现代传感技术

《现代传感技术》文献姓名：廖雅萍学号：08090513111班级：物联网1311、传感技术是现代信息社会的神经中枢,光纤传感则是一种新兴的现代传感技术,由于它具有灵敏度高、响应速度快以及抗干扰、抗各种恶劣条件等一系列优点而成为传感领域的姣姣者,因而在光学与光电子学科中占有重要地位。光纤传感划分为非功能型和功能型两大类:前者简单易行、无需特殊技术,因此巳被广泛研究,并有相当数量进入实用化;功能型传感则要求条件苛刻,多数仍处于研制阶段,但因其具有极高灵敏度,属于高性能传感类,故仍为光纤传感的主要发展方向。文中以表格形式概要列示了这两类光纤传感的基本状况,表明光纤传感有广泛应用前景。光纤传感器今后的发展趋势是:加速光纤传感器的实用化进程;大力开展光纤传感技术的集成化研究;积极开展多功能光纤传感及其网络化研究,以及不断推出新型光纤传感器并开拓新的应用领域等。2、干涉型光纤传感器和传统传感器相比具有灵敏度高、灵活多样、测量对象广泛等优点，在传感领域被广泛应用。本文研究和设计了一系列新型偏振相关内嵌式光纤Mach-Zehnder干涉器件，并实验验证了其在传感领域中的应用，主要研究内容有：1、系统阐述了内嵌式光纤Mach-Zehnder干涉仪的研究状况，按照制作方法对其进行了分类，对每种类型的优缺点作了简评。结合光纤模式间干涉的基本理论，研究了内嵌式光纤Mach-Zehnder干涉机理。2、提出了一种偏振相关内嵌式保偏光纤Mach-Zehnder干涉仪。通过纤芯错位法对保偏光纤高阶包层模进行均匀激发，利用保偏光纤快慢轴偏振模分量对应的纤芯模与包层模之间的干涉组成偏振相关Mach-Zehnder干涉仪，优化了其制作工艺并讨论了其优良的传感特性。3、提出了一种偏振相关内嵌式光纤Mach-Zehnder干涉型二维微位移传感器。将一段单模光纤沿保偏光纤快慢轴45o角方向错位熔接，另一段错位对接不熔接。通过监测保偏光纤快慢轴偏振模对应干涉条纹对比度随纤芯偏离程度的变化，可以测量沿保偏光纤快慢轴方向的二维微位移。实验结果表明，该传感器在快慢轴方向的灵敏度分别为-0.301dB/μm和-0.669dB/μm。在此基础之上，提出了一种新型熔锥技术，用该熔锥方法与纤芯错位技术结合获得的微位移传感器灵敏度达到-1.89dB/μm。4、提出了一种偏振相关内嵌式光纤Mach-Zehnder干涉型曲率传感器。两单模光纤均沿保偏光纤快慢轴45o角方向错位熔接。通过监测保偏光纤快慢轴偏振模所对应的干涉光谱条纹对比度变化来实现曲率传感。实验结果表明，该传感器在0-0.35m-1的测量范围内获得了0.882dB/m-1的灵敏度。同时应用差分算法后，温度变化和光源抖动对测量结果的影响分别降低了94%和91%。3、高强度聚焦超声(highintensityfocusedultrasound,HIFU)技术是一种将超声波聚焦到病变组织内,利用超声波的热效应、空化效应、机械效应等作用使焦点处靶组织发生不可逆性凝固性坏死,且不损伤周围正常组织的非侵入式的肿瘤治疗手段。HIFU技术近年来发展十分迅速,已经成为声学和医学领域的研究热点。在HIFU技术日益发展的同时,也面临着巨大的挑战,如何准确的测量HIFU声场的声能量分布以及有效消除呼吸运动在HIFU治疗中的影响是该技术发展的两个关键问题。本文针对现有的声场测量技术无法实现的在高声压下对HIFU声场进行测量和分析等问题,提出一种基于Parylene膜的法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)型光纤水听器,该水听器结构简单,灵敏度高,可用于高声压下HIFU声场的测定。首先分析了高强度聚焦超声声场的特点,对现有的几种HIFU声场检测技术进行比较后,提出采用光纤传感技术来实现HIFU声场的测量,光纤传感器具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强、敏感面积小、重复性好等优点。