光纤称重(光电课程设计)

1、利用光纤对10米外的物体称重 摘要：文章首先分析了现有的一种基于光弹效应的功能型光纤压力测量系统的基本原理，在此基础上提出自己改进过后的一种新型的光纤压力测量装置。分析了新测量装置的基本原理，并与传统的测量装置进行对比，新装置具有精度更高，结构紧凑的特点。文末,也给出了其它常见的基于FP 干涉腔、光纤Bragg 光栅及激光自混合干涉原理的光纤压力传感器的简要介绍。这些方法均可用于“利用光纤对10m外物体称重”问题的解决。一、引言及基础知识光纤压力传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术的发展而迅速发展的一项技术，其基本原理是利用光在光纤中传导，当受到被测量影响时光的强度、波长、相位等参数会发生变

2、化。与传统的感测技术相比，其具有体积小、良好的电绝缘性、不受电磁干扰、易于遥测、可用于一些条件恶劣的测量环境等。把光纤传感技术用于压力的测量，则构成光纤压力测量系统。常见的光纤压力测量系统主要有基于微弯效应、光弹效应、FP 干涉腔、光纤Bragg 光栅、OTBR 和BOTBR 等类型。基础知识：· 偏振光线偏振光，圆偏振光· 光的双折射（人为光的双折射）O光，e光· 偏振光的干涉· 光弹效应二、现有的光纤压力测量装置分析· 传统的基于光弹效应测量系统 图一如图所示，当光在受到压力的光弹材料中传输时，光的偏振特性会发生改变（光弹效应），通过对输出

3、光束的检测就可以得到压力的大小。由以上分析可以看出，此类测量系统属于非功能型，即光纤在测量系统中仅起到光的传输作用。其传感元件是光弹材料，目前最常用的光弹材料是Araldite CT200 热固性环氧树脂。此法主要缺点为：光纤仅为传输通道，未能有效利用光纤传感的特性。文（1）中也提到了一种新型的测量系统。l 功能型光纤压力测量系统图二光纤代替原来独立的光弹材料作为传感元件，即光纤在测量系统中不仅仅是光的传输通道，也是传感元件。石英玻璃是一种优越的光弹材料，而且石英玻璃是一种化学稳定的物质，不受湿度变化的影响，对环境温度正常变化的反应相比于其他的光弹材料而言也较小。在实际使用中采用的是单模光纤，

4、单模光纤在外界压力作用下会产生诱导双折射光弹效应。光纤的这种双折射将使其中传输光波的偏振态发生相应的变化，也即是光波的相位发生变化。对输出光束的相位进行检测，就可以得到外界压力的大小。涉及的公式有： 其中，光束波长；B归一化的双折射率，不同的受力方式和大小将产生不同的B 值。侧压作用下的光纤的B可以近似表示为：式中，r光纤半径；F光纤受到压力。光电转换中V与的关系是：K为常数联立（1）（2）（3）可以从理论上得到F与V的关系，实验数据为： 图三可见，当F小于一个特定值时，F与V的关系近似为线性的分析评价：此方法存在一个光电转换的过程，即将光信号转换成电信号，通过测量电压间接得到两束相互垂直偏振

5、光的相位差，再利用光弹效应得到侧压力与电压的关系。此法相比于传统方法有很大的该进，将光纤更多元的利用。但是光电转换的过程比较繁琐，对设备的要求也比较高，所以考虑通过利用偏振光干涉达到测量的目的，这样得到的结果精确度也比较好。三、自己改进后的实验装置与原理1）装置结构： 图四改进后的光纤压力测量装置的结构如图四所示。此测量装置由8 个部分组成：光源、起偏器、/4 波片、单模光纤、偏振分束棱镜（如洛匈棱镜）、/2、干涉检测、数据处理。其中偏振分束棱镜可以换成与起偏器偏振方向垂直的偏振片。2）工作原理：激光器发出的光束经过起偏器，获得线偏振光，再经过/4 波片后线偏振光变成圆偏振光（从文（1）中了解

6、到，圆偏振光能够对单模光纤中各个模态进行均匀激励）；调制后的光束通过外力作用下的单模光纤，由于光弹效应的作用，输出光束的相位发生改变；偏振分束棱镜将两垂直偏振光（o光和e光）分开，由于振动方向相反，有的夹角，所以引入/2玻片，消除附加的相位差。然后两束光满足干涉条件，就可以干涉检测了。1.激光器发射恒定的相干光2.单模光纤受到压力，折射率发生变化（光弹效应）Ne-No=KP （4）(Ne是材料对e光的折射率，No是材料对o光的折射率)P=F/S （5）(P为胁强;K是非晶体E的胁强光学系数，视材料性质而定)3.偏振光的分束与干涉 图七 偏振光的干涉两束偏振光相位差为：=2d(Ne-No)/+/

