基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究

发布时间：2020-04-10 01:33

【摘要】：光纤Bragg光栅传感器(FBG)是利用Bragg光栅波长对温度,应力的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器,除具有传统电类传感器的功能外,它还具有抗电磁场干扰,测量范围广,动态范围大,稳定性好等优点,其被广泛应用于大型复合材料和混凝土的结构监测,智能材料的性能监测,电力工业,消防和化工等领域。光纤光栅传感器的解调技术是当前光纤光栅传感技术研究领域的重点和难点之一,也是国内外许多研究机构的研究的热门课题之一。首先,本文对光纤光栅传感器的研究现状和发展趋势进行了回顾和展望。简单介绍了光栅的常用制作方法和应用现状。系统的分析了光纤Bragg光栅对温度、应变(压力)的传感机理。接着,本文分析了光纤光栅传感信号解调的原理,对已有的各种解调方法进行了分类对比探讨,重点分析了其特点和性能,选择可调谐法布里—珀罗腔法作为解调方法。采用两块MCU(AT89C52)设计出了光纤Bragg光栅的解调系统的硬件平台,基于本硬件平台设计了相应的解调软件。根据分布式测量的特点,该系统针对全同光纤光栅的解调设计了一套解调算法,并在单片机上通过验证,效果良好。另外在该硬件平台上,还设计出了人机界面接口电路,能以LED方式实时显示温度的最大值并能实时报警。采用双CPU解调法较好的解决了单片机资源有限的问题。目前,该系统已运用于光纤光栅火灾探测领域。其次,也是为了实现高速光纤Bragg光栅信号的解调,本文最后还设计基于ARM光纤Bragg光栅信号的解调系统。详细讨论了ARM芯片的选型和设计方法。介绍了ARM的引导系统——bootloader和嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ的移植,最后在基于μC/OS-Ⅱ的基础上进行简单的开发。
【图文】：

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图3一7可调谐的光纤激光器作为光纤光栅解调器示意图图3一7是一种可调谐光纤激光器用做光纤光栅解调器的原理图。由钦宝石激光器发出的980nlll的激光作为泵浦光源，经980/155n0m波分复用器(wDM)注入5米长的掺饵光纤，掺饵光纤的输出端为镀银反射镜。WDM的另一端为带有光栅的传感光纤，于是镀银反射镜和光纤光栅之间就形成一个谐振腔，当泵浦光输入时就会形成激光振荡。由于光栅对反射光有选择性，而镀银反射镜则为宽带反射镜，因此只有波长为入。(光栅的中心波长)的光才能起振。当外界物理量(温度或应变)发生变化时，光栅的中心波长发生移位，从而使激光器的输出波长改变，实现波长调谐。该系统实际上是光纤有源传感系统，激光器输出波长随温度的变化率就是光栅的中心波长随温度的变化率

逻辑框图,逻辑框图

各各种二二兮点愉愉愉愉愉愉愉愉愉愉测测七七七当当当当当当当当图4一3Bragg光栅解调系统结构框图因为光纤F一P滤波器是可调谐窄带滤波器，当光纤F一P滤波器的导通中心波长与某一反射波长相等时，那么这个反射光就会通过光纤-FP滤波器进入到光电探测器，光电探测器将这一光纤光栅的反射光变换成电信号，给定一个闭值电压对它整形，就得到一个规则的方波脉冲信号。我们将该方波信号送到单片机系统中，单片机的外部中断引脚通过检测方波脉冲的上升沿或下降沿对应的驱动电压值。由于全同光栅反射最大波长值和边沿驱动电压一一对应，，我们可以来换算出全同光栅反射最大波长值，进而计算被测物理量。由于驱动电压是单片机通过程序控制的
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP368.12

【引证文献】