（光学专业论文）基于时分复用光纤环形衰荡技术的多通道传感器网络.pdf

中文摘要 中文摘要 本文利用时分复用原理，构建多通道光纤环形衰荡光谱技术( 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 r d s ) 的光纤传感器网络。以双通道为例，分别采用串 联和并联f l r d s 系统实现了对两个不同点微弯压力的同步检测，实验结果显示了双 通道f l r d s 的同步检测系统的可行性。在此基础上，进一步提出串并联相结合四通 道混联传感器系统，并从实验上证实了该传感器网络系统的可行性。根据多模光纤 的色散，从理论上推导出时分复用的f l r d s 的复用数量上限。其次，利用l a b v i e w 平台，对多通道f l r d s 数据采集与处理进行编程，实现了数据同步采集与处理。 最后，提出一种基于时分复用的f l r d s 同步测量三相电流的电流传感器技术方案， 从理论上分析了该技术方案的可行性，为今后的发展提供一定的思路。 总之，多通道f l r d s 光纤传感器网络的构建，为今后基于f l r d s 技术的多个物 理量的同步测量提供了可行的技术方案。 关键词：光纤环形衰荡光谱技术( f l r d s ) ，多适道，同步，压力，电流传感器 中文文摘 中文文摘 光纤环形衰荡光谱技术( 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 种新颖的、高灵敏度的吸收光谱技术。这种技术是在腔衰荡光谱( c a v i t yr i n g - d o w n s p e c t r o s c o p y ，c r d s ) 技术的基础上，把光纤传感技术与光腔衰荡光谱技术二者相 结合。其工作原理是基于比尔定律，利用光纤代替高反射率腔镜构成光学谐振腔， 具有高吸收灵敏度和信噪比。由于光纤环形腔衰荡光谱技术在探测光损耗中具有非 常高的灵敏度，对系统的光学稳定性影响很小，响应速度快以及可用于高温易燃易 爆的环境的优点，因而被广泛地应用于光器件的光损耗、液体的浓度、折射率、外 界的压力、应变、温度，电流量值变化等方面的测量，显示出了其巨大的优势和广 泛的应用前景。随着应用需要，更多的场合要求同步测量多个物理量，为了解决这 个问题，本章将基于时分复用的原理，构建多通道f l r d s 的光纤传感器同步检测系 统网络，实现多个不同点的同步测量。这套系统灵敏度高，测量的范围大，测量线 性度好，系统的稳定性和重复性好以及成本要求低的优点，具有良好的应用价值。 本论文的主要内容如下： 绪论，首先概述了本课题的研究背景和选题意义；其次，简要介绍了光纤环形 衰荡光谱( f l r d s ) 技术和电流传感器的研究进展以及一些具有代表性人物的主要观 点和科研成果；再次，简要介绍了国内对这项技术的研究动态；最后，阐述了本论 文的主要工作，创新点和意义。 第一章，首先简要介绍了光纤环形衰荡光谱技术( f l r d s ) 结构和工作原理，其 原理就是当脉冲激光经耦合器耦合入光纤环形腔，光在环形腔内反复循环，每循环 一周，由于光纤和耦合器等存在光损耗，使光强随着时间的变化按指数形式衰减： 其次，在尽量减少系统装置的实验成本前提下，既保证整个系统的结构精简又能增 加系统功能的多样性，实验选取了一些常用的光通信元件，设计出了一套简单而又 标准的f l r d s 系统的实验装置，可以用来测量外界压力的变化，并简单介绍所设计 的这套f l r d s 系统的实验装置结构和工作原理。接着，在此基础上，提出了基于光 时分复用原理，构建f l r d s 的多通道压力同步检测系统网络。在传感头方面，选用 由一对空间周期为人，齿间距为2 m m 的变形齿板作为微弯压力传感头提高系统的灵 敏度。以双通道串联和并联f l r d s 的压力传感同步检测系统为例，详细阐述了这套 i i i 福建师范大学硕士学位论文 系统的结构和工作原理，并进行两个不同点的压力测量，实验结果显示了双通道串 联和并联f l r d s 的同步检测系统的可行性，还可知1 f 一1 的值与压力f 之间有很 好的线性关系。最后，结合上述串并联装置的可行性特点，提出了在双通道并联环 结构的f l r d s 传感器实验装置的基础上，在上下两个通道上分别串联一个f l r d s 传 感器装置，形成了一套串并联相结合四通道混联传感器网络系统，通过实验测试也 显示了该传感器网络的可行性。根据多模光纤的色散，从理论上推导出时分复用的 f l r d s 的复用数上限。为今后基于f i 。r d s 技术的多个物理量的同步测量提供了可行 的技术方案，也为f l r d s 进一步发展提供了很好的理论基础。 第二章，首先简要介绍了l a b v i e w 软件具有功能完整的软件开发环境和强大的 编程语言功能的特点；其次，利用其强大的编程语言功能的特点，建立起基于 l a b v i e w 操作平台来实现对f l r d s 实验系统数据采集和处理。