光纤振动传感器毕业设计

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1、中国计量学院本科毕业设计（论文）致 谢大学四年如白驹过隙，不得不承认这四年是我这一生中最值得回味的时光。在此十分感谢母校给我留下四年美好的回忆，感谢08光电2班的各位同窗好友，我们一起承载了这四年的点点滴滴，酸甜苦辣，你们的关心和爱护让我在这个集体里倍感温暖，一起走过的日子将成为我美好的回忆，也希望我们的友谊长存。同时真诚感谢我父母对我学业的支持和那些给予我教育的老师和帮助的同学。此论文即将完成之际，我特别感谢我的导师李裔。在本论文的写作过程中，他倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。光纤振动传感器摘 要：光

2、纤通信的发展日新月异，光纤在信息的传输方面起着越来越重要的作用。于此同时，创新技术的进步也推进了光纤技术的快速发展，出现了各种各样的不同于普通光纤的特种光纤，其中锥形光纤即属于特种光纤的一种。锥形光纤的最大特点是，由于锥形光纤半径的变化，导致光纤传输特性的变化。光纤传感器具有小巧、抗电磁干扰、灵敏度高、适合长期监测等优点。目前，光纤振动传感器都具有成本较高，解调比较复杂的缺点。为了解决光纤振动传感器所存在的问题，本文设计了一种新型的光纤传感器实现振动的测量。此光纤振动传感器是以拉锥型单模光纤为基础制作的一种光纤振动传感器，通过在拉锥过程中改变一些结构参数， 使之对外界环境( 压力、振动等) 有

3、较灵敏的响应，将传感器粘贴在被测物体上，从而实现对这些信号的检测。具有结构简单，易于制作，测量频带宽，解调成本较低，不受温度漂移影响,对光源无硬性要求等优点，是一种很具发展潜力的光纤振动传感器。关键词：光纤传感器、振动、锥形光纤、新型振动传感器中图分类号：TN253The Optical Fiber Vibration SensorAbstract: The rapid development of optical fiber communication, fiber plays an increasingly important role in the transmission of inf

4、ormation. At the same time, innovation and technological progress also promoted the rapid development of optical fiber technology, a variety of special fiber different from the ordinary fiber, tapered fiber that belong to a kind of special fiber. Tapered fiber, due to changes in the tapered fiber ra

5、dius, leading to changes in the optical fiber transmission characteristics.The fiber optic sensor is compact, anti-electromagnetic interference, high sensitivity, suitable for long-term monitoring. At present, the optical fiber vibration sensor has the disadvantage of higher cost, more complex demod

6、ulation. In order to solve the problems of optical fiber vibration sensor, designed a new type of optical fiber sensor of vibration measurement. Tapered single-mode fiber optical fiber vibration sensor based on pull produced based on an optical fiber vibration sensor more sensitive response to the c

7、hange in the tapered structure parameters, so that the external environment (pressure, vibration, etc.)paste the sensor on the measured object, enabling the detection of these signals. With simple structure, easy to produce, the measurement frequency bandwidth, demodulation lower cost, not affected

8、by temperature drift, no rigid requirements and advantages of the light source, optical fiber vibration sensor is a potential for development.Keywords: fiber optic sensors, vibration, tapered fiber, the new vibration sensors Classification:TN253目录第一章 绪论51.1 引言51.2 光纤传感技术简介51.3 光纤传感器的应用51.4 光纤传感技术的发展

9、61.5 本论文研究的主要内容71.6 振动传感测量技术研究现状7第二章 光纤传感器的特点和工作原理82.1 光纤传感器的特点82.2 光纤传感器的工作原理82.3 光纤传感器的分类9第三章 光纤振动传感器的研究103.1几种典型的光纤振动传感器的设计103.2 光纤振动传感器信号的解调技术14第四章 锥形光纤的结构和传光特性184.1 锥形光纤的结构184.2 实验拉制成的锥形光纤184.3 锥形光纤的传光特性19第五章 实验原理及数据分析21第六章 总结31参考文献32第一章 绪论1.1 引言1970年华裔科学家高馄博士提出了损耗很低的光导纤维的概念以及美国贝尔实验室指出了可在室温下连续工

