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摘要:光纤光栅温度传感实验是配合“光纤通信原理”课程教学的重要创新型实验环节。本文将虚拟仪器技术引入该实验的教学中,实现实验数据处理,有助于学生建立有关实验内容的物理图像,调动了学生参与创新型实验的积极性和主动性,提高了实验教学的效果,为完善“光纤通信原理”课程实验教学体系提供了一种新思路。
关键词:虚拟仪器技术;光纤光栅传感;实验教学
作者简介:李永倩(1958-),男,河北定州人,华北电力大学电子与通信工程系,教授,工学博士,主要研究方向:光纤通信与光纤传感;张淑娥(1964-),女,满族,辽宁沈阳人,华北电力大学电子与通信工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:光纤通信与微波测量。(河北 保定 071003)
基金项目:本文系河北省高等学校省级精品课程“光纤通信原理”建设项目(项目编号:121106)的研究成果。
光纤光栅温度传感实验是电子信息科学与技术、通信工程等专业的创新型实验的重要组成部分。该实验包括两部分内容,一部分是搭建、调试实验系统,另一部分是编程处理实验数据,两部分内容的工作量都很大。教学中许多学生开始做实验时很投入,到实验中后期往往会产生厌烦和应付心理,导致实验效果不理想。为了激发学生的探索精神和创新意识,进而提高学生参与创新型实验的积极性和主动性,使学生在短时间内轻松地按要求完成本实验,任课教师在教学实践过程中尝试了将基于LabWindows/CVI的虚拟仪器技术引入到该实验的教学中。
LabWindows/CVI提供了丰富的数字信号处理函数,充分利用这些函数可使该实验的实验数据处理变得容易实现,大大简化编程的工作量。同时,学生通过简单编程调用不同函数就可以对比不同算法的数据处理结果,有助于学生牢固掌握本实验的基本理论和分析方法。LabWindows/CVI还具有丰富的图形图像显示控件,可以将实验结果以数据、曲线、图形等多种形式予以呈现,不但可以提高学生的实验兴趣,而且有助于学生加深对本实验的理解,从而有效地提高实验教学的效果。
一、虚拟仪器技术简介
近年来,虚拟仪器技术得到了迅猛发展。所谓虚拟仪器技术是指计算机技术、仪器技术和通信技术三者的有机结合,而虚拟仪器是以计算机为基础,以应用软件为核心的仪器系统。[1]与传统仪器相比,虽然虚拟仪器也需要硬件支持,但硬件仅仅是为了解决信号的输入输出问题,软件才是整个系统的关键,[2]通过编制不同的应用软件便可构成具有不同功能的仪器系统。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰富和完善,使虚拟仪器能够快速、准确地处理数据。将虚拟仪器技术引入教学当中,可极大地提高课堂和实验教学的灵活性和多样性,使得诸如信号合成与分解、信号时域及頻域分析、信号调制与解调、信号滤波等教学内容可以通过虚拟仪器技术形象直观地予以实现。
目前,已经有很多虚拟仪器的软件开发工具,由美国NI(National Instrument)公司开发的LabWindows/CVI和LabVIEW应用最为广泛,前者是基于C语言的软件编程环境,便于掌握C语言的开发者使用,后者采用的是图形化的编程语言。
二、光纤光栅温度传感实验系统
1.光纤光栅及其温度传感原理
光纤光栅是一种波长选择性反射器件,当宽带光波在光栅中传播时,入射光将在光栅中心波长上被反射回来,其余光透射不受影响,这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。
光纤光栅可将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射,峰值反射波长为:
λβ=2neffΛ 式(1)
式中neff是光纤纤芯的有效折射率,为光栅的周期。当光栅周围的温度发生变化时,将导致光纤纤芯折射率和光栅周期的变化,从而使光纤光栅的中心波长发生移动,如图1所示。通过检测波长移动的情况,即可获得待测温度的变化情况。
2.光纤光栅温度传感实验系统
