用于光纤栅传感滤波解调的信号处理技术

摘要

波长编码的光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高和可埋入智能结构等优点，可以应用于航空航天、船舶工业、土木工程、石化工业、核工业及医学工程等各种领域。光纤光栅传感器主要是通过观测布喇格波长漂移来判断待测量的变化，因此，需要精确检测布喇格反射波长的微小移动。本文在分析比较不同解调技术的优缺点基础上，根据实际应用需求，选用基于光纤可调F-P滤波器技术的解调方案。根据系统原理及解调信号特点，对传感信号进行采集、分析和处理。本文的主要工作包括以下几方面：
　　1.综合分析光纤布喇格光栅的传感特点及应用情况，并比较分析了不同光纤光栅传感解调技术原理及其优缺点。根据实际需要，确定解调系统采用可调F-P滤波器对传感信号进行解调。系统采用中心波长在1550nm窗口的SLED光源，使用锯齿波信号驱动F-P滤波器，使波长扫描范围为1525nm～1575nm，整个系统的测量带宽为50nm，具有很宽的动态测量范围，可以解调近10个传感光栅阵列。
　　2.根据系统解调信号特点--透过波长是关于时间的函数，且未加应变时，周期内光栅阵列各布喇格波长的相对位置固定，制定将F-P滤波器与A/D转换同步的数据采集方案。通过检测与驱动信号同频同相的方波信号的边沿来控制A/D转换的开始时刻，实现每个周期初始采集位置固定。
　　3.针对解调信号，利用阈值设置及宽度限定，对解调信号进行光栅定位及其反射谱读取。为更精确确定解调光纤光栅布喇格波长，分别对每个光栅的光谱应用寻峰方法检测布喇格波长。文中分别对直接比较法、一般多项式、二次插值数值微分法、高斯.多项式拟合算法、三次样条插值法及高斯公式拟合算法6种寻峰方式进行了比较，得到寻峰误差分别为：916.00 pm、48.00 pm、27.00 pm、17.00 pm、3.93 pm、2.84 pm，因此系统中选用的寻峰方法为高斯拟合法。并将Matlab软件编辑的寻峰程序与LabVIEW软件进行无缝连接，实现系统软件可靠工作。此外，还提出了非均匀采样方式的思路，根据实际光谱，仿真比较了均匀采样方式与非均匀采样方式下高斯拟合寻得布喇格波长的误差，结果表明，同样的数据采集量时，采用非均匀采样方式所获得的寻峰精度比均匀采样时提高38％，为光纤光栅传感在实时监测中的应用提供技术支持。
　　4.测试了系统的光源强度、探测器性能、参考光栅对光栅布喇格波长定位的影响，得到系统的配置。光源驱动电流为70 mA，系统有良好的信噪比及波形幅值，使用New Focus Model2001探测器做了对比试验，寻峰误差均小于4.5pm，且波动方差均小于5×10-7。另外，使用参考光栅来进行寻峰定位时，对于相同光栅，寻峰误差可降低近12 pm。最后对系统性能做了测试，当应变大小为2με时，系统测量精度为1.584pm，系统重复性为4pm，4个小时内系统稳定性达4.02pm，扫描频率范围为(1～10)Hz。

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第一章 绪 论

1.1 光纤光栅传感

1.1.1 光纤光栅

1.1.2 光纤布喇格光栅传感特性

1.1.3 光纤光栅传感器特点及应用

1.2 光纤布喇格光栅传感解调技术的研究现状

1.2.1 光谱仪检测法

1.2.2滤波法

1.2.3 干涉法

1.2.4 可调窄带光源法

1.2.5 色散法

1.3 研究目的和意义

1.4 论文内容

第二章 光纤光栅传感滤波解调技术及寻峰原理

2.1 可调光纤F-P滤波器的解调系统原理

2.1.1 解调系统方案

2.1.2 系统元件

2.2 可调F-P滤波解调信号特点分析

2.3 光纤光栅反射谱寻峰算法

2.3.1 直接比较法

2.3.2 二次插值数值微分法

2.3.3 一般多项式拟合算法

2.3.4 三次样条插值法

2.3.5 高斯拟合法

2.3.6 高斯-多项式拟合法

2.4 光纤布喇格光栅反射谱的仿真

2.5 本章小结

第三章 数据采集技术及非均匀采样方式

3.1 USB总线介绍

3.2 数据采集技术

3.2.1 系统对数据采集要求

3.2.2 实现数据采集的函数

3.2.3 基于USB总线的大容量连续数据采集

3.3 非均匀采样方式

3.3.1 非均匀采样方式介绍

3.3.2 非均匀采样方式实现

3.4 本章小结

第四章 传感信号采集及光栅信号解调的实现

4.1 光栅阵列的光栅位置定位

4.1.1 检测光栅数目

4.1.2 光栅定位

4.1.3 光栅反射谱寻峰

4.2 同步F-P驱动器与数据采集程序

4.2.1 传感信号数据采集流程

4.2.2 数据采集卡触发功能介绍

4.2.3 每周期同步触发的实现

4.2.4 数据采集卡同步触发测试

4.3 MATLAB与LABVIEW连接方法及实现方法

4.3.1 Matlab与LabVIEW连接方法

4.3.2 Matlab与LabVIEW连接实现

4.4 本章小结

第五章 系统性能测试

5.1 光纤可调F-P滤波器驱动电压确定确定

5.2 系统信号测试

5.2.1 参考光栅测试

5.2.2 探测器信号比较

5.2.3 光源强度的影响测试及设定

5.2.4 解调系统扫描频率的影响

5.3 解调系统性能测试

5.3.1 系统精度测试

5.3.2 系统重复性测试

5.3.3 系统稳定性测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文