系统设计 篇1

目前，我国中、低精度的光纤陀螺研究已经达到国际领先水平并进入批量生产阶段，在军事和民用方面的应用越来越广泛，研究人员正在努力攻克高精度光纤陀螺的相关技术[1]。光纤陀螺的性能优劣取决于其性能指标是否符合要求，为了准确评价每个光纤陀螺的性能，确保其精度和稳定性，完善的测试方法和高精度的测试系统是必不可少的。光纤陀螺的自动化测试系统是指由工控机控制若干设备，通过专用的数据采集设备完成数据的自动化采集及处理，并给出测试结果[2,3,4,5]。

因此，本文提出一种基于虚拟仪器架构的光纤陀螺性能参数自动化试测试系统设计方案，通过专用的控制采集测试仪实现四路光纤陀螺信号采集并通过以太网发送给上位机进行显示、存储及处理，通过工控机对转台温箱进行实时控制，通过电压电流表测试产品电流，自动进行数据处理并生成相关报表。

1 光纤陀螺自动化测试系统方案

光纤陀螺自动化测试系统适用于对3种不同类型的三轴光纤陀螺进行标定、验证及性能测试，确定其性能参数是否符合产品技术指标的要求。其主要功能要求:(1)可同时进行四路三轴光纤陀螺的测试，支持3种不同协议类型的产品性能测试。(2)可对高速数据进行保存。(3)提供三轴光纤陀螺测试所需的电压信号，并且实现产品通电的自动通断。(4)实现三轴转台的远程控制。上位机能与三轴转台进行通信，可以按照测试规范加载不同的转速，控制转台按照既定转速转动、停止。(5)实现温箱的远程控制。上位机能与ACS温箱进行通信，以进行远程控制，可以设定温箱温度，启动温箱升/降温，停止温箱，读取温箱温度等。(6)实现测试系统的参数设置。可以通过上位机测试界面自由切换产品类型，选择测试项目，设置通信协议、产品名、温度因子、脉冲宽度等。能够实时采集四路光纤陀螺的RS422信号、脉冲信号，并能实时显示X轴、Y轴和Z轴的曲线图。(7)数据自动处理。按照测试规范要求，实现对各路采集数据的自动化处理，并显示处理结果，生成相应的报表，计算参数包括:零偏、零偏稳定性、零偏重复性、刻度因数、刻度因数非线性度、刻度因数重复性以及不正交角等[9]。(8)测试过程中记录测试日志，方便工作人员查看测试流程。

2 系统硬件设计

光纤陀螺自动化测试系统中，系统硬件主要包括计算机、温箱转台、电压电流表以及控制采集测试仪等，其中计算机、温箱转台和电压电流表都采用成熟的模块。控制采集测试仪作为整个系统的核心，主要完成光纤陀螺的数据采集和供电控制，是系统研发的重点和难点，因此本章主要介绍控制采集测试仪的硬件设计。控制采集测试仪的主要构成部分包括:存储模块、以太网模块、信号处理模块、FPGA模块、电源模块以及基于SOPC的嵌入式系统设计等6个部分，如图2所示。

内存在系统运行中起到了重要的作用，它提供了操作系统的运行环境，缓存应用程序代码。本系统选用两片Micron公司生产的MT47H16M16芯片，一片用作数据总线高16位，一片用作数据总线的低16位，构建了数据总线为32位，大小为64 MB的内存系统。

设计中的以太网模块主要完成光纤陀螺数据的高速实时传输，其接口电路通常由MAC控制器和物理层接口电路这两大部分组成。文中选用Marvell88E1111实现以太网物理层，FPGA内部集成的三态以太网媒体访问控制器实现外部物理层芯片的控制，构建基于以太网的数据高速传输模块。DP83865的工作状况可由配置信息决定，可通过MDIO接口访问其内部寄存器。

该系统应用于温湿度及电磁环境复杂的工业测试中，在系统设计中，光纤陀螺的输出信号连接电缆应采用屏蔽双绞线，这样不仅可以抵御外界的电磁干扰，同时也可以降低自身信号的对外干扰;同时为保证系统工作的可靠性，光纤陀螺RS422信号的地线与芯片地线需要通过屏蔽层连接起来。

系统需要提供6种不同的电压，分别是27 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.0 V以及0.9 V。其中光纤陀螺供电所需的27 V电压直接从外部电压源提供，不需要单独设计;FPGA需要I/O电压3.3 V，电压稳定在3.3 V±10%即可正常工作，内核电压采用1.0 V，同时还需要2.5 V的供电电压;DDR2 SDRAM采用了SSTL＿18的电平标准，需要1.8 V的I/O电压和核电压VDDQ，同时SSTL＿18电平标准需要高精度的0.9 V电平作为参考电压VREF以及0.9 V的终结电压VTT。根据以上分析，最终确定的电源模块设计方案为:外部提供27 V和5 V的直流电压，将5 V直流电源输入转换为满足系统要求的3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.0 V和0.9 V电压。