光纤光栅温度传感实验系统如图2所示,宽带光源发出的光经衰减器后送入可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波器,可调谐F-P滤波器在扫描锯齿波的控制下在某一时刻只允许某一波长的光输出。光信号经耦合器后分成两路,一路送至由两个参考光栅构成的参考通道,利用参考光栅可对可调谐F-P滤波器存在的误差进行校正,另一路送至温度传感光栅,当可调谐F-P滤波器输出的光波长与传感光栅的中心波长一致时,这个波长的光将被反射,反射光经光电检测器转换成电信号送至数据采集卡进行数据采集,最后由计算机对采集到的数据进行分析处理,解调出光栅中心波长的变化,从而得到传感光栅当前的温度。传感光栅放置在温控箱中,温控箱中温度的变化会导致光栅中心波长发生变化。
三、虚拟仪器在光纤光栅温度传感实验系统中的应用
数据采集卡将参考通道和传感通道的信号采集后,需要对数据进行分析处理才能得到光纤光栅波长的变化。本实验系统采用了虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI完成数据处理。
当温度发生变化时,传感光栅反射的光信号波长会发生变化,由于透过可调谐F-P滤波器的光信号的波长与所加的扫描电压存在对应关系,所以,只要分析出采集到的光谱信号的峰值对应的电压变化,就可以进一步计算出波长的变化,从而得到温度值。由此可见,寻找光栅反射光的谱峰位置成为本实验系统的关键。许多因素会对寻峰精度产生影响,所以在寻峰之前需对采集数据进行预处理,例如滤波、拟合等等。
虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI提供了丰富的数据处理函数,学生进行数据处理编程时,只需要设置合适的函数入口参数,调用该函数就可以实现滤波、拟合等功能,从而减少学生编程的负担。同时,教师在设计该实验时,可要求学生对同一处理过程采用多种算法实现,寻找最合适的算法,而学生采用LabWindows/CVI实现这一要求也比较简单。
1.数据滤波处理
实验系统中不论是光路还是电路,都会有噪声耦合到有用信号中,从而影响寻峰的精度,所以需要对采集数据进行滤波处理。图3给出了采集到的原始数据波形,由图3可以看出,其中存在较大的噪声,很难判断峰值电压的位置。
本实验系统采用五阶巴特沃斯数字低通滤波器进行滤波,通带截止频率和阻带截止频率设置为9kHz和10kHz。LabWindows/CVI提供了三种IIR滤波器设计方法,包括多步滤波器设计法、单步滤波器设计法和传统滤波器设计法。由于采用多步滤波器设计法设计的滤波器比较稳定,所以本实验系统采用了多步滤波器设计法,实现过程如下:
filter_information = AllocIIRFilterPtr (LOWPASS,5); //分配并初始化5阶低通滤波器所需结构体
Bw_CascadeCoef (rate,9000,10000,filter_information); //产生级联形式滤波器的参数
IIRCascadeFiltering (ch0,sampsPerChan,filter_information,ch0Filtered); //对通道1的数据滤波
IIRCascadeFiltering (ch1,sampsPerChan,filter_information,ch1Filtered); //对通道2的数据滤波
滤波后的波形如图4所示,经过五阶巴特沃斯数字低通滤波器后,信号的信噪比大大提高,整个波形比较平滑,信号峰值所在位置比较明显,所以可以提高实验系统的测量精度。
学生在完成本部分编程时,要求学生改变滤波器的截止频率,以及采用切比雪夫滤波器、椭圆滤波器等其它类型的滤波器观察滤波效果,从而让学生体会本实验中滤波器的选择及数据滤波的重要性。
2.拟合处理
在数据采集过程中,由于单位时间内采集的点数是有限的,所以难免会发生光谱峰值点未被采集到的情况,此时直接寻峰会造成误差。同时,经过滤波后,仍会有噪声存在,如果噪声恰好出现在峰值点附近,也会影响寻峰的精度。为了避免上述情况出现,提高寻峰精度,在进行寻峰之前需要对数据进行拟合处理。
