開(kāi)題報(bào)告 --運(yùn)營(yíng)(1)

1、天津師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目項(xiàng)目名稱：適用于惡劣環(huán)境的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)研制項(xiàng)目負(fù)責(zé)人姓名：運(yùn)營(yíng)負(fù)責(zé)人所在學(xué)院：電子與通信工程學(xué)院項(xiàng)目負(fù)責(zé)人學(xué)號(hào)：1230060200項(xiàng)目負(fù)責(zé)人專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人年級(jí)：2012級(jí)指導(dǎo)教師：王為撰寫(xiě)日期：2014年5月11日目錄TOC o 1-5 h z一、選題緣由1 HYPERLINK l bookmark4 二、研究目的和意義1（一）項(xiàng)目研究的目的：1（二）項(xiàng)目研究的意義：1 HYPERLINK l bookmark6 三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述2 HYPERLINK l bookmark8 四、研究的理論基礎(chǔ)5 HYPERLINK

2、 l bookmark10 五、研究的主要內(nèi)容、方法、步驟7（一）研究?jī)?nèi)容7 HYPERLINK l bookmark12 （二）研究方法和研究對(duì)象7（三）研究進(jìn)度安排9（四）經(jīng)費(fèi)使用計(jì)劃錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。 HYPERLINK l bookmark14 六、研究條件和現(xiàn)存問(wèn)題9（一）研究條件9 HYPERLINK l bookmark16 （二）現(xiàn)存問(wèn)題9 HYPERLINK l bookmark18 七、研究成果的表現(xiàn)形式10 HYPERLINK l bookmark20 參考文獻(xiàn)10 一、選題緣由由于光纖光柵是波長(zhǎng)型傳感器，其波長(zhǎng)變化量與應(yīng)變或溫度成線性關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量，需要解調(diào)

3、出光纖光柵Bragg波長(zhǎng)，即波長(zhǎng)解調(diào)方法是光纖光柵傳感器實(shí)用化的核心技術(shù)之一。目前實(shí)驗(yàn)室常用光譜儀或單色儀對(duì)光纖光柵進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，該方法特點(diǎn)是解調(diào)精度高，分辨率能達(dá)lpm以下，但是儀器成本高，體積大不適合工程現(xiàn)場(chǎng)使用。所以，我們會(huì)采用干涉法和濾波法更好地將光纖光柵從其系統(tǒng)當(dāng)中解調(diào)出來(lái)。二、研究目的和意義項(xiàng)目研究的目的：鑒于目前光纖光柵主要有以下問(wèn)題：儀器均需配備外接電源；價(jià)格昂貴；屬于民用級(jí)，抗惡劣環(huán)境性能差；數(shù)據(jù)傳輸不方便。這些不足使得目前在惡劣環(huán)境、野外壞境下使用光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)了不便。本項(xiàng)目將研究能自給供電和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)，使之適用于野外惡劣環(huán)境工作，為各種結(jié)構(gòu)健

4、康監(jiān)測(cè)提供新的技術(shù)基礎(chǔ)。項(xiàng)目研究的意義：由于現(xiàn)在的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)大都是無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸功能，并且許多儀器均需配備外接電源，會(huì)給大家在日常生活中帶來(lái)不便，所以該項(xiàng)目針對(duì)目前光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)中的不足，提出了一種帶有自給電源和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)，具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述光纖光柵(Fiberopticgrating)是通過(guò)改變光纖纖芯折射率進(jìn)而在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵的一種有效的光無(wú)源傳感和通信器件。它具有體積小、波長(zhǎng)選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護(hù)、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其

5、他光纖器件融成一體等特性。因此，各種光纖光柵傳感器，如應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、加速度傳感器等，相繼問(wèn)世，引發(fā)了傳感領(lǐng)域的一股熱潮，贏得了人們的青睞。光纖光柵傳感器作為新型光纖傳感器，除具有重量輕，抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫等光纖傳感器的特點(diǎn)外，還具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量、具有更強(qiáng)的抗干擾抗腐蝕能力、易于組建各種形式的傳感網(wǎng)絡(luò)、測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性等。鑒于光纖光柵良好的應(yīng)變傳感性能和優(yōu)良的抗電磁干擾、抗腐蝕能力及體積小等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖光柵廣泛的應(yīng)用于橋梁、飛行器、海洋結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。光纖光柵是波長(zhǎng)型傳感器，

