（光学工程专业论文）多通道光纤衰荡传感器的实现和应用.pdf

福建师范大学工学硕士学位论文 i l ； jh 、? 口d 一；删i h i i i i i i i 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ - _ _ - - - i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ 一 l i 1 i l1 1 1 i i l l l l li i li l i i i i i a b s t r a c t f i b e r - l o o p r i n g d o w ns p e c t r o s c o p y ( f l i l d s ) i san o v e lt e c h n o l o g y , w h i c h d e m o n s t r a t e sg r e a ta d v a n t a g ei nm e a s u r e m e n to ft i n yc h a n g e so fs e v e r a l p a r a m e t e r s ，s u c h a sp r e s s u r e ，s t r a i n ，c o n c e n t r a t i o n r e c e n t l y , ad u e l c h a n n e lf l r d s s y s t e mh a sd e v e l o p e d b a s e do nt h ep r i n c i p l et i m e - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，t h i si d e as u g g e s t san e wt r e n df o r f l r d sw i t hm o r ec h a n n e l s t h i s p a p e rf i r s td e s c r i b e saf o u r - c h a n n e l f i b e r - l o o pr i n g d o w n s e n s o rw i t h t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nb a s e do nn e u r a ln e t w o r k s w et e s t e di t sf e a s i b i l i t yb yg i v i n ga n e x a m p l eo ff o u r - c h a n n e lp r e s s u r es e n s o r t h i sf i b e rr i n g - d o w np r e s s u r es e n s o rm a k e su s e o ft h ep r i n c i p l eo ft i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w h i c hc o n s i s t so fs e r i e sa n dp a r a l l e lf i b e r l o o p s t h el a s e rp u l s e sf r o mf o u rc h a n n e l sc a l lb ea c q u i r e db yo n l yo n ed e t e c t o ra n dt h e f o u rp r e s s u r ev a l u e sa r em e a s u r e ds y n c h r o n o u s l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th a st e s t i f i e dt h e f e a s i b i l i t yo ff o u r - c h a n n e lr i n g - d o w np r e s s u r es e n s o r i nt h a tc a s et h a tm u l t i c h a n n e l m e a s u r e m e n ti sn e e d e d ，t h i ss e n s o rr e d u c e st h ec o s t t a k i n gm o d ed i s p e r s i o ni nm u l t i m o d ef i b e ri n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h em a x i m u m m u l t i p l e x i n gn u m b e ri sd i s c u s s e d t h em a x i