1、第 1 页 共 47 页光纤加速度传感器的设计与探讨摘要 本文设计了一种反射式光强调制型光纤传感器(RIM-FOS)，用于测量低频振动加速度信号。由于只采用一根单模光纤用于发射和接收，使整体结构紧凑小巧且在一定条件和范围内使其数学模型相对简练，通过数字和线性化处理可不失真地实时输出低频振动加速度信号。此传感器具有信号失真小、对初始位移漂移不敏感的特点。本论文首先介绍了光纤传感器和光纤加速度计国内外的发展状况，指出利用光纤传感是当今加速度计的研究热点。本论文在第二部分从不同方面详细介绍了反射式光强调制型光纤加速度计的基础理论，并由此提出了一种新型的加速度计测量方案。本文在其他部分还详细介绍了系统
2、的具体设计与实现，包括对系统光源、光电探测器等器件的选择、系统硬件电路和软件模块的设计等。在硬件设计中通过单片机进行数据的采集、处理，同时采用 12 位的 A/D 和 D/A 转换器，确保有足够的测量精度。软件设计采用结构化程序设计方法，完成了数据的输入、存储、处理、输出等功能。关键词：光纤，加速度计，光强调制，动态测量，线性化第 2 页 共 47 页Fiber acceleration sensor on the design and discussionAbstract A reflective intensity modulated fiber optic sensor is desig
3、ned. It can be applied in the measurement of low frequency vibration acceleration.The configuration is compact and delicate for one single module fiber being used to send and receive.Its mathematic former is brief for certain conditions and ranges.By means of number and linearization processing, a r
4、eal-time and undistorted low frequency vibration acceleration signal can be given out. The characteristic of the sensor is undistorted and unsensible to static drift of the initial distance.The global development of the optic fiber sensor and accelerometer is explained firstly，it is proved that opti
5、c fiber sensor has been a hot study focus in many scientists eyes.In second part of this paper,base theory of the fiber optic accelerometer is presented in details， according to the principle of reflective intensity modulation,a new experimental scheme is described. In other parts of this paper, the
6、 design of the system is described in detail，including the selection of system device the design of systematic circuit and software. In the hardware design a single chip computer is used to acquired and process the data.Using 12 bitsA/D and D/A converter renders certain the systems measurement preci
7、sion. The softwares design uses modular method to accomplish the systems functions,including data input, storage, manage,output etc.Keywords:Fiber, accelerometer, Intensity modulation, Dynamic measurement, Linearization1 绪论11 课题背景及来源利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态等参数发生变化，从第 3 页 共 47 页而对外界因素进行计量和数据传输的技术称为光纤
