基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计_精品文档.pdf

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南京航空航天大学硕士学位论文基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计姓名：

卢坤申请学位级别：

硕士专业：

测试计量技术及仪器指导教师：

梁大开20050201南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文基于力学教学实验改革工程背景，详细介绍了一种将基于光纤的迈克尔逊干涉现象的光纤传感器应用于应变测量实验系统的整体的设计过程，其中包括系统设计原理的总体分析，系统的软硬件的设计等等内容。

在本试验系统的设计上采取了基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器作为在本试验系统的设计上采取了基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器作为应变测量的首选。

但是相对与传统的电阻应变片测量试件的微应变的方法，光纤迈克尔逊传感器测量应变有其自身的缺点，第一无法对应变的类型有一个明显的指示，这就要求在后续的信号处理电路中给出如何判定应变方向的实现方法。

第二由于从根本原理上说应变的信号的比较的弱，导致给信号的处理也带来的麻烦，本文给出了如何提高信号的信噪比的方法。

本文首先介绍了光纤迈克尔逊干涉现象的基本原理，以及光路传感系统的实现，包括光源器件工作的电路设计与调试，测量系统的构建以及如何提高信噪比的方法。

其次，讨论了对传感信号的处理，包括对信号的整形放大，采集，对应变方向的判定以及信号的由下位机如何传输到上位Pc机的方法。

在其中涉及到了单片机的选型，电路的设计，CPLD的程序设计，单片机程序设计，最后讨论了用LabView软件编写了上位机的程序，包括信号的实时显示，应变大小的计算以及实验数据的报表生成以及打印等内容。

最后在此基础上，利用以上的一些成果，初步探索了如何使用光纤F-P传感器实现应变的测量。

关键词：

迈克尔逊干涉单片机光纤传感器判向电路基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计ABSTRACTInthispaper，weintroduceonedesignofastrainmeasurementsystem，whichisbasedontheFiber-optieMiehelsoninterfererphenomenaThetheoryofthesystemandhowtodesignthesoftandhardsystemalealsodiscussedinthepaperAtfirst，wediscussedthetheoryoftheMichelsonfiberopticalsensor，givingthewaytorealizethelightsystemincludingthecircuitdesignofthelaserandlightdetector，showinghowtoorganizethewholemeasurementsystemandhowtoimprovethequalityofsignalSecondlywediscussedhowtodeal埘廿lthesignalsuchasthesignalsmagnifyhowtoacquirethesignalanddeterminethedirectionofthestrainBesidesthese，wealsodiscussedhowtotransmitthesignalacquiredtothePC，andhowtoprocessitInordertorealizethesystem，wechoosethepropermicrocontrollerandCPLDandprogramthecodeAstothePC，wewroteaprogramtoshowthesignal，thenumberofstrainandthestraindirectionandSOonKeywords：

MiehelsonMCUfiberopticalsensor承诺书本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

作者签名：

日期：

南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论11光纤传感器及其研究现状现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。

在信息化时代，人类将主要依靠对信息资源的开发及其转变、传输和处理进行社会活动。

传感器是感知、获取、检测和转换信息的窗口，处于研究对象与传输处理系统的接口位置，被比喻为电子计算机实现电脑智能化的“五官”。

可以设想没有高度保真和性能可靠的传感器，纵有再好的传输和处理设备也无法发挥作用。

因此，传感器是实现信息化时代的主要技术基础。

光纤传感器是光、电子技术的新结晶，它的出现标志着传感技术的研究进入了一个崭新的领域。

光纤传感器作为一种新型先进的传感器出现在人们面前时，它以其独特的优点引起了人们对它的见钟情”，光纤传感器的一个突出的优点是在整个光纤长度上能连续地获得被测量的响应。

传统的几百个传感器阵列可以用一条光纤取代，由数百条电缆、许多二级控制中心和主控制室组成的复杂电器系统也可以由光纤和简单的控制器件组成。

如今，光纤传感器已经普遍用于各种物理量的测量，它具有许多独特的优点，诸如抗电磁干扰，结构轻巧，对材料结构本身的性能影响比较小的优点，广泛的应用于很多物理量如温度，湿度，应力，电流等的测量，是一种行之有效而且可靠的途径。

