基于总体平均经验模态分解的光纤周界预警系统模式识别方法

针对光纤周界预警系统输出信号的非平稳特性,提出了一种基于总体平均经验模态分解(EEMD)的模式识别方法。预警系统基于Mach-Zehnder干涉原理,利用4条单模光纤构成分布式扰动传感器,实时监测周界入侵事件。该方法引用具有自适应性的EEMD算法将振动信号分解成多个本征模态函数(IMF)。根据不同振动信号能量各异的特点,提出EEMD能量熵的方法排除非入侵的干扰。最后建立双重支持向量机对入侵信号进行识别。实验结果表明:该方法可以有效排除非人为入侵的干扰,准确识别攀爬、敲击和其他虚警信号,平均正确识别率优于92%,提高了系统的报警识别率,降低了误报率。     

新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究

介绍了一种基于萨尼亚克(Sagnac)干涉仪的直线型分布式光纤管道泄漏监测系统,实时进行管道泄漏监测和定位。此系统有两条传感光纤,可有效提高管道监测距离。推导了泄漏信号引起的光信号相位变化表达式;分析了该干涉仪应用于泄漏检测的原理及其泄漏源定位方法,并在分别距两传感光纤末端的法拉第旋转镜为3.990km和4.024 km处进行了泄漏检测实验。管道泄漏实验结果表明,该系统较准确地确定了泄漏源位置且定位误差小于1.05%.     

基于DSP的嵌入式在线振动信号分析系统

为监测机械设备的工作状态,对机械设备工作过程中产生的振动信号进行采集、处理和分析,从而实现系统的状态监测、故障诊断以及寿命预测等。但目前振动信号分析系统体积较大、不方便携带,多用于离线的振动信号处理,难以完成机械设备振动信号的在线实时分析。针对振动信号离线分析系统存在实时性低、体积大等不足,设计了基于TMS320C6713 DSP的嵌入式振动信号采集处理系统,以满足机械设备振动信号采集、处理和分析过程中对采集、处理实时性,系统便携性等需求。详细介绍了系统的软硬件设计原理和方法,利用美国凯斯西储大学的公开轴承测量数据集对系统的各项功能和技术指标进行实验验证。实验结果表明,该系统能够正常工作且可应用于实际工程中。另外,系统支持功能和算法扩展,以满足不同机械设备的振动信号采集、处理和分析需求。     

双边缘均值光纤Bragg光栅波长解调技术

光纤Bragg光栅（FBG）传感器是一种波长调制型传感器，波长解调技术是FBG传感系统的关键，通常是对FBG反射谱进行波形采样，得到反射谱的峰值信号，以此作为FBG中心波长的特征值。这种方法需要实时采集大量数据，所以影响解调速度。通过对FBG反射谱的分析，得出FBG反射谱具有很好的对称性。在此基础上提出了采用反射波双边缘均值的方法测算中心波长。实验证明，采用这种方法进行波长解调，可以使FBG信号处理简单、动、静态波长时测算精度高，可以极大地提高解调系统处理FBG传感信号的速度。     

基于相关性原理起重机负载电机监测系统设计

对起重机负载电机进行了研究,采用西门子公司的S7-200 SMART PLC采集负载电机的机械振动信号,通过工业Wi-Fi无线模块以无线数据包的形式将采集的数据汇总到上位机LabVIEW监测平台。上位机的LabVIEW监测平台对电动机振动信号进行相关性和频谱分析,将实时振动数据频谱信号和已知常见负载电机的轴承外圈故障、轴承内环故障和滚子故障三种典型的故障状态频谱信号进行相关性运算,得到实时信号与已知状态的相关系数;提出了以相关系数作为故障诊断判定阈值的方法进行故障诊断,实现了对起重机状态进行监测以及监控信息发布。     

双长周期光栅调制的光纤光栅光谱分析及其在智能结构监测中的应用

提出一种双长周期光栅(LPFG)调制光纤Bragg光栅(FBG)传感器光谱的方法。双LPFG是由两个中心波长一致的LPFG构成,FBG反射光谱位于双LPFG透射光谱的线性范围内。在对FBG及双LPFG光谱分析的基础上,利用双LPFG的带阻滤波特性,获得FBG反射光经双LPFG调制后的出射光谱并进行分析。将FBG粘贴于钢梁表面,当钢梁产生弯曲应变时,FBG光谱的中心波长发生偏移,经双LPFG调制的FBG光谱的峰值随之变化,引起双LPFG出射光强的变化。采用光电探测器监测经双LPFG调制后FBG的输出光强,得滤波后光强与FBG中心波长变化成线性关系,可探测的材料(钢梁)最小应变为1.05 με。将该方案应用于光纤智能结构冲击监测中,采用摆锤冲击法对四边固支碳纤维板(CFP)试件进行冲击,利用FBG测量板结构的冲击响应信号,系统采集到的动态信号时域波形及频谱与电涡流位移计的测量结果吻合得很好, 实验结果表明采用该调制、解调方案测量结构的冲击响应是可行的。研究结果为FBG在光纤智能结构动态监测领域提供了实验参考。     

