STM32与水下测量的光纤曲率测试的测试系统

2万 · 2019-7-12 10:40

以上是STM32的核心最小系统。
我们详细的介绍一下使用STM32如何使用光纤测量。

2万 · 2019-7-12 10:47

深邃的海洋蕴藏着丰富的宝藏，除了有大量的动植物外，还有宝贵的石油、
矿产等资源。在海洋勘探和开发的过程中，常常会涉及到海上平台搭建、海底观
测网的布置、海底管道铺设等工程的实施。水下监测工作是水下工程施工中极其
重要的一部分。目前，地面工程的形态检测技术已相当成熟，但水下项目工程的
监测技术研究还处于起步阶段U]。随着我国海洋事业的不断发展以及海底工程作
业规模及复杂程度的提高，水下作业的安全性问题越来越突出。
光纤传感技术是极具生命力的一门技术，具有明显优于传统传感技术的特点，
比如宽带信息容量大、可远距离传送、抗电磁干扰能力强、安全性和保密性强等。
从上世纪80年代开始，光纤传感技术就引起世界各国的广泛关注，它的兴起满
足了系统装备对信息的获取与传输提出的要求，推动着各行各业朝着智能化方向
发展(21。经过30多年的长期发展，光纤传感技术现在已广泛用于航空航天、民
用、能源等重要领域[(3]。随着现代传感与通信研究的发展，光纤传感技术越来越
多地应用于监测技术，尤其在穿戴设备、医疗康复等健康监测的研究方面已相当
成熟。因此课题将充分利用光纤传感器的优点，尝试将其首次运用到水下变形的
测量。

2万 · 2019-7-12 10:48

水下地形测量就是要测定水下地形点的平面坐标和深度。随着水声测量技术
、GPS定位技术和电子计算机技术的发展，水下地形测量从传统的光学定位、单
波束测深、手工进行数据处理、成果单一的时代跨入GPS定位、使用多种测深
手段、数据处理自动化、成果多样化的崭新时代[4]0
单波束测深仪只能得到测量船正下方的水深，获取的地形数据量少，测量所
需时间长。多波束测深系统获得的是水底多个点的水深值，随着测量船的前进，
测得一条带状的水深数据，通过定位系统实时提供测量船的坐标，最终利用专业
软件得到测区内的水下地形图，如图1.3所示[5]。相对于单波束，多波束测深声
呐不仅提高了测深效率和精确度，而且能得到直观的海底三维地形图。但是，多
波束具有成像分辨率不高，很难定性分析海底介质的组成，价格昂贵，体积较大，
安装较复杂的缺点，所以限制了其在海洋工程及水下工程的运用。

2万 · 2019-7-12 10:49

GPS-RTK实时动态定位测量技术是GPS测量技术发展的一个新突破，它通
过基准站设置的接收设备来直接获取水下坐标的信息，并对接收的信息进行统计
与计算，确定观测值。该技术不仅提高了工作效率，而且定位精度高，但由于受
到信号强度的影响，作业地点、时间的选择受到一定的制约[[6]0
随着微机电系统(MEMS)的快速发展，MEMS系列传感器逐渐被广泛应用
于目标跟踪、健康监测等领域。如图1. 2所示，六轴MEMS传感器被用来获取
当前变形段旋转的四元素信息从而进行水下空间曲面重构，且重构的曲面精度较
高[f}]。但当将MEMS传感器用于水下时，其封装尺寸会增大，成本也较高。

2万 · 2019-7-12 10:50

光纤传感器作为光纤传感技术的核心器件，在智能结构变形监测方面具有广
阔的发展前景。但其与水下变形健康监测相关的研究还比较少，因此，将光纤传
感器引入到水下工程的运用研究中具有很重要的价值。目前曲面重构理论及技术
已经非常成熟，只需掌握空间点的曲率信息即可18][9]。另外，相较于当前比较热
门的光纤光栅传感器(频率调制型光纤传感器中的一种)而言，强度型光纤曲率
传感器具有结构简单、成本低、测量范围宽、易于实现等优点，该课题选用长条
型的强度调制型的传感器作为研究对象，利用其获取水下变形点的曲率信息，为
水下地形监测提供新的思路和技术方法。

