基于模版干涉的光纤振动传感器

本文研究的是基于模斑干涉的光纤振动传感器。相对于传统传感器，光纤传感器具有尺寸紧凑、重量轻、功耗低，减少布线要求、灵敏度高、动态范围大、耐用、检测区域广、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强及价格低廉等一系列优点。

本文涉及的传感器采用了SMS-A架构来实现。这样的系统中探测和传输都是使用光纤，整个系统实现了远距离探测，并且降低了成本，简化了系统设计。在信号处理部分分别使用Labview语言设计制作了振动信号的时域和频域实时分析处理工具。最后针对光纤模斑干涉振动传感器，设计了一组实验对系统性能进行测试，并给出了各项测试的实验结果。

关键词：光纤传感器，模斑干涉，SMS-A，Labview        

      

           第一章 基于模斑干涉的振动检测原理

1.1外界振动对散斑的影响

光纤振动传感器的敏感器件是光纤本身，它对于外界环境变化的响应就是弯曲，形变，应力，温度等参数的变化，从而使得光纤在光纤内部传播的光路参数发生变化，并有可能产生双折射现象。我们使用的是多模光纤（本文中感受外界变化的敏感器件使用的是多模光纤，光源导入和小孔截取部分的光纤是采用单模光纤对光信号进行单纯的传输），光纤中传播模式的相位会因此发生变化，结果是引起各个模式之间的相位差变化。根据电磁波干涉理论，在光纤末端形成的光斑强度也会因为相位差的变化而变大或变小，甚至重新分布。所以我们可以通过这个变化，间接地检测到外界扰动的频率和强度。

1.2对模斑干涉的检测技术

当多模光纤受到外界振动扰动时，对重新分布的散斑信号进行分析，就可以得出震动信号的频率信息，和幅度信息。

本文中对截取散斑信息的分析方法采用小孔截取部分图像检测法，对应模型SMS-A型。这里用单模光纤在多模光纤耦合截取出散斑图象的一部分，就如同多模光纤透出一个小孔，通过计算透过这个小孔的光斑的频度和强度来估算整个干涉光斑的频度和强度，在小扰动模型下透过小孔的光斑的频度和强度可以很好的反映引起光纤振动的那个物理扰动量。

此方法的优点是成本低，并且只需要计算一维的FFT就能得到振动的频谱信息。

此方法的缺点：一是光效率比较低，小孔阻挡了大部分的光线，只取其中很少的量进行分析，二是对于扰动强度只在一定的范围(小扰动范围)内有对应关系。三是由于小孔法对对光及安装固定都有较高精度要求。不过对结果的影响不是很大，因为整个装置的损耗很低，而输出能量一般都比较大（1mw左右），经过光电转换和放大后信号幅度足够的。

 

      第二章 模斑干涉光纤振动传感器的设计和实现

2.1 系统构成

总体来说，系统由光源耦合单模光纤，再由单模光纤耦合多模光纤，然后再耦合回单模光纤，最终读取光斑图像送信号处理模块构成。

2.2 信号处理模块

2.2.1 数据采集

本文中的数据采集是通过数据采集卡完成的，使用的是美国国家仪器公司提供的一块基于USB的多功能数据采集卡：USB-6008。

 

2.2.2  Labview设计

Labview程序的框架图如图2.1所示：

                          图2.1  Labview程序设计框架图

  第三章 基于模斑干涉的光纤振动传感器实验结果与分析

3.1 悬梁振动测试

我们这里采用塑料尺作为悬梁，通过塑料尺的振动来模拟现实生活中及工程中的振动。

在实验中，起振方式为外界对尺子加压，这样的振动频率不会很高，并且受到尺子长度的影响。尺子较长时，振动频率较低；尺子较短时，振动频率较高。这在下面的实验结果图中可以得到证明。图3.1为使用了90cm长度尺子的全部有效长度的结果；图3.2为使用了90cm长度尺子的一半有效长度的结果。

由图中我们可以看到，Labview的设置是，巴特沃滋滤波功能打开，类型选择了三阶低通，截止频率为20Hz。调整量程后显示波形如下，可以看到实验的结果不是非常理想。首先是时域波形没有反映出外界的扰动；其次，在频域方面，虽然显示了外界的扰动频率信息，但是相比噪声，并没有达到压倒性的幅度，只是达到了可以分辨出来的强度。我认为，原因可能来自以下几个方面：

第一，进行实验时，电脑屏幕的光强太大，对光电三极管的光线隔离效果不是很好，造成的噪声影响比较大。

第二，由于光电三极管的电流本身就比较大了，造成三极管的E极容易饱和，从而使光电转换电路的信号放大作用不是很明显。在Labview的前面板上的表现就是时域响应微小，频域中信号与噪声强度对比不太明显。

           

                         图3.1  悬梁振动测试结果（长）

           

                         图3.2  悬梁振动测试结果（短）

 

由以上可以看到，在频域，我们可以分别出不同情况下的不同振动信息。

3.2 音频信号振动测试

音频信号振动测试中，我们使用的是音箱振动。通过PC机播放单一频率的低频声音文件，输出到音箱，通过在音箱的扬声器壁上粘贴多模光纤检测段来获取单一频率的低频振动，从而模拟生活或工程中的低频振动扰动。我们这里使用了两个频率，分别为5Hz和10Hz.。这里同上面的设置一样，三阶低通巴特沃滋滤波器开启，最后得到的实验结果与悬梁振动试验结果类似。此外在频域上，该系统有良好的响应准确度，测试得到频率分别为5Hz与10Hz，与预设一致。

 

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