系统选用Xilinx公司Virtex-5系列的XC5VFX30T作为控制采集测试仪的核心处理芯片它内部嵌入了Power PC440硬核处理器，4个10/100/1 000 Mbit·s-1以太网MAC模块，能够快速方便的解决数据的高速传输问题。同时它支持360个可配置I/O端口，2 448 k B的BRAM，能够实现各种外部设备的并行控制和数据的采集、存储及处理。XC5VFX30T采用3.3 V供电，内核供电电压仅为1.0 V，具有超低功耗[8]。

Xilinx公司各系列的FPGA支持功能强大的EDK(Embedded Development Kit)嵌入式开发平台，将微处理器(PowerPC、Microblaze)与各种外设控制器通过系统总线进行互联，从而构建基于SOPC的嵌入式系统硬件平台[6]，如图3所示。

系统中，通过Xilinx公司的嵌入式系统开发平台EDK建立满足要求的嵌入式系统，组件面板如图4所示。

3 系统软件设计

Xilinx公司开发的SDK软件能够与XPS形成的硬件系统紧密联合，操作简单，能够方便地进行嵌入式系统软件开发[7]。在系统相关的参数设置完毕后，将自动生成工程所需的库文件和板级支持包，此时就可以编写下位机数据采集及高速传输的应用程序。该应用程序的主要功能是从FIFO中读取1 s的光纤陀螺数据并通过以太网传输给上位机，其具体流程图如图5所示。

在搭建的SOPC系统为设计提供了硬件基础，实现了MAC层以下的网络功能，但是系统的运行、设备的控制以及以太网的TCP/IP协议的实现需要由软件来实现。本文使用EDK下集成的软件编译环境SDK，用于实现LWIP TCP/IP协议，其中应用程序部分要求实现整个TCP/IP协议栈的内容，在设置好系统的软件平台后，需要编写各种关于网络传输控制的应用程序。本文使用LWIP协议库的功能并采取RAW模式实现方式。系统使用Marvell88E1111实现以太网物理层，而SOPC系统中XPS＿LL＿TEMAC核实现网络协议中的数据链路测MAC功能，为实现以太网与上层的网络层、传输层进行通信，需要为LWIP的接口编写驱动程序，Xilinx公司为用户提供了丰富的API函数，lwip＿init()函数实现了LWIP协议栈的初始化，xemac＿add()函数完成了MAC地址IP地址和网关信息的设置，tcp＿new()创建了一个新的TCP连接，tcp＿bind()函数绑定这个tcp服务的端口，tcp＿listen()函数对远程连接进行监听，tcp＿accept()函数正式接受连接，用户可以在tcp＿recv()函数和tcp＿sent()函数中设置相应的回调函数，当发送和接收完数据和命令后执行相应的操作。

由图可知，下位机首先完成以太网的连接，然后等待上位机命令，根据上位机命令类型，执行相关操作，这些操作包括产品断电、产品上电以及数据采集等。进行光纤陀螺数据采集前，上位机需先发送产品上电命令，检测产品电流是否正常，若不正常则产品断电，并提醒工作人员查看，否则根据数据采集命令，设置产品通信协议、允许中断，各个FIFO清零等。此时，FPGA开始采集陀螺数据，等待1 s定时到，从FIFO中读取各路光纤陀螺的1 s和数据并发送给上位机处理。

由于LabWindows/CVI提供了丰富的函数库和强大的接口功能，因此用户可以根据不同的需求方便的在平台上开发应用软件程序，光纤陀螺自动化测试系统的上位机软件设计主要包括温箱转台的控制、数据采集与处理、显示这两大部分组成，全部在LabWindows/CVI软件平台上实现。

测试系统软件采用模块化结构，软件功能主要包括文件、参数设置、数据处理、外围设备自动化控制及产品性能参数测试项目等5个部分。其整体功能框图如图6所示。

本着界面简洁、操作简单的设计理念设计了光纤陀螺性能参数自动化测试软件。根据测试规范要求，不同型号和工作状态的光纤陀螺，其输出也不同，因此设计了主界面，用户对光纤陀螺的型号和工作状态进行选择。主界面如图7和图8所示。