8、传感技术。光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、通讯电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。1966 年英国的 K.C.Kao， G.A.Hockpam1等人首先提出了用玻璃纤维传输光信息，奠定了光纤通讯和光纤传感技术的理论基础，引起了学术界和实业界的极大兴趣，也推动了光纤制造工艺的研究和发展;1970 年美国康宁公司研制成功世界上第一根实用化传输的石英光纤(损耗为 20 dB/km)，随后在短短几十年内光纤通信迅猛发展成为通信领域的主导产业之一，同时光纤作为一种新的物性型敏感元件在非通信领域的应用
9、也日益受到人们的重视。在光纤通信系统中光纤作为远距离传输光信号的媒介，但在实际的光传输过程光纤易受到诸如温度、压力、电场和磁场等环境因素的影响，从而导致光波的光强、相位、频率和偏振态等参量发生相应的变化，如图 1.1 所示。图 1.1 光纤传感技术原理示意图也就是说，光纤这种材料本身不需要任何中间级就能把待测信号与在光纤内传输的光波联系起来，这样它就构成了全新的直接信息交换的基础，通过对载有待测信号的已调制光波的检测与解调可以恢复出引起光波参数变化的外界待测信号，从而演绎出光纤传感这门新技术。 12 课题研究的现状从 20 世纪 80 年代初开始，一些发达国家开始将激光和光纤传感器技术用于惯性
10、导航系统的另一个重要敏感元件加速度计，开始出现了若干方案的激光加外界因素:温度、压力、应变电场、磁场等温度、压力、应变电场、磁场等入射光波的表征参量：振幅、相位、偏振态等入射光波 出射光波（光纤光纤传感器敏感调制区）第 4 页 共 47 页速度计。由于激光加速度计的工艺复杂、成本高，加上光纤传感技术的迅速崛起，因此近年来国内外均将注意力集中于研制光纤加速度计上。可以期望，光纤加速度计将与光纤陀螺一起构成以光纤传感技术为主的惯性导航系统。加速度的测量在许多领域都有广泛的应用，尤其是近年来由于新技术的发展，测量加速度的要求在精度和数量方面都在急剧增加。例如，在航空航天领域，可用于导弹的制导、飞机的
11、导航、人造卫星的姿态控制和国际空间站低频加速度的测量等;在汽车工业，为了确定汽车本身的缓冲性能，主要用于悬浮系统、预刹车系统、牵引系统、驾驶系统和安全系统;在电厂，可实现对大型电器设备的遥测，如发动机、变压器等内部机组的测量;对建筑、桥梁、发射塔、火箭等，需要较好的重力因子和较少的负载材料;复杂而灵活的部件要求不同系统间的机械作用相互隔离 ;我们的生活环境与桥梁毁坏、电梯倒塌和多种灾难有关，所有这此都需要精密的低频振动和加速度的环境信息。传统加速度计采用机电方法，如石英挠性加速度计，测量质量块的惯性力或位移;光纤加速度计则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。后者与前者相比，不但具有抗电磁
12、干扰的无与伦比的独特优点，而且体积小，质量轻，动态范围宽，精度高，能在恶劣环境下工作，因此倍受国家军事与商业领域的青睐，各种可实用的光纤加速度传感器不断涌现。本课题将重点介绍对反射式光强调制型光纤加速度传感器的研究。13 课题研究的目的和意义光纤加速度计是一种光一机一电技术一体化的新型惯性系统，其显著特点是抗干扰能力强、灵敏度高、动态范围大。它是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，能在多种环境条件下测量振动信号加速度的光纤传感器。光纤加速度计的研究很早就受到各国的重视，特别是在惯性导航领域中显现出更大的优势。随着相关领域技术的进步，光纤加速度计在军事和民用领域的应用越
13、来越广，因此对光纤加速度计的研究已成为研究开发的热点。2 反射式光强调制型光纤传感器21 反射式光强调制型光纤传感器的概念在强度调制型光纤传感器中，反射式强度调制型光纤传感器(Relective Intensity Modulated Fiber Optic Sensor，以下简称 RIM-FOS )是最基本的一种。它第 5 页 共 47 页是利用光纤与光学系统相对耦合及电路信号处理技术获得测试输出，不仅具有结构简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点，而且可适用于位移、转角、应变、压力、振动、温度、表面粗糙度等多种物理量的测量。因此，到目前为止，反射式强度型光纤传感器己经在光纤传感领域中占据
14、了十分重要的地位。反射式强度调制型光纤传感器的研究始于 20 世纪六、七十年代 2，在八十至九十年代初成为了光纤传感领域研究的一大热点，这期间召开的主题为“Fiber Optic and Laser Sensors”的国际会议上，几乎每次都有关于 RIM-FOS 的研究与应用的论文，并且主要集中在改进和创新传感器结构、改善传感器的测量精度和扩大应用范围等方面。然而近几年来，反射式强度型光纤传感器的研究似乎被认为是“其理论上的问题已基本解决” 、 “技术上已接近成热” ，其中最直接的一个现象是有关这方面的研究论文急剧减少。但是我认为，虽然 RIM-F0S 的研究属于一个比较传统的话题，但同时也是