利用数据采集卡自带 的软件包，即l a b v i e w 驱动节点，编写了非n i 公司的数据采集卡驱动程序：接着， 介绍了实验设计的l a b v i e w 程序驱动采集卡，设定时间延迟和截止时间，以及工作 的电压和实现函数调用，数据采集，保存数据以及显示信息；最后，介绍了双通道 f l r d s 同步实验数据采集及处理的程序，主要完成了采集卡初始化参数设置，数据 采集，滤波处理，保存以及显示等功能。采用l a b v i e w 调用e x c e l 文件的方法，从 而将两组数据的分开，并利用数据可以进行索引的方法，依次得到每次腔内循环的 数据，运行后就得到的衰荡图形以及利用数学工具拟合指数函数的方法进行数据处 理，计算出光衰荡时间。设计的这套l a b v i e w 程序具有实验数据的采集和自动化处 理的特点，能够多次连续采集，工作界面操作方便快捷。 第三章，首先简要介绍了目前市场上的电流传感器种类和工作原理，以及目前 电流传感器主要存在的技术问题，不能完全消除温度等外界环境因素的影响；其次， 由于f l r d s 本身具有对外界环境的影响比较小，电磁干扰、抗辐射性强的技术优点， 因此，我们提出一种基于时分复用f l r d s 技术测量三相电电流的技术方案，其中在 电流传感头方面，主要是利用磁致伸缩材料的特性，将电流大小的变化转化为光纤 传输中的损耗，通过测量衰荡时间，能够得出电流的变化；接着，我们进行了整个 方案的构思和实验模型的搭建。采用双波长光源，即引入一路参考光，来消除了环 境因素特别是温度与振动对传播光波的影响，提高了电流传感器测量精确度和稳定 性。利用测量脉冲光与参考光的比值，形成新的衰荡光谱。对于三相电同步测量方 面，采用光时分复用原理，理论上分析了三相电电流同步测量可行性；最后，分析 i v 中文文摘 了这种电流传感器目前主要存在的问题，为今后的发展提供一定的思路。 第四章，是对本论文所做的工作进行了总结，指出了文章的新颖点与存在的技 术问题以及今后进一步研究的思路。 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w eb u i l dt h en e t w o r ko fm u l t i - c h a n n e lf i b e rr i n g d o w ns e n s o r sb a s e d o nt 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 hi si l l u s t r a t e db yt h et y p i c a ld u a l c h a n n e lf i b e rr i n g - d o w nf o r c es e n s o ri no u re x p e r i m e n t w eg a i nt h es y n c h r o n o u s d e t e c t i o no ft w od i f f e r e n tp o i n t sw i t hm i c r o b e n ds t r e s si ns e r i e sa n dp a r a l l e lf l r d s r e s p e c t i v e l y , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed u a l - c h a n n e ls y n c h r o n o u sd e t e c t i o ns y s t e m sa r e f e a s i b l e o nt h i sb a s i s ，w ef u r t h e rc o n s i s to fs e r i e s - p a r a l l e lh y b r i df o u r - c h a n n e ls e n s o r s y s t e m sw h i c hi sa l s oc o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es e n s o rn e t w o r ks y s t e m a c c o r d i n g t om u l t i m o d ef i b e rd i s p e r s i o n ，w ed e d u c et h ef l r d sm a x i m u mn u m b e ro fm u l t i p l e x i n g f r o mt h et h e o r yo ft i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g s e c o n d l y , d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g p r o g r a ma r ea c h i e v e ds y n c h r o n i z a t i o nb yt h el a b v i e wp l a t f o r m f i n a l l y , w ep r e s e