（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的光纤光栅温度检测系统设计与实验研究.pdf

原创性声明 f删ffffffffffffffffff栅 y 17 9 0 019 ” 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：康隽医 日论文作者签名：丛丝! 企日 期：一加年歹月力 曰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：基建堡导师签名：犯日期：幽月z f l i i 山东人学硕十毕业论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 光纤光栅传感技术的研究现状1 1 2 光纤光栅解调技术的发展现状3 1 3 课题的研究目的和意义4 1 3 本论文的主要研究工作5 第二章光纤b r a g g 光栅传感原理及解调方法7 2 1 光纤b r a g g 光栅温度传感模型7 2 2 光纤b r a g g 光栅解调理论研究9 2 2 1 基于透射式衍射光栅的解调法9 2 2 2 可调谐滤波解调法10 2 2 3 干涉解调法1 2 2 2 4 边缘滤波解调法l3 2 3 本章小结1 4 第三章f b g 温度检测系统设计15 3 1 光纤光栅温度传感器15 3 2w p m 边缘滤波原理1 7 3 3 波分复用技术一18 3 4 解调系统设计一19 3 4 1 单点解调光路设计方案1 9 3 4 2 系统性能优化2 l 3 4 3 多点温度检测系统设计2 5 3 5 本章小结2 7 第四章基于d s p 的光纤光栅解调系统电路设计一2 9 4 1 双光路放大电路设计。2 9 山东大学硕十毕业论文 4 1 1 放大电路主要元器件性能指标 4 1 2 放大电路工作原理 4 1 3 放大电路的优化设计 4 1 4 放大电路中的平衡问题 4 2d s p 系统构建 4 2 1d s p 背景介绍 4 2 2 电源电路设计 4 2 3a d 转换电路设计 4 2 4r s 4 8 5 接口电路设计一4 3 4 31 2 c 总线及1 2 c 接口器件使用4 4 4 3 1 数字电位器x 9 1 1 9 4 4 4 3 2 数字温度计a d 7 4 16 4 6 4 4 本章小结4 8 第五章基于i ) s p 的光纤光栅解调系统软件开发一4 9 5 1 下位机软件设计4 9 5 1 1d s p 集成开发环境4 9 5 1 2 下位机主程序设计5 0 5 1 3 中断设定51 5 1 4 采集数据并滤波程序5 2 5 1 5 温度计算及数据上传程序设计5 3 5 1 61 2 c 总线程序设计5 6 5 2 上位机软件设计。6 4 5 2 1l a b v i e w 介绍6 4 5 2 2 串口接收程序6 5 5 2 3 软件功能设置6 6 5 3 本章小结6 7 第六章基于d s p 的光纤光栅温度检测系统性能分析6 9 6 1 系统温度测量原理。6 9 6 2 电路稳定性测试一7 l 山东人学硕十毕业论文 6 3 系统温度特性实验一7 2 6 4 系统稳定性测试7 2 6 5 本章小结7 4 第七章总结与展望7 5 参考文献7 7 致谢8 3 攻读学位期间发表的论文8 5 l o g y 1 t e c h n o l o g y 3 4 ! ； c h a p t e r2t h es e n s i n gp r i n c i p l ea n dd e m o d u l a t i o no ff b g 7 2 1t h et e m p e r a t u r es e n s o rm o d e lo f f b g 7 2 2d e m o d u l a t i o nt h e o r yo ff b g 9 2 2 1t h ed e m o d u l a t i o nb a s e do nt r a n s m i s s i o nd i f f r a c t i o ng r a t i n g 9 2 2 2t u n a b l ef i l t e rd e m o d u l a t i o n l0 2 2 3i n t e r f e r o m e t e rd e m o d u l a t i o n 12 2 2 4e d g ef i l t e rd e m o d u l a t i o n 13 2 3c o n c l u s i o n 14 c h a p t e r3d e s i g no ff b gt e m p e r a t u r ed e t e c t i o ns y s t e m 15 ：；1f b gt e m p e r a t u r es e n s o r 15 3 2p r i n c i p l eo f w p m e d g ef i l t e r 17 3 3t h e o r yo f w d m 18 ：；4d e s i g no f d e m o d u l a t i o n 1 9 3 4 1d e s i g no f s i n g l