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太原理一j ：人学硕卜研究生学位论文 反射式光强调制光纤测振系统的设计与研究 摘要 光纤测振传感器将光纤传感技术与测振技术相结合，具有结构简单、 体积小、重量轻、传输安全，抗电磁干扰能力强等优点，可实现恶劣环境 下高精度，高灵敏度的非接触振动测量，这是传统测振技术不可比拟的。 光纤测振系统将振动信息通过a d 传入计算机，在计算机中完成信号的处 理与分析，实现了测振与分析一体化及测振技术的集成化，对光纤传感技 术商品化的进程有重要意义，也是光纤传感器未来的发展方向之一。 本文设计了一套反射式光强调制光纤测振系统，对准高斯分布下的单 对光纤受光特性、前置信号调理电路、信号的后处理和传感器的特性实验 五个方面作了较为深入的分析与研究。 首先，在查阅、综述国内外有关光纤传感器的研究资料和成果的基础 上，阐述了反射式光强调制光纤测振系统设计与研究的目的和意义。 其次，介绍了反射式光强调制光纤传感器的基本原理和发射光纤纤端 出射光强场强分布假设，提出了单对光纤接收光功率的数学模型，利用 l a b v i e w 和v b 软件建立仿真系统，分析了光纤结构参数对接收光功率的影 响；提出光纤探头的数学模型，分析了不同形式光纤探头的响应特性。 再次，论述了反射式光强调制光纤测振传感器的设计，着重说明了光 纤结构、光纤的传光原理，光纤的类型与特性、光源的选择及其驱动，以 及光电探测器的选择等。 接着，设计前置信号调理电路。详尽分析了电路的增益、带宽、相对 误差以及噪声，完成了电路中集成运放和其它元器件的选择。 t 太原理一l ：人学硕+ 研究生学f 节论文 随后，论述了l a b v i e w 环境下的信号后处理。重点说明了波形采集、 数字滤波、窗函数、曲线拟合和频响函数的程序设计。 最后，对反射式光强调制光纤传感器的的特性进行实验测试及量化分 析，对影响传感器性能因素进行检测并提出传感器性能的改进方案。 关键词：光纤，l a b v i e w ，测振系统，反射式，光强调制，非接触 太原理i 。人：学硕 ：研究生学位沦文 t h ed e sig na n dr e s e a r c h o nt h evlb r a tlo nm e a s u r e m e n ts y s t e m b yt h er e f l e c tlv ein t e n sit y m o d u l a t e dflb e r a b s t r a c t t h ef i b e rv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts e n s o rc o m b i n i n go p t i c a lf i b e rs e n s i n g t e c h n o l o g ya n dv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，h a sm a n yb e n e f i t s ，w h i c hi s s u p e r i o rt o t h et r a d i t i o n a lv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , s u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，t r a n s m i s s i o ns e c u r i t y ，s t r o n gr e s i s t a n c et o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ee t c ，i sa b l et o f u l f i l lt h en o n c o n t a c tv i b r a t i o n m e a s u r e m e n tw i t hh i g hp r e c i s i o na n dh i g hs e n s i t i v i t yi na d v e r s ee n v i r o n m e n t i n t h ef i b e rv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ，v i b r a t i o ni n f o r m a t i o ni st r a n s m i t t e di n t o t h ec o m p u t e rt h r o u g ha d ，i sd o n ew i t ha n da n a l y z e df u l l yi nt h ec o m p u t e r t h e s y s t e mf u l f i l l st h ei n t e g r a t i o no ft h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s ，a n dt h e v i b r a t i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi n t e g r a t i o n ，h a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo nt h e c o m m e r c i a l i z a t i o np r o c e s so ft h eo p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y , i so n eo ft h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o ri nt h ef u t u r e t h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb yt h er e f l e c t i v ei n t e n s i t y m o d u l a t e d 太原理1 ：人学硕。 ：研究生学位论文 f i b e ri sd e s i g n e d i nt h ep a p e r , t h ei l l u m i n a t i o ns p e c i a l t i e so fac o u p l eo ff i b e r s b ya c c u r a t eg a u s s i a nd i s t r i b u t i o nt h e o r y ，p r e s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，s i g n a l p p o s t p r o c e s s i n ga n de x p e r i m e n t a t i o n st ot e s t i n g t h es e n s o r sc a p a c i t i e sa r e a n a l y z e da n dr e s e a r c h e d f i r s t l y ，r e f e r r i n ga n ds u m m i n gu pt h ea c h i e v e m e n to fo p t i c a lf i b e rs e n s o r ， t h ep u r p o s ea n dm e a n i n go ft h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb yt h er e f l e c t i v e i n t e n s i t y - m o d u l a t e df i b e ri se x p a t i a t e di nt h ep a p e r s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo ft h er e f l e c t i v ei n t e n s i t y - m o d u l a t e df i b e rs e n s o r a n dt h ea s s u m p t i o n so fo p t i c a lf i b e ri n t e n s i t yd i s t r i b u t i o na tl a u n c h i n gf i b e re n d i sd e s c r i b e d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl i g h tr e c e p t i o np o w e rb yac o u p l eo f f i b e r si sf o r m e d ，t h ei n f l u e n c eo ff i b e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nl i g h tr e c e p t i o n p o w e r i sa n a l y z e db yu s eo fl a b v i e wa n dv bs o f t w a r et ob u i l dt h es i m u l a t i o n s y s t e m ；k i n d so fd e t e c t o r s r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c si s a n a l y z e d a f t e rt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd e t e c t o r si sb u i l t f o l l o w e d ，t h er e f l e c t i v ei n t e n s i t y - m o d u l a t e df i b e r s e n s o rt om e a s u r i n g v i b r a t i o ni sd e s i g n e d ，e m p h a s i z i n gt h ef i b e rs t r u c t u r e s ，t h ep r i n c i p l eo ff i b e r t r a n s m i s s i o n ，f i b e rt y p e s a n dc h a r a c t e r i s t i c s ，s o u r c es e l e c t i o na n dd r i v e ， p h o t o d e t e c t o rs e l e c t i o na n ds oo n i ns u c c e s s i o n ，t h ep r e