n ta t h r e e - p h a s ee l e c t r i cc u r r e n ts e n s o rb a s e do nt 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 i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i ts h o w sp o s s i b l et oa c q u i r et h ev a l u eo ft h et h r e e - p h a s e s y n c h r o n o u sc u r r e n t ，w h i c hp r o v i d e al i n eo ft h o u g h tf o rf u t u r ed e v e l o p m e n t i ns h o r t ，n e t w o r ko fm u l t i - c h a n n e lf l r d ss e n s o rs y s t e mi sb u i l t ，w h i c hp r o v i d ea s o l u t i o n sf o rs y n c h r o n o u sm e a s u r e m e n to fm u l t i p l ep h y s i c a lp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：f i b e rl o o pr i n gd o w ns p e c t r o s c o p y ；m u l t i c h a n n e l s ；s y n c h r o n o u s ；p r e s s u r e ； c u r r e n ts e n s o r i i 福建师范大学硕士学位论文独创性和使刚授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名)陵盘强学号2 0 0 6 0 7 2 1专业左学所呈交的 学位论文( 论文题目：基于时分复用光纤环形衰荡技术的多通道传感器 网络) 是本人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作 做出贡献的个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意，由此 产生的一切法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名佟髟亏 签字日期： 刀夕年月弓日 指导教师签名：俐 签字日期：矽年月 | 绪论 1 1 引言 绪论 光纤传感技术随着光通信技术的发展，被广泛的应用于测量的某些物质的特性， 将这些物理量转变可以直接测量的信号技术。光纤环形衰荡光谱技术( 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 r d s ) n 1 是一种新颖的、高灵敏度的吸收光谱技术。这 种技术是在腔衰荡光谱( 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 ) 乜1 技术的基础上， 把光纤传感技术与光腔衰荡光谱技术二者相结合。其工作原理是基于比尔定律，利 用光纤代替高反射率腔镜构成光学谐振腔，具有高吸收灵敏度和信噪比，具备了如 体积小、重量轻、耐腐蚀、损耗低；抗电磁干扰、抗辐射性强等光纤传感器的优点。 由于光纤环形腔衰荡光谱技术在探测光损耗中具有非常高的灵敏度，对系统的光学 稳定性影响很小，响应速度快以及可用于高温易燃易爆的环境的优点，因而被广泛 地应用于光器件的光损耗、液体的浓度、折射率、外界的压力、应变、温度、电流 量值变化等方面的测量，显示出了其巨大的优势和广泛的应用前景。然而随着应用 需要，更多的场合要求同步测量多个物理量，如检测桥梁不同位置的压力大小，测 量化学物质的浓度以及电网中多路电流强度变化的检测等等。为了解决这个问题， 本章将基于时分复用的原理，构建多通道f l r d s 的光纤传感器同步检测系统，实现 多个不同点的同步测量。这套系统具有灵敏度高，测量的范围大，测量线性度好， 系统的稳定性和重复性好以及成本要求低的优点，具有良好的应用价值。由于f l r d s 本身技术特点，提出一种基于时分复用的f l r d s 同步测量三相电流技术方案，从理 论上分析了三相电电流同步测量的技术方案的可行性。 1 2f l r d s 技术相关的研究进展 光纤环形衰荡光谱( 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 ) 技术。在 腔衰荡光谱( 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 ) 技术的基础上，把光纤传感 技术与光腔衰荡光谱技术二者相结合。研究人员在研究脉冲激光透过光学谐振腔的 现象过程中，对在光腔内传输的激光的光强是按指数形式的衰减进行论证了，并证 福建师范大学硕士学位论文 实了衰荡时间常数与腔内光损耗有关。 