分布式光纤Bragg光栅传感器的应用与研究

摘 要:随着电子技术的飞速发展,人们生活水平的不断提高,越来越多的高新技术应用到生活,服务于人们的生活成为社会发展必然的趋势。传感器作为智能系统的“感官”扮演者越来越重要的角色,只有保证感觉而来信息准确无误差、稳定而不间断成为保证智能系统连续有效运行的前提。光纤传感技术结合光纤特有的性质无论是在准确性、稳定性、抗干扰能力还是在价格成本等方面具有较大的优势从而迅速成为传感领域研究的焦点。
   本文详细的介绍了光纤Bragg光栅传感器的特点以及传感系统的组成,在理论上证明了光纤Bragg光栅传感系统的可行性,结合光纤Bragg光栅传感系统的特性,采用体积小、成本低、精度和分辨率较高的可调谐光纤F-P滤波器检测法方法作为本系统的解调方法。以韩国三星公司推出的S3C2440A芯片为主控核心和操作系统以C语言和汇编语言完成光纤Bragg光栅传感系统的编程实现。
   本文设计的光纤Bragg传感系统,除了具有光纤的优点以外,还具有特定的滤波特性,在不同的监测环境条件下对各种待测参量具有很高的响应灵敏度,结合复用技术,可以在同一根光纤上写入多个光栅,实现对待测参量高精度、高稳定、高质量的分布式测量及监控。
图[76]表[10]参[52]
关键词:光纤Bragg光栅;F-P滤波器;S3C2440A;;复用技术
分类号:TP315
1 绪论
1.1 研究背景及意义
   传感技术作为智能系统中的“感官”在不断推成出新的信息产业中扮演着越来越重要的角色,对外界大量的信息进行精确的收集并且不断的更新保证信息反馈成为系统安全稳定运作的前提。对于在机械、电子、测量、控制等领域,传感器是必不可少的关键部件。试想如果没有传感器,那么我们所需要的各种检测信息从何而来,这样一来支撑现代人类文明的科学技术就不能得到发展,整体人类社会也会因此停滞不前,惟有作为“大脑”的计算机技术和“感官”的传感器技术协调发展才能促进科学技术的不断发展进步。传感器已经存在于人类生活的各个领域,为此,在80年代初期,发达国家就已经对传感器在科技领域的作用进行了新的评估,美国的80年代被称为传感器时代,同时把传感器技术列为90年代中最重要的关键技术之一,日本也曾把传感技术列为科研领域十大技术之首,在我国的“863计划”、“科技攻关”等计划中也把传感器的研究放在重要位置。
   传感器的定义是:感受并且接受到特定规律的的某种信号并且可以将这种信号转换为可用信号的一种装置。在一般情况下,传感器由敏感部分以及将相应规律信号转换为可用信号的电子线路组成。光纤传感器是70年代起伴随着光纤通信技术的飞速发展而发展起来的一种新型的传感器,经过30多年的不断研究发展已经取得了很大的进步,各种各样种类繁多的光纤传感器被开发出来并应用到实际生活当中。传统的传感器以电信号为载体,利用导线进行信号传输,因此会受到各种外界坏境的干扰,例如会受到强磁、高温、高压等的影响,而光纤传感器则以光为传输载体,有体积小、重量轻、灵敏度高,抗电磁干扰、电绝缘性能好等特点,利用光信号传输的特殊性,可以适用在高温、高压、强腐蚀性、高爆炸危险性的检测环境中,可以对温度、压力、位移等各种待测量进行高精度测量。
   自1970年第一根光纤被制作出来应用到实际工程当中以来,检测振动、压力、加速度、温度等待测量的光纤传感器相继被开发出来。1989年光纤光栅首次被引入做传感后,引起来各方面的广泛关注,各国政府都投入了大量的人力、物力、资金对此进行了深入仔细的研究,光纤光栅作为一个传感元器件,它具备一般电传感器无法比拟的优点:
   (1)光纤光栅传感器较普通传感器在强干扰和强腐蚀的检测环境下具有无可比拟的优势,更加适合在恶劣的环境下工作;同时对微弱信号的处理上可以实现实时处理和长距离精确传输;光纤光栅传感频带宽、动态范围大而且测量精度和灵敏度高,易于埋入或附着结构体表面,可以实时提供结构体安全性等方面的信息。
   由于光的波长是光的一种固有属性,对于被检测的信息进行采用波长进行编码,其待测信息不受到光源功率、光纤弯曲以及其他元器件老化等因素的影响,具备较高的准确和稳定性。
   (3)光纤光栅结构简单,尺寸较小所以适用范围很广,特别针对一些大型的结构或者智能系统,可以对其内部的温度、压力等参量进行高分辨率的精准测量。