2万 · 2019-7-12 10:54

传统上用于检测弯曲变形的导电油墨、应变片等在实际应用中都受到一定条
件的限制UoJWJ。随着光纤传感技术的智能化程度的不断提高，利用光纤传感器
来检测结构的形变，已经成为智能结构健康检测的发展趋势和研究热点。
光纤传感器利用光的强度变化来检测信息的传感器属于强度调制型U21 l3J0
在研究初期，突然改变光纤的弯曲半径或使光纤产生较小的弯曲半径是强度调制
型光纤传感器工作的主要形式。如图1.3所示， Davis C等人直接将光纤贴附在
动物的胸前，用作呼吸监测仪p al0

2万 · 2019-7-12 10:58

由于未处理的光纤灵敏度很低，不能满足现在的测量性能要求。经过研究发
现，弯曲增敏技术一利用机械加工或化学处理等方法破坏掉掉光纤的涂覆层、包
层及部分纤芯一可提高测量时光纤弯曲的灵敏度。如图1.4和图I.5所示，Young
L. Harvill等人在光纤表面加工出长条型、锯齿形等形状的敏感区，从而提高了传
感器在坝组量弯曲时的敏感度，并申请了手控输入专利。

2万 · 2019-7-12 10:58

强度型光纤曲率传感器经过增敏处理的光纤传感器在测量弯曲变形时还具
有方向性，所以很早就引起了各行业的关注。目前，该传感器已广泛用于工业参
数监测等领域，包括液面位置、物体运动位移以及加工表面的不平整度等检测。

2万 · 2019-7-12 10:59

目前，加拿大的Measurand SHAPE ADVANTAGE公司是利用此传感器的特
性进行产品生产最多的机构之一。该公司设计了一套用于检测身体姿态的穿戴设
备【’“]，并且开发了一款用于测量弯曲和扭转变形的产品ShapeTape以及配套的三
维可视化软件，可以虚拟显示现实中生成的曲线和曲面，从而实现对结构的形状
和方向的监测f}}l(sl，如图1.6和1. 7所示。在水缸中用ShapeTape跟踪电缆的弯
曲变形，通过评估平均绝对误差和相似度分析，证明了ShapeTape水下测量的可
行性Uvl，如图1. 8所示。

2万 · 2019-7-12 11:00

美国的SDT C Fifth Dimension Technologies)公司设计的一种穿戴数据手套，
能监测和收集手指运动的数据fzo}，如图1. 9所示。DZ Stupar等人开发了人体关
节运动监测系统，并可通过可视化软件进行监测f2}1，如图1. 10所示。

2万 · 2019-7-12 11:00

强度调制型光纤曲率传感器除了在穿戴设备中得到广泛应用，近几年在机器
人尤其在柔性机械臂的控制和设计方向也开始受到关注。

2万 · 2019-7-12 11:03

如图1. 11所示，K Althoefer等人提出了一种基于光强度调制的柔性机械臂
弯曲曲率的新型光学传感器的设计，并在此基础上，提出了一种基于导电纱线的
嵌入式变形传感器的增强版[22][23]0
近些年，国内学者也开始对该类传感器展开研究。付宜利、刘仁强、狄海廷
等人对强度调制型的光纤传感器的原理特性及应用做了一定的研究:基于敏感区
为长条型的光纤研发了一种的埋入式光纤曲率传感器，其可用于桥梁等智能结构
的形状检测[24];如图1. 12所示，基于敏感区为锯齿型的光纤曲率传感器研制了
一套新型的准分布式智能夹层传感系统，其可用于监测复合结构的弯曲变形[zs]0
但以上传感器系统都比较复杂，测量范围也较窄，需要进行优化，从而对传感器
的特性进行改善。

