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基于DWDM的多通道光纤光栅解调仪

作　者: 徐铁龙
导　师: 刘铁根
学　校: 天津大学
专　业: 光电子技术
关键词: 光纤Bragg光栅 DWDM 内燃机多通道
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光纤Bragg光栅传感器属于光纤传感器的一种,基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息,是一种波长调制型光纤传感器,其抗干扰能力强,测量方便,因此光纤光栅在传感方面的应用得到了国内外的广泛关注。目前已推出商用光纤光栅解调产品,但主要以有源解调方法为主,采样速度在几赫兹到几百赫兹左右,仅能满足静态或准静态测量的需要,不能满足振动、地质监测等动态环境所要求的高速多点采样。为了进一步满足动态多点测量的要求,需提高光纤光栅解调仪的采样和传输速度。本课题针对这些要求,设计了基于DWDM的多通道光纤光栅解调仪,完成了解调仪的光路、电路及软件的设计,实现了解调仪对于动态系统的多点高速采集,同时也实现了解调数据在计算机平台上高速的传输、处理、显示及存储。本论文的主要工作如下:1、基于密集型波分复用器(DWDM)设计了光路解调部分,利用可调谐激光器对DWDM四个通道进行测试并完成标定,测得其可用工作区间分别为1550.934nm-1551.884nm、1553.280nm-1554.205nm、1555.725nm-1556.665nm、1558.365nm-1559.265nm,各通道响应灵敏度都可达45dB/nm以上,保证了解调系统的快响应速度和高分辨率。2、以CPLD作为核心控制芯片,设计了多通道AD同步高速采集及USB高速传输功能。3、使用LabVIEW 8.5软件编写了人机交互界面,完成了多通道数据同时采集、显示、存储及分析计算功能。4、完成了内燃机表面FBG传感器的粘贴及内燃机内部缸压传感器的封装。5、对解调系统的采样速度、传输性能、解调范围和波长分辨率及精度进行了实验分析与研究。实验结果表明该解调系统的各通道采样速度为200KHz,可解调20KHz以下的动态信号;利用制作的传感器进行内燃机测试实验,研究了内燃机表面振动与FBG传感器中心波长变化关系、内燃机内部缸压与转角的关系。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-19
  1.1 引言  8-9
  1.2 光纤光栅传感技术  9-13
    1.2.1 光纤光栅传感器的发展现状  10-11
    1.2.2 光纤光栅传感解调技术发展现状  11-13
  1.3 波分复用技术——WDM  13-15
    1.3.1 密集型波复用技术  14
    1.3.2 稀疏波分复用技术  14-15
  1.4 USB 总线传输技术  15-17
  1.5 课题的研究目的和意义  17-19
第二章光纤Bragg 光栅传感与解调理论  19-33
  2.1 光纤Bragg 光栅的基本光学理论  19-21
  2.2 光纤Bragg 光栅的传感特性研究  21-25
    2.2.1 光纤Bragg 光栅的应变及温度交叉传感模型  22-24
    2.2.2 光纤Bragg 光栅压力传感器模型  24-25
  2.3 光纤光栅传感解调方法  25-32
    2.3.1 光谱仪检测法  26
    2.3.2 匹配滤波法  26-28
    2.3.3 干涉法  28-29
    2.3.4 可调谐窄带光源解调法  29-30
    2.3.5 衍射解调法  30-31
    2.3.6 可调谐光纤F-P 滤波器法  31
    2.3.7 边缘滤波法  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章基于DWDM 的多通道光纤光栅解调仪总体设计  33-53
  3.1 基于DWDM 的多通道光纤光栅解调仪的总体结构  33-34
  3.2 基于DWDM 的多通道光纤光栅解调仪的光路设计及结构  34-43
    3.2.1 密集型光波复用器的解调原理及选择  35-40
    3.2.2 对于各种不同用途的裸栅及其封装技术的选择  40-43
  3.3 基于DWDM 的多通道光纤光栅解调仪的硬件设计及结构  43-51
    3.3.1 光信号采集电路设计  43-45
    3.3.2 以CPLD 为核心对于多通道AD 的控制设计方案  45-48
    3.3.3 以CPLD 为主机的USB2.0 高速传输接口的设计方案  48-51
  3.4 高效稳压电源的设计及结构  51-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章基于DWDM 的多通道光纤光栅解调仪的软件设计  53-61
  4.1 LabVIEW 软件  53-55
  4.2 基于USB 接口的动态链接库设计及调用  55-58
  4.3 利用LabVIEW 实现对于多通道AD 的控制及选择  58-59
  4.4 人机交互界面的设计  59-60
  4.5 本章小结  60-61
第五章基于DWDM 的多通道光纤光栅解调仪的实验研究  61-82
  5.1 光纤光栅解调仪各通道的标定  61-65
  5.2 光纤光栅解调电路的数据传输性能测试  65-69
  5.3 内燃机参数测量实验研究  69-81
    5.3.1 内燃机表面FBG 传感器的封装  69-71
    5.3.2 内燃机缸压FBG 传感器的封装  71
    5.3.3 内燃机缸体表面振动测量研究  71-76
    5.3.4 内燃机内部缸压测量研究  76-81
  5.4 本章小结  81-82
第六章总结与展望  82-84
参考文献  84-89
发表论文和参加科研情况说明  89-90
致谢  90

基于DWDM的多通道光纤光栅解调仪

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