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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于DSP的光纤氢气传感器信号处理技术的研究 姓名：葛汉明 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：张冈 2011-05-18 I 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 摘 要 摘 要 能源是带动世界发展的重要一环，氢气作为一种新型、高效的清洁能源受到各个国 家的重视，如何安全的使用氢能源已作为一个重要的课题摆在大家面前。氢气的准确检 测关系到了氢能源使用的安全性。有鉴于此，本项目主要研究光纤传感器系统的数字信 号处理单元，致力于开发出一种基于 DSP 处理器的简单、快速且能适应各种环境下的 光纤氢气检测系统。 数字信号处理是利用计算机或专用处理
2、设备，以数值计算的方法对信号进行滤波、 变换、压缩、识别、增强等加工处理以达到提取有用信息，便于应用的目的。随着计算 机和信息学科的快速发展，数字信号处理理论和技术日益成熟，在各个领域得到广泛的 应用。 本论文首先在广泛阅读和深入了解国内外相关文献的基础上，结合微弱信号的数字 处理的相关情况，分析了氢气检测的难点，论证了氢气微弱信号检测的可行性。充分利 用数字信号处理的优越性，把 DSP 处理器引入到光纤氢气传感器检测中。 在信号处理系统实现方面，以 DSP 芯片 TMS320F2812 为核心，设计和开发了数字 信号处理的外围电路。利用 TI 公司软件开发平台 CCS，以微弱信号检测为理论基
3、础， 研究了数字滤波器、数字锁定放大器技术，最终实现了性能稳定的光源驱动单元以及光 纤氢气的信号检测系统。 最后基于以上的讨论和研究，研制出了基于 DSP 的数字信号处理单元，并在实验 室已有平台的支撑下进行了氢气传感器的检测实验。实验结果表明以 DSP 处理器为核 心所开发的信号处理系统在信号分析、处理方面有很大的优越性及广阔的应用前景。 关键词关键词：氢气 光纤传感器 数字信号处理 微弱信号检测 II 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 Abstract Energy is an important part which is driving the development
4、 of of the world. In todays society as a new, highly efficient and clean energy, hydrogen has been attracted by the various national attention, thus the safe use of hydrogen has been placed in front of everyone which is thought as an important issue. Accurate detection of hydrogen relates to the saf
5、ety of hydrogen use. In view of these, my project main researches digital signal processing unit of fiber optic sensor system, dedicated to develop a simple and fast fiber hydrogen detection system based on DSP processor which can adapt to various environments. Digital signal processing is a device
6、which uses computer or dedicated processor. With the method of numerical calculation, we process the signal by filtering, transforming, compressing, recognizing, enhancing and so on, it can extract useful information. With the rapid development of computer and information science, theories and techn
7、ique about digital signal processing become more sophisticated, which have a wide range of applications in various fields. First on the basis of the widely read and the understanding of relevant literature, this paper analyzed the difficulty of hydrogen detection and demonstrated the feasibility of
8、Weak Signal Detection which combined with the relevant circumstances of weak signal digital processing. Full using the advantages of digital signal processing, the DSP processor is introduced into the optical fiber hydrogen sensor. On the Implementation aspects of signal processing systems, take TMS
9、320F2812 DSP chip as the core , I designed and developed peripheral circuits of digital signal processing. By using CCS of TI software development platform, I researched the digital filter and digital lock-in amplifier technology on the theoretical basis of Weak Signal Detection. In the end I achiev
10、ed a stable light-driven unit and a signal detection system of fiber-optic hydrogen. Finally, I developed a digital signal processing unit based on DSP and we have carried out the experimental testing of hydrogen sensors on the platform support of the laboratory based on the above discussion and res
11、earch. The results show that the signal processing system developed a lot of advantages and broad prospects in signal analysis and processing. Keywords：Hydrogen, Fiber Optic Sensor, Digital Signal Processing, Weak Signal Detection 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包
12、含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。 本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于本论文属于 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年
13、月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1.1 引言引言 1.1.1 课题来源 1.1.1 课题来源 本研究课题来源于以下项目： (1) 湖北省科技计划自然科学基金重点项目 “强度调制型光纤智能传感器研究” （编 号：2008CDA017） ； (2) 湖北省科技攻关项目“基于窄带光谱吸收的嵌入式光纤气体传感器” （编号： 2007AA101C02） ； (3) 国家自然科学基金项目 “基于钯氢传感机理的反射式光纤束氢气传感器”（编号： 50974062） 。 1.1.2 课题研究背景
14、1.1.2 课题研究背景 近两百年来科技给世界带来的改变超过了人类以往的任何一个时期， 其中能源扮演 着重要角色，它是带动世界发展的重要一环。现代社会发展的过程中，谁掌握了能源， 谁就掌握了未来。进入 21 世纪，我国对能源的重视越来越大，对于不可再生能源使用 的紧迫感也日渐明显，我们知道石油资源在不久会很快消耗殆尽，因而要有新能源取而 代之。 氢气作为一种新型、高效的清洁能源受到各个国家的重视。它在航空、动力、化工、 电子、医疗、金属冶炼，特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值1,2。但是众所周 知，氢气密度极小、无色无味，因而在生产、储存、运输和使用的过程中极易泄漏，且 不易被人所发觉。
15、它的着火点仅为 585，当空气中含量在 4% 75%范围内，遇明火即 发生爆炸，这使得大家在研究和使用氢气的过程中必须万分小心，所以需要利用氢气传 感器对环境中氢气含量进行检测并对其泄漏进行监测。 如何安全的研究和使用氢能源已作为一个重要的课题摆在大家面前。 只有保证氢气 在使用过程中的准确快速的检测，才能为氢能源的良好利用打下坚实的基础。 如今用于氢气检测的传感器的品种越来越多，越来越广。随着科技的发展，技术的 升级，人们对氢气传感器的要求也越发的明确：价格低廉、灵敏度高、稳定性好、响应 2 华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 速度快、能耗低、选择性好、制作工艺简单且易集成化
16、。 依据原理的不同，如今的氢气传感器主要分为电化学型、半导体型、热电型和光纤 型等几种类型3。 在氢气检测过程中，许多氢气传感器都会有电流作用在氢气环境里，氢气易燃易爆 的性质，使得安全性受到极大的考验。光纤型氢气传感器利用对氢气具有敏感性能和检 测功能的特殊光纤作为传感元件，合“传”和“感”为一体，以其卓越的技术性能和良 好的物理特性，克服了其它氢气传感器的不足。相较于其它的氢气传感器，光纤氢气传 感器更适合被用在许多恶劣的条件下， 广泛的适用范围及优良的测量性能使得它有着极 大的市场潜力和应用前景。 1.2 光纤氢气传感器光纤氢气传感器 光纤传感的概念早在 1965 年就已提出， 但直到 1984 年才由 M.A.Butler 和 Ginley 首 次论证了光纤氢传感器技术的可行性4,5。国外 NASA、波音公司、马里兰大学、多伦多 大学、法国的信号与仪器处理实验室、新南威尔士大学等都在一直进行着光纤氢气传感 技术领域的探索6,7。 他们积累了许多经验和技术， 在仪器研制和应用方面取得了很大
