（机械电子工程专业论文）光纤微弯压力传感器的检测系统设计.pdf

摘要 摘要 光纤传感技术发展至今，凭借其独有的性能，被人们重视并得到广泛的应 用。伴随着制造业的迅猛发展和光学理论的不断跟新，出现许多种不同调制类 型的光纤传感技术，其中光强调制型光纤传感技术出现最早，理论成熟。该类 光纤传感器具有对元器件要求较低、设计灵活和灵敏度高等特点。能满足一般 生活、工业的测量要求。 本文主要工作为基于光纤微弯损耗的压力传感器检测系统设计。首先，本 文分析光纤微弯传感原理，并根据光纤参数和光纤弯曲损耗原理确定了微弯齿 的齿距。考虑到实验时物体的放置位置会影响压力的测量结果，搭建了一种能 排除物体放置位置因素影响的实验平台。其次，在此基础上设计了能稳定检测 和显示外界压力的大小的检测系统。检测系统主要由硬件电路和软件部分组成， 硬件电路包含稳定的光源发射、微弱光强的接收、信号放大滤波、数据处理显 示和数据的传输部分。数据处理和传输电路使用s t c 8 9 c 5 2 r c 单片机及其外围 电路。测量结果使用液晶显示屏和上位机显示。最后，为了完成电压值和压力 值的关系标定工作，设计了上位机界面并编写了相关程序。上位机功能除了标 定和显示外，还具有将标定数据结果发送至单片机功能，以便单片机根据电压 值大小查询显示压力值，实现可脱离上位机进行检测目的。 本文通过实验测试了该系统的传感检测性能，得出该传感检测系统性能在 合理的范围内，传感检测系统的设计达到预期的效果。 关键词：强度调制型；光纤传感；微弯齿；压力测量 a b s t r a c t a b s t r a c t t 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 yd e v e l o p e ds of a r , w i t hi t su n i q u ef e a t u r e s ，i t i st a k e ns e r i o u s l yb yp e o p l ea n dw i d e l ya p p l i c a t e d a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n do p t i c a lt h e o r yc o n t i n u o u s l yu p d a t i n g ，m a n yd i f f e r e n t m o d u l a t i o nt y p eo f o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g ya p p e a rc o n s t a n t l y a m o n gt h e m ， t y p eo fl i g h ti n t e n s i t ym o d u l a t i o na p p e a rf i r s t l y , i t st h e o r ya r e a c hm a t u r e t h i sk i n do f o p t i c a lf i b e r s e n s o rh a v et h ef e a t u r e s t h a tl e s sd e m a n d i n go nt h e c o m p o n e n t s ， f l e x i b i l i t yi nd e s i g na n dh i g hs e n s i t i v i t y , i ti ss a t i s f a c t o r yf o ro r d i n a r yl i v i n ga n d i n d u s t r i a lm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ri ss t u d yo fp r e s s u r es e n s i n gs y s t e mb a s e do nt h e m i c r o - b e n d i n gl o s s f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s i so fm i c r o b e n d i n gf i b e ro p t i cs e n s i n g p r i n c i p l e ，a n dt h ed i s t a n c eo fe a c ht o o t hi nm i c r o b e n tm e c h a n i s mi sd e t e r m i n e d a c c o r d i n g t of i b e r p a r a m e t e r sa n dp r i n c i p l e o fm i c r o b e n d i n gl o s s p r e s s u r ei s g e n e r a t e db yp l a c eh e a v yo b j e c t so nt h em i c r o b e n d i n gd e v