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嵌入式光电检测系统设计及应用

作者 邱选兵
出版社 电子工业出版社
出版日期 2019-09-01
页数 276
格式 Paper book / ebook (PDF)
ISBN 9787121352898
价格 89.0
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出版信息

ISBN:9787121352898
语言:简体中文
包装/印刷类型:
开本:16开
出版时间:2019-09-01
页数:276

内容简介

本书以高灵敏度激光吸收光谱、FBG传感系统、脉冲涡流无损检测系统等嵌入式光电检测系统为对象,从光源、光学器件出发,阐述了嵌入式光电检测系统中涉及的光电检测原理、嵌入式技术,并从嵌入式光电检测系统构成和实际工程应用出发,详细地分析和介绍了布拉格光纤光栅检测系统、电磁脉冲涡流检测系统、激光光谱检测系统的系统设计、硬件和软件实现,最后通过光电检测系统的实际应用案例,介绍了光电检测系统在火灾探测中的应用。 本书可供光电检测和嵌入式开发应用等领域的科技工作者、教师、研究生和高年级本科生阅读,也可供高等院校物理学、光学技术与光电仪器、检测技术与自动化仪表、光电信息科学与工程、光电子等相关专业的师生参考。 嵌入式光电检测系统是将光学、电子学和嵌入式技术相结合而产生的一种新兴检测系统,展现出测量精度高、速度快、非接触、智能化、便携式等突出特点,已经成为21世纪各种精密测量与分析学科的重要组成之一。特别是近年来各种新型激光器和探测器的出现,以及人工智能、嵌入式技术、电子技术和网络技术的发展,使得嵌入式光电检测系统的内容越来越丰富,应用越来越广泛,目前已经渗透到几乎所有的国防、工业和科研部门。例如,2016年我国在贵州建立的全球最大的500米口径球面射电望远镜就是一个复杂的光电检测系统。 本书内容主要建立在著者及科研团队所从事的光纤传感、电磁脉冲涡流检测及高灵敏度激光光谱技术研究的理论、实验和工程应用研究的相关成果,以及近年来承担的相关科研项目和本科生及研究生教学的基础上,本书对嵌入式光电检测技术及系统进行了归纳、分析和总结。 全书共8章。第1章主要阐述了光电检测系统的主要构成、工作原理、基本特性及发展趋势;第2章介绍了本书涉及的光电检测理论基础:高灵敏度激光吸收光谱理论、布拉格光纤光栅传感理论及电磁脉冲涡流检测理论基础;第3章介绍了光电检测系统主要涉及的各种技术,特别是光源技术、光电探测技术、光电信号预处理技术及光电微弱信号处理技术;第4章主要阐述了嵌入式系统原理及其在光电检测中的应用,重点介绍了嵌入式系统的基本概念、特点、组成,尤其是嵌入式处理器的开发平台、接口电路,并介绍了两个典型的嵌入式光电检测系统实例;第5章围绕光纤光栅传感技术展开,主要介绍了基于布拉格光纤光栅的嵌入式光电检测系统的硬件和软件开发,以及基于布拉格光纤光栅的高温瞬态温度测量、爆轰速度和压力测量应用;第6章介绍了嵌入式脉冲涡流驱动技术、嵌入式脉冲涡流缺陷分类和检测系统、脉冲涡流响应信号处理技术,重点介绍了基于频率特征量的缺陷分类算法;第7章在引入高稳定的激光驱动模块的基础上,介绍了几种新型的多光程技术、信号处理技术,并且介绍了著者所在的课题组开发的两种嵌入式激光光谱检测仪器;第8章为光电检测系统在火灾探测中的应用,分别运用图像处理技术、自由基发射光谱、激光吸收光谱技术实现早期火灾的探测和预警。 本书涉及的理论及理论模型的描述,都节选自国内外本领域专家、学者公开发表的参考文献,在写作中不可避免地对参考资料在形式和内容上进行了不同程度的取舍或修改,书中也尽可能地对引用的参考文献加以著录,但由于种种原因的限制,很难保证没有遗漏或错误,敬请各位有识之士不吝赐教、指正。著者在此感谢所有参考文献的作者,因为是他们多年辛勤及卓有成效的工作,才使著者近年来对原子分子光谱与检测技术的许多理论问题有了一些肤浅的认识。 