15、一个非常值得继续深入研究的课题。关于 RIM-FOS 的理论、技术及其应用方面还有许多需要深入研究和继续完善的地方。此外，要进一步扩大其在工业测量的应用范围、促进 RIM-FOS 的系列化和实用化，还有许多工作要做。一方面，目前关于 RIM-FOS 强度调制特性的数学建模研究尚不深入。即使有不少相关的研究报道，然而这些建模研究的过程中还存在许多问题，如模型所依据的假设或所做的近似存在某些不合理性或假设的条件脱离实际、一些对强度调制特性产生重要影响的因索(如反射而倾斜因子和形状因子)被忽略，等等。而更大的问题还在于这些数学模型都彼此独立、互不关联，更不具备系统性和完整性的要求。另一方面，尽管 R
16、IM-FOS 的优点很多，但是测量精度和稳定性受到很多因素的影响。由于这种传感器测量的是绝对光强，光信号通道中被传输的光强很容易受到各种影响而发生变化，从而引起测量误差。特别是光源功率的波动、被测物体表面反射率的不同，以及光在光纤中传输损耗(包括本征损耗和弯曲损耗)的改变，都会造成很大的测量误差。因此，在测量精度和稳定性要求较高的情况下，必须采用某种形式的补偿，以减小或消除上述因素带来的影响。可以肯定地说，RIM-FOS 仍然是一类有着广泛应用前景的光纤传感器。虽然这种传感器的灵敏度和精度还比不上干涉型传感器，但对大多数的工业测量应用第 6 页 共 47 页已经足够。而且它结构简单、价格低廉，
17、对测试环境的要求不苛刻。此外，从工程应用上讲，采用相应的强度补偿等措施后，测量精度能够得到较大的提高。我们可以大胆地预测，今后关于 RIM-FOS 的研究将主要集中在多参量测量的方法以及交叉敏感问题的克服、新型传感器结构的设计、为提高测量精度和稳定性而进行的补偿方法的改进、创新，以及新的 RIM-FOS 应用领域拓展等方面。22 反射式光强调制型光纤传感器原理反射式强度调制型光纤传感器检测通过从物体表面反射又被光纤接收的光强信号的变化来探测反射物的角度、位移、频率等变化量，并以光功率变化状态来表征。通常由光源(如 LD , LED)、光纤传感探头和作为光电转换元件的光接收器(如 PD, PIN
18、)组成，光纤传感探头则由发射光纤和接收光纤组成。自发射光纤中射出的光束经过受外界信号控制的反射面反射后，直接或经过转换光学系统进入接收光纤，外界信号通过控制反射面相对接收光纤入射端面的线位移或角位移使进入接收光纤的光束受到切割，从而对光纤中的光强进行调制。光纤加速度计的工作原理如图 2. 1 所示。其基本原理是在上下两根压紧的刚性较大的弹簧中间悬挂一个质量块，质量块中心处固定一块反射镜，选用商售的光纤连接器(FC 型) 的插针，沿传感器轴线与传感器外壳固定在一起，使光纤垂直对准反射镜表面，外壳与被测物体表面紧密相连。输送光纤端面射出的成圆锥型光束经反射后，中心部分的光强进入接收光纤。当以一定规
19、律改变这种耦合关系或状态时 ,即对所传输的光进行了调制。当被测物体振动时，即在加速度 a 的作用下，质量块在加速度方向上相对传感器壳体运动，反射镜表面与光纤端面之间的距离也随着变化，从而光纤所接收到的光强发生变化，其变化规律能反应加速度的大小。第 7 页 共 47 页图 2.1 光纤加速度传感器简图23 反射式光强调制型光纤加速度传感器的系统构成光纤加速度计是一种光一机一电技术一体化的精密元件，作为一套系统它所涉及的知识领域很广，理论层次很深，而且系统受外界因素影响较多，稳定性很难控制。因此在系统的设计过程中要从整体的角度把握各部分的功能，协调好各部分之间的关系是非常重要的，力争完成一套稳定性
20、好，性能指标高，简单实用的光纤加速度计系统。本测振系统的传感器采用反射式光强调制方式，系统整体设计框图如图 2.2所示：图 2.2 反射式光强调制型光纤加速度传感器的系统构成为保证光源发送光信号强度的稳定，在光源部分加入自动功率控制和自动温度控制电路。在传感器部分，为简化其体积和结构，只采用一根单模光纤，既作为发射光纤又作为接收光纤。将反射镜固定于质量块上，通过质量块相对外壳的位移变化可导致接收光强的变化，将此变化光强通过后面一系列信号处理，可实时地反映被测物体的振动加速度。在信号线性化处理部分，先对信号进行低通滤波、动态采样，然后采用单片机技术进行数字滤波来消除外界噪音，并利用运算子程序对信
21、号进行线性化处理，最后经 D/A 转换实时地输出振动加速度信号。在信号线性化处理部分也可完全采用硬件电路来实现，即利用低通滤波和成熟的运算芯片对信号进行处理3 反射式光强调制型光纤加速度传感器的具体方案论述31 加速度计光源的设计光 源驱 动线性处理放 大光电转换D/A数字滤波低通波波 动态采样 A/D 显 示a第 8 页 共 47 页光纤测量和光纤传感器系统中使用的光源种类很多。半导体光源是光纤系统中最常用的也是最重要的光源，它利用 PN 结把电能转换成光能。其主要优点 4是体积小、质量少、可靠性高、使用寿命长，亮度足够、供电电源简单等。它与光纤的特点相容，因此，在光纤传感器和光纤通信中得到