m u mm u l t i p l e x i n gn u m b e ri n c r e a s e sa st h e l e n g t ho ff i b e rl o o pg o e su pw h i l ed e c r e a s e sw i t ht h eg r o w t ho ft h ei n i t i a lw i d t ho fl a s e r p u l s ea n dc i r c u l a t i o nt i m e s i na d d i t i o n ，e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ec a nc r e a t ead i s t u r b a n c et ot h et e s tr e s u l to f s e n s o r f o re x a m p l e ，o u re x p e r i m e n ts h o w e dt h a ti nt h ep r o c e s so fm e a s u r i n gp r e s s u r e ， t h ep r e s s u r es e n s o ri se a s i l ya f f e c t e db yt h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r e i no r d e rt oe l i m i n a t e t h ed i s t u r b a n c eo fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nb a s e do nn e u r a l n e t w o r k sh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di no u re x p e r i m e n t l a s tb u tn o tl e a s t ，w ec o m eu pw i t had e s i g no fc u r r e n ts e n s o rb a s e do ng i a n t m a g n e t o s t r i c t i o ne f f e c t i nt h e o r y , i ti sa b l et od e t e c tt h r e ep h a s ec u r r e n ts i m u l t a n e o u s l yi n e l e c t r i c a li n d u s t r y k e y w o r d ：f l r d s ，p r e s s u r es e n s o r , t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，c u r r e n ts e n s o r i l l 福建师范大学工学硕士学位论文 替；、 ；h 0 i v 0 ， ， 。奢 i n 中文文摘 中文文摘 光纤环形腔衰荡光谱吸收技术( f i b e r - l o o pr i n g - d o w ns p e c t r o s c o p y ，f l r d s ) 种新颖的、高灵敏度的传感技术。这种技术最早在2 0 0 2 年提出，它的机理是光 形腔内的光损耗与外界的某些参量变化在某个区间范围内成线性关系。这种传 术具有高灵敏度、抗电磁干扰，耐高温、易携带等优点，因而被广泛地应用到 压力、应变、折射率、生物化学溶液浓度、电压、电流等领域。 光纤环形腔衰荡光谱吸收技术( f l r d s ) 的传感机制如下：首先，由脉冲激光器 发出的激光脉冲进入光纤环形腔。光脉冲在环形腔内不断地绕圈。每绕一圈，都有 极小的一部分光功率被耦合出光纤环形腔，继而被光探测器接收到。光脉冲绝大部 分的能量仍然保留在光纤腔内。但由于光纤腔内存在光损耗，下次被光探测器检测 到的光强必然比上次来得低。根据比尔定律，接收到的信号将随着传输距离的增加 成指数衰减。信号经过计算机处理形成一条衰荡曲线。从曲线中可以分析得到表征 光纤环形腔内的光损耗的参数。当外界对光纤环形腔施压某种作用，使光纤环形腔 的光损耗发生变化，那么衰荡曲线也将发生一定的变化，对比分析两条曲线，我们 就可以得到光纤环形腔内的光损耗与外界的某些参量变化在某个区间范围内成线性 关系。这就是光纤衰荡传感器的工作原理。 传统的f l r d s 的优势在于其高灵敏度，检测精度可达到p p m 量级，适合检测物 质的微弱吸收，并且对激光光强的稳定性要求不高。 但是它的缺陷在于目前f l r d s 系统为单通道系统，只能对单一参量进行检测。 然而在许多场合，如检测桥梁各点路况、火警多点温度监测，都需要进行多参量测 量。若要使用f l r d s 技术，则需要配备多套f l r d s 系统，费用昂贵。