数据采集技术要点剖析（三）

“ ……将光纤技术和电气测量系统相结合，这与将两者分开的传统方法截然不同，如是的融合势必解决更多的实际问题。”

 

—— Alfredo Cigada , 教授 , 米兰理工大学

 

诚然，各种商业可用技术的高速发展对测试测量行业产生了巨大的影响，光纤技术也是其中之一。

前香港中文大学校长高锟在20世纪60年代提出了采用光路来实现数据通讯的方式，自此，从1977年光纤系统首次商用安装以来，各通信公司就已经开始使用光纤链路替代旧的铜线系统。从传统的双绞线、电缆+双绞线阶段，目前对于高速、大数据量以及超远距离的数据布线而言，基本已经进入了光纤这个阶段。其主要的原因，也是显而易见的：

- 就传输速率而言，相对于铜线每秒1.54MHZ的速率，光纤网络的运行速率达到了每秒2.5GB；

- 从带宽来看，光纤具有较大的信息容量；

- 极低的维护成本；

- 抗干扰性强，安全性能高

与此同时，在测试测量领域，特别是大通道数的数据采集系统中，光纤技术的爆发态势直接开拓了传统测量方法所无法企及的应用。

光纤传感

数十年来，电学传感器是将物理和机械现象转化为数据采集系统能够测量的模拟信号的标准机制。尽管它们无处不在，电学传感器仍然有很多局限性，电磁干扰（EMI）、易爆性、对噪声的高敏感以及布线麻烦等缺陷使它们在很多应用中不够安全，不适应实际情况而导致无法使用。

相比之下，光学传感器通过使用光学的标准的光纤取代电学的铜线，消除了很多困扰电学传感器的挑战。其中最为广泛采用的光学传感器技术就是基于光纤布拉格光栅(FBG)技术。FBGs是最本质的点传感器，它在光纤芯内具有周期性的折射率变化。FBG，一般5毫米长，有选择地反射以布拉格波长为中心的很窄的频带，同时透射所有其它的波长。反射的布拉格波长作为温度与应变的函数而变化，这使利用FBGs作为传感器成为可能。工程师们可以将多个FBG传感器沿一根光纤呈环状排布，因为每个FBG都被制造为独一无二的标称波长，所以它能够运行在唯一的光学光谱频带。与电学传感系统不同，每个光学通路能够测量很多FBG传感器，极大地减少了测量系统的尺寸，重量以及复杂性。此外，因为FBG传感器调节波长而不是光强，您可以将其部署很远的距离——长达10千米——并且不会对测量精度造成任何影响。

目前已经有越来越多的设备供应商开始专注于光纤传感的研究方向，例如微光光学公司（MicronOptics）一直致力于将光纤传感技术应用于各类结构健康监测项目中，在美国Chulitna大桥健康监测项目中，在光纤上成功布置了几百个应变传感器；而NI公司也推出光学传感解调器，实现对FBG应变和温度传感器的同步采样，将光纤传感引入PXI这个测试测量标准平台之中。

数据传输

Google公司在2012年推出了“Google Fiber“服务，利用光纤传输技术，实现高达1G的网速，从本质上即将改变人类的生活；同样，在目前的各类大型分布式数据采集应用中，光纤也已经逐渐成为主流的传输方式。凭借其独特的技术优势，使用光纤传输可以有效解决以下实际工程问题：

- 传输距离

在分布式的数据采集项目中，如果采用的是USB或者以太网总线，那么其数据的传输距离都会受到一定的限制条件，例如以太网的理论最大传输距离是 100 米（实际是达不到的）。因此对于需要传输距离较长的应用来说，采用光纤就可以很好地解决这个问题，其理论传输距离可高达到20公里。

 

- 环境对信号的干扰

实际现场环境对信号的影响是不容忽视的因素之一，例如在电力监测等项目现场，都会具有电磁干扰等因素，在用传统的电缆传输电信号的时候，会产生一定的干扰；相比电路，采用光路的传输则完全不受电的干扰和影响（如下图）。

 

- 高压隔离与安全性

在电力、能源或其他有高 电压、电流的测试环境下，线缆连接的安全性是需要考虑的重要因素。不同于网线和其他金属电缆，光纤本身绝缘，不具有导电性，即使穿越布满高电压设备的环 境，也不存在被击穿的风险，不会对光纤两端的人员和设备带来危险。这是其他线缆通信方式所不具备的优点。
同步

时钟同步是多节点或者模块化的数据采集系统的基本问题，业界最为常用的解决方法是在多个采集设备中用线缆共享时钟信号。但由于线缆的传输距离限制以及传输延时使得这一传统技术在长距离、高精度测试系统中无法使用（根据CAT-5e标准，线缆最大传输距离应小于100米，每米最大传输延时为4.98ns）。

基于GPS的同步授时是一个不错的选择，其时钟源来自GPS卫星信号，技术较为成熟，目前这项技术也已经广泛用于以太网、电视传播等领域，现在也开始在测试测量领域崭露头角。但是这种方式对GPS依赖性过高，无论从系统的长期稳定性以及信息安全性等角度，都不是一劳永逸的解决之道。

选用光纤来解决时间同步的问题，在世界范围内已经有了一些技术的成果，例如在粒子冲撞机等大物理领域，最新诞生出叫作White Rabbit的同步技术，虽然目前还没有完全成熟，但是理论上可以实现在10km空间尺度中纳秒级的精确度；

图： 光纤同步模块工作原理

技术的革新势必带来应用的革命，不可否认的是，光纤技术在测试测量领域将逐渐扮演日益重要的角色，工程师们如何把握这样的技术趋势，从而提高系统的构建效率和稳定度，这是一个值得讨论的话题。