6、其波長(zhǎng)變化量與應(yīng)變或溫度成線性關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量，需要解調(diào)出光纖光柵Bragg波長(zhǎng)，即波長(zhǎng)解調(diào)方法是光纖光柵傳感器實(shí)用化的核心技術(shù)之一。目前實(shí)驗(yàn)室常用光譜儀或單色儀對(duì)光纖光柵進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，該方法特點(diǎn)是解調(diào)精度高，分辨率能達(dá)lpm以下，但是儀器成本高，體積大不適合工程現(xiàn)場(chǎng)使用。迄今為止，針對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)，研究人員提出了許多方法，其中主要基于兩種技術(shù)：干涉法和濾波法。干涉法是利用光波的相干性，將光纖光柵的波長(zhǎng)信息編碼轉(zhuǎn)換成相位編碼，這種方法具有很高的精度和分辨率，特別適合高分辨率信號(hào)的檢測(cè)。濾波法是指采用各種光濾波器，使指定波段的信號(hào)通過(guò)，而抑制其余波段的信號(hào)，以達(dá)到解調(diào)的目的。表

7、1對(duì)目前常見(jiàn)的光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并描述了各自特點(diǎn)。目前國(guó)外國(guó)內(nèi)有數(shù)家公司已有光纖光柵解調(diào)儀產(chǎn)品，如美國(guó)Micro-optic公司的Sml25、Sml30；英國(guó)Smartfiber公司的SmartScan；國(guó)內(nèi)如品傲光電、寧波杉工等均有自己的產(chǎn)品。但是這些產(chǎn)品目前主要有以下問(wèn)題：(1)儀器均需配備外接電源；價(jià)格昂貴；屬于民用級(jí)，抗惡劣環(huán)境性能差；數(shù)據(jù)傳輸不方便。這些不足使得目前在惡劣環(huán)境、野外壞境下使用光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)了不便。本項(xiàng)目將針對(duì)這些問(wèn)題，研究一套適用于野外惡劣環(huán)境具有自給電源與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)。表1:光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)總結(jié)點(diǎn)特濾波法辨量分測(cè)噪時(shí)

8、度同強(qiáng)，的、咼光率HZ了辨00制分t1抑，時(shí),諛超單75能簡(jiǎn)3不構(gòu)為率結(jié)*-頻諧調(diào)可光蘆法振偏是濾峨皆眄調(diào)摞可量光抑聲閔但航匿的敏光靈射度入溫，的件高器極關(guān)有相ES法，較法程淞量濾的常量匹測(cè)式現(xiàn)射實(shí)透但和；法單波簡(jiǎn)濾現(xiàn)配實(shí)匹，式低射本反成為,分單法簡(jiǎn)方構(gòu)；該結(jié)小解要艄對(duì)纖m性P71;的達(dá)用用可實(shí)使度程泛楕工廣ir于為解便前寬小目圍積是范體法譜，方波低該調(diào)求價(jià)光源描光掃描為掃作但口吝光單徼簡(jiǎn)腔法形方環(huán)；柵描光F-r/，祛對(duì)高方，較該源格干涉法衡涉干平hnde非Ma法動(dòng)量t訕幽勉斷范茹、孫町帛帶印進(jìn)寬，改于；抽噪信、咼的度rn敏瞅靈響測(cè)影檢九?-量十測(cè)境的環(huán)變界險(xiǎn)外態(tài)到受合易該干法涉干aaas干于

9、由A時(shí)Ett同靛匿的敏高靈很測(cè)有檢具高,加長(zhǎng)其他方法是但9、咼度楕此、具纖易夕0強(qiáng)低力率匕匕亠-1-厶冃剳擾分干長(zhǎng)抗波,但八，度調(diào)速解應(yīng)用響復(fù),感高倚率柵用光利纖匕匕匕厶冃*71光現(xiàn)法實(shí)方接該直四、研究的理論基礎(chǔ)(1)基于F-P濾波器的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1基于F-P濾波器的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖基于F-P濾波器的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)是目前技術(shù)最為成熟、穩(wěn)定性最好的波長(zhǎng)探測(cè)技術(shù)，其原理如圖1所示，寬帶光源通過(guò)耦合器后進(jìn)入光纖光柵傳感器陣列，反射光進(jìn)入F-P濾波器。同時(shí)濾波器由掃描電壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行全波段掃描，并與輸入的光纖光柵窄帶反射光進(jìn)行卷積，輸出光由光電探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)比光電轉(zhuǎn)

10、換信號(hào)與周期掃描電壓進(jìn)而確定光纖光柵傳感陣列中心波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解調(diào)。本部分將選用micro-optics公司的FiberFabry-PerotTunableFilter(如圖2所示)，主要解決F-P驅(qū)動(dòng)電路以及中心波長(zhǎng)獲取算法設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定性的光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)。圖2FiberFabry-PerotTunableFilter實(shí)物圖（2）自給供電系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)本部分研究解調(diào)系統(tǒng)的自給供電部分和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分。一方面主要根據(jù)解調(diào)系統(tǒng)的功率參數(shù)研究合適的電池系統(tǒng)，同時(shí)兼顧解調(diào)儀的體積與重量。另一方面主要根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需要，選擇合適的無(wú)線傳輸技術(shù)，并提供接入Internet網(wǎng)絡(luò)