在分析光纤超声传感器的种类和特点基础上,通过比较传感的光纤类型,最终选定基于F-P型光纤传感器的高强度聚焦超声声场测量系统设计方案。设计并制作了一种用于HIFU声场测量的端部镀有Parylene膜的F-P型光纤水听器,对该光纤水听器的传感原理及对HIFU场的声压的解调原理进行了分析。利用基于Parylene膜的F-P型光纤水听器,搭建起测量HIFU声场的实验系统。实验结果表明基于Parylene膜的F-P型光纤水听器能准确传感超声信号,其输出与换能器驱动电压的非线性度小于0.01,与PVDF针式水听器对聚焦声场的测量结果基本一致。本文针对在常规的HIFU治疗中,呼吸运动引起的脏器组织位移从而影响辐照靶区定位精度及治疗的安全性问题,提出一种利用呼吸门控技术提高HIFU治疗靶点定位精度的方法。利用压阻式微型呼吸传感器,设计了基于呼吸门控技术对HIFU治疗靶点进行控制的实验系统。进行了动物实验,与用常规HIFU治疗方法的定点辐照对比,检测凝固性坏死的情况。实验结果表明,该方法能够有效消除呼吸运动引起组织移位对靶区定位造成的影响,能更精确定位治疗靶区。4、混沌激光以其宽带性、随机性和类delta函数的特性被广泛应用于保密通信、传感、测距领域。掺铒光纤激光器因其低阈值、高功率、精密化、高兼容性，加之工作波长处于光纤通信的最低损耗窗口等特点，作为一种目标光源成为研究的热点。因此，利用掺铒光纤激光器研究混沌激光光源的特性，在光纤传感、系统检测、光通信、医学等领域具有潜在的应用价值。由于复杂的材料特性以及地域条件的特性，静冰压力的检测及其技术成为冰力学研究的一个难题。光纤Bragg光栅具有低损耗、抗干扰、抗腐蚀、分布式测量、多参数敏感以及适于危险环境等优点，已成为智能材料系统、结构健康检测研究和应用中最具开发潜力的敏感元件之一，在军事、电力工业、环境监测、生物医学和民用工程领域均具有广泛的应用前景。本文利用混沌激光的自相关原理，以光纤Bragg光栅(FBG)为敏感元件，设计了基于掺铒光纤混沌激光的Bragg光栅压力传感系统并从掺铒光纤激光器混沌激光的产生、压力检测方法、温度补偿，静冰压力应用等方面进行了理论和实验研究，并获得了静冰压力随光纤Bragg光栅中心波长变化量的关系。论文的主要研究工作如下：1.以掺铒光纤激光器基本工作原理为基础，阐述了掺铒光纤激光器产生混沌的基本原理和腔型结构。从理论上系统研究了基于非线性克尔效应原理掺铒光纤激光器混沌激光产生机理并进行了数值模拟。搭建了掺铒光纤激光器实验装置，验证了混沌激光的产生，实验结果表明，通过调节掺铒光纤环腔内的偏振控制器和泵浦电流可实现掺铒光纤激光器倍周期的输出且通过倍周期路径进入混沌状态。实验结果和数值模拟结论基本吻合；2.依据光纤Bragg光栅的耦合模传输理论，详细的介绍了光纤Bragg光栅传感的基本原理。基于光纤Bragg光栅实现传感的条件，研究了可调谐多波长掺铒光纤混沌激光器的输出特性并通过腔长来增强非线性效应改善了混沌激光的自相关特性。基于混沌激光的自相关特性和光纤Bragg光栅的传感特性，提出利用4个相同弱反射的光纤Bragg光栅作为敏感元件，通过对参考混沌信号和光栅反射混沌信号的相关峰来对每个光栅进行准确定位,实现对多点压力的定位检测。设计了基于掺铒光纤混沌激光器的光纤Bragg光栅传感压力检测系统从理论上研究了该系统的的检测原理并进行了数值模拟。搭建了基于掺铒光纤混沌激光的光纤Bragg光栅压力传感系统的实验装置，利用该实验装置对多点压力定位检测进行了模拟检测试验；模拟检测试验结果和数值模拟计算结论相似，证明了该模拟试验系统有效可行；3.根据铂热电阻Pt100阻值温度呈正相关系以及其高低温下工作稳定的特点，设计了以铂热电阻Pt100作为温度敏感元件、MSP430单片机为数据处理中心的高精度温度检测与补偿电路，实现了温度采集与补偿处理的智能化。通过实验研究表明该系统温度的测量误差≤0.1℃。此系统采用低功耗设计原则，适用于低温以及无工业供电的复杂环境中的试验研究，为工业推广应用奠定了基础；4.