这一缺陷制 约了f l r d s 技术的推广。 为了克服f l r d s 仅能检测单通道的缺陷，在2 0 0 8 年出现了一种利用时分复用技 术来拓展f l r d s 系统复用数的改进方案。在这种方案中，f l r d s 传感网络可以有 多个光纤环形腔并联或串联组成。在串联型结构中，光脉冲依次经过多个f l r d s 系统，而后光信号被同一个检测器接收。在并联型结构中，光脉冲先被耦合器分为 几路传输，最后各路信号又经由耦合器汇合在一起，被同一个检测器接收。在利用 时分复用原理设计f l r d s 系统的过程中，我们要避免来自不同信道的信号的重叠， v 福建师范大学工学硕士学位论文 这里我们通过引入延迟线的方法将每路信号进入检测器的时间错开来，达到互不干 扰的效果。 目前，基于时分复用的双通道f l r d s 系统已实现。但是要制作更高复用数的 f l r d s 系统还要考虑几个因素：1 拓展通道数导致线路设计更加复杂。2 为了避免 信号的重叠，必须要对每路信号的光程做精确计算，然后加入光纤延迟线对光程加 以修正；3 考虑到信号因光纤色散而展宽，相邻通道信号在传输一定距离时将会发 生重叠。因此，制造更多复用通道数的f l r d s 系统的可行性仍然有待验证。 有鉴于此，本文提出了一种串并联混合的四通道f l r d s 传感网络实验，并以应 用于压力传感领域为例，对实现多通道f l r d s 的可能性进行了实验验证。 四通道f l r d s 传感网络由四个光纤环形腔组成，环形腔之间呈串联和并联混合 结构关系。首先，由激光器发出的光脉冲经过一个2 x1 的耦合器，被分为并联的两 路光信号。每一支路上都串联着两个光纤环形腔。光信号逐个经过光纤环形腔，并 按照一定的顺序相继被同一个检测器接收。最后，检测器接收的数据被采集到计算 机之间，经过程序处理后绘制成图像。在同一张信号强度一时间图像中显示出4 组不 同的衰荡曲线，由此初步证实了实现多通道f l r d s 传感网络的可行性。 接着，我们在四通道f l r d s 传感系统上安装了压力传感头，并对四个通道做了 压力测试，实验进一步证实了制作四通道f l r d s 压力传感器的可行性。 我们对四个通道分别进行压力测试。分别在四个环形腔的传感头上施压确定的 压力值，通过计算机采集处理数据，计算出相应压力下的衰荡时间f ，描绘成二一f f 的关系曲线。为了保证结果的可靠性，每次施压压力后过一分钟左右等待传感系统 稳定再进行测试，对每确定压力值都进行了2 0 次测试，得到相应的衰荡时间，然 后将结果进行平均。实验结果表明，二值随着f 值的增加而增加，并且呈明显的线 r 性关系。四路通道的线性拟合度分别为0 9 7 7 4 3 ，0 9 9 5 7 5 ，0 9 9 3 3 8 ，0 9 9 3 1 6 。四 个通道的压力测试结果有力地支持了四通道f l r d s 压力传感器的可行性。 在多通道f l r d s 的设计中，光纤色散对最大复用数的制约是不可忽略的重要因 素。由于光纤色散引起脉冲展宽，有可能导致各通道的信号在传输过程中发生重叠、 串扰，影响各通道信号的识别。因而，f l r d s 的最大复用通道数受到光纤色散的限 制。对此本文根据多模光纤模式色散理论，讨论了多模光纤色散对多通道f l r d s 系统最大复用数的影响。经过分析发现，f l r d s 系统的复用数随环形腔长度增加而 v i 1 专r 、 、 二 ， f 0 中文文摘 增加，随初始脉冲宽度和衰荡次数的增加而减少。一般情形下，使用渐变型光纤比 突变型光纤可复用通道数更多。 f l r d s 传感器的工作原理就在于外界参量变化改变了光纤环形腔内的光损耗。 但是，环境温度的变化同样会引起光纤环形腔内的光损耗，特别是在光纤发生微弯 形变的场合，损耗更大。对此，本章提出了一种基于人工神经网络的温度补偿机制， 用以消除温度对f l r d s 传感器的影响。为了验证温度补偿机制的性能，我们以压力 传感器为例，用实验显示了温度对压力传感器的干扰。在给定压力情况下，对光信 号在不同环境温度下的衰荡时间进行了检测。实验结果表明，对于某一给定的压力， 衰荡时间随着环境温度的上升而逐渐下降。这种现象可以被理解为：光纤结构因受 热而膨胀，从而引起辐射损耗。然后我们在压力传感器中植入基于人工神经网络的 温度补偿机制。温度补偿机制由l a b v i e w 和m a t l a b 两个软件共同实现。实验结果 证实了温度补偿网络的高效性能。温度补偿的这一方法有望解决f l r d s 传感器受温 度影响的缺陷。同时，这种温度补偿系统还可应用到其他同样受温度干扰的传感器 系统中 针对传统电流互感器( c t ) 的易受电磁干扰、安全绝缘难度高等不可克服的缺 陷，本文提出一种基于超磁致伸缩效应的f l r d s 电流传感器设计方案。该设计方案 以超磁致伸缩材料为传感头，该传感头可将待测电流的变化以光功率的变化形式反 映。将基于超磁致伸缩效应的电流传感头植入f l r d s 系统，即可通过检测衰荡时间 的变化来检测电流。