基于光纤传感的非接触式心肺信号监测系统研究与实现
这是一篇关于非接触式,宏弯损耗,光纤传感,变分模态分解,心肺信号监测的论文, 主要内容为心肺信号是生命体征中极其重要的部分,实现居家监测心肺信号有助于提前预警相关心血管和呼吸系统疾病。随着我国人口老龄化进程的不断加速,我国已成为世界上老年人口最多的国家。同时,现代社会带给年轻人巨大的生活压力,处于亚健康状态的年轻人口逐步增多。上述人群均需要一种便捷、准确的居家健康监测手段来实现自身健康状态的监测,以便提前发现身体健康异样,及时接受治疗。本文基于此背景,受企业委托,研究并实现了基于光纤传感的非接触式心肺信号监测系统。为满足操作方便、准确度高等居家心肺信号监测需求,监测设备需要在安全、无感、舒适的场景下进行心肺信号的采集与分析。本文通过基于单模光纤宏弯损耗原理的光纤传感器实现非接触式心肺信号传感,针对传感信号特征设计信号调理采集硬件电路,研究心肺信号处理算法,设计数据显示上位机,构建基于光纤传感技术的心肺信号监测系统。主要研究内容如下:(1)基于光纤宏弯的心肺信号传感方法研究。分析单模光纤的结构及光学传导特性等基本原理,研究单模光纤的宏弯损耗传感原理,设计用于心肺信号传感的光纤宏弯传感垫;分析基于光纤宏弯传感垫的心肺信号传感原理及信号特征;构建用于信号处理的心肺信号数据集。(2)心肺信号处理算法研究。研究心肺信号预处理算法,分析心肺信号的特征,设计在床、离床和体动等传感状态的判定方法;研究心肺信号降噪算法;研究生命体征提取算法,针对心肺信号频率区分度不足、心动周期频率缺失等问题,设计基于变分模态分解改进的包络分解和多模态融合算法,提取心跳周期与呼吸周期;设计自适应阈值寻峰算法实现心跳信号和呼吸信号的峰值识别,完成心跳速率和呼吸速率两大生命体征监测。(3)心肺信号监测系统实现及系统性能测试与分析。完成心肺信号系统硬件设计及嵌入式软件开发,实现光纤宏弯传感垫采集心肺信号的数字化,同时基于MATLAB设计用于数据显示的上位机程序,实现心肺信号监测系统构建;设计心肺信号监测系统功能性测试、心跳速率监测性能测试、呼吸速率监测性能测试和整晚睡眠监测测试等实验,对本文研究的心肺信号系统的准确性和有效性进行验证。测试结果表明,本系统监测心率的平均误差为0.56±0.41 bpm,呼吸速率监测的平均误差为0.47±0.48 bpm。
智能光纤围栏周界安防系统研究与设计
这是一篇关于光纤传感,振动检测,信号处理,机器学习,周界安防的论文, 主要内容为随着社会经济的发展,各领域对安防预警的需求提高,周界安防作为最前端防线,对于阻挡、发现入侵至关重要,而现有安防系统大多使用电子类传感器,存在易受电磁干扰、无法在易燃易爆的特殊场合使用的问题,对于入侵事件无法智能识别,误报率有待降低。因此,本文基于光纤传感技术,设计了一种智能光纤围栏周界安防系统,能够以光纤围栏的形式监测安防区域,并通过支持向量机算法判断入侵事件,在无人值守变电站、电气危险场所等场合具有重要应用前景。本文研究内容主要方面如下:(1)分析了光纤传感机理,通过对比各干涉型光纤传感光路结构的优缺点,确定了本系统使用Sagnac-Mach-Zehnder复合光路结构,并详细阐述了该光路结构及其工作原理,对搭建传感光路所需的主要器件及其相关参数进行了介绍,确定了系统的整体设计思路。(2)设计并实现了可将调制在光信号中的振动信息解调还原,能进行信号采集与传输的硬件解调系统,详细地对该系统的设计理念、电路基本原理、实现方法等进行了阐述,硬件解调系统主要包括信号采集传输模块和光电转换模块。信号采集传输模块包含信号采集电路、中央控制单元和数据传输电路,主要实现模数转换和信号数据向上位机的传输。光电转换模块,包括四阶有源滤波电路、阻抗匹配单元、光电转换单元、跨阻放大电路等,该模块实现了振动信号的解调还原。(3)设计了上位机监测系统,基于QT设计了能够将振动信号图形化显示、判断预警、保存并管理预警信息的上位机监测界面,且能够与微信联动,进行预警信息的推送。基于MDK开发环境进行了硬件解调系统数据传输处理程序的代码编写和调试运行,包括信号采集控制、数据从采集电路向上位机的传输控制。