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一种高速高精度光纤传感技术在桥梁监测中的应用


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密级:

单位代码:10422


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作者姓名丛堑犯
学院名称 专业学位名称

互妻迤:翅星刍三缝蛾
丝重点剑查兰丝

指导教师群、辉继一 合作导师鱼华到邀
7.012-年弓月2,O日

原创性声明

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下, 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名:

姆~



期:



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本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 (保密论文在解密后应遵守此规定)

蝣撇:纽聊虢够…趔,加

山东大学硕士学位论文





摘要…………………………………………………………………………….
ABSTRACT………………………………………………………………………………………………………3

符号说明及名词解释…………………………………………………………………….5 第一章绪论………………………………………………………………………………6
1.1课题研究的背景和实际意义……………………………………………………6 1.1.1桥梁健康监测技术背景…………………………………………………….6 1.1.2桥梁健康监测技术现状和取得成果……………………………………….7

1.2本课题解决的实际问题方法和来源……………………………………………8 1.2.1数字信号处理的方法……………………………………………………….9
1.2.2一种高速高精度ADC数据采集系统介绍…………………………………9 1.3论文的主要工作和结构安排…………………………………………………一11

第二章光纤传感技术…………………………………………………………………12 2.1光纤传感技术简介……………………………………………………………..12 2.2光纤传感信号的传输…………………………………………………………..14
2.3光纤传感信号的接收…………………………………………………………。,17

2.3.1马赫.曾德尔干涉仪的传感过程…………………………………………..17 2.3.2相位传感的基本原理………………………………………………………l 8
2.4光纤传感器………………………………………………………………………19 2。4.1光纤传感器分类……………………………………………………………19

2.4.2光纤光栅传感器工作原理…………………………………………………22
2。43光纤传感技术的应用………………………………………………………25

第三章高速高精度ADC电路的改进……………………………………………….27
3。l

AD转换的一般步骤和取样定理……………………………………………….28

3.2低压工作的高速ADC电路……………………………………………………29
3.2.1芯片结构……………………………………………………………………30 3.2.2误差…………………………………………………………………………3 l

山东大学硕士学位论文

3.2.3输入采样保持电路…………………………………………………………32 3-3输入采样保持电路的设计指标………………………………………………..33 3.3.1电路原理……………………………………………………………………34

3.3.2开关设计指标……………………………………………………………….35 3.4对PIPELINEDADCs采样保持电路的改进…………………………………….35
,r

3.4.1套筒式增益增强型运放的改进…………………………………………。35
3.4.2开关电容反馈电路的设计…………………………………………………36
3.4.3自举开关的设计…………………………………………………………….37

第四章仿真结果和桥梁监测工程中的应用…………………………………………39 4.1改进前的ADC采样保持电路的分析…………………………………………40 4.2改进后电路的仿真和结果对比…………………………………………………41 4.3基于马赫.曾德尔光纤干涉仪数据采集系统实验的结果分析……………….42 4.4光纤传感技术在桥梁监测工程中的应用……………………………………..43 第五章总结与展望..
47

5.1课题总结………………………………………………………………………..47

5.2信号采集部分的迸~步改善措施……………………………………………..48 5.3本AD芯片自身存在误差的原因………………………………………………49 5.4课题展望…………………………………………………………………………50 重参爿争文献…………………………………………………………………………………….…………….52

jg【谢…………….………………………………………………………………………….………….,55

II

山东大学硕士学位论文
!im 一

Ig!=!!!!=詈!!!!!!!!!!!霉!!!!!=!!!!皇

Contents

Abstract(Chinese)….…….………………..…………....……….…..…….…….....……….....…-...…-1 Abstract(English)……………………………………………………………………………………………3
Symbols and Glossary……….…….……………………………...….……………………..….……….5 Chapter 1 InIroducfion……………..…………..………………………………………………….……..6 Section 1 Research background and practical

significance………….……....….…...6

1.1.1 Bridgeheakhmonitoringtechnologybackground……………………………6 1.I.2 Bridge health monitoring Section 2 The

technology status and results……………………7

subject to

solve practical problems and SOtlrces…………………….。8

1.2.1 Digital Signal Processing……………………………………………………………..9 1.2.2 nle introduced of


higll speed and precision ADC

circuit……………………………………….9

Section 3 Paper work and structural Chapter 2 The optical fiber Section 1
sensor

arrangements…..…………….…..….………....1 1

technology..........………...…..….....……….....…..….12

The

introduction ofFiber Optic Sensing

Technology....………….….….12

Section 2 Optical Fiber Sensor signal transmission….………....….….....….…......14 Section 3 Fiber-optic
sensor

signal

reception.……..…….…..….……………...….…..1 7

2.3.1 Mach-Zehnder interferometer sensing process…..……,...………...….…..17 2.3.2 The basic principle ofphase sensing………....…….…..…..….……….……..1 8 Section 4 Fiber Optic Sensors….….。..……………………..….…….......………….……..19 2.4.1 The type of fiber optic sensors…...…………....….…..………………....……..1 9 2.4.2

The principle and composition

of

Fiber Bragg grating sensors.….……………....…….........……………….…..22 2.4.3 Fiber Optic Sensing Chapter 3 Improve high-speed

Technology

Application………………………………一25 circuit……………………………….27

hi曲?precision ADC

Section 1 Sampling theorem………..………..…………......……...........……..…..….....28 Section 2 Low-voltage

hi曲一speed ADC circuit………………………………………..29

3.2.1 Chip structure……….………….………….……….…...…....…....….……………..30 3.2.2 Error…………………………………………一……………………………………………3 l 3.2.3 Input sample

and hold circuit

design specifications.........……...….…....32

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Section 3 Design specifications…………...…………..…...….………………………..…..33 3.3.1 Circuit schematic……………………………………………………………………….34 3.3.2 Switch indicators……………………………………………………………………….35 Section 4 Pipelined ADCs sampling hold circuit improvements……………………35 3.4.1

Improvements ofa gain-boosted 0p amp………………………………………一36
design
ofthe lift switch………………………………………………………….37 results and bridge inspection

3.4.2 The design ofswitched capacitor feedback cbcuit…………………………36 3.4。3 T1】e Chapter 4 111e

simulation
in

project…………….…………….……………………………………….…………39
sampling hold ckcuit………………………….40 and comparison………………………一41

Section l

Improve before The ADC
improved
circuit

Section 2 The

simulation

Section 3 The data acquisition system and Section 4 Fiber optic Sensing Technology in inspection

analysis……………………………………42

project…………………………………………………………….43

Chapter 5 Summary and Outlook….…………….…….…….…………….……………………….47 Section 1髓le summary

ofsubject…………………………………………………………..47 plane of

Section 2 Further improvement

Sj.{l;11j£il acquisition part………………………………………………………..48 Section 3 The reason for Section 4

the咖r ofthe AD chip……………………………………49

Outlook ofthe subject……………………….…………………………………….50

Refefences……..………………………….………………………….…………………………………….52 Thanks …………….......……..………….………………………….….………...………………………55

IV

山东大学硕士学位论文

摘要
目前,我国的公共交通事业取得了飞速发展。同时也存在许多有待于解决的
问题,如交通拥堵、设施质量和智能化监测等。桥梁设旌作为交通枢纽的重要部

分,由于其长期处在重负荷运载和恶劣环境中,极易引发交通事故。因而,其健
康监测越来越受到人们的重视。

在美国,2007年在明尼苏达州明尼阿波利市附近的一座重要交通枢纽桥梁出 现了坍塌现象,事故导致13人丧生。如果能采用光纤传感器技术提前对大桥进行
监测,那么就会避免这一悲剧的发生。

本课题一种高速高精度光纤传感技术在桥梁监测中的应用,充分运用了光纤 传感技术、电子技术和计算机网络技术。成功地改进了一种ADC高速高精度电路, 解决了监测系统的精度问题;又把马赫一曾德尔干涉仪技术用于光纤中数据的传输
和接收实验,大大提高了系统的速率;最后应用计算机软件技术和网络技术把以 上技术相结合,设计出了一套完整的光纤传感监测桥梁健康状况的方案。

理论方面介绍了光纤传感器的原理和光纤传感技术的特征,主要解决了
Pipelined

ADCs电路的前置采样保持端的电路改进。原则上精度可以从lObit提

高到13bit,而采样频率提高到lOOMtlz。通过改进自举开关电路,套筒式增益, 开关电容反馈电路,从理论上实现这一课题。
在实践上,叙述了桥梁健康监测工程的背景和实际意义。接着讲述了整套系

统的组成:传感器子系统,主要应用光纤光栅传感器,采用分布式或准分布式结 构,通过光纤复用技术进入到下一级电路中;数据采集传输子系统,主要依赖于 光纤性能的传输,采用服务器对光纤采集的信号进行存储或进行信号处理;数据 分析与评价系统,对上级服务器上传来的数据进行信号处理,按照规范得出结论。 在数据分析的过程中,成功地应用了软件技术和数字信号处理技术,来判断出大 桥的健康状况,并且可以通过因特网把结果实现远距离传输。最后介绍了桥梁传 感器的施工情况,按照桥梁的结构合理布局传感器,并且结合实际数据进行了案
例分析。

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在应用前景方面,国内外都比较重视道路基础性建设,尤其是安全问题。本 课题的应用研究,也结合了国内外的相关领先技术,在公共交通桥梁监控方面也 取得了一定的成果。这项技术基于传感技术和计算机网络技术,如果能在技术上 加以突破,实现超过500千米的监控,开发出更加有意义的传感器及降低生产运 行成本。它的投入将占有很大的市场,同时也确保了桥梁设施,在日常生产和人
们生活中安全可靠运行。

关键词:高速高精度:光纤传感技术;桥梁健康监测

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ABSTRACT

At present,national public transport has made rapid development.There

are

also

many problems to be solved,such舔traffic congestion,facility quality and intelligent monitoring and
SO

on.Bridges

and

related facilities弱all the

important part of the
carry and harsh

transportation

hub,because

of its

long-term in

heavy-duty

environment,Can eaSily

lead to traffic

accidents.Thus,the

health monitoring has been

paid more and more attention, In the United States,all important transportation hub bridge in

Minneapolis,

Minnesota,near the

collapse phenomenon,in which 1 3 people were killed the this
sensor

accident in 2007.If that used optical fiber avoid this tragedy. This

technology

on

the bridge,they would

project,a hi曲一speed hi曲-precision
use

optical

sensor

technology

in bridge

monitoring,and make full and

of optical fiber sensing technology,electronic

technology
and

computer network technology.Improved circuit of

an

ADC

hi曲speed

precision to solve the problem of the accuracy of the monitoring system successly; again

Maeh—Zehnder

interferometer

technology

for data transmission and reception of

experimental fiber,greatly improving the rate of the system;finally,combine computer software and network

technology

with mol e than

technology,and

design



complete set

of optical fiber sensing monitoring bridge health status program. The theory describes the principle of optical fiber
sensors

and

optical fiber sensing

technology
end of the

features,mainly to solve the circmt of Pipelined ADCs circuit of the front

sample-and-hold improvements.In

principle,accuracy

call

be improved from

1{)bit to 1 3bit,sampling frequency up to 1 00MHz.Through improved bootstrap switch circuit,the sleeve-type gain,switched capacitor feedback circuit from the theory of tMs topic. In practice,describes the background monitoring

and practical

significance ofthe bridge health

project.Then

about the composition of the entire fiber Bragg grating sensors,the

system:the

sensor

subsystem,application of

use

of distributed

or

quasi—distributed architecture,through the optical fiber multiplexing into the next level circuit;data collection and transmission subsystem,mainly depends
on

the fiber



山东大学硕士学位论文 performance of transmission,the
of storage or signal processing ofthe signal

use

server

collected by the fiber;data analysis and evaluation system for signal processing,higher

server upload the data

to conclude that,in

accordance

with the

specification.nIe data

analysis process,the successful application of software technology and digital signal

processing
Intemet

techniques,to

judge

the health status of the bridge,and the results via the

to achieve long—distance

transmission.FinaJly,the construction of the bridge

sb-m.sor case

analysis,rational distribution of SCnsors in accordance

with

the

structure of

the bridge,and the actual

data.
on

Application prospects at home and abroad have more emphasis

the construction

of road infrastructure,especially the safety issue.Applied research in this combination of domestic and foreign leading the public transport bridge monitoring.TIlis

subject,or



technology,and technology
is

achieved cel'tain results in
on

based


sensor technology achieve
reduce

and

computer network

technology,if

they

can

be technically

breakthrough to

the monitoring of

over

500 hn,to develop more meaningful sensors


and

operating costs.Its investment will in facilities,safe

large market,but also to

ensure

that the bridge lives.