10、作的半导体激光器，开创了光通信技术的先河。光纤作为各种光电器件的基础结构，对器件的性能要求起着至关重要的作用。随着光学器件的不断发展，诞生出满足各种需要的光纤。光纤具有纤细、质软、耐水、耐高温、耐腐蚀、耐水、耐高温、耐腐蚀等特性，特别是抗电磁干扰和原子辐射的性能，使得光纤的应用非常广泛。它可以超越人的生理界限，接收人感受不到的信息领域，使人们的日常生活更加丰富多彩。在人无法接近的地方如严寒酷暑的地方，可以作为传感器件。在对人有害的地区如核辐射区，可以当作人的感觉器官，感知外界环境。如今在人们生活的许多领域中自动控制系统飞速发展，使得传感技术在人们的生活中得到了很好的展示舞台。而对于光纤传感器来

11、说，它有精度高、测量范围广、不受强度干扰等突出的优良特性，是该技术领域的后起之秀。光纤传感器具有多种传感形式，如强度、频率、波长、偏振调制等。相位调制分布式光纤振动传感器能够多次测量并且有高精度的定位传感，这一优点使人们对它的关注度提高。相位调制型被应用于很多对灵敏度要求高的工程中，是因为它是这些传感器中灵敏度最高的。1.2 光纤传感技术简介近年来，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

12、任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。光纤传感器是以光波为信息载体，以光纤为传输媒质的，其有很多优点，如灵敏度高、抗电磁干扰、耐恶劣环境、质轻体小、安全可靠、传输容量大等。作为新兴的光纤传感技术领域，它有着普通传感器无法比拟的广阔的应用前景，同时政府大力支持鼓励科学家对这方面的研究，使得光纤传感器得到了飞速的发展。但是，由于技术上有些方面没有克服及价格较高，阻碍了它在工程上的发展。目前，经过研究者的不断研究，光纤传感技术在这两个瓶颈上都有了很大突破，并且应用领域也越加广阔。1.3 光纤传感器的应用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

13、领域也迅速推广，光纤传感器在海洋、化工、土木工程、水利电力等各个领域显示出了应有的活力。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。主要表现在以下几个方面：（1） 在需要测定温度、电压等参数的系统中，由于传统的传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，这时此类传感器就发挥了重要作用。（2） 在需要检测氧气、碳氢化合物、等气体的系统中，采用传统的传感器可能严重会对人的安全造成威胁。因此，研发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。（3） 城市建设中桥

14、梁，大坝等的干涉陀螺仪或光栅压力传感器的应用。采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。在环境监测、医学临床检测、安全性能检测等方面，由于影响因素多，传感器精度不高，并且易受外界因素的干扰。1.4 光纤传感技术的发展目前，作为工程中信息获取与传输核心器件的光纤传感器技术迅速发展，及其相关技术的带动，使得各领域的自动化程度越来越高，这就使得光纤传感器的研究更加重要。探讨光纤传感器的各个组成部分及所用到的元器件的性能，如抑制光源的波动、降低光纤传输时损耗等，特别是探索新的敏感机理，发展数字、集成化和自动化的新型光纤传感器，研制出适合于网

15、络化应用的光纤传感器阵列，以及特殊测量要求的新型光纤传感器是今后的研究发展趋势。光纤传感器的发展趋势有如下几个方面：(1)光纤光栅传感网：光纤光栅是最近几年发展迅速的光纤无源器件，它在诸多领域都有广阔的应用前景。光纤光栅实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。利用这一特性构成了许多独特的光纤传感器，用于应力、振动、温度等参量检测的光纤传感器和各种光纤传感网。采用光纤光栅构成多参量传感器也是目前研究热点之一。(2)分布式光纤传感网：分布式光纤传感器是近几年研究中火热的话题之一。它可以测量沿光纤方向上任意一点上的外界信息的改变量。由于它可检测范围广泛，所以要克服被测量沿空间位置变化，可利用光纤

16、中的传输损耗、模耦合、传播的相位差、非线性效应等给出连续分布的测量结果；另一个是准确给出被测量的所在空间位置，可利光时域反射技术、扫描干涉技术等给出被测量的所在空间位置。(3)用于智能材料和结构的光纤传感技术：在材料和结构的制造过程中，将传感元件放入结构中，传感器件可对结构的应变、形变等参量进行实时测量。由于此类传感器具有体积小、带宽大、抗电磁干扰、损耗低、灵敏度高、电绝缘性好等诸多优于其它传感器的性能，即可以同时作为传感元件和传输媒介，也可以实现多点以及分布式的测量，也是国内外目前研究用于智能结构的传感技术的热点。1.5 本论文研究的主要内容1. 光纤传感器的特点和工作原理2. 光纤振动传感