i c e ，t h ew e i g h to fo b j e c t s r e f l e c to u t s i d ep r e s s u r e c o n s i d e r i n gt h el o c a t i o no ft h ep l a c e do b j e c tc a na f f e c t r e s u l t so fp r e s s u r em e a s u r e m e n t s t h i sp a p e rb u i l das u p p o r t i n gd e v i c et h a tc a n e x c l u d i n gt h ei m p a c to fl o c a t i o nf a c t o r s s e c o n d ，b a s e do nt h ea b o v ef a c i l i t i e s ， p r e s s u r ed e c t e c t i n gs y s t e mt h a tc a ns t a b l em e a s u r ea n dd i s p l a yt h es i z eo ft h ew e i g h t o fe x t e r n a lh e a v yo b je c t si sd e s i g n e d d e t e c t i n gs y s t e mc h i e f l yc o n s i s to fh a r d w a r e c i r c u i ta n ds o f e w a r e ，i t sh a r d w a r ec i r c u i tc o n t a i nt h es e c t i o no fs t a b l el i g h te m i s s i o n , w e a ki n t e n s i t yr e c e i v i n g ，s i g n a la m p l i f y i n g ，s i g n a lf i l t e r , d a t ap r o c e s s i n gd i s p l a ya n d t r a n s m i s s i o n t h e p a r t o fd a t a p r o c e s s i n gd i s p l a y a n dt r a n s m i s s i o ni n c l u d e s t c 8 9 c 5 2 r cs i n g l e - c h i pc o m p u t e ra n di t sp e n p h e r a lc i r c u i t s t h em e a s u r e m e n t r e s u l ti sd i s p l a yb yl c da n du p p e rm a c h i n ep c a tl a s t ，i no r d e rt oc a l i b r a t i o nt h e r a l a t i o n s h i p b e t w e e nv o l t a g ea n dw e i g h t ，p ci n t e r f a c ea n d p r o c e d u r e s i s d e s i g n e d b e s i d et h ec a l i b r a t i o na n dd i s p l a yf u n c t i o n , p cn e e dt op e r f o r ms e n t i n g c a l i b r a t i o nr e s u l t si n t os i n g l e c h i pc o m p u t e rf u n c t i o n ，f o rs i n g l e c h i pc o m p u t e rc a n q u e r ya n dd i s p l a yw e i g h tv a l u ea c c o r d i n g t od e t e c t e dv o l t a g e ，a n da c h i e v et h ep u r p o s e i i i a b s t r a c t o fm e a s u r i n gw i t h o u tp c i nt h i sp a p e r , t h es e n s i n gp e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mi st e s t e db ye x p e r i m e n t ，t h e r e s u l t si sf o u n di nr e a s o n a b l ea r e a , a n dt h i sd e s i g nh a v ea c h i e v e dd e s i r e dr e s u l t s k e yw o r d s ：i n t e n s i t ym o d u l a t i o n ；f i b e ro p t i c a ls e n s o r ；m i c r o - b e n dm e c h a n i s m ； p r e s s u r em e a s u r e i v 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 压力传感器研究现状 压力传感器种类较多，比较常见的有电感式、电阻式、电容式和光纤式【l 捌。 