ep o i n td e m o d u l a t i o no p t i c a l 1 9 ：；4 2o p t i m i z a t i o no f t h es y s t e m 2 1 3 4 3d e s i g no f m u l f i - p o i n td e m o d u l a t i o no p t i c a 2 5 3 5c o n c l u s i o n ：1 7 c h a p t e r4c i r c u i to ft h ef b go ff b gd e m o d u l a t i o ns y s t e md e s i g n 2 9 4 1d e s i g no f d u a lo p t i c a la m p l i f i e r 2 9 4 1 1c o m p o n e n t sm a i n l yu s e di n a m p l i f i e r 2 9 4 1 2t h ep r i n c i p l eo f a m p l i f i e r 3 3 v 山东人学硕十毕业论文 4 1 3o p t i m i z a t i o no f a m p l i f i e r 4 1 4b a l a n c ei na m p l i f i e r 4 2b u i l d i n go f d s ps y s t e m 4 2 1b a c k g r o u n do fd s p 4 2 2p o w e rc i r c u i td e s i g n 4 2 3a di n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n 4 2 4r s - 4 8 5i n t e r f a c ec i r c u i t 4 31 2 cb u sa n d1 2 ci n t e r f a c ed e v i c e 4 3 1d i g i t a lp o t e n t i o m e t e rx 9 119 4 3 2d i g i t a lt h e r m o m e t e ra d 7 4 16 4 4c o n c l u s i o n c h a p t e r5s o f t w a r eo ft h ef b g d e m o d u l a t i o ns y s t e md e s i g n 5 1s o f t w a r eo f l o w e rc o m p u t e r 5 1 1d s p i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 5 1 2m a i np r o g r a m 5 0 5 1 3i n t e r r u p ts e t u p 5 1 5 1 4s o f t w a r eo f d a t ac o l l e c t i o na n d f i l t e r i n g 5 2 5 1 5s o f t w a r eo ft e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o na n dd a t au p l o a d 5 3 5 1 6d e s i g no f1 2 cs o f t w a r e 5 6 5 2d e s i g no fp cs o f t w a r e 6 4 5 2 1i n t r o d u c t i o no fl a b v i e w 一6 4 5 2 2r e c e i v e rp r o g r a m 6 5 5 2 3s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 6 6 5 3c o n c l u s i o n 6 7 c h a p t e r6a n a l y s i so ft h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e 6 9 6 1p r i n c i p l eo f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m 6 9 6 2c i r c u i ts t a b i l i t ye x p e r i m e n t 7 1 6 3e x p e r i m e n t a ls y s t e mt e m p e r a t u r e 7 2 6 4s y s t e ms t a b i l i t ye x p e r i m e n t 7 2 6 5c o n c l u s i o n 7 z i v i 山东人学硕十毕业论文 c h a p t e r7c o n c l u s i o na n dp r o s p e c 7 5 r e f e r e n c e s 7 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 3 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gt h ed e g r e e 8 5 v 1 i 山东人学硕十毕业论文 山东大学硕十毕业论文 摘要 光纤布拉格光栅( f b g ) 是目前最有发展前景、最具代表性的光纤 无源器件之一。