基于ARM的光纤传感解调仪开发及其在岩土工程监测中的应用

摘要

本文主要开发了一种分布式光纤光栅传感网络解调仪。论文在对国内外研究现状进行了深入分析的基础上，归纳了当前光纤光栅传感技术的发展趋势及其在实际应用中存在的问题，并针对分布式光纤光栅传感网络的解调系统的频域反射、信号解调、复用寻址、光源设计以及温度补偿这五个方面展开研究。 首先，论文从分布式光纤光栅传感网络的理论模型入手，分析了光纤布拉格光栅的传感机理，建立了光纤光栅传感模型；在分析比较了几种常见的复用技术和信号解调技术的优缺点基础上，提出应用光频域反射复用技术和波分复用技术相结合的混合复用方法来解决光纤光栅传感网络的寻址问题，采用由宽带光源和可调谐光滤波器组成的可调谐窄带光源来解调复用信号，通过理论分析和实验研究证实了系统方案的可行性。 其次，重点进行了信号解调部分的设计，利用ARM智能芯片LPC2214设计了硬件解调电路，并予以实现。 再次，对分布式光纤光栅传感网络的各个组成模块分别进行了原理分析和器件设计。基于光纤光栅的温度响应特性，提出了用一个参考光栅来进行光纤光栅传感阵列温度补偿的设计方案，并论述了其补偿原理，证明了该方法的可行性；同时可以看出，该方法不仅可以实现温度补偿，也可以减小光纤F-P可调谐滤波器的重复性误差以及光源功率波动、探测器噪声和电路噪声等引起的误差。 最后，进行了光纤布拉格光栅的温度和应变特性测试实验，分析了光纤光栅传感网络在岩土工程安全监测中应用的必要性和可行性，针对光栅阵列的寻址解调技术在岩土工程安全检测的应用进行了实验研究，并阐述了影响系统测量精度的各种因素以及相应的解决方法。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

1.1引言

1.2课题研究背景及意义

1.2.1光纤光栅的发展动态

1.2.2当前光纤光栅传感器研究的主要内容和问题

1.2.3分布式光纤光栅传感网络的研究意义

1.3光纤光栅的分类及在传感方面的应用

1.3.1光纤光栅的分类

1.3.2光纤光栅传感器的应用以及在实用中的问题

1.4本论文的工作目的和主要内容

1.4.1论文的目的

1.4.2论文的主要内容

第二章光纤光栅传感技术理论研究及基础实验分析

2.1光纤光栅中的传输特性理论分析方法

2.2光纤光栅传感原理

2.2.1光纤光栅的应变传感模型

2.2.2光纤光栅的温度传感模型

2.3光纤光栅的传感实验

2.3.1温度传感实验

2.3.2应变传感实验及数据分析

2.4本章小结

第三章分布式光纤光栅应变传感网络的工作原理

3.1光纤光栅常见的复用技术

3.2光纤光栅传感器的信号解调技术

3.2.1匹配FBG可调滤波检测法

3.2.2可调谐光纤F-P滤波器检测法

3.2.3非平衡M-Z干涉仪检测法

3.2.4可调窄带光源检测法

3.2.5有源检测法

3.3本章小结

第四章分布式光纤光栅传感解调系统的设计

4.1分布式光纤光栅传感网络的设计及其工作原理

4.1.1设计检测系统的结构及传感模型

4.1.2传感网络工作原理

4.2传感网络中传感器的选择以及相关算法

4.3可调谐滤波器及其驱动电路的设计

4.4光电信号转换及小信号的放大

4.5滤波电路

4.6微处理器相关硬件结构及其功能介绍

4.6.1 LPC2214介绍及设计系统软件处理方法

4.6.2微处理器网络传输

4.6.3软件程序

4.6.4中断服务子程序

4.7操作系统μC/OS Ⅱ及其在LPC2214上的移植

4.7.1编译器的选择

4.7.2 OS_CPU.H的编写

4.7.3 OS_CPU_C.C的编写

4.7.4 OS_CPU_A.S的编写

4.8上位机接收及信号处理

4.9系统测量精度的提高

4.9.1解调重复性的提高

4.9.2信噪比的提高

4.9.3灵敏度和分辨率的提高

第五章光纤光栅分布式解调系统在岩土工程安全监测中的应用

5.1光纤光栅监测系统应用的必要性

5.2光纤光栅监测系统在岩土工程安全监测中的应用设计

5.3隧道模型监测原理

5.4锚杆在隧道应变监测中的受力分析

5.5隧道模型监测数据分析及结论

第六章结束语

6.1论文主要完成的工作

6.2研究展望

参考文献

致谢

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