李静[1]2008年在《基于DSP的光纤光栅解调系统研究》文中研究说明光纤布拉格光栅传感器属于波长调制型光纤传感器,具有不受光源功率波动和系统损耗等独特的优点,被广泛应用于航天、船舶、电力、石油及医学等众多领域,是目前光纤传感领域的研究热点之一。在光纤光栅传感系统中,中心波长位移的精确测量决定传感信号的精度,因此对传感信号的精密解调是光纤光栅传感器实用化的关键技术之一。研发高灵敏度、稳定性好、性价比高的新型传感解调系统以取代昂贵的、大体积的光谱分析仪,在工程应用中具有非常重要的意义。论文从Fabry-Perot可调谐滤波器波长选择特性出发,设计和研究了基于高速数字信号处理器(DSP)的光纤光栅波长解调系统。系统使用Fabry-Perot可调谐滤波器获取传感器反射信号的光谱;对光路解调中提取出来的信号进行数字量化、分析,并通过串行通讯接口(SCI)将所得数据传送给上位机,完成各种检测功能。通过相应的硬件和软件设计,完成数据采集、数据处理等任务,实现快速高效的系统控制。论文分析了该光纤光栅解调系统的误差来源,并通过加入参考光栅校准,克服了可调谐滤波器重复性差的弊端,提高了系统的测量精度。论文从理论和实验两方面分析验证了系统的可行性。与基于光谱分析仪的解调系统相比,本光纤光栅波长解调系统结构简单,精度较高,可以取代光谱分析仪执行简单功能。论文最后在对系统深入研究的基础上提出了许多改进该解调系统精度的方案,为进一步的研究提供了参考。
蔡江江[2]2013年在《光纤布拉格光栅解调系统和传感新方法的研究》文中研究表明光纤布拉格光栅能实现对应变、温度等多种外界物理量的测量,在传感领域有着广泛的应用前景。利用布拉格光栅制成的传感器以检测波长漂移为主,不受光源功率波动和系统损耗的影响,因此自问世以来,光纤布拉格光栅就受到了众多研究者的青睐。随着光纤光栅技术的成熟,现在研究的重点转向了解调系统的开发和新型传感方法的研究,其中布拉格波长的测量精度是关键,不但影响着传感信号的检测精度,而且还决定着该项传感技术的实用化进程。本文首先从光纤光栅的传感原理出发,介绍了日前比较常用的布拉格波长信号解调方法,分析了各自的优缺点,然后采用Fabry-Perot滤波法,利用DSP芯片开发了一套光纤光栅解调系统,该系统采用线性插值标定的方法,克服了Fabry-Perot滤波器蠕动、温漂、迟滞等特性对解调结果造成的影响,具体介绍了该系统的硬件电路设计和软件系统的开发,然后对该系统的性能进行了实验验证。硬件电路部分主要包括：供电电路、信号采集电路、Fabry-Perot滤波器驱动电路、数据传输电路以及数据处理和控制电路；软件系统部分主要包括解调硬件电路的控制程序软件和上位机监控软件。最后,根据波长扫描的原理,本文设计了一套基于自外差探测技术的远程光纤光栅传感系统,并对该系统性能进行了测试,在没有使用放大器的条件下,获得了170km的传感距离和33dB的信噪比。另外,将该系统应用于远程温度传感实验中,所得结果与温度真实值之间的误差<1℃,验证了该系统的可行性。
赵哲[3]2008年在《光纤布拉格光栅液位传感器的实验研究》文中研究表明光纤布拉格光栅传感器因具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、小巧等特点,被广泛应用到各个领域,并成为光纤传感领域的一个研究热点。本论文从液位测量技术的发展出发,先后总结了现有的主要液位测量方法,并归纳了国内外液位传感器的发展情况。在光纤光栅传感部分,重点介绍了光纤布拉格光栅的传感模型,并对应变传感、温度传感、应变和温度交叉敏感等问题进行了详尽的分析。在光纤布拉格光栅液位传感部分的设计中,对其整体方案进行了规划,并从压力弹簧管的应变原理出发,通过大量的理论推导,获得基于压力弹簧管的光纤光栅液位传感原理,得到由液位产生的压力与光纤布拉格光栅波长偏移量的线性关系。同时,对光纤光栅的温度补偿问题进行了一定探讨。