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                        邊坡監測FBG傳感系統開發

                        添加時間:2019/03/09 來源:華中科技大學 作者:劉思辰
                        本文完成了基于 Linux 的邊坡監測 FBG 傳感系統的設計與實現。本文首先介紹了課題的研究背景及其意義,總結了相關技術的研究現狀,并在此基礎上提出了本文的主要研究內容和創新點。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          隨著 FBG 在邊坡監測中的應用發展,傳統的 FBG 傳感系統難以滿足邊坡監測的要求,本文針對這些要求基于 Linux 環境對 FBG 傳感系統進行了設計,優化和實現,使其適用于邊坡監測。

                          本文首先根據邊坡監測的需求提出了 FBG 傳感系統的功能和性能要求,然后對FBG 傳感器在邊坡監測中的部署方案和傳感規律進行了系統的研究。根據提出的要求和部署方案,對光電系統進行了全面的設計與優化,包括系統構成設計,傳感器組網設計,解調分析方案設計與優化,并對解調分析方案的優化措施進行了仿真驗證,實現了 FBG 傳感系統的總體設計。根據總體設計中對核心控制和處理平臺的選擇,通過對硬件,操作系統與設備驅動以及軟件的設計與實現,完成了基于 Linux 的嵌入式系統的開發,創新性的利用 Linux 系統強大的功能來支持 FBG 傳感系統中復雜的信號采集處理過程及觸摸顯示,智能預警和網絡傳輸這些高級功能,結合總體設計內容,形成了一套完整的可以監測邊坡安全情況并滿足其功能與性能要求的 FBG 傳感系統。

                          通過實驗驗證,根據上述的設計和實現,FBG 傳感系統具有監測邊坡安全情況的功能,并滿足了提出的可視化交互,智能監測和遠程監測的功能要求,通過對實驗數據的分析,系統的精度優化措施有效提高了監測精度,系統創新性的同時在傳感器容量,處理速度和監測精度這三個相互制約的性能上達到了較高的指標,滿足了提出的性能要求?梢哉J為,本文實現了基于 Linux 的邊坡監測 FBG 傳感系統。

                          關鍵詞:FBG 傳感系統 邊坡監測 Linux 嵌入式系統

                        Abstract

                          With the development of FBG application in slope monitoring, traditional FBG sensing system has a difficulty to meet the requirements of slope monitoring. According to these requirements, a FBG sensing system based on Linux which is suitable for slope monitoring is designed, optimized and implemented in this paper.

                          The functional and performance requirements of system according to slope monitoring are made first. Then the deployment scenarios and sensing laws are studied. According to the above, the photoelectric system which include system configuration, sensor networking and demodulation analysis program is designed and optimized. The optimization in demodulation analysis program is tested in a simulation. The overall design of FBG sensing system is implemented in this way. On the basis of above, through the implementation of hardware, operating system, device drivers and software, an embedded system based on Linux is implemented, which supports complex signal detecting, processing and touch-screen display, intelligent warning and networking transmission in FBG sensing system by the powerful Linux system innovatively. A complete sensor system which can monitor the slope security situation and meet its requirements is implemented in this way.

                          Through experimental verification, the FBG sensing system can monitor the slope security situation and meet the functional requirements of visual interactive intelligent and remote monitoring. The precision is improved effectively through the optimization in demodulation analysis program, and the three mutual restraint performances including sensor capacity, processing speed and monitoring precision are improved innovatively at the same time, which meet the performance requirements of slope monitoring. In summary, a slope monitoring FBG sensing system based on Linux is implemented in this paper.

                          Key words:FBG Sensing system Slope monitoring Linux Embedded system

                          我國土地地形復雜,包含大量山區和丘陵,許多住宅區和公共設施都位于山區或丘陵地帶。近年來,出現了很多由于邊坡失穩使附近住宅區和公共設施受到破壞的情況,給人民造成了不同程度的傷害,并直接和間接的造成了較大的經濟損失[1]。在這樣的情形下,為了保障國家與人民的安全和利益,對邊坡進行長期實時有效的監測成了一項緊迫的研究任務。

                          隨著科技的發展,人們逐漸采用更先進的方式對邊坡進行監測,從傳統的測斜計,壓力計和位移計,到新型的基于全球定位系統,時域反射技術以及 FBG 傳感技術[2-4],邊坡監測技術越來越先進,效果也越來越好。FBG 傳感技術相比于其他技術具有傳感器體積小,不受電磁干擾,探測精度高,傳感器復用性好等特點,可以提供安全穩定,精確有效和大面積多點的傳感監測,這些特點使 FBG 傳感技術特別適用于邊坡監測,引起了國內外對此的大量研究。

                          FBG 傳感技術在邊坡監測中的應用在全球范圍內有了一定的研究,但是大多只注重 FBG 在邊坡監測中部署方案的設計及各方案下傳感規律的分析。而將 FBG 傳感技術真正實用于邊坡監測必須形成一個完整的 FBG 傳感系統,系統不僅要求傳感器合理部署于邊坡,更要具有系統的完整功能,即實現驅使 FBG 傳感器工作,采集處理 FBG傳感信號,根據傳感規律得到邊坡安全情況,并呈現和利用監測結果。在國內外的研究中,沒有重點考慮邊坡監測對 FBG 傳感系統在功能和性能上都提出了更高的要求,這些要求包括在功能上滿足邊坡監測需要的遠程監測,現代監測模式要求的可視化交互,以及性能上滿足邊坡系統在傳感器容量,處理速度和監測精度上的需要,其具體參數將在第 2 章第 1 節提出。傳統典型的 FBG 傳感系統難以達到這些要求,這大大限制了 FBG 傳感技術在邊坡安全監測中的應用。

