基于光纤光栅分布式传感网络的静冰压力在线监测系统研究

摘要

冰的生消过程广泛存在于我国高海拔的西北、西南和淮河以北区域及包括南北极在内的许多高纬度高海拔国家和地区，此过程通常会伴随着剧烈的物理变化，并对所在区域的地质地貌、水工建筑设施、水上生产实践活动、水循环以及气候等带来严重的影响。随着科技的发展和人类活动范围的日益扩大，冰生消过程对人们生活产生的影响日益突出，由此，我们迫切需要深入了解冰的生消变化及其变化过程中伴随的冰层力学特性的变化，为我们研究气候变化、人类活动对气候的影响及人类的生产实践活动提供最直接的科学依据。
　　近年来，世界各地研究组织都日趋重视高寒地区的冰水情研究工作。在国内，太原理工大学以秦建敏教授为主的项目组经过多年的实验研究和工程实践，研制了基于空气、冰和水电阻特性差异检测原理的冰厚传感器，并成功应用于南北极科考和黄河水文观测。但对于冰荷载对各种结构产生的冰力，我们我们需要进一步研究冰生消过程的力学强度变化，已掌握更完整的水文信息。基于以上研究背景，本文作者在国家自然科学基金项目“基于空气、冰与水物理特性差异的冰层生消过程与力学强度连续在线检测原理研究(51279122)”的资助下，提出了一种基于光纤光栅传感器的静冰压力监测系统设计方案。
　　光纤光栅传感器是一种新型的光纤传感器，具有可靠性好、测量灵敏度高、结构简单、抗干扰及便于分布式测量等优点。本论文主要包括以下几个方面研究:
　　(1)根据冰检测的特点及冰情检测现场恶劣的自然环境，我们对传统的光纤封装结构作出了改进，设计了具有硬质膜片的双光纤光栅封装，以减少传感器的边沿损耗、实现实时温度补偿。
　　(2)采用波分复用技术，并结合可调谐光纤F-P滤波器的波长解调方法，设计了具有分布式网络的静冰压力监测系统。
　　(3)根据监测系统的要求设计了硬件电路，主要包括基于光纤F-P滤波器的波长解调系统、光电信号的采集与处理电路、控制系统电路等。
　　(4)在监测系统硬件电路的基础上进行了系统软件的设计，主要包括系统主程序、锯齿波扫描电压的发生、数据的采集、数据的存储与发送、串口通信等部分。
　　(5)结合我们设计的传感器网络，对传感器的寻址能力、检测能力和参考光栅的温度补偿作了实验分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 静冰压力的研究背景及意义

1．2 静冰压力的国内外研究现状

1．3 目前常用于静冰压力研究的方法

1．3．1 表面直接测量法

1．3．2 冰力模型试验方法

1．3．3 数学仿真与数值计算方法

1．4 本文主要内容和组织结构

第二章 光纤光栅传感器系统及其工作原理

2．1 光纤光栅传感器简介

2．2 光纤光栅传感器的优势

2．3 光纤光栅传感器的工作原理

2．4 光纤光栅传感系统

2．4．1 光源

2．4．2 光纤光栅传感器

2．4．3 波长解调系统

2．5 本章小结

第三章 适用于静冰压力测量的光纤光栅传感器及其网络设计

3．1 光纤光栅传感器常用设计方案

3．1．1 保护性封装

3．1．2 敏化封装

3．1．3 补偿性封装

3．2 适用于静冰压力测量的传感器设计

3．2．1 普通传感器测量静冰压力存在的问题

3．2．2 冰压力传感器的封装结构设计

3．2．3 光纤光栅传感器的温度补偿

3．3 传感器网络设计

3．3．1 空分复用系统

3．3．2 时分复用系统

3．3．3 波分复用系统

3．4 本章小结

第四章 静冰压力监测系统的硬件电路设计

4．1 静冰压力监测系统整体框图

4．2 可调谐光纤F-P滤波器

4．3 主控制系统及接口电路设计

4．3．1 主控单片机MSP430F1611介绍

4．3．2 电源电路

4．3．3 单片机复位电路

4．3．4 F-P滤波器锯齿波驱动电路

4．3．5 外部数据存储电路

4．3．6 液晶显示电路

4．3．7 串口通讯电路

4．4 光电信号采集及信号处理电路

4．4．1 光电探测器

4．4．2 完整的光电信号检测电路设计

4．4．3 信号处理电路

4．5 本章小结

第五章 静冰压力监测系统软件设计

5．1 主程序设计

5．1．1 锯齿波输出电压程序

5．1．2 光纤光栅波长采集程序

5．1．3 外部数据存储程序

5．1．4 键盘子程序

5．2 串口通信模块

5．3 传感数据解调算法的设计与实现

5．3．1 传感光栅峰值脉冲的检测

5．3．2 数据解调部分

5．4 本章小结

第六章 传感器监测系统实验数据分析

第七章 课题总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及科研获奖成果