电感式测量：电感式中线圈可看成l c 电路模型，具有固定的振荡频率，在 线圈中放置一铁块，通过改变铁块的位置来调制线圈的磁通量，从而改变线圈 的固有振荡频率，经硬件电路的扫描线圈固有频率的即可完成铁块的位置测量， 如果将弹簧装载在铁块上，便可实现力的测量。该种传感器易受电磁场影响。 电阻式测量：典型的电阻式测量即将电阻应变片粘贴于一弹性物体上，外 界压力引发弹性物体的应变，导致电阻长度发生变化，电阻值发生改变。通过 测量应变片的阻值大小便可得到外界压力。该类传感器结构简单，灵敏度高， 但易老化、易脱落和易受电磁干扰。 电容式测量：主要依靠改变上下电极板的距离，来改变电容值。该类传感 器结构简单，动态特性好。但易受板件介质变化的影响，且受电磁干扰。 压电式测量：根据压电效应，压电陶瓷上有力作用时，会在两极产生电荷。 该种传感器原理简单，体积小，但灵敏度会随时间发生改变，不稳定，测量误 差较大。 光纤压力传感器种类繁多，具有光纤体积小，抗电磁干扰和不易老化等特 点。是一种新兴的压力传感器，被国内外广泛重视【3 。5 】。 1 2 光纤传感器发展及其应用 光纤是一种能传播光的介质，从光纤产生到发展至今，光纤被广泛的应用 于通讯、医学、图像传输、工业和军事等各领域。在通讯方面，由于光纤传导 性能良好，能大容量传输信息，渐渐取代原始电缆传输。在医学方面，光纤做 成内窥镜导入胃中观察病变情况，光纤由于体积细小能方便植入人体内测量人 体血压、体温和血液含氧量。 光纤除了能作为传输光的介质外，还具有传感功能。光纤是新兴传感元件， 可测量多种物理量，温度、应变、压力、位移和加速度等物理量的测量已经应 用于实际中。光纤传感技术是一种新的传感技术，是一门交叉学科，涉及光学、 第1 章绪论 通讯学和电子技术等多学科。 光纤传感器与其它类型传感器相比具有体积小、柔韧性好、抗电磁干扰能 力强、绝缘性良好、损耗小和灵敏度高等显著的特点。基于上述优点，光纤传 感器适合于电磁强度大、腐蚀性强、绝缘性要求较高等恶劣环境下测量。 自从光纤传感这一概念的提出，世界各国高度重视该项技术的研究、发展 和应用。在军事领域【6 1 ，人们利用它研制出了水下探测器、核辐射监测器、航空 监测器和光纤陀螺。在民用领域，光纤传感器可用于电力系统中电压、电流和 温度检测、重要桥梁建筑健康检测、石油开采、生物医药和地震探测等1 7 d 。 1 3 光纤压力传感基本原理及分类 通过对各种光纤传感原理了解，可归纳出光纤传感基本原理：光源发出的 光经过受外界参数作用的调制区后参数发生变化，经过探测器检测得出外界参 数变化量。光的参数改变分为波长、频率、相位、光强和偏振态的改变，这些 参数最终需转化为光强才能被探测器接收。由此可知，光纤传感基本元器件包 含有光源、传感光纤和光强探测器。光纤传感器种类繁多，可将其按测量位置 和调制方式分类。 1 3 1 按测量位置不同分类 光纤传感系统可分为点式、分布式和准分布式三种，如图1 1 所示。点式光 纤传感器可精确测量某点位置的参数，如光纤光栅传感器( f b g ) 、法珀腔传感 器( f p ) 能对某点进行测量。分布式传感是基于光时域分析和光频域分析等技 术一种可实现空间连续位置的测量。测量分辨率小于1 米，可埋入大坝，桥梁 等重要建筑中测量其中的应力应变。准分布式传感介于点式和分布式两者之间， 在被测物体上进行多点检查，适合于一定范围类的多点间断性的测量。 2 第1 章绪论 图1 1 传感器按测量位置分类 ( a ) 分布式光纤测量： 光纤分布式测量即在空间位置上进行连续性的测量。光在光纤中传播时， 会产生三种散射：布里渊散射、瑞利散射和拉曼散射，其中瑞利对温度敏感性 低，布里渊信噪比较高【1 2 1 。拉曼散射检测利用两束反射光的光强比来检测外界 扰动量；布里渊散射根据散射光与入射光频移随外界扰动量原理来检测；瑞利 散射根据散射光偏振方向改变程度与外界扰动大小有关原理进行检测。典型的 时域分析( b o t d r ) ，其测量原理图如图1 2 所示。 图1 2 基于时域分析的分布式测量 当一束脉冲光经过光纤时，会光纤内发生散射现象，散射的程度会随外界 扰动的大小发生改变，此时，在光纤入射端加一光强接收装置即可检测外界扰 动大小。为实现分布式测量，光强接收装置检测一个脉冲周期内某些时刻对应 的光强，形成以时间和光强的关系，时间轴反应空间位置，时间间隔一般很小， 达至l j n s 数量级。要形成1 米左右的分辨率检测，接收时间间隔t 至少要小于t o = c 2 ， 其中c 为光速，因此要求检测设备检测速度快。利用该原理可用于压力传感检测。 该方式检测所使用的光纤为普通光纤，分析装置为光时域分析仪器，整个系统 3 第1 章绪论 对于光源和检测电路设计较复杂、要求较高。