分布式光纤应变检测仪设计

论文摘要

基于布里渊光时域反射（Brillouin Optical Time Domain Reflector,BOTDR）的分布式光纤应变检测技术,具有单端输入、测量距离长、可测断点、全分布式检测等优点,可有效应用于大型基础工程的结构健康状态监测。针对目前长距离大型基础工程结构健康监测困难的问题,研制了一台分布式光纤应变检测仪。该应变检测仪结合相干检测法与微波外差扫频方法实现布里渊散射信号检测,利用FPGA高速运算的优势,实现布里渊散射信号降噪与布里渊增益谱的解调,以提高应变检测实时性。设计基于MFC编写人机交互界面,实现可视化应变测量,直观分析被测结构的应力分布,判断其结构健康状态,防患于未然。本课题主要从以下几个方面展开研究:设计基于BOTDR技术的应变检测方案,并搭建检测系统。深入分析布里渊频移与应变关系,阐明应变检测原理;对比布里渊散射信号不同探测方法,设计基于相干检测结合微波扫频的布里渊散射信号解调方案,根据所设计的方案和项目研究的技术目标,综合考虑各个关键模块的参数指标,选择合适的硬件搭建检测系统。在集成电路上实现布里渊散射信号降噪与布里渊增益谱解调。利用FPGA高速运算的优势,在FPGA上实施累加平均算法,对探测的布里渊散射信号进行降噪处理;同时,设计基于L-M算法的布里渊增益谱解调方案,并在FPGA上实现,达到快速解调光纤沿线应变信息的目的,提高系统实时性。综合考虑分布式光纤应变检测仪的功能需求,设计基于MFC软件的上位机界面,实现硬件监控、信号采集与处理、数据存储、显示等功能。实现检测系统集成并通过实验测试应变检测仪参数指标。利用SolidWorks完成对测量系统硬件结构设计,并通过设计结果完成样机集成。通过实验对应变检测仪的各项性能进行测试,测试结果表明:系统检测距离可达10km,应变测量范围8500με,应变测量误差为±46με,重复性测量偏差为±36με,定位误差为±2m,空间分辨率为1m。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 光纤传感在应变检测领域的发展
•     1.2.1 应变检测技术研究现状
•     1.2.2 BOTDR研究现状及应用
•   1.3 课题主要研究内容及工作安排
• 第二章 分布式光纤应变检测方案设计
•   2.1 光纤应变检测基本原理
•     2.1.1 布里渊散射光
•     2.1.2 自发布里渊散射产生原理及布里渊增益谱特性
•     2.1.3 应变与布里渊频移的对应关系
•     2.1.4 应变定位理论
•   2.2 分布式光纤应变检测方案
•     2.2.1 布里渊散射信号的直接检测法
•     2.2.2 布里渊散射信号的相干检测法
•   2.3 分布式光纤应变检测方案总体设计
•     2.3.1 传感系统设计方案
•     2.3.2 系统关键器件选型
•   2.4 本章小结
• 第三章 基于FPGA的快速数据处理方案
•   3.1 FPGA概述
•     3.1.1 FPGA简介
•     3.1.2 FPGA的开发环境
•   3.2 FPGA高速数据拟合设计
•     3.2.1 拟合算法原理
•     3.2.2 FPGA拟合算法设计
•     3.2.3 拟合实验结果分析
•   3.3 FPGA高速去噪算法设计
•     3.3.1 数据累加平均原理
•     3.3.2 FPGA累加平均算法设计
•     3.3.3 去噪实验结果分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 人机交互软件设计
•   4.1 上位机开发方案设计
•     4.1.1 软件开发环境介绍
•     4.1.2 需求分析与结构设计
•   4.2 上位机功能实现
•     4.2.1 硬件监控模块设计
•     4.2.2 信号采集与处理模块设计
•     4.2.3 数据存储模块设计
•     4.2.4 显示模块设计
•   4.3 本章小结
• 第五章 分布式光纤应变检测仪设计与性能测试
•   5.1 分布式光纤应变检测仪的结构设计
•     5.1.1 检测仪的集成方案
•     5.1.2 检测仪的结构设计
•   5.2 BOTDR样机的性能测试
•     5.2.1 测量距离与误差分析
•     5.2.2 分布式应变检测重复性实验与偏差分析
•     5.2.3 应变测量量程实验与误差分析
•     5.2.4 定位精度误差分析响应性能
•   5.3 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
• 攻读学位期间学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 迟延光

导师: 王磊,靳宝全

关键词: 布里渊光时域反射,光纤传感,应变检测,累加平均算法,算法

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,自动化技术

单位: 太原理工大学

基金: 校企合作项目—燃气管网数字化开发与示范(MQ2014-09)

分类号: TN253;TP274

总页数: 109

文件大小: 10293K

下载量: 170