由于其具有可靠性高、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀 等特点，在传感领域得到了越来越多的应用。 温度作为工业生产中一个非常重要的参数需要人们密切关注，但现 在很多场所，如高压、强磁环境中使用传统的传感器无法实现对温度的 测量，而f b g 温度传感器由于具有本安、抗电磁干扰强等独特的优点， 因此将其应用到特殊领域的温度检测中具有重要意义。 光纤光栅温度传感器的封装技术已经成熟，而光纤光栅解调技术是 当前光纤光栅传感技术研究领域的重点和难点。特别是随着光纤b r a g g 光栅传感技术在国内外迅速发展，对解调技术也提出了更高的要求。现 阶段存在多种解调方法，国外很多机构也进行了光纤光栅解调技术的研 究并开发了相应的解调仪器，能够满足工业应用目的，但是由于价格昂 贵、对环境要求高等原因限制了该技术的进一步推广应用。目前国内不 少部门和研究单位进行了深入的研究，但大多数处于实验阶段，离标准 化、产品化还有一定的距离。 本文在综合考虑光纤光栅解调系统复杂性、解调速度和精度以及成 本的基础上，设计了一套基于d s p 的光纤光栅温度传感解调系统。该系 统采用w p m ( w a v e l e n g t hp u m p e dm u l t i p l e x i n g ) 且1 泵浦波分复用器作为解调 滤波器件，利用其在对应传感f b g 不同波长处的插入损耗差异，辨析了不同 的传感f b g 波长与输出功率之间的关系，从而实现了对信号的解调。解调系 统采用双光路结构，并提出了一种对称双通道信号数据融合方案，从理论与 技术上做到消除由于光源和光路造成光强波动带来的测量漂移问题。 d s p 芯片是目前高速、高精度信号处理的有力工具。本论文选用d s p 2 4 0 7 作为数据处理芯片，实现了信号放大、滤波、采集、温度转换和数据传输等 功能。系统上位机软件采用l a b v i e w 设计，将接收到的数据进行分析、显示 和存储。 值得一提的是，在系统设计和实验过程中引入数字电位器进行了放大倍 数的调节，同时引入了数字温度计与本系统的温度测量进行了对比实验。 山东大学硕士毕业论文 通过对设计系统的大量实验，检验了系统稳定性和精度，结果证明 基于d s p 设计的f b g 解调系统温度精度在1 以内，同时具有解调速度 快、性能稳定等特点，有望在工程实际应用中得到广泛应用。 关键词：光纤光栅；温度；解调；边缘滤波；w p m ；d s p h 山东大学硕士毕业论文 a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) i so n eo ft h em o s tp r o m i s i n ga n dt h em o s t r e p r e s e n t a t i v eo p t i c a l f i b e rp a s s i v ec o m p o n e n t s f b gh a st h ep o t e n t i a lt ob e w i d e l yu s e da ss e n s o r si nm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n s ，f o ri t sa d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hr e l i a b i l i t y , h i g hs e n s i t i v i t y , a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，c o r r o s i o n ，e t c t e m p e r a t u r ei sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ri n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o nn e e d s c o n s a n g u i n e o u sa t t e n t i o n ，b u tn o wm a n yp l a c e s ，s u c ha sp r e s s u r e ，m a g n e t i c e n v i r o n m e n t ，t h et r a d i t i o n a ls e n s o rc a nn o tb eu s e df o rm e a s u r et e m p e r a t u r e b u t t h ef b gt e m p e r a t u r es e n s o rh a ss e c u r i t y , a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n d s t r o n gu n i q u ea d v a n t a g e s ，s oi t i s a p p l i e dt ot e m p e r a t u r ed e t e c t i o ni ns p e c i f i c a r e a si sv e r yi m p o r e n t t h et e c h n o l o g yo ff b gt e m p e r a t u r es e n s o rp a c k a g i n gh a sm a t u r e d ，b u t d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi si m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ti nt h ec u r r e n tf i e l do fo p t i c a l f i b e rb r a g gg r a t i n g e s p e c i a l l yw i t ht h ef b gs e n s i n gt e c h n o l o g yd e v e l o pr a p i d l y i nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，t h ed e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yn e e d si n c r e a s i n gu r g e n t l y t h e r ea r es e v e r a ld e m o d u l a t i o nm e t h o d sa tt h i ss t a g e ，m a n yf o r e i g ni n s t i t u t i o n s h a v er e s e a r c ht h ef i b e rg r a t i n gi n t e r r o g a t i o nt e c h n i q u ef o rl o n gt i m e sa n dd e v e l o p c o r r e s p o n d i n gd e m o d u l a t i o na p p a r a t u sf o ri n d u s t r i a l ，b u tb e c a u s eo fe x p e n s i v e ， h i g h e rl i m i t so nt h ee n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t sc o n f i n et h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no f t h i st e c h n o l o g y c u r r e n t l ym a n yd e p a r t m e n t sa n dr e s e a r c ha r ei n - d e p t hs t u d i n g , b u tm o s ta r ei nt h ee x p e r i m e n t a ls t a g e ，a n dt h e r ea r el a n gt i m et ot h es t a n d a r da n d p r o d u c t t h i st h e s i sc o l l i g a t ec o n s i d e r st h ec o m p l e x i t y , d e m o d u l a t i o ns p e e d ，p r e c i s i o n a n dc o s to ff i b e r g r a t i n g d e m o d u l a t i o ns y s t e m ，d e s i g n so fad s p - b a s e d t e m p e r a t u r es e n s i n gf b gd e m o d u l a t i o ns y s t e m t h i ss y s t e mu s e sw a v e l e n g t h p u m p e dm u l t i p l e x i n g ( w p m ) ，w h i c h i s p u m p e db yw a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x e r , a st h ed e m o d u l a t i o nf i l t e rp a r t t h er e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts e n s o r f b gw a v e l e n g t ha n do u t p u tp o w e ri s d i s t i n g u i s h e d ，u s i n gw p m a td i f f e r e n t w a v e l e n g t h sd e p a r t m e n ti n s e r t i o n l o s sd i f f e r e n c e s a n dt h es i g n a lc a nb e ! 