光纤机械振动传感器解调及信号处理研究-机械电子工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 光纤机械振动传感器解调及信号处理研究 摘 要 光纤传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等优点，受到了人们越来越高的重 视与研究。基于萨格奈克（Sagnac）的干涉型光纤振动传感器动态范围大，灵敏度高， 可进行长距离实时监测，应用前景广泛。 本文研究了基于 Sagnac 干涉仪原理以及相位载波解调技术的光纤振动传感系统。 重点研究了通过本系统实现对外界机械振动等干扰信号的准确解调，并引入小波去噪 和移动平均滤波技术对解调后信号进行处理，提取振动信号特征，提高解调精度。 本文在 Sagnac 干涉仪原理的基础上，设计了集数据采集、解调和信号处理于一 体的光纤振动传感系统。首先分析了外界振动信号对传感光纤中光信号相位调制机理， 给出光纤相位调制应变公式，并分析了系统解调和定位原理，通过 Matlab 仿真证明 了定位中的陷波点，以及延迟光纤的长度对外界振动引起的陷波点的影响。然后通过 理论分析说明相位载波解调的可行性，并开发基于 Labview 软件平台的 PGC 解调程 序，采用三角波、正弦波和矩形波作为三种不同的入侵振动信号进行解调仿真，验证 了该解调方法的有效性。接下来研究了 PIN 光电探测器的放大电路，并利用 Protues 软件设计并仿真了前置放大电路、二次放大电路和三阶巴特沃斯高通滤波电路，并通 过 Altium Designer13 实现了 PCB(Printed Circuit Board)板设计，电路最终达到的频谱 宽度为 500kHz，放大倍数为 125000 倍。 基于 Labview 编写了系统中所用的数据采集和存储程序。通过小波阈值去噪和移 动平均滤波技术对解调信号频谱进行处理，并对去噪时阈值函数的选择和阈值方式的 确定进行了理论分析，通过比较几种不同阈值量化方式对系统输出信号去噪效果的影 响，得到最佳阈值去噪方法，同时比较了不同平滑数据方式下的移动平均滤波效果， 得到合适的数据平滑移动平均方法。并利用这种相结合的方法对系统输出信号进行处 理，在有效地去除大量噪声的同时，较好地保留了外界振动信号的原始信息，在频谱 图上得到清晰的“陷波点”，有利于通过频陷波点的位置对外界振动信号实现定位。 最后，利用 ASE 光源、光纤环形器、3×3 耦合器、PZT 相位调制器、法拉第旋 I 转镜和 PIN 光电探测器等搭建了 Sagnac 光纤振动传感实验平台，进行对外界振动干 扰信号的解调实验。实验过程中利用信号发生器产生高频载波信号，并通过 PZT 加 载到系统中。利用 NI 的 USB6361 采集卡采集 PIN 中输出的带有外界振动信息的干涉 信号，并对该信号进行解调、频谱变换以及去噪处理，从而提高系统信噪比。此外， 系统中通过使用法拉第旋转镜消除了偏振态不稳定的问题，对载波信号幅值和频率的 选取方面做了一定的理论分析，通过选择适当的载波信号频率和幅值可以使解调信号 稳定性大大提高。 关键词：光纤传感，Sagnac 光纤干涉仪，相位载波解调，小波去噪，阈值方法 II RESEARCH ON THE DEMODULATION AND SIGNAL PROCESSING IN OPTICAL FIBER MECHANICAL VIBRATION SENSOR ABSTRACT Fiber optic sensor with anti-electromagnetic interference, anti-corrosion, anti-radiation and other advantages， has been paid more and more attention. As one of fiber optic sensor, Sagnac fiber optic vibration sensor has broad prospects with its advantages of large dynamic range, high sensitivity, long-distance real-time monitoring. This paper is engaged in the research on the optical fiber vibration sensing system which is based on the Sagnac interferometer and the phase generated carried modulation. How to accurately demodulate the external vibration signal through the system is mainly studied. What’s