and

reliable operation in the daily production

and people’s

Keywords:high speed
health monitoring

and precision;optical

fiber sensing

technology;bridge



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符号说明及名词解释
通频带宽:放大器对一定频率范围信号的放大倍数,越宽性能越好。
Pipelined ADC:一种模数转换芯片,采用的是流水线结构。

SNR:英文全写:Signal to Noise Ratio即信号噪声比。
SFDR:英文全写:Spurious
Free Dynamic Of

Range即无杂散动态范围。

ENOB:英文全写:Effective Number

Bits即有限数字位数。

THD=英文全写:Total Harmonic Distortion即总谐波失真。 FBG:英文全写:Fiber
Bragg

Grating即光纤光栅。

ADC.-英文为:Analog—to—Digital conversion Circuit,即模数转换电路。 FOS:英文为:Fiber
Optic

Sensors,即光纤传感器。

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第一章绪论
1.1课题研究的背景和实际意义
伴随着当今社会经济和科学技术的发展,人们把更多的精力投入到关系民生 的问题中去。交通运输事关着国家的经济、人民生活和军事力量,而桥梁作为其
重要的组成部分越来越受到重视。

在诸多媒体上,有时会看到某地方桥梁坍塌,造成重大事故的新闻。如2007 年8月1日6时,在美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的商业中心地带,一座承担 洲际交通,跨越密西西比河的大桥发生了坍塌,事故共造成13人遇难。这惨痛的 教训告诉人们提高桥梁的健康监测水平十分紧迫。随着该工程重视程度的提高, 光纤光栅传感器对桥梁的健康监测,拥有了越来越广泛的市场前景。 桥梁工程长期处在复杂的自然环境中,长期的重负荷运行,以及建筑质量问 题,更加提醒我们必须对桥梁工程进行长期的健康监测,才能保证国家和人民生 命财产的安全。 传统的桥梁健康监测依赖人工,或是电类传感器。这都暴露出明显的缺点: 如不能实现无间断监测,不能有效地提前预防故障,不能很好地抗拒恶劣的环境 以及寿命短成本高等。而本次研究的课题是一种高速高精度光纤传感技术在桥梁 监测中的应用,是依赖于光纤通信技术、电子技术和计算机软件技术等。 在课题中提出了对一种ADC采样保持电路的改进方法,理论上有利于提高监 测结果的精度;用马赫.曾德尔干涉仪进行信号传感实验,提高了监测系统的技数 据传输速度;后期的计算机监测中心能处理光纤复用技术的数据,及时处理显示。 根据检测结果,进行故障报警和排查,有利于加强桥梁监测所得数据的网络化、
智能化服务。

1.1.1桥梁健康监测技术背景 目前,人们对基础设施的依赖也越来越强,而桥梁设施作为交通系统的主干 枢纽,其建筑规模和造价成本越来越大,用去了大量的物力财力。有资料显示在
2007年,Micron Optics公司研制的一套系统价值在2.5万美金,因此如何降低成

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本问题,也是当今研究的课题之一。 2007年8月l f-1 6时,在美困明尼苏达州明尼阿波利斯市的商业中心地带, 一座承担洲际交通,跨越密西西比河的人桥发生了坍塌,事故共造成13人遇难。

这座大桥在1967年建成,由密苏里州马里兰高地市的一家著名的土木工程公司~ 一sverdrop&Patcel公司设计II J,大桥全长581米,14跨上承式钢衔桥梁,其中两
片主桥梁上有钢筋混凝土桥面板。图1.1为该事故现场。亚特兰大Micron
Optics

公司的首席执行官Andrel Csipkes介绍说,公司设计的一种光纤传感器可以在该市 1-35W号大桥坍塌前做出预警。 在2007年8月9同,弧特兰大法制H报报道,由MicronOptics公司研制的光 纤传感系统,已经全面地进入到桥梁健康监测市场。Micron Optics是世界上少数 能提供全套光纤传感监测系统的专业生产厂家之 ,与传统的检测方法相比,这

些光纤传感器可以监测到结构的微小形变和振动,所得到的结果传到计算机监控 中心,能比较准确地显示出桥梁的健康状况。

图I一1美国明尼苏达州明尼阿波利斯市一人桥坍塌现场

桥梁在长期的重负荷运载及恶劣环境影响下,易造成结构损伤和承载能力下 降,’一旦损坏,后果非常严重。因此迸一步研制和广泛地应用桥梁健康监测系统, 形势十分必要和迫切,事关国家的交通运输、经济和军事发展、人民生命财产安
全。

1.1.2桥梁健康监测技术现状和取得成果
当的,桥梁的健康监测壬要采用的是电类的传感器。在桥梁的某个部分外粘

电类传感器(如钢弦继、电阻应变片)来测量。存在的问题就是电阻式应变片易

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发生零点漂移,会导致测量结果严重失真,这些传感器件长期在恶劣的环境影响 下,寿命短,易受到破坏。 光栅传感器抗电磁干扰能力强,几何尺寸小,受环境影响小,而且光纤本身 传输容量大,可以利用信号复用技术。它的这些优点决定了能在桥梁健康监测技 术中广泛地应用。强度型、偏振型、干涉型光纤传感器相继得到了广泛地应用, 数理理论、建模能力和仿真技术也得到了更广泛的重视。 在佛蒙特大学,一个研究小组用光纤光栅传感器,远距离监测沃特波黑佛蒙 特钢结构大桥,有力地推动了桥梁健康监测技术的发展。1999年,这项技术应用 在了在美国的新墨西哥,用光纤传感器实施对一座为Las
Cruces

10号的洲际公路

监测,一座大桥应用了120个光纤光栅传感器,这些传感器的灵活安装运用,开 辟了光纤传感器在桥梁监测应用的新领域。 在国内20世纪90年代初期,光纤光栅传感技术就开始了研究,国内一些名 校经过十多年的研发,在光纤光栅传感机理、设备制造、信号处理等技术方面具 备了相当高的含量。武汉长江大桥斜拉桥,已经成功应用了光纤光栅传感系统对 大桥进行长期健康监测,应用此项工程的还有海口世纪大桥、江阴长江大桥、芜
湖长江大桥和南京长江大桥等。

1.2本课题解决的实际问题方法和来源
国内光纤光栅传感技术的应用大部分属于小规模的测试,如果能及时更新观 念、降低成本就能得到广泛地应用,实时地监测桥梁的应变、振动、位移等状态, 对桥梁的正常承载运行提供更好的保障。利用光栅栅距随物理量的敏感特性,可 以构成不同性能独特的光纤无源器件,可以制成用于检测应力、应变、温度等参

量的光纤传感器和各种传感网纠2J。
随着计算机技术、多媒体技术、信号处理技术和微电子技术的飞速发展。电 子技术已经得到广泛应用。未来的电子系统需要将更多的电路集成到一个硅片上, 可以降低成本和功耗,减小体积和辐射噪声,AD转换器是一个非常关键的部件。 随着数字信号处理技术在高分辨率图像、视频处理即无线通信等领域的广泛应用, 对高速、高精度、基于基准CMOS工艺的可嵌入式ADC的需求日益迫切。从而,

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如何提高重大工程结构(如桥梁、隧道和水坝)的安全监测水平,一直是国内外 工程领域广泛关注的重要研究课题【3】口目前在市场上高性能的ADC不断面世,及 国外著名Ic电路设计公司在ADC电路开发方面的发展计划可以看gBADC电路在 今后主要发展趋势是向高分辨率、高转换速率,低功耗、单电源低电压、单片化、 CMOS型方向发展。在新建结构工程急需要采用有效的手段监测和评定其安全状
况[41,从而更好地应用在光纤传感系统中去。

1.2.1数字信号处理的方法 数字信号处理技术,即把由传感器探测到的外界信号,如温度、应变、湿度 等,转为模拟信号电信号,并且按照有关要求进一步处理为数字信号,根据不同 的需求由计算机进行相应的计算和处理后,得到所需数据‘51。在光纤传感技术中, 探测器所取得的外界信息信号,一般信号处理方法如下: 1、利用计算机,通过软件编程实现,如Fortran、C语言。 2、利用计算机系统的专业加速处理机实现。
3、用单片机(如MCS一51。96系列等)去处理。 4、用通用的可编程DSP芯片去处理。 5、用专业DSP芯片去处理。

中间的一种为单片机技术,功能和精度都比较原始,后面第四种目前比较流 行,也是最被提倡的一种信号处理方法,最后一种专业性太强。因此我们的实验 研究通常采用第四种方法,本课题将光纤光栅传感器输出信号用DSP去控制它的 采样速度和精度。对其中ADC取样保持电路进行高速高精度改进,从而实现高速 高精度的光纤传感器监测。 1.2.2一种高速高精度ADC数据采集系统介绍 在由微处理器控制的数据采集系统中,典型应用是基于DSP干涉型光纤传感 器高速数据采集系统,主要结构和功能介绍如下: 在数字信号处理的过程中,系统要经过两个部分方可以完成,首先是设计决 定的电路硬件,其内部电路结构和制作工艺决定着电路的整体性能;其次是软件 部分,数学算法和编程语言,关系着信号处理的时间和精确度,本论文,不是采 用软件技术对采样转换过程进行控制,而是用硬件去实现转换过程的控制和采样



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数据的同步【印,其逻辑图如图1-2所示.:

模拟量
—?—_——___?_..卜

图1.2高速数据采集系统

图1.3是有马赫.曾德尔干涉仪组成的信号采集系统框图,它将传输外界信号, 作为信号输入部分,应用干涉仪目的在于更好地采集到光纤传输信号。前置电路 对信号进行进一步处理送给AD单元,在时钟的控制下,AD电路进行有序的工作。 这里CPU取代了原来的单片机,使完成功能更加智能化。最后的数据传到DSP做 专业的数字信号处理,已被下一级信号更好地采用。从本电路图可以看出AD转 换电路单元是非常重要的,对于它可以进行硬件上的改进,本课题也是依次为突
破口,展开工作。

图1-3信号采集系统设计框图

结合本论文,研究光纤传感技术,并对其ADC电路进行高速高精度改进,更 加有利于光纤传感技术对信号进行高速高精度检测。

10

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1.3论文的主要工作和结构安排
本课题以改进ADC高速采样保持电路为起点,研究了高速高精度光纤传感技 术在桥梁监测中的应用。结合电路仿真技术和实验结果,更加证明了降低光纤系 统成本、改进高速高精度采集信息的可能性,后期结合了在实际工程中的应用分 析。本论文的结构安排如下: 第一章:绪论。介绍了桥梁监测技术的背景和发展现状。 第二章:光纤传感技术。本章重点介绍光纤信号的传输和接收特征、用于桥
梁监测功能的传感器原理。

