振动解调系统状态特性分析.docx

《振动解调系统状态特性分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《振动解调系统状态特性分析.docx（30页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、振动解调系统状态特性分析以上对光纤光栅振动解调系统和相位展开技术进行了设计和研究。在本节，将运用所设计的解调系统和提出的相位展开方法对振动解调系统的不同状态特性进行详细分析。4-4-1 3X3耦合器三路输出对称分析(1)设 L = 10mm, AL = 2mm, /?max = 0.9 , A2 =o.2nm, 2in =1551.4nm, A = 1551.6nmo光纤光栅中心波长变化规律符合2 = 1551.5 + 0.1sin(2.N/200) , N为单周期内的采样点数，A3=0.24万。这种情况下虽然不发生相位折叠，但为了验证所提出的相位展开算法的通用性，仍用所提出的相位展开算法进行

2、处理。系统状态特性如图4. 8所示。6 4O &o o Osols100200300400采样点数(a)输入信号1551.651551.60 1551.55以 1551.5()W 1551.451551.40().008010020030040()采样点数4 0 6 202020101 o o o O王潺3田0.0201551.651551.60I 1551.55平 1551.5()於 1551.451002003004(H)采样点数(c)干涉仪第2路输出(b)干涉仪第1路输出0.0850.04501002003004(X5 5 57 6 500(。().6 s三建ZTM采样点数(d)干涉仪第

3、3路输出1551.651551.40 17 10100200300400采样点数(e)解调信号0100200300400采样点数(f)输入与解调信号对比图-1551.60二J 1551.55: 1551.501551.451551.40Fig. 4. 8 Characteristic diagram of system state由图4.8可知：理想状态下，当振动信号振幅较小时，不发生相位折叠，输入信号与解调信号完全相等，系统解调精度最高。(2)设 L = 10mm, AL = 2mm, Rmax = 0.9 , AAmax=3nm, Zniin = 1550 nm, Amax = 1553n

4、mo光纤光栅中心波长变化规律符合/l = 155L5 + L5sin(2乃.N/1500)。 此时Cmax=3.64万，发生多次相位折叠，系统状态特性如图4. 9所不。这种情况下，信号相位出现多次相位折叠，通过相位展开算法展开后，在输入信号的相角必/2 (A = l,2周围，输入信号与解调(输出)信号有误差，其误差是当接近、穿越万/2时由于公式(4. 22)的计算精度问题所产生的。1553.01552.51552.01551.51551.01550.51550.00100020003000采样点数(a)输入信号1000200030008 6 4 2o o o o o o o o采样点数(b)干

5、涉仪第1路输出2PX 1四要0-10.080.060.040.0201 ()()()2()(X)3()(X)采样点数干涉仪第2路输出100020003000采样点数(e)相位图10(X)2(X)03000采样点数(d)干涉仪第3路输出8 6 4 2o o o o o o o o汨潺w105 0-5101归石-1100020003000采样点数(f)相位展开图100020003000采样点数(g)解调信号1553.01552.51552.01551.51551.01550.51550.0100020003000采样点数(h)输入与解调信号对比图1553.01552.51552.01551.515

6、51.01550.51550.0图4.9系统状态特性图Fig. 4. 9 Characteristic diagram of system state4-4-2 3X3耦合器三路输出不对称分析由于生产制作工艺的问题,实际上3X3耦合器很难制作成完全均分的。因此,1551.001552.01551.81551.61551.41551.28 6 4 20 00 o o o osfa()040080012001600采样点数(a)输入信号40080012001600采样点数(b)干涉仪第1路输出0.086 4 2oao o o osfg0.08060402 o o o40080012001600采样

7、点数()040080012001600采样点数(d)干涉仪第3路输出(c)干涉仪第2路输出1 o-I1扭更3-13040080012001600040080012001600采样点数(e)相位图1552.1 -采样点数0.0151551.91551.71551.51551.31551.1 _040080012001600采样点数(g)信号解调图-0.01500.0100.0050-0.005-0.010相位展开图40080012001600采样点数(h)误差图图4.10系统状态特性Fig. 4. 10 Characteristic diagram of system state设L = 10m

