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基于匹配法的嵌入式光纤光栅温度传感系统

作　者: 胡霁
导　师: 万生鹏
学　校: 南昌航空大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤光栅传感匹配法数字信号处理器通用串行总线查询界面
分类号: TP212.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)是一种折射率呈固定的周期性调制分布的新型光无源器件。光纤光栅技术的出现被认为是光纤通信领域的一个里程碑。随着研究的深入,它波长编码、抗电磁干扰、抗腐蚀和可靠性好等在传感领域得天独厚的优势也被人们所发现。目前,光纤光栅传感器已经被广泛应用于土木、医学、航天等各个领域,对光纤光栅传感技术的研究和应用也越来越引起了人们的重视。本文从实际应用出发,主要目的是为了设计一个满足工程检测需要的便携式光纤光栅温度传感解调系统。在对现有光纤光栅传感解调方案进行分析和比较的基础上,并结合实验室的实际条件设计了一个基于匹配法的嵌入式光纤光栅温度传感系统。在本论文中首先利用耦合模理论对光纤光栅传输特性进行了系统分析和研究,针对目前光纤光栅传感器实际应用中所存在的温度和应力交叉敏感问题,本文提出了一种新型的传感头封装方法,经理论分析该方法能够很好的消除温度和应力交叉敏感问题。然后根据设计需求完成了光电探测器放大电路和以DSP2407为核心的A/D转换电路、时钟复位电路、仿真接口电路、DSP与USB接口芯片CH375的接口电路的设计;在硬件设计的基础上,完成了对系统软件部分的编程工作。接着为了实现良好的人机交互功能,利用Visual C++中的提供的MFC编程方法编写了一个解调结果查询界面。通过该界面可以完成实时检测数据的观测和历史数据的查询,另外还可以实现对光栅光谱波形的绘制功能。最后,对整个系统进行调试,在调试成功做进行了实验并对实验结果中所产生的误差进行分析。实验结果表明整个系统的设计也基本符合预期的目标。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章绪论  8-17
  1.1 引言  8-9
  1.2 光纤光栅的简介及发展动态  9-11
    1.2.1 光纤光栅简介  9
    1.2.2 光纤光栅的分类  9-10
    1.2.3 光纤光栅的发展动态  10-11
  1.3 光纤光栅在传感方面的应用及国内外发展动态  11-15
    1.3.1 光纤光栅在传感方面的应用  11-13
    1.3.2 国内外发展动态  13-15
  1.4 课题研究的目的和意义  15
  1.5 本论文主要研究内容及创新点  15-17
第二章 Bragg光纤光栅解调方法的研究  17-32
  2.1 耦合模理论  17-18
  2.2 对光纤光栅的基本性质的分析  18-20
  2.3 对光纤光栅反射光谱特性的分析  20-21
  2.4 光纤Bragg 光栅传感基本原理  21-26
    2.4.1 应变传感模型  22-24
    2.4.2 温度传感模型  24-26
  2.5 光纤光栅传感解调方法的研究  26-29
    2.5.1 光谱仪检测法  26-27
    2.5.2 线性滤波比例探测法  27-28
    2.5.3 可调谐F-P 滤波解调法  28
    2.5.4 可调窄带光源法  28-29
  2.6 本文所采用的解调方法  29-32
第三章系统总体方案的设计  32-39
  3.1 系统总体解调方案  32-33
  3.2 系统光源性能的研究  33-34
  3.3 传感光栅和匹配光栅的选择  34-35
  3.4 光电探测器前置放大电路的设计  35-36
  3.5 FBG 传感头封装结构的设计  36-39
    3.5.1 温度和应变交叉敏感问题  37
    3.5.2 一种解决温度和应变交叉敏感的封装结构的设计  37-39
第四章系统硬件电路的设计  39-49
  4.1 DSP 硬件电路的设计  39-43
    4.1.1 DSP 芯片的选择  39-40
    4.1.2 DSP 电源电路的设计  40-41
    4.1.3 复位电路和时钟电路  41-42
    4.1.4 JTAG 仿真接口电路  42-43
  4.2 A/D 转换模块  43-44
  4.3 USB 硬件电路的设计  44-49
    4.3.1 USB 接口芯片的选择  44-45
    4.3.2 CH375 芯片介绍  45-47
      4.3.2.1 CH375 封装结构及重要管脚说明  45-46
      4.3.2.2 CH375 内部结构  46-47
    4.3.3 USB 和DSP 接口电路的设计  47-49
第五章系统软件的设计与实现  49-64
  5.1 系统主程序设计  49-53
    5.1.1 系统的初始化  50-51
    5.1.2 AD 数据采集的实现  51-53
  5.2 数据处理的程序实现  53-59
    5.2.1 FIR 数字滤波器的设计  53-57
      5.2.1.1 FIR 数字滤波器的MATLAB 仿真  53-56
      5.2.1.2 FIR 数字滤波的DSP 实现  56-57
    5.2.2 最大功率值的求解  57-59
  5.3 上位机查询界面的实现  59-64
    5.3.1 主机和DSP 通信实现  59-61
    5.3.2 Win32 API 介绍  61
    5.3.3 利用MFC 编程的查询界面实现  61-64
第六章实验结果与分析  64-68
  6.1 光纤光栅温度标定实验  64-65
  6.2 解调系统的调试与搭建  65-67
    6.2.1 解调光路的调试  65-66
    6.2.2 DSP2407 的调试  66
    6.2.3 USB 设备的调试  66-67
  6.3 实验结果  67
  6.4 误差分析  67-68
第七章总结和展望  68-69
参考文献  69-74
硕士期间发表论文  74-75
致谢  75-76

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