在理论推导的基础上,本课题设计完成了基于C型压力弹簧管的光纤光栅液位传感器,完成了基于活塞式压力计、光谱分析仪以及LED宽带光源实验平台的搭建。通过温度传感实验,验证了光纤布拉格光栅温度传感特性,并得到与理论值较吻合的光纤Bragg光栅温度灵敏度系数;通过应变传感实验,证明了课题中制作的光纤光栅液位传感器具有较好的迟滞特性,重复性、线性特性等,其灵敏度约为0.671nm/MPa。论文中对光纤光栅解调技术做了一定的探讨,完成了以DSPTMS320VC5402为核心的光源及其驱动电路、光电探测部分、电源电路、复位电路、时钟电路、A&D转换电路等的设计,并进行上位机监控页面的仿真设计。
营旭东[4]2011年在《光纤布拉格光栅地震检波解调技术的研究》文中研究说明地震检波器是在地质勘探和工程测量领域中的一种专用传感器,它能将地面振动转变为各类信号(其中最主要为电信号),在地震勘探数据采集的过程中,它是至关重要的一环,其性能的好坏直接影响地震记录质量和地震资料的解释工作。近年来,由于石油工业和电子工业的迅猛发展,极大地推动了地震勘探技术的发展。因而对地震数据采集的精度和质量要求也越来越高,即要求具有高分辨能力、高抗干扰能力、高信噪比、高保真度、高精确度和大动态范围的地震检波器。在振动传感领域中,比起传统的探测器,用光纤光栅作为传感器具有高灵敏度、大动态范围、强抗干扰能力、波长编码信号,便于构成分布式传感网络等诸多独特的优点。如何检测、处理传感光栅中心波长的微小偏移量,即对波长编码的信号实现解调是整个光纤布拉格光栅传感系统实用化的关键。本文基于边缘滤波解调技术,利用改进的掺铒超荧光光源做边缘滤波器,采用LabVIEW软件来实现对解调信号的采集、处理和显示等,实现了对地震信号的解调。本文所作的工作主要包括：(1)介绍了光纤布拉格光栅传输理论模型及其传感原理；分析了光纤布拉格光栅地震检波器的基本原理。(2)对常见的几种解调方法的优缺点进行了分析和比较,选定了一种光源作为滤波器件的边缘滤波解调方案；对解调系统的光路和电路组成部分进行了研究和设计,搭建实验系统。(3)对实验系统进行动态振动传感实验,分析实验结果,总结解调方案的优缺点,并对实验误差进行分析。(4)提出了一种基于边缘滤波法和匹配光栅法的振动和温度同时测量的解调方案。
刘光超[5]2015年在《光纤光栅传感解调系统研究》文中研究说明传感技术是当今世界高新技术研究热点之一,更是当今科学技术发展的重要标志。传感技术与计算机技术、通信技术组成了信息产业的叁大支柱。随着光纤光栅传感技术的快速发展,光纤光栅传感技术在土木工程、航空航天、医学、电力工业、石化工业等领域上得到了广泛的应用。光纤光栅传感技术不仅具有低插入损耗、窄反射带宽、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰的优点,而且利用多样的复用方式,易于组建大容量分布式传感网络,大容量分布式的传感系统对光纤光栅解调系统的灵敏度和稳定性提出了很高的要求。本论文依托北京交通大学与南车青岛四方机车车辆股份有限公司合作项目《光纤光栅传感检测系统》。阐述了光纤光栅传感的基本原理,重点对光纤光栅传感解调系统做了详细的研究,包括五种常用的解调方案的对比研究,光源技术、可调F-P滤波器、标准具等核心部件的研究。在此基础上,提出并设计了基于可调谐F-P滤波器的双通道光纤光栅传感解调方案,分析了方案的解调原理。分别对系统选用的ASE宽带光源、可调谐F-P滤波器以及光电接收电路进行了介绍。最后对基于可调谐F-P滤波器的双通道光纤光栅传感解调系统在铁路机车上进行了对温度的测试,测试选用了自行设计的双端表面贴装式光纤光栅温度传感器,传感器便于安装,工作稳定。测试结果证明了基于可调谐F-P滤波器的双通道解调系统具有较高的灵敏度,其波长灵敏度为1pm,对温度的解调灵敏度达0.1℃,实现了预期目标。
