數(shù)據(jù)采集技術(shù)要點(diǎn)剖析（三）

—— Alfredo Cigada , 教授 , 米蘭理工大學(xué)

誠然，各種商業(yè)可用技術(shù)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(shù)也是其中之一。

前香港中文大學(xué)校長高錕在20世紀(jì)60年代提出了采用光路來實(shí)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(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)布線而言，基本已經(jīng)進(jìn)入了光纖這個(gè)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(luò)的運(yùn)行速率達(dá)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(hù)成本；

- 抗干擾性強(qiáng)，安全性能高

與此同時(shí)，在測試測量領(lǐng)域，特別是大通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，光纖技術(shù)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(yīng)用。

光纖傳感

數(shù)十年來，電學(xué)傳感器是將物理和機(jī)械現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠測量的模擬信號的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。盡管它們無處不在，電學(xué)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(yīng)用中不夠安全，不適應(yīng)實(shí)際情況而導(dǎo)致無法使用。

相比之下，光學(xué)傳感器通過使用光學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)的光纖取代電學(xué)的銅線，消除了很多困擾電學(xué)傳感器的挑戰(zhàn)。其中最為廣泛采用的光學(xué)傳感器技術(shù)就是基于光纖布拉格光柵(FBG)技術(shù)。FBGs是最本質(zhì)的點(diǎn)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(shí)透射所有其它的波長。反射的布拉格波長作為溫度與應(yīng)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(gè)FBG傳感器沿一根光纖呈環(huán)狀排布，因?yàn)槊總€(gè)FBG都被制造為獨(dú)一無二的標(biāo)稱波長，所以它能夠運(yùn)行在唯一的光學(xué)光譜頻帶。與電學(xué)傳感系統(tǒng)不同，每個(gè)光學(xué)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(fù)雜性。此外，因?yàn)镕BG傳感器調(diào)節(jié)波長而不是光強(qiáng)，您可以將其部署很遠(yuǎn)的距離——長達(dá)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(shè)備供應(yīng)商開始專注于光纖傳感的研究方向，例如微光光學(xué)公司（MicronOptics）一直致力于將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測項(xiàng)目中，在美國Chulitna大橋健康監(jiān)測項(xiàng)目中，在光纖上成功布置了幾百個(gè)應(yīng)變傳感器；而NI公司也推出光學(xué)傳感解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)對FBG應(yīng)變和溫度傳感器的同步采樣，將光纖傳感引入PXI這個(gè)測試測量標(biāo)準(zhǔn)平臺之中。

數(shù)據(jù)傳輸

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

- 傳輸距離

在分布式的數(shù)據(jù)采集項(xiàng)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(shí)際是達(dá)不到的）。因此對于需要傳輸距離較長的應(yīng)用來說，采用光纖就可以很好地解決這個(gè)問題，其理論傳輸距離可高達(dá)到20公里。

- 環(huán)境對信號的干擾

實(shí)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(xiàng)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(shí)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(dǎo)電性，即使穿越布滿高電壓設(shè)備的環(huán) 境，也不存在被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，不會對光纖兩端的人員和設(shè)備帶來危險(xiǎn)。這是其他線纜通信方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)。
同步

時(shí)鐘同步是多節(jié)點(diǎn)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(gè)采集設(shè)備中用線纜共享時(shí)鐘信號。但由于線纜的傳輸距離限制以及傳輸延時(shí)使得這一傳統(tǒng)技術(shù)在長距離、高精度測試系統(tǒng)中無法使用（根據(jù)CAT-5e標(biāo)準(zhǔn)，線纜最大傳輸距離應(yīng)小于100米，每米最大傳輸延時(shí)為4.98ns）。

基于GPS的同步授時(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，其時(shí)鐘源來自GPS衛(wèi)星信號，技術(shù)較為成熟，目前這項(xiàng)技術(shù)也已經(jīng)廣泛用于以太網(wǎng)、電視傳播等領(lǐng)域，現(xiàn)在也開始在測試測量領(lǐng)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(shí)間同步的問題，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有了一些技術(shù)的成果，例如在粒子沖撞機(jī)等大物理領(lǐng)域，最新誕生出叫作White Rabbit的同步技術(shù)，雖然目前還沒有完全成熟，但是理論上可以實(shí)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