光纖稱重(光電課程設(shè)計(jì))

1、利用光纖對(duì)10米外的物體稱重 摘要：文章首先分析了現(xiàn)有的一種基于光彈效應(yīng)的功能型光纖壓力測(cè)量系統(tǒng)的基本原理，在此基礎(chǔ)上提出自己改進(jìn)過后的一種新型的光纖壓力測(cè)量裝置。分析了新測(cè)量裝置的基本原理，并與傳統(tǒng)的測(cè)量裝置進(jìn)行對(duì)比，新裝置具有精度更高，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。文末,也給出了其它常見的基于FP 干涉腔、光纖Bragg 光柵及激光自混合干涉原理的光纖壓力傳感器的簡(jiǎn)要介紹。這些方法均可用于“利用光纖對(duì)10m外物體稱重”問題的解決。一、引言及基礎(chǔ)知識(shí)光纖壓力傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，其基本原理是利用光在光纖中傳導(dǎo)，當(dāng)受到被測(cè)量影響時(shí)光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、相位等參數(shù)會(huì)發(fā)生變

2、化。與傳統(tǒng)的感測(cè)技術(shù)相比，其具有體積小、良好的電絕緣性、不受電磁干擾、易于遙測(cè)、可用于一些條件惡劣的測(cè)量環(huán)境等。把光纖傳感技術(shù)用于壓力的測(cè)量，則構(gòu)成光纖壓力測(cè)量系統(tǒng)。常見的光纖壓力測(cè)量系統(tǒng)主要有基于微彎效應(yīng)、光彈效應(yīng)、FP 干涉腔、光纖Bragg 光柵、OTBR 和BOTBR 等類型?；A(chǔ)知識(shí)：· 偏振光線偏振光，圓偏振光· 光的雙折射（人為光的雙折射）O光，e光· 偏振光的干涉· 光彈效應(yīng)二、現(xiàn)有的光纖壓力測(cè)量裝置分析· 傳統(tǒng)的基于光彈效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng) 圖一如圖所示，當(dāng)光在受到壓力的光彈材料中傳輸時(shí)，光的偏振特性會(huì)發(fā)生改變（光彈效應(yīng)），通過對(duì)輸出

3、光束的檢測(cè)就可以得到壓力的大小。由以上分析可以看出，此類測(cè)量系統(tǒng)屬于非功能型，即光纖在測(cè)量系統(tǒng)中僅起到光的傳輸作用。其傳感元件是光彈材料，目前最常用的光彈材料是Araldite CT200 熱固性環(huán)氧樹脂。此法主要缺點(diǎn)為：光纖僅為傳輸通道，未能有效利用光纖傳感的特性。文（1）中也提到了一種新型的測(cè)量系統(tǒng)。l 功能型光纖壓力測(cè)量系統(tǒng)圖二光纖代替原來獨(dú)立的光彈材料作為傳感元件，即光纖在測(cè)量系統(tǒng)中不僅僅是光的傳輸通道，也是傳感元件。石英玻璃是一種優(yōu)越的光彈材料，而且石英玻璃是一種化學(xué)穩(wěn)定的物質(zhì)，不受濕度變化的影響，對(duì)環(huán)境溫度正常變化的反應(yīng)相比于其他的光彈材料而言也較小。在實(shí)際使用中采用的是單模光纖，

4、單模光纖在外界壓力作用下會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)雙折射光彈效應(yīng)。光纖的這種雙折射將使其中傳輸光波的偏振態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，也即是光波的相位發(fā)生變化。對(duì)輸出光束的相位進(jìn)行檢測(cè)，就可以得到外界壓力的大小。涉及的公式有： 其中，光束波長(zhǎng)；B歸一化的雙折射率，不同的受力方式和大小將產(chǎn)生不同的B 值。側(cè)壓作用下的光纖的B可以近似表示為：式中，r光纖半徑；F光纖受到壓力。光電轉(zhuǎn)換中V與的關(guān)系是：K為常數(shù)聯(lián)立（1）（2）（3）可以從理論上得到F與V的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為： 圖三可見，當(dāng)F小于一個(gè)特定值時(shí)，F(xiàn)與V的關(guān)系近似為線性的分析評(píng)價(jià)：此方法存在一個(gè)光電轉(zhuǎn)換的過程，即將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過測(cè)量電壓間接得到兩束相互垂直偏振

