基于DSP的光纤传感测量方法研究

论文摘要

本文提出了一种新型的光纤布拉格光栅传感器。以光纤布拉格光栅作为敏感元件,当光纤光栅受到的压力和温度变化时,中心波长会发生偏移,中心波长偏移量的大小与所施加的压力和温度变化相关。其信息便隐藏在其反射波长的变化量中,因此具有波长编码的特点。我们的目的是解调出FBG中心波长的偏移量,由此得出所施加应力的大小以及温度的变化。本论文的创新之处是在搭建激光器时加入FFP滤波器。为使解调器具有较高的精度和温度,我们采用DSP作为信号处理工具。FFP为压电陶瓷结构,上面加载电压后,将使FFP的中心波长发生偏移。DSP控制DA输出模拟信号调制FFP滤波器。必须确保FFP的中心波长偏移范围可以覆盖FBG的带宽。当FFP中心波长偏移位置正好与FBG中心波长相重合时,发生倍频效应。此时FFP的中心波长就是FBG的中心波长,通过FFP的特性曲线,便可求出压力及温度变化与FBG中心波长之间的关系。据此设计了基于TMS320F2812的光纤布拉格光栅传感系统。它具有优异的抗干扰特性,灵敏度高,防腐蚀性好等优点,是其他传感器不可替代的。光纤光栅传感器已经成为传感器研究领域的一个重点研究方向。本文首先介绍了光纤布拉格光栅传感原理及通用解调方案。包括光纤布拉格光栅传感原理,匹配光栅法,非平衡Mach-Zehnder干涉法,可调谐FP滤波解调发等光纤布拉格光栅传感解调理论。光纤光栅传感系统的设计与研究部分分为总体设计方案,系统原理及分析。提出本实验中所使用的光学器件及特性。随后分析了本系统的硬件设计部分和软件设计部分,硬件设计部分包括DSP系统结构以及实验中各模块原理,主要为本实验所选用DSP的特性,DSP总体设计方案。软件设计部分包括相关算法,FIR滤波器,AD,DA子程序,幅度,相位的计算。最后介绍了关于本系统所做的一个实验研究,具体到实验装置及实验分析,得出不同应力与FBG的中心波长之间的关系,通过基于DSP的光纤传感器解调得的偏移波长,再由本实验所得出的关系便可求得此时所对应的应力。结尾对本论文进行了总结,展望了后续工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光纤传感器的背景研究
• 1.1.1 光纤传感器
• 1.1.2 应用与发展概况
• 1.1.3 几种主要的光纤传感技术
• 1.2 光纤光栅传感器的应用现状
• 1.2.1 光纤光栅的制作与发展
• 1.2.2 光纤光栅传感器的典型应用
• 1.3 本课题的研究内容
• 1.3.1 本课题的提出及研究意义
• 1.3.2 本课题的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 光纤布拉格光栅的传感原理与通用解调方案
• 2.1 光纤Bragg 光栅传感原理
• 2.2 光纤布拉格光栅传感解调原理
• 2.2.1 匹配光栅法
• 2.2.2 边缘滤波法
• 2.2.3 非平衡Mach-Zehnder 干涉法
• 2.2.4 可调谐法布里-珀罗腔（F-P 腔）滤波解调法
• 2.3 本章小结
• 第3章 光纤光栅传感系统的设计与研究
• 3.1 解调系统总体方案设计
• 3.1.1 课题意义
• 3.1.2 解调系统原理
• 3.1.3 解调系统分析
• 3.2 解调系统主要功能部件的介绍
• 3.2.1 光源
• 3.2.2 环形器
• 3.2.3 光纤光栅
• 3.2.4 光电探测器
• 3.2.5 光纤耦合器
• 3.3 信号采集处理方案
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于DSP 的FBG 解调系统硬件设计
• 4.1 DSP 原理及结构概述
• 4.1.1 数字信号处理器概述
• 4.1.2 TMS320F28x 系列DSP 系统的结构
• 4.2 DSP 总体设计方案
• 4.2.1 系统供电电路设计
• 4.2.2 时钟振荡电路
• 4.2.3 JTAG 接口电路
• 4.2.4 SCI 串口通讯电路
• 4.2.5 SPI-DA 转换电路
• 4.2.6 CPLD 电路设计
• 4.2.7 外扩闪存电路
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于DSP 的FBG 解调系统软件设计
• 5.1 主程序设计
• 5.1.1 CCS 软件简介
• 5.1.2 程序流程图
• 5.2 中断服务子程序设计
• 5.2.1 PIE 控制器概述
• 5.2.2 中断子程序概述
• 5.3 DA 子程序
• 5.4 AD 子程序
• 5.5 相关算法程序
• 5.6 FIR 滤波子程序
• 5.7 本章小结
• 第6章 FBG 光纤传感器解调系统实验研究
• 6.1 实验装置
• 6.2 实验分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