基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统研究
这是一篇关于光纤光栅,双波长差分解调,微控制器,集成化的论文, 主要内容为近年来,由于光纤光栅具有抗电磁干扰能力、体积小、耐腐蚀、传输损耗小等优点,已被广泛使用在光纤传感领域当中,并对光纤光栅信号处理系统的解调精度、处理速度以及成本提出了更高的要求。针对现有光纤光栅信号处理系统的解调精度低、速度慢、成本昂贵和体积较大的问题,本文开展基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统研究,并设计了基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统,该系统使用微控制器、现场可编程门阵列等器件实现了高精度、集成化、小型化以及低成本的目标。主要研究内容如下:1.详细分析了双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统性能。通过理论仿真分析双波长差分解调法的灵敏度、线性范围、空间分辨率和温度分辨率,仿真结果表明测量范围会随着温度分辨率增大而变小。2.设计光纤光栅信号处理系统的硬件部分。该系统将激光器、探测器、ADC、微控制器和现场可编程门阵列等器件进行集成化设计,该系统具有小型化、低成本、高精度特点。硬件设计中包含了光纤光栅信号处理系统供电设计、激光驱动设计、探测系统设计、数字系统设计和PCB设计。其中在探测系统设计通过设计跨阻放大电路、反相放大电路和单端转差分电路使得输出信号符合实验需求。硬件设计是整个系统的基础与重点,也是系统各功能实现的前提。3.实现了光纤光栅信号处理系统数字逻辑设计、软件编写及系统调试。该系统可以实现人机交互、算法处理、数据传输及存储等功能。该系统在低成本的情况下实现高精度实时传感和测量。4.测试所设计的光纤光栅信号处理系统的温度分辨率和空间分辨率。在温度分辨率测试中,当入射激光波长差为0.50 nm时,该系统达到0.09℃的温度分辨率;在空间分辨率测试中,系统达到了5 m的空间分辨率,同时该系统的测量距离最远可达10 km。
基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统研究
这是一篇关于光纤光栅,双波长差分解调,微控制器,集成化的论文, 主要内容为近年来,由于光纤光栅具有抗电磁干扰能力、体积小、耐腐蚀、传输损耗小等优点,已被广泛使用在光纤传感领域当中,并对光纤光栅信号处理系统的解调精度、处理速度以及成本提出了更高的要求。针对现有光纤光栅信号处理系统的解调精度低、速度慢、成本昂贵和体积较大的问题,本文开展基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统研究,并设计了基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统,该系统使用微控制器、现场可编程门阵列等器件实现了高精度、集成化、小型化以及低成本的目标。主要研究内容如下:1.详细分析了双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统性能。通过理论仿真分析双波长差分解调法的灵敏度、线性范围、空间分辨率和温度分辨率,仿真结果表明测量范围会随着温度分辨率增大而变小。2.设计光纤光栅信号处理系统的硬件部分。该系统将激光器、探测器、ADC、微控制器和现场可编程门阵列等器件进行集成化设计,该系统具有小型化、低成本、高精度特点。硬件设计中包含了光纤光栅信号处理系统供电设计、激光驱动设计、探测系统设计、数字系统设计和PCB设计。其中在探测系统设计通过设计跨阻放大电路、反相放大电路和单端转差分电路使得输出信号符合实验需求。硬件设计是整个系统的基础与重点,也是系统各功能实现的前提。3.实现了光纤光栅信号处理系统数字逻辑设计、软件编写及系统调试。该系统可以实现人机交互、算法处理、数据传输及存储等功能。该系统在低成本的情况下实现高精度实时传感和测量。4.测试所设计的光纤光栅信号处理系统的温度分辨率和空间分辨率。在温度分辨率测试中,当入射激光波长差为0.50 nm时,该系统达到0.09℃的温度分辨率;在空间分辨率测试中,系统达到了5 m的空间分辨率,同时该系统的测量距离最远可达10 km。
基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统研究