光纤陀螺的数据采集主要包括光纤陀螺的电流数据采集、光纤陀螺的温度数据采集、光纤陀螺的零偏数据采集和光纤陀螺的标度因数数据采集。

在这4种数据采集中，电流数据时先通过电流传感器转换为相应的电压，然后通过电流表进行采集;温度数据是FPGA采集光纤陀螺输出的RS422数据得到的;零偏测试时，首先通过转台时陀螺的X轴指地，采集角速度为零时陀螺的输出;标度因数是光纤陀螺输出值与输入值之间的比值，输入角速度在一定范围内变化时同时采集输出值，然后通过最小二乘拟合求得标度因数。系统总的测试流程如图9所示。

为准确评价光纤陀螺的性能，需要在多个温度点下进行产品性能测试，每个温度点的测试流程一致，如图10所示。

如图10所示，在每个温度点的测试前，需要设置温箱温度并保温，温箱保温结束后开始数据采集，此时能够正确反映产品在该温度下的性能。转台开始转动，产品上电，发送开始采集命令，完成静态采集，计算产品的零偏及零偏稳定性;静态测试完毕，设置转台速率，完成X轴速率测试，计算X轴的刻度因数及刻度因数非线性度;X轴速率测试完毕，依次完成Y轴和Z轴速率测试。三轴速率测试完毕后，产品断电，发送停止采集命令，计算产品的不正交角。此时，已完成了该温度下的产品性能评估。

4 系统功能测试与分析

在脉冲测试前，需要用标准信号发生器对测试系统进行标定，确定自动化测试系统的性能指标。测试信号选用方波，测试频率与测试结果如表1所示。

从表1可以看出，系统设计的指标完全可以满足脉冲测试的要求。实际功能测试时，选择工作在验收状态的光纤陀螺，此时其输出为脉冲信号。打开测试软件，主界面选择验收，4个通道全部选中，设定工作路径，分别测试常温、-40°、+65°下的光纤陀螺性能。

将光纤陀螺固定在转台夹具后，选择工作在标定状态的光纤陀螺，此时，其输出为RS422信号。

打开测试软件，主界面选择标定，4个通道全部选择，设定工作路径，分别测试常温、-45°、-15°、+15°、+40°、+65°下光纤陀螺性能。图13显示为+65°静态测试显示界面，图14显示为+65°X轴速率测试显示界面。

从图中可以看到，界面实时显示了X轴、Y轴和Z轴的数据波形和当前的输出值，功能指示灯显示当前的测试温度，可查看光纤陀螺的编号，测试时间、存盘路径、已测点数、当前测试温度以及状态信息等。所有温度点测试完毕后，系统将自动生成报表，计算光纤陀螺的各种参数，包括零偏，零偏稳定性、零偏重复性、刻度因数、刻度因数非线性度等。

5 结束语

应用虚拟仪器技术建立了一套完备、准确的评价光纤陀螺性能的自动化测试系统，该系统经过实际运行测试表现出了良好的稳定性，完成了所有的测试功能，用户界面操作简单，测试结果准确。

摘要：采用虚拟仪器技术,设计了一种光纤陀螺自动化测试系统,以判断其性能指标是否达到标准。阐述了测试系统的硬件单元设计和系统软件设计。其硬件单元包括信号隔离电路、存储电路、以太网模块、电源模块等,系统软件设计主要包括基于SOPC的嵌入式系统软件设计和Lab Windows/CVI的上位机软件设计。该测试系统经实际运行测试,表现出良好的稳定性,完成了所有的测试功能,用户界面操作简单,测试结果准确,能够满足光纤陀螺科研生产的需求。

关键词：光纤陀螺,虚拟仪器,以太网,数据采集

参考文献

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[4]王健,戴俊洁,郭全民.组合陀螺测试系统的设计与实现[J].西安工业大学学报,2011,31(3):271-278.

[5]华白鹏,汤晓君,郭会军,等.基于LabW indows/CVI的虚拟仪器设计[M].北京:电子工业出版社,2003.

[6]李辉.基于FPGA的数字系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[7]张晓亮.基于SOPC以太网技术的研究与实现[D].大连:大连理工大学,2007.

[8]叶肇晋,张稀,马磊.基于Xilinx FPGA片上嵌入式系统的用户IP开发[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[9]吴军伟,缪玲娟,许刚,等.微小型三轴光纤陀螺技术[J].红外与激光工程,2010,39(5):350-353.

[10]张诚.基于千兆以太网接口的高速固态存储器设计[M].西安:西安电子科技大学,2011.

光纤陀螺监测系统设计 篇2

一种动调陀螺运行环境温度监测系统设计

设计了一种基于DSP的.用于动力调谐陀螺的温度监测系统,介绍了该设备的组成、温度测量、显示和设置等功能设计和系统软件设计.