采用短时平均能量法进行端点检测,提取系统采集数据中的有效信号成分,通过小波分解后做能量谱计算得到特征向量,最后采用SVM算法实现智能识别入侵事件。(4)搭建了智能光纤围栏周界安防实验平台,针对系统各方面的运行能力进行了测试,包括系统底噪测试、系统频率响应范围、信号频率还原能力等。并针对入侵事件智能识别能力进行测试,验证了系统的可行性,实验表明系统在100Hz-22k Hz可响应外界振动,能够快速响应突变信号,对频率还原的精度可达±3Hz。上述研究表明,智能光纤围栏周界安防系统能够灵敏感知入侵事件的发生,实时监测非法入侵,智能判断入侵事件类别,降低系统误报率,为无人值守变电站或电气危险场所等场合提供一种可靠的光纤周界安防系统方案。
基于FPGA的光纤光栅振动传感系统
这是一篇关于光纤传感,光纤光栅,现场可编辑门阵列,振动检测的论文, 主要内容为振动作为设备和基础设施在使用过程中产生的关键参量,是对工程系统进行故障诊断和科学管理的重要检测内容,其特征信息反映了设备运行情况和工程结构健康状态。光纤布拉格光栅传感技术是当前一种较为新颖的环境参量传感技术,其根据布拉格光栅中心波长对温度及应变敏感的特性,提取中心波长漂移量进行应变参量的动态转换,从而实现以光信号作为传感媒介进行振动参量的测量,具有抗电磁波干扰能力强、耐腐蚀性高、输出距离远等优势。而振动参量的动态测量对光纤光栅传感系统的信号解调速率要求较高,所需处理的数据量庞大,一定程度上限制了光纤光栅传感技术的进一步发展。由此,本文提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的光纤光栅振动传感系统,针对光纤光栅双通路信号解调,设计了一种具备数据并行与流水线处理特性的FPGA逻辑架构,提高光纤光栅振动传感系统的数据吞吐速率和处理速度,实现振动信息的实时解调。本文基于光纤光栅传感技术理论对现有解调方案进行对比分析,确定了基于扫描激光器的光纤光栅高速解调方案,根据方案需求设计了基于FPGA的光纤光栅双通道高速信号解调系统,设计了基于Qt框架的光纤光栅振动传感系统上位机软件,搭建了实验平台并完成了双通道多传感器解调的光纤光栅振动传感系统工程样机研制。本文工作内容主要为以下几个方面:(1)基于耦合模式理论,本文研究了光纤光栅的基本原理,主要包括:光纤光栅传感模型、温度对光纤光栅振动传感的影响、光纤光栅振动传感的应变特性、光纤光栅振动传感模型;研究了当前应用较为广泛的解调方案,包括:光谱仪检测法、匹配光栅检测法、非平衡马赫-曾德尔干涉检测法、扫描激光器检测法和可调谐法布里-珀罗滤波器法;通过对比分析各方案的优势与不足,选择了基于扫描激光器的高速解调方案,确定了光纤光栅高速解调方案的系统组成和其中的关键光路器件。(2)分析了光纤光栅高速解调方案的数据特征,提出了系统硬件电路和FPGA总体逻辑架构的设计,针对光纤光栅高速信号的采集、处理和传输方案设计了相应模块,主要包括:波形采集控制模块、平滑滤波算法模块、快速多点寻峰算法模块及USB数据传输控制模块。设计中结合FPGA的架构特性对多种滤波算法进行了实验分析与对比,选取了适合本方案的滑动平均算法,验证了各模块的正确性,实现了光波信号的稳定采集、双通道多峰信号的波峰索引快速解调和对上位机的高速传输。(3)基于Qt编写了光纤光栅振动传感系统上位机软件,根据基于FPGA的光纤光栅双通道高速信号解调设备与上位机的联调分析,对特定格式的数据进行了提取与分组功能设计,以功能区、设置区及显示区的布局划分设计了多种功能模块,包括有:设备检测控制、数据导出控制、扫描激光器设置、传感器参数设置、光栅选择控制、波形时域显示和频域显示。(4)将各设计方案进行了集成并组装了光纤光栅振动传感原型样机,采用了多种实验装置验证本系统各项性能指标,设计了温度和应变实验方案,对波长解调精度、波长解调稳定性、波长解调线性等波长解调性能指标进行了测试,设计了振动实验方案,对多频率振动传感性能和振动传感重复性及线性度进行了测试。研究表明,基于FPGA的光纤光栅振动传感系统,能够实现实时检测双通道多光纤光栅传感器的振动情况。根据性能测试结果显示,该系统的波长解调精度可达±3 pm,波长解调稳定性为±3 pm,波长解调速度为1 kHz,在250 Hz频率验证范围内振动传感的频率检测精度为3%,振动传感的幅值响应线性效果良好,振动传感测量结果具有一致性。