第三章:高速高精度ADC电路的改进。本章重点讨论了提高光纤传感技术在
桥梁监测工程高速高精度性能的方法,并改进了实际电路结构。

第四章:仿真结果和在桥梁监测工程中的应用。本章结合实验结果,绘出了
光纤传感技术在桥梁监测工程应用的实际框图,实际施工分析等。

第五章:总结和展望。本章预测了该技术的发展前景和目前仍然存在的问题。

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第二章光纤传感技术
目前,光纤传感技术得到了广泛的应用。光纤传感技术的关键原理在于传感 器技术的发展。光纤传感器有多种类型,当前主要应用是测量温度、压力和水位 等。要想使光纤传感技术推广使用,必须开发新型光纤传感器。让传感器技术和 电子计算机技术结合起来综合应用【_圳。 光纤传感器能把外部被测信息(如温度、光照、湿度及压力信号等)转换成 光信号输出,然后通过光发射机光纤传输,经光电转换模块转成电信号,最后再 通过检测模块把有用信号提取出来,此信息可以直接显示在在监控模块上,也可 以通过计算机连接,实现远程监测。 虽然光纤传感技术的发展和取得的成果非常可喜,但是实用化和商品化的光 传感器不很普及。原因是传统的电类传感器,其主要靠单片机控制,对桥梁监测 精度低,抗电磁干扰能力弱,寿命比较短,不利于长期监测,另外其运算能力有 限,只能完成一些简单的控制算法而已;如用专门的数字信号处理芯片,则无法 脱离PC机工作,对实际的控制场合并不适应。因此,改进一种高速高精度的ADC 数据采集系统对于光纤传感技术的发展起着着重要的作用。

2.1光纤传感技术简介
光纤传感器实际上是研究光在调制区内,外界信号(温度、压力、应变、位 移、振动、电场等)对调制光的影响,反映出其参数的改变,就是通常意义上, 形成不同类型的调制。光纤传感器可以根据其结构功能进行简单的分类,如果光 纤本身仅起到传光的作用,不参与探测被测量信号,称为非功能型传感器;相反, 光纤不仅参与光信号的传递,而且光纤内的敏感信号可以探测被测信号。外界被 测物理量作用在光纤敏感材料后,光纤中的光信号会随外界物理信号变化而变化,

这类传感器称为功能型传感器,又称作传光型传感裂10l。
在日常应用中,非功能型传感器应用相对较广,而它的制作和应用容易,所 以目前非功能型传感器品种多。功能型传感器的构思和原理比较巧妙,可解决一
些特别的辣手问题。但是无论哪一种光纤传感器,最终都利用光探测器将光纤的

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输出最终变为电信号。 光纤传感器的组成由光源、敏感元件(光纤或非光纤的)、光纤探测器、信

号处理系统以及光纤等。由光源发出的光通过源光纤传到敏感元件,被测参数作
用于敏感元件后,利用变化量既可以探测到被测信号,光纤传感器技术的灵活运

用也得益于光纤本身的优越性。 光纤的发展促进了通信行业的发展,它的制作为纯度较高的光纤预制棒,溶 化后,由机器拉丝形成直径约100到150微米的光纤。光纤的主要优点有:首先, 光信号可以在光纤中全反射传播,光纤对光信号本身衰减小;其次,传输信号频
带宽;最后,它本身就是一个敏感元件。 电信号是在导体中进行的,如铜,铝,这些材料本身价格高,且对电信号本

身损耗大,另一方面电缆对电信号的容量有限;光纤传光信号避免了以上不足,
且容量大。在有些恶劣的环境中,光纤耐腐蚀性强,不易燃易爆:传感器体积小、

重量轻【川;光纤传感器组成的传感器系统便于与计算机互联网连接,实现多功能、
智能化的要求。

综上所述,光纤传感技术在各个领域都发挥出其独特的优势,得到了广泛的
应用,甚至于某些场合目前具有不可替代性:

1、传统的电力行业。对于电流和电压信号,如果采用电类传感器,肯定电磁 干扰大,而且在有些危险的高压场合,会对传感器本身造成击穿现象,不利于电 力系统的分配,电流和电压的监测。而利用光纤传感技术,则是目前最好的办法, 能实现与电信号的相互隔离,因此FOS在这方面有着很大的应用前景,其耐高温, 易于计算机组网等优点,加快了电力系统这方面的应用。 2、在石油化工系统、矿井。为了监测井下的氧气、一氧化碳等气体的存在, 排除易燃易爆,维护正常的生产运作安全。电类传感器易产生电火花,增加了危 险性,而利用光纤传感器,则避免了这一现象;另外,光纤传感器易于信号复用, 而采用多个监测点,更加降低了成本,提高了安全系数。丌发新型传感器,可以 检测不同的物理参数,仍是这一领域的创新环节。 3、在其他方面。如环境监测和临床医学方面。光纤传感器更有其独有的优势,
一方面可以适应复杂的环境;另一方面光纤本身耗能低,监测精度高,对周围组

织损伤小,体积小。因此被广泛应用在临床医学系统中,利用光纤传感器植入病

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人体内,则可以清晰安全地观察病人的病灶,临床诊断提供了可靠的依据。 在光纤传感技术的研究领域上,国内的研究也取得了令人骄傲的成果。华中 科技大学交通科学与工程学院,国家科技创新基金资助项目:基于单片机的光纤 通信保护系统,详细论述了基于单片机嵌入式工控机的光纤通信自动保护系统, 该系统对光纤通信线路进行实时在线监测和管理,及时有效地对光缆线路故障做 出反应,有力地保证整个城域通信无间断地进行,该系统己通过鉴定并投入使用, 各项指标均能达到要求。 华中科技大学尹红成,城域网光纤通信自动保护系统研究。中国通信行业随 着光缆网络的高速发展,现代通信网络日趋复杂,使得通信网络的维护和管理工作 日益繁重,满足管理部门的迫切需要,以科学的手段实时、在线自动监控网络工作 状况。 以上充分说明了一个道理,它的智能化发展非常迅速。光纤传感器传输光信 号,可采用复用技术,能达到计算机系统智能监控的要求【12,13】。

2.2光纤传感信号的传输
光波是较电波较短,频率较电波高的一种电磁波的总称。目前通信用光波是 在近红外波和可见红光波段,工作波长在入=O.80~1.65
Il

m之间,或者说通信用

光波的频率更高f三1014--一1015I-Iz。借助半导体材料(InGaAsP)、某些气体材料 (C02)或红宝石(a.A1203)可有效地发光和感光,广泛用于光通信领域。 光纤特性包括传输特性、光学特性、几何特性、机械性能和温度特性等,在 这里仅介绍光纤的传输特性。传输特性包括损耗特性和带宽特性,具体如下: 第一、光纤的损耗 光纤传播的光能有一部分在光纤内部被吸收,另一部分可能辐射到光纤外部, 使光能减少,产生损耗。光纤每公里的损耗称为衰减系数,单位为dB/km。公式 表示为:
一竺

P(三)=P(o)lo阳

(2.1)

式(2。1)中P(L)为当光传输距离L(kin)后的功率,L为传输距离,Ⅱ为 光纤的损耗系数,P(0)为入射光功率。图2.1为衰减系数与波长的关系曲线称为

14

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衰减谱。



^ △ ≥ 暑

波长(u m)

图2-1光纤的衰减谱

从上图可以看到,光波在光纤中有吸收峰和吸收相对低的窗口。一般认为有 i个:波长分别为0.85微米、1.31微米和1.55微米。

第二、光纤的色散和带宽。信号在传输的过程中,由于光纤本身的结构特性,
决定了会产生色散现象。 不同速度的信号传输距离所需的延时不同。时延差越火,色散就越严重。因

此,常用时延差表示色散程度。而单模光纤中只传输基模LP,总色散由材料色散
D。、波导色散D。和折射剖面色散D。组成,如公式2—2所示。这三个色散都与波 长相关,所以单模光纤的总色散也称为波长色散。 D(旯)=Dm+Dw+Dp (2—2)

纯石英玻璃材料色散与波长的关系,如图2—2所示。从图可看出,在波长1.29


m附近一个零材料色散波长入。有所移动,但移动变化甚微,而过了入。材料色

散微『F值。

材料色散50 单位:ps/(nm?km)0
.50 —100 一150 .200

幽2—2

4 i英玻璃材料色散和带宽之间的关系

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带宽是多模光纤的重要参数,大小决定了光纤通信系统的传输码速和最大通 信容量。从如图2.3所示看,似一个低通滤波器,当幅度下降O.5时,调制频率为 光纤的带宽B。或者说,光纤的带宽,就是调制信号的幅度相对于零频时的幅度, 下降到光功率的.3dB时的调制频率。 光具有波粒二象性,即:波动性和粒子性。如上所述,光的干涉和衍射现象 说明光本身具有波动性,但黑体辐射、光电效应则证明光本身具有粒子性,所以 既可以将光看成是一种电磁波,又可以将光看成是由光子组成的粒子流。光波在 光纤中沿子午线传播。所谓子午线就是指光线的中心轴线,它被称为子午线。在 光纤中,子午线应与光纤中心轴线重合。传光原理:光在光纤中传播,满足一定 条件会发生全反射现象。

H(0a-l(0)

0.5





调制频率f

图2-3多模光纤基带频响曲线

第三、光纤的传输特征。光纤的主要特性参数有: 数值孔径NA:光线在光纤中全反射的入射角的大小称为光导纤维的孔径角, 孔径角的正弦与入射光线所在媒质的折射率的乘积称为数值孔径NA。 数值孔径是表示光导纤维集光能力的一个重要参数,数值孔径越大表示光导 纤维接收的光通量越多,这有利于耦合效率的提高。但数值孔径越大,光信号畸 变也越严重,所以要适当选择。光纤模式简单地说就是光波沿着光纤传播的途径 和方式,光纤模式数量越少越好。 传输损耗:受光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等影响, 光信号在光纤中传播不可避免会产生损耗。可表示为:A_a
1--101990a)

16

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式中:l——光纤的长度 Q——光纤单位长度上的损耗

10.一光纤入射端的光强

卜光纤输出端的光强
2.3光纤传感信号的接收

信号检测过程是一个解调过程,它与传感器过程『E好相反,光信号检测技术 是研究从被调制的光信号中,还原出原调制信号的解调技术,还原得到的信号将
比例于被测信号。 光电探测部分由光探测器和相应的光路系统构成。目前用于光纤传感器的光

探测器,它视光路系统调制光性能而定。光波调制时基本性能都可能受到调制, 对应的检测为光的强度检测、频率检测、波长检测、相位检测和偏振检测等。 无论是功能型还是传光型光纤传感器,都有一个敏感头或传感臂,其作用是: 通过与待测信号的相互作用,将测量信息传递到光纤内的导光波中,或将信息加 载于光波之上。这个过程称为光纤中的光波的调制。光调制技术是光纤传感器的 基础和关键技术。 按照调制的方式,可分为:强度调制、相位调制、偏振调频率调制和光谱调 制等。相位调制是光纤传感器中最基本的传感技术,以灵敏度高著称,有十分广 泛的应用。例如,在1em长的光纤中,常用波长光波相位变化:A①=(2Ⅱ/九):Icl 数值达106rad,如果能检测出10‘3rad的相位变化,则导致lcm光纤总相位10。3倍 变化的物理量就能被检测出来。如果采用更长的光纤,则检测灵敏度会更高。
2.3.1马赫.曾德尔干涉仪的传感过程 图2—4为光纤马赫.曾德尔干涉仪组成框图,本论文应用此干涉仪主要对传感 信号进行快速精确地接收和解调。