利用掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅传感系统对实现静冰压力的实时在线检测进行了应用研究。设计了可精确定位的静冰压力光纤传感检测实验装置，在对静冰压力检测实验过程中通过温度补偿，获得了温度为10℃～3.5℃范围内，静冰压力随光纤Bragg光栅中心波长变化的关系，为实现工程现场静冰压力的实时在线检测及工程应用传感设备的研制提供了一种新的实现途径。5、光纤传感正在向着网络化、智能化的方向发展。本论文结合北京交通大学科技专项基金资助项目“光纤传感预警系统的研究”,以实现实用化的大型智能光纤传感系统为目的,针对相干FBG组传感系统、MZI光纤传感系统以及光纤传感信号的自动识别等进行了深入的理论和实验研究,获得的创新性成果如下:·深入分析了相干FBG组传感系统的性能。采用改进的耦合模理论及Rouard算法,分析了光栅初始相位对相干FBG组透射谱的影响;推导得到估算相干均匀及啁啾FBG组FSR的简单公式,与复杂的数值仿真结果有较好的一致性;推导得到相干FBG组测量时变信号的频率极限条件;采用增大距离的方式减敏,准确解调振动信号频率,在100Hz至15000Hz频段测得频率与压电陶瓷传感器一致,高频响应性能优于压电陶瓷传感器;从相位波动及频率分布角度研究激光器线宽对相干FBG组传感灵敏度的影响,理论和实验分析得到当激光器全高半宽FWHM小于相干FBG组FSR的1%时,可以获得较好的传感效果。·构建了3×3耦合器解调与互相关定位相结合的双向MZl分布式光纤传感系统,对其传感及定位性能进行了深入分析。对3×3耦合器非理想特性及采集卡采样速率和非同步性可能引入的解调误差进行了深入分析;通过观察支路波形单周期极值点个数,采用波动范围较大的信号进行预校正,降低了解调误差;提出用于估计干涉信号最高频率的经验公式;结合双向MZI传感系统结构特点,将互相关运算限制在较短的时间序列范围内,减少了计算量;通过对比实验,采用滑动均值滤波降噪,并对互相关函数进行归一化、周期化及最小化处理,提高了定位准确性。·实现了光纤传感信号的自动识别。对相干FBG组及光纤MZI传感器的具体结构进行了设计,分别针对微弱振动信号及强干扰信号,采用缠绕法、平面法、特殊材料涂覆光纤及弹簧隔离法、整体隔离法等设计光纤传感器,提高了对目标信号的识别能力;通过提取信号最大幅度、有效电平、振铃计数、脉冲计数、事件计数、持续时间等参数,对信号进行傅立叶谱分析、AR谱分析、时频分析,并对不同参数及频谱分析结果再进行分布统计分析,实现了多角度的信号物理特征提取,应用于列车区间定位、列车计轴、围栏破坏性行为监测、管道破坏性行为监测等场合,实现了各种不同目标信号的特征提取;采用基于Fisher准则的线性判别函数,实现了基于相干FBG组传感系统的列车区间空闲或占用的自动识别;采用LMBP人工神经网络,实现了基于3×3耦合器解调的MZI传感系统的围栏破坏性行为的自动识别。6、表面等离子体共振技术(SurfacePlasmonResonance,SPR)以其对外界介质折射率细微变化极其敏感的特性，近年来在传感领域的应用日趋广泛，并得到了飞速的发展。将高灵敏度的表面等离子体共振技术与低传输能量损耗的光纤技术相结合的光纤表面等离子体共振传感系统，具有灵敏度高、分辨率高、传感器体积小、适用测量环境广以及可实现实时在线测量等诸多传统传感器件无法比拟的优势，现今已在生物化学、工程制造、石油石化、食品医疗以及环境监测等领域有着重要应用。本文详细介绍了表面等离子体共振传感技术以及光纤物理原理，系统阐述了光纤表面等离子体共振传感技术的传感原理、结构模型、研究现状和应用前景。基于光纤表面等离子体共振传感模型，利用理论分析和软件仿真相结合的方法，通过对反射光谱的系统分析，查明影响光谱特性的金属膜材料、金属膜厚度、入射角度、纤芯折射率等主要因素，并归纳总结响应规律。通过大量的仿真研究得知，金属膜材料对光纤表面等离子体共振反射光谱有较大影响，综合考量分析，使用金和银作为金属膜材料，可得到较好的传感器灵敏度、