7、2+ （6）说明：其中/2相位差是/4玻片产生的；其中为附加的相位差是由于通过偏振分束棱镜 （或偏振片）的两束光振动方向在一条直线上，但是振动方向相反；但是由于产生干涉的条件是振动方向相同，振幅相等，有恒定的相位差，所以考虑引入/2玻片，消除振动方向相反的影响。引入/2玻片后：=2d(Ne-No)/+/2 （7）联立（4）（5）（7）所以 =（2dKF）/（S）+/2 （8）值得注意的是，由于装置量程有限，可以通过一些简单的方法扩大量并排多根光纤，如图五；引入弹簧，如图六；方法还有很多，此不赘述。 图五 图六 3）干涉检测（方法多种，此处仅以最简单的方法为例说明） 图八两缝间距为D，挡板与屏相

8、距L。出现中央明条纹处光程差 =r1-r2=xD/L （9）=/2 （10）联立（8）（9）（10）dKF/S+/4=xD/L 即F=(4xDS-SL)/（4LdK） （11）公式（11）就是压力与光屏上距离x的关系,可见这是一个线性的关系，如果已知激光发射光束的波长，光弹效应中的K，还有一些距离有关的待定量，就可以利用X得出压力F （如果采用多根光纤分散压力，乘以光纤数N即可） 注：双缝干涉只是说明干涉的原理，可以用其他精确的干涉检测仪器测量。4）新装置的创新点与优势： 用光纤光弹效应测量压力，原理简单，操作简便，与原有的方法无论是在装置设计还是数据处理上都有很大的改进，新型方法中省去了光电

9、转换的环节，直接对光信号进行测量，可以通过非常精确的干涉仪（文中双缝干涉只是原理示意），得到较处理电信号更精确的结果。此外，就此套光纤称重设备而言，在扩大量程，提高精确度方面还有待进一步研究。四、其他功能型光纤称重方法小结：1）F-P干涉腔此类传感器的微型F-P腔通常由光纤端面和硅膜内表面组成, 因为被测压力引起硅敏感膜片变形,从而改变F-P腔长, 通过测量反射回光纤的干涉光强度可获得被测压力值。多模光纤端面作为FP干涉腔的静止反射面, 硅膜作为另外一个可调反射面,中间为空气间隙部分入射光被光纤端面直接反射,其余入射光进入F-P腔,被硅膜反射后再次进入光纤,从而形成FP干涉.硅膜在被测压力的作

10、用下产生变形,从而改变F-P腔长, 引起相邻光束光程差的变化. 因此,通过测量反射回来的干涉光强度的变化,可得到被测压力.2）基于激光自混合干涉的光纤压力传感器自混合激光干涉光纤压力传感器由激光器、光纤、探测器三部分组成。光纤末端镀反射率为70的反射膜。其基本原理是：激光器发出的光耦合到光纤，并结合光纤末端的镀膜端面反射返回到激光器并与激光器谐振腔中的光混合相干，如上图所示。如光纤上有压力信号存在，返回的光信号的光程将发生变化，光电探测器的输出也将发生变化。通过检测这一信号，就可以得到要测的压力信号。EDF3)光纤Bragg 光栅压力测量装置布拉格反射（DBR） 光纤激光器由抽运源，掺饵光纤（

11、图中黑色光纤）和写制在其上的一对波长匹配的光纤光栅对组成,。其中光纤光栅构成了激光器的腔镜, 掺饵光纤构成增益腔。激光器输出的是一对正交偏振且频率相同的两个简并模式, 由于掺饵光纤的双折射效应，DBR光纤激光器工作在正交偏振的双频模式下, 其两个模式的频率差即拍频由下式决定定于：其中为激光器的输出频率, 分别为光纤的双折射率和折射率。理想情况下, 没有外界影响的处于自由状态的光纤本身没有双折射, 即拍频,完全由外界所加应力引起的双折射（拟合关系见下图）。当在光纤腔上施加一定的压力时, 激光器就会输出相应频率的拍频, 检测拍频信号的大小即可得到所施加压力的大小。五、参考文献：1 兰玉文，刘波，罗建花. 基于分布布拉格反射光纤激光器的压力传感器A 光学学报 2009.32 吴志伟 一种新型光纤压力测量装置A 传感器世界 2008.13.朱钧，赵燕，饶星 一种基于激光自混合干涉的光纤压力传感器A 激光与红外 2007.94.邓元龙, 赵小丽, 李学金等基于F-P干涉的强度型光纤压力传感器A 2011.15.刘跃辉等光纤压力传感器J光电子技术，200525(2)：1241326 阮迎澜，向清，黄修德单模光纤应力