该干涉仪的组成关键在于两路传感臂,所传输两路光信号,经探测器后,可 以检测出这两路信号的相位差,从而把被测信号提取出来。

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光源

耦合器

传感光纤

耦合器

探测器

解调器

图2-4光纤马赫一曾德尔干涉仪

马赫.曾德尔干涉仪是一透射式的干涉结构,没有返回光影响,它的相位信息 提取通过两路光纤臂中传输的相位差获得。相位差决定了光信号的调制信息,最 后经过探测器把信号提取出来,最后被解调器把信号提取出来。该仪器的结构, 有两路光信号的处理,为下一步处理解调信息提供了方便【14】。 马赫.曾德尔干涉仪的传感过程如下:被测量信号直接或间接引起干涉仪中传 感臂上的相位变化,此时信息为光强信息,被接收系统检测到,通过光强变化量 获得相位变化量信息,即可取得被测信息。在上图中,光源的光先是通过耦合器 分为两束,进入两臂后,会产生一个随被测量而改变的相位差,没有变化的一方 称为参考臂,另一方称为信号臂。两束光重合到一起发生了干涉。经过两路光信 号处理,最后得出相位差,转成电信号,进而光电信号的再次转换需要更高精度 来获得,从而获得被测传感量u51。 2.3.2相位传感的基本原理 光的相位传感,用干涉仪方法最好,增加了灵活性和可操作性。相位变化, 用光纤臂传到探测器。把相位变化检测出来。用光纤的特性、外界的物理场来调 制光纤所传光的相位,使其随外界物理场的变化而变化‘16171。最后通过相位变化, 得出信号的光波变化,光波上的强度信号再被解调出来利用。 干涉型的光纤传感器一般采用相位调制,其对应的相位检测方法有被动零差 法、相位跟踪零差法、外差法1181。 光纤的几个参数对光的影响很大:如总长度、折射率分布、光纤波导的尺寸 等,光在光纤中根据这些参数,从理论上可以得出相位的变化。通常意义上讲, 光速c与传播距离l,如果分析二者的关系,则其相位变化可用公式2.3:

口:一


2刀l~

(2—3)

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N是光纤纤芯折射率,v是光的频率,因此得到

△≯:兰塑(曲,刀+Al/l+A’,/v)


(2_4)

结论:v、l及n的变化都将导致输出光相位的变化。 根据调相的定义,调相波的瞬时相位是在载波相位的基础上叠加了随调制信

号变化的量‘19】。要取出原调制信号,可以把调相信号和原调频波相乘实现鉴相, 经过低通滤波器,即可获得所需的原调制信号。

2.4光纤传感器
2.4.1光纤传感器分类

光纤传感器技术的飞速发展,也为人们在各领域展开探测工程提供了方便。 如本论文的桥梁监测技术。光纤传感器通用结构如图2—5所示:光源和被测量为信 号输入端,传感头决定着传感器的结构和种类,到底是光纤本身变化还是敏感元
件在光纤内部的变化:然后是光电转换部分和信号处理部分。由此可知,光纤传

感器的应用还是光电转化上,把被测量如温度、压力等外界参数变化,转成光信 号强度和相位的变化,接着把光信号转为电信号,电信号可以更好地进行信号处 理。可以延长光纤的距离,实现远距离监控和复用技术。
被测量

图2.5光纤传感器的结构图

光纤传感器的分类方式,主要由以下几种方式: 第一、按照光纤在传感的过程中所起到的作用。本征型:将转速,加速度, 应变或位移信号直接调制在光纤中的光信号上。半征型:把诸如温度,湿度,容 积等信号调制在外部光上,而光纤直接作为传输信号的通道。 第二、按照光纤导光模数模式,包括单模光纤、多模光纤。前者的导光模式 为一种,直径小,失真小;后者传输模式多,缺点是失真相对大,但是容量大。

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第三、根据光信号的调制方式。信号调制在光的参数上,如:频率、强度或 者相位等,就有对应的调制类型。表2.1给出了目前光纤传感器的分类和功能。表 2.2说明了光纤传感器的作用机理和应用领域:
表2-1光纤传感器的种类和用途 传感器 光学现象 干涉(磁致伸缩) 干 相位调 涉 制型 型 光弹效应 干涉 遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 强度调 光纤微弯损耗 制型 振动膜或液晶的反射 非 干 涉 型 制光纤 温度型 光弹效应 频率调 多酱勒效应 制光纤 受激喇曼散射 温度型 光致发光s 振动、压力、加速度、位移 速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度 删
2 3 2 2

被测量 电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度 温度,振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位 电流、磁场 电场、电压 温度

光纤
SH、P蛆 SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM

分类
l l l 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2,l 2 2

干涉(电致伸缩) Sagnac效应

删 删


SM

删 删 删
SM

气体分子吸收 光纤漏泄膜 法拉第效应 偏振调 泡克尔斯效应 双折射变化


SM






注:姗多模;SM单模;PM偏振保持;1,2,3为功能型、非功能型、拾光型 光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内。外界信号(温度、压力、应变、 位移、振动、电场等)与光的相互作用,被测物理量是采取何种方式,调制到光 纤信号中,调制方式或者传光类型直接决定着传感器的性质。光纤传感器分为两 个大类,也是全球对传感器研究的两个方面:其一为用于生物、化学、医疗及环 境保护方面的应用:其二是智能材料构成的光纤传感器应用,如检测结构与应变、 压力、温度、振幅、桥梁负荷等参量,光纤光栅传感技术具有模范性【2叭。

山东大学硕士学位论文 表2-2 分类 光纤 在传 1F功能 感器 型 中作 用 光纤作为探头,直 拾光裂 接接受信号光 利用被测对象的 变化引起敏感元 强度调 件参数的变化,导 制型 致光强度变化来 实现 光受 偏振调 被测 制型 量调 制的 形式 被测对象引起的 频率调 光频率的变化来 制型 进行检测 容易实现,成本低 高 感器;温度传感 器 相位调 制型 被测对象引起光 信号相位变化 特殊监测系统,灵敏 成本高 度高 压、磁传感器 光纤陀螺,卢、 灵敏度不 传感器;大气传 速、振动、压力 光纤速度、流 测对象信息 高 力、振动传感器 的变化来传递艘 变化的影响,灵敏度 现 振动;温度、压 利用光的偏振态 可避免光源强度的 不容易实 场、电压;压力、 成本低 变换的影 响 电流、磁场;电 容易实现 接器损耗 移、气体传感器 结构简单 容易实现,成本低 较低 易受光源 波动和连 压力、振动、位 温度传感器 无需特殊光纤,比较 灵敏度比 速度计、辐射式 光纤只导光 丁艺简单,成本低 灵敏低 传感器 多数桥梁、应变 功能裂 传输光信号 作Jlj机理 光纤调制光并且 灵敏度高、体积小 价格昂贵 光纤传感器的作用机理和应用领域 优点 缺点 光纤特殊 光纤陀螺等 戍埘

在日常应用中,非功能型传感器应用相对较广,而且它的制作和应用非常容 易,所以目前常常应用非功能型传感器,而且在实际应用的过程中,可以充分应 用到光纤本身的优势和结构上的轻巧,可解决一些特别辣手的问题。但是无论哪
一种光纤传感器,最终都利用光探测器将光纤的输出变为电信号。

光纤传感器的组成由光源、敏感元件(光纤或非光纤的)、光纤探测器、信 号处理系统以及光纤等。由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件,被测参数作 用于敏感元件,在被测信号以独特的方式调制到光纤的光信号时,此光信号会发

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生参数的变化,从而引出不同调制类型的光信号。但是在末端,往往需要把这种 调制后的光信号转化成电信号,然后再做进一步信号处理。 2.4.2光纤光栅传感器工作原理 对于各种类型的传感器,在工程应用中往往比较挑剔,所选择的传感器既要 满足工程监测本身的需要,又要迎合当地的气候地理环境。传统的电类传感器的 抗腐蚀及抗电磁干扰能力方面比较弱,因此我们在桥梁及道路的施工中,易采用 光纤光栅传感器【2¨。 光信号的调制有许多类型,而且,还有一个优势,即一种调制方式,可以用 来测量多个物理量,而一个物理量,又可以采用多种不同的光调制方式。正是这 个原因,掌握光调制技术并加以巧妙地运用,就可能开发出更新的传感器。 第一、光的调制方式,分为内调制、外调制。前者是被测物理量通过某种方 式变为光信号,传到光纤中,光纤内特殊性质的材料会导致光的参数发生变化。 后者是外界被测物理量直接变成调制好的光信号,光信号通过光纤传导,光纤仅 仅起到导光作用。利用特殊光纤本身,对外界被测信号进行调制,属于功能型。 无论是内调制还是外调制,实现光强调制的主要机制有透射、反射、微弯、吸收、 荧光、折射率变化等。 第二、光相位调制及干涉测量法。相位调制是光纤传感器中最基本的传感技 术,以灵敏度高著称,有十分广泛的应用。例如,在1cm长的光纤中,常用波长 光波相位总变化总计变化【A o=(2Ⅱ/x)掌1】为106rad,如果能检测出10。rad的相 位变化,则导致lcm光纤总相位10。3倍变化的物理量就能被检测出来。如果采用
更长的光纤,则检测灵敏度会更高。

第三、偏振调制。单模光纤中的光波是线偏振光,这个线偏振光可以用两个 相互垂直的偏振分量来等效。对低折射率单模光纤,其拍长很长。在有限长度光 纤条件下,两个垂直偏振分量之间的相差很小,可以认为线偏振态发生明显变化, 导致偏振态调制,这是偏振调制的概念之一。如果传光光纤采用保偏光纤(高双 折射率光纤),它不受外界因素变化影响。在两根保偏光纤之间,插入一个偏振 敏感器,用来感知外界因素变化,这是通常采用的偏振调制方法。无论是哪一种 调制方式,偏振调制的机制包括:电光效应、磁光效应和光弹效应。

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第四、频率调制。与前面强度、相位、偏振调制不同,如果不计光纤的非线 性特性(如受激布里渊散射、喇曼散射等),光纤传感中的频率调制,主要是指 光学多普勒效应。多普勒效应,即是波源与接收者有相对运动时,接收者收到的
波频率是变化的。光纤本身只起到传光作用。利用这一效应可以感知流体的速度。

第五、颜色(光谱)调制。所谓颜色调制,主要是指传感头的光谱特性随外 界物理量变化的效应。目前已有应用的机制有: 热色效应:光纤中掺杂某些温度敏感类材料,温度的变化就可以改变光纤传 输光波波长的变化。
黑体辐射效应:光纤黑体辐射效应,它的变化依赖于外界高的温度变化,利 用这一性质可以进行高温传感。

荧光效应:荧光效应受温度影响比较大,进而我们可以测量物质的荧光效应, 反映出外界温度的变化。 光纤pH探测技术:利用某些物质的PH值受红光区的影响比较大,有时称为
透明度效应。

光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光纤传感器的测 量原理有两种。 物性型光纤传感器原理。物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性,
将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应,即光纤

在外界环境因素,如温度、压力、电场、磁场等等改变时,其传光特性,如相位 与光强,会发生变化的现象。因此,如果能测出通过光纤的光相位、光强变化, 就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传
感器。

激光器的点光源光束扩散为平行波,经分光器分为两路,一为基准光路,另 一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的 光相位变化,从而产生不同数量的干涉条纹,对它的模向移动进行计数,就可测
量温度或压力等。

结构型光纤传感器原理。结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与 光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质,所 以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

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光纤
图2-6结构型光纤传感器工作原理示意图

拾光型光纤传感器原理。用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其

反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器
等。

图2—7拾光型光纤传感器工作原理示意图 良好的系统兼容性能提供RS.232接口或者继电器和外端设备的互联,保证系
统快速运行,提高系统具有对突发事件的快速反应能力。可以与消防领域中使用 的其他系统进行联网【221。 光纤光栅传感器结构和传输特性如图2.8所示。在系统工作时,有信号光源发 出光,经过分光网络后,由光纤传输到现场进行参数测量。测量结果体现在选择

性地反射的一窄带光上,该光信号通过分光器进入信号处理电路。由信号处理器
输出温度测量信号并与设定值相比较,并输出相应的报警信号。光信号经过FBG 进一步处理,由模式耦合理论可知‘捌,其透射波的参量可以精确计算出来,进而,