作 者：付春雨 FU Chun-yu  作者单位：合肥工业大学,安徽,合肥,230009 刊 名：北华航天工业学院学报 英文刊名：JOURNAL OF NORTH CHINA INSTITUTE OF AEROSPACE ENGINEERING 年，卷(期)：2009 19(4) 分类号：V44 关键词：动力调谐陀螺   温度监测系统   DSP  

光纤光栅温度监测系统软件设计 篇3

在测温传感器中,光纤布拉格光栅(FBG)传感器与常规的电子类传感器相比具有响应速度快、不受电磁干扰、结构简单、稳定性好和易于实现准分布式实时检测等优点[1],在许多领域得到应用。目前FBG温度监测系统的上位机程序大部分都是基于组态软件开发的。组态软件具有很好的封装性,易学易用,对于用户来说不需要掌握太多的编程语言技术就能很好地实现一个复杂工程所需要的所有功能。但是组态软件在某些场合下也存在一些缺陷[2]:一是组态王集成了很多的功能和开发方式,给用户提供了很大的选择余地,但是很多功能用户不会用到,却消耗了大量的系统资源;二是对于某些监测系统的一些底层设备来说,用组态王进行软件开发不一定合适,因为组态王采用的是硬件狗加密方式,每一个运行的组态王系统都需要一个运行狗,即使是两个完全相同的系统也需要使用两个运行狗,导致应用不便,也增加了成本。

本文作者基于用于过程控制的对象链接和嵌入(OLE for Process Control,OPC) 技术[3],以Visual C++6.0为编程环境,开发了FBG温度监测系统应用软件,该软件界面清晰,功能齐全,交互性好且易于使用,生成的安装文件很小,直接安装便可以使用,有利于FBG传感系统的推广应用。

1 监测软件的结构及关键技术

FBG温度监测系统由一台PC上位机和最多64台采集温度数据的下位机(FBG解调仪)组成,每台下位机有16个通道,每个通道可以同时串接32个光栅,所以本系统最多可以同时监测32 768个温度点。系统的监测软件采用Visual C++6.0开发完成,软件的结构框图和关键技术如图1所示。

本软件采用了多线程技术,其中一个线程只负责波长的采集、滤波和波长温度转换,并通过OPC技术使解调仪能与其他OPC客户程序(如组态王)进行通信,以便充分利用监测系统的资源。

1.1 波长数据预处理

数据预处理包括去除噪声和去除突变。FBG解调仪采集波长数据时受环境影响会有一些噪声,由于本监测系统是对温度进行监测,温度变化一般不会太快,但解调仪采集数据的频率较快,故可以采用数据平均的方法来消除噪声干扰,即当解调仪每采集到一个数据时,系统便会将这个数据与先前的n-1个数据求平均,来修正当前波长。平均的个数n可以由用户根据实际情况而定,数据的个数越多,去噪能力越强,曲线越平滑。但是平均数据个数太多时,将会引起数据失真,所以这个量必须根据FBG解调仪的采集频率和软件的实际使用情况而定。图2和图3所示分别为平均处理前后的数据,可以看出数据平均处理在噪声去除中有明显作用。

在一些比较恶劣的使用环境下,采集的波长数据有时会在一个时间点上发生突变,突变后瞬间复原,突变速率可达到几百℃每秒,采用去除突变的方法可以消除这种现象,即如果当前波长与前一次波长之差超过了某一阀值,则剔除此波长,或用前一波长替代此波长。图4和图5所示分别为突变数据去除前后的结果,可以看出,一个小时内出现了3次巨大的突变,但修正后效果良好。

1.2 温度标定

由FBG传感器的工作原理可知,FBG受温度影响时,其Bragg波长变化ΔλB与温度变化ΔT的关系如下[4]:ΔλB/λB=(α+ζ)ΔT ,式中,α为光纤的热膨胀系数,ζ为光纤的热光系数,两者之和为温度系数。针对某一特定的光栅,在温度变化范围较小的情况下,Bragg波长变化与温度变化基本上呈线性关系。所以通过标定一个当前波长和其对应的当前温度,以及温度系数,就可以利用线性关系求出其他波长所对应的温度,这就是直线标定。

在某些特定的情况下,对温度的精度要求比较高,采用线性关系来标定时会存在较大的误差,这时可采用逐一标定的方法,即曲线标定。针对某一个光栅,它的波长和温度有一一对应的曲线关系,将标定的关系保存到数据库中,可以利用数据库查询的方式来确定对应的温度。

1.3 网格GridCtrl控件的使用

在Visual C++6.0中,要显示和编辑现有表中的数据主要是使用其内部自带的CListCtrl类,但是这个类的功能十分单一,要扩展这个类的功能则需要花大量的时间。本软件的温度标定采用GridCtrl控件,这个控件有类似于EXCEL的界面和功能,用户可以在开源代码网站上下载这个控件类的代码。GridCtrl控件的功能十分强大,其成员函数就达200个。图6所示为本软件温度标定中使用该控件的运行效果,控件具有数据查询、波长采集、波长保存和逐一编辑等功能。