拟合所用的函数有很多,用哪一种函数进行拟合取决于光纤光栅反射谱的特点,需要根据实际情况选择最合适的函数进行拟合。由图4可以看出,光纤光栅反射谱经过光电检测器后形成的电信号的形状类似高斯函数,所以本实验系统中采用了高斯拟合寻峰算法。图5给出了经过高斯拟合后的光谱波形。LabWindows/CVI的函数库中提供了高斯拟合函数GaussFit( ),设置合适的参数后直接调用就可以实现高斯拟合。
LabWindows/CVI还提供了其它的拟合函数,例如最小二乘拟合法、多项式拟合法等,学生完成本部分编程时,可以通过对比观察不同的拟合方法对寻峰结果的影响。
3.寻峰处理
经过高斯拟合后的数据就可以直接用于寻峰处理,LabWindows/CVI提供了阈值峰值检测函数ThresholdPeak
Detector( )。寻峰时的阈值设置非常关键,寻峰函数只能寻到幅度超过阈值的峰值,如果阈值设置太小,有可能会把干扰噪声形成的峰误当成谱峰,如果阈值设置太高,又会漏掉峰值小于阈值的谱峰,所以阈值设置时要根据观察到的采集数据设置。由图5可以看出,幅度最小的峰值为0.15左右,为保证系统波动时能够正确寻峰,本实验系统将寻峰阈值设置为0.08,实验代码如下:ThresholdPeakDetector (ch0Fitted,sampsPerChan,0.08,20,&peakIndices,&peakNum);
四、結束语
实验教学是培养学生创新意识和能力的重要教学环节。为了适应高等院校培养创新型人才的发展方向,“光纤通信原理”课程组提出了构建“基础型、基础综合型、综合设计型、创新型”的分层次实验教学体系的目标,本文在作为“光纤通信原理”课程的创新型实验的“光纤光栅温度传感实验”的教学工作中,引入虚拟仪器技术,利用数据采集卡和虚拟仪器开发环境LabWindows/CVI实现了光纤光栅温度传感实验中的数据处理,并对虚拟仪器技术在光纤光栅温度传感实验中产生的有益效果进行了分析。实践表明,虚拟仪器技术的应用不仅大大提高了实验效果,增强了学生参与创新型实验的积极性和主动性,也为完善“光纤通信课程”实验教学体系开辟了新的思路和发展空间。
参考文献:
[1]张磊,丁永强.基于虚拟仪器的实验教学系统[J].信阳农业高等专科学校学报,2009,19(1):141-142.
[2]荣雅君,刘琳,高广峰,赵朋.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报,2009,21(1):78-82.
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:虚拟仪器技术;光纤光栅传感;实验教学
作者简介:李永倩(1958-),男,河北定州人,华北电力大学电子与通信工程系,教授,工学博士,主要研究方向:光纤通信与光纤传感;张淑娥(1964-),女,满族,辽宁沈阳人,华北电力大学电子与通信工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:光纤通信与微波测量。(河北 保定 071003)
基金项目:本文系河北省高等学校省级精品课程“光纤通信原理”建设项目(项目编号:121106)的研究成果。
光纤光栅温度传感实验是电子信息科学与技术、通信工程等专业的创新型实验的重要组成部分。该实验包括两部分内容,一部分是搭建、调试实验系统,另一部分是编程处理实验数据,两部分内容的工作量都很大。教学中许多学生开始做实验时很投入,到实验中后期往往会产生厌烦和应付心理,导致实验效果不理想。为了激发学生的探索精神和创新意识,进而提高学生参与创新型实验的积极性和主动性,使学生在短时间内轻松地按要求完成本实验,任课教师在教学实践过程中尝试了将基于LabWindows/CVI的虚拟仪器技术引入到该实验的教学中。
LabWindows/CVI提供了丰富的数字信号处理函数,充分利用这些函数可使该实验的实验数据处理变得容易实现,大大简化编程的工作量。同时,学生通过简单编程调用不同函数就可以对比不同算法的数据处理结果,有助于学生牢固掌握本实验的基本理论和分析方法。LabWindows/CVI还具有丰富的图形图像显示控件,可以将实验结果以数据、曲线、图形等多种形式予以呈现,不但可以提高学生的实验兴趣,而且有助于学生加深对本实验的理解,从而有效地提高实验教学的效果。
一、虚拟仪器技术简介