由于f l r d s 系统灵敏度高、稳定性好、安全绝缘可靠，可与计 算机系统连接并且可分路复用，而且可以植入温度补偿机制，可适用于电力系统的 三相电流检测。利用这种电流传感器来测量三相电流的机理是：首先，光信号被分 作三路传输，分别测量三相电流，由于超磁致伸缩材料在待测电流产生的磁场作用 下发生伸长，此伸长又使得与之相连接的光纤准直器发生平移偏移，从而导致光纤 环形腔内部损耗增大，得到的衰荡时间相应变小。由于光纤准直器的平移量与得到 的衰荡时间具有明显的依赖关系，因此通过测量衰荡时间的变化即可得到电流值。 基于超磁致伸缩效应的f l r d s 电流传感器既具有超磁致伸缩材料输出功率高、 响应速度快，工作频带宽的优点，又具有f l r d s 系统灵敏度高、稳定性好、安全绝 缘可靠、可与计算机系统连接并且可分路复用等优点，同时还可以植入温度补偿机 制来消除温度对电流传感的干扰，因而有望在电力系统的三相电流检测中得到应用 总而言之，多通道光纤衰荡传感器不仅具有高灵敏度、抗电磁辐射、耐高温和 v i i 福建师范大学工学硕士学位论文 腐蚀、易携带等优点，更具有可进行多通道检测的优势，可广泛应用于生化参量、 电流、电压、压力、应变等检测领域，具有广阔和美好的应用前景。 v i i i 1 一 t 0 矿 k 第一章光纤环形腔衰荡光谱技术7 第一节引言7 第二节f l r d s 技术工作原理7 第三节f l r d s 技术的优势和缺陷9 第二章多通道光纤环形腔衰荡传感器1 1 第一节引言1 1 第二节多通道f l r d s 传感网络设计1 1 第三节多通道f l r d s 传感网络设计方案和实验验证1 2 第四节多通道f l r d s 最大复用数的理论分析1 7 2 4 1 光纤色散传输理论1 7 ( 一) 光纤结构1 7 。 ( 二) 光纤种类1 8 ( 三) 多模光纤色散1 9 。 2 4 2 多模光纤色散对多通道f l r d s 复用数的影响2 1 第五节本章小结2 2 第三章基于人工神经网络的f l r d s 传感器温度补偿2 5 第一节引言。2 5 第二节环境温度对f l r d s 压力传感器的影响2 5 第三节基于人工神经网络的f l r d s 传感器温度补偿机制2 7 3 3 1人工神经网络2 7 3 3 2 基于b p 神经网络的f l r d s 压力传感器温度补偿2 8 第四节本章小结3 1 i x 福建师范大学工学硕士学位论文 第四章基于超磁致伸缩效应的f l r d s 电流传感器- 3 3 - 第一节 引言一3 3 - 第二节基于超磁致伸缩效应的电流传感头的设计3 3 4 2 1基于超磁致伸缩效应的电流传感原理- 3 3 - 4 2 2基于超磁致伸缩效应的电流传感头设计一3 4 4 2 3电流传感头的温度补偿- 3 5 一 第三节基于超磁致伸缩效应的f l r d s 电流传感器设计- 3 6 - 第四节本章小结一3 7 一 第五章结论一3 9 - 参考文献：- 4 1 - 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果- 4 8 - 致谢。一4 9 - 个人简历- 5 0 一 ：柑- 一、 。机岛t x 加 h ， “ 1 ： o 正 矽 k 绪论 绪论 随着光电子和光通信技术的迅猛发展，光纤传感器越来越得到人 传感器相比，光纤传感器具有轻便、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐高 带宽等优点，因此被广泛应用在高温易燃易爆等危险环境中。随 着光电器件性价比不断提升，在某些测量领域，光纤传感器开始逐步取代传统传感 器。光纤环形腔衰荡光谱技术( f i b e r l o o pr i n g - d o w ns p e c t r o s c o p y ，f l r d s ) n 1 是 一种高灵敏度的传感技术。它的传感机制是光纤环形腔内的光损耗与外界的某些参 量变化在某个区间范围内成线性关系。目前它被广泛地应用到测量压力、应变、折 射率、生物化学溶液浓度、电流、温度等领域。但是，传统的f l r d s 系统只有一个 测试通道，每次测试只能测试一个外界参数。近些年来，在越来越多的测量场合， 我们面临着需要同时进行多路测量的情况，比如检测大桥的多个位置路况、测定多 种不同溶液的浓度，等等。在这样的场合，传统的f l r d s 便不能满足应用的需求。 最近，一种新式的双通道f l r d s 传感系统设计曙1 引起关注。新式f l r d s 系统利用时 分复用原理，通过两个通道共享同一个光源和探测器的方法，实现了双通道同时检 测，降低了检测成本。这种新式f l r d s 设计预示着制造更多复用通道数传感器的趋 势。但是考虑到信号传输中的脉冲展宽限制、光功率的损失、实际线路设计的复杂 程度，因此制造更多复用数f l r d s 系统的可行性仍然有待验证。