17、器的基本原理；3. 设计光纤振动传感器，实现声音频谱范围振动的测试。1.6 振动传感测量技术研究现状二十世纪初，研究者们就开始对振动技术进行探索研究。振动测量主要是测量振幅、频率、速度、加速度及位移等动态参数。动态测量就是将传感器测得的振动信号进行解调，对信号作放大、滤波等处理工作，然后将该信号进行分析、显示的过程。随着工程中对振动监测需求的提高，振动测量技术领域涌现出大量高质量的测量设备和先进的测量方法。目前，振动测量的方法主要包括机械式、电气式和光学式三类。其中，光学式测量方法弥补了机械式测量方法或电气式测量方法的不足，具有测量灵敏度高、响应频带宽，快速、抗电磁干扰能力强、测距远等诸多优点

18、。它属于光学传感器范畴，将振动信号的改变量转换为光信号的改变量来测定的。信号的探测、采集和处理是振动测量的核心。由于信息处理技术的突飞猛进，数据的采集和处理技术已逐步走向成熟。但是目前在工程中应用较多的振动测量技术主要还是采用的电气类传感器，其测量距离短、灵敏度低、抗干扰能力差、受环境影响大，不能满足工程应用的需求。目前，研究者们已经成功开发出了很多光纤振动传感器。这类传感器克服了传统振动传感器的诸多缺陷，具有测量灵敏度高、测量范围广、抗电磁干扰、适合各种恶劣环境等优点，受到了业内人士的广泛重视。第二章 光纤传感器的特点和工作原理2.1 光纤传感器的特点光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的安

19、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。总体来说光纤传感器具有许多优点，概括如下：(1) 高灵敏度(2)轻细柔韧便于安装埋设(3)电绝缘性及化学稳定性。光纤本身是一种高绝缘、化学性能稳定的物质，适用于电力系统及化学系统中需要高压隔离和易燃易爆等恶劣的环境中。(4)良好的安全性。光纤传感器是电无源的敏感元件，故应用于测量中时，不存在漏电及电击等安全隐患。 (5)抗电磁干扰。一般情况下光波频率比电磁辐射频率高，因此光在光纤中传播不会受到电磁噪声的影响。(6)可分布式测量。一根光纤可以实现长距离连续测控，能准确测出任一

20、点上的应变、损伤、振动和温度等信息，并由此形成具备很大范围内的监测区域，提高对环境的检测水平。(7) 使用寿命长。光纤的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性。(8) 传输容量大。以光纤为母线，用传输大容量的光纤代替笨重的多芯水下电缆采集收纳各感知点的信息，并且通过复用技术，来实现对分布式的光纤传感器监测。纤细的光纤具有这么多的优点，使得它在建筑桥梁、医疗卫生、煤炭化工、军事制导、地质探矿、电力工程、石油勘探、地震波检测等领域有着广阔的发展空间。2.2 光纤传感器的工作原理光纤传感器工作原理是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后

21、对已调制的光信号进行检测，从而得到被测物理量。在光纤传感器中，由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质，并且在光纤中传播的光波因外界因素的变化而改变，同时也可将光纤作为传感元件来探测如振幅、相位、偏振态、波长等物理量。图2 光纤传感系统的基本构成2.3 光纤传感器的分类：光纤传感器按其作用不同可分为两种类型：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。光纤作为敏感元件，光纤内传输的光被被测量进行调制，使传输光的特性发生变化，如强度、相位、频率或偏振态等。 通过信号解调，得出被测信号，这类传感器称为功能型传感器。光纤在不仅在其中扮演导光媒质，并且扮演敏感元件。光在光纤内受被测量调制

22、。非功能型传感器是用非光纤敏感元件来感知被测参量的变化，光纤仅作为信息的传输媒介。所以光纤在此类传感器系统中仅起导光作用，这时由于光照在光纤型敏感元件上，使得它受到被测量调制。由被调制的光波参数不同，光纤传感器分为相位调制型、强度调制型、颜色(波长)调制型、偏振调制光型及频率调制型等。由被测对象的不同，光纤传感器分为电流、浓度、位移、温度等对应的传感器。第三章 光纤振动传感器的研究随着光纤和光电子器件技术研究的不断深入，光纤传感技术得到了突飞猛进的发展。由于光纤传感器的体积小、质量轻、精度高、响应快、动态范围宽、响应快等优点，并且它具有良好的抗电磁干扰、耐腐蚀性和不导电性，所以在很多领域都应用

23、广泛。光纤传感器发展到现在，已经可以探测很多的物理量，给人们的生活带来了极大的益处。其中探测的物理量有电压、电流、加速度、流速、压力、温度、位移、生物医学量及化学量等等。光纤振动传感器就是这些中的一员。光纤振动传感器的出现已有30来年的历史，它是测量振动信号的。最初的光纤振动传感器是采用干涉式的结构2，利用振动产生的光纤应变导致干涉仪信号臂的相位发生变化，但这种传感器结构比较复杂，不利于复用。 由于振动在自然界、人们生活中及各个重大工程中普遍存在，所以研究人们对振动的测量十分关注。本章将对几种常用的光纤振动传感器的结构设计、信号解调方法所存在问题，进行分析与讨论，继而可以更好的设计新的振动传感

