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《哈尔滨工业大学》 2017年
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基于相位差解调的光纤位移测量技术

冯奥凯  
【摘要】:光纤传感具有速度快、不受电磁干扰、抗腐蚀,而且易于实现分布式测量等诸多优点,在工程领域得到了广泛的应用。目前光纤位移传感系统多数是通过解调布拉格光栅中心波长的漂移或者布里渊散射光的频率漂移来实现对外界物理量的监测,虽然测量精度较高,但是解调系统一般较为复杂,成本高。为了解决上述问题,本文设计了一套低成本、远距离测量、解调简单的光纤位移测量系统,期望能有助于光纤传感在远距离监测中的进一步应用。在光纤传感的基本理论部分,文中介绍了利用布拉格光栅测量位移的基本原理和利用布里渊散射测量位移的传感机理,总结了解调系统中存在的问题。在此基础上,本文提出了一种利用相位差的方法对光纤上的监测信号进行解调,进而得到外界的待测体的位移变化情况,解决了光纤传感中温度和应变对解调结果的影响,该系统主要适用于大型工程的远距离位移监测。在系统整体方案的设计和实现中,首先对锁相放大的原理进行了研究,利用模拟乘法器设计了相应的硬件电路。分析了基于模拟式锁相放大的相位差解调、基于数字异或门电路的相位差解调以及基于DSP的相位差解调技术,并且总结了各自的优缺点。最终提出了以脉冲串作为调制信号,基于相位差解调的光纤位移测量系统;然后设计了系统的光电探测电路以及两路参考信号;最后对系统的软件部分设计了相应的算法和驱动控制程序。为了验证系统的测量准确度,通过定制的六根不同长度的光纤,进行了相应的实验测试,利用设计好的软件算法解调出被测光纤的长度差,经过十五组的测量值与实际值的比较,得到系统的测量误差为0.32229 cm,为本系统的重复测量精度,经线性回归,测量结果与实际位移值的相关性为0.93685,线性度为0.99928,说明系统具有较好的线性度。根据结果分析,我们得到了影响测量精度的误差来源,同时提出了相应的解决方案。本文设计了一套基于相位差解调的光纤位移测量系统,通过实验室的资源对相位差的解调技术进行了验证。最终得到的结果表明,该系统具有光纤复用率高、系统成本低廉、测量距离远、解调电路简单等优点,期望能有助于光纤传感技术在大型工程位移监测中的进一步应用。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN253;TH822

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