11、接口，使得隨時(shí)隨地能進(jìn)行數(shù)據(jù)接收進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分析處理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3帶自給電源與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖五、研究的主要內(nèi)容、方法、步驟(一)研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目將研究具有自給電源和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能的光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)，具體研究?jī)?nèi)容包括：(1)光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本項(xiàng)目將采樣目前較為成熟的F-P濾波法進(jìn)行解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)光路和電路設(shè)計(jì)、以及中心波長(zhǎng)提取算法，實(shí)現(xiàn)光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)。(2)自給供電系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)本項(xiàng)目將采用電池供電模式，結(jié)合Internet網(wǎng)絡(luò)接入的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)適用于野外遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(二

12、)研究方法和研究對(duì)象(1)光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于一般結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變載荷，例如常見(jiàn)的橋梁、公路、鐵軌、海洋結(jié)構(gòu)、飛行器、大壩等，通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變變化能分析結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，以便于及早的發(fā)現(xiàn)損失，減小損失。通常這些載荷變化屬于動(dòng)態(tài)信號(hào)，頻率在lKHz以內(nèi)。本項(xiàng)目將采樣目前較為成熟的F-P濾波法進(jìn)行解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)光路和電路設(shè)計(jì)、以及中心波長(zhǎng)提取算法，實(shí)現(xiàn)光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)。自給供電系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)-ICLKBATII-HCH*=ItRIOE-fc2V25AMAJT5i5I：TC4A5JVIL-o-K.L34OUTJ:-LED*4

13、T卜CapQIl&uF目前解調(diào)系統(tǒng)通常需要外接電源，自帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理單元或者通過(guò)線纜連接到PC機(jī)進(jìn)行處理。這一方面不利于解調(diào)儀器的野外使用，另一方面不適于對(duì)長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)如鐵軌、管道等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。本項(xiàng)目將采用電池供電模式，結(jié)合Internet網(wǎng)絡(luò)接入的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)適用于野外遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。IDS1288?C8051F021r-rC8O51FO2OMCJ5iPC（三）研究進(jìn)度安排本項(xiàng)目預(yù)期一年完成，具體進(jìn)度安排如下:2014.01-2014.02：光纖光柵解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)有解調(diào)系統(tǒng)調(diào)研，確定光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；2014.03-2014.06：完成光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)

14、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試2014.07-2014.08：完成光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)自給電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2014.09-2014.11：完成光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2014.12-2015.01：進(jìn)行系統(tǒng)連調(diào)，并撰寫(xiě)結(jié)題報(bào)告。六、研究條件和現(xiàn)存問(wèn)題（一）研究條件本項(xiàng)目的指導(dǎo)教師在該領(lǐng)域已有多年研究，在光纖光柵的動(dòng)靜態(tài)解調(diào)、惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域均有所成果，這些均為本項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)本項(xiàng)目組成員已學(xué)完電子基礎(chǔ)等課程，在后續(xù)的解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有了理論知識(shí)儲(chǔ)備。（二）現(xiàn)存問(wèn)題目前實(shí)驗(yàn)室已有Micro-optics公司Sm-125解調(diào)系統(tǒng)一套，寬帶光源一臺(tái)，這些均為項(xiàng)目中解調(diào)系統(tǒng)的調(diào)試和標(biāo)

15、定提供了基礎(chǔ)。但本項(xiàng)目需要設(shè)計(jì)的解調(diào)系統(tǒng)各個(gè)器件均需購(gòu)買(mǎi)，成本較為昂貴，本項(xiàng)目指導(dǎo)教師準(zhǔn)備自籌一定資金用于本項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)。七、研究成果的表現(xiàn)形式本項(xiàng)目預(yù)期完成如下成果：(1)完成適用于惡劣環(huán)境下光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告份；(2)設(shè)計(jì)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)備一套；(3)以第一作者發(fā)表EI檢索論文1篇。參考文獻(xiàn)MelleSM,LiuK,MeasureRM.Apassivewavelengthdemodulationsystemforguided-waveBragggratingsensorsJ.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,1992:516518XuMG,GeigerH,

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19、asi-staticmeasurementsofstraininconcretebridgesC.Proc.SPIE,1999,3746:320323張穎，劉云啟，劉志國(guó)等波長(zhǎng)掃描極值解調(diào)法實(shí)現(xiàn)光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感的測(cè)量J.光子學(xué)報(bào)，1999，28：979982KerseyAD,BerkoffTA,MoreyWW.High-resolutionfiber-gratingbasedstrainsensorwithinterferometricwavelength-shiftdetectionJ.Electron.Lett.,1992,28(3):236238KerseyAD,BerkoffTA

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