5、光的相位差，再利用光彈效應(yīng)得到側(cè)壓力與電壓的關(guān)系。此法相比于傳統(tǒng)方法有很大的該進(jìn)，將光纖更多元的利用。但是光電轉(zhuǎn)換的過程比較繁瑣，對(duì)設(shè)備的要求也比較高，所以考慮通過利用偏振光干涉達(dá)到測(cè)量的目的，這樣得到的結(jié)果精確度也比較好。三、自己改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置與原理1）裝置結(jié)構(gòu)： 圖四改進(jìn)后的光纖壓力測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)如圖四所示。此測(cè)量裝置由8 個(gè)部分組成：光源、起偏器、/4 波片、單模光纖、偏振分束棱鏡（如洛匈棱鏡）、/2、干涉檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理。其中偏振分束棱鏡可以換成與起偏器偏振方向垂直的偏振片。2）工作原理：激光器發(fā)出的光束經(jīng)過起偏器，獲得線偏振光，再經(jīng)過/4 波片后線偏振光變成圓偏振光（從文（1）中了解

6、到，圓偏振光能夠?qū)文９饫w中各個(gè)模態(tài)進(jìn)行均勻激勵(lì)）；調(diào)制后的光束通過外力作用下的單模光纖，由于光彈效應(yīng)的作用，輸出光束的相位發(fā)生改變；偏振分束棱鏡將兩垂直偏振光（o光和e光）分開，由于振動(dòng)方向相反，有的夾角，所以引入/2玻片，消除附加的相位差。然后兩束光滿足干涉條件，就可以干涉檢測(cè)了。1.激光器發(fā)射恒定的相干光2.單模光纖受到壓力，折射率發(fā)生變化（光彈效應(yīng)）Ne-No=KP （4）(Ne是材料對(duì)e光的折射率，No是材料對(duì)o光的折射率)P=F/S （5）(P為脅強(qiáng);K是非晶體E的脅強(qiáng)光學(xué)系數(shù)，視材料性質(zhì)而定)3.偏振光的分束與干涉 圖七 偏振光的干涉兩束偏振光相位差為：=2d(Ne-No)/+/

7、2+ （6）說明：其中/2相位差是/4玻片產(chǎn)生的；其中為附加的相位差是由于通過偏振分束棱鏡 （或偏振片）的兩束光振動(dòng)方向在一條直線上，但是振動(dòng)方向相反；但是由于產(chǎn)生干涉的條件是振動(dòng)方向相同，振幅相等，有恒定的相位差，所以考慮引入/2玻片，消除振動(dòng)方向相反的影響。引入/2玻片后：=2d(Ne-No)/+/2 （7）聯(lián)立（4）（5）（7）所以 =（2dKF）/（S）+/2 （8）值得注意的是，由于裝置量程有限，可以通過一些簡(jiǎn)單的方法擴(kuò)大量并排多根光纖，如圖五；引入彈簧，如圖六；方法還有很多，此不贅述。 圖五 圖六 3）干涉檢測(cè)（方法多種，此處僅以最簡(jiǎn)單的方法為例說明） 圖八兩縫間距為D，擋板與屏相

8、距L。出現(xiàn)中央明條紋處光程差 =r1-r2=xD/L （9）=/2 （10）聯(lián)立（8）（9）（10）dKF/S+/4=xD/L 即F=(4xDS-SL)/（4LdK） （11）公式（11）就是壓力與光屏上距離x的關(guān)系,可見這是一個(gè)線性的關(guān)系，如果已知激光發(fā)射光束的波長(zhǎng)，光彈效應(yīng)中的K，還有一些距離有關(guān)的待定量，就可以利用X得出壓力F （如果采用多根光纖分散壓力，乘以光纖數(shù)N即可） 注：雙縫干涉只是說明干涉的原理，可以用其他精確的干涉檢測(cè)儀器測(cè)量。4）新裝置的創(chuàng)新點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)： 用光纖光彈效應(yīng)測(cè)量壓力，原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，與原有的方法無(wú)論是在裝置設(shè)計(jì)還是數(shù)據(jù)處理上都有很大的改進(jìn)，新型方法中省去了光電

