光纤振动传感器的研究

第三章光纤振动传感器的研究随着光纤和光电子器件技术研究的不断深入，光纤传感技术得到了突飞猛进的发展。由于光纤传感器的体积小、质量轻、精度高、响应快、动态范围宽、响应快等优点，并且它具有良好的抗电磁干扰、耐腐蚀性和不导电性，所以在很多领域都应用广泛。光纤传感器发展到现在，已经可以探测很多的物理量，给人们的生活带来了极大的益处。其中探测的物理量有电压、电流、加速度、流速、压力、温度、位移、生物医学量及化学量等等。光纤振动传感器就是这些中的一员。光纤振动传感器的出现已有30来年的历史，它是测量振动信号的。最初的光纤振动传感器是采用干涉式的结构[2]，利用振动产生的光纤应变导致干涉仪信号臂的相位发生变化，但这种传感器结构比较复杂，不利于复用。由于振动在自然界、人们生活中及各个重大工程中普遍存在，所以研究人们对振动的测量十分关注。本章将对几种常用的光纤振动传感器的结构设计、信号解调方法所存在问题，进行分析与讨论，继而可以更好的设计新的振动传感器，为设计做好准备工作。3.1几种典型的光纤振动传感器的设计查阅了众多文献资料，归纳了几种典型的光纤振动传感器的结构原理，主要有光强调制型、相位调制型、光纤布拉格光栅波长调制型、偏振态调制型等几种形式。3.1.1相位调制型光纤振动传感器的原理及结构利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为相位调制传感型光纤传感器。由于位相调制传感器具有非常高的灵敏度，它是所有光纤传感器中最为人所知的。一般地说，这种传感器运用一个相干激光光源和两个单模光纤。光线被分束后入射到光纤。如果干扰影响两根相关光纤的其中一根、就会引起位相差，这个位相差可精确地检测出。位相差可用干涉仪测量。有四种干涉仪结构。它们包括：马赫—泽德尔、迈克尔逊、法布里—帕罗和赛格纳克干涉仪，其中马赫—泽德尔和赛格纳克干涉仪分别在水听器和陀螺上应用非常广泛。下面是基于光纤Sagnac干涉原理。A和B是干涉仪的两个传感臂，起到传输光的作用。C是一段被绕成圆环状的光纤，是用来接收或感应外接信息的变化，22光纤3dB耦合器被用来分解和合成干涉光束。注入的光经过耦合器被分为两束，一束光由A到C再到B，最后传回到耦合器中；另一束由B到C再到A，最后传回到耦合器中，两束光相遇产生干涉。光纤Sagnac干涉振动传感器，是以光学Sagnac干涉仪为基础，利用单模光纤和3dB耦合器构成。该传感器能够探测微弱振动[4]，当信号在固体中传播并作用于传感器的敏感元件时，传感器的输出光强度受到了信号的调制。通过检测输出光强度，并利用Fourier变换，获得信号的频率特征。3.1.1Sagnac光纤传感器原理示意图3.1.2光强调制型光纤振动传感器的原理及结构首先，介绍一下强度调制的机理。强度调制传感器一般与位移或其他物理扰动相联系，这种扰动与光纤发生作用，或与连接于光纤的机械调制器作用，引起接收到的光强发生改变。强度调制型光纤传感器的种类很多。根据对信号光调制方法的不同，可以分为外调制型（调制区域在光纤外部），也称传光型，及内调制（调制区域为光纤本身），也称传感型。传光型有可分为反射式和透射式；传感型包括光模式功率分布型、光吸收系数调制型和折射率强度调制型等等。目前，改变光纤光强的办法有以下几种形式。如改变光纤的耦合条件，改变光纤的歪曲状态，改变光纤中折射率的分布，改变光纤对光波的吸收特性等等。总之，光损失可以是由于以下因素而引起：透射，反射，微小弯曲或吸收，散射，荧光等。在光纤通信中，光纤耦合技术成熟的基础上，蒋奇、隋青美等人研制成功了一种全光纤器件的高性能耦合型光纤声振动传感器，以其测量带宽，灵敏度高，解调、制作成本低，使用简单等优点，受到很多人的关注[5]。为使单模光纤耦合器可作为传感器应用，研究人员分析了单模光纤耦合传感器的敏感机理，根据传感器耦合输出与传感器耦合区长度及耦合区振动频率存在一定的关系这一原理，可以制成光纤振动传感器，实现振动的检测。