1 9 8 8 年，0 k e e f e 和d e a c o n 最早利用r i n g d o w n 腔技术进行吸收光谱的分析测 量，采用脉冲光激发腔，成功完成了对氧分子吸收实验，探测到了氧分子在6 3 0 6 9 0 n m 波长范围内弱的禁戒跃迁，测量精度达至u 1 p p m ，并得到了绝对吸收界面约为1 0 。2 4 e m 2 。1 9 9 6 年，r i c h a r de n g e l n d 3 和他的合作者报道了一种利用连续波激光器作为光 源，测量相位改变的r i n g - d o w n 腔高灵敏度检测系统。这种系统利用了更加稳定的 连续激光器，加以连续波的调制。通过连续波信号进入低损耗腔前后的相位延迟， 就可以计算出腔的耗损，得到腔中气体的浓度。测量精密度一般可以提高1 - 2 个数量 级。1 9 9 7 年，p i p i n o “1 提出了倏逝波腔衰荡光谱技术( e v a n e s c e n t - w a v ec a v i t y r i n g - d o w ns p e c t r o s c o p y ，e w c r d s ) 并将这种技术应用于表面科学，建立了一套全 内反射微型腔技术，使腔衰荡光谱技术应用范围扩展到探测表面、薄膜、固态、及 液态相关的光谱。1 9 9 8 年，e n g e l n 晦1 等提出了腔增强吸收光谱技术( c a r lt y e n h a n c e d a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ，c e a s ) ，测量了氧分子的弱吸收光谱以及水汽和氨气混 合物的吸收光谱。1 9 9 9 年h i p p l e r 陋和q u a c k 口1 采用连续光的衰荡腔吸收光谱方法， 在分子吸收光谱的方面，实现了超声分子束的吸收测量。所设计的装置简单，灵敏 度高。次年，y h e 刮等提出连续光腔增强技术实现衰荡强吸收光谱的实验方法， 使腔衰荡光谱技术有了进一步的发展。2 0 0 1 年，l e r b e r n 等最早提出有关于光纤环 形腔衰荡光谱技术报道。同年，k a t h e r t o n _ 列等提出了f i b e r - b a s e dc r d s ，用由 掺铒光纤放大器和两透镜构成的光纤腔取代高反射率腔镜，用于压力和张力的测量。 2 0 0 2 年，香港大学的a s c c h e u n g n 3 1 博士，在测量二氧化碳分子在近红外吸收实验 研究中，采用反射率高于9 9 高精密光学谐振腔，获得了高达4 8 x l o 呻c m l 的探测灵敏 度。 2 0 0 2 年，s t e p h e nb r o w n n 钔提出了用多模光纤制成光纤环状腔，用脉冲激光器为 光源，测量了光纤和光纤连接器中的光损耗，液体作为吸收样品，得到了光衰荡时 间和样品浓度的对应曲线，实现t n m 数量级的液体样品的检测。2 0 0 3 年，z h a o g u o t o n g d 5 也采用多模光纤制成光纤环形腔，采用脉冲光源通过测量出射光相对入射参 考光的相位变化，得到相位偏移角与吸收样品浓度的关系，也实现了对液体样品的 检测。2 0 0 3 年，d v o g l e r 和m w s i g r i s t h 刚利用光纤环状腔进行了氢气的压强和浓度 的测量。2 0 0 4 年，p b t a r s an 刀采用单模光纤构成光纤环形腔，同时以双锥形单模 光纤构成传感头部分，对哺乳动物的癌细胞做出了微应变的测量，实现了单细胞数 绪论 量的检测。2 0 0 4 年，c h u j iw a n g n 钉首次将f l r d s 技术运用于压力传感检测，通过推 导和实验数据分析，得到了光纤环型腔中的衰荡时间和外界压力之间具有良好的线 性关系。次年，c h u j iw a n g n 卵结合布拉格光纤光栅一对温度敏感的特点，采用布 拉格光纤光栅应变传感器，并将其运用在温度传感方面的研究。2 0 0 5 年， b a r i c h m a n 等，结合腔衰荡技术和荧光技术，实现了对浮质的吸收、散射和荧光 特性的测量。 然而到目前为止，国内关于利用f l r d s 技术方面相关报道较少。但研究人员 在光腔衰荡光谱技术的研究上，也开展了许多理论和实验方面的研究工作。1 9 9 8 年， 中科院大连化学物理研究所盛新志心5 3 等提出了采用直型和折叠型复合衰荡光腔相结 合技术衰荡光腔技术来精确检测氧碘化学激光器( c o i l ) 腔镜高反射率。1 9 9 9 年， 中科院安徽光机光所的陈红兵啪1 在进行衰荡腔复杂模拍效应的实验研究中，利用光 参量振荡器产生的脉冲光研究了衰荡腔在不同条件下的衰减信号。实验显示了，衰 荡腔的输出信号会呈现复杂的调制。对实验结果进行分析，并解释了产生模拍效应 的的原因。2 0 0 0 年，中科院安徽光机光所聂劲松乜刀等提出了一种用衰荡光谱法测量 对流层0 h 自由基的新方法，得到了o h 自由基浓度与衰荡时间的关系，并分析了各 种干扰因素对测量的影响，显示出了这种方法具有良好的可行性和灵敏度。