计算出被测量的基本信息。在图2—8中,三个坐标图,,代表输入谱,,,代表传输
谱,12代表反射谱。

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ll

』一


..腔羁盈硒盈罕五呈匹配匹因







图2-8光纤光栅传感器的结构和传输性能分析

2.4.3光纤传感技术的应用 光纤有很多的优点,用它制成的光纤传感器(FOS)与常规传感器相比也有很 多特点:抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、 以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯 曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、 pH值等70多个物理量的测量,且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。光纤是 70年代为光通信而发展的一种新型材料,它主要是用玻璃预制棒拉丝成纤维,外 直径仅100~150微米。它与其他材料相比,有如下独特的性能:首先光纤具有良 好的传光性能;其次,传输信号频带宽;最后,它本身就是一个敏感元件。

现代通信方式,是将各类信息转换为数字信号,传输的主要设备是“数字光
纤通信系统”。数字光纤通信系统与…般通信传输系统一样,它由发送设备、 传

输信道和接收设备三大部分构成。现在普遍采用的数字光纤通信系统,是采用数字

编码信号,经“强度调制一直接检波”形成的数字通信系统。这里的“强度”是
指光强度,即单位面积上的光功率。“强度调制”是利用数字信号直接调制光源的 光强度,使之与信号电流成线性变化。“直接检波”是指在光接收机的光频上“直 接”检测出数字光脉冲信号,并转换成数字电信号的过程。

量=

m——li鼍!!!!鼍曼鼍曼!曼皇曼皇皇皇皇鼍亭鼍皇鼍曼鼍基皇寡!皇曼詈鼍曼鼍鼍
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总之,光纤传感器的原理就是利用光的不同调制方式,可以分成不同类型的 传感器;又可根据这种作用是发生在光纤通道外部或内部,又可分为不同类型的 传感器。光纤传感器(FOS)以其本身独特的优点,例如体积小,抗电磁辐射,环 境适应能力强,可灵活地应用在各个领域,并且在人们的生产生活中发挥着越来 越大的作用,未来也会有很广阔的市场前景。

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第三章高速高精度ADC电路的改进
当前,在我国市场上的ADC电路,多是电阻电容网络等结构,定位在中等转 换速度与精度范围,应用于高速高精度光纤传感的AD研究不多见,原因有设计 技术问题上的因素,也有制造工艺带来的因素,导致了AD电路在光纤传感领域 应用上的欠缺。 一种基于单片机技术的,大动态范围、高精度的光纤参数传感器的设计,用 双光路、可编程增益放大系统,用来实现大范围的温度测量,并且用12位ADC, 模数转换后得出被测参数的物理量。利用单片机系统达到高精度的要求,整个系 统有非线性校正、多点温度补偿、多种测量方式可选、LCD显示和键盘输入等功 能,且系统可与计算机通过RS一232接口通讯,将采样数据传输到上位机处理【241。

图3-1一种光纤传感系统电路图

一种常用的光纤传感系统电路图如图3-1所示,其中的AD电路部分决定着最 终系统采样的速率和精度。在AD研究的整个过程中,电路的设计原则是非常重 要的,可以从根本上对系统进行优化,也可以减少集成元件的个数,在不影响系 统输出效果的同时,优化电路结构,提高了系统工作的可靠性。
Pipelined ADC芯片高速高精度,而且内部CMOS芯片工艺制作好,功耗低,

可以减小芯片的体积和工作可靠性。当前,我国高端的ADC采样电路主要依靠进 口,因此这项技术的更新,将会对国内集成电路的发展,带来一定的促进作用。 国内研究所、高校和公司都在积极研究这一课题,设计有自主产权的高性能ADC
仍然是当务之急。

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光纤传感系统对于系统要求有如下:响应速率快灵敏性好,经过系统处理过 的信号噪声系数低,无杂散噪声等优点[251。在考虑这些内容后,我们尽量从电信 号处理上进一步下功夫,研制高速高精度的数据采样系统,就是今天研究的课题, 一种高速高精度传感技术。 AD采样电路,前端的测试电路非常重要。在电路中为使AD输入模拟信号, 不仅要求足够的带宽,而且还将单端的信号变成差分信号,提供给AD,以减小偶 次谐波带宽,也降低了信号的噪声。前端信号调试电路就是在AD转换前对信号 的增敏和对噪声的去敏过程,信号必须经过高性能的信号测试电路才能达到较好 的测量精度,而合理的数据采集前端处理结构能够简化电路,降低实现难度,保
证系统的可靠运行【26-271。

3.1

AD转换的一般步骤和取样定理
在AD转换电路中,信号从模拟状态开始的电信号,到最终变成的数字信号,

其中经历若干步骤,首先把模拟信号进行采样,然后再把这些取样信号值转换为 数字量。在信号处理的过程中,有时传感器输出的信息经过很长的距离才能到达 测量仪器,在传输的过程中会受到外界干扰,特别是受模拟小信号的影响,信号 干扰问题一般都是对应信号幅度的干扰,而相对信号的频率一般没有干扰,所以 可以把模拟量转为频率量,传输后再变成模拟量‘嘲。因此,要实现模数转化,需 要进行抽样、维持,量化和编码。 可以证明,为了无失真恢复原始信号,首先要满足乃奎斯特抽样定理。该定
理有如下要求:

正≥2丘(3.1) 式中:fs为采样频率,‰为输入信号的最高频率分量。
如果想把原始信号恢复,这就需要设计一个低通滤波器,:其电压传输系数 在零到fm烈不变,并且在零到采样频率之间为0,在采样频率和最高频率分量之 间正常传输,这样就可以把原始信号恢复出来。在AD采样保持电路中,采样频 率和低通滤波器之间一定要保持一致。 此外AD电路在设计时还应考虑到时间问题,采样信号需要一定的时间,因

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此需要设计保持电路,在采样时间内,保持信号不变。

因为每次完成取样,即取样电压转换为相应的数字量,都需要一定的时间,
所以在每次取样后,必须要让取样电压稳定一段时间。而在保持时间内的电压值, 就是下一级电路的输入电压。

如何实现电信号的数模转化,要把模拟信号转为数字信号,还需要对信号进 行编码。具体编码的过称是,把量化后的数据最小单位分割,最小单位越小,越 接近原数值,但是对于编码相对困难。编码首先根据量化分割后得来的二迸制, 编写成适应数字信号处理的码型。
取样保持电路的工作原理如下图3.2所示是一种基本的取保持电路,其中N

沟道场效应管作为取样开关,当控制信号vl为高电平时,T就导通,vi为输入信号, 此信号经鼬和T给电容Ch充电。如果R.i=Rf,则充电结束后,vo-.vi=Ⅵ,当控制 信号返回低电平时,T就截止。由于ch无放电回路,所以v0的数值就会被保存下
来。 其缺点是取样过程中需要通过Ri和T向Ch充电,所以取样速度受到了限制。

同时,Ri的数值又不允许取得很小,否则,会进一步降低取样电路的输入电阻。

1●●●p
I^

图3-2采样保持电路

3.2低压工作的高速ADC电路
本节给出了一种10bit
Pipelined

ADC,工作模式为低压状态。采用自举式时钟

采样技术和Cascode频率补偿等方法,该ADC可以在低电压下正常工作并取得较

高的带宽。当供电电压为1.8V,采样频率为62.5MHZ时,该ADC对于IMHZ的 输入信号进行转换,有效位数可达10位、52.2dB
SFDR、44.8dB SNR、44.3dB SNDR。

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3.2.1芯片结构

图3.3为10BitADC芯片内部结构框图。图中包括前置端的保持电路,然后经 过9级子Stage流水线结构,从流水线结构输出1.5bit的数据,并行置入延迟对准 寄存器系列,经过移位求和后,采用数字修正技术,输出10bit的数字信号,从而 完成模数转化。其中一个Flash单元,负责数字修正。 图3_4(a)为每一级的流水线结构框图。它由采样保持开关电容组成,还包 括子ADC和子DAC,加法器和两倍余差放大器组成。每级流水线,都同时工作。 第九级包含冗余码,输出2bit,采样数字修正技术。ADC总的比较器为19个,远 远少于同类型电路。大大降低了系统功耗和体积。每级的放大倍数为2,实际每级 的有效位是lbit,有3个数字码,讲过寄存器延迟,加法进位器相加,最后得到
10bit的输出。

图3-3 10bitAOC芯片内部结构图

为了降低开环增益的指标,使采样保持电路具有良好的线性,图3-4(b)所 示的输入和输出比较,保持采样后输出信号为线性,本设计增加开关电容的反馈 系数。

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,0



l /


图3—4(a)每级流水线结构图

., /Ⅵ7

/。

图3—4(b)流水线输入输出特性曲线

3.2.2误差

要研究PipclinedADC电路输入误差,则需把握在每一级中存在有效位和冗余 码,其中冗余码用于修J下。要保持级间的较大增益,才能使采样输出具有较高的 分辨率,进而进一步降低误差。设每个流水线输出13位精度,冗余码的开支X位, 有e位每一级输出的误差,G为每一级的增益,则可以用公式3-2表示:

%叫1+芝如≈÷
i=1

(3-2)



1一二


通常要求式3.2中的ei。小于LSB/2。其中G为2n.X。

信号的处理在本课题中,主要采用可调谐滤波器1291,把所要处理的AD转化 数据作出进一步修改。在ADC电路中,要追求高速高精度,主要是基于采样保持
电路的设计。但是仍存在着一定的误差,原因如下:

首先,每一级流水线也存在误差:该ADC输出的如静态、放大倍数等误差, 最后可以用修正技术加以改善。从图3.4可以看出子DAC电路的误差其实为前 ADC电路的增益,因此其误差也会影响系统采样精度。并且采样精度设计越高, 其误差就越为突出,因此可以采用修『F技术加以改善。 其次,有电容失配或系统噪声,给每一级流水线带来的误差。要采取避免失 码,使噪声失真小于小于LSB/2,因此失真的存在导致系统输出位数的主要原因。 最后,其他硬件带来的误差。如MOS电路特性,当MOS管作为开关关闭时,

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存在注入电荷现象。高速高精度的数模转化,对于开关的要求是非常高的;如对 于时钟信号驱动的寄生电容的存在。采用相同工艺和大小的NMOS与PMOS,可 以减少其带来的误差。 3.2.3输入采样保持电路 图3.5为Flip.around结构采样保持电路。该电路具有功耗低、噪声小、采样 速率快等优点,应用MDAC技术,使电路的反馈系数为l。提前让电路开关闭合, 可以减小电荷引起的误差。在开始两个输入端,只连接一个电容C。I与C。2,可以 减小电容失配点来的误差及增加系统的采样速度。 对于在传感技术常用到的lObit
Pipelined

ADC电路结构模式,要使电路输出

达到10bit以上的线性度(SFDR).对于MOS管的‰应满足:

。警≈忑甄1鬲
性度也随之降低。

@”

自举开关如图3_6所示,此开管电路的设计,取代了图3.5的M1和M2,可

以提高由此引起的SFDR。原因是两只管子的栅极上,当时钟信号不在是常数值时, vGs也会随之改变,电压的改变也就影响到了原信号的恢复,会导致失真现象,线



clk2

图3-5 Fl ip~around采样保持电路结构

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图3—6自举开关电路图

对于自举开关电路的分析为:在时钟信号为高电平时,M12工作,导致M10

工作,电容C两端电荷不能立即改变,导致电容上的电压不能立即转变,因此M1 1
的Vcs为输入信号和电源VDD的值,而且,进一步研究M1l的栅极也存在寄生电

容电压,使C1两端电压小于VDD,用公式3—4表示为:

‰=是‰
式中,CP为M11导通时栅极寄生电容。 于关闭状态。

(3-4)

当Clk为零时,此状态为开关闭合状态。因为M6工作,M11栅极为零会处

该电路具有提高栅极电压,减小CMOS管特性的导通电阻的作用。因此,具 有良好的线性,提高了系统的采样速率,

3.3输入采样保持电路的设计指标
本论文采用Pipelined ADCs中前置电路,应用合理的制造工艺,用公式和软

件仿真,能实现模数转化12bit\lOOMb.z的性能要求。对于本设计提出的各种子电 路,采用Matlab进行FFT分析。在结果仿真的过程中,就可以直接观察电路的输 出结果。最终可以实现13位有效位(ENOB),无杂散动态范围(SFDR)94.9db,,