1 1 山东大学硕十毕业论文 d e m o d u l a t e d i nt h ed e m o d u l a t i o np a r t ，d o u b l eo p t i c a ls t r u c t u r ei su s e d ，a n da s y m m e t r i c a ld u a l - c h a n n e ls i g n a ld a t ai n t e g r a t i o np r o g r a mi sp r o p o s e d u s i n g t h e s et e c h n o l o g i e s ，t h ed r i f t ，c a s e db yl i g h ts o u r c ea n dt h eo p t i c a l i n t e n s i t y f l u c t u a t i o n si se l i m i n a t e d d s pi sah i g h s p e e d ，h i g h p r e c i s i o nt o o lf o rs i g n a lp r o c e s s i nt h et h e s i s ，a d s p c h i p ，m o d e ld s p 2 4 0 7i sc h o s e n ，f o rs i g n a la m p l i f i c a t i o n ，f i l t e r i n g ，c o l l e c t i n g , t e m p e r a t u r ec o n v e r s i o na n dd a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o n s i nt h eu p p e rc o m p u t e r , s o f t w a r el a b v i e wi su s e dt oa c h i e v i n gd a t aa n a l y z e ，d i s p l a ya n ds t o r a g e i ti sw o r t hm e n t i o n i n gt h a ti nt h ep r o c e s so fs y s t e md e s i g na n de x p e r i m e n t s ， d i g i t a lp o t e n t i o m e t e ri su s e dt oc o n t r o lt h ea m p l i f i e r m e a n w h i l e ，ad i g i t a l t h e r m o m e t e ri su s e dt o c o m p a r i n gw i t ht h i sn e wt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s y s t e m t h es y s t e ms t a b i l i t ya n d a c c u r a c y i s p r o v e db yal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t s t h er e s u l ts h o w st h a tt h es e n s i t i v i t yo ft h ed s p b a s e df b g t e m p e r a t u r ed e m o d u l a t i o ns y s t e m i sw i t h i n 1 ，a n dt h es y s t e mh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so ff a s t - r e s p o n s ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e t h i ss y s t e mi se x p e c t e d t ob ew i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s ；t e m p e r a t u r e ；d e m o d u l a t i o n ；e d g e i v f i l t e r ；w p m ；d s p 山东人学硕十毕业论文 第一章绪论 1 1 光纤光栅传感技术的研究现状 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其实 质就是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。