基于DSP的光纤光栅温度检测系统设计与实验研究

摘要

光纤布拉格光栅(FBG)是目前最有发展前景、最具代表性的光纤无源器件之一。由于其具有可靠性高、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等特点，在传感领域得到了越来越多的应用。
　　 温度作为工业生产中一个非常重要的参数需要人们密切关注，但现在很多场所，如高压、强磁环境中使用传统的传感器无法实现对温度的测量，而FBG温度传感器由于具有本安、抗电磁干扰强等独特的优点，因此将其应用到特殊领域的温度检测中具有重要意义。
　　 光纤光栅温度传感器的封装技术已经成熟，而光纤光栅解调技术是当前光纤光栅传感技术研究领域的重点和难点。特别是随着光纤Bragg光栅传感技术在国内外迅速发展，对解调技术也提出了更高的要求。现阶段存在多种解调方法，国外很多机构也进行了光纤光栅解调技术的研究并开发了相应的解调仪器，能够满足工业应用目的，但是由于价格昂贵、对环境要求高等原因限制了该技术的进一步推广应用。目前国内不少部门和研究单位进行了深入的研究，但大多数处于实验阶段，离标准化、产品化还有一定的距离。
　　 本文在综合考虑光纤光栅解调系统复杂性、解调速度和精度以及成本的基础上，设计了一套基于DSP的光纤光栅温度传感解调系统。该系统采用WPM( Wavelength Pumped Multiplexing)即泵浦波分复用器作为解调滤波器件，利用其在对应传感FBG不同波长处的插入损耗差异，辨析了不同的传感FBG波长与输出功率之间的关系，从而实现了对信号的解调。解调系统采用双光路结构，并提出了一种对称双通道信号数据融合方案，从理论与技术上做到消除由于光源和光路造成光强波动带来的测量漂移问题。
　　 DSP芯片是目前高速、高精度信号处理的有力工具。本论文选用DSP2407作为数据处理芯片，实现了信号放大、滤波、采集、温度转换和数据传输等功能。系统上位机软件采用Labview设计，将接收到的数据进行分析、显示和存储。
　　 值得一提的是，在系统设计和实验过程中引入数字电位器进行了放大倍数的调节，同时引入了数字温度计与本系统的温度测量进行了对比实验。
　　 通过对设计系统的大量实验，检验了系统稳定性和精度，结果证明基于DSP设计的FBG解调系统温度精度在1℃以内，同时具有解调速度快、性能稳定等特点，有望在工程实际应用中得到广泛应用。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 光纤光栅传感技术的研究现状

1.2 光纤光栅解调技术的发展现状

1.3 课题的研究目的和意义

1.4 本论文的主要研究工作

第二章 光纤Bragg光栅传感原理及解调方法

2.1 光纤Bragg光栅温度传感模型

2.2 光纤Bragg光栅解调理论研究

2.2.1 基于透射式衍射光栅的解调法

2.2.2 可调谐滤波解调法

2.2.3 干涉解调法

2.2.4 边缘滤波解调法

2.3 本章小结

第三章 FBG温度检测系统设计

3.1 光纤光栅温度传感器

3.2 WPM边缘滤波原理

3.3 波分复用技术

3.4 解调系统设计

3.4.1 单点解调光路设计方案

3.4.2 系统性能优化

3.4.3 多点温度检测系统设计

3.5 本章小结

第四章 基于DSP的光纤光栅解调系统电路设计

4.1 双光路放大电路设计

4.1.1 放大电路主要元器件性能指标

4.1.2 放大电路工作原理

4.1.3 放大电路的优化设计

4.1.4 放大电路中的平衡问题

4.2 DSP系统构建

4.2.1 DSP背景介绍

4.2.2 电源电路设计

4.2.3 A/D转换电路设计

4.2.4 RS-485接口电路设计

4.3 I2C总线及I2C接口器件使用

4.3.1 数字电位器X9119

4.3.2 数字温度计AD7416

4.4 本章小结

第五章 基于DSP的光纤光栅解调系统软件开发

5.1 下位机软件设计

5.1.1 DSP集成开发环境

5.1.2 下位机主程序设计

5.1.3 中断设定

5.1.4 采集数据并滤波程序

5.1.5 温度计算及数据上传程序设计

5.1.6 I2C总线程序设计

5.2 上位机软件设计

5.2.1 Labview介绍

5.2.2 串口接收程序

5.2.3 软件功能设置

5.3 本章小结

第六章 基于DSP的光纤光栅温度检测系统性能分析

6.1 系统温度测量原理

6.2 电路稳定性测试

6.3 系统温度特性实验

6.4 系统稳定性测试

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表