2万 · 2019-7-12 11:05

当弯曲光纤的敏感区(被破坏的光纤的表面部分)时，光强度的输出功率会
发生变化。但对于该传感器的工作机理至今没有统一定论，许多学者都对其进行
了研究。Lee Danisch定性地认为光在光纤中传输时，敏感区会增加光在该处的
损耗，并且在光纤正向(敏感区位于弯曲光纤传感器的凸侧)和反向(敏感区位
于弯曲光纤传感器的凹侧)弯曲时，光的泄漏量不同:负向弯曲时，光泄露量较
少;而正向弯曲时，光泄露量更大[26J。英国学者KSC Kuang从光纤传感器弯曲
时敏感区的面积变化角度做出自已的解释，他指出:光纤正向(负向)弯曲时光
纤敏感区的面积会增大(减小)，导致输出的光功率的减小(增大)f2}1，如图1.13
所示。利物浦大学的R Philip-Chandy认为敏感区的形状及参数的变化会使光能
量在各种传输模式中重新分配，从而影响光量在敏感区的损耗[2a]。类似的，上海
交通大学的刘仁强等人利用电磁场及光学理论定量分析了光纤弯曲时光传输模
式的变化，提出:光纤弯曲半径的变化导致光能量在敏感区表面散射损耗的改变
[29]
对于以上几种理论解释大都缺乏理论和实验结果的支持，处于猜测阶段，不
能准确有效地说明曲率光纤传感器的工作机理。关于此曲率光纤传感器的传感机
理，目前仍处于探索之中。因此，有必要建立数学模型对该传感器进行定量分析，
揭示传感器的传感机理。

2万 · 2019-7-12 11:06

光纤曲率传感器在智能结构健康监测等领域方面的研究已经取得一定的进
展，但与水下工程应用相关的研究还比较少，基础非常薄弱。由于光纤传感器具
有简单、灵活、低成本等优点，故本课题将基于光纤传感器研制出用于获取水下
变形曲率信息的测量系统。
从前文所述可知，通过研制该光纤曲率传感器测量系统，可以解决以下两个
问题:
(I)解决已有传感器信号调理电路体积大且结构复杂的缺陷，有利于提高
传感器的适用范围，为全方位检测水下变形提供实践墓础和技术支持。
(2)实现将强度调制型光纤曲率传感器用于水下变形测量的目标，为水下
地形监测技术提供新的思路;设计的可视化上位机为天然气水合物的开采、海底
电缆等海底工程设施提供安全保障。

2万 · 2019-7-12 11:07

   (I>光纤曲率传感器的光损耗研究
运用光线几何理论，建立光在光纤敏感区弯曲时的相对功率损耗与弯曲半径
的关系数学模型，并利用实验对模型进行验证。
   (2)传感器信号调理电路的设计
传感器电路要实现对微信号的提取，其主要包括放大、滤波等模拟电路的设
计仿真以及整个电路的PCB的设计和布局。最后对电路的功能进行验证以及对
电路的关键性能指标进行测试。
   (3)上位机软件的设计
传感器的最终输出信号是利用单片机进行采集的。在LabVIEW软件环境下
编制一套能与下位机进行通信的上位机软件，该上位机不仅要实现对数据的分析、
处理及保存，还要实时显示传感器的输出电压与弯曲曲率的关系曲线。
   (4)传感器特性的研究
借鉴国内外传感器的测试方法，对光纤曲率传感器的特性进行综合研究，将
传感器系统运用到水下变形的曲率测量，并对其测量的精度、范围等重要特性进
行分析和比较。

2万 · 2019-7-12 11:07

2万 · 2019-7-12 11:08

2万 · 2019-7-12 11:08

2万 · 2019-7-12 11:08

2万 · 2019-7-12 11:10

STM32与水下测量的光纤曲率测试的测试系统

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