2 0 0 1 年， 中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室的赵宏太髓町 等利用腔衰荡测出了一组的误差达到1 0 。5 量级腔镜的反射率：同时利用这一衰荡腔 对全反镜的反射率也进行了精确测定。2 0 0 3 年，大连理工大学的李少成，于清旭啪瑚1 两人在测量乙烷分子在2 9 9 6 u m 附近吸收实验中，采用光参量振荡器( o p o ) 作光源和 反射率为9 8 5 的镜片组成三角形谐振腔，获得了2 3x1 0 一c m q 的探测灵敏度。2 0 0 4 年，四川大学电子信息学院光电系任钢妇等利用光腔衰荡光谱技术，建立了氧碘化学 c o i l 激光器腔镜高反射率的精密测量系统。对用直型衰荡光腔时可能影响测量系统 精度的各种因素进行了系统的实验研究。2 0 0 5 年，浙江工业大学理学院赵浙明口刃 等进行多模光纤强度型微弯传感器中多模光纤的弯曲损耗特性的测试，得到了多模 光纤弯曲损耗随着弯曲半径的减小而增大的趋势结果。2 0 0 7 年，中国科学院光电技 术研究所龚元，李斌成睁蚓两人提出了相移光腔衰荡高反射率测量中的拟合方法， 通过在拟合函数中加入系统响应时间、系统初始相位等参数，避免了相移光腔衰荡中 直腔实验时测量系统频率响应曲线，提高了测量精度。2 0 0 7 年，福建师范大学邱晖 晔口5 1 等提出一种基于f l r d s 技术的压力、应变传感器，这种传感器具有灵敏度高、 福建师范大学硕士学位论文 测量线性度好、测量范围大、重复性好，具有良好的应用价值。2 0 0 8 年，福建师范 大学李高明，邱恰申汹1 等基于时分复用原理，提出了多通道f l r d s 同步压力检测系 统，并进行多个不同点的压力测量，实验结果显示多通道f l r d s 的同步检测系统的 可行性。 随着光通信技术和器件的发展，光纤传感器的复用技术越来越丰富多彩，诸如 空分复用技术( s d m ) ，时分复用技术( t d m ) ，频分复用技术( f d m ) 和波分复用 技术( w d m ) 等，这些方法使光纤传感系统中比较昂贵的器件如光放大器、可调谐 光源等得到有效的实用，大大降低了系统的成本。2 0 0 5 年靳伟b 钉等在其所著的文献 中，介绍了基于光纤激光器的有源内腔法测量气体的多种复用技术。其中重点介绍 了波分复用在有源内腔中的使用，在气体测量中采用波分复用技术可以充分利用光 吸收测量技术的高鉴别率和搞灵敏度等特性。在测量乙炔气体在1 5 1 2 1 5 4 3 n m 的波 长范围内有几十个吸收峰值，原理上每一个吸收峰值可以对应一个传感单元，因此 采用波分复用技术，套系统内就可以复用几十个传感器，构建了多通道复用传感 器网络。与其他光纤气体传感技术相比，基于光纤激光器的有源气体传感网络既可 以保持一般光纤传感器的优点，又可以极大增加测量灵敏度。虽然这种技术还处于 研究阶段，但是这种传感器网络对于生化检测和环境监控等方面具有诱人的应用前 景。 光纤环形衰荡光谱( f l r d s ) 技术作为一种新颖的、高灵敏度的吸收光谱技术。 它所具有传统光谱技术所没有的优越性，如具有高吸收灵敏度和信噪比，具备了如 体积小、重量轻、耐腐蚀、损耗低；抗电磁干扰、抗辐射性强等。可以广泛地应用 于光器件的光损耗、液体的浓度、折射率、外界的压力、应变、温度，电流量值变 化等方面的测量，显示出了其巨大的优势以及在生物医学检测、化学分析、环境保 护等领域具有广泛的应用前景。 1 3 论文的主要工作 本论文主要论述了，采用时分复用的原理，构建多通道f l r d s 的光纤传感器同 步检测网络，实现多个不同点的同步测量。这套系统灵敏度高，测量的范围大，测 量线性度好，系统的稳定性和重复性好以及成本要求低的优点，具有良好的应用价 绪论 值。利用f l r d s 本身如体积小、重量轻、耐腐蚀、损耗低；抗电磁干扰、抗辐射性 强的技术特点。因此，基于光时分复用原理，设计基于f l r d s 技术的三相电电流传 感器技术方案，从理论上分析了三相电电流同步测量的技术方案的可行性。 本论文的主要工作包括： l 、提出了基于光时分复用原理，构建光纤环形衰荡光谱技术的多通道同步检测 系统，介绍其结构与原理，以及光衰荡时间的理论计算方法。以双通道串联和并联 f l r d s 的同步检测系统为例，详细阐述了这套系统的结构和工作原理，并进行多个 不同点的压力测量，实验结果显示双通道串联和并联f l r d s 的同步检测系统的可行 性，还可知1 r 一1 的值与压力f 之间有很好的线性关系。结合上述串并联装置的 可行性特点，提出了一种串并联相结合四通道f l r d s 传感器系统，通过实验测试也 显示了该传感器系统方案的可行性。为今后基于f l r d s 技术的多个物理量的同步测 量提供了可选的技术方案，也为f l r d s 进一步发展提供了很好的理论基础。 2 、利用l a b v i e w 强大的编程语言功能的特点，建立起基于l a b v i e w 操作平台来 实现对f l r d s 实验系统数据采集和处理。