分布式测量是基于光时域分析技 术( o t d r ) ，主要根据光在光纤中散射原理来完成。在桥梁大坝等大型建筑安 全性检测中，往往需要长距离的观察测量，分布式光纤能很好的运用于该领域。 ( b ) 准分布式光纤测量 为了实现长距离范围内较多固定点的测量，需采用准分布式测量，准分布 式测量不像分布式是测量对整个范围进行空间连续测量，它只是针对某些离散 固定点的压力、温度和应变进行测量。比较常见有光纤光栅准分布式测量【l 3 。， 另外可在分布式测量基础上增大固定点处光纤传感灵敏度来增大发射光强，比 如在检测点可加上微弯齿或增敏性处理【1 4 1 。其中光纤光栅实现准分布式测量技 术可分为波分复用、时分复用和空分复三种方式。原理如下图所示。 图1 3 波分复用测量 图1 4 时分复用测量 图1 5 空分复用测量 波分复用中光栅采用串联方式，每个光栅反射的波长都被固定在某一范围， 波长解调仪在整个波长范围内进行扫描，得出各光栅的反射波长中心位移情况 便可知道压力变化情况。而空分复用中光栅采用并联方式，通过i * n 光开关选 择需要解调的光栅。时分复用技术类似于分布式光纤传感的，不同之处为在需 要测量点处使用光栅进行替换，光源使用脉冲宽带光源，脉冲光入射光纤后， 不同位置的光珊反射光到达解调仪的时间不同，从而可以检测各点的压力和应 变。 4 第1 章绪论 1 3 2 按调制方式不同分类 按调制方式可将光纤传感器分为开关型、强度调制型、波长调制型、相位 调制型和偏置调制型。一般情况，频率和波长的改变表现为颜色的变化，颜色 明显的改变可以通过一般接收管检测出，对于较小频率和波长的变化量，可通 过特殊的波长精确检测装置测量，如法珀( f p ) 腔测量仪。开关型是一种数字 脉冲检测方式，最典型的是将其应用于角速度的检测，如光电编码盘。其它三 种调制型传感器分类如图1 6 所示。 图1 6 按调制类型分类 a 、相位型： 相位型调制光栅是基于光的干涉效应，该类传感测量精度非常高，主要应 用于高精度测量领域。如军事领域的光纤陀螺仪、精密机床位移检测中的光栅 传感器、埋入材料中检测微应变的光纤光栅【1 5 - 1 7 1 。相位型主要包含两种，一种 为光纤光栅，另一种为干涉仪。光纤光栅传感器所使用的光源为宽带光源，外 界压力值表现为特定波长的反射光。干涉仪使用的光源为相干型单色光。外界 压力表现为光干涉后输出光强的大小。 b 、光纤光栅： 光纤光栅压力传感器正被人们广泛关注【1 8 , 1 9 。已在生活和工程中得到广泛的 应用【2 0 2 1 1 。他能较精确的测量出某位置点的变量。同样具有光纤传感器的体积小、 5 第1 章绪论 重量轻、抗干扰能力强等特点。光纤光栅结构如图1 7 所示，光纤光栅是一种折 射率周期性改变的特种光纤，光栅的形成主要依靠在光纤中参入一种折射率对 紫外线敏感的物质，当掺有特种物质的光纤暴露于具有干涉条纹的紫外线下时， 便形成了周期性光栅。 光纤光栅 图1 7 光纤光栅 一连续波长的光经过光纤光栅时，光栅会反射回与光栅周期有关波长的光， 通过检测波长的变化便可得到外界因素的变化量。这即是光纤光栅传感器传感 原理。光纤光栅的反射波长五计算公式为： 2 = 2 劭人 ( 1 1 ) 式中：n e a r 一光纤的有效折射率，人一光栅周期昭j 。 光纤光栅的压力的测量通过改变光栅周期来反射特定波长的光。可将光纤 埋入或粘贴于某种物体中。当该物体受到压力时，在物体内部会发生应变，物 体的应变会带动光纤光栅发生应变，从而光栅的周期发生改变，利用该原理除 了能测量外界压力情况，还可以测量温度、应变、气体浓度和液体的浓度等变 量 2 2 - 2 4 】。光纤光栅除了具有普通光纤传感器特性外，还具有独特的优点：( 1 ) 不 需要单独设计结构来感应外界因素的变化量，可直接埋入需要检测物体的内部 应变、应力和温度等变量。( 2 ) 线性度好，灵敏度高等特点。目前就光纤光栅埋 入方法而言，方法较多、技术成熟，可通过在光纤光栅外表面涂覆胶体后将其 埋入混泥土中，除此之外，还可以通过化学镀和电镀的方法对光纤进行保护后 埋入金属内部【1 7 】。( 3 ) 可实现多点的实时检测，光纤光栅非常适合需埋入多个传 感器的场合，如整个桥梁、建筑应变监测。 c 、干涉仪 。 常见的干涉仪主要包含迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪、马赫一曾德尔 ( m a t h z e h n d e r ) 和赛格纳克( s a g n a e ) 干涉仪。m i c h e l s o n 是干涉型光纤传感 器中发展较早的一种传感器，结构装置如图1 8 所示。干涉光经耦合器分别进入 两条光纤，其中一条光纤起参考作用，另外一条用于测量。两条光纤终端都有 6 第1 章绪论 装有反射镜，由于光在参考光纤中传播路程不变，而测量光纤长度会随压力改 变发生变化，从而光的传播的路程发生改变，两束反射光形成相位差在耦合器 中发生相遇干涉，从另一条光纤中输出。通过在输出端放置光电探测器检查光 强大小，便可得到压力大小。由于参考臂和测量臂处于同一测量环境中，传感 器受温度变化影响不大，具有精度高特点。