面向物联网应用的光纤传感系统研究与设计
这是一篇关于物联网,光纤传感,分布反馈式光纤激光器,相位载波解调法,虚拟仪器,B/S架构的论文, 主要内容为自2005年被国际电联正式提出之后,再加上相关技术的日趋成熟,物联网逐渐成为研究的热点。一个典型的物联网系统由传感层、网络层和应用层三部分构成。现在的物联网系统的传感层大都采用电传感器节点,近年来,随着光信息技术的发展,光纤传感器逐渐走向市场。相比较传统的电传感器,光纤传感器由于存在着抗电磁干扰、抗噪声、无需供电和耐高温等优点,可以在断电、水底、矿井等恶劣的、不适于电传感工作的环境中使用。 本文设计实现了单节点的面向物联网应用的光纤传感系统,用基于分布反馈式光纤激光器(DFB-FL)的光纤传感系统作为传感端,通过数据采集卡将采集到的携带外界环境变化特征的电信号传递进计算机中,经过虚拟仪器LabView在计算机中实现数字化的解调,并基于B/S架构进行了数据发布,使得用户随时随地都能通过在浏览器输入网址实现对传感端环境的监测。整个系统的最大特点是无需供电和用户可以随时随地进行监测。本文的主要工作和创新点如下： 1.调研了物联网的基本概念和发展历史,对面向物联网应用的光纤传感平台的实现方法做了简单分析。 2.研究了各种传感技术,分析了分布反馈式光纤激光器DFB-FL用作传感器的光学原理。 3.调研分析了面向物联网应用的光纤传感系统的解调方法,重点分析了以DFB-FL为传感头的传感系统的几种波长解调技术,研究了基于非平衡M-Z光纤干涉仪的相位载波解调法的解调原理,并设计了用分布反馈式光纤激光器作为传感器的面向物联网应用的光纤传感平台的系统图,用虚拟仪器在计算机中对相位载波解调法作了数字化的实现,得到了解调结果,并将解调结果与待测信号比较,得到结论,该方案是可行的。 4.调研了面向物联网应用的光纤传感系统的数据处理相关理论,包括数据存储和数据发布技术。 5.设计实现了面向物联网应用的光纤传感系统的数据处理,包括数据存储的实现和数据发布,设计了两种数据发布的方法,并都给出了具体实现,做出了比较。
基于FPGA的光纤光栅振动传感系统
这是一篇关于光纤传感,光纤光栅,现场可编辑门阵列,振动检测的论文, 主要内容为振动作为设备和基础设施在使用过程中产生的关键参量,是对工程系统进行故障诊断和科学管理的重要检测内容,其特征信息反映了设备运行情况和工程结构健康状态。光纤布拉格光栅传感技术是当前一种较为新颖的环境参量传感技术,其根据布拉格光栅中心波长对温度及应变敏感的特性,提取中心波长漂移量进行应变参量的动态转换,从而实现以光信号作为传感媒介进行振动参量的测量,具有抗电磁波干扰能力强、耐腐蚀性高、输出距离远等优势。而振动参量的动态测量对光纤光栅传感系统的信号解调速率要求较高,所需处理的数据量庞大,一定程度上限制了光纤光栅传感技术的进一步发展。由此,本文提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的光纤光栅振动传感系统,针对光纤光栅双通路信号解调,设计了一种具备数据并行与流水线处理特性的FPGA逻辑架构,提高光纤光栅振动传感系统的数据吞吐速率和处理速度,实现振动信息的实时解调。本文基于光纤光栅传感技术理论对现有解调方案进行对比分析,确定了基于扫描激光器的光纤光栅高速解调方案,根据方案需求设计了基于FPGA的光纤光栅双通道高速信号解调系统,设计了基于Qt框架的光纤光栅振动传感系统上位机软件,搭建了实验平台并完成了双通道多传感器解调的光纤光栅振动传感系统工程样机研制。本文工作内容主要为以下几个方面:(1)基于耦合模式理论,本文研究了光纤光栅的基本原理,主要包括:光纤光栅传感模型、温度对光纤光栅振动传感的影响、光纤光栅振动传感的应变特性、光纤光栅振动传感模型;研究了当前应用较为广泛的解调方案,包括:光谱仪检测法、匹配光栅检测法、非平衡马赫-曾德尔干涉检测法、扫描激光器检测法和可调谐法布里-珀罗滤波器法;通过对比分析各方案的优势与不足,选择了基于扫描激光器的高速解调方案,确定了光纤光栅高速解调方案的系统组成和其中的关键光路器件。