采用数据采集卡自带的软件包，即l a b v i e w 驱动节点，编写了非n i 公司的数据采集卡驱动程序，包括l a b v i e w 程序驱动采集 卡，设定时间延迟和截止时间，以及工作的电压和实现函数调用，数据采集，保存 数据以及显示信息的设置；实现双通道f l r d s 同步实验数据采集及处理的程序，主 要完成了采集卡初始化参数设置，数据采集，滤波处理，保存以及显示等功能。采 用l a b v i e w 调用e x c e l 文件的方法，从而将两组数据的分开，并利用数据可以进行 索引的方法，依次得到每次腔内循环的数据，运行后就得到的衰荡图形以及利用数 学工具拟合指数函数的方法进行数据处理，计算出光衰荡时间。设计的l a b v i e w 程 序来实现实验数据的采集和自动化处理，能够多次连续采集，工作界面操作方便快 捷。 3 、利用f l r d s 本身抗电磁干扰、抗辐射性强的技术特点，设计了一套基于f l r d s 技术测量三相电流传感器的技术方案。在电流传感头方面，主要是利用磁致伸缩材 料的特性，将电流大小的变化转化为光纤传输中的损耗。对于三相电同步测量方面， 利用光时分复用原理，理论上分析了三相电电流同步测量可行性。此外，针对环境 因素特别是温度与振动的影响，在f l r d s 电流传感器中，引入一路参考光，利用测 量脉冲光与参考光的比值，形成新的衰荡光谱。最后分析了这种电流传感器目前主 要存在的问题，为今后的发展提供一定的思路。 福建师范大学硕士学位论文 本论文的创新之处在于：( 1 ) 提出了基于光时分复用原理，构建光纤环形衰荡 光谱技术的多通道同步检测系统。分别以双通道串联和并联f l r d s 的同步检测系统 为例，实现了系统对不同两个点的压力同步检测。在此基础上，基于串并联f l r d s 压力传感器实验装置的可行性特点，设计了一套串并联相结合混联传感器系统，通 过实验证实了该系统方案的可行性。( 2 ) 根据多模光纤的色散，从理论上导出了时 分复用的f l r d s 的复用数上限。 第一章多通道光纤环形衰荡光谱技术 第一章多通道光纤环形衰荡光谱技术 第一节引言 光纤环形衰荡光谱技术( 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 新颖的、高灵敏度的吸收光谱技术。它是在腔衰荡光谱技术的基础上，把光纤传感 技术与光腔衰荡光谱技术二者相结合，其工作原理是基于比尔定律，利用光纤代替 高反射率腔镜构成光学谐振腔，通过测量脉冲激光在光纤环形腔中的衰减时间从而 获得腔内介质的吸收情况：具有较高的吸收灵敏度和信噪比，同时具备了光纤传感 器的优点，如体积小、重量轻、耐腐蚀、损耗低；抗电磁干扰、抗辐射性强等，可 用于高温易燃易爆的环境中使用。由于它在探测光损耗中具有非常高的灵敏度，对 系统的光学稳定性要求低以及响应速度快，因而被广泛地应用于光器件的光损耗、 液体的浓度、折射率、外界的压力、应变、温度等方面的测量，显示出了其巨大的 优势和广泛的应用前景。 随着应用需要，更多的场合要求同步测量多个物理量，如检测桥梁【勰1 不同位置 的压力大小，测量化学物质的浓度等等。为了解决这个问题，本章将基于时分复用 的原理，构建多通道f l r d s 的光纤传感器系统。由于多通道f l r d s 传感器只需要一 个脉冲光源，a p d 探测器和数据采集系统，因此成本也将大大降低。 第二节光纤的传输理论 光纤的分类有多种方式驯羽，通常情况下一种是根据光纤传输模式的数目，分为 多模光纤和单模光纤；另种是根据纤芯径向的折射率分布可分为：阶跃折射率光 纤( 均匀光纤) 和渐变折射率光纤( 非均匀光纤) 。由于基于f l r d s 技术的传感器系 统使用的是多模光纤，而多模色散所引起的脉冲展宽将限制f l r d s 的最大复用路数， 因此有必要介绍多模光纤的射线理论。 图卜1 中为阶跃折射率光纤剖面图，一束光纤以与光纤轴成鼠的角度入射到芯区 中心，在光纤与空气界面发生折射，弯向界面的法线方向，折射光的角度为只，由 斯涅耳定律决定： 福建师范大学硕士学位论文 n os i no j = 1 ls i n o r 其中，和 1 分别是空气和纤芯折射率。 当折射光纤到达纤芯包层界面时，若入射角满足s i n 丸的光纤都将会被限制在纤芯中。利用上述两式子，可以得 到将入射光限制在纤芯所要求的与光纤轴线间的最大角度为啡= 一丸，代入 ( 1 - 1 ) ，得 行。s i n 只= 聆。c o s 九= ( 行? 一万；) 图1 - 1 光在光纤中的传播途径 f i g1 - 1 。r o u t eo fl i g h tt r a n s m i s s i o ni nt h eo p t i c a lf i b e r ( 1 - 3 ) 由图1 - 1 可见，以不同入射角谚进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在光纤 的输入端同时入射并且传播的速度相同，但是到达输出端的时间却不同，出现了时 间上的分散，导致脉宽的严重展宽，这就是多模色散。