此外，该类传感器还具有分辨高、 速度快等特点。 反射镜 图1 8m i c h e l s o n 干涉仪原理图1 9 带光纤的m i c h e l s o n 干涉仪 镜 d 、法珀光纤传感器 除了上述光纤光栅传感器属于相位调制型外，法珀光纤传感器为另外一种 较为常用的光纤传感器【2 5 筇】。结构如下图所示，光纤内嵌入有距离十分微小的两 个光高反射片，该两片反射面形成f p 腔。一束光射入光纤后，会在两个反射片 上发生光反射现象。两个反射面相当于两个干涉光源，当两反射片距离为光的 波长整数倍数时，反射出的光会加强；奇数倍时，反射光最暗。通过改变反射 片的距离可测量外界应力应变变化情，利用该原理制作出f p 光纤传感器 1，7 二 二 ： = - 二 图1 1 0 法珀光纤结构 图1 1 1 法珀光纤干涉原理 镜 该种传感器，也属于干涉型光纤传感器的一种，灵敏度较光纤光栅传感器 略低。但受环境温度影响较低。从8 0 年代被广泛研究【2 7 】，发展至今，技术已经 7 第1 章绪论 成熟，被应用于桥梁建筑应变、气体浓度和压力的检测【2 8 。3 0 1 。f - p 光纤传感器测 量的精度和分辨率较高，但是具有与光纤光栅相同的缺点，制造工艺复杂，加 工难度大；需使用高强度的光源；解调系统复杂、价格较高。 干涉型光纤传感器调制后的光都是波长很窄小的尖峰光，如何能检测出波 长变化情况，牵涉到解调技术。目前解调技术很多【3 1 捌，也较成熟，但解调系统 价格昂贵。该类传感器检测所需的光源和感光及后续电路要求严格，需价格较 贵的宽带光源和半导体激光器做光源。另外在干涉型光纤传感器中，光纤光栅 会受压力和温度同时影响，要测量压力变化情况，需要考虑如何去除温度对测 量的影响。 e 、偏振调制型 除了上述干涉型光纤传感器外，在实际应用中偏振型光纤传感器也较为常 见 3 3 , 3 4 】。偏振型光纤传感器可用于电流、电压和压力的检测，根据法拉第磁光感 应原理可测量电流的大小，根据材料的光弹效应可测量压力测量，根据磁光克 尔效应可用于电压检测。法拉第磁光感应是磁场作用于材料，材料的属性发生 改变使通过光的偏置面发生改变，即旋光现象。而另外两种原理是基于材料的 双折射效应，双折射效应中非正常光线偏振方向与入射光的偏置方向垂直，电 压和压力大小改变双折射的程度。比较典型的测量装置如图1 1 2 所示。 压力 图1 1 2 基于光弹效应的偏振调制型光纤传感器 图中外界因素可以是电压和压力变量。外界因素使材料发生双折射效应并 随电压或压力大小的改变双折射效应程度不同，在材料的左端加起偏器和在右 端加检偏器可得到光强的该变量，利用光电检测元件检测出外界因素的变化情 况。石英玻璃是一种化学性能稳定、不受温度影响的材料，其弹性模量很高， 在一个大的范围内应力与应变成线性关系【3 5 1 。应用此材料做光纤能很好的干预 外界压力。光纤电流传感器中材料可使用磁光玻璃光纤。与传统电流传感器具 有绝缘性能优良、动态范围大、频率响应宽、体积小和易与数字设备接口等优 点【3 6 1 。 8 第1 章绪论 在偏振调制型光纤中，正在兴起一种新型的特殊光纤保偏光纤。保偏光 纤与普通光纤相比具有较高的双折射效应结构，典型熊猫牌保偏光纤如图1 1 3 所示。一偏振光束在保偏光纤中传播能很好的保持光的偏振特性。保偏光纤中 具有两个相互垂直的快慢轴，偏振光在保偏光纤中传播时偏振状态可分为两种， 一种为偏振光的偏振方向与快慢轴重合，此时偏振方向不发生改变；另外一种 为光的偏置方向与保偏光纤的快慢轴成一定的夹脚，则光纤的偏振状态按线偏 振椭圆偏振一圆偏振一椭圆偏振一与入射光差9 0 。的线偏振光的规律出现周 期性的变化，演变过程如图1 1 4 所示p 。 田 图1 1 3 熊猫保偏光纤轴向图图1 1 4 偏振光通过保偏光纤偏振态的变化情况 任何一线偏振光可看出一矢量，可分解在两个相互垂直的基轴上，根据分 在基轴上的量不同呈现出线偏振、椭圆偏振和圆偏振三种情况。当保偏光纤受 到外界压力时，光纤保偏特性发生改变，致使在光纤输出端上沿两个相互垂直 的基轴输出光强大小发生改变，通过在光纤的输出端加w o l l a s t o n 棱镜便可用于 力的传感检测。整个传感系统框图如图1 1 6 所示。 。奉不用厂、 础罢： 蓁 器 ii 光纤 y 图1 1 6 用保偏光纤进行传感原理图 图中棱镜用于得到偏振方向垂直的两束光，两束光的功率大小会随外界压 力的改变而变化，通过数据处理可得到功率比p 寻一厶+ ，：与压力之间的关 系曲线。不过该种传感器力与功率比呈周期性变化，在部分区域内呈线性变化， 适合做力的传感【3 8 1 。 f 、强度调制型 强度调制型光纤传感是一种外界变化量直接调制到光强变化中去，不需要 9 第1 章绪论 经过波长和相位调制环节的一种光纤传感器。该类传感器发展较早，制造成本 低，检测系统简单( 只需要普通的发光二极管l e d 和光接收放大电路) ；灵敏度 较高，设计灵活、简便，适应于物理量的检测。能很好的满足一般生产、生活 的要求，应用广泛。 强度型调制光纤中比较常见的有透射式、放射式和弯曲式三种。透射式： 将一段光纤分为两段，在两者之间放置挡板用于遮光，通过挡板位置的变化调 节输出光强。