这是一篇关于光纤光栅,双波长差分解调,微控制器,集成化的论文, 主要内容为近年来,由于光纤光栅具有抗电磁干扰能力、体积小、耐腐蚀、传输损耗小等优点,已被广泛使用在光纤传感领域当中,并对光纤光栅信号处理系统的解调精度、处理速度以及成本提出了更高的要求。针对现有光纤光栅信号处理系统的解调精度低、速度慢、成本昂贵和体积较大的问题,本文开展基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统研究,并设计了基于双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统,该系统使用微控制器、现场可编程门阵列等器件实现了高精度、集成化、小型化以及低成本的目标。主要研究内容如下:1.详细分析了双波长差分解调的光纤光栅信号处理系统性能。通过理论仿真分析双波长差分解调法的灵敏度、线性范围、空间分辨率和温度分辨率,仿真结果表明测量范围会随着温度分辨率增大而变小。2.设计光纤光栅信号处理系统的硬件部分。该系统将激光器、探测器、ADC、微控制器和现场可编程门阵列等器件进行集成化设计,该系统具有小型化、低成本、高精度特点。硬件设计中包含了光纤光栅信号处理系统供电设计、激光驱动设计、探测系统设计、数字系统设计和PCB设计。其中在探测系统设计通过设计跨阻放大电路、反相放大电路和单端转差分电路使得输出信号符合实验需求。硬件设计是整个系统的基础与重点,也是系统各功能实现的前提。3.实现了光纤光栅信号处理系统数字逻辑设计、软件编写及系统调试。该系统可以实现人机交互、算法处理、数据传输及存储等功能。该系统在低成本的情况下实现高精度实时传感和测量。4.测试所设计的光纤光栅信号处理系统的温度分辨率和空间分辨率。在温度分辨率测试中,当入射激光波长差为0.50 nm时,该系统达到0.09℃的温度分辨率;在空间分辨率测试中,系统达到了5 m的空间分辨率,同时该系统的测量距离最远可达10 km。
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。
高稳定性光纤光栅轨道计轴系统的研究与实现
这是一篇关于电磁类计轴器,光纤光栅,边缘滤波,轨道计轴,嵌入式的论文, 主要内容为高速铁路运输业是我国经济增长中至关重要的一环,保障铁路运输安全、预防铁路事故发生的重要性不言而喻。由于高铁列车运行速度快,在短距离内难以紧急制动,因此为了防止追尾等相撞事故发生,避免造成不可挽回的后果,监测轨道占用状态具有重要意义。轨道计轴是现有轨道占用状态监测中的关键技术之一,是利用传感器感知经过列车的轮轴信息从而计算出轴数,通过对比监测区间两端轴数实现对轨道占用状态的监测。然而,目前计轴传感器主要以电磁类计轴器为主,由于电类传感元件抗腐蚀和抗电磁干扰能力均较差,导致在雷雨等恶劣天气下工作可靠性大为降低。光纤光栅是一种新型传感器,其抗腐蚀、抗电磁干扰能力强且能与光纤很好耦合,从而克服了电磁类计轴器的缺陷。但是目前基于光纤光栅传感技术的轨道占用状态监测方案,难以兼具高解调频率、低成本和高稳定性的性能优势,无法满足长期监测高速轨道占用状态的工程化需求。在此背景之下,本文设计了具有故障安全模式的光纤光栅传感器,提出采用边缘滤波解调法结合嵌入式技术实现一种高解调频率、低成本和高稳定性的轨道计轴系统。本文的主要研究内容如下:(1)轨道计轴系统需求分析及传感器设计。详细分析了轨道计轴系统高速、高灵敏度和高可靠性的计轴需求,提出了基于光纤光栅设计轨道计轴系统;分析了光纤布拉格光栅的传感原理,研究设计了具有故障安全模式的光纤光栅传感器,并通过增敏片的结构设计提高传感器灵敏度,以及设计基于温度补偿光栅对传感器进行温度解耦;介绍了边缘滤波解调技术的基本原理以及实现方法,并通过研究分析光纤布拉格光栅的光谱特性进一步提高传感器解调的准确性。(2)高稳定性光纤光栅轨道计轴系统研究。分析研究线性光滤波器的温度特性,仿真验证了温度对其透射谱造成的影响,根据边缘滤波解调技术搭建了多通道光路系统,研究设计温度补偿算法改善了系统高温度稳定性;对电路系统关键器件进行参数选型,设计电路满足系统高解调频率和长距离传输需求;在二取二安全型轨道计轴系统结构下,研究设计动态阈值序列计轴算法和动态阈值实时寻峰计轴算法,解决了列车慢速行驶下计轴错误的问题。(3)光纤光栅轨道计轴系统的实现。在鄂尔多斯大准铁路线搭建了一套光纤光栅轨道计轴系统,对系统基本功能和长时间解调稳定性进行了现场测试,验证了系统具备监测传感器松动/脱落功能且长时间稳定性良好;在完成系统基本功能和稳定性测试后对不同车重、不同车速、不同行车方向和慢速出站等车况下的运行列车进行了实际计轴测试,从而验证了系统具备对不同车况列车的计轴能力。
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