光纤振动传感器

第一章绪论1.1引言自20世纪70年代美国Corning公司制造出第一根低损耗光纤至今，光纤通信技术从实验室走向产业，迅速壮大，并发展成为年产值逾千亿元、当今信息时代的支柱之一。与之相伴生的光纤产业链的另一个分支——光纤传感技术产业，在经历了由零星研究走向集中开发、由军用步入民用、由单点监测走向分布式网络监测之后，近年来正大踏步地走向产业腾飞之路。随着当今军事、工业、民用等领域自动控制系统的飞速发展，作为系统核心的传感技术在人们的生活中得到了越来越广泛的应用。而伴随对传感性能的不断提高的要求，许多新型的传感器件和方法被不断研制出来。作为传感器件应用的光纤传感器，具备了灵敏度高、动态范围大、不受电磁干扰等突出的优点。在包括强度、频率、波长、偏振调制等多种光纤传感形式当中，相位调制型具有最高的灵敏度，而分布式相位调制型光纤振动传感器则可以实现连续高精度定位传感，具备广阔的应用前景。1.2光纤传感技术简介光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代，那时，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度，也涌现出许多成果。但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈，这使得它在工程上的应用较少。最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破。随着新方法、新工艺不断被引入，大量低价位高性能光纤传感器面世，而光纤与其他学科理论相结合，不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高，而且其应用领域也越加广阔。1.3光纤传感器的应用光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广，其本身产品也不断推层出新，显示出强大的生命力。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将在海洋、化工、土木工程、水利电力等各个领域显示其应用活力。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面：城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。在混凝土中嵌人光纤传感器或加强性光纤凝结物在飞机场用干涉型光纤震动传感器系统监测交通[1][2]。在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电的定子、转子内的温度检测等。由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故[3]。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测[4]手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。医学及生物传感器、医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统、圆锥形微型测量氧气浓度及其他生物参数用探测氢氧化物及其他化学污染物、光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器、生物适应系统应用于海水监测、生化技术、医药。1.4光纤传感技术的发展光纤传感技术及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究显得更为重要。在上述两种典型应用中，光纤传感器起着重要作用，有着突出的优点，但也存在着急待解决的问题(如光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响．组成光纤传感器各部分元件的本身性能对测量精度的影响等)。认真研究光纤传感器的各组成部分元器件的性能(有效抑制光源波动、减小光纤传输损耗)，特别是进一步改进敏感元件的制作工艺及结构、探索新的敏感机理，充分发挥微处理技术和计算机软件功能以改善和补偿光纤传感器的性能，发展数字、集成化和自动化、工程化的新型光纤传感器，研制出适合于网络化应用的光纤传感器阵列及特殊测量要求的新型光纤传感器是今后的研究发展趋势。光纤传感器的发展趋势有如下几个方面：(1)光纤光栅传感网：光纤光栅是最近几年发展迅速的光纤无源器件，它在光纤通信、光纤传感等领域都有广阔的应用前景。光纤光栅是用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化)在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤光器或反射镜。利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无源器件和光纤传感器，例如：光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用器，以及用于应力、应变、温度等参量检测的光纤传感器和各种(简单或复杂的)光纤传感网。目前已有采用光纤光栅测量应力、应变、温度等参量以及构成光纤生物、化学传感器的许多报道，主要内容是如何提高灵敏度，扩大动态范围。提高灵敏度的途径，包括改变包层材料，改变光纤结构，改变光纤成分等。另外，采用光纤光栅构成多参量传感器和光纤传感网也是目前研究热点之一。(2)分布式光纤传感网：分布式光纤传感器是指以光纤为传感介质，利用光波在光纤中传输的特性，给出沿光纤长度方向每一点的被测量值。这是光纤特有的一种新型传感器，它可给出大空间里温度或应力等参量的分布值。例如，一个20kin的分布式温度传感器，可给出20km内每一点(例如每米或每5m)的温度值构成分布式光纤传感器。这里需要解决两个问题：一是传感元件能够给出被测量沿空间位置的连续变化值；二是准确给出被测量的所在空间位置。对于前者，可利用光纤中的传输损耗、模耦合、传播的相位差、非线性效应(例如光波的频移)等给出连续分布的测量结果；对于后者，可利光时域反射技术、扫描干涉技术等给出被测量的所在空间位置。