图3.1.2熔锥形光纤耦合器结构示意图当入射光P0进入输入端时，随着两个光波导逐渐靠近，两个传导模开始发生重叠现象，在双锥体结构的耦合区，光功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则是由“耦合臂”传到另一光路。耦合器两输出端的输出功率之差与激振源的振动加速度成线性关系。因此，可以通过测量耦合器输出功率的变化，求出传感器加速度的值，实现对振动的测量。此类传感器对应变的响应非常灵敏,耦合比的线性关系良好,且温度漂移影响可以稳定在0.5%以内。与压电振动传感器的测试对比,该传感器可更好地实现0～50Hz低频和4kHz高频振动检测。由于耦合型传感器受制作工艺，外界干扰等影响，传感器耦合输出比的控制，主要在人工拉锥过程中通过观测光谱仪来实现。而现在对于耦合区的长度和截面形状还不能有效的控制，这样导致了不同的光纤传感器的物理性能相互差异较大，保持光纤耦合器性能的一致性是目前要克服的。所以，耦合型光纤传感器可基本实现对应变和振动参数的检测,但如果面向实用化的话，还要考虑到制作工艺、耦合区材料、结构本身等多重因素的影响。3.1.3波长调制型光纤振动传感器的原理及结构波长调制传感原理为被测场/参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化量来确定被测参量。由布拉格中心波长b的数学表达式3.1.3，通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息[7]，这个过程是光纤光栅的传感原理。Tneff2b（3.1.3）式中，纤芯的有效折射率是effn，T为光栅的周期。由3.1.3方程可知，b是由光栅周期，反向耦合模的有效折射率决定的。其中，任何能使得这两个参数发生变化的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。在所有引起光栅布拉格波长漂移的外接因素中，最直接的是应变参数的改变。进而，这种新型的、基于波长漂移检测的光纤传感器机理被得到了广泛的应用。光纤布拉格光栅具有成本低、体积小、抗电磁干扰、可靠性高等优点，特别适用于辐射性、强磁场、腐蚀性或危险性大的环境中物理参量的测量，是目前最具发展前景的一类光纤传感器。目前国内外已有不少光纤光栅振动传感器的报道，主要采用了机械悬臂梁结构设计[6]。但是，由于机械悬梁臂一般都是由金属材料制作而成，其固有的热胀冷缩导致了悬梁臂对温度的交叉灵敏度，成为了该类传感器发展的屏障。为消除对振动的交叉敏感性，现主要采用、机械补偿结构设计以及参考光纤光栅等技术方法。但这些方法比较复杂，结构不易加工。下面介绍研究者设计的一种光纤光栅振动传感器[8]。它是由机械悬梁臂一端固定在封装壳上，与待测的物台连接。在测量振动时，振动源和物台同时振动，而引起悬梁臂振动。两个相同特质的光纤光栅，一个安装在悬梁臂下表面的对称位置作为信号解调光栅，另一个安装在机械悬梁臂的上表面上作为传感光栅。由振动惯性力的作用下悬臂梁发生机械振动，带动两个光栅产生周期性的应变拉伸或收缩，从而引起FBG的布拉格波长发生变化，通过探测波长的信息前后是否一致，就能实现振动测量。图3.1.3.1光纤光路图图3.1.3.1是光纤光栅传感器的光路原理图。光通过2×2光纤耦合器，送到传感头1上。之后，反射光信号返回又经2×2光纤耦合器，经过传感头2上，传感头2的透射光强经光电转化，由光信号转换为振动的电信号，此时传感头2的作用是用作传感头1的光波长滤波器，将传感头1的波长改变转化成为光强信号变化。3.1.3.2此传感器的原理图此光纤光栅振动传感器特点是用一种新的简单易行的解调技术，可以有效消除光纤光栅敏感信号的啁啾现象，有效减弱传感器的温度交叉敏感的问题，振动测量精度有显著的提高。