当只= 0 的光纤，光纤传播 路径最短，等于光纤的长度l ，当幺由以。s i n o ，= 疗。c o s 九= ( 胛? 一”；) 尼给定时，传播 路径最长，为l s i n 以。光在纤芯中传播的速度为v = c n 。，c 为空中的光速，则两 条光线到达输出端口的时间差6 7 为： 砑：旦( j l 一：兰堕a( 1 4 ) c s i n 九 cn 2 第一章多通道光纤环形衰荡光谱技术 对于，渐变光纤，两条光线到达输出端口的时间差卯为： 砑：ln,a2(1-5) 8 c 其中，a = ( 胛i 一以2 ) n l 因此，经历最短和最长的两束光纤的时间差砑是输入脉冲展宽的一种度量。 第三节光纤环形衰荡光谱技术工作原理 光纤环形衰荡光谱技术结构n p 悖3 与传统的衰荡光谱技术m 叫7 3 相比较，如图卜2 所 示，用光纤代替高反射率腔镜形成稳定谐振腔，光纤谐振腔腔长通常大约设计成几 十米到几千米长。当脉冲激光经耦合器耦合入光纤环形腔，光在环形腔内反复循环， 每循环一周，由于光纤和耦合器等存在光损耗，使光强随着时间的变化按指数形式 衰减，如图1 - 3 所示。 图1 - 2f l r d s 实验装置图 f i g1 - 2s c h e m eo f t h ee x p e r i m e n ts e t u pf o rf l r d s 图1 - 3 光强衰荡曲线 f i g1 - 3t y p i c a lf i b e rl o o pr i n g - d o w nd e c a yw a v e f o r m 福建师范大学硕士学位论文 根据l a m b e r t b e e r 定律： 一d i ：一i m c ( 1 6 ) 一= 一一 ju ， d tn l ( 卜6 ) 式中，i 是t 时刻的光强，c 是光在真空中的速度，n 是纤芯折射率，l 是腔长，a 是光在腔中循环一周的总损耗，包括光纤的吸收损耗，光纤耦合器的插 入损耗，光纤连接器的连接损耗和光纤的散射损耗： a = 以+ e + y ( 1 - 7 ) ( 1 - 7 ) 式中，口是与波长有关的单位长度光纤纤芯的吸收系数，e 是光纤耦合 器的插入损耗和连接器的连接损耗，y 是光纤的散射损耗，其值在中心波长为8 5 0 n m 处较小，可忽略不计。 对( 卜6 ) 式积分可得： j = ，。e x p ( - 础a c r ) ( 1 - 8 ) 当光强衰减到初始光强的1 e 时所需要的时间为衰荡时间( r i n g d o w nt i m e ) 。 因此，衰荡时间为： 础 2 i ( 1 - 9 ) 第四节多通道f l r d s 传感系统结构及工作原理 基于时分复用m 1 的原理的多通道f l r d s 传感系统网络h 争5 2 1 可以有三种不同的结 构：串联，并联以及混联多通道结构，如图卜4 所示。 ( a ) 匾：d 然r 第一章多通道光纤环形衰荡光谱技术 f i b e rd e l a yc o i l ( c ) ( b ) - d 一 a oa p d o ld e t e c t o r u h * z f i b e rd e l a yc o i l l _ f i ，r d s _ f l r d s f i b e rd e l a yc o i l f l r d s of i r d s f i b e rd e l a yc o i i ：一一 f l r d si p , f l r d s 图l - 4 多通道f l r d s 压力传感器装置图 ( a ) 串联结构图( b ) 并联结构图( c ) 混联结构图 f i g 1 - 4 p r i n c i p l eo ft h em u l t i c h a n n e l f i b e rr i n g d o w nf o r c e s e n s o r ： ( 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 ( c ) h y b r i ds t r u c t u r e - o 幺 ： o o 一 * z 福建师范大学硕士学位论文 在图1 - 4 ( a ) 中，串联系统的结构就是将n 路的光纤传感器用光纤延迟线圈连 接，让光脉冲逐步进入光纤环形腔中。在图卜4 ( b ) 中，并联系统的结构就是通过 一个1 n 路的光纤耦合器将光脉冲分成n 路信号，利用光纤延迟线将这n 路的信号 进行复用。在接收端，将n 路的信号通过n 1 的光纤耦合器复合到a p d 探测器中。 在图卜4 ( c ) 中，混联系统的结构就是在并联系统的结构的基础上，在每个通道的 末端再串联n 路的光纤传感器，每一路的光纤传感器用一定长度光纤延迟线圈连接， 让光脉冲逐步进入光纤环形腔中，形成混联结构系统。同时，在接收端，将n n 路的信号通过n 1 光纤耦合器复合到a p d 探测器中。多通道f l r d s 传感器输出的信 号，如图1 - 5 所示。 