(3)用于智能材料和结构的光纤传感技术：在材料和结构的制造过程中，将传感元件和驱动元件埋入其中，传感元件可对结构的状态参数(如应变、温度、损伤程度等)进行实时测量；驱动元件可对结构状态作必要的调节或控制，可保证结构安全运行并工作在最佳状态。因为这种结构具有一定的“智能，故称为智能结构眨。这种光纤传感器由于具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰电绝缘性好、带宽大等优点，可以同时作为传感元件和传输媒质，并实现多点或分布式测量，因而它是最有前途用于智能结构的传感技术，也是国内外目前研究热1.5本论文研究的主要内容1、光纤传感器的特点和工作原理2、光纤振动传感器的基本原理；3、设计光纤振动传感器，实现声音频谱范围振动的测试。1.6振动传感测量技术研究现状二十世纪初，研究者们就开始对振动测量技术进行探索研究。在他们不断的研究和实践中，振动测量技术逐渐走向成熟，传感测量方法因其独有的优势也逐步发展起来。振动测量主要是测量振动的重要参数，如振幅、频率、速度、加速度及位移等动态参数。将传感器测得的振动信号进行解调并转换为电信号，接着进行信号放大、滤波等处理工作，再将该信号进行分析、显示的整个过程即为动态测量，振动测量属于动态测型。振动测量技术随着工程中对振动监测需求的与日俱增而不断发展，涌现出大量高质量的测量设备和先进的测量方法。目前，振动测量的方法主要包括机械式、电气式和光学式三类。(1)机械式测量方法以杠杆原理为基础，将测得的振动信号放大后直接记录下来。这种测量方法的抗干扰能力较强，但是测量的频率范围较窄，精度较低；多用于测量低频、大振幅振动。(2)电气式测量方法目前应用较为广泛，它是用电量测试仪来测量振动信号。这种测量方法灵敏度较高，但是难以抵抗电磁场的干扰，很难确保生产的安全性。(3)光学式测量方法是采用光学传感器，将振动信号的变化转换为光信号的变化来测量。这种测量方法弥补了机械式测量方法和电气式测量方法的缺陷，具有测量精度高、频带宽，响应速度快、抗干扰能力强、远距离测量等诸多优点。信号的探测、采集和分析是振动测量的核心。计算机技术的飞速发展使信息处理技术有了突飞猛进的提高，数据的采集和处理技术已逐步走向成熟。但是目前在工程中应用较多的振动测量技术主要还是基于传统的机械式测量方法，绝大多数振动测量系统都是采用的电磁类传感器，其灵敏度较低、测量距离短、抗干扰能力差，远远无法满足工程应用的需求，极大地制约了振动测量领域的进一步发展。这主要表现在以下几个方面问：(1)传统传感器的有效输出是由部分被测能量组成的，这使得传感器的输出能量较小、内阻较高且灵敏度很低。(2)有的传感器在使用之前需要先将其调零，这使得传感器的长期稳定性降低。(3)传统传感器的抗干扰能力都不太可观，对常见的随机干扰波都无法起到屏蔽或抑制的作用，并且测量频率范围较窄。(4)传统传感器不能实现测量的智能化。因此，采用新型振动传感器来改善现有振动监测系统中的缺陷是振动测量技术的关键问题。振动测量技术的迅速发展以及工程应用中对高精度测量技术的需求，使得研制高性能的振动传感器来进行振动信号的测量成为必然。光纤传感技术的出现使传感器领域有了突飞猛进的发展，目前国内外研究者们已经成功研制出了很多光纤振动传感器，克服了传统振动传感器的诸多缺陷，具有测量精度高、范围广、抗电磁干扰能力强、适合各种恶劣环境等优点，受到了业内人士的广泛重视。第二章光纤的基本特征1970年华裔科学家高馄博士提出了损耗很低的光导纤维的概念以及美国贝尔实验室指出了可在室温下连续工作的半导体激光器，开创了光通信技术的先河。而作为传输光信号的重要基础媒介—光波导，得到了广泛的关注并取得长足的发展。光纤作为各种光电器件的基础结构，对器件的性能要求起着至关重要的作用。随着光学器件的不断发展，诞生出满足各种需要的光纤。2.1光纤结构和种类：光纤是一种光信号的传输媒介，是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形的。它以光的形式出现的电磁波能量，利用全反射的原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传输特性由其结构和材料决定。光纤的的基本结构是两层圆柱壮媒质，内层是纤芯，外层是包层。最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造材料可以是石英、玻璃或塑料。纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。光纤的最外层是起保护作用的外套。通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。图一光纤结构光波在光纤中传输时，由于纤芯边界的限制，其电磁场解不连续。这种不连续的场解称为模式。光纤的分类方法有很多种。按传播模式的数量可以分为单模光纤和多模光纤。只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，能同时传输多种模式的光纤称为多模光纤。按纤芯折射率分布的方式可以分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。前者纤芯的折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界面处，折射率发生突变；后者折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距离而变化的。按传输的偏振态，单模光纤有可进一步分为非保偏光纤和偏振保持光纤。其差别是前者不能传输偏振光，而后者可以。按制造的材料分，光纤有：（1）高纯度熔石英光纤，其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dB/km，一般小于1dB/km；（2）多组分玻璃纤维，其特点是芯-包层折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为1dB/m；（3）塑料光纤，其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；（4）红外光纤，其特点是可透过近红外（1~5um）或中红外（~10um）的光波；（5）液芯光纤，特点是纤芯为液体，因而可满足特殊需要；（6）晶体光纤，特点是纤芯为单晶，可用于制造各种有源和无源光纤器件。2.