【摘要】：調頻連續(xù)波激光干涉技術是源于調頻連續(xù)波雷達的光學測量新技術,通過對干涉拍頻信號實現(xiàn)相位細分、相移方向判定以及整周期計數(shù),可以實現(xiàn)應變、溫度、壓力、位移、轉速等物理量的測量。本文深入探討高精度、大動態(tài)范圍調頻連續(xù)波激光干涉技術的基本理論,以法布里-珀羅調頻連續(xù)波激光干涉儀結構為藍本,采用光纖型器件搭建干涉光路,設計并實現(xiàn)了用于高精確、大動態(tài)范圍調頻連續(xù)波光纖位移傳感器的調頻連續(xù)波激光干涉信號處理系統(tǒng)。本文以鋸齒波線性調頻為例,分析了調頻連續(xù)波光纖位移傳感器的工作原理,介紹了互易型調頻連續(xù)波干涉光纖光路,通過對DFB半導體激光器的驅動電流進行線性調制,完成了線性調頻DFB半導體激光器的驅動電路設計,并基于STM32F405VGT6處理器進行信號處理系統(tǒng)設計研制,主要包括光電轉換電路、STM32的最小系統(tǒng)、AD采集電路、串口通信電路、LCD顯示和按鍵輸入的電路原理圖設計和PCB制版調試,搭建了可靠的調頻連續(xù)波光纖位移傳感器硬件平臺。針對調頻連續(xù)波光纖位移傳感器拍頻信號低信噪比、一個調制周期內幅值、頻率不相等的特點,本文提出一種高精度尋峰鑒相方法,以峰值探測方法來實現(xiàn)相位檢測,利用頻率自適應的升余弦窗函數(shù)對信號進行互相關濾波,提高了信號的信噪比,并采用黃金分割法對算法進行優(yōu)化,減少了互相關運算的計算量。在調頻連續(xù)波光纖位移傳感器硬件平臺的基礎上完成調頻連續(xù)波光纖位移傳感器的軟件設計和相位解調算法的移植,實現(xiàn)高精度位移測量,并通過串口將測量結果發(fā)送至上位機,進行測量精度分析。搭建調頻連續(xù)波光纖位移傳感器原理樣機,對信號處理系統(tǒng)和線性調頻DFB半導體激光器的功能測試,進一步采用電動位移臺進行實際位移測量實驗,并對測量結果進行分析,實驗結果表明,調頻連續(xù)波光纖位移傳感器的工作距離為10nm～400mm,在300～400mm的測量實驗中,系統(tǒng)的位移測量重復性誤差小于3.5nm,標準誤差為4.5nm。
【圖文】：

本章主要介紹調頻連續(xù)波干涉原理，詳細分析了基于調頻連續(xù)波干涉理論設計的光位移傳感器測量原理以及光學系統(tǒng)設計。然后，詳細闡述了線性調頻 DFB 半導體激光驅動電路和調頻連續(xù)波光纖位移傳感器信號處理系統(tǒng)這兩大部分的總體方案設計，其中括核心芯片選擇和系統(tǒng)設計總框圖。2.1 調頻連續(xù)波光纖位移傳感器原理2.1.1 調頻連續(xù)波干涉原理調頻連續(xù)波干涉中，激光光源頻率調制可采用鋸齒波、三角波、正弦波三種不同調方式。本文以鋸齒波頻率線性調制光源為例分析調頻連續(xù)波干涉理論。由調制激光光源出兩個光波，經過不同路徑傳播后在空間中一點發(fā)生干涉。兩個相干光波的角頻率波形產生的拍頻信號可以如圖 2.1 所示的曲線描述，其中，實線代表參考光的角頻率，虛線表信號光的角頻率[30-32]。

b0 表示拍頻信號的初相位，且 00 b(2.11)在整個時域范圍內以頻率、波長與光程差來描述拍頻信號，可表示為:[1cos(2)]22(,)1cos0000bbmIVttOPDcOPDIOPDtIV (2.12)式中， OPDc，m wT， w 2 ，mm 1T， 為光學頻率調制寬度，m 為調制信號的頻率。根據公式（2.12）可知，調頻連續(xù)波干涉拍頻信號為一個帶有偏置的余弦函數(shù)，，其頻率和初相位均可測量得到，從而得到光程差。2.1.2 調頻連續(xù)波光纖位移傳感器工作原理調頻連續(xù)波光纖位移傳感器依據調頻連續(xù)波干涉理論，設計調頻連續(xù)波光纖位移傳感器，實現(xiàn)相對位移量的測量。測量系統(tǒng)包括線性調頻激光器驅動電路、光學系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，其工作原理如圖 2.2 所示。
【學位授予單位】：西安工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212

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本文編號：2589071