本书是著者在太原科技大学给本科生讲授“光电微机接口技术”“嵌入式系统设计与应用”“光电技术”“传感器技术”“数字信号处理”课程,以及给研究生讲授“光电接口技术”课程的基础上完成的,感谢太原科技大学对著者工作的支持。 本书是在国家自然科学基金委员会—山西省人民政府煤基低碳联合基金(项目批准号:U1610117)、国家自然科学基金(项目批准号:11504256、61573323)、太原科技大学校博士启动基金(20132011)、江西中医药大学现代中药制剂教育部重点实验室开放基金、有机地球化学国家重点实验室开放基金(SKLOG-2017-18)、山西省“1331工程”重点创新团队建设计划、太原科技大学重型机械教育部工程研究中心“重型机械”开放基金(20173001)、横向课题(201455)、晋城市科技攻关项目(20151004-22)等研究成果的基础上撰写的,在此对国家自然科学基金委员会、山西省科技厅和教育厅、太原科技大学和太原科技大学重型机械教育部工程研究中心、江西中医药大学、晋城市科技局等表示衷心的感谢。本书能够问世,首先感谢曾经为我提供学习机会和实验条件的重庆大学、太原理工大学,感谢各位老师将我引入机械、光电子领域的大门,感谢太原科技大学的魏计林教授对我工作、学习、生活的照顾和帮助。感谢我的博士生导师崔小朝教授,他指导我在电磁涡流方向上取得成果,愿您在天堂没有病痛折磨,一切安好!感谢靳宝全师兄给予我的帮助,还记得第一次来到太原就是您接待和帮助的。感谢我的硕士生导师熊诗波教授,感谢太原理工大学机电研究所的熊晓燕、杨洁明、权龙、程桁等老师给予的实验指导、论文审阅等方面的帮助。感谢博士期间同组的张雪霞、晋艳娟、张俊婷、彭英、马腾、李坤、孙晓思等同学的帮助和支持。感谢中北大学的王高教授给予我们课题组的帮助和支持! 在此我要特别感谢课题组的李传亮老师,是您带领我进入了量子世界,让我结识了激光光谱,从而使本书内容能够更加丰富和饱满!感谢儒雅学者陈扬骎教授给予我们课题组的帮助和支持! 一路走来,非常之不易!感谢大连化学物理研究所韩克利老师在学术道路上对我的鼓励,感谢吉林大学许海峰老师和闫冰老师在光谱理论计算和实验过程中给予的帮助,感谢西北大学邹文利老师及鲁东大学杨传路老师、王美山老师在MOLPRO计算中给予的指导,感谢山西大学激光光谱所马维光、赵延霆、董雷、张雷、姬中华和秦成兵老师在实验中对我的帮助,感谢西安授时中心刘涛老师的热情帮助,感谢安徽光机所高晓明、赵卫雄老师和浙江师范大学邵杰老师在TDLAS实验中不厌其烦的解释,感谢上海理工大学沈建琦老师在Mie散射光谱方面的帮助。 感谢太原科技大学物理系同事对我工作的关心和支持,尤其我们团队的魏计林、李传亮、李坤、李晋红、和小虎等老师,以及正在我们团队工作的邵李刚、阴旭梅、郭心骞、孙冬远、席廷宇、杨晓飞、郑飞、李宁、魏永卜、卢丹华、郭宇晨、张恩华、李杰、常虹、王泽育等同学和已经毕业的李百鹤、刘军、卜凡亮、杨牧、张棚、刘路路、卢艮萍、吴应发、史维新、吴飞龙、周锐、郝玺、蒋利军、贾皓月、李亚超等同学。另外,感谢电子工业出版社编辑们在本书出版过程中付出的辛勤劳动。还有许多老师、同学和朋友对我们课题组给予了很多的帮助,在此恕不一一列出,但对你们表示衷心的感谢和祝福。 感谢家人对我工作的理解和宽容,尤其是妻子对家庭的无私奉献,同时也感谢儿子对我的理解和包容。 感谢我的父母、岳父母,是你们的理解和支持才成就了我的今天,谢谢你们! 由于著者学识水平有限,加之光电检测技术的研究涉及面太宽,书中难免有许多不妥和错误之处,希望相关领域的专家、学者及参阅本书的各位老师、同学不吝赐教。 邱选兵 2018年6月

图书目录

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

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