这一特性可构成许多新能 独特的光源无源器件，同时光纤本身具有低耗传输、抗电磁干扰、质量小、 体积小、柔韧、化学特性稳定及电绝缘等优点，光纤光栅在光纤通信、光纤 传感和光信息处理等领域均有着广阔的应用前景。 1 9 7 8 年，k o h i l l 等人发现了【2 ，3 】光纤的光敏性，从而导致了一种所谓光 纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 的新型光纤内纤型无源器件的出现，其 中，在光纤b r a g g 光栅中衍射的光满足b r a g g 衍射条件。并且随着光纤光栅 写入技术的不断完善，应用成果的r 益增多，光纤光栅成为目前最有发展前 途、最具有代表性的光纤无源器件之一 4 - 7 。 但从k o h i l l 等人制作出了第一根光栅后，由于光纤光栅写入效率和其 他多方面的因素，其研究进展十分缓慢。 1 9 8 8 年美国东哈特福德联合技术研究中心的m e l t z 等人提出了用两束相 干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入光线向拉格光栅的横向 全息成栅技术【8 1 ，相对于内部写入法该方法又称为外侧写入法。与h i l l 提出 的驻波写入法相比，m e l t z 的横向全息成栅技术是一个很大的进步，通过选 择激光波长或改变两束想干光之间的夹角可以在任何感兴趣的可用波段写 入光纤布拉格光栅，使制作的光纤布拉格光栅具有潜在的使用价值。但是， 这种写入方法对于光源和周围的环境的稳定性要求较高，并且对光源的相干 长度要求很严格，因此实用起来也比较困难。 2 0 世纪9 0 年代，由于成本高昂、市场无急需同时技术也不够成熟等原 因，光纤传感技术的研究和应用进入低潮。直到9 0 年代中后期，随着光纤 光栅传感技术研究工作的展开，这一情况才得到好转。 1 9 9 3 年，j a c k s o n 等人提出了基于平行阵列的光纤布拉格光栅w d m 拓 扑结构，成为了光纤光栅复用技术的研究与应用的先行者。从此，诸如 t d m 、w d m 、s d m 等复用技术，以及以光纤光栅为基元的各种拓扑结构 和它们的各种组合形式与网络系统层出不穷，这极大地推动了光纤光栅 山东大学硕十毕业论文 在光纤通信及光纤传感领域的应用步伐”。 1 9 9 6 年，a t & t 贝尔实验室的v e n g s a r k a r 等人制成了第一个长周期 光纤光栅【1 6 】，在此基础上，经过探索很多专家研制出一些特殊用途的光 纤光栅。 光纤光栅的制作及光纤光敏化技术不断取得新的进展，光纤光栅的某 些技术已达到商用化的程度。随着光纤光栅技术的同益发展，基于光纤 光栅的各种光学器件( 如光纤激光器【16 1 、光纤滤波器【17 1 、光纤波分复用和 解复用器【1 8 】、光纤光栅色散补偿器等) 层出不穷，被广泛应用于光纤通信 和光纤传感等领域。 传感技术在当代科技领域及实际应用中占有非常重要的地位，为工业 生产和同常生活提供了很多的支持，各种传感器已广泛应用于各个学科 领域。光纤光栅传感技术是以光纤光栅为传感基元的新型传感器，代表 着新一代光学传感器的发展方向。但也要看到，目自西的光纤光栅传感器， 大多是探测波长的漂移，精度虽高但是解调系统成本也很高，其高成本 极大的影响了光纤光栅传感器的发展及实际应用。开发价格低，质量好、 使用时间长、功能齐全的光纤光栅传感解调系统，是最终实现光纤光栅 传感技术大规模应用在工业生产上的重要条件。 光纤光栅传感器在国外已经得到了广泛的应用。1 9 9 7 年，在美国俄 亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁【1 9 】，埋入了光纤光栅应 变传感器，通过互联网有规律地监视桥梁的荷载响应和跟踪连接绳索的 长期性能。1 9 9 9 年，在美国新墨西哥和拉斯维加斯1 0 号州际高速公路的 钢结构桥梁上，安装了多达1 2 0 个光纤光栅传感器【2 0 1 ，是当时在桥梁上 使用光纤光栅传感器最多的记录。不仅在美国光纤光栅传感器得到了应 用，在欧洲，光纤光栅传感器也得到了大量的使用。2 0 0 2 年，瑞士的研 究人员将光纤光栅传感器埋入混凝土，对混凝土断裂延伸带的宽度进行 了测量。法国、瑞典、德国和英国的光学研究院都在运用光纤光栅传感 器对航空航天设备进行监测，取得了一些成果。在巴西，有人用光纤光 栅应变传感器来测量呼吸过程的频谱，新加坡用一种光纤光栅压力传感 器来进行外科较正。核工业中，日本将光纤光栅用于核电厂设备和管道 2 山东大学硕+ 毕业论文 的传感，比利时核研究中心将光纤光栅用于机器人的执行终端或机器手 的传感。光纤光栅传感器在其他方面也有许多应用【2 2 , 2 3 】。总之，国外光 纤光栅传感技术的发展非常的迅速，应用的领域也非常的广泛。 我国对光纤传感技术的研究始于上世纪8 0 年代初。1 9 8 3 年6 月，国家 科委新技术局在杭州召开了有关光纤传感技术的第一次全国性会议光 纤电流，电压传感器方案论证会，标志着光纤传感技术研究在我国的开始。 