i c h a n n e llc h a n n e l2c h a n n e l3c h a n n e ln | l | |1、l - _ 一 - + 吼j f 乙 ( b ) 图1 - 5 多通道f l r d s 传感器输出的信号 f i g 1 - 5s i g n a l so ft h em u l t i c h a n n e l - f i b e rr i n g d o w ns e n s o r 第一章多通道光纤环形衰荡光谱技术 其中r 一f 1 指的是第n 路通道与第一路通道之间的延迟时间。f 是光脉冲在环 形腔中绕行一周的时间。所复用光纤环型腔的数量由光脉冲的脉宽，光纤环型腔的 腔长以及光纤色散来决定。多路复用的数量随着环形腔的腔长增加而提高，相反， 随着脉冲光的脉宽以及光纤色散的增加而降低。 因此要实现r i n g d o w n 环形腔的多路复用，为了避免多通道所产生的串扰，就 要对各个通道所用的多模光纤延迟线的长度选用进行分析，从而求出来限制复用数 量的上限n 。 考虑脉冲宽度及光在多模光纤色散引起的脉冲展宽的影响，因此在多路复用通 道所用单环至少长度要满足： 如= 水( c n ) 枣t 埘( i - 1 0 ) 其中，以是纤芯折射率，c 是真空中的光速，。是相邻两个通道之间的脉冲光 传输时间间隔。 要使这种脉冲展宽不产生串扰，就要对乙有足够的限制。即复用数要满足色散 展宽所带来的限制，如图1 - f i 所示。 八八 、 图卜6 脉冲展宽 f i gl - 6 p u l s eb r o a d e n i n g 福建师范大学硕士学位论文 按照通信的惯例，一般可选取脉宽，与相邻两个通道之间的脉冲光传输时间间 隔f 。 的关系为： f ，= f 肿4 。假定脉冲光环形一周时的展宽为研，设可以 观测到的脉冲信号的衰荡数为f ，为了保证第f 组复用数的诸脉冲信号在环中时间上 可分辨，可限制第f 个脉冲展宽宽度等于脉宽，即砑= f 8 t t = t l 。 由( 卜4 ) 得，第f 个衰荡脉冲的展宽为： 砑：竖堕 c 玎2 多通道复用数： 盟( 1 1 2 ) c t ” f ，= r 。4 代入( 1 1 1 ) 得到了复用数的条件： n ( 卜1 3 ) 4 n 从( 1 - 1 3 ) 可知，阶跃光纤复用数与脉宽无关。 因此，单环长度： 岛= 木百c = 币c n 2 t ! ( 1 - 1 4 ) 由( 1 - 1 4 ) 式可知，单环长度取决于脉冲衰荡数i 和脉宽。 上面我们讲述的是阶跃光纤产生色散对复用数的影响。对于渐变光纤产生色散 强度低于阶跃光纤。由( 卜5 ) 得，第i 个衰荡脉冲的展宽为： 刃：i l d a 2( 1 一1 5 ) 假定第i 个脉冲光展宽宽度等于脉宽，即o c t = f 6 t j = 。 由( 1 - 1 2 ) 式，得到复用数条件： 珥，( 卜1 6 ) f 由( 1 1 6 ) 可知，在渐变光纤中的复用数也与脉宽无关。 第一章多通道光纤环形衰荡光谱技术 单环的长度：l o = 8 心t _ _ _ c - ( 1 - 1 7 ) 由于在渐变光纤的脉宽比阶跃光纤的脉宽小的多，由( 1 。1 6 ) 与( 1 1 3 ) 比较 可知，渐变光纤可允许的复用数远大于阶跃光纤的复用数。 第五节多通道f l r d s 压力传感器的实验研究 在这一节当中，以双通道f l u s 压力传感器实验研究为例进一步阐述和验证 基于光时分复用的多通道f l u s 传感系统工作原理n 扣1 9 1 。 当f l r d s 系统在无外界因素作用时，f l r d s 的衰荡时间为： f 0 ：丝 ( 卜1 8 ) 1 8 f 02 一 ll 一 其中，a 是无外界因素作用时光在腔中循环一周的总损耗。 当有压力作用在微弯传感头上时，f l r d s 系统因为光纤的弯曲产生附加损耗，此 时，f l r d s 的衰荡时间可以表示为： n l 弘币丽 ( 1 一1 9 ) 其中，b 是跟压力f 有关的物理量，可以表示为： b = 胪 ( 卜2 0 ) 由式1 - 1 8 ，1 - 1 9 可得： 三一土：堕：丝：肛( 1 2 1 ) f 以以 其中，是光纤受到压力作用后因为弯曲而附加的损耗系数，单位是g c m ； ，是受到压力作用的光纤的长度，l 光纤环形腔的总长度。k 是常数，数值由内在和 外在的耗损以及与受压的光纤长度所决定。 可见，对于f l r d s 微弯压力传感器，l r i r 。的值与压力f 成线性关系。 双通道f l u s 压力传感器实验装置，如图1 7 所示，脉冲激光器采用垂直腔面 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 ) ，用标准的t t l 信号驱动，获得的脉冲信号的宽度为l o n s ，重复周期为1 6 u m ，输出功率为一1 9 3 d b m 。 为了避免输出到探测器中的功率过高，在第一个耦合器和光源之间加入一个光衰减 福建师范大学硕士学位论文 器。同时要保证输入到单光子计数器中的功率要低于一6 0 d b m ，否则将损坏。每个 光纤环由标准的8 5 0 多模光纤( 5 0 1 2 5 u m ) 和多模光纤耦合器( m m t c8 5 0 - 1x2 ) ， 其分光比都是1 ：9