反射式：在入射端的另一端放置反射镜用于反射回入射光，反射 光进入光纤的大小与反射镜的距离有关。弯曲式：通过光纤的弯曲使光纤中光 损耗出去，弯曲可分为宏弯和微弯两种， ( 1 ) 反射式： 反射式光纤传感测量的物理量比较常见的有压力和位移。反射式测量压力 是将外界压力转变成反射镜的位移。随着反射镜与光纤输出端的距离变动使反 射光进入光纤大小不一样，从而测量出压力大小。 ( 2 ) 透射式： 透射式传感损耗主要发生在两端光纤之间，损耗的多少与两端光纤的位置 或中间挡板的位移有关。通过将压力转化成光纤位移或挡板的位移即可测量压 力的变化。 ( 3 ) 弯曲式： 弯曲式根据弯曲半径分为宏弯式和微弯式两种，宏弯是一种弯曲半径较光 纤半径大许多倍的弯曲形式3 9 1 。光纤可以缠绕或粘接在物体上，压力会使物体 产生形变，从而带动光纤弯曲，使光在传播中产生损耗。检测出光强的改变量 即可得到外界的压力大小。微弯式：与宏弯相比，光纤弯曲半径较小，损耗较 大。 1 4 微弯光纤传感器发展与应用 光纤微弯原理首先由j n f i e l d s 和j h c o l e 提出j ，光纤微弯产生由外界压 力引起，光在光纤介质中传播时会随光纤的微弯产生损耗，通过检查光强的损 耗量可得到外界物理量的变化量，与其它类型光纤传感器相比，光纤微弯传感 器凭借结构简单、便于装备、低成本等显著优点备受人们的关注。虽然光纤微 弯传感原理较简单，但如何设计新颖的传感结构并将其运用于实际测量中成为 1 0 第1 章绪论 传感检测的难点。经过长期的发展和改良，现已成功运用于应变、位移、温度、 压力、液体p h 值和浓度等多领域的测量【4 1 删。早期光纤弯曲传感器采用图1 1 7 所示，将光纤弯曲成螺旋管状，灵敏度随圈数的增加而增大。而后出现齿形传 感器，如图1 1 8 所示，在此基础上，国内外通过各种方法设计出满足实际应用 的产品。另外，结合光时域分析( o t d r ) ，可实现准分布式测量。图1 1 9 所示。 p i 测量板 - 口 接收墨 图1 1 7 早期弯曲光纤传感器图1 1 8 齿形光纤传感器 图1 1 9 基于时域分析的准分布式光纤传感器 在国内，光纤微弯传感得到大力的发展和运用，1 9 9 9 年，南京航空航天大 学成功将微弯传感器运用于应变测量中，该装置原理为一微弯结构放置于弹性 膜片中，材料的水平应变转换为微弯齿的位移，对光纤产生压力，使光纤微弯 变形，实现应变的测量。该装置取得良好的效果，光强衰减为零时，应变变化 量为3 0 0 嶂【4 5 1 。而后，深圳大学对该装置进行改进，提高该装置的灵敏度m 】。 2 0 0 2 年南京航空航天大学将微弯光纤埋入三维四向编织碳环氧复合材料试件中 用于应变测量，实现光纤智能化保护h 丌。2 0 0 5 年武汉理工大学光纤研究中心将 光纤缠绕在钢丝绳上实现应变的测量，结构如图1 2 0 所示，钢丝绳相当于变形 齿，光纤贴附在绳索上，当钢丝绳受轴向作用力后，微弯作用周期随拉伸发生 改变，将使光纤弯曲曲率，幅值发生变化，从而可测量应变改变量郴j 。2 0 0 8 年， 该单位设计出快速自修复光纤传感器，该传感器具有良好的自修复性能【4 9 j ，结 构如图1 2 1 所示，将光纤放入柔性空心纤维中，中间用光固化修复液填充，监 测时采用长波光源，光纤弯曲半径过小时，易受到损伤，利用短波光源固化修 复液进行修复受损光纤。针对汽车称重中其它类型压力传感器易老化现象，2 0 0 9 第1 章绪论 年吉林大学将微弯光纤埋入弹性较好的高分子树脂材料中实现汽车动态称重 【5 0 1 。埋入后结果如图1 2 2 所示。 图1 2 0 光纤缠于钢丝绳上图1 2 1 自修复光纤传感 图1 2 2 光纤埋入树脂f 5 0 】 1 5 课题研究的目的和意义 光纤传感器凭借其自身的优点，被人们广泛注视。光纤传感器的调制方式 也出现许多种，在这些调制方式中，强度型调制型凭借其结构简单、精度高和 价格低廉的特点得到快速发展，技术较成熟。微弯光纤传感器属于强度调制型 中的一种，采用透射式强度调制型结构。 与其它光纤传感器相比，光纤微弯传感器对检测系统的要求具有如下特点： ( 1 ) 对元件要求少，成本低；( 2 ) 检测系统中硬件搭建、软件编程容易实现；( 3 ) 灵 敏度较高，可靠性和安全性好。 微弯光纤传感器在生活、生产方面得到广泛的应用，一个质量好的传感系 统除了拥有良好的传感元件之外，后续的检测系统对传感器性能方面也起到不 可忽视的作用。因此，本文主要针对光纤微弯压力传感器，设计了一种低成本、 稳定性好的便携式准确测量系统。由于该检测系统所采用的1 6 位a d 转换，因 此能实现较高分辨率( 2 ) 的测量。系统的标定工作在上位机完成，标定结果数 据发送至下位机存储，存储后不需连接上位机变可以直接显示测量结果。本文 设计的检测系统目的是使光纤微弯传感器在汽车称重、液体高度和压强等应用 领域中实现便携式准确测量。本文所设计的光纤传感检测系统也能适合其它强 度调制型光纤传感器。 1 6 论文主要内容 本文主要工作是对光纤微弯力传感检测系统进行设计，包含结构、硬件电 路和软件方面设计。主要内容如下： 第一章：绪论。介绍力传感器类型，阐述了国内外光纤力传感器优点、发 展应用和种类等，介绍了光纤微弯传感器发展与应用。 