嵌入式光电检测系统设计及应用

第1章 光电检测系统概述 1
1.1 引言 2
1.2 光电检测系统的主要构成 2
1.2.1 光源和照明光学系统 3
1.2.2 被测对象和光学变换 3
1.2.3 光信号的匹配处理 4
1.2.4 光电转换 4
1.2.5 电信号的放大与处理 4
1.2.6 计算机的存储、显示与控制 4
1.3 光电检测系统的工作原理 5
1.3.1 把待测量变换为光信息模拟量 5
1.3.2 把待测量变换为光信息脉冲量 5
1.3.3 光电检测系统的基本结构形式 6
1.4 光电检测系统的基本特性 7
1.4.1 光电检测系统的静态特性 7
1.4.2 光电检测系统的动态特性 10
1.5 光电检测系统的发展趋势 12
参考文献 13
第2章 光电检测理论基础 15
2.1 概述 16
2.2 激光吸收光谱检测原理 16
2.2.1 Lambert-Beer定律及测温原理 16
2.2.2 分子吸收线型与线宽 17
2.2.3 TDLAS测量技术 19
2.3 光纤光栅分布式检测原理 22
2.3.1 光纤光栅特性及传感原理 22
2.3.2 FBG传感器解调原理 26
2.4 基于脉冲涡流的平板导体无损检测原理 28
2.4.1 Dodd-Deeds涡流解析模型 28
2.4.2 平板导体的脉冲涡流模型 33
2.4.3 基于脉冲涡流平板导体表面缺陷的解析模型 36
参考文献 41
第3章 光电检测系统 45
3.1 光电检测系统的基本构成 46
3.2 光源及光学器件 46
3.3 光电探测技术 55
3.3.1 光电效应和光热效应 55
3.3.2 常见光电探测器 56
3.4 光电信号的预处理技术 57
3.4.1 光电流模式 57
3.4.2 光电导模式 59
3.5 光电微弱信号处理技术 61
3.5.1 光电检测系统的噪声 61
3.5.2 噪声的统计特征 64
3.5.3 微弱光电信号检测常用技术 66
参考文献 69
第4章 嵌入式系统原理及其在光电检测中的应用 73
4.1 嵌入式系统的基本概念 74
4.2 嵌入式系统的特点 74
4.2.1 嵌入式系统的要求 75
4.2.2 嵌入式系统的特征 75
4.2.3 嵌入式系统的发展 76
4.3 嵌入式系统的组成 76
4.3.1 嵌入式系统的硬件组成 77
4.3.2 嵌入式系统的软件组成 78
4.4 嵌入式光电检测系统硬件开发平台 79
4.4.1 嵌入式8位单片机硬件开发平台 80
4.4.2 嵌入式32位STM32F103单片机硬件开发平台 80
4.4.3 嵌入式光电检测系统外设接口 82
4.5 嵌入式光电检测系统开发应用 98
4.5.1 基于C8051F340高速单片机的高精度定时装置的设计 98
4.5.2 基于STM32F103的太阳跟踪控制系统的设计 102
参考文献 107
第5章 布拉格光纤光栅检测系统 109
5.1 检测系统总体结构 110
5.1.1 设计要求与系统功能 110
5.1.2 FBG传感系统测量方案 110
5.2 检测系统的主要仪器及特性 111
5.2.1 宽带光源 111
5.2.2 光隔离器 112
5.2.3 光耦合器 112
5.2.4 FBG传感器 113
5.2.5 光纤F-P可调谐滤波器 113
5.2.6 PIN光电二极管 114
5.3 PIN光电二极管检测电路 114
5.3.1 光电二极管的工作模式 114
5.3.2 光电二极管检测电路的设计 115
5.4 光纤F-P可调谐滤波器驱动电路 119
5.4.1 DAC输出电路 119
5.4.2 驱动电压调理电路 120
5.5 分布式FBG温度和压力测量 121
5.5.1 温度测量 121
5.5.2 压力测量 123
5.6 FBG瞬态温度测量法 125