   (4)光纤网络的具备很强的复用性,在同一根光纤上可以安装多个独立的光纤光栅,多个光栅组成的传感网络可以实现对待测量实时的分布式测量。
   光纤光栅传感器以其独特的优势经过持续不断的发展已经成为了光纤通信系统中不可或缺的组成部分。近年来,人们的研究热点开始从成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转移。由于其独特的优点和市场广阔的发展前景,光纤传感器飞跃发展,且展现出极为广阔的前景。
1.2 光纤传感器国内外发展现状
   光纤光栅的出现使得一些比较复杂的传感网络以及光纤的分布式通信的实现成为了可能,同时作为一种光学的无源器件,很大程度上拓宽了光纤技术发展应用的范围。近年来对光纤光栅的研究发展到很多领域,如光纤光栅激光器、分接头器和波分复用器的研究等,并且硕果累累。由于其对待测信息强大的摄取功能,光纤光栅在传感器领域更是广泛的被应用且成为了研究的焦点。主要的研究内容主要包括以下几个方面的:对病人呼吸率,身体温度,对身体状况进行监测;实现水下窃听功能;对正在飞行中的巡航导弹进行实时检测;飞行等飞行器在飞行过程中对其中组件结构完整性以及应变情况的监测;利用光纤光栅传感器嵌入或者依附大型结构工程物体表面以及框架结构内部实现对待测量的分布式测量;对桥梁、大坝、楼房等大型建筑实现多点监测;实现对地震、海啸、山体滑坡等自然灾害的监测预警等。
   国际上,美国、德国、加拿大、澳大利亚、、英国等一些西方的发达国家及日本、韩国等一些亚洲国家十分重视光纤光栅并且想方设法的扩大自身在光通讯领域的优势并投入大量的资金用于光纤光栅传感技术的开发,因此,他们的光纤传感技术一直处在世界领先的地位。在美国主要参与研究光纤光栅的有:美国国家航天航空管理局(NASA)所属的大型研究实验室(Larger research Lab.)、国家海军实验室(NRL)、微光(Micron Optics)公司所属光纤通讯研发实验室等;在英国有多所大学参与到其中,包括著名的伦敦城市大学、肯特大学以及Smart Fibers公司等;此外韩国的国家光纤研究中心以及加拿大的Photonics Research公司等都是世界著名的光纤光栅研究机构。在光纤光栅的检测系统中,应变和温度为最基础的传感变量,通过他们可以对多种不同的参量进行监测,据统计由光纤光栅构成的传感器可以监测的待测量多达70多个,如电压、电流、折射率、温度、形变等。其中有很多监测技术已经非常成熟,已经应用到实际当中了。美国的新墨西哥州在1988年建立的Las Cruces 10号州际高速公路上就安装了超过两百多个光纤光栅传感器,不仅仅可以监测来往车辆的多少,同时可以计算通过本段路面车辆的重量和速度。在西欧,光纤光栅在实际中也被广泛的应用,1995年瑞士国家实验室发布了一项将更多的将光纤光栅传感器技术应用到民用的计划,同年光纤技术被应用与民用建筑,旨在提高民用设施的安全性。法国在1996年发布的研究计划中,明确指出将光纤光栅传感系统应用到核监测当中。与此同时,比利时、德国、西班牙等国家联合研发了一种基于光纤Bragg传感器的矿井准分布式监测系统。葡萄牙的光研究中心则将光纤光栅传感器应用在智能机器人感应系统中。丹麦的D.R.Hjelme等人则将光纤光栅传感器用在检测由新型复合材料制成的舰艇抗风能力上。在亚洲,日本很多年前就已经将光纤光栅传感技术应用到核电设备的监测系统中,完善了核电设备的监控系统。总之,国外在光纤光栅领域的研究发展迅速且已经走在了前面。
   在国内,从80年代起,传感技术已经被列入国家高新重点技术。在其中,光纤光栅更是占据着非常重要的地位。因为我国在光纤领域研发时间不够长,在前期投入资金不足,造成我国的光纤光栅传感技术相对落后于发达国家。但是,近年来,在国家863计划、国家自然基金以及其他各种专项基金的支持下,国内在光纤光栅传感领域取得了快速的发展。以中国科学研究院半导体研究所,上海光电研究为代表的科研机构已经形成了完整的光纤光栅的传感理论,在在光波传输规律、光栅光敏特性上都有非常深入的研究。而在传感方面,国内各所高校针对不同的市场需求也取得了很多阶段性的成果,如清华大学、南开大学、武汉理工大学等。