1 2 第1 章绪论 第二章：光纤微弯传感检测原理与实验平台建立。先介绍了光纤微弯传感 的基本理论和原理，后对实验中砝码的支撑支架进行搭建。 第三章：系统硬件电路设计。主要包含有光源驱动电路、光接收电路、a d 转换、单片机数据采集传输电路和结果显示电路的设计。 第四章：系统软件设计。编写单片机程序使其能对完成数据采集、处理、 存储、查询、传输和显示操作。使用v i s u a lc 抖6 0 开发软件编写电压与压力的 标定、数据接收、处理程序和设计显示界面。 第五章：实验结果与数据分析。实验包含系统稳定性观察和测量值与真实 值的比较和分析。 1 3 第2 章光纤微弯传感检测原理与实验平台建立 第2 章光纤微弯传感检测原理与实验平台建立 为了能观察到所设计系统的检测性能，需要搭建光纤微弯压力传感实验平 台。传感平台中使用加载砝码的重量来代替实际应用领域中的被测量的压力。 光纤微弯实验平台搭建工作包含微弯齿参数的确定和重物的支撑支架设计。其 中微弯齿参数设计牵涉到光纤微弯损耗原理。支撑支架主要用于消除由于砝码 放置位置不同所带来的的影响。 2 1 光纤微弯传感检测原理 光在光纤中传播损耗原理是微弯传感的基础，外界的扰动变化量表现为光传 播损耗大小。检测出光在光纤传播整个过程中损耗量便可得到外界扰动变化量。 光纤测力系统包含以下几个部分：光源驱动部分、重量传感部分、信号检 测调理部分、显示部分和数据处理标定部分。各个部分实现功能介绍如下。 ( 1 ) 光源驱动部分：为整个系统提供恒定光功率的光，为压力检测提供被调 制信号。 ( 2 ) 力传感部分：为系统的输入端，将力信号与光强信号调制，最终输出表 现为光强信号的改变，本文测量所需要的力来源于加载的砝码重量。 ( 3 ) 信号检测调理部分：用于检测力传感部分所输出的信号( 光强的改变量) ， 主要由硬件电路完成。将光强的改变量转换为电信号的改变，转换后的电信号 为含有噪声和杂波的模拟信号，需要经低通滤波处理和数模转换器( ，d ) 转换 为数字信号，数字信号可传给单片机和p c 机进行处理和显示。 ( 4 ) 信号处理和显示部分：接收检测调理部分信号，对其进行相关计算后转 换成显示信号并进行显示。主要由软件编程完成。 系统的组成框图如图2 1 所示。 图2 1 系统组成框图 1 4 第2 章光纤微弯传感检测原理与实验平台建立 系统的检测过程：光源发出的恒功率光，从光纤的一端输入，另一端输出。 由于受到外力的作用，光纤产生变形，导致光在光纤传播过程中发生损耗。损 耗值用光强大小衡量，与外界压力有关。在光纤的输出端加一感光元件将外界 压力引发的光强改变信号转变为便于测量的电信号，通过后级的放大处理将感 光元件检测的微小电流信号放大至模数转换( a d ) 芯片能识别的电压值。信号经 a d 转换后，输出为数字信号，送入单片机中进行数据分析和处理。单片机分析 处理完成后，得到光强所对应的电压值。随后，通过电压值大小查找内部可电 擦写只读存储器( e e p r o m ) 的标定重量数值，该数值由上位机中产生并发送 至单片机，单片机查找到对应的重量值后将其显示于l c d 显示屏中。 在检测系统中，单片机经a d 采集后，得到的是电压值，而不是所需要的 重量值。要得到外界的重量值大小，需要进行电压值和重量值的关系曲线标定， 所谓的标定是通过函数的关系把仪器的测量值还原为真实值，寻找测量值和真 实值的之间的函数关系【5 1 1 ，标定工作在上级机中完成，该步骤依靠计算机中编 写的软件生成。计算机完成标定后，将电压值对应的重量值数据经串口通讯发 送至单片机内部e e p r o m 存储器中进行存储。为了便于观察标定的效果，单片 机需将标定后所生成的电压值输入进计算机中进行显示。整个检测系统中信号 转变的顺序如图2 2 所示。图中压力产生通过加载砝码。 图2 2 信号的转变过程 2 2 光纤微弯传感实验平台建立 2 2 1 光纤微弯传感检测关键技术问题 本文中存在的主要问题如下： ( 1 ) 首先需要进行微弯齿的参数设计，以使传感器达到最佳灵敏度，并考虑 微弯齿对光纤损坏作用。其次，光纤的压力由放置在微弯齿上的重物产生，如 果将重物直接放在微弯结构上，重物所放置的位置会引起光纤弯曲程度不一样， 1 5 第2 章光纤微弯传感检测原理与实验平台建立 影响实验测量结果，因此，如何设计载物机构来排除重物放置因素影响以便能 准确测量外界压力成为本课题的一项内容。本文利用平衡力的性质来实现重物 的自动定位。该结构有以下特点： a 、光纤微弯情况与重物放置位置不相关。 b 、撤销压力后压弯的光纤能恢复原状。 ( 2 ) 光纤光强传感系统中，常常会因为光源发出的光功率波动、感光元件噪 声和漂移、电路中电子元器件温漂等干扰因素影响测量精度。如何能准确稳定 测量出光纤所受压力情况成为主要问题，针对此问题。整个系统选择了低噪音、 低温漂元器件和正确的硬件电路。文中利用反馈原理设计恒功率光源驱动电路。 使光源输出的光功率稳定。在光接收方面，采用新型光电元件，该元件稳定可 靠、成本低，能很好的检测出光纤输出的微弱光强。 ( 3 ) 通过观察前人所做的实验发现重量值与电压值之间的关系并不是一条直 线，而是条前端部分呈弯曲和中间部分呈线性光滑的曲线。