24、器，为设计做好准备工作。3.1几种典型的光纤振动传感器的设计查阅了众多文献资料，归纳了几种典型的光纤振动传感器的结构原理，主要有光强调制型、相位调制型、光纤布拉格光栅波长调制型、偏振态调制型等几种形式。3.1.1相位调制型光纤振动传感器的原理及结构利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为相位调制传感型光纤传感器。由于位相调制传感器具有非常高的灵敏度，它是所有光纤传感器中最为人所知的。一般地说，这种传感器运用一个相干激光光源和两个单模光纤。光线被分束后入射到光纤。如果干扰影响两根相关光纤的其中一根、就会引起位相差，这个位相差可精确地检测出。位相差可用干涉仪测量。有四种干

25、涉仪结构。它们包括：马赫泽德尔、迈克尔逊、法布里帕罗和赛格纳克干涉仪，其中马赫泽德尔和赛格纳克干涉仪分别在水听器和陀螺上应用非常广泛 。下面是基于光纤Sagnac干涉原理。A和B是干涉仪的两个传感臂，起到传输光的作用。C是一段被绕成圆环状的光纤，是用来接收或感应外接信息的变化，22光纤3dB耦合器被用来分解和合成干涉光束。注入的光经过耦合器被分为两束，一束光由A到C再到B，最后传回到耦合器中；另一束由B到C再到A，最后传回到耦合器中，两束光相遇产生干涉。光纤Sagnac干涉振动传感器，是以光学Sagnac干涉仪为基础，利用单模光纤和3dB耦合器构成。该传感器能够探测微弱振动4，光线入射进环状单

26、模光纤两端，进入光纤的光既有顺时针也有逆时针传播，光纤环不动时，由于顺时针和逆时针的传播光程相同，不会引起位相差。但是，如果光纤环以一定的方向转动（例如顺时针），对于顺时针的传播时间就会减少，另一方面，逆时针的传播时间就会增加，会聚的光束就会产生位相差。这样就可以实现对转动的灵敏检测。3.1.1 Sagnac光纤传感器原理示意图对于法布里珀罗干涉仪来说，它具有非常高的灵敏度。这主要是由于入射的相干光部分反射回激光器（通常是95反射，5透射），透射光进入相干腔，又部分反射（95）部分透射（5），经第一个镜透射的5的光在第二个镜上95被反射而5通过探测器，经多次的反射，检测到的光大约减少19（每两

27、次反射的循环损失为5）。在光纤中多次来回反射增大了位相差，从而获得了非常高的灵敏度。3.1.2光强调制型光纤振动传感器的原理及结构首先，介绍一下强度调制的机理。强度调制传感器一般与位移或其他物理扰动相联系，这种扰动与光纤发生作用，或与连接于光纤的机械调制器作用，引起接收到的光强发生改变。强度调制型光纤传感器的种类很多。根据对信号光调制方法的不同，可以分为外调制型（调制区域在光纤外部），也称传光型，及内调制（调制区域为光纤本身），也称传感型。传光型有可分为反射式和透射式；传感型包括光模式功率分布型、光吸收系数调制型和折射率强度调制型等等。目前，改变光纤光强的办法有以下几种形式。如改变光纤的耦合条

28、件，改变光纤的歪曲状态，改变光纤中折射率的分布，改变光纤对光波的吸收特性等等。总之，光损失可以是由于以下因素而引起：透射，反射，微小弯曲或吸收，散射，荧光等。在光纤通信中，光纤耦合技术成熟的基础上，蒋奇、隋青美等人研制成功了一种全光纤器件的高性能耦合型光纤声振动传感器，以其测量带宽，灵敏度高，解调、制作成本低，使用简单等优点，受到很多人的关注5。为使单模光纤耦合器可作为传感器应用，研究人员分析了单模光纤耦合传感器的敏感机理，根据传感器耦合输出与传感器耦合区长度及耦合区振动频率存在一定的关系这一原理，可以制成光纤振动传感器，实现振动的检测。图3.1.2熔锥形光纤耦合器结构示意图耦合型传感器原理是

