白光干涉的信号解调与处理的若干实用化技术研究

论文摘要

白光干涉测量技术距离首次提出已经有近30年的历史,作为一种高精度的绝对测量方法被广泛用于位移、温度、应变、压力等各种物理量。随着白光干涉测量理论与技术的发展,其基本的理论与测试方法已经相对比较成熟,但其在信号解调精度、实时性、稳定性等若干实用化技术存在的问题,是制约技术成熟并最终走向应用的瓶颈。本课题通过对光纤白光干涉测量技术展开研究,针对高精度光程扫描、解调系统的小型化设计与实现、系统温度补偿方法等进行了详细的讨论和分析,实现了光纤白光干涉应变测量系统,为光纤白光干涉测量技术在结构健康监测和无损检测等领域的应用奠定了基础。首先,光程扫描结构是整个解调系统的核心部分,决定了系统的信号测量精度、测量范围、传感器复用数量、测量稳定性、适用环境、外形尺寸等技术指标。本文为了实现高精度光程扫描,选用由精密导轨构成的电控位移台作为扫描结构,利用高精度光栅尺实现对位移台位置进行实时位置反馈,实现了亚微米级的光程扫描分辨率。其次,针对白光干涉信号解调对硬件的需求,设计并实现了白光干涉测量系统的硬件开发平台。详细地讨论了系统各部分功能模块的设计思想和实现方法,成功实现了整个系统的集成,该硬件平台不仅实现了白光干涉信号的采集、解调与处理,还集成了以太网控制电路,实现了应变仪的网络化控制与通信。最后,对该温度对解调系统的影响进行了深入的分析和研究,采用被动式温度补偿方案,即对测试光路与光程扫描结构进行温度屏蔽和隔离,采用多路温度传感器对光路、匹配光纤、机箱等进行温度监测实现温度补偿,以消除或者减小温度对解调系统的影响。实验研究表明：解调系统的主要受光路温度、匹配光纤温度和机箱温度的影响；外界温度的影响和系统内部热源的辐射,使三部分温度的变化速率不同,在系统内部形成温度成梯度分布,导致系统测量结果的波动。综上所述,借助于高精度光学扫描结构和集成化的信号采集与处理硬件平台,系统实现了分辨率0.2μm,扫描范围0-100mm,测试速度5Hz的信号解调性能。经过温度补偿后,温度对系统的影响小于40μm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 时域光程扫描技术
• 1.2.2 谱域光程扫描技术
• 1.2.3 频域光程扫描技术
• 1.3 课题的研究内容
• 第2章 白光干涉原理及其测量系统
• 2.1 部分相干光理论
• 2.1.1 部分相干光的复数表示
• 2.1.2 光强与功率谱密度
• 2.1.3 光束的关联函数
• 2.2 白光干涉应变测量原理
• 2.3 光纤白光干涉仪
• 2.4 光纤应变测量的光路结构分析
• 2.4.1 光程匹配分析
• 2.4.2 干涉信号强度分析
• 2.5 传感复用技术
• 2.6 本章小结
• 第3章 高精度光学扫描方法与实现
• 3.1 光程时域扫描方法
• 3.1.1 扫描方法简介
• 3.1.2 系统扫描方法的选择
• 3.2 高精度光学延迟线
• 3.3 高精度光栅尺位置信号获取算法
• 3.3.1 正切查表插值细分法
• 3.3.2 细分算法程序设计
• 3.4 扫描台控制与位移实验
• 3.4.1 扫描台运动线性度实验
• 3.4.2 扫描台重复定位精度实验
• 3.5 本章小结
• 第4章 白光应变测量系统的硬件设计与实现
• 4.1 系统硬件需求
• 4.2 基于STM32F103系列单片机的系统
• 4.2.1 STM32F103ZET6的优点
• 4.2.2 STM32构成测量系统
• 4.3 A/D、D/A的设计
• 4.3.1 A/D前端输入通道的设计
• 4.3.2 D/A设计
• 4.5 数据存储电路设计
• 4.5.1 静态存储器控制器简介
• 4.5.2 SRAM电路设计
• 4.5.3 NAND闪存电路设计
• 4.6 步进电机控制电路
• 4.7 显示与人机接口设计
• 4.7.1 液晶的选择
• 4.7.2 键盘的设计
• 4.8 应变仪网络化控制与实现
• 4.9 白光干涉信号测量实验
• 4.9.1 干涉信号的采集实验
• 4.9.2 干涉信号重复定位精度实验
• 4.10 本章小结
• 第5章 测量系统的软件设计与实现
• 5.1 测量功能及其关系框图
• 5.2 信号处理算法实现
• 5.3 LCD显示的设计与实现
• 5.4 数据存储与调用的实现
• 5.5 网络化控制与实现
• 5.6 本章小结
• 第6章 白光干涉应变测量系统的实验研究与结果分析
• 6.1 传感器形变/应变测量实验
• 6.1.1 实验装置
• 6.1.2 实验结果及分析
• 6.2 系统温度特性实验
• 6.2.1 实验方案
• 6.2.2 试验结果及分析
• 6.2.3 温度补偿方案及测量结果
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录