尹进[6]2003年在《光纤布拉格光栅传感解调系统的研究与开发》文中指出光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。自从1978年K·O·Hill等人在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅以来，由于它具有许多独特的优点，人们将其用于光通信的同时也致力于将其应用于各种物理量的传感。近年来在光纤光栅传感方面的研究与应用已经越来越引起人们的重视。 从国内外在布拉格光栅的研究和应用来看，目前还少有应用性的研究成果。对布拉格光栅传感器信息的采集和处理主要还是借助于光谱仪等光学分析仪，并没有针对布拉格光栅传感器的专门分析仪器。而且，在已知的这些应用中，均无法直接获得所感知的物理量，更无法将波长变化直接转化为电信号，供其它设备如控制设备的使用。这无疑是光纤光栅传感器得到广泛应用的一大障碍。 本文致力于设计开发一种分布式光纤光栅传感器的波长解调系统，用于工程实际，属应用性研究。 论文系统地介绍了Bragg光栅及其传感原理，讲述了光纤光栅传感器特点及其应用。FBG光栅传感器的传感信息被调制在波长中。文中对比分析了多种典型的传感解调技术，确定采用FFP-TF(Fiber Fabry-Perot Tunable Filter)滤波法实现解调。此方法有利于研究具有高灵敏度、光能利用率高、操作简单和适用于工程应用的波长位移检测技术。 本文从解调系统的功能与系统设计要求出发，在选定基本解调方法的基础上对整个解调方案进行了细化，在采用FFP-TF的光纤光栅解调系统中引入高速数据采集卡，形成一套全新的解调方案，建立了传感解调试验系统。 基于这样一个新型的系统，论文着重讲述了新型的解调软件系统OptSensor的开发过程。OptSensor系统支持多种数据采集卡，并集成了多种解调算法。针对项目开发试验需要，系统开发了多项调试功能，如：脱机调试；实时监测数据波形；解调结果可视化输出等。在完成解调结果标定后，系统将得到带有要求的量纲的最终结果，并以数值化的方式输出。 在组建传感解调试验系统和开发完成解调软件系统后，本文通过位移传感解调试验和温度传感解调试验进行了验证。试验表明，解调软件系统OptSensor的功能达到了预期的目标，能够满足解调试验与工程应用需要。
宋大伟[7]2009年在《医用光纤光栅温度及呼吸传感技术的研究》文中提出光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器是一种利用光栅Bragg波长对温度、应力的敏感特性而制成的新型光纤传感器件,特别是它具有体积小、结构简单的优点,在医学领域这些优点具有极其重要的应用前景,现在越来越受到人们的关注。本论文根据医学领域的实际需求,提出了将光纤光栅应用于呼吸检测和温度测量传感系统中,主要内容如下：综述了光纤光栅传感系统在医学领域中背景和意义以及目前国内外的研究现状。系统的介绍了光纤光栅的制作方法和分类以及光纤光栅的传感原理,并给出了光纤光栅的应变传感模型、温度传感模型以及应变和温度的交叉传感模型。对光纤光栅传感解调系统做了详尽的说明,光纤光栅传感系统从ASE宽带光源、光纤光栅传感器以及光纤光栅传感系统叁个方面进行了介绍；然后对目前存在的几种通用的解调方法的原理及其优缺点进行了分析,提出了采用扫描激光解调技术和NI公司的LabVIEW虚拟仪器解调技术相结合的方法实现光纤光栅解调系统。利用所设计的光纤Bragg光栅传感解调系统,进行了光纤Bragg光栅的温度和呼吸测试实验以及光纤Bragg光栅传感信号解调实验,并对验结果进行了分析和处理,验证了所提出的将光纤光栅传感解调系统应用于医学领域的可行性。