s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d i nt h ec i r c u i t ， t h eg a i n ，b a n d w i d t h ，r e l a t i v ee r r o ra n dn o i s ea r ea n a l y z e d ，i n t e g r a t e do p e r a t i o n a l a m p l i f i e ra n do t h e rc o m p o n e n t sa r ed e t e r m i n e d l a t e r ，s i g n a lp o s t p r o c e s s i n g i nl a b v i e ws o f t w a r ei s d e s c r i b e d i v 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 p r o g r a m sd e s i g n ，i n c l u d i n gw a v e f o r ma c q u i s i t i o n ，d i g i t a lf i l t e r ，w i n d o w f u n c t i o n ，c u r v ef i t t i n ga n df r f ，a r ee m p h a s i z e d f i n a l l y ，t h es e n s o r sc a p a c i t i e sa r ee x p e r i m e n t e dt ot e s t i n ga n dq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s ，t h ei m p r o v e m e n tp r o g r a mf o rt h ec a p a c i t i e so ft h es e n s o ri sp u t f o r w a r da f t e rt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa r em e a s u r e d ， k e yw o r d s ：f i b e r ，l a b v i e w ，v i b r a t i o ns y s t e m ，r e f l e c t i v e ，i n t e n s i t y m o d u l a t i o n ，n o n - c o n t a c t v 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 主要符号说明 n a 数值孔径 d 光纤端面至反射面的距离a n 光功率i m w 发射光纤纤芯半径o n 接收光纤纤芯半径i b m 纤芯的折射率 光纤轴间距朋 包层的折射率 直流电源电压y l e d 的正向压降y i ，l e d 的工作电流爿 丁 绝对温度k r j 运放的输入阻抗q a 。运放的开环增益如 c ， 隔直电容p f c ，消振电容矿 兄输入电阻q e 。 j y 转换等效输出噪声电压y u 训 ，一y 转换器的输出电压y z x f 电路的带宽i k h z i x 尸 n p 他 e u 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：么至空! 日期：边：巫：兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 j 签名： 导师签名： 量圈日期：趁必厶# 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 1 1 光纤传感器的概述 第一章绪论 光纤即光导纤维，是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新兴的光电材料。随着光纤实 用化和光通信技术的发展，光纤传感器技术开始兴起。光纤传感器与传统传感器相比， 有其独特的优点1 】【2 】【3 】【4 】： ( 1 ) 抗电磁干扰，抗辐射，绝缘性好： ( 2 ) 体积小，重量轻，结构简单； ( 3 ) 耐腐蚀，耐高压，防爆防燃，传输信号安全； ( 4 ) 非接触测量； ( 5 ) 灵敏度高，准确度高； ( 6 ) 传输损耗低，导光性好，动态范围大； ( 7 ) 韧性好，光路可弯曲； ( 8 ) 便于与计算机连接，实现系统的智能化遥测和控制。 ( 9 ) 同一根光纤可制成传感不同物理量的传感器； ( 1 0 ) 光纤传感系统具有数值传输的格式，易于采用多路复用技术。 诸多优点集于一身是传统传感器无法比拟的，使得光纤传感器一出现就受到广泛的 重视。光纤传感器的研究正在蓬勃的开展着，随着新兴学科的交叉渗透，将会得到更广 泛的应用。 1 2 光纤传感器的国内外研究动态 光纤传感技术是一门多学科性科学，涉及知识面广，在许多领域彰显出强大的生命 力。国外许多国家已经开始研究光纤传感技术，他们投入相当多的人力、物力先后制定 发展规划，其研究重点主要在六个方面15 ：( 1 ) 光纤传感系统；( 2 ) 现代数字光纤控 制系统；( 3 ) 光纤陀螺：( 4 ) 核辐射监控；( 5 ) 飞机发动机监控；( 6 ) 民用计划。目 前，光纤传感器可以对位移、压力、速度、温度、振动、液位、角度等近7 0 种物理量 进行测量。国外一些发达国家有一些成型产品也己投入市场，但大多数处于实验室研究 太原理i ：人学硕卜研究生学位论文 阶段。 