29、通过测量耦合器输出功率的变化，求出传感器加速度的值，实现对振动的测量。此类传感器对应变的响应非常灵敏,耦合比的线性关系良好,且温度漂移影响可以稳定在0. 5 %以内。与压电振动传感器的测试对比,该传感器可更好地实现050 Hz 低频和4 kHz 高频振动检测。由于耦合型传感器受制作工艺，外界干扰等影响，传感器耦合输出比的控制，主要在人工拉锥过程中通过观测光谱仪来实现。而现在对于耦合区的长度和截面形状还不能有效的控制，这样导致了不同的光纤传感器的物理性能相互差异较大，保持光纤耦合器性能的一致性是目前要克服的。所以，耦合型光纤传感器可基本实现对应变和振动参数的检测,但如果面向实用化的话，还要考虑到

30、制作工艺、耦合区材料、结构本身等多重因素的影响。3.1.3波长调制型光纤振动传感器的原理及结构波长调制传感原理为被测场/参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化量来确定被测参量。由布拉格中心波长的数学表达式3.1.3，通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息7，这个过程是光纤光栅的传感原理。（3.1.3）式中，纤芯的有效折射率是，T为光栅的周期。由3.1.3方程可知，是由光栅周期，反向耦合模的有效折射率决定的。其中，任何能使得这两个参数发生变化的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。在所有引起光栅布拉格波长漂移的外接因素中，最直接的是应变参数的改变。

31、进而，这种新型的、基于波长漂移检测的光纤传感器机理被得到了广泛的应用。光纤布拉格光栅具有成本低、体积小、抗电磁干扰、可靠性高等优点，特别适用于辐射性、强磁场、腐蚀性或危险性大的环境中物理参量的测量，是目前最具发展前景的一类光纤传感器。目前国内外已有不少光纤光栅振动传感器的报道，主要采用了机械悬臂梁结构设计6。但是，由于机械悬梁臂一般都是由金属材料制作而成，其固有的热胀冷缩导致了悬梁臂对温度的交叉灵敏度，成为了该类传感器发展的屏障。为消除对振动的交叉敏感性，现主要采用、机械补偿结构设计以及参考光纤光栅等技术方法。但这些方法比较复杂，结构不易加工。下面介绍研究者设计的一种光纤光栅振动传感器8。它是

32、由机械悬梁臂一端固定在封装壳上，与待测的物台连接。在测量振动时，振动源和物台同时振动，而引起悬梁臂振动。两个相同特质的光纤光栅，一个安装在悬梁臂下表面的对称位置作为信号解调光栅，另一个安装在机械悬梁臂的上表面上作为传感光栅。由振动惯性力的作用下悬臂梁发生机械振动，带动两个光栅产生周期性的应变拉伸或收缩，从而引起FBG的布拉格波长发生变化，通过探测波长的信息前后是否一致，就能实现振动测量。图3.1.3.1 光纤光路图图3.1.3.1是光纤光栅传感器的光路原理图。光通过22 光纤耦合器，送到传感头1上。之后，反射光信号返回又经22 光纤耦合器，经过传感头2上，传感头2的透射光强经光电转化，由光信号

33、转换为振动的电信号，此时传感头2的作用是用作传感头1的光波长滤波器，将传感头1的波长改变转化成为光强信号变化。3.1.3.2此传感器的原理图此光纤光栅振动传感器特点是用一种新的简单易行的解调技术，可以有效消除光纤光栅敏感信号的啁啾现象，有效减弱传感器的温度交叉敏感的问题，振动测量精度有显著的提高。3.2 光纤振动传感器信号的解调技术信号解调是光纤传感器实用化所面临的关键问题之一9。目前常用的适用于干涉型光纤振动传感器和光纤光栅振动的解调方法不同。下面分别对其作出讨论。3.2.1 相位型光纤振动传感器的解调方法光纤干涉型振动传感器的信号处理直接会影响到测量的精度、分辨率及动态范围等因素。能形成干

34、涉的方法有很多，所以用于光相位解调的干涉结构也有很多。目前主要有双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法和环形干涉法。而其中最常用的是双光束干涉法。马赫-泽德型光纤干涉仪、Michelson型光纤干涉仪（如图3.2.2）常常用双光束干涉法解调。在实际应用时，Michelson型光纤干涉仪在信号测量时对外界因素要求高，所以光纤传感领域中前者干涉仪解调方式得到了更为广泛的推广和应用。图3.2.2 迈克尔逊型相位调制型光纤传感原理图无源零差解调方法原理是光路设置来实现正交偏置的开环解调方法。此技术关键的使用是找到获取正交信号的电路方法，也叫作被动零差解调方法。零差检测法相原理是对一个频谱比较复杂的信

