發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 06:20

　　 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng),信息化程度的不斷加深,社會(huì)各行業(yè)對(duì)于傳感器和傳感系統(tǒng)的要求逐漸提高。而分布式光纖傳感技術(shù)以光纖作為傳感媒介,集傳感與傳輸于一體,具備探測(cè)距離長(zhǎng)、精度高、本質(zhì)安全、抗干擾耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),在大型工程、航天航空、船舶行業(yè)及電力工業(yè)等領(lǐng)域中扮演了越來(lái)越重要的角色。相位敏感光時(shí)域反射儀,作為分布式光纖傳感技術(shù)的一種,其對(duì)振動(dòng)信號(hào)反應(yīng)靈敏,單次測(cè)量即可獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)信息,從而辨析出振動(dòng)事件的多項(xiàng)特征,因此在振動(dòng)檢測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而,隨著傳感距離的不斷增加,探測(cè)指標(biāo)的不斷提升,帶來(lái)了數(shù)據(jù)量龐大,處理速度局限等問(wèn)題,制約了相位敏感光時(shí)域反射儀技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。針對(duì)上述問(wèn)題,提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的相位敏感振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用FPGA的架構(gòu)優(yōu)勢(shì),發(fā)揮其功能并行執(zhí)行、靈活度高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn),可顯著提高相位敏感振動(dòng)傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和處理速度,實(shí)時(shí)解調(diào)振動(dòng)數(shù)據(jù),對(duì)振動(dòng)源位置進(jìn)行定位。本文主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究:(1)理論分析光時(shí)域反射機(jī)理,闡述了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信息解調(diào)的相關(guān)原理,并依此設(shè)計(jì)和搭建了相位敏感振動(dòng)傳感系統(tǒng),同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行分析。(2)分析了振動(dòng)傳感信號(hào)的數(shù)據(jù)特征,確定FPGA硬件電路實(shí)現(xiàn)方案,提出Synchronous Triggering波形采集方案以確保探測(cè)波形穩(wěn)定采集,提出Pipeline Design信號(hào)處理方案以實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)實(shí)時(shí)處理,提出Universal Serial Bus數(shù)據(jù)傳輸方案以完成振動(dòng)數(shù)據(jù)高速傳輸。(3)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于MFC的上位機(jī)監(jiān)控軟件,對(duì)傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)分析,進(jìn)行了數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì),提高數(shù)據(jù)安全性,此外,還編寫(xiě)了圖形化交互界面,并對(duì)軟件性能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì),確保軟件能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定執(zhí)行。(4)在此基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試和分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定系統(tǒng)的傳感距離、空間分辨率、定位誤差以及頻率響應(yīng)等指標(biāo)。同時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì),搭建了工程樣機(jī),并將樣機(jī)送往煤層氣輸送管線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。研究表明,基于FPGA的相位敏感振動(dòng)傳感系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到整個(gè)傳感光纖中的振動(dòng)狀況,實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)行為的識(shí)別與預(yù)警,為在長(zhǎng)傳感距離、大探測(cè)范圍下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了一種新的解決方案。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TP212;TN791
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 課題研究背景及意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 相位敏感振動(dòng)傳感的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 FPGA在儀器設(shè)計(jì)中的研究現(xiàn)狀
    1.3 本文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排
第二章 相位敏感振動(dòng)傳感基本理論與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    2.1 相位敏感振動(dòng)傳感基本理論
        2.1.1 光纖中的瑞利散射
        2.1.2 光時(shí)域反射機(jī)理
        2.1.3 振動(dòng)信息解調(diào)原理
    2.2 相位敏感振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        2.2.1 傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
        2.2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵器件選型分析
    2.3 本章小結(jié)
第三章 基于FPGA的光纖振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸
    3.1 FPGA技術(shù)概述
    3.2 分布式光纖振動(dòng)傳感的數(shù)據(jù)特征分析與FPGA硬件電路設(shè)計(jì)
        3.2.1 數(shù)據(jù)特征分析
        3.2.2 FPGA硬件電路設(shè)計(jì)
    3.3 振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)的SynchronousTriggering波形采集方案
        3.3.1 多時(shí)鐘域同步設(shè)計(jì)
        3.3.2 全局同步信號(hào)設(shè)計(jì)
        3.3.3 A/D采集模塊設(shè)計(jì)
    3.4 振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)的PipelineDesign信號(hào)處理方案
        3.4.1 周期開(kāi)端標(biāo)定
        3.4.2 DDR2 控制邏輯設(shè)計(jì)
        3.4.3 數(shù)據(jù)緩存機(jī)制設(shè)計(jì)
        3.4.4 基于流水線(xiàn)設(shè)計(jì)的解調(diào)算法實(shí)現(xiàn)
    3.5 振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)的UniversalSerialBus數(shù)據(jù)傳輸方案
        3.5.1 USB3.0 規(guī)范介紹
        3.5.2 基于EZ-USBFX3 的外設(shè)控制器設(shè)計(jì)
        3.5.3 FPGA與 FX3 的連接
    3.6 本章小結(jié)
第四章 基于MFC的上位機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)
    4.1 MFC技術(shù)概述
    4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件方案設(shè)計(jì)
    4.3 傳感系統(tǒng)運(yùn)行控制與數(shù)據(jù)分析
        4.3.1 USB主機(jī)程序
        4.3.2 振動(dòng)特征提取
    4.4 數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)
        4.4.1 接入數(shù)據(jù)庫(kù)
        4.4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)操作
    4.5 圖形化交互界面設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化
        4.5.1 基于Tee Chart的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示
        4.5.2 基于多線(xiàn)程設(shè)計(jì)的性能優(yōu)化
        4.5.3 可靠性設(shè)計(jì)
    4.6 本章小結(jié)
第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試
    5.1 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析
        5.1.1 有效傳感距離測(cè)試實(shí)驗(yàn)
        5.1.2 空間分辨率測(cè)試實(shí)驗(yàn)
        5.1.3 定位誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)
        5.1.4 頻率響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)
    5.2 系統(tǒng)集成與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
        5.2.1 傳感系統(tǒng)集成及樣機(jī)設(shè)計(jì)
        5.2.2 煤層氣輸送管線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
    5.3 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
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