基于OTDR和FBG的光纤振动传感系统的研究

摘要

无论在工业中还是人们生活中，振动都是一种常见的现象，振动频率信息是描述振动的重要参数之一，对其进行测量是振动监测必不可少的环节。传统光纤光栅(FBG)振动传感器主要通过扫描波长的方式实现振动频率测量，测量时间较长，难以实现高频振动事件的测量。针对这一缺点，本文提出了一种基于OTDR和FBG的光纤振动传感方案，该方案利用边缘滤波法，由FBG实现振动频率的测量，利用OTDR功能实现光纤长度的测量，最终在一套系统中可以实现光纤长度和振动频率的同时测量。同时，为了降低信号处理模块的成本，本论文还提出利用ARM开发板作为信号处理单元，实现振动频率测量的方案。本文主要分为这几个方面： 1、对光纤传感器的基本理论及分类、光纤光栅基本技术及分类以及OTDR传感技术现状作了概述，重点讨论了光纤布拉格光栅的传感原理与解调技术。 2、提出了一种基于OTDR和FBG的光纤振动传感方案，该方案可以实现光纤长度和振动频率的同时测量。实验成功对850m末端，振动频率分别为1200Hz、1000Hz和800Hz的振动事件进行了测量，同时获得了光纤长度和损耗系数。 3、为降低振动测量结构的成本，即时得到解调信息，本研究提出了基于边缘滤波法和ARM板的一套振动测量系统。该系统分为探测器与ARM板两个结构，探测器主要将光信号转化为电信号并进行电压放大，将放大后的电压输入到ARM板，ARM板的主要任务是采集输入的电信号进行ADC转换，将转换后的信号进行傅里叶变换，并通过寻峰处理和计算将频率显示在屏幕上。系统测试表明，该系统由于ARM板的采样频率限制可以对2kHz以下的振动事件进行频率测量。由于不需要示波器和计算机，该系统具有成本较低，并可以即时得到振动频率信息的优点。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2光纤传感技术的发展

1.2.1光纤和光纤传感器的基本理论及分类

1.2.2光纤光栅传感技术

1.2.3 OTDR传感技术

1.2.4本文研究的意义和必要性

1.3本文研究的主要内容

第二章光纤布拉格光栅的传感原理与解调技术

2.1光纤布拉格光栅的传感原理

(1)温度传感

(2)应变的测量

2.2交叉敏感问题的解决方案

2.2.1应变和温度的同时测量方案

2.2.2用单光纤光栅测量力和温度

2.2.3单一FBG位移和温度的分辨测量

2.3光纤布拉格光栅解调技术

2.3.1基于边缘滤波技术的解调系统

2.3.2基于可调谐滤波器技术的解调系统

2.4本章小结

第三章基于OTDR和FBG光纤振动传感器实验研究

3.1实验装置及基本原理

3.2实验结果与分析

3.3本章小结

第四章基于边缘滤波法和ARM板的光纤光栅振动解调系统

4.1系统的实验装置

4.2系统的硬件设计

4.2.1探测器设计

4.2.2 STM32微处理器的少量硬件部分

4.3振动解调系统的软件设计

4.3.1 ADC转换程序

4.3.2定时器实验下的ADC数据读入

4.3.3傅里叶变换

4.3.4频率的寻峰处理

4.4实验结果与分析

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

科研情况说明

致谢

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