35、号进行滤波，提取出两个低频的信号，然后重新合成为一个新的信号，该信号的相位就包含了被测量的信息。合成外差解调法的原理与与零差检测法相似，只是合成外差法采用本振信号混频。该解调方法的优点是对光信号的幅度波动和偏振态变化不敏感。3.2.2 波长调制型光纤振动传感器的解调技术波长解调技术在光纤振动传感器解调技术中被广泛应用。它将测量的信息进行波长编码，不必对光纤连接器，光源输出功率起伏，耦合器损耗进行补偿，操作较为简单。下面对光纤光栅振动传感器的解方法做进一步的讨论。如图3.2.2.1，在传感过程中，信号的解调可分为反射式及透射式，反射式的传感解调系统比较容易实现。过程是光经连接器进入传感光纤光栅，

36、传感头在外接因素变化的情况下，对光波进行调制；由传感光栅透射（或反射）信息的调制光波，探测器接收连接器传入的信息解调并输出。图3.2.2.1信号解调 目前比较应用较多的主要波长移动检测方案有以下几种。可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，CCD分光仪检测法，波长可调谐光源解调法等10。边沿滤滤解调检测方法是基于光强检测，适用于动静态测量，由式可知测量范围与探测器的分辨率成正比。此方法的特点是能够有效地抑制连接及微弯干扰、光源输出功率的起伏等不利因素，采用了较好的补偿措施，而且系统反应灵敏，价格较低，使用方便灵活，并且在几个测量范围内，系统具有几十个的高分辨率

37、。3.2.2.3边沿滤滤解调示意图光谱仪和多波长计检测法是对波长移位常用的检测方法，在光纤光栅传感系统中。利用ASE光源如发光二极管LED，光输入光纤光栅，再用多波长计检测输出光的中心波长移位，如图3.2.2.2。此方法结构简单，并且经久耐用，易于使用和自动测试等优点，常常被使用。3.2.2.2光谱仪和多波长计检测法图所示为边缘滤波器的线性解调原理，输出光强的变化量与波长漂移量成正比，此滤波函数可表示为 （3.2.2.1）从传感光栅包含波长移位调制的光信号分成两束，分别送到两个不平衡的滤波器中，之后两光强相除，最后只含有波长位移的信息数据。从光纤Bragg光栅返回的光均匀分为两束，一束作为参考

38、信号被送入探测器；另一束通过滤波函数为上式的线性滤波器，再送入探测器，反射光是谱宽为的Gaussian分布11，则接收到的光强分别为 （3.2.2.2）（3.2.2.2） 为信号光强，为参考光强。由式可见，与测量值有良好的线性关系，就可计算出动态的值。第四章 锥形光纤的结构和传光特性4.1 锥形光纤的结构通常锥形光纤的加工方法有两种：腐蚀法和融拉法。前者的特点是光纤包层直径沿传播逐渐减小，而纤芯直径除了在小端附近时逐渐变小，其余部分基本不变。后者可以看成在锥形区域内包层和纤芯的直径沿纤轴方向均逐渐变小，包层和纤芯的直径之比保持恒定。我们现在所讨论的是基于后者的锥形光纤。图4.1.1 锥形光纤的

39、几何剖面图图4.1.1是锥形光纤的几何剖面图。其中，A是光锥锥度，l是光锥长度， 是尖端半径， 是光纤锥的粗端半径。由锥形光纤几何参数可用下面数学式表示12: （4.1） 由上式可以看出， 尖端直径越小， A越小。l值越小A就越大， 锥形变化也就越尖锐。4.2 实验拉制成的锥形光纤图4.2.1为本次实验所拉的锥形光纤。锥形光纤的锥长为1160.02um，腰宽为22.34um。由图可看出，拉成的锥非常完美。实验中用自制的热拉伸装置把光纤拉成锥形，在拉锥过程中尽量保证两手力道均匀，并且由于实验装置是高压的，要注意实验安全。锥形光纤顶端锥体的角度，变化范围越大光纤表面越光滑， 锥形锥区越短， 传输效

40、率就越高。图4.2.1 实验拉成的锥形光纤实物图当光线在锥形光纤传输时，要使入射光线能从锥形光纤的另一端出射，由全反射条件： （4.2）上式中，为锥形光纤的锥角，是光纤出射端的半径，是光纤入射端的半径。要使锥形光纤可以传输光，光纤要有一个最小长度，所以实验中不能拉锥过长。图4.2.2 单模锥形光纤结构示意图4.3 锥形光纤的传光特性由上述我们所讨论锥形光纤结构，光进行传输时，有许多与普通常用光纤不同的特性，同时它与器件耦合时有高的耦合效率、低的传输损耗等优点，这些是研究着们现在所关注的。 （4.3.1）光纤内径为d；激光光束与光纤轴线的夹角为；n为光在普通光纤中传输时，沿轴向单位长度的反射次数