22、广泛应用。对于一个带有光纤输出的光源，要求是从光纤终端射出的光通量应最大。这个量的大小取决于光源的波长和射入光纤的光通量。射入光纤的光通量与光源和光纤的耦合效率以及光源的亮度有关。由于本课题是强度调制性光纤传感器，主要考虑接收光功率的大小和稳定即可，且采用的是 1 根单模光纤，对光源和光纤的耦合效率及射入光纤的光通量的要求较高。因此本设计方案采用半导体光源的半导体激光器作为传感器的光源。这里采用 CEO 1310J 型激光器，中心波长为 1310 nm。它内部除了光源 LD 外，还集成了一个背光监视二极管 PD 以及一个与光源耦合的尾纤等。其结构图如图 3.1所示。图 3.2 为 LD 的 P
23、-I 特性曲线。由图可知，激光器的阈值电流 =6 mA，即thI当激光器驱动电流大于 6 mA 时，激光器输出激光。在额定驱动电流 =32.5mAm时，激光器额定输出光功率 =1 mW。为控制方便，我们取工作电流为 35mA，0P此时输出功率为 1.1mW。图 3.1 激光器示意图 图 3.2 LD 的 P-I 特性曲线32 分束器的选择分束器是一种 Y 型全光纤型耦合器，是用于传送和分配光信号的无源器件，光信号由分束器的一个端口输入，而从另两个端口输出。因此，分束器可以用来PIImW50mA第 9 页 共 47 页减少系统中光纤用量以及光源和光纤活动接头的数量。其主要特点是 5：(1)器件的
24、主体是光纤，不含其他光学元件；(2)通过光纤中传输模式的耦合作用来实现光的耦合功能；(3)光信号的传送方向是固定的。耦合器的性能可以从以下几个方面来描述：1 插入损耗(Insertion Loss)表示指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的衰减值，该值通常以分贝(dB)表示，数学表达式为： (31)10lgOUTiINPILA2 附加损耗(Excess Loss)表示由耦合器带来的总损耗，定义为输出信道功率之和与输入功率之比：(32)lgOUTINPELA值得指出的是，对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的器件制作过程带来的固有损耗；插入损耗则表示的是各个输出端口的输出
25、功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同种类的光纤耦合器之间，插入损耗的差异并不能反应器件制作质量的优劣，这是与其他无源器件不同的地方。3 分光比(Coupling Ratio)定义为耦合器各输出端口的输出功率的比值，在具体应用中常常用相对输出总功率的百分比来表示： 10%outtpCRA(33)本课题只需四端口的耦合器，因此采用 3dB 耦合器，即分光比为 1：1，插入损耗为 3dB，附加损耗为 0.7dB。33 系统前向通道的设计方法 6单片机用作测控系统时，系统总要有被测量信号的输入通道，由计算机拾取第 10 页 共 47 页必要的输入信号。对于测控系统而言，如何准
26、确获取被测量信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监测也是不可缺少的环节。系统需要的被测信号，一般可以分为开关量和模拟量二种。所谓开关量输入，是指输入信号为状态信号，如继电器的吸合与断开、光电门的导通与截止等，其信号电平只有二种，即高电平与低电平。对于这类信号，只需经放大、整形和电平转换等处理后，即可直接送入计算机系统。对于模拟量的输入，由于模拟信号的电压或电流是连续变化的信号，其信号的幅度在任何时刻都有定义，因此对其进行处理就比较复杂，在进行小信号放大、滤波、量化等处理过程中需考虑干扰信号的抑制。计算机能处理的只有标准的数字信号，输入通道是连接计算机和被测对象
27、之间的接口，即模拟电路和数字电路之间的接口。输入通道设计的好坏直接关系到整套系统的性能和精度，而且在后续的电路中很难消除由于前向通道带来的干扰，设计时要极为小心。前向通道是单片机应用系统的信号采集通道，从信号的传感、变换到单片机的输入。故在前向通道设计中必须考虑到信号拾取、信号的调节、A/D 转换以及电源配置与干扰防止等问题。(1) 信号拾取方式前向通道中，首先要将外界非电参量，如压力、温度、速度、位移等物理量转换成电量。根据这一要求，信号拾取这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表来实现。(2) 信号的调节前向通道中，信号调节的任务是将传感器或敏感元件输出的初次电信号转换成能满足单片机或 A/D 转换输入要求的标准电平信号。传感器的输出信号，往往是小信号，需要经过放大后才能进行有效地处理，而且，为了抑制现场电磁干扰等影响，还需要进行滤波处理；对于多路输入情况，如多路参数巡回检测等，需要采用多路切换技术；而对被测信号为快速变化信号的情况，为了减少由于模数转换孔径时间的影响，需要采用采样保持技术。34 光电信息转换