另外，传统f l r d s 传感系统在进行压力检测时，测试结果受环境温度影响较大，这个问题目前还无法 得到解决。 1 2f l r d s 技术的研究进展 光纤环形腔衰荡光谱技术( f i b e r l o o pr i n g - d o w ns p e c t r o s c o p y ，f l r d s ) 的 雏形是腔衰荡光谱技术( c a v i t yr i n g d o w ns p e c t r o s c o p y ，c r d s ) 。1 9 8 8 年，0 k e e f e 和d e a c o n 口1 将脉冲光注入光学谐振腔，并在谐振腔内填充气态氧分子。脉冲光在谐 振腔内来回衰荡，根据比尔定律，光损耗随着光程的增加呈指数衰减。用这种方法 测量了气态氧分子的窄带吸收光谱，灵敏度达到了p p m 量级。这种技术被命名为腔 衰荡光谱技术( c a v i t yr i n g d o w ns p e c t r o s c o p y ，c r d s ) 。 福建师范大学工学硕士学位论文 以后几年，在c r d s 方面陆续有一些文献报道h 吲，都是采用脉冲激光器。1 9 9 7 年，r o m a n i n i 嘧1 等人提出利用商用的连续波激光器也同样可以进行c r d s 检测，并测 量了乙炔的在5 7 0 n m 附近的吸收谱，探测精度达到1 0 嵋量级。由于采用连续激光器 做光源，成本较脉冲激光器便宜，因此这种技术被称为连续激光腔衰荡光谱 ( c w c r d s ) 技术。 2 0 0 2 年，l e r b e r 等人n 们首次将在光纤环形腔内实现了c w - c r d s 技术，并对腔内 弯曲损耗进行了测量，检测精度可以达到1 0 8 p p m 。 同年，r s b r o w n 等人n 1 将可见近红外脉冲光耦合进无源光纤环中。光脉冲在光 纤环中不断绕圈，每经过一圈都有微量的光功率被光电倍增管探测到。要进行检测 的化学样品溶液被嵌入光纤环中。通过测量每次绕行的光损失和衰荡时间，可以表 征样本性质和定量检测样本浓度。这种方法被命名为光纤环形腔衰荡光谱技术 ( f i b e r - l o o pr i n g d o w ns p e c t r o s c o p y ，f l r d s ) 。由于光纤具有耐腐蚀、抗电磁干 扰等优良特性，相比c d r s 技术，更适合许多危险环境的检测，因此具有很大的应用 前景。 此后，c d r s 技术和f l d r s 技术在应用于化学、生物、压力、温度传感等方面都 有不少研究成果 在化学传感领域，腔衰荡技术主要用于定量分析物质的吸收光谱。关于这方面 的文献非常多，至今还不断涌现n h 射。 在生物传感领域，2 0 0 4 年，t a r s a 将双锥形光纤表面涂抹一层多聚赖氨酸溶液 ( p o l y d l y s i n e ) ，将之用于检测哺乳动物乳腺细胞浓度乜。2 0 0 5 年，r i c h m a n 乜4 7 等人，利用腔衰荡技术和荧光技术相结合的方法，成功鉴别空气中生物气溶胶。2 0 0 6 年，e h w a h l 乜5 3 利用腔衰荡技术进行二氧化碳气体的同位素比检测。2 0 0 9 年， s t a m y r 乜印等人利用腔衰荡技术检测人体呼气中氢氰酸( h c n ) 中毒情况。 在湿度研究领域，2 0 0 3 年，d u d e k 和t a r s a 等人乜刀利用c w c d r s 技术进行湿度 研究。s t e w a r t 乜印等人将光纤放大器( e d f a ) 与f l r d s 系统相结合，提升了腔灵敏度。 在压力传感领域，2 0 0 3 年，c h u r lw a n g 啪棚1 等率先将f l r d s 应用于压力传感器 设计。这种传感器是利用测量脉冲光在腔内的衰荡时间来间接检测压力的。他们还 对传感器的稳定性、可重复性和动态测量范围进行了实验研究。 2 0 0 4 年，t a r s a 以双锥形单模光纤为传感头，在无源光纤环形腔中进行消逝场 吸收光谱检测口，并制作出了应力传感器羽。 、 k 2 0 0 1 年，中国科学院的赵宏太建立了一套光腔衰荡原子束吸收光谱测量装置， 并在5 5 3 5 4 8 n m 波长附近测量了b a 原子的6 s 6 p 1 p ，- - 6 s 6 s 1 s 。的吸收谱线，同时对吸 收系数与原子炉温度的关系进行了分析，同年还提出一种腔衰荡四腔镜轮换的方法， 测量了四腔镜的反射率删7 4 们。 国防科技大学的谭中奇在2 0 0 6 年根据无源腔的q 值定义以及能量守恒定律，推 导了连续波腔衰荡技术原理并做了有关实验研究嘟5 7 ，2 0 0 7 年，提出采用加权最小 二乘法来拟合线性化处理后的腔衰荡信号，提高数据拟合速率畸5 1 ；采用腔衰荡法和 多光束干涉有关理论，分析了腔长变化对连续波腔衰荡技术测量的影响钔。2 0 0 9 年， 谭中奇应用连续波腔衰荡技术对1 5 1 7 微米附近的7 条水汽吸收谱线进行了实验研 究，测得这些谱线在氮气、空气环境下的谱线加宽系数拍鲫。 