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光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)是近年来发展迅猛的一种新型传感技术。由于它有许多其它传感技术所不能替代的优点,因此光纤传感技术被广泛应用到了工程的各个领域。它主要完成对温度与应变的测量。波长解调是FBG传感器在工程领域应用的技术关键,本文主要研究波长解调的算法,并进行相应的软件设计。
本文首先阐述了FBG传感的光学原理,在此基础上搭建了基于可调谐滤波器的测量光路。由于可调谐滤波器存在漂移问题,因此在光路中加入透射型热稳定标具对其进行标定。然后,构建了基于DSP的硬件测量电路,驱动可调谐F-P滤波器,对传感通道和标准具通道的反射光信号进行放大、采样、保存,同时完成与上位机的通信等功能。论文对各功能模块的配置进行了较为详细的阐述,在此基础上,完成了各模块应用程序的设计和调试。
本文重点对FBG解调的数据处理,包括数字滤波、波峰检测、标定数据拟合、波长计算等,进行了详细研究与程序设计。在数字滤波方面,主要研究了巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器(Ⅰ型和Ⅱ型)、椭圆滤波器在FBG反射光电信号的数字滤波中的应用,分析了各种滤波器的滤波效果与计算速度,并进行了对比;在波峰检测方面,对峰值法、中点法和质心法进行了分析,对三种方法计算FBG波峰的效果和速度进行了研究和实验;在标定数据拟合算法方面,主要对三次多项式最小二乘拟合法和三次样条插值拟合法进行了研究,在DSP上实现了拟合算法,对这两种拟合算法在波长标定中的应用进行了研究。论文完成了各种数据处理方法的程序设计,并植入DSP,完成了调试和实验。
最后,论文通过实验考察了数字滤波、波峰检测、标定数据拟合的效果。实验表明,不同算法对解调精度和速度有不同影响,采用四阶椭圆滤波、质心法和多项式拟合的解调效果较好。就解调速度而言,降低滤波器阶数、增加扫描步距可以提高速度,但对精度有一定影响。