1 9 8 5 年1 月又在北京召开了光纤传感“七五”规划座谈会，并于当年1 1 月在 南京成立了光纤传感专业委员会，有力推动了光纤传感技术在国内的发展。 此后，国内光纤光栅传感技术在国内得到了进一步的发展，在1 9 8 5 年至1 9 9 3 年之间，召开数次光纤传感学术交流会和光纤传感培训班，光纤传感技术的 研究进入了高潮f 2 4 1 。 近年来，我国的光纤光栅传感器在学术和基础研究方面已有了很大进 展，但与先进国家相比还相差甚远。清华大学廖延彪教授对光纤光栅技术及 应用进行了较多研究【2 5 】；武汉大学在f - p 传感方面做了许多研究，一些技术 已在工程中应用【2 6 】；重庆大学光电仪器系提出了一种基于成像光谱技术的 w d m 解调方案【2 7 1 ，该方案是将来自反射光栅的光射入工业摄像机的c c d 面阵上，经图像卡数字化处理后，可得光纤光栅成像位置和光纤应变的关系。 目前，光纤光栅传感器在我国部分行业己经得到应用。在石油、化工行 业，采用光纤光栅温度报警系统对油库进行监测，在土木建筑行业，采用光 纤光栅传感器作为桥梁的长期健康监测系统，如贵州冷饭盒大桥、海口世纪 大桥、襄樊汉江四桥等，均采用了光纤光栅传感器，在深圳市民中心大型网 架结构安全监测中采用了光纤光栅应力传感器，在水电行业，采用光纤光栅 传感器进行渗漏监测、大坝施工期温度监测以及大坝温度监测，在电力行业， “西电东送”工程中采用光纤光栅高压开关柜逐点监控系统对高压电缆的温度 进行监测。本实验室在光纤光栅传感方面也作了一些应用项目，有的应用在 电解铝温度检测项目中，有的应用在变电站温度检测方面，取得了很好的应 用效果。 1 2 光纤光栅解调技术的发展现状 光纤光栅传感系统包括传感过程和解调过程，传感过程是通过外界参量 3 ( 应变、 程相反 要求精 反射波 例关系 统的检 现 波长的 对光纤 器，但 足高精 四是光 无法直 调，如滤波法、非平衡扫描迈克尔逊干涉法、非平衡m z 干涉法等。 虽然j 下在研究的光纤光栅传感解调方法有许多，但是能够实际应用的解 调产品并不多，而且价格昂贵。美国在传感信号的解调技术上居于世界领先 水平，美围的m i e m oo p t i c s 是一家光纤光栅传感解调产品做得较好的公司， 他们用可调f p 腔滤波方法生产的f b g s i ，其动态范围约3 0 m n ，分辨率为 l p m ，测量精度5 p m ，扫描频率5 0 h z ，价格约2 万美元。他们新推出的 f b g s l i 采用可调激光扫描方法，其动态范围 3 0 n m ，分辨率为l p m ，测量 精度为5 p m ，扫描频率1 0 0 h z ，可以同时对四路光纤多达2 5 6 个b r g a g 光栅 进行询查，但每台价格需好几万美元。美国b l u er o a dr e s e a r h c 推出一种基 于啁啾光栅的解调系统，取样率可达7 k h z ，价格约5 千美元，但这种解调系 统只能解调一个光纤光栅，而且分辨率和精度都不高。因此研究开发适于实 际工程应用的解调系统，实现更高速度的解调，同时降低解调系统的成本， 是使光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广的关键问题。所以，研 制出精度高，价格低廉的解调系统成为了当前一个研究的热点和难点。 1 3 课题的研究目的和意义 通过以上介绍可知，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀，体积小 4 山东人学硕十毕业论文 等一些其他传感器无法达到的优势，并且f b g 波长编码特性及其可复用性更 是其他传感器所无法超越的，因此f b g 的大量应用必将极大的推动检测技术 的发展，但是f b g 的广泛应用的一个非常重要的前提是对其返回信号的解调 装置的研制。目前来看，光纤光栅解调仪的价格普遍比较昂贵，这极大的限 制了f b g 的应用和推广。 温度作为一个在工业生产过程中非常重要的参数，需要密切掌握，并通 过对其研究作出相应的调整，而在一些工业场所，传统的电传感器并不能够 正常使用，使用f b g 就成为了一个理想的解决方法，因此，开发出一套能够 应用在温度检测方面的光纤光栅检测系统对于工业生产具有非常重要的作 用，能够提高系统检测的自动化程度和产生巨大的经济效益。 本课题“基于d s p 的光纤光栅温度检测系统设计与实验研究”其目的是 设计开发一种精度高、价格低廉、操作方便、能够实时显示检测目标参数变 化的适合于工程应用的光纤光栅光强解调系统。 1 4 本论文的主要研究工作 通过学习光纤光栅的基础知识，并分析光纤光栅解调方面的发展历史现 状，在查阅大量的文献资料的基础上，本论文进行了如下几方面的研究： 第一章主要介绍本光纤光栅传感技术的发展和现状以及论文的研究目的 和意义。 第二章介绍光纤光栅的结构和传感理论，并介绍了几种主要的解调方法， 如光谱仪、可调谐滤波器、干涉仪和边缘滤波方法，通过这些方法的对比选 定了本文所采用的解调方法。 第三章介绍基于w p m 的光纤光栅解调方案，主要介绍了系统器件的选 型和工作原理，以及在设计过程中需要注意的几个问题，同时为系统的优化 提出了自己的想法，进行了实验。利用波分复用技术设计了多点温度测量系 统，为系统进行实际的应用打下了基础。 第四章介绍了基于d s p 技