2 0 0 7 年，福建师范大学的邱晖晔等阳羽，用多模光纤替代单模光纤制作压力传感 器，使得整个系统的有更高的灵敏度和更大的动态范围。 随着光纤传感产业的发展，单个信道的测量已经不能满足测量要求，各种复用 技术开始与光纤衰荡技术相结合，实现多通道测量。由于复用技术使得光纤传感系 统的核心器件( 如激光光源、光探测器，信号采集处理系统) 得到了高效应用，因 此在需要进行多参量测量的情形下，大大节省了成本。勒伟在2 0 0 5 年所著的光纤 传感技术新进展叩们中介绍了波分复用技术在腔衰荡技术中的应用。这种方法的难 度在于要制作出符合特定波长的耦合器，工艺要求很高，费用也相应高，但是仍不 失为一种多通道检测的好方法。 2 0 0 8 年，福建师范大学的李高明瞳3 和邱怡申将时分复用技术移植入f l r d s 系统 中，制作了串联型和并联型两种双通道压力传感器。较波分复用技术来说，将时分 复用技术应用到f l r d s 系统中工艺要求相对简单，造价相对便宜，且可以进行多参 量同时检测，因而应用前景更加广泛。这种新式f l r d s 设计预示着制造更多复用通 道数传感器的趋势。但是考虑到信号传输中的脉冲展宽限制、光功率的损失、实际 福建师范大学工学硕士学位论文 线路设计的复杂程度，因此制造更多复用数f l r d s 系统的可行性仍然有待验证。另 外，传统f l r d s 传感系统在进行压力检测时，测试结果受环境温度影响较大，这个 问题目前还无法得到解决。 综上所述，光纤环形腔衰荡光谱技术( f l r d s ) 是一种高灵敏度的，正在不断完 善和发展的新兴吸收光谱技术。它具有高灵敏度和信噪比，体积轻便、耐高温、耐 腐蚀、抗电磁干扰等优良特性。它有其适合于在人所不能及的险要环境( 如高温、 易燃易爆、有毒等环境) ，进行温度、有毒气体检测。在测量液体、气体的浓度、折 射率，侦测有害物质，测量外界压力、应变、温度、电流等方面，f l r d s 技术具有 广阔的应用前景。 1 3 论文的主要工作 本论文的主要工作包括如下几部分内容： 第一章介绍了f l r d s 技术的结构和原理，并指出f l r d s 技术的优势和缺陷。 第二章以压力传感器为例验证了实现多通道f l r d s 传感器的可行性。先介绍了 前人多通道f l r d s 的设想，并指出要实现多通道数的f l r d s 遇到的困难。接着提出 了四通道f l r d s 传感网络的设计方案，并以压力传感器为例，对其可行性进行了实 验验证。我们在四通道f l r d s 传感网络中安装压力传感头，对四个通道进行了压力 测试，压力测试结果表明四个通道中衰荡时间的倒数二和压力值f 的关系呈明显的 f 线性关系，有力证实了实现多通道f l r d s 压力传感器的可行性。再从光纤色散传输 理论引入，讨论了多模光纤色散对多通道f l r d s 系统最大复用通道数的限制。从理 论上给出了对应突变多模光纤和渐变多模光纤下最大复用数公式。结论表明，f l r d s 系统的复用数随环形腔长度k 。的增加而增加，随初始脉冲宽度丁和衰荡次数i 的增 加而减少。在一般情况下，使用渐变型多模光纤比突变型多模光纤可以构造出更多 复用数的f l r d s 系统。 第三章提出了一种基于计算机神经网络的f l r d s 系统温度补偿机制。先从实验 上证明了环境温度对f l r d s 压力传感器的干扰，接着介绍了基于计算机神经网络的 温度补偿机制，并将其引入f l r d s 压力传感器系统。我们自己编写了相应的神经网 络程序和方便友好的用户界面，实验结果证实了温度补偿网络的高效性能。温度补 偿网络成功解决了f l r d s 压力传感器受温度影响的缺陷，是f l r d s 压力传感系统 的稳定性得到更大提升。同时，这种温度补偿系统还可应用到其他同样受温度干扰 擎阳h 一埘娥k 绪论 的传感器系统中，如电压、电流传感器等，具有美好的前景。 第四章针对传统电流互感器( c t ) 的易受电磁干扰、安全绝缘难度高等不可克 服的缺陷，提出一种基于超磁致伸缩效应的f l r d s 电流传感器设计方案。该设计方 案以超磁致伸缩材料为传感头，该传感头可将待测电流的变化以光功率的变化形式 反映。将基于超磁致伸缩效应的电流传感头植入f l r d s 系统，即可通过检测衰荡时 间的变化来检测电流。由于f l r d s 系统灵敏度高、稳定性好、安全绝缘可靠，可与 计算机系统连接并且可分路复用，同样可进行温度补偿，可适用于电力系统的三相 电流检测，具有潜在的应用前景。 第五章是对本论文主要工作的总结。 本论文的新颖之处在于： ( 1 ) 设计了一种带有温度补偿机制的混联四通道f l r d s 传感器，并以其应用于 压力传感为例证实了实现多通道f l r d s 传感器的可行性。该传感器基于时分复用技 术实现了四路通道同时检测，讨论了多模光纤色散对最大复用通道数的限制。