基于广义互相关技术的马赫泽德振动检测系统

针对马赫泽德干涉系统振动事件定位性能有待改进的问题,构建了双路马赫泽德振动检测系统,分析了时延估计振动定位原理,提出了用于双路探测信号时延估计的广义互相关算法,增加了信号频域分析的灵活性和可行性,通过数字滤波减小了系统的定位误差。实验结果表明,系统可以准确检测与定位施加在传感光纤上的方波信号、冲击信号及敲击信号,并在传感距离为940m长的光纤上实现了小于20m的定位误差和可重复的稳定检测。从而为光纤振动传感技术在矿业与工业等领域的推广应用提供了一种新的解决思路。     

敲击乐器弦振动的Matlab可视化模拟

敲击乐器能够演奏出优美动听的音调旋律,其敲击工具与弦振动之间存在着规律性数理关系,不同形状的锤击工具,产生的音调具有明显差异.利用数理方法推导出敲击乐器采用不同锤击工具(平面锤、余弦凸面锤、细棒锤)产生的弦振动波动方程,通过计算软件Matlad)实现对弦振动复杂的波动方程数值求解,以直观的图像形式对弦振动进行了可视化仿真模拟.     

基于FBG非均匀反射谱特性的波纹型复合材料蒙皮渐进损伤监测

提出利用布拉格光纤光栅(FBG)非均匀反射谱监测复合材料结构渐进损伤的方法。对波纹型复合材料蒙皮样件进行有限元分析,预测蒙皮在拉伸载荷下失效过程和对应临界失效载荷大小,据此重构FBG传感器的非均匀反射谱,获得铺层失效与传感器反射谱的对应关系,并为实验光谱记录提供参考。构建一种基于FBG非均匀反射谱监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的监测系统,进行拉伸实验,实验结果表明系统实测光谱与重构的反射谱趋势相同,对应失效载荷与预测值最大误差为8.6%,证明了采用FBG传感器监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的可行性。该方法通过实时监测预测失效范围内FBG非均匀反射谱的变化,简单易行,测量及传导光路实现全光纤化,无需破坏试件结构,即可实现对波纹型复合材料蒙皮渐进损伤程度及铺层失效次序精确、迅速的在线监测,研究结果为智能蒙皮动态监测领域提供新的思路和实验参考。     

基于时延估计的光栅阵列管道泄漏检测与定位方法研究

城市燃气在管道运输过程中存在很大的安全隐患，一旦发生危险，后果不堪设想，燃气管道泄漏的监测与定位意义重大。为解决目前大部分管道泄漏检测与定位方法存在的易受环境干扰、精度低、适用范围窄、计算难度较高等问题，提出了一种基于时延估计的光栅阵列（wFBG）管道泄漏检测与定位方法，该方法通过光栅阵列技术采集振动信号，根据采集到的泄漏振动信号时域、频域上的特征，首先通过基于短时能量分析的方法检测管道是否泄漏，然后对满足要求的信号片段进行峰值间多项式拟合获取泄漏信息到达的时刻，最后根据时间差定位泄漏点。实验结果表明，该方法能有效检测泄漏，并且在测量距离为40 m的情况下，定位误差在1 m左右。     

基于LabVIEW的振动信号分析系统设计

针对机械故障监测的需求,开发了振动信号分析系统。采用LabVIEW图形化开发工具,系统实现了振动信号分析流程和基本的信号分析方法,能够对振动信号进行预处理,并从时域、频域和时频域角度对其进行特征提取。完成了基于仿真信号和实测的公开振动数据集进行验证,实验结果表明,所开发的振动信号分析系统具备参数配置灵活、结果显示直观、扩展性强的优势,为基于振动测试的机械故障监测提供了基础平台。     

调频连续波分布式光纤布拉格光栅复用系统

研究了利用调频连续波(FMCW)技术对分布式光纤布拉格光栅(FBG)复用系统进行寻址的基本原理;仿真分析了FBG传感器复用距离是系统最小分辨距离的整数倍或非整数倍时,对频谱信号的影响;搭建了基于FMCW的FBG复用系统实验平台,当传感距离1000m时,分别验证了不同扫描周期与复用系统差频信号的线性关系,及不同扫频范围与系统差频信号的线性关系。实验结果表明:FBG复用距离是系统最小分辨距离整数倍时,在测量距离1100 m范围内,系统测量最大误差为243 Hz,最大相对误差小于5%,可以实现FBG传感器的地址查询功能。     

基于悬臂梁调谐技术的光纤光栅无源振动监测

采用匹配光纤光栅设计了一种结构简单的振动信号无源监测装置.该装置利用悬臂梁调谐技术能够将微小振动信号转化为光电探测器可探测的光强信号,利用示波器实现实时监测.实验中对振幅为3mm的简谐振动信号进行了监测,测量结果与振动频率一致,可测量7～20Hz的振动,信噪比不低于14.9dB.监测频率受限是因为悬臂梁的性质,如采用金属材料或者采用齿轮组对转子进行减速,该装置可探测更高的频率.     

