光纤光栅波长特征识别与检测系统研究

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光纤光栅以其良好的温度、应变灵敏度和滤波特性,被广泛应用于大型复合材料、混泥土的结构监测、电力工业、石油工业、智能材料性能监测等领域。光纤光栅传感器对大型且复杂结构环境监测具有多参量传感,分布式传感等特性,常采用传感网络监测方法。光纤光栅传感检测精度和传感网络化分布,使得光纤光栅传感解调系统成为当前FBG传感技术研究领域的重点和难点之一。本文以光电整列成像技术探测法为基础,使用串口总线融合解调模块与多通道光开关控制技术,对解调设备可靠性设计、波长解调方法、测试系统开发展开了深入研究,主要研究内容如下:(1)根据光纤光栅耦合模理论和波长特征参数,以光栅技术参数对特征参数进行计算,通过采样光谱曲线特征实验,分析总结了波长峰值定位算法的识别条件。利用Bragg波长特征参数提出了多传感光栅峰值定位分析方法,改进峰值定位算法提高计算效率。以峰值点为中心,利用周边离散数据,探究了高斯拟合算法和二项式拟合算法。(2)利用Bragg波长特征和解调仪采样的传感光谱数据特性,探究了高斯拟合算法和二项式拟合算法解调FBG传感中心波长并对解调的中心波长进行比对分析。利用统一建模语言(UML)的用例图、顺序图和类图对测试系统功能需求、动态执行和程序设计方面进行了可视化描述。在Visual C++.NET环境下开发设计串口总线式的光纤Bragg光栅传感检测系统。(3)根据解调设备的现场应用需求设计了传感解调系统总体架构,并选取系统核心光学器件。以光学器件与检测系统的可靠性控制和通信进行电路设计。为提高USB高速通信的稳定性,采用信号完整性分析方法对PCB板差分信号阻抗控制以及串扰进行理论分析和设计。设计了解调设备与上位机之间的通信协议和解调仪的整体控制程序,并研制一台16通道光纤光栅传感解调仪。通过串口总线连接解调仪和检测系统,测试其解调光谱连续采样、单次采样、光开关与解调模块顺序控制等软件功能。测试了解调仪对FBG传感解调的稳定性误差范围为±8pm、测量分辨率1 pm等。从系统工作状况以及实验结果验证了该系统设计的可靠性和稳定性。
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