【摘要】：調(diào)頻連續(xù)波激光干涉技術(shù)是源于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的光學(xué)測量新技術(shù),通過對干涉拍頻信號實(shí)現(xiàn)相位細(xì)分、相移方向判定以及整周期計(jì)數(shù),可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變、溫度、壓力、位移、轉(zhuǎn)速等物理量的測量。本文深入探討高精度、大動態(tài)范圍調(diào)頻連續(xù)波激光干涉技術(shù)的基本理論,以法布里-珀羅調(diào)頻連續(xù)波激光干涉儀結(jié)構(gòu)為藍(lán)本,采用光纖型器件搭建干涉光路,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了用于高精確、大動態(tài)范圍調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器的調(diào)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(diào)頻為例,分析了調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器的工作原理,介紹了互易型調(diào)頻連續(xù)波干涉光纖光路,通過對DFB半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流進(jìn)行線性調(diào)制,完成了線性調(diào)頻DFB半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路設(shè)計(jì),并基于STM32F405VGT6處理器進(jìn)行信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制,主要包括光電轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)和PCB制版調(diào)試,搭建了可靠的調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器硬件平臺。針對調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器拍頻信號低信噪比、一個調(diào)制周期內(nèi)幅值、頻率不相等的特點(diǎn),本文提出一種高精度尋峰鑒相方法,以峰值探測方法來實(shí)現(xiàn)相位檢測,利用頻率自適應(yīng)的升余弦窗函數(shù)對信號進(jìn)行互相關(guān)濾波,提高了信號的信噪比,并采用黃金分割法對算法進(jìn)行優(yōu)化,減少了互相關(guān)運(yùn)算的計(jì)算量。在調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器硬件平臺的基礎(chǔ)上完成調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器的軟件設(shè)計(jì)和相位解調(diào)算法的移植,實(shí)現(xiàn)高精度位移測量,并通過串口將測量結(jié)果發(fā)送至上位機(jī),進(jìn)行測量精度分析。搭建調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器原理樣機(jī),對信號處理系統(tǒng)和線性調(diào)頻DFB半導(dǎo)體激光器的功能測試,進(jìn)一步采用電動位移臺進(jìn)行實(shí)際位移測量實(shí)驗(yàn),并對測量結(jié)果進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,調(diào)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(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)的位移測量重復(fù)性誤差小于3.5nm,標(biāo)準(zhǔn)誤差為4.5nm。
【圖文】：

本章主要介紹調(diào)頻連續(xù)波干涉原理，詳細(xì)分析了基于調(diào)頻連續(xù)波干涉理論設(shè)計(jì)的光位移傳感器測量原理以及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然后，詳細(xì)闡述了線性調(diào)頻 DFB 半導(dǎo)體激光驅(qū)動電路和調(diào)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(shè)計(jì)，其中括核心芯片選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖。2.1 調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器原理2.1.1 調(diào)頻連續(xù)波干涉原理調(diào)頻連續(xù)波干涉中，激光光源頻率調(diào)制可采用鋸齒波、三角波、正弦波三種不同調(diào)方式。本文以鋸齒波頻率線性調(diào)制光源為例分析調(diào)頻連續(xù)波干涉理論。由調(diào)制激光光源出兩個光波，經(jīng)過不同路徑傳播后在空間中一點(diǎn)發(fā)生干涉。兩個相干光波的角頻率波形產(chǎn)生的拍頻信號可以如圖 2.1 所示的曲線描述，其中，實(shí)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(nèi)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(xué)頻率調(diào)制寬度，m 為調(diào)制信號的頻率。根據(jù)公式（2.12）可知，調(diào)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(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器工作原理調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器依據(jù)調(diào)頻連續(xù)波干涉理論，設(shè)計(jì)調(diào)頻連續(xù)波光纖位移傳感器，實(shí)現(xiàn)相對位移量的測量。測量系統(tǒng)包括線性調(diào)頻激光器驅(qū)動電路、光學(xué)系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，其工作原理如圖 2.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：西安工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212

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本文編號：2589071