国外从8 0 年代便丌始做了大量的研究。同本松下、三菱、东京大学等2 4 家著名的 公司和大学早在1 9 8 0 年7 月到1 9 8 3 年6 月期问就从事光纤位移传感器的研究，期问共 申请光纤位移传感器专利8 0 件，测量精度为1 ：温度测量范围为一1 0 到+ 4 0 c 1 2 1 ；p h i l t e c 公司近几年研制出反射式位移传感器，其精度高，非接触，低噪声，测量 范围最大为3 8 m m ，且带有反射补偿 6 1 ；美国m t i 的光纤位移测量系统m t i - 2 1 0 0 产品可 对各种物质材料表面测量，分辨率达2 5 纳米，响应频率达5 0 0 k h z ，可实现薄膜振动测 试，压电材料振动测试。 我国光纤传感器的研究工作主要自1 9 8 3 年开始。国家科委新技术局在1 9 8 3 年召开 了光纤传感器的第一次全国会议，“七五 规划中提出了1 5 项光纤传感器项目。然而 研究工作仍主要放在高等院校和研究所上，其中大连铁道学院对反射式光纤测振仪进行 了系统的理论研究【7 】【8 1 ，上海交通大学在闪耀光栅解调的光纤光栅测量系统上给予理论 分析f 9 1 ，华中科技大学的反射式光纤位移传感器于2 0 0 5 年1 月申请专利1 。同时光纤 位移传感器的成型产品有少部分投向市场，如：f b g d 系列光纤位移传感器，其测量范围 宽为3 0 0 o n 一2 0 m m ，测量分辨率为0 o i f s ，测量精度为0 5 f s 。与国外相比仍有很大 的差距，需要更加深入地探索与分析并努力形成独特的成套的光纤传感技术。 1 3 光纤传感器的发展趋势 当前，随着光纤材料科学、光纤通信技术、信息处理技术、半导体器件制作技术和 光学元件加工技术的飞速发展，世界范围内的光纤传感器技术的研究和应用范围和应用 市场越来越大，从单传感器到多传感器的研究势在必行，特别是与微机相结合组成光纤 遥测系统，单一光纤传感器已进入实用阶段，然而却无法解决多参数、多变量的监测， 基础技术和元器件的研究有了很大进展，其可靠性和稳定性也有了提高，随着各种类型 光纤的研制成功和相关元器件的可靠性及稳定性的进一步提高，必然拓宽光纤传感器的 应用范围。 光纤传感器在将来的趋势有以下几点2 1 ： ( 1 ) 商品化 要使光纤传感器商品化，应着重解决以下问题：提高光纤传感器的抗干扰能力， 提高长期的稳定性，简化器件的结构，降低成本。 ( 2 ) 集成化和全光纤化 太原理i 人学硕士研究生学位论文 为了提高光纤传感器的稳定性，需要解决许多问题，其中集成化和全光纤化是关 键之一。 ( 3 ) 网络化 利用光纤传感器和小型光纤网络构成的光纤网络系统，可用于多点和多参数的测 量，是目前光纤传感器发展的主要方向之一。 ( 4 )正交传播调制的局部多路传输 即用单点光纤传感器测量多个物理量。 ( 5 ) 特殊材料 即在某些特殊位置使用特殊材料，使得测量的效果更好。 从大量的文献资料中看到光纤传感器的研究有如下方向： ( 1 ) 继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传 感器。 ( 2 ) 从单一传感器进入到传感器系统的研究，并与微处理机结合形成光纤遥测系 统。 ( 3 ) 基础技术和元器件的研究取得很大进展，可靠性和稳定性有了很大提高，即 开发光纤传感器使用的特殊光纤，提高有源和无源器件的稳定性、可靠性，深入研究检 测系统。 1 4 课题研究的目的和意义 光纤测振与传统测振手段相比：( 1 ) 位移量的检测与其它量相比，既容易检测又容易 获得高精度的检测量。( 2 ) 光纤径细、量轻、抗电磁干扰能力强、传输信号安全、使用简 便、可实现非接触测量l l 】。( 3 ) 根据已有的光纤测振理论，光纤传感器不仅可以测量一 般频率振动信号，而且能在超声范围对振动信号进行检测。 光纤传感器是测振系统的核，i i , 。按测量调制光波参数的不同，光纤传感器可分为： 波长调制型、相位调制型和光强调制型。 波长调制型传感器利用传感器的选频特性来调制出射光的波长，进而得到被测振动 信号的大小，这种方法具有可靠性和抗干扰能力强的特点，但光谱的变化占用了很宽的 信号通道，且需要昂贵的光谱分析仪解调，难以实现现场测量。 相位调制型传感器通过光纤中光的相位变化表示被测量。光纤中光的相位对环境变 化很敏感，使得这种传感器具有很高的灵敏度，但同时有串音、易受坏境( 如振动、温 3 太原理1 。人学硕：卜研究生学位论文 度等) 干扰的缺点：而且由于光的频率太高，需要建立两个干涉光路并配合精密的反射 面调节装置来进行相干解调，系统复杂且成本高。 光强调制型传感器以输出光的光强变化来表示被测量。从调制方式上又可分为外调 制型和内调制型。内调制型是通过光纤本身的几何形状变化来实现测量。内调制型传感 器虽然测量范围大，不易受环境光影响，但需要机械转换机构，且不能实现非接触测量。 外调制型是在光纤外部采用反射、错位、遮断等方式实现测量。外调制型传感器不需要 机械转换机构，可以实现非接触、非破坏性测量。 可见，各种不同类型的传感器都有各自的优势，但除了外调制型传感器外，其他所 有类型传感器都需要机械转换装置把被测量转换成可以对光波产生调制的物理量。 外调制型传感器可分为三类：反射式、透射式和光闸式。其中，反射式传感器的加 工、制作成本及复杂程度较低，而且只须在设计光纤探头时使用一些简单措施就可以很 好的改善测试性能。 因此，测振系统的设计最终选择反射式光强调制光纤传感器。 