41、。 （4.3.2）光纤内反射膜的反射率为，k为每次反射所引起的传输损耗。由4.3.1及4.3.2式可知，单位长度上的反射次数越多，能量的损耗就越多。图4.3.1光在普通光纤中的传播由研究人员分析的结果可得到，在传输激光能量时，锥形光纤既可以增大光在传输过程中的入射角，还使光在光纤中的反射次数减少，缩短了光束传播时路径，也使得反射率增大了，同时光纤的传输损耗降低。光在锥形光纤中传播时的示意图如图4.3.2所示图4.3.2光在光纤锥中的传播示意图第五章 实验原理及数据分析本实验提出了一种新型的单模锥形光纤作为传感器，分析了锥形光纤的敏感机理，依据光在光纤传输过程中，当外界有振动时光纤弯曲导致光在光

42、纤传输时有泄漏，且光功率变化与振动频率存在关系实现了振动检测。该传感器可更好地实现50 Hz 到20 kHz 振动频率检测。光 源ComputerFFTDAQ信号发生器5.1 实验原理图实验装置如图5.1所示，利用信号发生器产生20到20000Hz 的不同频率的正弦波，传感头固定在金属板上，解调方法采用功率解调，信号通过数据采集卡，再经过对信号处理，可观测传感器的特性。利用信号发生器产生2020000 Hz 的不同频率的正弦波，对每种频率下光纤振动传感器的响应，做出传感器在不同频率的响应曲线，其响应曲线如图6所示。频率在1kHz范围区域信噪比达到最大值，频率在3kHz范围区域也有一个峰值，这主

43、要是由于此时振动信号与金属板产生共振，那么在此频率的倍频下也可能产生共振，会有峰值的出现，从5.2表数据及图可看出6KHz、9KHz 也是它的共振区。系统在频率为1KHz时，传感器信噪比可达到70dB左右。频率响应表1频率（Hz）信噪比（dB）频率（Hz）信噪比（dB）频率（Hz）信噪比（dB）1001590056400023200261000685000133004515003260003240039200027.57000950040250023.510000560041300020110002870050350054200001680059图5.2 光纤振动传感器的频率响应特性数据及图我

44、们还研究了在一定频率下光纤振动传感器的响应声波振动强度。频率在1kHz下，通过改变输入电压从100mv到1500mv范围内不同的声波强度。光纤振动传感器测量的信噪比如图5.3所示。这种测量方法是进行单频率检测。1550nm激光光源频率1kHz下强度测试结果电压（mv）信噪比（dB）电压（mv）信噪比（dB）10056.190068.620059.8100069.230061.9110069.540064.1120070.250065.8130070.360066.9140070.370067.5150070.580068.1图5.3 1kHz下强度测试结果及数据为了使更好的验证传感器的灵敏度，

45、还进行了用另一音响测定其此传感器的特性。图5.4是测量另一音响的频响特性曲线。利用信号发生器产生020000 Hz 的不同频率的正弦波，对每种频率下光纤振动传感器的响应，做出传感器在不同频率的响应曲线。3KHz、6KHz、9KHz 是共振区。系统在频率为1KHz时，传感器信噪比可达到70dB。频率响应表2频率（Hz）信噪比（dB）频率（Hz）信噪比（dB）频率（Hz）信噪比（dB）209250452000253017300243000214020400214000255024500395000286025600326000307011700348000108010800531100014901

46、69005414000910022100071150002611033110047160001415049120034170001120042150017180009图5.4（a）频率响应范围图5.4(b) 0到2000Hz频率响应范围图5.4（b）是将图5.4（a）中0到2000Hz范围进行放大的结果。由于实验第二次所用的音响是低音炮，它对低频信号较为灵敏，从图5.4（b）及上述数据表中我们可看到此传感器具有很好的响应频谱。同样我们也测量了此音响在一定频率下光纤振动传感器的响应声波振动强度。频率在1kHz下，通过改变输入电压从20mv到2200mv范围内不同的声波强度。光纤振动传感器测量的信

47、噪比如图5.5所示。ASE光源频率1kHz下强度测试数据如下：ASE光源频率1kHz下强度测试结果电压（mv）信噪比（dB）电压（mv）信噪比（dB）5020.560054.610028.565054.915040.570055.120046.580055.525048.5100056.130050.1120056.535052.2130056.640053.1140056.845054.1150057.150054.5180057.555054.5200058图5.5 1kHz下强度测试结果将设计的光纤振动传感器头固定在一定的位置上，在其传感头临近的位置进行hammer testing。锤击