在未来的科技领域中将占有越来越重要的地位。

光纤传感器经历了70年代到80年代的起步阶段和发展阶段，这期间设计、研制了一些高性能、用途各异的传感器，有些已投入使用。

到了90年代初光纤传感器的研究进入了暂缓阶段，光纤传感器的稳定性的提高与成本的矛盾限制了它的广泛应用。

今天的光纤传感器进入了提高阶段，人们在探索新的光纤传感器的构成机理的同时，把研究的重点放在提高它的某种性能上，如提高精度、分辨率或抗干扰能力等。

自90年代以来，我国已有许多高校对光纤传感器进行了应用研究，并发表了大量的论文等研究成果。

光纤传感器埋入水利及土木建筑等可作为传光器件来代替电缆用于通讯、监控、办公自动化等，同时还可作为传感器件用于结构强度的监测和损伤预报，甚至进行损伤的自修复。

三峡大坝将埋入光纤传感网络对大坝内的应变、应力以及温度等物理量进行监测。

基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计光纤传感网络系统是利用光纤传输容量大的特点，结合多个不同类型的传感器组成的网络系统。

分布式光纤传感器与光纤蒙皮系统的研究是这种光纤传感网络系统在目前的最新应用和发展。

其中光纤智能蒙皮技术将首先运用到空间飞行器上，它把分布式光纤传感器阵列同计算机有机结合起来，这项技术的研究成功将使光纤传感技术的应用范围更广，3，4-51。

随着信息产业的迅猛发展，如机器人的深入研究、超大规模集成电路的芯片制作与定位等对传感器的性能要求越来越高，从而对光纤传感器进一步研究再一次成为热点。

光纤传感器的研究进入应用阶段，具有重大的实际意义。

12几种光纤应变传感器光纤传感器的种类繁多，就其检测对象可分为：

温度传感器、湿度传感器、速度传感器、磁场传感器、流量传感器以及力学量传感器等。

在此简单介绍与本文所研究的力学量传感器相关的几种光纤应变传感器：

（1）光纤微弯应变传感器光纤承受压力后会改变弯曲度，使得通过光纤中的一部分光产生散射损耗。

实际上光纤微弯后的影响因素是很复杂的，如它的折射率、断面形状、光轴都匿叫卅h一啦光学准直器j霉肄遁镜检偏镜l4波片。

带有光纤的复合材料。

图11偏振型光纤传感器原理图，将产生变形；同时还要产生双折射现象，引起数值孔径的变化。

为了适合埋入复合材料中使用，可以采用光纤本身纵横交错排列的方法，利用光纤本身的尺寸制成光纤微弯传感网络。

也可用两根光纤紧密绞合的传感元件，利用它可以做成智能结构中的测量应变的传感器。

两根光纤沿着长度均匀地弯曲，光通过时，一部分被散射产生损耗，当它承受应变时，绞合光纤曲率减小，损耗也就减小，从而可以根据光强度的损耗来确定应变值。

（2）偏振型光纤应变传感器16如上图11所示的是一个偏振型光纤传感器在测量复合材料的微应变的系统中的应用，从中我们可以看到偏振型光纤传感器的基本构成。

它采用激光二极管作为光源，通过光学准直器、l，4波片，再经透镜聚焦后进入埋入复合材料南京航空航天大学硕士学位论文中的光纤，当复合材料出现应变后，将使光纤产生变形劳改变纤芯的折射率，从而改变在光纤中传播偏振光的相位，光纤出口处的光相位发生改变，通过透镜、检偏镜、光敏管，可检测出这种改变量，从而确定复合材料的应变值。

（3）Bragg光栅光纤应变传感器71光纤Bragg光栅的制作与应用是近年研究的热点。

光纤Bragg光栅是在长度上应用特殊技术制作成纤芯折射率周期变化的一段光纤。

光通过光栅时，由于纤芯折射率的周期性变化而产生反射。

Bragg光栅光纤应变传感器是适用于智能复合材料中使用的一种准分布光纤应变传感器。

（4）法布里一珀罗腔干涉型（FP）应变传感器18，R。

oj光纤FP应变传感器的特点是图12内法布里一珀罗腔应变传感器采用单根光纤利用多光束干涉来图13法布里一珀罗光纤应变传感检测应变。

它避免了两根光纤配对的问题，比迈克尔逊型干涉型应变传感器更适合于低频率应变信号的测量。

因此，这种传感器从80年代诞生至今一直是主要的开发和研究对象。

FP光纤应变传感器可分为内、外两种。

图12、图13分别为内F-P应变传感器、外FP应变传感器结构示意图。

当激光经过光纤的端面的时候会发生反射，如果在外界条件的作用下，FP传感器的传感腔长将发生变化，那么从端面返回的光束就会产生一定的相位差，从而满足干涉条件，发生多光束干涉，那么从光探测器输出的光强也就会有一定规律的变化。

因此这种光纤传感器非常适用于试件的疲劳度测量、悬臂梁的微应变测量以及布入复合材料本身形成内在的传感网络。

（5）光纤迈克尔逊干涉仪（MI）应变传感器111,12图14光纤迈克尔逊干涉仪基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计如图14所示，这是一个最简单的光纤迈克尔逊应变传感器。

光源s发出的光，经过分光镜后分成两路，一路经透镜L2耦合进入光纤构