9、轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可以通過非常精確的干涉儀（文中雙縫干涉只是原理示意），得到較處理電信號(hào)更精確的結(jié)果。此外，就此套光纖稱重設(shè)備而言，在擴(kuò)大量程，提高精確度方面還有待進(jìn)一步研究。四、其他功能型光纖稱重方法小結(jié)：1）F-P干涉腔此類傳感器的微型F-P腔通常由光纖端面和硅膜內(nèi)表面組成, 因?yàn)楸粶y(cè)壓力引起硅敏感膜片變形,從而改變F-P腔長(zhǎng), 通過測(cè)量反射回光纖的干涉光強(qiáng)度可獲得被測(cè)壓力值。多模光纖端面作為FP干涉腔的靜止反射面, 硅膜作為另外一個(gè)可調(diào)反射面,中間為空氣間隙部分入射光被光纖端面直接反射,其余入射光進(jìn)入F-P腔,被硅膜反射后再次進(jìn)入光纖,從而形成FP干涉.硅膜在被測(cè)壓力的作

10、用下產(chǎn)生變形,從而改變F-P腔長(zhǎng), 引起相鄰光束光程差的變化. 因此,通過測(cè)量反射回來的干涉光強(qiáng)度的變化,可得到被測(cè)壓力.2）基于激光自混合干涉的光纖壓力傳感器自混合激光干涉光纖壓力傳感器由激光器、光纖、探測(cè)器三部分組成。光纖末端鍍反射率為70的反射膜。其基本原理是：激光器發(fā)出的光耦合到光纖，并結(jié)合光纖末端的鍍膜端面反射返回到激光器并與激光器諧振腔中的光混合相干，如上圖所示。如光纖上有壓力信號(hào)存在，返回的光信號(hào)的光程將發(fā)生變化，光電探測(cè)器的輸出也將發(fā)生變化。通過檢測(cè)這一信號(hào)，就可以得到要測(cè)的壓力信號(hào)。EDF3)光纖Bragg 光柵壓力測(cè)量裝置布拉格反射（DBR） 光纖激光器由抽運(yùn)源，摻餌光纖（

11、圖中黑色光纖）和寫制在其上的一對(duì)波長(zhǎng)匹配的光纖光柵對(duì)組成,。其中光纖光柵構(gòu)成了激光器的腔鏡, 摻餌光纖構(gòu)成增益腔。激光器輸出的是一對(duì)正交偏振且頻率相同的兩個(gè)簡(jiǎn)并模式, 由于摻餌光纖的雙折射效應(yīng)，DBR光纖激光器工作在正交偏振的雙頻模式下, 其兩個(gè)模式的頻率差即拍頻由下式?jīng)Q定定于：其中為激光器的輸出頻率, 分別為光纖的雙折射率和折射率。理想情況下, 沒有外界影響的處于自由狀態(tài)的光纖本身沒有雙折射, 即拍頻,完全由外界所加應(yīng)力引起的雙折射（擬合關(guān)系見下圖）。當(dāng)在光纖腔上施加一定的壓力時(shí), 激光器就會(huì)輸出相應(yīng)頻率的拍頻, 檢測(cè)拍頻信號(hào)的大小即可得到所施加壓力的大小。五、參考文獻(xiàn)：1 蘭玉文，劉波，羅建花. 基于分布布拉格反射光纖激光器的壓力傳感器A 光學(xué)學(xué)報(bào) 2009.32 吳志偉 一種新型光纖壓力測(cè)量裝置A 傳感器世界 2008.13.朱鈞，趙燕，饒星 一種基于激光自混合干涉的光纖壓力傳感器A 激光與紅外 2007.94.鄧元龍, 趙小麗, 李學(xué)金等基于F-P干涉的強(qiáng)度型光纖壓力傳感器A 2011.15.劉躍輝等光纖壓力傳感器J光電子技術(shù)，200525(2)：1241326 阮迎瀾，向清，黃修德單模光纖應(yīng)力