针对该问题，本文 使用p c 机将实验数据进行三次样条曲线插值方法进行标定，生成这条光滑的曲 线，使测量结果与真实值接近。 2 2 2 光纤微弯损耗原理 光纤是一种能传播光信息的光导纤维，光纤结构如图2 3 所示，由纤芯、包 层和保护套构成。纤芯的折射率比外包层的折射率要大，光从折射率较大的介 质进入折射率较小的介质中易形成全反射，光在光纤中的传播依靠光的全反射。 n 2 纤芯 n l 包层 n 2 图2 3 光纤结构 图2 4 光纤中光的传播线路 根据全反射原理，要使光能在光纤传播过程中发生全反射不发生损耗，入 射光线角度必须小于某一特定的零界角岛，如图2 4 所示，或计算公式j z n t - ，2 s i n a o = 厨i ( 2 1 ) 式中：即s i n 岛一数值孔径n a 。该参数能反映出光纤端面收集光线的多少， 1 6 第2 章光纤微弯传感检测原理与实验平台建立 n a 越大，则光纤端面接收的光线越多，另一端面输出光强越强。因此，为了使 光纤接收的光线越多，岛角需最大，此时端面应保持和光纤轴垂直。另一个影 响n a 值的是纤芯折射率啊和外部介质折射率的差值。差值越多，则光纤能 接收的光线越多。 光纤弯曲损耗原理有两种解释方法，一种是利用光的传播线路，另外一种 为模式理论。光在弯曲光纤中传播线路如图2 5 所示： 口 。，直部。 弯部 1 。 一 7 1 1 一- # 弋占写 。7 ， n 2 石c d 图2 5 弯曲光纤中光的传播线路 光线在进入弯曲处与光纤轴线交点为x 。光纤半径为a ，弯曲曲率半径o c 为r 。仍仍分别为直线处、弯曲外圆和内圆处光线的入射角。假设x 点离弯 曲内圆的距离为x ，a x a 。根据正选定理，在三角形a o c 处有如下关系式： 婴：坚 r + x r + a ( 2 2 ) 在三角形a b c 处有 s i n q 2 一s i n 仍 r + ar a ( 2 3 ) 根据( 2 2 ) ( 2 3 ) 两式，可得到仍仍关系仍仍。由于仍小于全反射临界 角。所以在a 点处光的一部分将被折射到另外一层介质中而发生光功率损耗。 因此，光纤发生弯曲变形时，弯曲损耗主要发生在弯曲外圆处。弯曲越大，弯 曲处曲率半径变小，仍入射角变小，光的损耗越大。该种解释方式依据光的传 播路线，比较容易理解光纤弯曲损耗原理。 另外一种解释为模式理论，该种方式能定量的计算出光纤的损耗值。当光 纤发生弯曲时，发生两种耦合：模式耦合和辐射耦合。模式耦合为光传播过程 中芯模耦合到包膜的一种耦合方式，辐射耦合则是由于光纤含有杂质而使光发 生散射。一般而言，辐射耦合损耗较模式耦合损耗小几个数量级，因此主要考 虑模式耦合损耗。 1 7 第2 章光纤微弯传感检测原理与实验平台建立 光纤发生弯曲变形时，输出光强会随外界条件发生变化，利用该原理可将 光纤制作成为传感部件。本文采用的是光纤微弯传感器。 光纤微弯传感器核心部件为一周期性间隔的微弯齿，由上下齿板和光纤构 成，光纤位于上下板间，微弯器的齿距为人。当上下板受到压力作用时，两者 之间距离发生变化，使光纤也发生周期为人的弯曲变化。光纤的弯曲将导致光 在传播过程中的功率损耗。光纤微弯传感结构如图2 6 所示。 微弯齿 ￥而 图2 6 光纤微巧传感结构 光功率损耗的大小值凹可根据传光理论计算出【5 2 1 ，关系式如( 2 4 ) 式： p = ( 曼字) ( 导d ) ( 2 4 ) 口 一 式中：n 一变形齿齿数；p 一光纤受压时的变形幅度；刁一由光纤材质决定； ，、d 和盯一光纤纤芯半径、外包层半径和两者间的折射率之差。上式可写成( 2 5 ) 式： ，4 凹方 ( 2 5 ) 因此，可依据上式选取较大的纤芯半径、较小外包层半径和较小折射率差 的光纤。除此对光纤进行选择外，还需考虑微弯齿的齿距。 假设光纤每段凸起弯曲函数为： f ( x ) = 2 k 2 a ( s i n k x + c o sh ) e x p ( - ix ) ( 2 6 ) 式中：x 一光纤某点到微弯齿断点的距离；a 一光纤弯曲幅度；k - 与光纤 材料性质有关的系数。对一长度为l 、周期为人( 频率p ：兰；) 的微弯齿，可 根据光的波动学理论可以定量的表达出弯曲损耗系数口，口的一阶近似表达式 如( 2 7 ) 式【5 3 】： 口：三翩2 l s i n ( p - ；a f t ) l 2 i 4 l 憎一a p ) l 2l 佗7 ) 式中：峭曲部分总长度；k _ 比例常数；夕一光纤芯模岛和包模膨的 模式差。 1 8 第2 章光纤微弯传感检测原理与实验平台建立 从( 2 7 ) 式可以得到，除了在p = 外，p = 3 夕，5 a # ，7 筇损耗值也较大，p 取这些值时微弯传感器灵敏度达到极大值。p = 对应的齿间周期人： 忙赢 q 沼) 8 r 一9p 、1 式中：= 屏一口。最佳周期a 。可以取人的奇数倍。 为取得最佳齿间周期人，需计算出模式差，模式差的表达式如( 2 9 ) 式： 筇= 强) j 竽( 刳焉 亿9 ， 式中：扩纤芯半径；l 【- 折射率分布参数；m 一模序数；m 一模总数；一 距纤芯为a 处的折射率n ( a ) 与纤芯处折射率n ( 0 )