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频率调制在流速检测中的应用摘要：本文主要介绍了在光纤传感器技术中，通过对频率调制来实现物体流速检测的设计原理、实现方法和研究现状。关键词： 光纤 光纤传感器 频率调制 多普勒频移 应用实例Application of the frequency modulationin in velocity measurement Wang Yanqian(Shanghai Second Polytechnic University 201209)Abstract In this paper, it is main illustrated that the design idea and the realization method for the application of the frequency modulationin in velocity measurement. Meamwhile,some typical examples are introduced. We can know the newest development through this article.Key Words Optic Fiber FOS Fiber Optical Sensor Frequency Modulation Doppler Frequency-shift Application Example1. 引言流速是工业生产过程、能源计量、环境保护、交通运输、生物技术、军事工程和科学研究等领域中经常需要测量的三大参数之一。由于流速测量中被测介质种类繁多、介质的物理化学性质极其复杂、流动状态多种多样、现场工作条件恶劣等，出现了各种各样的流速测量仪表，据统计，目前正在使用的流量计已超过了100种，这些流速计的测量原理和测量方法各有其优缺点。近年来，光纤流速计因其独特的优点而受到人们的广泛关注。光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术, 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，如不受电磁干扰, 体积小, 重量轻, 可挠曲, 灵敏度高, 耐腐蚀,电绝缘、 防爆性好, 易与微机连接, 便于遥测等。 它能用于温度、 压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各种物理量的测量, 具有极为广泛的应用前景。 本文就光纤传感器技术中,频率调制在流速检测中的应用进行了总结与探讨,以便能更好的了解和掌握光纤传感器技术。2. 光纤在传感器中的作用2.1功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。 2.2非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。2.3 拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。 典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器图1 光纤在传感器中的作用示意图3. 光调制技术按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。在这里，本文主要介绍频率调制技术。3.1频率调制光纤传感器中的频率调制就是利用外界因素改变光纤中的光频率，通过测量光的频率的变化来测量外界被测参数，光的频率调制是由多普勒效应引起的。所谓多普勒效应，简单地讲，即是光的频率与光接受器和光源之间的运动状态有关，当它们之间是相对静止时，接收到的光频率为光的震荡频率；当它们之间有相对运动时，接收到的光频率与其震荡频率发生了频移。频移的大小与相对运动速度的大小和方向都有关，我们测量这个频移就能测量到物体的运动速度。3.1.1光学多普勒频移原理从物理学知光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动、使观察者接收到的光波频率产生变化的现象。如一频率为f的静止光源入射到速度为v的运动物体上时，从运动物体上观测的频率来看，有：多普勒频移基本公式其中c为真空中光速，为物体至光源方向与物体运动方向之间的夹角。但是一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移,而光源与观察者则是相对静止的。对于这种情况可以作为一个双重多普勒频移来考虑。即先考虑从光源到运动物体然后再考虑从运动物体到观察者。双重多普勒频移：物体P相对于光源S运动时，在P点观察到的光频率f1为：f1=f1-(v/c)21/21-(v/c)cos1频率f1的光通过物体P产生散射，在Q处所观察到的光频率f2为：f2=f11-(v/c)21/21-(v/c)cos2联立，并考虑到vc，可近似把双重多普勒频移公式表示为：f2=f11-cos11-cos2图2 多普勒效应示意图其中S为光源,P为运动物体,Q是观察者所处的位置。3.2测量机理它主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。3.2.1激光多谱勒测速系统图3 激光多谱勒测速系统为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。激光多谱勒测速系统原理 激光沿着光纤入射到测速点A上，然后后向散射光与光纤端面的反射或散射光起沿着光纤返回，其中纤维端面的反射或散射光是作为参考光使用。 同时为了区别并消除从发射透镜和光纤前端面反射回来的光，在光探测器前装一块偏振片R，从而使光探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。 于是信号光与参考光起经光探测器进入频谱分析器处理，最后分析器给出测量结果。根据多普勒频移原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段。它的主要持点是空间分辨率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。3.3应用实例分析3.3.1光纤多普勒流速计光纤多普勒流速计是一种频率调制的光纤传感器，可实现物体运动速度的非接触高精度测量，因此在气象观测、工业测量和医疗仪器中得到了普遍应用。根据光的多普勒效应，如果频率为f的光入射到相对于探测器速度为v 的流体上，从流体反射的光频率：，所以频差：。式中、n 分别为介质中的波长和折射率；c是真空中的光束。上式表明了光源、探测器和被测流体都在作相对运动的情况。光纤多普勒流速计就是基于三者的关系通过检测频差f 确定流体的运动速度。光纤多普勒流速计的测量方式按散射光的取法可分为前方散射型和后方散射型。3.3.1.1前方散射型前方散射型是一种透射式的测量方式。目前，在这种方式中应用较广泛的是双光束差动式检测系统。在双光束差动式系统中，激光束被分为强度相等具有一定夹角的两束光，这两束光在相交处产生等距离的干涉条纹，如图4所示。当流体中的微粒越过干涉条纹区时，微粒将产生散射光，散射光信号是干涉条纹强度信号的调制，调制频率f 就是多普勒频移，它与垂直于条纹的速度分量成正比。f 与流体运动速度的关系为：，式中为介质中的光波长； 为两光束间的夹角；Vx为运动粒子垂直与干涉条纹的速度分量。通过使双光束中的一束光先产生频率偏移f，调制频移为：因此只要判断f 大于f还是小于f就能实现速度方向的判别。3.3.1.2后方散射型 后方散射型的工作原理是检测反射光的调制频率。医学上测量血流速度通常就是采用这种类型的光纤多普勒流速计来实现的，血液流速检测工作原理见图。由于血液与光波接触引起反射，反射波中也存在多普勒效应，因此频差f为光源或接收器单独运动的两倍，即:式中是光纤轴线与血管轴线的夹角。激光器发出的频率为fo的线性偏振光经分光器分解成两部分。一部分是被布喇格盒调制成fof1的一束光入射检测器中，其中，f1为声光调制频率；另一束fo的光经过以角度插入血管的光纤入射到被测血流，并被直径为7m 的红血球散射。经多普勒效应频移的反射光频率为fof，它与fof1的光在光电检测器中使用外差检波法形成f1f 的信号。测量出f，就可求得速度v。引入声光调制频率f1并采用外差检波法可实现流速方向的判别。应用数字信号处理的方法，可求得多普勒频率信号的功率谱密度和相关流量值，提高了测量的精度。这种多普勒流速计已应用于薄壁血管、小直径血管的血流测量。采用双光纤的探头以不同的光波长实现不同深度的测量，这样可得到皮肤微循环流速和较深血管的血液流速。作为一般工业流量计，也有 的范围内测量流速的例子。其优点是测量准确度高、分辨力高、可接近目的物、无电感应噪声。缺点是光纤的介入会对流动产生扰动，使后向散射光强度被减弱到1/100的程度。4. 结束语光纤传感器是从20世纪70年代飞速发展的新型传感器。虽然其发展时间还不能和传统的传感器相比,但是,己经在各行各业显示了其重要性和优越性。4.1 光纤传感器较传统的传感器相比有许多持点。 特点： 灵敏度高 结构简单 体积小 耗电量少 耐腐蚀 绝缘性好 光路可弯曲 便于实现远调。 光纤传感器技术是一门多学科性科学，它涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。4.2 应用前景频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。其中的光纤流速传感器具有抗电磁干扰、抗环境噪