                          在這樣的背景下,本文從系統和工程的角度針對邊坡監測的要求設計和實現了一個基于 Linux 的邊坡監測 FBG 傳感系統。結合 FBG 傳感系統在傳感器容量,處理速度和監測精度方面的優化設計,利用 Linux 系統強大的功能支持,結合嵌入式系統技術,實現了信號采集,處理以及觸摸顯示,智能預警和網絡傳輸功能,形成了一套完整的傳感系統,其可以監測邊坡安全情況,并滿足功能和性能上的要求?梢灶A見,基于 Linux 的邊坡監測 FBG 傳感系統將促進 FBG 傳感技術在邊坡監測的應用,提高邊坡監測的效果,這對掌握邊坡安全情況,預防邊坡失穩破壞,保護國家與人民利益具有很大的現實意義。

                          在邊坡監測領域,已經有一些應用 FBG 傳感技術的先例。朱鴻鵠等人根據 FBG的應變傳遞理論和梁彎曲理論設計了一種基于 FBG 的原位測斜儀,對四川某邊坡進行了邊坡位移監測,設計了一套 FBG 傳感監測方案,其包含對邊坡安全相關的若干物理量的監測,利用此方案對香港某邊坡進行了長期監測,通過結果分析驗證了 FBG 傳感技術在邊坡監測中的優越性[5]。裴華富等人分析研究了基于 FBG 的邊坡原位測斜技術,并依此提出了邊坡深層應變的測算方法,利用此方法,對潘田高速公路邊坡進行一定時間的監測,通過結果分析驗證了 FBG 原位測斜儀方法的有效性和實用性,并提出了穩定性評估方法,根據監測結果對邊坡穩定性進行了評估[6]。馬豪豪等人利用 FBG 傳感技術對廣陜高速某邊坡進行了監測,并通過與傳統測量方法的監測結果進行結果分析,通過結果分析驗證了 FBG 傳感技術精度高,抗干擾性小等優勢[7]。郭永興設計了一種高陡邊坡總體監測方案,設計了基于 FBG 傳感技術的落石沖擊監測方案,深部形變內部受力測量方案,并將深部位移測量傳感器和錨桿測力計應用于邊坡工程中使用[8]。

                          可以看出,在基于 FBG 傳感技術的邊坡安全監測中,FBG 在邊坡監測中應用研究已經有了一定的發展,尤其是其中傳感器部署和傳感規律的相關內容為 FBG 傳感系統得以應用于邊坡監測提供了方案和理論參考。關于傳感規律的分析除了上述研究中的內容外,還包括 FBG 與監測物的應變傳遞規律,以保證通過 FBG 可以準確得到監測物的形變量。在 FBG 傳感領域,對應變傳遞規律有著一定的研究,F. Ansari 等在光纖應變與基體應變相同的假設前提下,通過分析得出了所受應力與光纖應變的關系[9]。周智等分析推導出了 FBG 在多層介質中應變的一般傳遞公式,得到了相比于 F.Ansari 等人的研究結果更一般的結論[10]。李東升等針對埋入式 FBG 傳感器,推導了監測結構應變與 FBG 傳感器所測應變的關系,并對多膠結層的FBG的應變傳遞進行了分析與推導[11]。張丁丁人根據松散土質工程實際,建立了 FBG,膠結層,封裝,鉆孔封孔材料,松散層的應變傳遞計算模型[12]。這些對FBG與監測物的應變傳遞分析為FBG與邊坡監測量的傳感規律的研究提供理論基礎和參考。

                          邊坡監測FBG傳感系統開發:

                        系統硬件實物圖
                        系統硬件實物圖

                        光電模塊電路接口設計圖
                        光電模塊電路接口設計圖

                        訪問基于 Linux 嵌入式系統串口打印信息
                        訪問基于 Linux 嵌入式系統串口打印信息

                        系統軟件運行圖
                        系統軟件運行圖

                        上位機軟件運行圖
                        上位機軟件運行圖

                         FBG 傳感監測設備外形圖(左)和內部核心模塊圖(右)
                         FBG 傳感監測設備外形圖(左)和內部核心模塊圖(右)

                        實驗測試系統實物圖
                        實驗測試系統實物圖

                         FBG 傳感監測系統(上)及上位機(下)(實驗測試版)的運行情況
                         FBG 傳感監測系統(上)及上位機(下)(實驗測試版)的運行情況

                        目 錄

                          摘 要
                          Abstract
                          1 緒論
                            1.1 課題研究背景與意義
                            1.2 國內外研究現狀
                            1.3 本文主要研究內容與創新點
                          2 FBG 傳感系統的總體設計
                            2.1 FBG 傳感系統的功能和性能要求
                            2.2 傳感器部署方案與傳感規律分析
                            2.3 光電系統的設計與優化
                            2.4 本章小結
                          3 基于 Linux 的嵌入式系統的實現
                            3.1 嵌入式系統的硬件實現
                            3.2 操作系統與設備驅動實現
                            3.3 嵌入式系統的軟件實現
                            3.4 本章小結
                          4 FBG 傳感系統的實驗測試
                            4.1 實驗系統搭建與測試步驟
                            4.2 實驗結果分析
                            4.3 本章小結
                          5 總結與展望
                          致 謝
                          參考文獻
                          附錄 1 攻讀學位期間發表的論文

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