徐常明[8]2013年在《基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅传感解调系统研究》文中研究指明光纤光栅传感器以其结构紧凑、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、可测量参量种类多、检测灵敏度高、以及易于组成分布式传感网络等独特优点，普遍应用于土木工程、石油化工、电力电子和医疗等领域。光纤光栅传感解调技术方案逐步成熟，但由于解调系统集成度不高和高精度的解调系统价格高昂，成为实际工程应用中的主要障碍，因此为了促进光纤光栅传感器的市场化规模应用，有必要开发出一套高稳定性、高精度和成本适中的光纤光栅传感通用解调系统。对光纤布拉格光栅(FBG)的传感机理进了分析，研究了FBG的温度和应变敏感特性，以及在对单一参量测量时，克服温度和应变交叉敏感影响需要采取的补偿措施，对比了光纤光栅传感常见的解调技术。设计了基于光纤F-P可调谐滤波器解调的通用传感解调系统，对系统传感光路所需的光学器件性能参数进行了分析，重点分析了光纤F-P可调谐滤波器器件参数对解调系统性能影响，针对波长扫描时由PZT动态漂移引起的非线性和可重复性偏差的影响，提出采用参考光栅和FFP-TF2驱动算法改进进行硬件和软件补偿的措施，并实验验证了其对提高解调精度的可行性。完成系统信号处理与分析控制单元硬件电路设计，包括C8051F340控制单元及其外围接口电路模块、FFP-TF2驱动电路、光电检测电路模块、A/D传感数据采集模块、LCD显示模块等功能模块设计，并将其集成到单板上，为系统集成化和仪器化提供方便。在硬件平台基础上，开发了基于VC++的上位机监控软件，利用MSCOMM控件实现串行数据的收发，并基于TeeChart图表控件实现监测数据的图形化显示，满足智能化的远程在线实时监控。最后实验验证了系统硬件和软件系统的性能和稳定性，对系统进行温度传感测试实验，结合实验数据分析了FBG中心波长和温度的线性度关系，测试了FFP-TF2的动态漂移特性，给出实际应用中的补偿方案，系统实验结果达到预期要求。
崔海朋[9]2009年在《基于光纤光栅的液位测量技术的研究》文中研究说明光纤光栅传感器除具备光纤传感技术的所有优点之外,还具有以下独特的优点:光源的光强波动与光损耗不对系统准确度造成影响;可实现波分复用传感网络;可实现分布式测量系统。基于光纤光栅的液位传感器兼具了传统浮筒式液位传感器的结构简单、使用成熟的优点,还具有性能优越、安装条件要求低、节能环保等其它优势。将光纤光栅引入液位测量领域具有广泛的应用前景。本文设计和开发了一种新型的基于光纤光栅传感器的液位测量系统。液位传感部分基于浮筒式液位传感器的测量原理,利用光纤布拉格光栅作为敏感元件,采用等强度悬臂梁对传感光纤布拉格光栅进行调谐,将液位高度变化引起的应变信号转换为光波长信号;解调部分采用与传感器中心波长完全相同的光纤光栅作为匹配光纤光栅,采用匹配光纤光栅法对中心波长进行解调,实现了全光纤传感系统。测量系统利用光电转换电路和锁相放大电路对含有噪声的信号进行处理,通过USB型数据采集卡把信号采集到计算机,利用LabVIEW软件对液位信号进行处理,构成实时信号处理系统。最后进行了初步的试验,试验证明,采用光纤光栅传感器进行液位测量是可行的。
张锦龙[10]2009年在《基于光纤光栅的传感和解调技术研究》文中提出光纤传感器技术是通过传感器从自然信源获取信息,并对信息进行处理和识别的一门多学科交叉的现代科学,它与通信技术、计算机技术构成信息产业的叁大支柱。该技术涉及到激光技术、纤维光学、非线性光学、电子技术、计算机技术、通信技术、信号处理技术等多个学科和领域。随着传感技术的深入研究与应用,光纤光栅传感技术正要向着网络化、智能化和实用化方向发展,传感解调技术也将向着高速度、高精度和分布式测量等方向发展。