8、m, AL = 2mm, /?max = 0.9, A/lmax = 0.8nm, 2,nin =1551 .inm, 2max = 1551.9nmo光纤光栅中心波长变化规律符合/l = 1551.5 + 0.4sin（2;r.N/800）, 外 =。闭），3X3耦合器第一路输出相位滞后万/18、第三路输出相位超前4/18时的系统状态特性如图4. 10所示。由图4. 10可以看出当3X3耦合器三路输出不对称时对解调结果有影响。在输入信号的一个周期内，输入信号与解调（输出）信号的误差随着输入信号接近万/2、3乃/2误差逐渐加大，最大误差值为0. 013nm；当输入信号越过万/2、3万/2后，误

9、差逐渐减小，接近八2乃时 误差最小为0,解调（输出）信号的最大误差为0.013/0. 8=1. 625%,可以满足实际测量需要。4-4-3振动信号含高次谐波分析设L = 10mm, AL = 2mm, /?max = 0.9 o光纤光栅中心波长变化规律符合2 = 1551.5 + 1.0sin（2-TV/1000） + 0.05sinU-AT/20） + 0.04sin（乃 N/10） + 0.06sin（万 N/40）系统输入和输出信号如图4. 11所示，相位和解调信号如图4. 12所示。由分析结果可知：振动信号含高次谐波时，解调信号的误差还是主要产生在输入信号穿越万/2的奇数倍数相位角区域

10、，其主要原因仍然是公式（4. 22）的计算精度问题所造成的。本例中，解调最大误差值为0.018nm,最大误差为0.9%。1553(u-u)半挺0.086 4 2 )o o o o o o o.:% 二射400 800 1200 1600 2000采样点数(a)输入信号004008)02o6()采样点数(b)干涉仪第1路输出()()208 6 4 2o o o o o o o o o田潺10.080.060.040.02左:3|1.茶口？；If . .* * *1wv: :Ig:耳4(X) 800 1200 1600 20(X)采样点数(c)干涉仪第2路输出400 800 1200 1600 2

11、000采样点数(d)干涉仪第3路输出图4. n输入和输出信号Fig. 4e 11 Input-output signals1封要-2 10400 800 1200 1600 2000采样点数(a)1552.0相位图1552.01551.51551.01550.5 0400 800 1200 1600 2000采样点数(c)信号解调图8 4 0 4.80400 800 1200 1600 2000采样点数(b)相位展开图0.020.010-0.01-0.020400 800 1200 1600 2000采样点数(d)误差图图4. 12相位和解调信号Fig. 4.12 Phase and demo

12、dulation signal以上，对振动解调系统的几种典型状态特性进行了分析。由分析结果可知：3X3耦合器三路输出不对称时对系统解调结果影响最大。所以，实际应用时应尽可能选择三路输出对称性较好的3X3耦合器，以避免由此产生的系统解调误差。4-5基于F-P滤波器技术的分布式光纤光栅振动解调系统的设计以上，研究了单个光纤光栅振动信号解调的问题，下面将基于波分复用和可调2X2耦合器多路光开关传感光栅阵列 IIHHH t出宽带光源图4.13基于F-P滤波器技术的分布式光纤光栅传感系统图Fig. 4. 13 Diagram of distributed FBG sensing system based

13、 on F-Pfilter technology谐F-P滤波器技术对由多光纤光栅构成的振动传感网络系统进行设计。可调谐光纤F-P滤波器扫描可跟踪多个光纤光栅传感器，以构成波分复用的光纤光栅传感网络，其基本原理框图如图4. 13所示。该方法的分辨率主要由FFP的细度所决定，典型值1pm。传感器的串话干扰与滤波器的消光系数有关，当受扰光栅的工作波长趋向接近时，干扰越大。基于图4.13所示系统的原理,设计了一种光纤光栅振动网络传感系统,其基本原理框图如图4. 14所示，其工作过程为:厂;光开关2光开关1宽带光源多路光开关传感光栅阵列川1HH HH可调F-P腔 C)-2X2耦合器PD检测放大电路3X3耦合器加法器单片机系统信生拟发器 t模号高速A/D采样板峰值保持电路阵列峰值清零触发信号 开关量板4计算机图4. 14分布式光纤光栅振动传感系统结构图Fig