1.4 示波器NTGraph.ocx控件的使用

在监测系统中,很重要的一个方面就是监测参数的动态曲线显示,故示波器的使用是十分必要的。然而Visual C++6.0中没有自带的示波器控件,这就要求事先计算好示波器的形状,然后利用最基本的设备描述表(DC)设备,从示波器的边框、坐标、文字、线条和背景开始,一笔一画做出来。整个过程很繁琐,要写大量的代码才能完成。

本软件进行温度动态显示所采用的策略是使用NTGraph.ocx控件。该控件功能强大,界面清晰,可以对示波器中的任何元素进行属性设置,可添加多条曲线、多个标签,可放大、平移等,接口函数非常简单,只需要调用几个函数就能实现所需要的功能。该对象类别扩充组件(Object Class Extension,OCX)控件及其源程序也可在开源代码网站下载。图7所示为这个控件的运行效果,图中示波器监测的是第1号设备第1号通道第1号光栅的温度曲线。

1.5 串口通信

为了简化程序,提高软件开发效率,使用了Microsoft公司的ActiveX控件——MSComm,该控件为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。VC++6.0中提供了MSComm控件,用户可以在自己的应用程序中嵌入MSComm控件,利用它可以方便地进行计算机串口的通信管理[5,6]。

2 软件在电力系统温度监测中的应用

某高压电力线的温度监测系统原先采用热电偶,后来改装成了FBG传感器。图8所示为分别采用热电偶和FBG传感器的两个系统同时运行两天的测温结果,两条曲线基本上重合,说明本系统具有非常好的测温效果。在此期间,有多次停电和送电操作,而突然停电和送电会引起温度的变化,也会导致电磁场发生强烈变化。但石英玻璃光纤是电绝缘材料,光纤传感器测量和传输的信号是光信号,不受外界电磁环境的干扰。从图8可以看出,温度的升降是渐变的而不是突变的,停电与送电引起电磁场的变化对本系统没有影响,这也说明了基于FBG的温度监测系统具有很强的抗电磁干扰能力。

3 结束语

本文作者开发了FBG温度监测系统应用软件,对采集的数据进行去除噪声和去除突变预处理,采用直线标定或曲线标定方法对温度进行标定,测温效果较好。串口通信使多个PC机能够共享数据资源,可实现多台上位机同时监测同一温度点。本文还说明了两个重要控件——网格GridCtrl控件和示波器NTGraph.ocx控件的使用方法,这对其他监测系统的软件设计有参考作用。本文作者开发的软件具有功能强大、安装简单和容易使用等特点,有一定的扩展性,只需对标定系数进行修改,就可应用到对应变等参量进行测量的监测系统中。

参考文献

[1]董杰.光纤温度监测系统的设计[J].中国仪器仪表,2009,(03):92-94.

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[3]杨锦园.基于OPC技术的光纤光栅传感器接口程序设计[J].工业仪表与自动化装置,2007,(5):25-28.

[4]李淑娟,张士娥,王哲,等.光纤光栅医疗多点温度监测系统的研究[J].山东科学,2008,21(6):64-67.

[5]金立江,李文,张继和.基于MODBUS协议的变频器VC++控制系统[J].自动化与仪表,2008,(4):32-34.

光纤陀螺监测系统设计 篇4

采用高速FIFO和双CPU的光纤陀螺捷联系统

在光纤陀螺构成的.捷联惯导数据采集系统中,采用了双CPU结构的工作模式,用高速FIFO作为数据交换桥梁.采用FPGA+DSP构建系统,DSP用于捷联算法解算,FPGA用于DSP与各类传感器之间的接口,并用软FIFO成功解决了系统中断不够用的问题.最后对光纤陀螺进行了专项测漂与标定,验证了该系统的数据采集和传输的正确性和可靠性.

