文献综述——光纤振动传感器

中国计量学院毕业设计（论文）文献综述学生姓名：徐婷学号： 0800403238专业：光电信息工程班级： 08光电2 设计（论文）题目：光纤振动传感器的设计指导教师：李裔二级学院：光学与电子科技学院2011年 3 月07日光纤振动传感器的设计文献综述一、概述：光纤传感器的历史可追溯到上世纪70 年代，那时，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。

由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度，也涌现出许多成果。

但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈，这使得它在工程上的应用较少。

最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破。

随着新方法、新工艺不断被引入，大量低价位高性能光纤传感器面世，而光纤与其他学科理论相结合，不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高，而且其应用领域也越加广阔。

光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品也不断推层出新，显示出强大的生命力。

可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将在海洋、化工、土木工程、水利电力等各个领域显示其应用活力。

二、光纤传感器的特点和工作原理：a。

光纤结构和种类：光纤是一种光信号的传输媒介。

光纤的结构：最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造材料可以是石英、玻璃或塑料。

纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。

由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。

光纤的最外层是起保护作用的外套。

通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。

图一光纤结构光纤的种类：1）按纤芯和包层的材质：玻璃光纤、塑料光纤。

2）按折射率的变化：阶跃型、渐变型（聚焦光纤）。

3）按传播模式：单模光纤、多模光纤。

b。

光纤传感器的特点近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。

在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。

光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的安全性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点，光纤传感器受到世界各国的广泛重视。

光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量并且在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。

c。

光纤传感器的工作原理光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

d。

光纤传感器的分类：光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型(传感型)传感器; 另一类是非功能型(传光型)传感器。

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。

优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高。

典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。

光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术;比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器。

三、几种光纤传感器的设计由上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的周正仙、肖石林等人提出基于M-Z 干涉原理的定位式光纤振动传感器的研究。

文章基于M-Z干涉原理，提出了一种新型光纤振动传感器方案，该传感器能判断振动事件发生的位置。

并且仿真分析研究了该定位式传感器的信号处理技术，通过增大信号的带宽、延长信号的持续时间、增大信噪比和改善定位算法，实现了较好的定位性能，验证了该定位式光纤振动传感器方案的可行性。

图二 定位式光纤振动传感器结构图定位式光纤振动传感器是在现有M-Z 干涉原理的基础上提出的，其结构如图2 所示。

它依靠光缆中3 根等长的光纤A 、B 和C(其中A 、B 作为单个M-Z 干涉仪的两个干涉臂， C 作为传输光纤) 形成两个对称的干涉仪。

当外界振动信号作用于干涉臂A 、B 时，一组光向左经耦合器2产生干涉后到达探测器1 ，另一组光向右经耦合器3 产生干涉后经耦合器4 到达探测器2 。

在探测器1 与探测器2 处会得到两个具有一定时间延迟的光强波动信号。

检测光强的波动，就可以判断振动信号的类型。

信号检测原理：当外界有振动信号作用于光纤时，会引起光纤折射率的变化，进而引起光波相位的变化。

待检测的振动信号主要为外界缓变压力信号和声场异常扰动信号，这两种信号实质上都是对光纤产生压力作用。

当光纤受到压力作用时， 其折射率变化为EPp n e 2n 3=∆， 式中， P 为压力，pe 为光弹系数，E 为石英的杨氏模量。

由折射率变化引起的光波的相位变化相应地为n 2∆∙=∆L λπφ式中，λ为光波波长，L 为光纤长度。

探测器检测到的光强信号则可以写成:)](cos[02121t I I I I I s φφ+++= 式中，1I 、2I 为干涉仪两个干涉臂中的传输光强，)(s t φ 表示扰动信号作用于不同干涉臂上产生的调制相位差）（21-φφ∆∆，0φ为两路光的初始相位差。

