光纤Bragg光栅波长检测信号处理系统研究

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FBG传感器是目前光纤光栅传感领域的研究热点之一。布拉格反射波长可受温度应变等物理量调制的特性使其广泛的应用于光纤传感等领域。作为传感元件,光纤光栅将被测信息转化为其反射波长的移动,即波长编码,因而不受光源功率波动和系统损耗的影响。另外,光纤光栅具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等特点,易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列,实现分布式传感,这是其他传感元件所不及的。在大型航空航天器、海洋平台、高层建筑、大跨度桥梁等复杂结构的健康监测中有着广阔的应用前景。 如何对光纤光栅的波长编码信号进行解调,是实现光纤光栅传感实用化的关键,对中心波长移位的检测精度直接限制了整个系统的检测精度。用光谱仪检测方法的缺点是传统光谱仪分辨率较低,无法满足要求。高分辨率的光纤光谱分析仪价格昂贵,体积庞大,更重要的是它不能直接输出对应于波长变化的电信号,这对于测量结果的记录、存储和显示以及提供给控制回路必要的电信号已达到工业生产过程自动控制的目的都是极为不利的。近年来国内外的许多研究工作都集中到这一方面,竞相开发结构简单而且实用的高分辨率光纤光栅传感器信号解调系统。采用MCS-51系列CPU作为信号处理卡板载MCU也存在一些比较严重的问题,如CPU的指令执行速度慢,总线带宽窄等缺点,不能完成数据的高速处理。针对以上问题,采用了一种基于DSP和CPLD的信号处理卡,实现了数据的实时高速处理和传输。从解调系统的功能与系统设计要求出发,在采用F-P腔滤波法的基础上引入高速数字信号处理卡,形成一套全新的解调方案,同时也针对该应用编制了相应的采集处理程序和主机端应用程序。 文章首先阐述了光纤Bragg光栅的工作原理,系统研究了光纤光栅的温度、应变传感特性。接着对现有的光纤光栅解调方案进行了分析和比较,并针对实际光纤传感应用中所面临的问题,在选用了F-P腔可调谐滤波法基础上设计了信号处理卡的软硬件,同时对该卡的各个组成部分的实现也进行了具体的介绍。接着对整个解调系统进行了总结,本系统的速度精度都能满足实际的需要。最后对今后的工作提出了展望。
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