基于激光差动多普勒效应的微机电系统动态测试技术

提出了一种用于测量微机电系统(MEMS)器件瞬时速度、位移的测量系统。采用激光差动多普勒技术,检测谐振器在平面内的振动,测量垂直于系统测量光轴方向的振动速度。并在差动多普勒测量光路的基础上加入了CCD监测光路,实时观察被测器件调整过程和振动情况。通过处理电路从光学系统输出的高频信号中提取多普勒信号,利用Labview和Matlab软件对采集的多普勒信号进行时频分析,得到被测器件的运动参量。通过对测点的微定位,对MEMS器件进行整平面的扫描,得到器件振动的瞬时速度场,为进一步对MEMS器件的高阶谱振动分析及扭转分析提供了一定的基础和必要的支持。     

小型化光纤光栅解调系统设计及寻峰算法的模拟评测

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测，基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构，编写了上位机软件，嵌入了不同的寻峰算法，可适用于不同噪声环境下中心波长的计算，以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例，提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法，提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验，结果表明，阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果，且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算，所得系统精度为5.89 pm，与模拟评测结果的误差小于1.7 pm，验证了模拟评测的可行性。     

基于分布式光纤传感阵列的管网泄漏监测系统研究

复杂液压管网的泄漏检测是液压系统面临的难点之一.采用LabVIEW与FoxPro数据库结合的方法,开发了阵列式光纤传感管网泄漏监测系统软件.该软件控制NI公司数据采集卡PXI-6133采集经调制后的光纤传感器干涉信号,再对获得的信号进行降噪处理,根据降噪后的波形是否出现零点频率判断管道是否泄漏并进行报警;该系统还可实时...     

基于分布布拉格反射光纤激光器的高灵敏度微振动传感器

设计并验证了一种基于分布布拉格反射(DBR)光纤激光器的高灵敏度微振动传感器。该传感器结构采用常见的质量块弹簧系统,质量块由于重力作用对DBR激光器的谐振腔产生侧向压力。当测试平台发生振动时,谐振腔所受到的侧向压力发生变化,导致激光器输出的两正交偏振模式产生的拍频信号改变。通过高速光电探测器和多通道数据采集平台对拍频信号进行采集,使用LabVIEW编程对采集信号进行处理,实现了对振动加速度信号的实时监测。理论分析与实验结果表明,该传感器具有极高的加速度灵敏度,对于单位重力加速度g其灵敏度达吉赫兹量级,能检测到微弱的振动信号。相较于传统光纤振动传感器而言,该传感器将光谱分析转化为频谱分析,使信号的采集与解调更加简单,且获得了更高的灵敏度。进一步分析表明,此结构在微重力环境下进行测量也是可行的,因此,在航空飞行器关键部件的微振动测量中有较大的应用潜力。     

基于小波包能量谱的分布式光纤燃气管道泄漏监测及实验分析

基于Mach-Zehnder/Sagnac混合干涉仪原理,利用分布式光纤对城市燃气管道进行泄漏监测模拟实验研究。对测量光纤长4 km和6 km时的干涉信号利用小波包能量谱提取法和绝对距离法相结合的方法诊断管道泄漏与否,再结合频谱图进行泄漏定位,最后对系统的虚警率(false alarm rate,FAR)进行了分析。结果表明,与传统直接通过频谱图识别零点频率的方法相比,虚警率降低了8.475%,能够更准确地识别燃气管道泄漏与否,从而提高系统监测及定位的可靠性。     

基于AD8232的心电实时监测及分析系统设计

为了方便对患者心电信号进行实时监测,实现对心脏疾病的及时预防及诊断,利用一款基于ATmega328p微控制器的Arduino开发板、一块心电监测前端模块AD8232及上位机软件LabVIEW开发出一套心电实时监测系统,并利用LabVIEW设计出多种软件滤波方法来抑制心电信号中的噪声。由于心电信号的时频特性能提供反映患者心脏活动动态行为的信息,该系统还包括基于LabVIEW设计出的多种用于心电信号实时分析的程序,使被试心电信号所包含的生理特性能够及时地被分析出来。利用所开发的心电实时监测分析系统对被试的心电信号进行采集和分析,发现系统能够非常灵敏、准确地检测心电信号,并对信号噪声有着很好的抑制能力。此外系统能够对信号进行各式的实时分析,且分析结果可靠,能够运用于临床诊断。利用该系统对心电信号进行实时采集和分析,其测量结果准确、去噪效果良好、分析结果可靠,为今后心电实时监测分析系统的设计提供了借鉴。     

FBG振动频率传感器的设计

光纤布拉格光栅(FBG)传感器作为最新型的无源传感器,一问世便被广泛地运用到各行各业并取得了巨大的成功。为了测试FBG测量振动频率的性能,我们在实验室搭建了实验装置,选择了边沿滤波法作为整个传感装置的解调方法,还设计了周期性振动的加载方式对光栅模拟振动,并对反射光强光电转换后的数字信号进行快速傅里叶变换(FFT),由此得出外部振动加载的频率。实验结果表明该FBG振动传感系统在测量周期性振动频率时,在低频段误差较大,高频段尤其1000Hz以上的测量误差较小,有效地实现了在实验误差允许范围内对振动频率的测量。