光纖稱重光電課程設計報告

..利用光纖對10米摘要：文章首先分析了現(xiàn)有的一種基于光彈效應的功能型光纖壓力測量系統(tǒng)的根本原理，在此根底上提出自己改良過后的一種新型的光纖壓力測量裝置。分析了新測量裝置的根本原理，并與傳統(tǒng)的測量裝置進展比照，新裝置具有精度更高，構造緊湊的特點。文末,也給出了其它常見的基于F－P干預腔、光纖Bragg光柵及激光自混合干預原理的光纖壓力傳感器的簡要介紹。這些方法均可用于"利用光纖對10m外物體稱重〞問題的解決。一、引言及根底知識光纖壓力傳感技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術的開展而迅速開展的一項技術，其根本原理是利用光在光纖中傳導，當受到被測量影響時光的強度、波長、相位等參數(shù)會發(fā)生變化。與傳統(tǒng)的感測技術相比，其具有體積小、良好的電絕緣性、不受電磁干擾、易于遙測、可用于一些條件惡劣的測量環(huán)境等。把光纖傳感技術用于壓力的測量，那么構成光纖壓力測量系統(tǒng)。常見的光纖壓力測量系統(tǒng)主要有基于微彎效應、光彈效應、F－P干預腔、光纖Bragg光柵、OTBR和BOTBR等類型。根底知識：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光偏振光的干預光彈效應二、現(xiàn)有的光纖壓力測量裝置分析傳統(tǒng)的基于光彈效應測量系統(tǒng)圖一如下圖，當光在受到壓力的光彈材料中傳輸時，光的偏振特性會發(fā)生改變〔光彈效應〕，通過對輸出光束的檢測就可以得到壓力的大小。由以上分析可以看出，此類測量系統(tǒng)屬于非功能型，即光纖在測量系統(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AralditeCT200熱固性環(huán)氧樹脂。此法主要缺點為：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量系統(tǒng)。功能型光纖壓力測量系統(tǒng)圖二光纖代替原來獨立的光彈材料作為傳感元件，即光纖在測量系統(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穩(wěn)定的物質(zhì)，不受濕度變化的影響，對環(huán)境溫度正常變化的反響相比于其他的光彈材料而言也較小。在實際使用中采用的是單模光纖，單模光纖在外界壓力作用下會產(chǎn)生誘導雙折射－光彈效應。光纖的這種雙折射將使其中傳輸光波的偏振態(tài)發(fā)生相應的變化，也即是光波的相位發(fā)生變化。對輸出光束的相位進展檢測，就可以得到外界壓力的大小。涉及的公式有：其中，λ—光束波長；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θ的關系是：K為常數(shù)聯(lián)立〔1〕〔2〕〔3〕可以從理論上得到F與V的關系，實驗數(shù)據(jù)為：圖三可見，當F小于一個特定值時，F(xiàn)與V的關系近似為線性的分析評價：此方法存在一個光電轉(zhuǎn)換的過程，即將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過測量電壓間接得到兩束相互垂直偏振光的相位差，再利用光彈效應得到側(cè)壓力與電壓的關系。此法相比于傳統(tǒng)方法有很大的該進，將光纖更多元的利用。但是光電轉(zhuǎn)換的過程比擬繁瑣，對設備的要求也比擬高，所以考慮通過利用偏振光干預到達測量的目的，這樣得到的結果準確度也比擬好。三、自己改良后的實驗裝置與原理1〕裝置構造：圖四改良后的光纖壓力測量裝置的構造如圖四所示。此測量裝置由8個局部組成：光源、起偏器、λ/4波片、單模光纖、偏振分束棱鏡〔如洛匈棱鏡〕、λ/2、干預檢測、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λ/4波片后線偏振光變成圓偏振光〔從文〔1〕中了解到，圓偏振光能夠?qū)文９饫w中各個模態(tài)進展均勻鼓勵〕；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，由于振動方向相反，有π的夾角，所以引入λ/2玻片，消除附加的π相位差。然后兩束光滿足干預條件，就可以干預檢測了。