这一 拓展使得这种传感器更具实用性，在需要多参数测量的场合大大降低了成本。 ( 2 ) 根据以上实验，提出一种基于超磁致伸缩效应的f l r d s 传感器方案，用于电 力系统的三相电流检测。进行了初步的实验。 福建师范大学工学硕士学位论文 函脚e 如椭， - 6 p ，w 叶，和触l 鲜 ， 第一章光纤环形腔衰荡光谱技术 第一章光纤环形腔衰荡光谱技术 第一节引言 光纤环形腔衰荡光谱技术( f i b e r - l o o pr i n g - d o w ns p e c t r o s c o p y , f l r d s ) 是一种 具有高灵敏度的，正在不断完善和发展的传感技术。它广泛用于生化、压力、应变、 温度、湿度等领域的检测，具有携带轻便、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、稳定性 好等优点，特别适合野外环境检测的需要。最近，它又和时分复用技术相结合，有 望满足多参量同时检测的需要。本章首先介绍f l r d s 传感器工作原理，然后指出了 它的优势以及存在的缺陷。 第二节f l r d s 技术工作原理 光纤衰荡吸收光谱( f l r d s ) 技术的工作原理如图1 - 1 所示。 图1 - 1f l r d s 工作原理示意图 f i g1 1t h ep r i n c i p l eo ff l r d s 整个f l r d s 系统分为四个部分：脉冲激光光源、光纤环形腔、光检测器、数据 采集和处理系统。各部分说明如下： 脉冲激光光源：从f l r d s 传感器的实用角度来说，一般采用半导体激光器，轻 小易携带。 光纤环形腔：光纤环形腔是由两个耦合比很高的耦合器组成( 如耦合比为1 ：9 9 ) 福建师范大学工学硕士学位论文 以及一定长度( 从几米到几千米不等) 的光纤组成。 光探测器：光探测器检测的是极微弱的光功率，因此要求有很高的检测下限。 数据采集和处理系统：数据采集的任务交给采集卡完成，采集来的数据被输入 计算机内进行处理。 f l r d s 系统的工作机制是这样的：首先，由脉冲激光器发出的激光脉冲进入光纤 环形腔叱光脉冲在环形腔内不断地绕圈。每绕一圈，都有极小的一部分光功率被耦 合出光纤环形腔，继而被光探测器接收到。光脉冲绝大部分的能量仍然保留在光纤 腔内。但由于光纤腔内存在光损耗，下次被光探测器检测到的光强必然比上次来得 低，以此类推，以后接收到的信号逐渐衰减。信号经过计算机处理形成光强随时间 衰荡的曲线。( 如图1 - 2 ) 从衰荡曲线上可看出光强随时间以指数形式衰减。事实上， 图卜2f l r d s 光强裹荡曲线 f i g1 - 2t h ec u r v eo fi n t e n s i t yw i t hr e s p e c tt ot i m ei nf l r d ss y s t e m 光纤环形腔内的光强的衰减遵从朗伯一比尔定律( l a m b e r t b e e r ) 一d i ：一i a c ( 1 1 ) 一= 一一 l l ， d tn l 式中，i 为光强，c 为真空中的光速，n 为纤芯折射率，a 为光纤腔的损耗，主 要包括光纤的吸收损耗，散射损耗，各光学器件的插入损耗和耦合器的分光损耗。l 为光的传输距离。 设光脉冲初始光强为i 。，对( 卜1 ) 式积分，可得 ，：i o e x p ( 华，) ( 1 - 2 ) h l 我们定义光强衰减到初始光强1 e 时所需时间为衰荡时间t ( r i n g - d o w nt i m e ) 。 在无外界因素作用时，即仅考虑光纤腔内固有损耗时，衰荡时间为 靠：丝 ( 1 - 3 ) 矗= l p 矽 鲐如”如筋加：2 mo o o o o o o o o o o o 厂= = 一一 当光纤腔的损耗a 发生变化时，( 如光纤的弯曲引起的附加损耗) ，衰荡时间变 为 f ： 丝 ( 1 - 4 ) 4 f = 一 【 c ( a + b ) 其中b 表示外界因素作用引起的附加损耗。 联合( 1 3 ) 和( 1 4 ) ，有 1 1 一三：粤 ( 1 5 ) 一一= 一 i _ 、- f r o n l 从( 1 5 ) 式，我们可知，只要测出光信号的衰荡时间f 和气，就不难得到b 值。这 就是f l r d s 传感网络的工作原理。 特别的，对于外界施加压力的情况，有例 b = p l v ( 1 - 6 ) 其中，是由压力产生的损耗系数，是直接和压力作用的的光纤长度，f 是施 压的压力。 将( 1 6 ) 代入( 1 5 ) 中，有 三一土扭：c f l l f ：k f l l l( 1 1 7 )= = _ ，j r 比儿 这里后：娑，是一个比例常数。 n l 式( 1 1 7 ) 表明二与f 成线性关系，因此通过测出斜率k ，便可求得压力f 值。这 f 就是f l u s 压力传感器的工作原理。 第三节f l r d s 技术的优势和缺陷 f l u s 技术的优势在于其高灵敏度，非常适合检测物质的微弱吸收，并且对激 光光强的稳定性要求不高。 