(2)分析了光纤光栅高速解调方案的数据特征,提出了系统硬件电路和FPGA总体逻辑架构的设计,针对光纤光栅高速信号的采集、处理和传输方案设计了相应模块,主要包括:波形采集控制模块、平滑滤波算法模块、快速多点寻峰算法模块及USB数据传输控制模块。设计中结合FPGA的架构特性对多种滤波算法进行了实验分析与对比,选取了适合本方案的滑动平均算法,验证了各模块的正确性,实现了光波信号的稳定采集、双通道多峰信号的波峰索引快速解调和对上位机的高速传输。(3)基于Qt编写了光纤光栅振动传感系统上位机软件,根据基于FPGA的光纤光栅双通道高速信号解调设备与上位机的联调分析,对特定格式的数据进行了提取与分组功能设计,以功能区、设置区及显示区的布局划分设计了多种功能模块,包括有:设备检测控制、数据导出控制、扫描激光器设置、传感器参数设置、光栅选择控制、波形时域显示和频域显示。(4)将各设计方案进行了集成并组装了光纤光栅振动传感原型样机,采用了多种实验装置验证本系统各项性能指标,设计了温度和应变实验方案,对波长解调精度、波长解调稳定性、波长解调线性等波长解调性能指标进行了测试,设计了振动实验方案,对多频率振动传感性能和振动传感重复性及线性度进行了测试。研究表明,基于FPGA的光纤光栅振动传感系统,能够实现实时检测双通道多光纤光栅传感器的振动情况。根据性能测试结果显示,该系统的波长解调精度可达±3 pm,波长解调稳定性为±3 pm,波长解调速度为1 kHz,在250 Hz频率验证范围内振动传感的频率检测精度为3%,振动传感的幅值响应线性效果良好,振动传感测量结果具有一致性。
基于光纤传感的物联网系统研究与设计
这是一篇关于物联网,光纤传感,光纤布拉格光栅传感,相位载波法,数字信号处理器,B/S架构的论文, 主要内容为物联网,就是物物相连的网络。物联网通常被划分为三个层,感知层、传输网络层、应用层,其中感知层的传感端目前大多使用电传感器,但随着近年来光纤通信技术的迅速发展,光纤传感器逐渐进入了人们的视野并应用在物联网中。光纤传感器用光来承载信息,把光纤作为传输介质,所以同时具备光学测量和光纤传输两者的优点。与传统的电传感器相比,光纤传感器具有抗电磁干扰、高灵敏度、耐腐蚀、耐高温等特点,并且还可实现无源感知,因此可适用于绝缘、水下、矿井等不适合电传感器工作的恶劣环境中数据的采集,并且易于组成网络和实现远距离监测。 本文采用光纤布拉格光栅和由其衍生的分布反馈式光纤激光器两种传感器作为物联网系统的传感端,前者通过波长解调模块将携带待测信号的光信号转换成电信号并进一步处理,再通过通过USB串口方式,在上位机(计算机)中实现解调和数据存储；后者将光电转换后的携带待测信号的电信号采集到DSP中,并在DSP中实现数字化解调,再经网口或串口等方式将解调出的信息也存储到计算机中。两种方式获得的监测数据通过B/S架构进行了统一的数据发布,使用户可以方便的在计算机的浏览器中实现对传感端所处环境的远程监测。整个系统的最大特点是通过两种方式分别实现对缓变物理量和高频变化的物理量的远程实时监测,并且传感层是无源的。本文的主要工作和创新点有： 调研分析了物联网的体系架构和相关技术、光纤传感技术、光纤光栅传感及其常用的的波长解调方法。分析了适合基于分布反馈式光纤激光器(DFB-FL)传感的波长解调技术,即基于非平衡Mach-Zehnder光纤干涉仪的相位载波解调法的原理。 设计了基于光纤布拉格光栅的温度传感系统和基于DFB-FL的振动信号传感系统两套光纤传感系统,给出了基于这两套光纤传感系统的物联网信息监测平台系统的设计方案。用DSP开发软件对相位载波解调法作了数字化的仿真实现,并给出了基于DSP的相位载波法解调系统的硬件电路和软件设计方案。用波长解调模块在计算机中实现了温度传感信号的解调。 最后将两套光纤传感系统的采集到的数据统一存储到数据库中的数据库中,并基于B/S架构实现监测数据的实时发布。
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