近年来,虚拟仪器技术得到了迅猛发展。所谓虚拟仪器技术是指计算机技术、仪器技术和通信技术三者的有机结合,而虚拟仪器是以计算机为基础,以应用软件为核心的仪器系统。[1]与传统仪器相比,虽然虚拟仪器也需要硬件支持,但硬件仅仅是为了解决信号的输入输出问题,软件才是整个系统的关键,[2]通过编制不同的应用软件便可构成具有不同功能的仪器系统。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰富和完善,使虚拟仪器能够快速、准确地处理数据。将虚拟仪器技术引入教学当中,可极大地提高课堂和实验教学的灵活性和多样性,使得诸如信号合成与分解、信号时域及頻域分析、信号调制与解调、信号滤波等教学内容可以通过虚拟仪器技术形象直观地予以实现。
目前,已经有很多虚拟仪器的软件开发工具,由美国NI(National Instrument)公司开发的LabWindows/CVI和LabVIEW应用最为广泛,前者是基于C语言的软件编程环境,便于掌握C语言的开发者使用,后者采用的是图形化的编程语言。
二、光纤光栅温度传感实验系统
1.光纤光栅及其温度传感原理
光纤光栅是一种波长选择性反射器件,当宽带光波在光栅中传播时,入射光将在光栅中心波长上被反射回来,其余光透射不受影响,这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。
光纤光栅可将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射,峰值反射波长为:
λβ=2neffΛ 式(1)
式中neff是光纤纤芯的有效折射率,为光栅的周期。当光栅周围的温度发生变化时,将导致光纤纤芯折射率和光栅周期的变化,从而使光纤光栅的中心波长发生移动,如图1所示。通过检测波长移动的情况,即可获得待测温度的变化情况。
2.光纤光栅温度传感实验系统
光纤光栅温度传感实验系统如图2所示,宽带光源发出的光经衰减器后送入可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波器,可调谐F-P滤波器在扫描锯齿波的控制下在某一时刻只允许某一波长的光输出。光信号经耦合器后分成两路,一路送至由两个参考光栅构成的参考通道,利用参考光栅可对可调谐F-P滤波器存在的误差进行校正,另一路送至温度传感光栅,当可调谐F-P滤波器输出的光波长与传感光栅的中心波长一致时,这个波长的光将被反射,反射光经光电检测器转换成电信号送至数据采集卡进行数据采集,最后由计算机对采集到的数据进行分析处理,解调出光栅中心波长的变化,从而得到传感光栅当前的温度。传感光栅放置在温控箱中,温控箱中温度的变化会导致光栅中心波长发生变化。
三、虚拟仪器在光纤光栅温度传感实验系统中的应用
数据采集卡将参考通道和传感通道的信号采集后,需要对数据进行分析处理才能得到光纤光栅波长的变化。本实验系统采用了虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI完成数据处理。
当温度发生变化时,传感光栅反射的光信号波长会发生变化,由于透过可调谐F-P滤波器的光信号的波长与所加的扫描电压存在对应关系,所以,只要分析出采集到的光谱信号的峰值对应的电压变化,就可以进一步计算出波长的变化,从而得到温度值。由此可见,寻找光栅反射光的谱峰位置成为本实验系统的关键。许多因素会对寻峰精度产生影响,所以在寻峰之前需对采集数据进行预处理,例如滤波、拟合等等。
虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI提供了丰富的数据处理函数,学生进行数据处理编程时,只需要设置合适的函数入口参数,调用该函数就可以实现滤波、拟合等功能,从而减少学生编程的负担。同时,教师在设计该实验时,可要求学生对同一处理过程采用多种算法实现,寻找最合适的算法,而学生采用LabWindows/CVI实现这一要求也比较简单。
1.数据滤波处理
实验系统中不论是光路还是电路,都会有噪声耦合到有用信号中,从而影响寻峰的精度,所以需要对采集数据进行滤波处理。图3给出了采集到的原始数据波形,由图3可以看出,其中存在较大的噪声,很难判断峰值电压的位置。