作 者：高延滨 曾建辉 孙华 常云萍 GAO Yan-bin ZENG Jian-hui SUN Hua CHANG Yun-ping  作者单位：哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨,150001 刊 名：电光与控制  ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL 年，卷(期)：2007 14(6) 分类号：V271.4 TP241.5 关键词：光纤陀螺   捷联惯导   数据交换   FPGA   FIFO  

三轴光纤陀螺时分复用时序设计 篇5

在惯性技术领域中, 光纤陀螺以其特有的优点占据着重要的地位, 并且随着光纤陀螺技术的不断成熟、发展和其工程化应用, 三轴一体化光纤陀螺开始逐渐受到越来越多的关注[1,2]。通常在惯性系统应用中需要测量三个方向的角速率信息[3], 简单的实现方案可以采用三套单轴光纤陀螺系统进行组合, 但组合后其体积、功耗和成本难以达到惯导系统的要求。为了降低陀螺系统的体积、功耗和成本, 采用将光纤陀螺的某些器件复用进行一体化组合, 来解决上述存在的问题。

基于时分复用的三轴一体化光纤陀螺, 采用共享光源、探测器和信号处理系统的方案, 借助数字信号处理技术和现场大规模可编程逻辑器件, 来完成整个三轴光纤陀螺系统的时序信号的生成, 利用时序控制三个方向上的陀螺工作状态, 完成三个光纤陀螺信号的检测。

1时分复用总体方案

三轴一体化光纤陀螺时分复用系统结构框图如图1所示。系统由超辐射发光二极管 (SLD) 光源[4]及驱动电路、公用耦合器、探测器、A/D转换电路、信号处理电路、D/A转换及驱动电路和三个光纤环及其多功能光学相位调制器组成。

为了满足时分复用光纤陀螺对光源的要求, 经过改进工艺的SLD光源提供的输出功率为625μW。耦合器将输入的光分为三束, 进入三个光纤环。作为陀螺系统中最大的器件, 光纤环为顺、逆两束光提供闭合回路并敏感外界角速度的输入A/D、D/A转换及驱动电路完成数字和模拟信号之间的转换。信号处理电路提供三轴陀螺工作的时序信号, 完成信号的调制解调、阶梯波的形成、信号输出和实时通信。

时分复用光纤陀螺系统工作时, 由信号处理电路生成的时序控制三路光纤陀螺分交替进行工作。恒流源驱动光源工作, 温控系统控制光源内部温度保持稳定。光源输出的光经耦合器进入光纤环, 光电探测器输出的信号经模数转换, 在信号处理电路中进行解调并形成相应轴的误差信

2 时分复用时序设计

在三轴光纤陀螺时分复用系统中采用分时工作的方式, 即在三个方向上每个光纤陀螺轮流交替工作, 如对X轴方向的陀螺加调制使其处于工作状态并对其信号进行采样时, Y轴和Z轴方向的陀螺不加调制且处于非工作状态。三轴陀螺的工作时序如图2所示。

光纤陀螺时分复用系统采用串口输出供计算机采集数据, 测算陀螺的性能。为了满足其工作要求, 外置的晶体振荡器的频率采用18.432 MHz, 并以此为基准为光纤陀螺提供时钟脉冲。理想情况下三个轴方向上的光纤陀螺的光纤长度应该相等, 采用一套主时钟即可, 但实际上光纤环在绕制过程中并不能很精确的控制其长度完全相等[5], 因此在为陀螺提供工作时钟时, 应针对测得每个陀螺光纤环的长度提供不同的工作时钟。根据数字锁相原理, 其提供的工作时钟原理如图3所示, 其中k1, k2, k3为数字锁相环的参频系数;N1N2, N3为数字锁相环的倍频系数。

对于采用三个光纤长度全为330 m的光纤陀螺时分复用系统, 一个闭环工作周期只有1.65 μs。这就要求信号处理系统必须在1.65 μs内完成所有的控制、存储、累加求和等一系列工作。现场可编程门阵列FPGA (Field Programmable Gate Array) 属于硬件逻辑实现, 速度很快, 同时硬线逻辑具有“并发”性, 能够并行处理任务。因此可以采用FPGA来实现上述工作, 另外由于 FPGA 的现场可编程性, 使得闭环控制系统的设计变成一种软件设计, 具有“硬件软做”的优点, 这为闭环系统实验调试带来了极大的方便, 避免了硬件的改动, 并可充分发挥FPGA的优势。其原理框图如图4所示。

时序设计对整个时分复用光纤陀螺系统的逻辑电路非常重要, 它为其它模块提供控制脉冲, 包括计数器需要的清零信号、寄存器需要的触发信号、模拟开关需要的选通信号、D/A 转换需要的启动信号等脉冲信号, 而且各脉冲信号之间必须保持严格的相位关系。将三轴的逻辑集中到一片复杂的可编程逻辑器件来完成数字信号处理, 这样可减小电路的尺寸, 降低成本, 而且整个电路集成在一个芯片上, 减少了与外界的干扰, 提高了可靠性。逻辑原理如图5所示。

3 结束语

本文在分析三轴光纤陀螺时分复用的结构和工作原理的基础上, 以时分复用为目标进行了时序分析设计。采用分时方案的优点是减少了系统的硬件、缩小系统的体积, 而带来的不利因素是对每一个轴的处理时间变为总时间的三分之一, 对光纤陀螺的零漂和随机游走系数两项指标是一个损失, 需要对数据处理控制算法进行改进。

