基于FBG传感器的振动检测系统开发与实现

摘要

振动测试在现代工程领域中占据着越来越重要的地位。目前振动测量的方法主要有机械式测量、电气式测量、光学式测量，其中电气式传感器因技术成熟、灵敏度高等优点而被广泛应用，但该类传感器需要绝缘处理，且易受电磁干扰，严重制约了振动测试技术的发展。光纤光栅传感器体积小、质地轻、传输距离远、动态测量范围广，而且能够抗强磁、强电、高温等恶劣环境的干扰，所以本文将振动测试技术和光纤传感技术相结合，设计研发一种基于FBG传感器的振动检测系统。该系统以实现振动信号的测量为出发点，设计出FBG振动传感器、振动解调系统和上位机软件。其主要研究内容和结果如下:
　　首先，深入分析光纤光栅传感理论，设计出基于柔性铰链结构的光纤光栅振动传感器。该传感器由基座、质量块、柔性铰链、光纤布拉格光栅(FBG)构成，结构做成一体化。将施加一定预应力的光纤布拉格光栅粘贴在质量块和基座之间，作为振动系统的传感探头，通过中心波长的变化量检测出振动信号的大小。在传感器的制作过程中，设计最优的结构参数，利用SolidWorks仿真并分析出传感器的固有频率。
　　接着，通过分析比较选用基于透射式的体相位光栅波长解调方法，利用BaySpec公司生产的高灵敏度、高精度的光纤光栅解调模块FBGA，搭建组装高速解调系统。在相对复杂、恶劣环境中检测出因待测物理量变化而引起的光波的变化，实现光纤光栅传感波长精确、快速的测量，满足振动检测现场在采样速率、采样精度、体积大小等方面的需求。
　　然后，根据系统的功能性和非功能性需求和性能指标，提出与FBGA解调设备相匹配的系统软件的总体设计方案，通过UML的用例图和用例规约实现系统建模。利用可视化程序开发工具Visual Studio2010，基于MFC的多文档编程，采用C++编程语言，综合USB通信、多线程、动态链接库等技术实现振动信号的采集、处理、显示与存储等功能。其中在数据采集和数据处理这两个核心模块增加了系统的容错机制，优化了系统的性能。具体体现在对波峰个数和数据合理性的判断、均值滤波的方法对毛刺数据的处理等。此外，重点对系统的数据库SQL Server进行了建模与实现，详细介绍了数据库中的参数配置表、传感器信息表、数据表等。
　　最后，搭建实验系统对振动检测系统性能进行测试，通过FBGA解调设备和上位机软件实现基于柔性铰链结构振动传感器的数据采集、显示、存储工作，对实验数据进行分析与处理，验证上位机软件、解调系统性能的同时，也验证了传感器的工作性能。由实验结果可知，该振动检测系统可用于振动信号的实时检测，及时、准确的掌握工程结构的运行状况，对抗振减灾，确保工程系统安全有着极其重要的意义和价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 振动传感测试的发展现状

1．3 课题研究内容

1．4 论文章节安排

第2章 光纤光栅振动传感器和解调系统的设计

2．1 光纤光栅传感理论

2．1．1 光纤光栅耦合模理论

2．1．2 光纤光栅传感原理

2．2 基于柔性铰链结构振动传感器设计

2．2．1 振动传感器的设计思想

2．2．2 振动传感器的工作原理

2．2．3 振动传感器的仿真分析

2．3 基于FBGA模块的光纤光栅解调系统

2．4 振动检测系统的整体架构及性能指标

2．4．1 振动检测系统的整体架构

2．4．2 振动检测系统的性能指标

2．5 本章小结

第3章 光纤光栅振动检测系统软件分析与设计

3．1 振动检测系统软件需求分析与建模

3．1．1 软件功能性分析及建模

3．1．2 系统非功能性分析

3．2 振动检测系统软件设计

3．3 振动检测系统数据库的选择与设计

3．3．1 数据库的选择

3．3．2 数据库的设计

3．4 本章小结

第4章 光纤光栅振动检测系统软件实现

4．1 编程基础

4．2 振动检测系统功能模块的实现

4．2．1 用户管理模块

4．2．2 参数配置模块

4．2．3 数据通信模块

4．2．4 数据处理模块

4．2．5 实时显示模块

4．2．6 历史查询模块

4．3 振动检测系统数据库的实现

4．3．2 数据库的实现方法

4．4 本章小结

第5章 光纤光栅振动检测系统实验结果与分析

5．1 实验系统搭建

5．2 实验结果分析

5．2．1 振动检测系统准确性测试

5．2．2 振动检测系统回复性测试

5．2．3 振动传感器性能测试

5．3 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