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〕Ne-No=KP〔4〕(Ne是材料對e光的折射率，No是材料對o光的折射率)P=F/S〔5〕(P為脅強;K是非晶體E的脅強光學系數(shù)，視材料性質(zhì)而定)3.偏振光的分束與干預圖七偏振光的干預兩束偏振光相位差為：Δφ=2πd(Ne-No)/λ+π/2+π〔6〕說明：其中π/2相位差是λ/4玻片產(chǎn)生的；其中π為附加的相位差是由于通過偏振分束棱鏡〔或偏振片〕的兩束光振動方向在一條直線上，但是振動方向相反；但是由于產(chǎn)生干預的條件是振動方向一樣，振幅相等，有恒定的相位差，所以考慮引入λ/2玻片，消除振動方向相反的影響。引入λ/2玻片后：Δφ=2πd(Ne-No)/λ+π/2〔7〕聯(lián)立〔4〕〔5〕〔7〕所以ΔΦ=〔2πdKF〕/〔Sλ〕+π/2〔8〕值得注意的是，由于裝置量程有限，可以通過一些簡單的方法擴大量①并排多根光纖，如圖五；②引入彈簧，如圖六；……方法還有很多，此不贅述。圖五圖六3〕干預檢測〔方法多種，此處僅以最簡單的方法為例說明〕圖八兩縫間距為D，擋板與屏相距L。出現(xiàn)中央明條紋處光程差δ=r1-r2=xD/L〔9〕δ=Δφλ/2π〔10〕聯(lián)立〔8〕〔9〕〔10〕dKF/S+λ/4=xD/L即F=(4xDS-SLλ)/〔4LdK〕〔11〕公式〔11〕就是壓力與光屏上距離x的關系,可見這是一個線性的關系，如果激光發(fā)射光束的波長，光彈效應中的K，還有一些距離有關的待定量，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：雙縫干預只是說明干預的原理，可以用其他準確的干預檢測儀器測量。4〕新裝置的創(chuàng)新點與優(yōu)勢：用光纖光彈效應測量壓力，原理簡單，操作簡便，與原有的方法無論是在裝置設計還是數(shù)據(jù)處理上都有很大的改良，新型方法中省去了光電轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，直接對光信號進展測量，可以通過非常準確的干預儀〔文中雙縫干預只是原理示意〕，得到較處理電信號更準確的結果。此外，就此套光纖稱重設備而言，在擴大量程，提高準確度方面還有待進一步研究。四、其他功能型光纖稱重方法小結：1〕F-P干預腔此類傳感器的微型F-P腔通常由光纖端面和硅膜外表組成,因為被測壓力引起硅敏感膜片變形,從而改變F-P腔長,通過測量反射回光纖的干預光強度可獲得被測壓力值。多模光纖端面作為F—P干預腔的靜止反射面,硅膜作為另外一個可調(diào)反射面,中間為空氣間隙局部入射光被光纖端面直接反射,其余入射光進入F-P腔,被硅膜反射后再次進入光纖,從而形成F—P干預.硅膜在被測壓力的作用下產(chǎn)生變形,從而改變F-P腔長,引起相鄰光束光程差的變化.因此,通過測量反射回來的干預光強度的變化,可得到被測壓力.2〕基于激光自混合干預的光纖壓力傳感器自混合激光干預光纖壓力傳感器由激光器、光纖、探測器三局部組成。光纖末端鍍反射率為70％的反射膜。其根本原理是：激光器發(fā)出的光耦合到光纖，并結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存在，返回的光信號的光程將發(fā)生變化，光電探測器的輸出也將發(fā)生變化。通過檢測這一信號，就可以得到要測的壓力信號。EDF3)光纖Bragg光柵壓力測量裝置EDF布拉格反射〔DBR〕光纖激光器由抽運源，摻餌光纖〔圖中黑色光纖〕和寫制在其上的一對波長匹配的光纖光柵對組成,。其中光纖光柵構成了激光器的腔鏡,摻餌光纖構成增益腔。激光器輸出的是一對正交偏振且頻率一樣的兩個簡并模式,由于摻餌光纖的雙折射效應，DBR光纖激光器工作在正交偏振的雙頻模式下,其兩個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,完全由外界所加應力引起的雙折射〔擬合關系見下列圖〕。當在光纖腔上施加一定的壓力時,激光器就會輸出相應頻率的拍頻,檢測拍頻信號的大小即可得到所施加壓力的大小。五、參考文獻：1蘭玉文，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]光學學報2009.32吳志偉一種新型光纖壓力測量裝置[A]傳感器世界2008.13.朱鈞，燕，饒星一種基于激光自混合干預的光纖壓力傳感器[A]激光與紅外2007.94.鄧元龍,小麗,學金等基于F-P干預的強度型光纖壓力傳感器[A]2011.15.躍輝等．光纖壓力傳感器[J]．光電子技術，200525(2)：124—132．6阮迎瀾，向清，黃修德．單模光纖應力誘導雙折射及其