本实验系统采用五阶巴特沃斯数字低通滤波器进行滤波,通带截止频率和阻带截止频率设置为9kHz和10kHz。LabWindows/CVI提供了三种IIR滤波器设计方法,包括多步滤波器设计法、单步滤波器设计法和传统滤波器设计法。由于采用多步滤波器设计法设计的滤波器比较稳定,所以本实验系统采用了多步滤波器设计法,实现过程如下:
filter_information = AllocIIRFilterPtr (LOWPASS,5); //分配并初始化5阶低通滤波器所需结构体
Bw_CascadeCoef (rate,9000,10000,filter_information); //产生级联形式滤波器的参数
IIRCascadeFiltering (ch0,sampsPerChan,filter_information,ch0Filtered); //对通道1的数据滤波
IIRCascadeFiltering (ch1,sampsPerChan,filter_information,ch1Filtered); //对通道2的数据滤波
滤波后的波形如图4所示,经过五阶巴特沃斯数字低通滤波器后,信号的信噪比大大提高,整个波形比较平滑,信号峰值所在位置比较明显,所以可以提高实验系统的测量精度。
学生在完成本部分编程时,要求学生改变滤波器的截止频率,以及采用切比雪夫滤波器、椭圆滤波器等其它类型的滤波器观察滤波效果,从而让学生体会本实验中滤波器的选择及数据滤波的重要性。
2.拟合处理
在数据采集过程中,由于单位时间内采集的点数是有限的,所以难免会发生光谱峰值点未被采集到的情况,此时直接寻峰会造成误差。同时,经过滤波后,仍会有噪声存在,如果噪声恰好出现在峰值点附近,也会影响寻峰的精度。为了避免上述情况出现,提高寻峰精度,在进行寻峰之前需要对数据进行拟合处理。
拟合所用的函数有很多,用哪一种函数进行拟合取决于光纤光栅反射谱的特点,需要根据实际情况选择最合适的函数进行拟合。由图4可以看出,光纤光栅反射谱经过光电检测器后形成的电信号的形状类似高斯函数,所以本实验系统中采用了高斯拟合寻峰算法。图5给出了经过高斯拟合后的光谱波形。LabWindows/CVI的函数库中提供了高斯拟合函数GaussFit( ),设置合适的参数后直接调用就可以实现高斯拟合。
LabWindows/CVI还提供了其它的拟合函数,例如最小二乘拟合法、多项式拟合法等,学生完成本部分编程时,可以通过对比观察不同的拟合方法对寻峰结果的影响。
3.寻峰处理
经过高斯拟合后的数据就可以直接用于寻峰处理,LabWindows/CVI提供了阈值峰值检测函数ThresholdPeak
Detector( )。寻峰时的阈值设置非常关键,寻峰函数只能寻到幅度超过阈值的峰值,如果阈值设置太小,有可能会把干扰噪声形成的峰误当成谱峰,如果阈值设置太高,又会漏掉峰值小于阈值的谱峰,所以阈值设置时要根据观察到的采集数据设置。由图5可以看出,幅度最小的峰值为0.15左右,为保证系统波动时能够正确寻峰,本实验系统将寻峰阈值设置为0.08,实验代码如下:ThresholdPeakDetector (ch0Fitted,sampsPerChan,0.08,20,&peakIndices,&peakNum);
四、結束语
实验教学是培养学生创新意识和能力的重要教学环节。为了适应高等院校培养创新型人才的发展方向,“光纤通信原理”课程组提出了构建“基础型、基础综合型、综合设计型、创新型”的分层次实验教学体系的目标,本文在作为“光纤通信原理”课程的创新型实验的“光纤光栅温度传感实验”的教学工作中,引入虚拟仪器技术,利用数据采集卡和虚拟仪器开发环境LabWindows/CVI实现了光纤光栅温度传感实验中的数据处理,并对虚拟仪器技术在光纤光栅温度传感实验中产生的有益效果进行了分析。实践表明,虚拟仪器技术的应用不仅大大提高了实验效果,增强了学生参与创新型实验的积极性和主动性,也为完善“光纤通信课程”实验教学体系开辟了新的思路和发展空间。
参考文献:
[1]张磊,丁永强.基于虚拟仪器的实验教学系统[J].信阳农业高等专科学校学报,2009,19(1):141-142.
[2]荣雅君,刘琳,高广峰,赵朋.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报,2009,21(1):78-82.
(责任编辑:苏宇嵬)