光纤光栅振动传感器系统的研究与设计

摘要

近年来，作为光纤器件的光纤光栅得到了迅速的发展。随着科技的进步，光纤光栅写入技术不断提高，光纤光栅传感器解调技术不断进步，使得光纤光栅在传感领域有了广泛的应用。光纤光栅传感器是以光纤光栅为敏感单元对物理信号进行测量和传输的新型传感器，具有体积小、重量轻、传感探头结构简单、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等优点，其在振动测试领域的应用越来越广泛。
　　本文主要工作是对光纤光栅传感原理以及解调技术进行深入研究，设计了一种强度型悬臂梁式光栅振动探头，并确定了其结构参数;对各种解调技术的优缺点进行了比较，深入研究了基于可调谐F-P滤波器解调方法，提出了一种基于可调谐F-P解调光纤光栅波长设计方案，将光纤光栅传感技术同FPGA技术相结合，开发了一套基于光纤光栅的振动传感器系统。本文的主要内容集中在光纤光栅传感机理的理论研究、可调谐F-P解调技术的设计与优化、FPGA硬件电路解调系统的设计以及内部软件的编写。具体内容如下:
　　1.本文通过对光纤光栅结构以及其光学特性的研究，设计了一种强度型悬臂梁式光栅振动传感探头，确定了悬臂梁尺寸以及光纤光栅参数。此探头是以波长调制的光纤光栅传感单元来获取外界环境振动信号，而且经过振动测试表明其振动灵敏度较高。
　　2.本文对各种解调技术进行对比，根据光纤光栅传感特性和可调谐F-P解调特点，设计了并联结构的基于可调谐F-P滤波器解调FBG波长光路方案，并对方案进行优化，实现实时动态校正功能。
　　3.结合并联结构的基于可调谐F-P滤波器解调方案的特点，设计了与之相适应的一套PFGA硬件电路解调系统，并通过实验对其性能进行了测试。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 光纤光栅传感技术国内外发展现状

1．3 本文内容安排

1．4 本章小结

2 光纤光栅概述

2．1 光纤光栅的诞生和发展

2．2 光纤光栅的分类

2．3 光纤光栅的制作方法

2．3．1 光纤的光敏性

2．3．2 光纤光栅的制作

2．4 光纤光栅传感技术及优点

2．4．1 光纤光栅的传感技术简介

2．4．2 光纤光栅传感技术的优点

2．5 本章小结

3 FBG传感理论及振动传感探头的设计

3．1 光纤光栅的藕合模理论

3．2 光纤光栅对温度及应力传感理论

3．2．1 温度灵敏度

3．2．2 应变(力)灵敏度

3．2．3 压力灵敏度

3．3 FBG振动传感器探头设计

3．3．1 力学模型和特征方程

3．3．2 工作原理及参数确定

3．4 FBG探头振动测试

3．5 本章小结

4 光纤光栅传感器的解调技术的研究

4．1 光纤光栅传感器的解调法

4．1．1 光谱仪检测法

4．1．2 匹配光栅法

4．1．3 边沿滤波器法

4．1．4 可调谐光源法

4．1．5 非平衡Mach-Zehnder干涉仪跟踪法

4．1．6 可调谐F-P腔法

4．2 影响可调谐F-P解调精度的因素及解决方法

4．2．1 温度变化所造成的腔长漂移

4．2．2 PZT的伸长量-电压的迟滞性

4．3 本章小结

5 实时动态校正解调系统的研究与设计

5．1 实时动态校正解调系统方案的研究与优化

5．1．1 串联结构的实时动态校正系统

5．1．2 并联结构的实时动态校正系统

5．1．3 方案的选择与优化

5．1．4 基于最小二乘法的快速算法

5．2 主控单元设计

5．2．1 信号处理单元总体结构

5．2．2 A／D驱动单元

5．2．3 D／A驱动单元

5．2．4 线性相位FIR滤波单元

5．2．5 数据压缩单元

5．2．6 状态机单元

5．2．7 USB2．0接口

5．2．8 上位机软件

5．2．9 系统主程序设计

5．3 试验结果

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间发表论文情况