这些成果表明我国的光纤传感技术正在迅速的发展中,但是很多光纤光栅的核心技术工艺与世界先进技术之间还是存在不小的差距,很多光纤传感技术并没有应用到实际工程实践当中,大部分还局限在实验室的范围内。因此,现阶段对光纤光栅技术的研究是将研究出的成果应用到实际应用当中去,突出光纤技术的实用性。同时解调技术作为光纤光栅传感系统的核心技术关键,需要我们更加深入细致的研究。时至今日,随着电子技术的发展应用,各种微处理器如单片机、ARM、DSP、FPGA不断涌现,为中小型控制系统发展起到关键作用。嵌入式的引入在很大程度上加速和支持光纤光栅传感器的发展,也为光纤传感传感的解调技术开辟了一个新的方向。研究开发出适用与不同环境的光纤解调技术极大的推动了光纤光栅传感技术实际化发展,具有非常重大的意义。
1.3 本文研究的主要内容以及主要工作
7 结论与展望
7.1 论文总结
   本文利用光纤光栅的卓越性能设计出一种基于光纤Bragg光栅的新型传感系统,该系统不仅仅拥有传统的传感器的一切优点,并且结合了光纤的特点以后无论在监测的稳定性,连续性,都得到以大大的提高,以S3C2440为核心的数据采集解调系统可以在最大程度上确保监测数据的准确性。本文重点对光纤Bragg传感系统的原理,光纤Bragg传感系统的整体设计和硬件电路进行了深入的研究,采用ARM为主控核心,使得整个系统高性能、低功耗、低成本,同时对ARM平台的软硬件进行了设计,最后在ADS1.2集成环境平台上实现对系统的编程实现。
   本文有三个创新点:
   1.本文引用了先进的光纤技术,结合光纤的特性的光纤Bragg传感器具有体积小、质量轻、抗干扰能力强的特点,可以实现在各种恶劣监测环境条件下的分布式测量。
   2.系统采用的可调谐光纤F-P滤波器解调方法不仅检测精度以及分辨率较高,而且其体积小,灵敏度高,成本低的优势相较与其他多种解调方案更加适合在实际工程中被采用。
   3.本文设计基于ARM的数据采集与解调系统,利用ARM处理器处理速度快,处理精度高等特点,配合各种外围电路在系统解调系统中充当主控核心,通过简单的测试,为光纤传感系统的实际应用积累了丰富的经验。
7.2 存在的不足与展望
  光纤Bragg光栅传感器是目前传感领域研究的焦点之一,主要问题在于一个传感系统当中光纤检测单元相对较少从而导致系统的整体过高,所以光纤的复用技术和相应解调技术成为了限制光纤传感技术的关键技术。
   本文对光纤Bragg传感器的应用设计做出了深入的研究,对实验结果进行了测试分析,由于研究水平、时间以及实验条件的约束,依然存在着一些不足之处,有以下几点:
  1.本文只是对光纤Bragg光栅进行了理论上的研究,但是由于设备的原因没有办法在光纤Bragg光栅的成栅和制造过程当中采集相应的数据,具体了解光栅的特性。
   2.由于时间的原因,本系统只是在S3C2440A建立的平台上实现了检测功能的实现,在实际应用过程中需要进一步的深化和改进。
   3.光纤传感系统可以使用在各种危险恶劣的检测环境下,而实验室的检测环境只是在实验室内部的理想环境下进行的,试验的数据以及各试验波形图的采集都是在理想环境条件下产生的,若在实际环境条件下必然存在着各种干扰从而带来误差,为了可以进一步的对光纤系统进行研究,需要在各种检测环境中进行研究。
   本文设计的光纤监测系统,具有很高的检测精度,体积小、质量轻、成本低可以在各种监测环境下完成检测任务,在一些较大涉及人生安全的系统当中对于提高系统的安全型能有着重要的意义。随着电子技术,芯片集成技术、光纤技术的不断的发展,光纤传感技术在传感领域的地位将得到不断的提高,其在工业、交通、航天、矿井管理等方面将会得到越来越广泛的应用。
参考文献
[1]靳伟,阮双琛等.光纤传感技术新发展[M].科学出版社,2005.
[2]赵勇编著.光纤传感原理与应用技术[M]. 北京:清华大学出版社[M],2007.8
[3]王爱英主编.智能卡技术(第三版)-IC卡与RFID标签[M]. 北京:清华大学出版社,2009
[4]李宏. 分布式光纤Bragg光栅传感器解调技术的研究[D].大连理工大学[硕士论文],2009

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