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基于塑料光纤的反射式强度调制型光纤位移传感器研究

作 者: 石小妹
导 师: 钟志
学 校: 哈尔滨工程大学
专 业: 光学工程
关键词: 塑料光纤 光纤传感器 锁相放大 数据同步采集
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


随着光纤制造业的快速发展以及各种各样光纤材料的深入研究,光纤传感技术也因其独特的优点得到了迅猛的发展,反射式强度调制型光纤位移传感器(RIM-FODS)是其中研究较成熟的一种,由于其具有原理简单、带宽较高、设计灵活、制作方便、性能稳定等优点,被广泛应用于位移、声音、压力、振动等物理量的测量。与传统的石英光纤相比,塑料光纤具有成本低、数值孔径大、韧性高等优点,因此在光纤传感领域有较广阔的应用前景。本文对基于塑料光纤构成的反射式强度调制型光纤位移传感器进行了研究。首先,以准高斯分布模型描述塑料光纤出射光场,建立了基于塑料光纤的RIM-FODS单光纤对模型光强调制特性函数的理论模型,并仿真分析了多种特性参数对传感器强度调制特性的影响规律。并且在此基础上仿真分析了光纤束结构模型的光强调制特性。进行了塑料光纤RIM-FODS总体方案的设计并选取了合适的光源和探测器。接着,在微弱光电信号处理理论的基础上完成了塑料光纤RIM-FODS光电信号处理系统的设计,该设计利用了基于互相关检测理论的锁相放大技术原理。光电信号处理系统包括光源调制和驱动电路、光电探测电路、前置放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路和低通滤波电路。然后,完成了RIM-FODS数据采集系统的设计。数据采集系统主要包括A/D转换模块、USB数据传输模块、FPGA控制模块和上位机模块,并且进行了基于FPGA的模数转换器AD7654和USB数据传输的控制程序及两者结合的软件设计。在整个传感器系统制作完成后,搭建了光学平台对传感器性能进行了测试,包括光强调制特性测试,系统重复性、稳定性测试以及传感器灵敏度等实验。实验效果良好,基本满足设计期望。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-20
  1.1 引言  11
  1.2 光纤传感器的概述  11-14
    1.2.1 光纤传感器的基本原理和分类  11-13
    1.2.2 光纤传感器的发展现状  13-14
  1.3 反射式强度调制型光纤位移传感器概述  14-17
    1.3.1 RIM-FODS 的基本原理  14-15
    1.3.2 RIM-FODS 的研究现状  15-16
    1.3.3 RIM-FODS 理论模型的研究现状  16-17
  1.4 塑料光纤简介  17-18
  1.5 课题的目的意义及主要研究内容  18-20
第2章 塑料光纤 RIM-FODS 的建模仿真及总体设计  20-45
  2.1 引言  20
  2.2 光纤纤端光场分布研究  20-22
  2.3 塑料光纤 RIM-FODS 理论模型与仿真  22-32
    2.3.1 塑料光纤 RIM-FODS 模型及光强调制函数定义  22-23
    2.3.2 塑料光纤 RIM-FODS 单光纤对光强调制函数  23-26
    2.3.3 塑料光纤 RIM-FODS 特征参数对光强调制特性影响的仿真分析  26-32
  2.4 塑料光纤 RIM-FODS 光纤束理论模型及仿真分析  32-38
    2.4.1 双光路组合探头结构传感器的光强调制模型  32-33
    2.4.2 四种双光路组合探头结构传感器的光强调制特性仿真  33-36
    2.4.3 光纤束传感器的光强调制特性  36-37
    2.4.4 光纤束传感器的仿真分析  37-38
  2.5 塑料光纤 RIM-FODS 的设计  38-40
    2.5.1 塑料光纤 RIM-FODS 的总体设计方案  38-39
    2.5.2 塑料光纤 RIM-FODS 探头设计  39-40
  2.6 塑料光纤 RIM-FODS 关键部件的选取  40-44
    2.6.1 光源的选取  40-42
    2.6.2 光电探测器的选择  42-44
  2.7 本章小结  44-45
第3章 塑料光纤 RIM-FODS 光电信号处理系统  45-58
  3.1 引言  45
  3.2 微弱信号检测理论  45-50
    3.2.1 相关函数和相关检测  46-48
    3.2.2 锁相放大技术  48-50
  3.3 塑料光纤 RIM-FODS 光电信号处理系统的设计与实现  50-57
    3.3.1 塑料光纤 RIM-FODS 整体设计方案  50
    3.3.2 光源调制和驱动电路  50-52
    3.3.3 光电探测器电路  52
    3.3.4 前置放大电路  52-53
    3.3.5 带通滤波电路  53-54
    3.3.6 相敏检波电路  54-56
    3.3.7 低通滤波电路  56-57
  3.4 本章小结  57-58
第4章 塑料光纤 RIM-FODS 数据采集系统  58-68
  4.1 引言  58
  4.2 数据采集系统硬件电路设计  58-63
    4.2.1 A/D 采样电路的设计  58-61
    4.2.2 USB 数据传输电路设计  61-62
    4.2.3 FPGA 的选择与控制  62-63
  4.3 数据采集系统软件设计  63-67
    4.3.1 AD7654 控制模块的设计  64-65
    4.3.2 USB 传输模块的设计  65-67
  4.4 上位机软件  67
  4.5 本章小结  67-68
第5章 塑料光纤 RIM-FODS 性能测试  68-74
  5.1 引言  68
  5.2 塑料光纤 RIM-FODS 验证实验  68-69
  5.3 塑料光纤 RIM-FODS 性能实验  69-73
    5.3.1 塑料光纤 RIM-FODS 灵敏度实验  69-71
    5.3.2 塑料光纤 RIM-FODS 重复性实验  71-72
    5.3.3 塑料光纤 RIM-FODS 稳定性实验  72-73
  5.4 本章小结  73-74
结论  74-76
参考文献  76-82
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  82-83
致谢  83

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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