反射式光强调制光纤测振系统是运用反射式光强调制光纤传感器，将振动信号转换 成光信号，通过光电器件变成电信号，经a d 转换进入计算机，运用l a b v i e w 软件提供 快捷的仪器编程与数据采集，并对检测结果进行频谱和功率谱等分析与研究，与微处理 机的结合形成光纤遥测系统，大大提高了检测工作的效率。这种测振系统将测振与分析 一体化，实现了测振技术的集成化，将会运用到工业传感与现场测量中去，实现高精度 的非接触测量。反射式光强调制光纤测振系统对光纤传感技术商品化的进程有重要意 义，也是光纤传感器未来的发展方向之一。 1 5 课题所做的工作 在查阅、综述国内外有关光纤传感器和测振技术研究资料的基础上，本文主要做 到以下几点： ( 1 ) 分析了反射式光强调制光纤测振传感器的设计理论，主要包括强度调制理论和 出射光纤纤端出射光强场强分布假设，提出了单对光纤接收光功率的数学模型( 准高斯 分布模型) 和光纤探头的数学模型。 ( 2 ) 分析了准高斯分布模型下的受光特性及不同形式光纤探头的响应特性，利用v b 软件，研究光纤结构参数( 数值孔径、发射光纤纤芯半径、接收光纤纤芯半径、光纤轴 问距) 对接收光功率的影响。 4 太原理l ：人学硕十研究生学化论文 ( 3 ) 设计反射式光强调制光纤测振传感器，主要包括：光纤的结构设计、光源的选 择、发光二极管( l e d ) 的选型及驱动设计、光电探测器的选择等。 ( 4 ) 设计前置信号调理电路，主要包括：电路的增益与带宽设计、相对误差与噪声 分析、以及集成运放和其它元器件的确定等。 ( 5 ) 设计l a b v i e w 环境下的信号后处理，主要包括：波形的采集、数字滤波的选择、 窗函数的选择、曲线拟合、频率响应函数，以及电压信号转换成振动信号数学关系的建 立。 ( 6 ) 设计实验，验证实验装置的可行性，测试传感器的性能及影响因素，提出传感 器性能的改进方案并实验验证。 5 太原理l ：人学硕十研究生学化i = 仑文 第二章反射式光强调制光纤测振传感器设计的理论基础 2 。l 反射式光强调制光纤测振传感器的基本原理i 反射式光强调制光纤测振传感器的基本工作原理( 如图2 - 1 所示) ，发射光纤将光 源的光垂直射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根接收光纤中，其光强的大小 随被测表面与光纤的距离而变化，经光电转换元件将接收到的光信号转变成电信号， 通过测量电信号实现对振动信号的测量。反射式强度调制中光纤只起传光的作用。 反射镜 图2 - 1 传感器的基本工作原理 f i 9 2 - 1b a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo f s e n s o r 2 2 发射光纤纤端出射光强场强分布假设 一、均匀分布假设 t 2 1 1 3 】f 1 4 1 光强均匀分布理论是指理想情况下，在多模发射光纤的孔径角内，纤端出射光强沿 径向均匀分布。早期对光强调制特性理论的研究中，很多学者采用这种假设。 在这种假设条件下，发射光纤纤端的出射光强场强分布为： 删) = 羔 。 ( 2 - 1 ) 式( 1 1 ) 中： 光源耦合到发射光纤中的光功率； k o 发射光纤中的损耗； w ( d ) 入射光锥端面的半径；其中：w ( d ) = 2 d t a n ( o ) + 1 发射光纤纤芯半径； 6 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 二、圆台形分布1 段设 斋藤腾政协1 等人认为反射光强的分布可视为空间正态分布或圆锥分布，但是为了 简化计算，采用圆台型光强分布的物理模型，并给出了发射光纤纤端出射光强场强j 口沿 径向p 分布的表达式，这比均匀分布假设更进了一步。 ，= j r 一- p1 0 ( 2 - 2 ) p e , o 0 1 一j 一 式( 2 2 ) 中： 厶最大光强； r 发射光纤的半径； r 圆台底面半径； 三、钟型分布假设 l e oh o o g e n b o o m l l 6 等人认为多模光纤出射端的光强随出射角度增大而呈衰减的钟 型分布。但是他们并没有给出光强分布的具体表达式。 四、高斯分布假设 j o s eb r a n d a of 撕a 【1 7 1 在对双束型光纤束进行建模时，认为发送光纤出射光强采用高 斯分布假设接近实际情况，并给出了在发射光纤纤端光强场强沿径向p 分布的表达式： 坳= 鼎唧 _ 协3 ， 式( 2 3 ) 中： 只发射光纤发出的光功率； w ( d ) 高斯光束在距离d 处的光斑半径； p 被测点到光斑中心的距离； 五、准高斯分稚假设 在已有的高斯分布假设基础上，一些学者又进行了深入的研究，认为多模发射光纤 的出射光强并不是纯粹的高斯分布，提出了与高斯分布接近的准高斯分布。目前许多实 验已证明，准高斯分御是与实际情况最为接近的一种假设1 8 】【1 9 】 2 0 】f 2 i 】。 在这种假设条件下，发射光纤纤端沿径向p 的光强场强分布为： 坳，俨志e x p - p - q - 】 ( 2 - 4 ) 7 太原理l ：人学硕十研究生学化论文 式( 2 4 ) 中： g ( d ) = o r r 1 + f ( d r r ) ，2t a n ( a r c s i nm ) 】为距离d 处的准高斯光斑的等 效半径； 仃光纤折射率参数； f 光源调和参数，与光源种类和光源与光纤的耦合情况有关。 2 3单对光纤接收光功率的数学模型 本设计采用准高斯分布假设。假定发射光纤( t f ) 与接收光纤( 1 心) 的数值孔径 相同，即他白= n a p = n a ，纤芯半径分别为r r 与名，两光纤轴间距为p ，光纤端