FPGA控制的光纤环形腔衰荡光谱技术在静冰压力检测中的应用研究

论文摘要

近年来,国家对水资源的开发逐步向国内西北、西南等高寒地区转移,这些地区的水资源在防洪、发电、灌溉等方面具有潜在的应用价值,但高寒地区气候复杂,冬季时间持续久,导致寒区的水库、水电站等水工建筑会在冬季受到静冰压力的威胁,因此研究寒区冰生消过程中静冰压力的变化对寒区水资源转换为实际生产力具有重大意义。针对目前无法实时连续获取冰在生消过程中静冰压力变化的问题,本文利用光纤环形腔衰荡光谱技术结合FPGA脉冲调制技术搭建了光纤环形腔衰荡传感系统,进行了双通道测试实验,并采用该系统对静冰压力进行了初步检测,探究了冰在生消过程中对边界的底面、侧壁产生的静冰压力变化情况,证明该系统具有连续检测的功能。论文主要完成了以下四个工作:1.针对连续检测静冰压力变化的要求,在查阅大量文献的前提下对当前的静冰压力的研究现状及压力检测技术进行了分析,提出了以光纤作为应变传感单元,FPGA调制技术和光纤环形腔衰荡技术为核心的检测方法,实现静冰压力连续检测。2.根据电光调制的原理提出了FPGA脉冲调制的方法,运用基于FPGA的直接数字式频率合成器技术和锁相环倍频技术分别产生电脉冲,从脉宽宽度与电路设计的复杂度着手,确定了采用基于FPGA的锁相环倍频技术产生脉宽可调、周期可调的电脉冲,电脉冲对电光调制器进行调制,产生脉宽最窄为5ns的光脉冲,脉宽可调、周期可调的光脉冲为光纤环的结构设计提供了依据。3.利用双通道的位移检测实验验证了双通道检测的可行性。依据并联复用的原理,采用延迟线技术,搭建了基于光纤环形腔衰荡光谱技术的双路复用传感系统,进行了相应传感光纤固定点位移的检测实验,并对传感器的重复性、灵敏度进行了研究。在双通道的固定点的位移检测实验中,A、B通道的光纤环环长是47.00m,二者延迟线的差是28.61m,产生的衰荡脉冲相位差非常明显,表明脉冲重叠现象不会发生,确保了双通道检测的可能性;此外A、B两通道的重复性实验结果表明,传感器的重复性较好,标定结果显示两个传感器的灵敏度也极为相近,在验证性实验中,A、B通道的误差分别为2.1%、4.0%。4.在双路固定点位移检测实验的基础上,初步完成了底部、侧壁静冰压力的检测实验。底部静冰压力检测实验结果表明,在室温为19.8℃、结冰环境为-12.5℃的条件下,冰在生消过程中,静冰压力的变化可大体分为增长期、稳定期和下降期三个阶段,当温度低于-2.1℃时处于增长期,静冰压力呈增大趋势;在稳定期,静冰压力保持不变,但是在增长期与稳定期之间静冰压力会出现微小的回落;在下降期的前阶段,由于受到温升率的影响,静冰压力也会出现小幅的增长,直到温度回升至0℃,静冰压力会增大到最大,其值为154.55KPa,在下降期的后阶段,静冰压力急速减小。在侧壁压力剖面检测实验中,结果显示,同等实验条件下,侧壁受到的静冰压力比底部的静冰压力大,侧壁静冰压力也是先增大后维持不变,在下降期的前阶段静冰压力会增大,在0℃以后静冰压力迅速减小至0KPa。同时,深度不同,侧壁压力大小也不同,静冰压力呈现随深度增加而减小的趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题的研究意义
•   1.2 静冰压力的研究现状
•   1.3 压力传感器的原理及分类
•   1.4 光纤传感技术研究现状及应用前景
•   1.5 本文主要内容与结构
• 第二章 环形腔衰荡光谱技术的基本理论
•   2.1 腔衰荡光谱技术理论
•   2.2 光纤环形腔衰荡光谱技术
•   2.3 影响FLRDS技术测量精度的因素分析
•   2.4 本章小结
• 第三章 基于FPGA的光脉冲调制方案
•   3.1 光纤传感脉冲生成系统的结构与原理
•   3.2 直流偏置电压源的设计
•   3.3 基于FPGA控制的脉冲信号源设计
•     3.3.1 FPGA硬件平台及开发工具
•     3.3.2 基于直接数字式频率合成器技术的脉冲信号源设计
•     3.3.3 基于PLL技术的脉冲信号源设计
•   3.4 脉冲整形电路设计
•   3.5 本章小结
• 第四章 FLRDS双路传感系统的搭建与测试
•   4.1 复用测量原理
•   4.2 实验装置
•   4.3 实验结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 第五章 静冰压力检测实验
•   5.1 静冰压力检测系统的整体设计
•   5.2 底部压力实验分析
•   5.3 侧壁压力实验分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖情况
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 潘丽鹏

导师: 邓霄

关键词: 光脉冲,光纤环形腔衰荡,静冰压力,连续检测

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 太原理工大学

分类号: TN791;TN253

总页数: 78

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