本文在调研光纤传感的特点和其在军事、民用领域的应用以及国内外研究进展的基础上,研究了光纤光栅传感技术：分析了光纤光栅传感解调技术的优、劣势,以及今后研究的方向与待解决的技术难点；依据耦合模理论分析方法研究了光纤光栅的光学特性和传感机理；总结了光纤光栅的分类及各类型光纤光栅的制作方法；对多种光纤光栅传感器和解调方案进行了系统的理论和实验研究,设计了四种传感器和叁种解调结构,并成功构建了光纤光栅无线传感网络。其主要研究工作和创新成果(黑体部分)如下：针对光纤光栅传感技术实用化中的交叉敏感问题,设计了渐变型等强度悬臂梁结构,研究其对光纤光栅调谐的温度补偿机理,实验验证了该悬臂梁对光纤光栅线性、无啁啾的调谐和温度补偿。采用渐变型悬臂梁调谐光纤布拉格光栅(FBG),通过测定光栅反射谱双峰的位置,使用一根光栅实现了应力和温度双参量同时传感测量。应力和温度传感的灵敏度分别为KF=0.125nm/N和KT=0.0124nm/℃。设计并实现了基于带宽检测的啁啾光纤光栅位移传感器,通过测定啁啾光栅反射谱带宽实现位移的测定,位移传感的灵敏度为K=0.05nm/mm。设计并实现了基于光强检测的啁啾光纤光栅位移传感器。该系统利用电路方法测定光强,提高了测量精度并降低了成本。位移传感的灵敏度为K=0.58pm/mm。研究FBG化学浓度传感器,对丙二醇溶液浓度的测量进行了实验研究,分析了温度敏感对化学浓度的影响及其去敏方法。通过测定溶液折射率的变化实现其对浓度的检测。设计并实现了基于交叉相位调制(XPM)技术的锁相光纤光栅传感器解调系统。采用XPM技术避免了压电陶瓷(PZT)等机械结构的使用,大大提高了系统速度和可重复性,对温度的测量精度可达0.1℃。分析了外界环境对M-Z结构的影响,并提出以LiNbO3波导器件克服环境对干涉器件影响的改进方案。设计了基于保偏型光纤环镜的波长解调系统,分析了其输入光波长和输出光功率分配特性,进行数值仿真并搭建了解调系统。通过调节保偏光纤长度、耦合器耦合系数、保偏光纤主轴角度,实现对测量范围和系统分辨率的调控,并能通过软件自动测定其结构参数。系统在解调范围大于1 nm时,分辨率小于1pm,测量精度小于±1pm。设计了采用保偏光纤和偏振分束器构建干涉仪的传感解调方案,仿真分析了系统结构参数对输出光强与波长对应关系的影响,并搭建实验系统。系统通过调节保偏光纤长度、保偏光纤主轴角度,实现对测量范围和系统分辨率的调控,在解调范围大于1nm时,分辨率小于1pm,测量精度小于±1pm。基于LabVIEW软件平台开发了针对不同传感解调方案的光纤光栅传感解调控制软件,成功地应用于不同机理、不同结构FBG传感器的结构参数测定、数据处理和实时二维图像显示。该软件是传感系统能够脱离实验室,进入应用领域的关键,具有通用性。论文最后对研究工作进行了总结,给出了进一步研究的方向。
参考文献：
[1]. 基于DSP的光纤光栅解调系统研究[D]. 李静. 浙江大学. 2008
[2]. 光纤布拉格光栅解调系统和传感新方法的研究[D]. 蔡江江. 南京大学. 2013
[3]. 光纤布拉格光栅液位传感器的实验研究[D]. 赵哲. 北京化工大学. 2008
[4]. 光纤布拉格光栅地震检波解调技术的研究[D]. 营旭东. 西安石油大学. 2011
[5]. 光纤光栅传感解调系统研究[D]. 刘光超. 北京交通大学. 2015
[6]. 光纤布拉格光栅传感解调系统的研究与开发[D]. 尹进. 武汉理工大学. 2003
[7]. 医用光纤光栅温度及呼吸传感技术的研究[D]. 宋大伟. 黑龙江大学. 2009
[8]. 基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅传感解调系统研究[D]. 徐常明. 电子科技大学. 2013
[9]. 基于光纤光栅的液位测量技术的研究[D]. 崔海朋. 中国石油大学. 2009
[10]. 基于光纤光栅的传感和解调技术研究[D]. 张锦龙. 北京邮电大学. 2009
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