3.2光纤振动传感器信号的解调技术信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。信号解调是光纤传感器实用化所面临的关键问题之一[9]。目前常用的适用于干涉型光纤振动传感器和光纤光栅振动的解调方法不同。下面分别对其作出讨论。3.2.1相位型光纤振动传感器的解调方法光纤干涉型振动传感器的信号处理直接会影响到测量的精度、分辨率及动态范围等因素。能形成干涉的方法有很多，所以用于光相位解调的干涉结构也有很多。目前主要有双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法和环形干涉法。而其中最常用且技术最成熟的是双光束干涉法。光纤传感中的通常使用的双光束干涉有马赫-泽德型光纤干涉仪和迈克尔逊（Michelson）型光纤干涉仪（如图2-1）两种。在探测和处理方面，由于后者在信号探测时有比较大的回波干扰，所以光纤传感领域中马赫-泽德型干涉解调方式得到了更为广泛的推广和应用。图2-1迈克尔逊型相位调制型光纤传感原理图无源零差解调方法原理是光路设置来实现正交偏置的开环解调方法。此技术关键的使用是找到获取正交信号的电路方法，也叫作被动零差解调方法。零差检测法相原理是对一个频谱比较复杂的信号进行滤波，提取出两个低频的信号，然后重新合成为一个新的信号，该信号的相位就包含了被测量的信息。合成外差解调法的原理与与零差检测法相似，只是合成外差法采用本振信号混频。该解调方法的优点是对光信号的幅度波动和偏振态变化不敏感。3.2.2波长调制型光纤振动传感器的解调技术波长解调技术在光纤振动传感器解调技术中被广泛应用。它将测量的信息进行波长编码，不必对光纤连接器，光源输出功率起伏，耦合器损耗进行补偿，操作较为简单。下面对光纤光栅振动传感器的解方法做进一步的讨论。如图3.2.2.1，在传感过程中，信号的解调可分为反射式及透射式，反射式的传感解调系统比较容易实现。过程是光经连接器进入传感光纤光栅，传感头在外接因素变化的情况下，对光波进行调制；由传感光栅透射（或反射）信息的调制光波，探测器接收连接器传入的信息解调并输出。图3.2.2.1信号解调目前比较应用较多的主要波长移动检测方案有以下几种：可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，CCD分光仪检测法，波长可调谐光源解调法等[10]。边沿滤滤解调检测方法是基于光强检测，适用于动静态测量，由式可知测量范围与探测器的分辨率成正比。此方法的特点是能够有效地抑制连接及微弯干扰、光源输出功率的起伏等不利因素，采用了较好的补偿措施，而且系统反应灵敏，价格较低，使用方便灵活，并且在几个m测量范围内，系统具有几十个的高分辨率。3.2.2.3边沿滤滤解调示意图光谱仪和多波长计检测法是对波长移位常用的检测方法，在光纤光栅传感系统中。利用ASE光源如发光二极管LED，光输入光纤光栅，再用多波长计检测输出光的中心波长移位，如图3.2.2.2。此方法结构简单，并且经久耐用，易于使用和自动测试等优点，常常被使用。3.2.2.2光谱仪和多波长计检测法图所示为边缘滤波器的线性解调原理，输出光强的变化量与波长漂移量成正比，此滤波函数可表示为)()(0AF（3.2.2.1）从传感光栅包含波长移位调制的光信号分成两束，分别送到两个不平衡的滤波器中，之后两光强相除，最后只含有波长位移的信息数据。从光纤Bragg光栅返回的光均匀分为两束，一束作为参考信号被送入探测器；另一束通过滤波函数为上式的线性滤波器，再送入探测器，反射光是谱宽为的Gaussian分布[11]，则接收到的光强分别为)(2100sBRAII（3.2.2.2）RIIR021（3.2.2.2）SI为信号光强，RI为参考光强。由式可见，与测量值有良好的线性关系，就可计算出动态的值。