定位原理定位式光纤振动传感器的原理图如图3 所示。

图三 定位式光纤振动传感器的原理图图3 中，当外界振动信号作用于M-Z 干涉仪的两个干涉臂时，传感光分别向左右两个方向传输至探测器1 和探测器2 。

检测比较两组干涉光的时间差即可判断振动事件发生的位置。

向左传输的传感光到达探测器1 时所走过的路程为1L ，所需要的时间为1t ；向右传输的传感光到达探测器2 时所走过的路程为2L ，所需要的时间为2t 。

定位计算公式为 21tV L L ∆-=，式中，L 为光缆长度的两倍；t ∆为两路传感光到达探测器的时间差，12t t t -=∆；V 为光在光纤中的传输速度。

根据实际工作的要求，时间差的计算要保证运算的实时性、精确性和稳定性。

鉴于干涉仪结构的对称性，时间差的计算采用时延估计的方法进行。

武汉理工大学梁磊、周雪芳、信思金等人在新型光纤Bragg 光栅振动传感技术一文中介绍了振动测试技术的发展现状，针对存在的问题，结合光纤Bragg 光栅传感系统的优点，提出了一种新型的光纤Bragg 光栅振动传感系统，并进行了相关的实验研究。

光纤Bragg 光栅振动传感器是利用光栅的波长调制原理，即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距，再转化为对应的波长变化量，通过检测波长的变化来测量加速度的大小。

由光纤Bragg 光栅的传感理论及传感特性可知，光纤Bragg 光栅反射谱的波长主要取决于光栅周期和有效折射率，当振动信号加载到光栅上时，光栅被机械性的拉长或压缩会引起光栅周期发生变化，弹光效应则使光栅折射率发生变化，因而导致光纤Bragg 光栅波长的漂移。

波长漂移的程度直接反应了振动信号的强弱。

光路工作原理光路部分整体设计如图所示:宽带光源(ASE)发出的光经环形器到达传感光纤Bragg光栅(FBG)，由FBG反射回来的光再由分光比为98／2的耦合器分成不同的两柬，其中分光98％的光束进入泵浦波分复用器(WPM)后，由1480端口输出后得到光信号l；分光2％的光束为光信号2。

不考虑光源抖动的情况下，当外界振动引起FBG的反射中心波长发生漂移的时候，由于WPM的斜边作用，光信号l处得到的光功率也随之发生变化，这种变化即反应了振动信号的变化；而光信号2处得到的光功率并不发生变化。

因此，选用合适的解调装置监测光信号l处的变化即可得到外界振动信号的变化。

系统整体设计方案及工作原理系统整体组成部分包括：光路、电路、数据采集及LabVIEW软软件设计。

系统的整体结构框图如图所示：其中，光路即为上述所设计的光纤Bragg光栅振动检测系统的光路部分，提供光信号l和光信号2：光电探测器将两路不同的光信号分别进行光电转换；电路部分则将得到的电信号进行放大和滤波处理；数据采集包括A/D采集数据和USB数据传输；上位机LabVIEW 软件用来显示采集到的电压信号，观察振动引起的电压波形的变化。

1)外界振动信号引起光纤Bragg光栅的峰值波长产生漂移，根据光路分析，得到两路不同的光信号。

2)光电探测器接收这两路不同的光信号分别进行光电转换。

振动引起光信号1处的光功率产生变化，相应的进行光电转换后得到电信号也是变化的；光信号2进行光电转换后得到的电信号不变。

3)电路部分选用OPAlll芯片实现两路电流一电压放大电路，然后用OP27实现差分放大电路得到一路模拟电压信号，该电压信号随振动信号的变化而变化，再通过有源二阶低通滤波电路进行滤波处理，可通过示波器来观察。

4)数据采集部分主要采用PHILIPS的32位ARM芯片LPC2148，利用其内部包含的山，A/D转换器进行数据(差分电路的输出电压信号)的采集处理，并且通过USB设备控制器来实现与上位机的数据(A／D转换结果)传输。

5)上位机软件设计部分则是用LabVIEW软件将USB传输过来的数据用图形显示出来，可实时观察振动引起的电压波形的变化。

由Juan Kang、Xinyong Dong、Chunliu Zhao、Wenwen Qian、Mengchao Li 等人提出的应变和温度同时测量的内接光纤光栅的Sagnac干涉仪。

实验可实现应变和温度同时测量。

由于不同的响应，对液化石油气Sagnac干涉仪应变和温度同时测量可以达到监控波长和强度的变化改变一种共振倾角传感器的安装。

实验结果表明，该方法的敏感性对应变和温度分别可达到6。

4 × 10− 3dB/με和0。

65 nm/°C。

Sagnac干涉仪的高热敏度可以补偿十字架的应变测量效果，提高了传感器的测量精度。