但是它的缺陷在于目前f l u s 系统为单通道系统，只能对单一参量进行检测。 然而在许多场合，如检测桥梁各点路况、火警多点温度监测，都需要进行多参量测 量。若要使用f l u s 技术，则需要配备多套f l u s 系统，费用昂贵。这一缺陷制 约了f l u s 技术的推广。 福建师范大学r t 学硕士学位论文 1 0 舻f n _ 0 j f i 嚣 ， p 第二章多通道光纤环形腔衰荡传感器 第二章多通道光纤环形腔衰荡传感器 第一节引言 在许多场合，如测量桥梁上多点的应力，检测不同的生化溶液等，传统的f l r d s 已经不能满足检测要求。在这样的背景下，多通道f l r d s 传感网络的设计方案应运 而生。目前，已经有波分复用和时分复用两种f l r d s 设计方案。这一章将介绍基于 时分复用6 5 1 的多通道f l r d s 传感网络设计，并以提出一种新颖的四通道f l r d s 传 感网络，同时在传感网络上安装了压力传感头，将之改造成压力传感器，实验结果 证明了制作多通道光纤环形腔衰荡传感器的可行性。 第二节多通道f l r d s 传感网络设计 基于时分复用的多通道f l r d s 传感网络可以分为两种典型类型：串联型和并联 型。其结构如图2 1 所示。在串联型结构中，光脉冲依次经过多个f l r d s 系统，而 后光信号被同一个检测器接收。在并联型结构中，光脉冲先被耦合器分为几路传输， 最后各路信号又经由耦合器汇合在一起，被同一个检测器接收。 l a y c o i l i 裂三 卜 n 1 价7 f f l r d s d i ， n 1 c o u p l e r ll 夕。 f l r d s c o u p l e r一一d e t e c l o r il _ ， ： 7 i l i 。f l r d s 卜 7 r b e rd e l a yc o i l ( b ) 福建师范大学t 学硕士学位论文 图2 1 典型多通道f l r d s 设计方案 ( a ) 串联型设计( b ) 并联型设计 f i g2 - 1t y p i c a ls c h e m eo fm u l t i - c h a n n e lf l r d s ( a ) s e r i e ss t r u c t u r e ( b ) p a r a l l e ls t r u c t u r e 在利用时分复用原理设计f l r d s 系统的过程中，我们要避免来自不同信道的 信号的重叠，这里我们通过引入延迟线的方法将每路信号进入检测器的时间错开来， 达到互不干扰的效果。检测器接收的信号大致情况如图2 2 所示。 目前，已经有人对双通道的f l r d s 传感系统乜1 进行了实验研究。但是要制作更 多复用通道数的f l r d s 并不容易。原因在于：1 拓展通道数导致线路设计更加复杂； 2 为了避免信号的重叠，必须要对每路信号的光程做精确计算，然后加入光纤延迟 线对光程加以修正；3 考虑到信号因光纤色散而展宽，相邻通道信号在传输一定距 离时将会发生重叠。也就是说，信号的展宽制约了通道数的增加。这些因素都使得 拓展更多通道数并非易事。因此，制造更多复用数的f l r d s 的设想仍然有待验证。 i 图2 2n 个通道的光信号输出 f i g2 - 2s i g n a l sf r o mn c h a n n e l s 第三节多通道f l r d s 传感网络设计方案和实验验证 口船帆l - 竹，也 合器，被分为并联的两路光信号。每一支路上都串联着两个光纤环形腔。光信号逐 个经过光纤环形腔，并按照一定的顺序相继被同一个检测器接收。四通道f l r d s 传 感网络实物装置如图2 4 所示。 由于垂直腔面发射激光器( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ，v c s e l ) 具有体积小巧，价格便宜的优点，我们采用它作为f l r d s 的激光光源。它用标准的 t t l 信号驱动，以6 2 5 k h z 的频率发送宽度为i o n s 的光脉冲。脉冲信号的平均输出 功率达到一1 9 3 d b m ，足以满足实验需要。为了防止进入探测器的功率过高而损坏探 测器，在激光器和2 1 耦合器前安装了光衰减器。实验中探测器采用单光子计数器， 每次实验必须保证进入单光子计数器的功率低于- 6 0 d b m 。 图2 - 3 四通道f l r d s 传感网络设计方案 f i 9 2 3 t h es c h e m eo ff o u r - c h a n n e lf l r d s 福建师范大学工学硕士学位论文 图2 4 四通道f l r d s 传感网络实物装置图 f i g2 - 4t h ed e v i c eo ff o u r - c h a n n e lf l r d s 每个光纤环形腔由一段标准8 5 0 n m 波长的多模光纤和两个耦合器( 波长8 5