啁啾光栅门式起重机索力检测系统的研究

摘要

光纤光栅传感器是利用光栅波长对温度，应变敏感的特性而研制的一种光纤传感器，除具有传统电类传感器的功能外，还具有抗电磁场干扰，测量范围广，动态范围大，稳定性好等优点，被广泛应用于大型复合材料和混凝土的结构监测和电力、石油和化工领域过程的监控。
　　 光纤啁啾光栅FCG(Fiber Chirped gratting)传感器使用反射光强作为被调制信号，使其较布拉格光栅FBG解调成本低，速度快，目前已被用于测量震动，应力等。然而，对于FCG的光强信号，光源输出光功率波动和传输光路由于震动产生的弯曲衰减是两个主要的干扰。因此当进行长稳态信号测量时，其零点漂移问题严重，需要频繁进行零点校正。
　　 针对门式起重机索力测量的特点，本文采用了啁啾光栅传感技术进行对其检测。重点采用光强比值法针对FCG光强解调进行了改进，弥补了啁啾光栅在测量稳态信号时的一些缺陷，拓宽了啁啾光栅的应用领域。
　　 本文首先介绍了啁啾光栅的光学原理以及门式起重机索力检测的传感体结构以及检测方法。在此基础上介绍了FCG光强比值的解调方法，并对该方法在FCG光强解调的应用进行了理论上的分析，并设计和搭建了光路。通过实验验证，光源功率变化3dB时，信号比值的波动为1.5％左右。为实现FCG光强比值解调，本文以意法半导体公司的ARM处理器为核心，以模块化的设计思想从硬件与软件两个方面详细的介绍了光强比值解调系统的设计；使用LabVIEW完成上位机监控与数据保存软件，其界面友好，操作方便。整个系统在门式起重机索力检测的模拟实验中得到如下结果：在0至3吨的测量范围里，线性拟合度为99.67％，满量程误差为1.82％，优于电阻应变片式传感器在此应用中的3％的精度指标要求。
　　 本人所做的主要工作为：
　　 ①对啁啾光栅进行了认真的学习与研究，根据其传感原理对整个啁啾光栅传感系统的光路进行了创新性的改进和设计。
　　 ②根据本应用的测量信号特点以及测量方法，针对性地选择了各个模块的IC并完成了解调系统的硬件设计。
　　 ③根据硬件部分的组成，完成了嵌入式部分的软件设计。同时完成了上位机软件，使用者可以方便的在PC机上对其工作状态进行监控和数据调用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2选题背景及意义

1.3国内外光纤应力传感器研究现状和进展

1.3.1光纤弹光效应压力传感器

1.3.2光纤光栅应力传感器

1.3.3基于布里渊散射的分布式光纤应变／温度传感器

1.4国内外光纤光栅解调技术的发展

1.4.1匹配滤波法：

1.4.2边缘滤波法

1.4.3非平衡的光纤Mach-Zehnder干涉法

1.4.4扫描光纤F-P干涉探测法

1.5本人完成的主要工作与论文安排

第2章FCG光强比值的光路设计

2.1 FCG的光学原理

2.2 FCG的传感原理

2.2.1轴向应力特性

2.2.2温度特性

2.3光强比值的应用

2.4 FCG光强比值原理

2.5门式起重机索力检测的传感头设计

2.5.1门式起重机索力检测的方法

2.5.2门式起重机检测的传感体设计

2.6系统的整体需求分析

第3章光强比值仪表的硬件设计

3.1系统的硬件整体构成

3.2光源及其控制模块

3.2.1光源的控制原理

3.2.2光源控制的实现

3.3光接收模块

3.3.1光电接受模块的噪声分析

3.3.2光电接收模块的信号处理

3.4 A／D采样模块

3.4.1 Σ-△型A／D转换原理

3.4.2 AD7708简介

3.4.3 AD7708的采样频率设定

3.4.4 AD转换模块的稳压电路

3.5光强比值仪表的处理器

3.5.1 ARM的发展与概述

3.5.2 Cortex-M3核与stm32F103RB微控制器

3.6通信模块的设计

3.7显示模块的设计

3.8系统的电源模块的设计

第4章光强比值仪表的软件设计

4.1下位机软件设计

4.1.1开发环境KEIL MDK介绍

4.1.2下位机软件的实现

4.2上位机软件的设计

4.2.1上位机软件的需求分析

4.2.2 LabVIEW简介

4.2.3上位机软件的实现

第5章实验结果及其分析

5.1啁啾光强比值法的验证

5.2啁啾光强比值在港吊称重上的应用

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文