5.6.1 研究背景 125
5.6.2 装置结构 126
5.6.3 信号处理算法 127
5.7 基于FBG传感器的爆轰速度和压力测量 128
5.7.1 爆轰波的基本概念 128
5.7.2 测量爆轰速度和压力的背景技术 129
5.7.3 基于FBG传感器的爆轰速度测量原理 129
5.7.4 基于FBG传感器的爆轰压力测量原理 130
5.7.5 基于FBG传感器的爆轰速度和压力测量系统 132
参考文献 133
第6章 电磁脉冲涡流检测系统 135
6.1 电磁脉冲涡流探头设计 136
6.1.1 GMR脉冲涡流探头 136
6.1.2 Hall脉冲涡流探头 137
6.2 嵌入式脉冲涡流驱动技术 137
6.2.1 系统构成 137
6.2.2 嵌入式脉冲涡流激励源软件设计 140
6.2.3 实验测试 142
6.3 嵌入式脉冲涡流缺陷检测 145
6.3.1 系统构成 145
6.3.2 嵌入式脉冲涡流自动缺陷检测仪器硬件设计 145
6.3.3 嵌入式脉冲涡流自动缺陷检测仪器软件设计 149
6.4 脉冲涡流信号处理 151
6.4.1 小波理论的脉冲涡流快速预处理算法研究 151
6.4.2 小波去噪理论 152
6.4.3 脉冲涡流响应信号的实时预处理 153
6.4.4 脉冲涡流响应信号的快速小波去噪算法研究 158
6.4.5 实验结果与讨论 160
6.5 缺陷分类算法 160
6.5.1 脉冲涡流缺陷识别与定量检测平台 161
6.5.2 基于频谱分析的脉冲涡流缺陷识别研究 163
6.5.3 基于小波变换与频谱分析的缺陷识别研究 171
6.5.4 基于功率谱密度分析和小波变换的脉冲涡流缺陷识别研究 175
6.5.5 基于功率谱密度和经验模态分解的脉冲涡流缺陷识别研究 182
参考文献 191
第7章 激光光谱检测系统 195
7.1 测量总体机构 196
7.2 激光驱动技术 197
7.2.1 基于Wavelength模块的激光驱动器 197
7.2.2 自主研制的激光驱动器 206
7.3 多光程技术 212
7.3.1 Herriott型长光程池设计理论 213
7.3.2 新型Herriott长光程模拟 214
7.3.3 螺旋式Herroitt多光程池 217
7.4 信号处理技术 220
7.4.1 锁相放大器的工作原理 220
7.4.2 锁相放大器的基本组成和部件 221
7.5 仪器实现与应用 224
7.5.1 基于TDLAS的小型化C2H2测量系统研究 224
7.5.2 基于激光双吸收谱线的氨气温度测量研究 227
参考文献 231
第8章 光电检测系统在火灾探测中的应用 235
8.1 概述 236
8.2 图像处理技术在火灾探测中的应用 236
8.2.1 多特征量对数回归的火灾识别算法 237
8.2.2 实验结果与分析 239
8.3 多特征量数据融合的嵌入式火灾早期预警系统 242
8.3.1 早期火灾发生特点及特征量的选择 243
8.3.2 火灾早期预警系统 243
8.3.3 火灾模拟实验 245
8.3.4 实验结果与讨论 247
8.4 自由基发射光谱在火灾探测中的应用 247
8.4.1 实验系统 248
8.4.2 基于图像处理的火灾识别算法 249
8.4.3 自由基光谱测温原理 250
8.4.4 CH自由基光谱测温 252
8.4.5 丁烷在大气中燃烧的火焰光谱标定 253
8.4.6 实验结果与讨论 253
8.5 激光吸收光谱技术在火灾探测中的应用 254
8.5.1 吸收光谱的谱线选择 254
8.5.2 实验装置 255
8.5.3 微控制器和数字锁相放大器 256
8.5.4 传感器的校准 259
8.5.5 火灾早期探测应用实验 261
8.5.6 小结 263
参考文献 263