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功耗24mW。 3.3.1电路原理



Ln phiI



II II






p/
phil’1

A>气

图3.7单端采样保持电路设计图

图3.7是本设计的采样保持电路,用两个开关交替导通与闭合,从而控制整个 电路的采样和保持性能。当p11il闭合,p址2断开时,信号直接通过电容耦合到运 放的输入端,完成对信号的采样;相反状态,运放,电容和开关2组成的是保持 电路,在完成保持的功能时,pllil和phil。要关闭,本设计中要求后者提前关闭, 该技术减少沟道注入电荷对电路的影响【301。

当Vm为小幅阶跃输入信号,保持信号时间较长时,、k约等于V佃,用公式
3.5可以表示为:


V0=圪(1一P 7)

(3.5)

因此,可以计算出其误差V一为:用公式3-6

‰=圪一‰=V‘e

一三


(3.6)

当使用IOOM/S的转换速率时,cll【信号为IOns,占空比为50%,t|是5ns。12bit

的系统精度要求误差V一,小于LSB/2。通频带用公式表示为:

p一2xp.t


131n 2

(3.7)

设增益带宽是500兆赫,应考虑误差的存在。反馈系统13为0.6时,可以计算
出带宽约480MHz。

由上图可以知道,当电容采样时,A点的电荷可以表示成QA=Ⅳ0-Vi。)c。,在

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保持功能时,A点的电荷可以表示为QA=(vA.V。。。)C。:其中v0。产AV.m。由电荷守

…闹孙‰2南
因此V舯r-V。旷Vi。=Vill[1^(A—1)】,该值小于LSB/2。即:

石‘万
A>8分贝13¨。
3.3.2开关设计指标

圪,吆

(3.8)

根据公式可以计算出,A>78.3分贝,而要使电路输出12为有效位,则需将

MOS的等效非线性电阻和耦合电容Cs组成低通滤波器,其决定电路的最大 采样速率和精度。在MOS的非线性电阻,会引起误差,从而影响低通滤波器的性
能。

滤波器的一个指标3dB带宽设计为:

五四2面丽1

(3.9)

其中Cp为Cs右端的寄生电容。带宽和精度之间的关系,要满足032】: 石扭>2‘州),2.无(3-10) 其中N为采样精度。在这里N取值12,£n为信号频率取值50MHz,c。和Cp
的和为1pF,则民。<70欧姆。

3.4对Pipelined ADCs采样保持电路的改进
随着光线传感技术的广泛应用,对于其性能要求越来越高。本ADC电路的改 进,基于对电路结构的重新设计,采样保持电路直接决定着该ADC的性能。电荷 重分配型采样保持电路输入共模范围大,给电路造成很大噪声。电容翻转型采样保 持电路的结构简单,两个电容所需面积小,信噪比较高。本电路采用电容翻转型。 3.4.1套筒式增益增强型运放的改进 用于高精度ADC电路的运算放大器包括折叠式和套筒式,对其要求主要从带

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宽和放大倍数两个参数衡量。运算放大器的设计,也是这一技术的关键环节。它 要求无米勒补偿,频率特性要好,响应快,增益高等优点,而套筒式正好满足这

一要求。采用增强增益的便可达到高增益,带宽也相对大的要求【331。

图3-8本设计的套筒式放大电路

图3.8为套筒式运放电路图。有9只MOS管和两个运放组成套筒式结构,电 路采用差分输入输出模式,M1M2的栅极为两个输入端,在M3M5之间和M4M6 之间差模信号输出,运放A1,A2分别为负反馈电路,大大提高了带动负载能力, 也提高了放大倍数。 4 29。l{【彳l(g。,+g础3)】0[A2(g。5+g柚s)rosro,】)
公式3.11为电路总的增益。
(3.11)

3.4.2开关电容反馈电路的设计 图3-9为开关电容共模反馈电路图。由9只MOS管和4只电容组成,电路 主要是对共模信号稳定反馈,从而消除套筒式增益采用全差动式的不足,减小共 模信号对增益的影响。特别指出的是,CMFB为反馈网络,V时为共模输出,BLAS 为共模反馈信号。

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图3-9改进后的开关电容反馈结构原理图

在phil=1情况下,可以计算出总电荷量如式3.12所示:

Q1=2(%一BLAS)’e+(‰+一CMFB)C,+(Vo“一一CMFB)C,
在p11i2=1情况下,可计算出总电荷如式3—13所示:

(3—12)

Q2=(吃,+一CMFB)(C,+cf)+(吃,-一CMFB)(C,一e) 由于上式计算出的电荷值守恒,如公式3.14

(3.13)

蚴=(毕吲+胱
管。

(3.…
MOS

总之,负反馈电路完成了电平检测(V咖计+V呲)/2、比较(V加t++Voul-)12一V。‘ 和反馈(V伽t++V0uI_)/2=Vrcf时,CMFB=BLAS。另外本设计加入了Dummy

3.4.3白举开关的设计 为了提高系统的线性特性,在本设计中,还需对电路开关进行改进。开关在 动作时,往往存在非线性电阻,如图3.10所示开关自举电路中。

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V∞

N咖



图3—10白举开关电路

自举开关采用跟随技术。 电路结构,集成电路工艺共采用13只CMOS管,其中M10为开关管控制输 入和输出信号和3只电容组成。在信号控制方面,存在输入输出端,PHI和N—PHI
时钟与互补时钟信号端。可以对时钟信号PHI讨论。

PHI为低电平时。经判断,C3充电,开关管M10截止。 PHI为高电平时,经判断M10栅极电压为C3VDD/(C3+cp),其中C3越大,VGS 近似于VDD,开关管就可以在充电电容的控制下导通。

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第四章仿真结果和桥梁监测工程中的应用
光纤传感器是光纤制造技术发展起来的新技术,它具备很多优点,抗干扰能 力强、绝缘性能好等优点,具有广泛的应用空间和市场前景。其功能已经具备测 量温度、压力以及电流等传感器的功能,因此决定了其广泛应用性。本课题结合 光纤通信技术和计算技术,通过软件仿真和把传感器放在桥梁上监测,最后还是 从计算机上得出监测图像,根据图像数据来判断大桥的健康参数。 目前,尽管光纤通信及光纤传感技术发展非常迅速,其技术成果也屡见不鲜, 但是光纤传感器还没有得到商品化的广泛应用,原因是传统的对光电信息数据的 采集,是以单片机作为处理器,应用传统的AD采样电路。在数据采集的过程中, 由于光电信号的精度和采样速率的限制,限制了光纤传感器性能的发挥。因此研 究出一种新的光纤传感信号的数据采集系统对于传感技术的发展有着非常重要的
作用。

在高分辨率图像、高分辨率视频处理器等领域,标准的CMOS数字集成工艺 十分实用。从以下几个方面可以充分体现出来: CMOS集成工艺可以降低成本。 CMOS集成工艺元器件功耗低,信号处理噪声小。
CMOS集成工艺便利性强,体积小,是最理想的选择。

在有CMOS集成电路的数字信号处理电路中,ADC(数模转换)是一个决定 采样和传输速率的重要部件,对高技术含量的CMOS集成电路的开发需要,也非
常期待【3刖。 在由CMOS T艺的电路结构中,决定ADC性能的因素有以下几个方面:由

于采用集成电路制作技术,因此要考虑其工艺水平,芯片体积和成本等问题。此 外,电路中多处用到了放大器及增益问题,和流水线结构问题,这些都必须进行 合理的电路图设计和精确计算。因此在设计的过程中,需要大量的理论技术,应 用了大量的现有成果,才能使理论计算变成可能性。在电路图的设计中,我们要 考虑到采用的工艺和信号处理技术,要有利于ADC的性能提高【35】。

39

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4.1改进前的ADC采样保持电路的分析
在原ADC采样保持电路中,其工艺和技术指标如表4—1所示:
表4-1芯片在改进前参数表

在分析ADC采样保持电路中,研究低频信号输入时,高频信号的采样,常常 采用码密度的方法【361。分析整个系统的电路特性,由于是集成电路技术,在电路 图仿真方面存在着较大的困难。如何对ADC电路进行结果仿真,是一个复杂的课 题,目前人们更善于利用专用的计算机软件进行仿真和图形显示。然后统计各种 分析结果,可以绘制成动态特性随采样频率变化的特性曲线来。用Maxim公司相
应的Matlab程序测得ADC的SNR为44.8dB,SNDR为44.3dB,SFDR为52.2dB, THD为一47.9dB 1371。

在研究ADC电路静态特性随频率变化的关系时,要采用合理的采样频率, 合理的采样幅度。以上分析,本电路的信噪比不理想,原因之一是自制测试系统
引起的噪声;原因二是采样电容值小。我们可以通过采用2.8bit级精度的结构。因 此,需要设计新的结构,增加级精度、运放来解决。

图4-1 ADC动态性能随采样频率的变化

40

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上图,是ADC动态性能随着采样频率变化的趋势。

4.2改进后电路的仿真和结果对比
本次设计改进了几种电路,电容丌关,自举开关,套筒式放大器丰富了原来 的采样保持电路。原采用保持电路的丌关电容具有非线性电阻,以及放大器存在

的反馈问题都造成了原电路采样保持性能上的不足,最高精度为10bit的有效位。
经改进后仿真后,在各个工艺角下,该电路都能达到12bit,100MS/s的高速高精 度要求。为下一步更高分辨率和采样保持电路的研制,打下了理论基础。在光纤 光栅传感器的应用过程中,这种ADC电路,对整个监测系统的性能,带来了很大 的影响。

120

噌●

、 与d ^矗nD 、, l 00

度数O 巧 如 巧
∞0 坦5

8O 6O 4O

20



l00101 102103 104 105 106

1071081091010频率Hz

图4—2运放的幅频和相频响厦

图4-2是套筒式运放在TT工艺角下,负载是5pF时的仿真结果。对于电容性

质的负载进行实验。可以看出运放的增益约为100dB,带宽约为980MHz。输入
9.96兆赫模拟信号时,对自举开关电路输出端进行1024点FFT分析当输入信号为 9.96MHz,对自举开关输出信号进行1024点FFT分析,可以得到信噪比为86.7dB,,

动态范围97.3DB,动态特性良好,满足设计要求。本结果观察了采样保持电路的 整体性能。采样电路能在输入信号9.76MHz,幅度为1v时,信号无失真。对整个
设计做1024点FFT,当输入信号为49.8MHz时,接近乃奎斯特频率,仍能保持 81.5dB的信噪失真比,有效位数町达到13.2位。光纤光波导衍射光栅传感器对丁:

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波长大于1300微米的光信号探测具有极大的优越性,因为在这种波长时衍射角超

过1度,声驱动信号频率为100MHz,在现实的工程应用中,可以采用干涉仪对基
本信号做进一步测量【38】。

4.3基于马赫.曾德尔光纤干涉仪数据采集系统实验的结果分析
研究本课题,除了利用软件技术直接对集成电路进行性能分析外,还利用了 马赫.曾德尔干涉仪结合DSP芯片,采用C语言程序设计进行实验。证明了ADC 采样保持电路内部配有乘法器和累加器,结构上采用了流水线工作方式,具有高
时钟速度和极快的运算能力【39】。

采集电路系统的测试,电路测试的步骤简单介绍如下:
1、将硬件系统和计算机成功连接在一起,包括接口和电源。

2、电路板系统检查工作,判断是否连接正常,最后,在对仿真板进行初始化。 3、启动计算机CCS软件,正确处理遇到问题,根据英文提示,给予处理和设置。 3、建立文件。和其他程序一样,对源程序编译,接着生成可以利用的工程文
件,扩展名为.out,最后把程序load到DSP。