48、不同与一般的振动，它是一种更为复杂的现象，也一种不稳定的瞬间过程。锤击时间一般为1020 ms，并且它的能量频谱范围大，加速度的幅值高。由冲击频谱图可见，具有良好的振动冲击响应，频响可超过25kHz。实验测试结果如图5.6所示。图5.6（a） hammer testing时域响应图图5.6（b） hammer testing频域响应图同时对该振动传感器做pencil break实验，这与hammer testing相类似。在传感头其附近进行pencil break实验。实验测试结果如图5.7所示。由频谱图可见，具有良好的振动响应，频响可超过20kHz。图5.7（a） pencil break时

49、域响应图图5.7（b） pencil break时域响应图我们将光源换做ASE，在ASE光源下测量了此光纤振动传感器的频响特性。实验表明此振动传感器对光源无硬性要求，设计应用成本低，是一种很具发展潜力的光纤振动传感器。图5.8是1200Hz、1000Hz及800Hz频域及时域的振动测量结果图。图5.8（a） 1200Hz时域及频域的振动测量结果图图5.8（b）1000Hz时域及频域的振动测量结果图图5.8（c） 800Hz时域及频域的振动测量结果图为了更有说服力，以下是在实验中一些数据图的展示。在频率为20Hz的情况下，测得的信号信噪比可达到近二十个dB左右。在频率为15kHz的情况下，测得的

50、信号信噪比可达到近五十个dB左右。可以看出，此振动传感器在低频及高频下都有很好的响应。图5.9（a） 20Hz时域及频域的振动测量结果图图5.9（b） 50Hz时域及频域的振动测量结果图图5.9（c） 1000Hz时域及频域的振动测量结果图图5.9（d） 6000Hz时域及频域的振动测量结果图图5.9（e） 15kHz时域及频域的振动测量结果图当振动传感器的输入光功率为5.932mw时，输出光功率为0.925mw,测得光损耗为8.13dB.此光纤振动传感器具有结构简单，易于制作，测量频带宽，解调成本较低，不受温度漂移影响,对光源无硬性要求等优点，是一种很具发展潜力的光纤振动传感器。第六章 总结

51、随着光纤传感技术的发展，光纤传感器因其体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、本质安全等优点而获得了广泛应用。传统的压电陶瓷类传感器受电磁干扰比较严重， 在强电场环境下其有效性受到很大制约， 因此对于基于光纤的振动检测技术的研究具有重要意义。目前光纤振动传感器应用广泛的主要是光纤光栅型传感器和干涉型传感器。由于光纤光栅型传感器传感性能主要取决于材料的性能，测量频率范围较低，从而使用受到限制。对于干涉型振动传感器来说，它具有灵敏度高的优点，但其结构复杂， 成本高， 易受温度漂移和外界干扰的影响，不适合检测现场。光纤光栅型传感器和干涉型传感器都具有成本较高，解调比较复杂的缺点。为了解决目前光纤振动传感

52、器发展领域所存在的这一问题，设计出了一种新型的光纤振动传感器实现对外界信息振动的测量。此光纤振动传感器是以拉锥型单模光纤为基础制作的一种光纤振动传感器，通过在拉锥过程中改变一些结构参数， 使之对外界环境( 压力、振动等) 有较灵敏的响应，将传感器粘贴在被测物体上，从而实现对这些信号的检测。具有结构简单，易于制作，测量频带宽，解调成本较低，不受温度漂移影响,对光源无硬性要求等优点，是一种很具发展潜力的光纤振动传感器。该传感器可更好地实现50 Hz 到20 kHz 振动频率检测。参考文献1熊靖，光纤光栅振动实时监测系统的设计与研究,武汉理工大学硕士学位论文,201005012 Vohra S,Da

53、nver B, Tveten A, et al. High performance fiber op tic accelerometers J . Electron Lett, 1997 (33) : 155 - 1573 王茜, 刘永智等人，全光纤双传感臂微振动传感器，Infrared/vol.28,no.9,sep-20074 测量微振动的光纤Sagnac干涉传感器，梁艺军,刘志海,杨军,苑立波，哈尔滨工程大学学报，第28卷第1期，2007年1月5 单模光纤耦合传感器的设计，蒋奇,隋青美,马宾，光学精密工程，山东大学控制科学与工程学院,山东济南2500616 戴锋,黄国君. 一种布拉格光纤

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