數(shù)據(jù)采集技術要點剖析（三）

—— Alfredo Cigada , 教授 , 米蘭理工大學

誠然，各種商業(yè)可用技術的高速發(fā)展對測試測量行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，光纖技術也是其中之一。

前香港中文大學校長高錕在20世紀60年代提出了采用光路來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的方式，自此，從1977年光纖系統(tǒng)首次商用安裝以來，各通信公司就已經(jīng)開始使用光纖鏈路替代舊的銅線系統(tǒng)。從傳統(tǒng)的雙絞線、電纜+雙絞線階段，目前對于高速、大數(shù)據(jù)量以及超遠距離的數(shù)據(jù)布線而言，基本已經(jīng)進入了光纖這個階段。其主要的原因，也是顯而易見的：

- 就傳輸速率而言，相對于銅線每秒1.54MHZ的速率，光纖網(wǎng)絡的運行速率達到了每秒2.5GB；

- 從帶寬來看，光纖具有較大的信息容量；

- 極低的維護成本；

- 抗干擾性強，安全性能高

與此同時，在測試測量領域，特別是大通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，光纖技術的爆發(fā)態(tài)勢直接開拓了傳統(tǒng)測量方法所無法企及的應用。

光纖傳感

數(shù)十年來，電學傳感器是將物理和機械現(xiàn)象轉化為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠測量的模擬信號的標準機制。盡管它們無處不在，電學傳感器仍然有很多局限性，電磁干擾（EMI）、易爆性、對噪聲的高敏感以及布線麻煩等缺陷使它們在很多應用中不夠安全，不適應實際情況而導致無法使用。

相比之下，光學傳感器通過使用光學的標準的光纖取代電學的銅線，消除了很多困擾電學傳感器的挑戰(zhàn)。其中最為廣泛采用的光學傳感器技術就是基于光纖布拉格光柵(FBG)技術。FBGs是最本質的點傳感器，它在光纖芯內(nèi)具有周期性的折射率變化。FBG，一般5毫米長，有選擇地反射以布拉格波長為中心的很窄的頻帶，同時透射所有其它的波長。反射的布拉格波長作為溫度與應變的函數(shù)而變化，這使利用FBGs作為傳感器成為可能。工程師們可以將多個FBG傳感器沿一根光纖呈環(huán)狀排布，因為每個FBG都被制造為獨一無二的標稱波長，所以它能夠運行在唯一的光學光譜頻帶。與電學傳感系統(tǒng)不同，每個光學通路能夠測量很多FBG傳感器，極大地減少了測量系統(tǒng)的尺寸，重量以及復雜性。此外，因為FBG傳感器調節(jié)波長而不是光強，您可以將其部署很遠的距離——長達10千米——并且不會對測量精度造成任何影響。

目前已經(jīng)有越來越多的設備供應商開始專注于光纖傳感的研究方向，例如微光光學公司（MicronOptics）一直致力于將光纖傳感技術應用于各類結構健康監(jiān)測項目中，在美國Chulitna大橋健康監(jiān)測項目中，在光纖上成功布置了幾百個應變傳感器；而NI公司也推出光學傳感解調器，實現(xiàn)對FBG應變和溫度傳感器的同步采樣，將光纖傳感引入PXI這個測試測量標準平臺之中。

數(shù)據(jù)傳輸

Google公司在2012年推出了“Google Fiber“服務，利用光纖傳輸技術，實現(xiàn)高達1G的網(wǎng)速，從本質上即將改變?nèi)祟惖纳睿煌瑯?，在目前的各類大型分布式?shù)據(jù)采集應用中，光纖也已經(jīng)逐漸成為主流的傳輸方式。憑借其獨特的技術優(yōu)勢，使用光纖傳輸可以有效解決以下實際工程問題：

- 傳輸距離

在分布式的數(shù)據(jù)采集項目中，如果采用的是USB或者以太網(wǎng)總線，那么其數(shù)據(jù)的傳輸距離都會受到一定的限制條件，例如以太網(wǎng)的理論最大傳輸距離是 100 米（實際是達不到的）。因此對于需要傳輸距離較長的應用來說，采用光纖就可以很好地解決這個問題，其理論傳輸距離可高達到20公里。

- 環(huán)境對信號的干擾

實際現(xiàn)場環(huán)境對信號的影響是不容忽視的因素之一，例如在電力監(jiān)測等項目現(xiàn)場，都會具有電磁干擾等因素，在用傳統(tǒng)的電纜傳輸電信號的時候，會產(chǎn)生一定的干擾；相比電路，采用光路的傳輸則完全不受電的干擾和影響（如下圖）。

在電力、能源或其他有高 電壓、電流的測試環(huán)境下，線纜連接的安全性是需要考慮的重要因素。不同于網(wǎng)線和其他金屬電纜，光纖本身絕緣，不具有導電性，即使穿越布滿高電壓設備的環(huán) 境，也不存在被擊穿的風險，不會對光纖兩端的人員和設備帶來危險。這是其他線纜通信方式所不具備的優(yōu)點。
同步

時鐘同步是多節(jié)點或者模塊化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本問題，業(yè)界最為常用的解決方法是在多個采集設備中用線纜共享時鐘信號。但由于線纜的傳輸距離限制以及傳輸延時使得這一傳統(tǒng)技術在長距離、高精度測試系統(tǒng)中無法使用（根據(jù)CAT-5e標準，線纜最大傳輸距離應小于100米，每米最大傳輸延時為4.98ns）。

基于GPS的同步授時是一個不錯的選擇，其時鐘源來自GPS衛(wèi)星信號，技術較為成熟，目前這項技術也已經(jīng)廣泛用于以太網(wǎng)、電視傳播等領域，現(xiàn)在也開始在測試測量領域嶄露頭角。但是這種方式對GPS依賴性過高，無論從系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性以及信息安全性等角度，都不是一勞永逸的解決之道。

選用光纖來解決時間同步的問題，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有了一些技術的成果，例如在粒子沖撞機等大物理領域，最新誕生出叫作White Rabbit的同步技術，雖然目前還沒有完全成熟，但是理論上可以實現(xiàn)在10km空間尺度中納秒級的精確度；

圖： 光纖同步模塊工作原理