参考文献

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[4]邹燕, 刘军, 李鹏.低成本光纤陀螺及其军事应用.激光与红外, 2005;35 (12) :962—964

光纤陀螺监测系统设计 篇6

电力系统的高压电缆等高压电气设备,因其载流量过大或过载等原因导致过热,尤其是电缆连接处因为接触不良的原因,更容易发热,影响电缆等高压设备的使用寿命,甚至产生短路、火灾、爆炸等事故,极大地影响了电力系统的稳定、安全运行。传统的温度在线监测是将点式感温元件如热电偶,装在电缆或电力系统其它重要部位进行测温。此方法只能对电力系统局部位置进行测温,无法对整个电力系统实现温度在线监测,且在经济性和实用性方面都有一定的缺陷。分布式光纤测温系统(DTS)是近年来发展起来用于实时测量空间温度的系统。利用光纤即可感知温度信息又可传输温度信息的特性,能够实现多点、在线的分布式温度测量。它具有耐高温、防电磁辐射、高带宽等特点,大幅提升了温度分辨率和空间分辨率,有效地解决了高压电气设备的温度在线监测问题。

1 工作原理

DTS主要依据光纤时域反射原理(OTDR)和光纤背向拉曼散射的温度效应。系统中光纤即是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向拉曼散射的温度效应,光纤所处的空间温度场调制了光纤背向拉曼散射的强度,经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光信号,经信号处理可以解调出实时的温度信息。在时域中,利用OTDR技术,根据光在光纤中的传输速率和背向拉曼散射光的回波时间,可以对温度点进行定位。图1为分布式光纤测温系统的原理图。

1.1 热传导原理

现阶段,普通光纤的耐温一般不超过125℃,利用热传导原理通过对电缆外皮或金属外套温度的监测,根据参考文献[1]中电缆的热路暂态模型反推出电缆导体的温度,这样可以摆脱外部环境的影响[2]。图2为热传导原理示意图。

1.2 光纤时域反射原理

当激光脉冲在光线中传输时,由于光线中存在折射率的微观不均匀性,会产生瑞利闪射,入射光经背向闪射返回到光纤入射端所需的时间为t,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L,2L=v·t,其中v为光在光纤中传播速度,v=c/n;c为真空中的光速;n为光纤的折射率。在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局部的背向瑞利闪射光。用OTDR技术[3]可以确定光纤处的损耗及光纤故障点、断点的位置,对测量点进行定位,因此也可称为光纤雷达。

1.3 光纤背向拉曼散射的温度效应

当激光脉冲在光纤中传播时,除了产生瑞利散射、布里渊散射外,还产生自发的拉曼散射,在频域里,拉曼散射光子分为斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子,自发的拉曼散射光子强度依赖于光纤的温度状态[4],经过理论计算,在0~120℃温度范围内,平均温度灵敏度为1.65%/K。

为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响,提高测温准确度,在系统设计中,采用双通道双波长比较的方法,即对斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集,利用两者强度的比值解调温度信号。由于反斯托克斯光对温度更为灵敏,因此将反斯托克斯光作为信号通道,斯托克斯光作为比较通道,则两者之间的强度比如公式(2)所示:

变换后可得公式(3):

对于固定的温度(恒温槽标定温度)可以由公式(4)表示:

由两式计算可得公式(5):

式中,λs和λa分别为斯托克斯和反斯托克斯光波长;Is为斯托克斯光强度,Ia为反斯托克斯光强度;h为普朗克常数;c为真空中的光速;k为玻尔兹曼常数;Δγ为偏移波数;f0为伴随光的频率;Δf为拉曼光频率增量;T为绝对温度;T0恒温槽标定温度;R(T)为反斯托克斯光强度和斯托克斯光强度之比。

可见,在测温系统标定之后,通过测R(T)就可以确定沿光纤测量点的温度值。

2 系统的组成和机构

整个监控系统由基础硬件和监控软件组成,监控软件在系统硬件的基础上完成对整个系统的中枢控制。监控系统接入局域网或因特网,形成信息的互换和共享,系统组网图如图3所示。

2.1 系统硬件

光纤温度监测系统硬件部分包括测温光纤、光电监测及信号处理电路部分和主机。测温光纤既是传输媒体,又是探测器,光线铺设在待测空间,可连续准确的测量到整条光纤所处空间的温度值,最长达几十公里,真正做到了实时在线监测,由于光纤是由绝缘材料石英组成,它具有耐高温、防电磁辐射的特点,采用不同的外护套材料,DTS监测系统可以适应各种环境。光电监测及信号处理电路完成信号的采集。主机是监测系统的核心部分。主机主要用来完成对信息、数据的分析以达到对电缆温度的实时监测。