如果利用『F弦模拟信号输入,从示波器上观察采样后的波形。在示波器上, 可以得到如图4—3波形,成功地进行了对模拟信号的采样和保持。

图4-3

示波器上显示波形

从图中4.4(a)PC机上观察采集波形,可以看出,本次电路改进能达到要求,

波形完整,失真度较低。

图4—4(b)PC机对输入信号的采样分析,当输入信号

频率为9.96MHz时,1024点FFT分析,分析出信噪失真比为86.7dB,动态范围

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为97.3dB。




誓-20
3.40

萋锄 靶
霉-80
霞.100
-120

l刳4 4(a)PC机上观察采集波形

图4—4(b)

Pc机对输入信号的采样分析

CCS软件。Windows简单化界面,易于操作。能编辑电路形式,实现仿真。
其功能的实现步骤要经过编辑编译、链接和仿真。软件正确设置好后,就可以对 电路进行调试了,关键应用了英语提示,和CCS命令输入。此外CCS还提供了丰 寓的输入输H{库函数和信号处理的库函数,极大地方便了软件开发过程1401。

4.4光纤传感技术在桥梁监测工程中的应用
光纤在非通信领域中的应用丌辟了一个新前景——光纤传感技术,光纤的一
个重要的优点是光纤传感与光纤传输线路能很好地相容,因而在许多大型复杂的 工j眦系统中,信息的获取和信息的传输完全可以由同一根光纤来完成1411。 目前用于桥梁结构的光纤传感器可分为以下三类【42l: 点式光纤传感器。传感元件自身尺寸比结构件小得多的光纤传感器,都属于 点式光纤传感器, 积分式传感器是指能测量一定范围内的某一参量积分值(平均值)的传感器。 分布式光纤传感器。分布式光纤传感器是可以沿空间位置连续绘出某一参量 的传感器,其主要特征参数是空间的分辨率和灵敏度。 像传统的监测系统一样,光纤传感监测系统一般山三个部分组成:传感器系

统、数据采集传输系统和数据分析评价系统。传感器子系统如图4.5所示,它是整
个监测系统的重要组成部分。主要作用是从外界获得被测信息转换信号,同时还 必须满足一定的精度。在实际应用中,还应该考虑到其它因素,例如传感器了系

统的精度、耐久度、抗破坏能力强。凶此,传感器子系统的性能好坏也是桥梁健

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康监测工程的系统衡量指标之一。

l位移传感器卜
分布式光纤传黛器系统

l漏摩传威果卜-——_’ I麻蛮传臆器}.——-'

P B G

I漏府佶成果卜_——斗


I位移传感器卜
准分布式光纤传撼器系绗 图4-5

I麻蛮传礴器}_——一

B G

传感器子系统

数据采集子系统如图4-6所示,其主要功能是解调出由传感器系统采集到的信

息,它的结构和数据处理方式要和子传感器系统一致。通过传输线或以太网,经 过客户端计算。服务器发挥的作用,一方面传输数据和下一级网络连接,另一方
面也是桥梁健康监测工程的系统扩展的关键组成部分。
CpTB

图4-6数据采集和传输系统

图4—7为数据采集和传输系统。实践证明,该系统可以实现数据的存储、查找
和提取功能。数据处理的核心内容是要提取特征信息,采用数字图像处理的方法,

对信息再进行智能处理,获取有用的数据和异常数据,在此基础可以实现对桥梁
的健康诊断和安全评估。

山东大学硕士学位论文 图4-7数据分析与评价系统

在工程中常采用FBG(Fiber

Bragg

Grating)系列传感器系统,光纤传感系统

施工如图4—8所示,施工现场比较混乱,环境复杂,因此要求施工人员要掌握光纤 传感器的原理和熟练具备光纤熔焊技术等。相对于传统电缆的施工,其人员素质 和仪器精度提出了更高的要求。

图4-8光纤传感系统施r

钢筋应力传感器代表其周边围岩应力作用和混凝土收缩
作用下发生应变,从监测结果看,其应变和混凝土应变规律类似。拱架应变不断 减小,并随工程事件发乍趋势应变。桥梁断面结构如图4-9所示。

箱 侧向限 滑 墩



9桥梁断向结构

采样速率为50Hz,每次数据采集是瞬间动态过程,经过六个月的测量,测出了

桥梁某一断面的波长变化,图4.10是根据采用FBG解调仪器动态采集数据为基础 绘制的。其巾有温度传感器、钢筋应力传感器及混凝土应变传感器。从监测结果看
该断面曾被掘进破坏,温度传感器代表混凝土喷射后发qi明显的变化:混凝土应力 传感器代表前期凝固过程,产,卜的是J|i应变,应变性质…桥梁负荷类型决定14引。

山东大学硕士学位论文 传感器变化

时『nJ

图4-10采用FBG解调仪器动态采集数据

顶部拱架钢筋应力计与混凝土应变计同时埋设,不同位置的传感器反应出不 同的应变规律:在同一断面,顶部拱架应力比两腰的轴向应力大,且越靠近底部 轴力值越小。在监测中,通常需要对如下点进行程序设置,主要包括主梁应力, 主塔应力,锚箱应力,主塔温度,索温度,索力,主塔位移,梁动测等。如表4-2 实体属性对应技术关系表所示:
表4.2实体属性对应技术关系表 主梁应力 主塔应力 锚箱应力 主塔温度 索温度 索力 主塔位移 梁动测 监测时间,测点测量值,测点ID,荷载ID 监测时间,测点测量值,测点lD,荷载ID 监测时间,测点测量值,测点ID,荷载ID 监测时间,测点测贯值,测点ID,荷载ID 监测时间,测点测量值,测点ID,荷载ID 监测时间,测点测量值,测点lD,荷载ID 监测时间,测点测量值,测点TD,荷载D 监测时间,测点测量值,测点ID,荷载ID

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第五章总结与展望
光纤传感技术在桥梁健康监测应用的成果,会越来越得到重视和应用,一旦 桥梁系统能应用这项技术进行健康监测,那么诸如交通安全、设施损坏、设施质 量问题就可以得到合理地解决。伴随着计算机技术的提高,电子制造技术的进一 步发展,这项技术会更加能降低成本、提高工作的可靠性和易操作性,能更好地 应用在桥梁健康监测工程中去。这样就会对国民经济的发展、人们生活的改善甚
至军事力量的进步,都有着非常重要的意义。

5.1课题总结
本课题以理论结合实际为基础,桥梁监测工程是当今社会发展的需要,关系 国计民生,因此立足这个课题,运用光线传感和电子技术方面的知识,介绍了传 感器在桥梁监测工程中的应用,并对传统的桥梁监测技术加以改进,向更高速高 精度方面发展,以达到追求精益求精的目的。 课题先介绍了桥梁监测的背景知识,然后阐述了光纤传感技术和ADC转换电 路的基本知识,关键技术是对传统的ADC前端采样保持电路给予理论上的改进, 以便更加适合光纤传感和信号处理,在课题的后部分,关键是结合工程实践方面 的知识,给整个系统给予解释。结合一定的实验,证明了,该课题是一种基于桥 梁监测工程的高速高精度光纤传感技术。 论文的具体技术是Pipelined ADCs的前置电路,改进了电子开关,套筒式增
益和集成运放。采用自举时钟电路,Cascode频率互补技术,从原来的12位100

兆速率,成功地提高了一位,并没有牺牲原来的带宽和采样速率。基于SMIC0.13 微米,3.3伏工艺,在集成电路制作方面得到了很大的提高。电路的改进,关键是 参考了大量的文献,并进行了一定的计算,晟后选取了合理的结构。通过AD前 端采样保持电路的改进,提高了系统的采样速率和精度。 论文的另一应用是基于马赫.曾德尔光纤干涉仪组成的完整高速数据采集电 路,用于实验,该检测电路成功地传输和转换光信号,在光纤臂上得到光信号的 相位差,而解调出原始信息,该干涉仪对光纤传感器本身的使用更加提高了信号

47

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的利用率,保证避免信号失真,大大提高了该监测系统的采样速率。 在光纤监测系统的设计上,更注重运用光纤复用技术,计算机网络技术。信 号复用技术决定了该系统的传输信息能力大,一条支线可以连接若干个监测点从 而减4,Y施工量,更加有利于维护和保养。 计算机网络技术加强了对采集信息的存储和信号处理功能,能及时通过通信 系统传递到监测点,在中心计算机上显示相关的状态。使监测更加人性化。

5.2信号采集部分的进一步改善措施
对于ADC采样保持电路,由以下情况决定其高速高精度性质 第一、跟踪特性。当系统输入数据时,要在尽短的时间内传输并接收到。在 数字信号的控制下,受到集成电路的延迟时间制约。 第二、保持特性。在收到信号后,为了下一步处理,需要寄存器来储存信号。 以上这两种状态,需要程序自动执行,需要编写跟踪和保持程序命令,为下

次采样做准备㈣。
在一套完整的监控系统中,采样保持电路主要发挥以下作用: 能实现快速锁存信号,在信号处理的过程中减小误差的存在。 可以在短时间内,快速存储若干的模拟信号,这样才会提高ADC电路的采样 速率,并且能精确地制定量级,减少由于量化带来的误差。 用程序取代传统的脉冲作为AD转化的命令,一方面可以保证采样保持间的 同步,容易修改受到控制,另一方面也是牺牲了硬件电路固有快速时钟。用编程 模式控制AD采样,有利于后面的DSP和微处理器处理所采集到的信号,对于本 论文,有明显的控制作用。 传统的软件编程模式,占用微处理器的存储空问,并且会增加系统的不可靠 性。因此可以设想在CPLD内专设一部分,用于DSP本身固化程序,这样可以从 一定程度上增加系统的可靠性,提高系统的采样频率。 在通常的设计方案中,为了增强系统的程序的移植性和便于编写阅读,从用C 语言对DSP进行编程。汇编语言更加接近于机器语言,更有利于程序在执行的过 程中缩短时问。因此可以尝试用汇编语言完成最后DSP程序的写作,或是c语言

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和汇编语言相结合的方法,目的是减少程序执行的时间,提高程序执行速度,进 而增加DSP对AD采样保持电路的程序控制力,提高转化效率。

5.3本AD芯片自身存在误差的原因
Pipelined

ADC作为DSP的前端采样保持电路,其内部也存在一些问题影响最

终的结果判定,总结如下: 第一、是芯片内部ADC电路的原因,存在失调和增益上的硬件问题,这就导

致系统最后出现误差的可能。 第二、芯片内部电容元件的不足,存在诸如失配现象,最终会导致出现噪声, 甚至影响放大系数,对芯片的采样频率也会降低。 第三、芯片内部电容失配、噪声、运放的增益限度和级问放大倍数的误差。 其中的增益误差,直接影响着芯片的采样有效位数。
第四、子DAC的产生误差原理同ADC一样,由于硬件问题,也存在失配、 噪声、运放增益等带来的系统误差。

第五、在MOS管,作为开关被连接到电路中时。在关断的瞬问常有电荷注入 现象,从而影响CMOS电路的输出结果。 第六、在电路设计过程中,其内部寄生电容的存在,在MOS管关断时,栅上
的时钟信号会驱动电容,带来一定的误差。

总之,尽管我们采取一些措施,例如在ADC电路中,每一级输出的数字修正 技术,可以补偿这些的误差的存在,但是仍然会影响系统的采样频率。 光纤在导光的过程中,容易受到如下因素的影响:如温度、压力、位移等, 从而导致光波参量的强度、相位、频率、偏振态等也会发生变化,从而只要监测 这些量的变化,就可以测量出响应的量。光纤传感器机理主要包括强度型、干涉 型以及布拉格光栅型三种【451。 在实际的应用中,光纤传感器存在着许多需要注意的问题f461: 第一、桥梁结构工程的设计寿命通常在五十到一百年,而光纤传感器从开始 应用在此工程中仅有几年甚至十几年的时问,因此其长期性能和耐久性能还无法
得到时问验证。

