嵌入式光纤光栅解调仪

作     者：王日东 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘丽;靳宝全;朱庆科

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光纤光栅 嵌入式 扫描激光器 硬件模块 卡尔曼滤波 

摘      要：光纤光栅传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰和易于复用等优势,因而被广泛地应用于航空航天、电力行业及生物工程等诸多领域。复杂多变的工程应用现场环境对光纤光栅解调仪的便携性与稳定性提出了更高要求,而基于上位机的传统光纤光栅波长解调技术难以满足现场需求。针对上述问题,本文研究了光纤光栅波长解调的硬件实现方案,搭建了基于嵌入式架构与兼容多类数据传输模式的光纤光栅解调仪。本文的研究内容主要包括以下三个方面:(1)研究了光纤光栅的耦合模理论,构建了光纤光栅温度传感与应变传感的数学模型,对比分析了常用的光纤光栅波长解调方法,选用了基于扫描激光器的波长解调方案,完成了光纤光栅解调系统的核心器件选型。(2)设计了基于ARM架构的嵌入式光纤光栅解调仪总体方案,研究了扫描激光器的控制原理,分析了驱动电流对激光波长的影响规律,构建了基于电流调谐的激光器控制模块,设计了光电转换、信号放大、信号滤波等信号调理电路,并针对波长解调数据的嵌入式处理需求,分别设计了数据采集、数据显示、数据传输等模块,采用了卡尔曼滤波与趋势判断融合的波长解调算法,实现了光纤光栅波长的快速准确解调。(3)集成了八通道嵌入式光纤光栅解调仪,开展了系统性能评估实验。实验结果表明,解调仪光栅温度传感器波长解调精度可达±3 pm,光栅温度传感器波长解调稳定度为±3 pm,温度与波长线性变化拟合系数最低为0.9982,系统响应时间可缩短至1.63 s以内,并实现了光纤光栅位移传感器、光纤光栅裂缝传感器、光纤光栅土压计的波长准确解调,达到了便携稳定的嵌入式光纤光栅解调仪研制目标。