2.2 系统软件

DTS控制单元通过PC机在Windows环境下调试编程来完成。从被监控区域逐点实时采集温度值,形成实时数据库,通过实时数据库显示从当前区域采集所得到的温度;同时建立历史数据库,用户可以通过历史数据查询得到区域某时某刻某点的温度、某时段的温度、最高温度。监控程序通过对实时监控数据库和历史数据库的数据进行分析,通过因特网,可实现对现场设备的远程监控、诊断和维修等;根据不同的要求设置报警和预警温度,并可对被监控区域分段设置不同分区,每个分区可以任意设置报警值,对不同的部位进行不同标准的监控;根据设置的被监控区域温升速率预定值,可以报警、指出报警区域所处的位置并做数据储存和打印;根据数据值,还可以显示包括某时某刻温度分布曲线、某时段某点的温度变化曲线、某时段最高温度变化曲线特性曲线。软件系统结构框图如图4所示。

系统软件根据被监测对象的地理位置信息设计出用户编好的地图显示模式,实时反映出监测电缆线路的温度、运行状态等信息,图层功能实现由面到点、由大到小的分散/集中管理模式。

3 系统的性能

DTS系统为分布式测温,终端机内的激光发射装置每秒钟会发射上万次的光脉冲,并将取样温度的平均值输出到显示系统,这样连续的发射监测信号,可避免误报发生,在定温报警的同时,可以就温升速率进行测量,并提供相应多级报警信号输出,通过设置多个定温报警值,并且可以根据环境不同进行修正,从而实现任意温度点报警,即时显示数公里范围内每隔1 m各点的温度变化,同时报警控制区设置为编程的形式,可针对环境变化设置200个不同报警控制区域,进而达到对温度的实时监控,做到早期预警,报警准确率高;为增强系统的扩展性,可增设光路切换开关进行光路自动选择与测量,使之适用于多路光缆,通过RS232标准接口以及继电器输出把系统与其他控制设备进行互连,提高了系统的兼容性。如果光纤受损,DTS系统可以即时定位受损点,并通过光纤熔接机对其进行熔接,这对于有效实施在线监测极其重要,探测光缆采用光信号,不会与动力电缆之间产生相互电磁干扰。

4 实例应用

为了检验分布式光纤测温系统测量温度的准确性,将一段电缆放入一个带标准温度计的恒温装置中。改装置的利用性能稳定的材料制成,外界环境对装置内的温度影响极小,通过装置内的标准温度计和光纤测温系统对装置内的电缆温度进行测量,读取系统测量的电缆不同位置上的温度曲线图所对应的温度数值和标准温度计数值。多次对比的试验结果见表1。

℃

从表中可以看出光纤测温系统与标准温度计测量电缆温度的相差在±2℃之间,光纤测温系统测量温度的准确性较高。

分布式光纤测温系统是种新型的、技术优势明显的测温系统。它具有测量范围广和定位精度高、反应迅速的特点,综合利用设置多级温度报警、温度速率、温升趋势来进行连续测量,可在任何时间显示任一地点的温度状态,在火灾前早期预警,同时能智能判断温度变化的类型,显示事故点温度读数及位置。

当电缆将要出现故障时,常会出现一些征兆[5,6],如将要出现故障处或周围温度升高。探测光缆铺设在待监测的高压电缆上,即可实时监测由探测光缆所覆盖的高压电缆的温度分布情况及温度变化趋势。图5为某段高压电缆监测结果,显示330 m处有一个温度峰值,经查实为一电缆接头。

5 结语

本文设计了一套基于分布式光纤温度在线监测系统,系统集成分布式光纤技术、通信技术、计算机技术等先进技术与一体,以系统监测开发等软件为开发平台,在建立测温光纤、光电监测及信号处理电路部分和主机等硬件设施的基础上实现了对电缆局部温度过热的监测、定温报警、温升报警和特性曲线的显示等功能,达到了对电缆线路高压电缆等高压电气设备的实时在线监测的目的。

参考文献

[1]薛强,李华春,王立,等.电缆导体温度的推算方法及应用[J].电线电缆,2009(2):23-25.

[2]刘毅刚,罗俊华.电缆导体温度实时计算的数学方法[J].高电压技术,2005,31(5):52-54.

[3]彭超,赵健康,苗付贵.分布式光纤测温技术在线监测电缆温度[J].高电压技术,2006,32(8):43-45.

[4]薛强.电力电缆光纤测温及载流量监测的研究[D].北京:华北电力大学,2009.

[5]IEC60287:2002Electric cables-Calculation of the current rating[S].