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第二、光纤的连接相对困难:采用熔焊方法,专用设备成本贵重,工艺要求
高,会造成光能上的损失。
表4-1三种传感器性能比较 指标譬l度量芝 精度 加工工艺 成本 技术成熟性 嵌入性 可否分布测量 变形能力 线性度 性能稳定 监测参数 耐久性 响应频率带宽 信号解调设备 低 简单 低 成熟 可以 可以 好 一般 较好 多 好 宽 简单 {吨F型 较高 复杂 高 较成熟 较难 否 差 一般 较好 少 较好 窄 复杂 光】_● 高 较复杂 较低 成熟 很好 可以 好 较好 好 多 好 宽 复杂

第三、Fabry-Perot类型的元件,需要独立使用单根光纤,占用单独的采样通 道,不如光纤光栅性能,测量效果好。 第四、光纤光栅的反射波测量微米级的波长,对设备精度有很高的要求,因 此其测量精度难以保证。 第五、在传感器串接应用的场合下,一方面要选择合适的布拉格波长,既要
保证匹配,还要考虑到波峰位置无重叠;另一方面要考虑单一传感器与测量点之

间的联系,以免造成测量误差。 第六、对于以太网的数据分析和传输,本文没有详细介绍,但是多线程技术 的应用,在网络节点上,如何节约设备,如何有利于系统的升级和扩展,还有很 大的研究空间。

5.4课题展望
随着计算机、电子、通信网络等技术的发展,这种高速高精度光纤传感技术 在桥梁监测工程中也会得到越来越广泛地应用。CMOS芯片的开发,会缩小系统 的体积,降低成本;光纤传感器有其本身持久性的优点,特别是复用技术,施工 简单。如能在每个桥梁设施上都安装这种系统,就能很好地利于民生。

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现在交通问题是当前最棘手的问题,交通堵塞,交通安全,设施不够齐全等 因素仍制约着民生和经济的发展,而在今后的交通改良中,这项技术也最为显耀。 对于在本章5.3参考文献中出现问题,可以采取如下措施克服: 首先,选用稳定可靠的传感器,和系统采用局域网,构建稳定可靠的信号传 输网络;其次,主要传感器,采用便于更换的表面黏贴式:最后,要长期对大桥 进行健康监测,定期检查和长期检查相结合,通过分析桥梁的整体性能和变化规 律,逐渐减少养护管理难以检查的项目,进一步降低监测成本。 本文提出了从系统末端的电路改进,来提高桥梁监测工程的性能,但是还有 很多方面制约着其精度的提高。如何开发更高精度的数据采集系统,将是下一步 面临的难题,光纤光栅传感器本身还有开发的空间。另外还有计算机组网技术,
合理的多线程技术也是这一领域的关键技术。

桥梁健康监测工程,运用专业知识非常广泛。由于课题研究时间和本人知识 水平有限,本文也有很多不完善的地方,我将继续在导师的指导下,继续对光纤 传感技术在桥梁健康监测工程的应用进行改进和研究,望各位专家和同行多提宝
贵建议。

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参考文献
【l】王跃年,胡海波.明尼阿波利斯市州际公路1-35W大桥坍塌事故调查.世界桥 梁.2008,(4):68.69 【2】姜德生,Clans RO.智能材料器件结构与应用.武汉.武汉工业大学出版社.2000 【3】赵星光,邱海涛.光纤Bragg光栅传感技术在隧道监测中的应用叨.岩石力学与工
程学报.2007,260):557

【4】欧进萍.重大工程结构的累积损伤与安全评定[C】.走向21世纪的中国力学.中国 科协第9次青年科学家论坛报告文集.北京.清华大学出版社.1996:179.189

【5】王益群.基于实时数据采集的结构试验系统的研究与开发.南京席京工业大
学.2006,5:15.18

【6】6唐斌,陈水倍.高速数据采集系统的研究.成都航空职业技术学院学
报.2005,21(2):47-49 【7】T.GGiallorenzi,J.A.Bucaro,A.Dandridge,GH.Sigel,JR,J.H.Cole,S.C.
Rashleigh and R.GPriest,”0Iptieal fiber sellsor technology".IEEE Journal of

Quantum Electronics.V01.QE-lS,No.4.1982:626—634 【8】B.Culshaw.”Fiber optics
Topics in in sensing

and measurement".IEEE Journal

of Selected

Quantum Electronics.2000,6(6):1014-1021
status ofoptical

【9】B.Ice,"Review ofthe present

fiber sens0飓”,Optical Fiber Technology.2003,9:57—59

【l 0】郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版 社.2006:149

【ll】安毓英,曹小东.光学传感与测量.电子工业出版社.2001:186
【12】Yannian Wang,Zhuangde
fiber
sensor

Jiang."Application ofgolay codes to distributed optical

for long-distance oil pipeline leakage and exemal

damage”detection.Chin.0’pt.Lett.2006,4(3):141?144 【13】Duan Mengmeng,Chen
changle,Lei songhc etc."study
on

absorption fiber-optic

temperature sensor”.Acta Photonica

Sinica,2006,35(8):1207-1210

【14】曾楠。干涉型光纤传感器用于声场和加速度检测的研究.北京.清华大学.2003 【15】李听彤.干涉型光纤传感器实用中若干关键问题的研究.北京.清华大

52

暑皇鼍音詈鼍穹i———一
学.2003:7.1 3

【16】C.N,Inaudi,DSMARTEC.”bringing

applications”.Optical Fiber Sensors Conference.1 5th.2002:27-30



山东大学硕士学位论文

一-…,
sensors

m——!詈鼍篁皇詈皇

fiber optic

into concrete

【17】秦培林,杨春森.光纤振动传感器在安防周界中的应用.装备制造技术.2005,4 【18】张志鹏.光纤传感器原理.中国计量出版社.1991:163 【19】林春方.高频电子线路.电子工业出版社.2007:118 [20】肖军,王颖.光纤传感技术的研究现状与展望.机械管理开发.2006,12(6):80.84 【2l】魏广庆,施斌,胡盛等.FBG在隧道旌工监测中的应用及关键问题探讨.岩土工程
学报.2009,3 1(4):571 【22】Jackman R
J,Brittain S T,Adams A,et a1.Design and Fabrication of Topologically

Complex,Three—Dimensional

Microstructures.Science,1998,280(5372):2089-2091

【23】杨华勇,周伟林,李志忠等。窄带激光器调谐的光纤光栅技术移位解调.半导体光 电.2005。26(1):75-78

【24】者明礼,王俊强。基于单片机的宽范围高精度光纤传感测温仪的研制.电子技术 应用.2001,(12):19.21 【25】高庆.基于DSP的FBG和光纤F-P传感器通用解调系统研究.重庆大学博士学
位论文.2005

【26】李晓波,侯孝民,欧宏武.数据采集系统的前端设计.指挥技术学院学
报.2000,11(1):99-104

【271赵小英,赵艳,任力生.高速数据采集系统预处理系统.河北工业大学学
报.2000,29

【28】冯柏群,祈和义.检测与传感技术.人民邮电出版社.2008:190
[29】B.Culshaw,Optical Fiber Sensor
Pitfalls,Journal of Lightwave Technologies:Opportunities and Perhaps

Technology.2004,22(1):39-50
double-sampled
On

【3 0】Sounak

Roy,Swapma

Banerjee.A 9bit 400MHz CMOS
st

Sample—and—Hold Amplifier[A】.IEEE 2 1

International Conference

VLSI

Design[C].2008:323—327 【3 l】Ke liu,Hai—Gang yang.optimum.Design
ofA Fully Differential 1 2bit 1 00MS/s

Sample and
Conference

Hold Module with
on

over

77dB

SFDR[A].IEEE 7th International

ASIC[C].2007:442—445

山东大学硕士学位论文

【32】郑晓燕,仇玉林.10bit 80MSample/s流水线ADC的电路级设计阴,电子器
件.2007,30(5):1819-1825

【33】蔡坤明.电路与系统学报.科学出版社.2010,15(3):35—38 【34】陈震初.发展我国数据转换电路的几点建议.微电子学.1998.28(4):233-235 【35】王继安.高速高精度ADC集成电路的研究与设计.电子科技大学.2008,09
[36]Maxim.Hi stogram [37]Maxim.Dynamic
testing determiners DNL and INL errors.2003

testing of high—speed ADCs.2001

[38]王俊杰,姜德生,胡勇勤等.基于可调谐滤波器的带中心波长自动跟踪光纤光栅 动态波长解调技术的研究.光学技术.2005,31(6):881.883
[39]Texas
Instruments Incorporated.TMS320C6000 DSP Interrupt Selector

Reference Guide.Texas Instruments Incorporated.2004,3

[40]尹勇,欧光军,关荣峰.DSP集成开发环境CCS使用指南.北京.北京航空航天大学 出版社.2003 【41】以本身,刘延冰.光纤技术在电路中的应用及展望【J】.信息与开发.1995,(2):25-27 【42】卢哲安,符晶华,张全林.光纤传感用于土木工程检测的研究-关键技术及实现途 径【J】,武汉理工大学学报.2001,23(8):37-41 【43】张帅军,李云.光纤传感技术在城市地铁工程监测中的应用.隧道建
设.201 0,30(3):262-267

[44]祝诗平.传感器与检测技术.北京.北京大学出版社.2006:67 【45】刘山洪,魏建东,钱永久。光纤传感器在桥梁监控中的应用分析.重庆交通学院学
报.2005,24(3):4-7

【46】刘德煜.用于应变测量的光纤传感器四.桥梁建设。2003,(2):71N72

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致谢
本论文从开题到最后完成,用了两年的时间。在这段时间里,我查阅了大量 的书籍杂志资料,甚至网络,同时经过三次大范围的改写,经导师的指导,终于 写完了这篇关于光纤传感技术在桥梁监测中的应用论文。 首先,我要感谢陈辉教授给我的悉心指导。在论文写作期间,陈老师给我提 出了许多建议,提供了大量的技术资料,使我的专业水平有了很大的提高,在开 题的时候,我当时选的课题侧重于单片机,缺乏创新,缺少技术含量,陈老师耐 心地帮我选题,建议我选光纤传感器方面的,这代表新的科技含量。新的知识, 开拓了我的视野,提高了我的业务水平。作为一名高职教师,我讲过《光纤通信 技术》这门课程,之后教了许多关于电子信息技术方面的课程。经过陈老师的一 番指导,使我在教学工作中,拓宽了知识面,提高了教学能力。培养了我求真务 实的工作作风。 其次,我要感谢我的父母。即使在我参加工作后,他们也给了我无私的鼓励 和帮助,感谢他们给了我一个和谐的家庭,能让我体会到生活的幸福。 最后,还要感谢我大学时的同学,他们研究生已经毕业,也有的在相关领域 工作。本论文的有些方面经过了他们的帮助,提供了有关技术和资料。 我会进一步学习这些精神,争取让自己的学业和事业更上一个台阶。

朱新亮

55

学位论文评阅及答辩情况表
专业技术


姓名 论


是否博导 (硕导)



所在单位

总体评价※

匿缸
匿绝.





宦社 匀涎




姓名 主席 答 辩 委 员 会 成 员 员 委

专业技术


是否博导 (硕导)



所在单位

鑫墟 敷投
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关 是


幽东,印恁大学
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乒f乙极 旅鬏 旅缓

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答辩委员会对论文 的总体评价※ 备注



答辩秘书/乏




答辩 日期
2,ol

2-.ej卉



※优秀为“r;良好为“B”;合格为…C;不合格为“D”。

一种高速高精度光纤传感技术在桥梁监测中的应用
作者: 学位授予单位: 朱新亮 山东大学

引用本文格式:朱新亮 一种高速高精度光纤传感技术在桥梁监测中的应用[学位论文]硕士 2012


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