基于瑞利散射分布式光纤应力传感器设计

1、课程设计报告课程名称：课程设计设计题目：基于瑞利散射分布式光纤应力传感器设计院 系：物理系班 级：09光信息科学与技术2班姓 名：黄国辉学 号：200930461371指导老师：吴俊芳老师 完成时间：2012-07-07目录背景与选题说明 背景 选题说明系统模型 应变调制传感器设计 示意图分析接受系统设计 前置耦合电路一级运放电路二级运放电路单片机与显示部分数据处理与解调器件参数与系统评估器件参数系统评估参考文献1 背景与选题说明1.1 背景光纤中光波的散射主要包括瑞利散射、喇曼(拉曼)散射(Raman Scattering-RS)、布里渊散射(Brillouin Scattering-BS)

2、。l 瑞利散射：光在光纤中传输时，由于光纤本身的缺陷和掺杂组分的非均匀性，使光波发生的弹性散射；瑞利散射的频率与入射光的频率一致，强度与波长的四次方成反比。瑞利散射是光纤中最强的自发散射过程，它的强度大约比入射光的强度弱30dB。瑞利散射与温度无关。l 喇曼(拉曼)散射(Raman Scattering-RS)喇曼散射(RS)：当一定频率的光入射到分子介质并发生散射时，自发喇曼散射会将小部分(通常约10-6)入射光场的能量转移到另一频率下移的斯托克斯光场（对温度不敏感）中，频率下移量由分子介质的振动模式决定。这一现象由Raman于1928年首次发现，被称作喇曼效应。实际上，喇曼散射过程中还会同

3、时产生频率上移的反斯托克斯光。（对温度敏感）l 布里渊散射(BS)布里渊散射光频移的大小决定于声波速度，由于传感光纤感受的温度和应变会影响光纤内部的声波速度，因此可以通过测量布里渊频移来得到传感光纤感受的温度或应变。布里渊散射光的强度也受温度和应变的影响。因此，通过测量布里渊散射光的频移或强度变化，即可测量传感光纤感受的应力或温度。布里渊频移、强度变化率与应力、温度的关系为：式中 :应变变化量； :温度变化量；:的应变系数， : 的温度系数；: 的应变系数， :的温度系数1.2 选题说明利用的喇曼散射原理的话，由于向后散射的功率过于小，不宜采用光强型探测器来检测，除非采用别的方法，这样做必然会

4、增加设备的复杂性。若利用布里渊散射原理的话，由于调制的除了应变外还有温度，故温度的影响不可忽略，由于要采用差频的方法进行解调，相对幅度调制来所，无疑增加了设备的复杂度与成本。瑞利散射散射不发生平移，且散射功率最大，故可以考虑采用检测瑞利散射光强的方法来解调。由于瑞利散射与温度无关，故相对来说，其对周围环境的抗干扰能力较强。从系统的复杂度和成本来考虑，采用瑞利散射原理应该是比较好的，但不可否认的是在其他的一些方面不如采用另外的原理。确定了采用的原理后，要做的便是如何设计传感器，使其瑞利反射光强受到应变的调制。光纤与探测光与瑞利散射光2 系统模型系统模型如下图所示参考光脉冲驱动激光源应变调制传感器

5、#1应变调制传感器#2光电二极管运放A/D单片机显示器逻辑电路图1：系统模型图由上图可以看出，该系统用到的元器件较少，解调原理简单，但是原理的复杂度无疑与其应用的广度是一对矛盾，因而其应用的场合必然会受到限制，但在某些场合上面，其成本优势与实现的容易性将体现出来。由于利用的原理是瑞利散射光，如何设计应变调制传感器来调制瑞利散射光强将是重点。由于噪声的影响，如何设计光接收系统使其能探测的更小光功率与探测速度，将严重影响探测光纤的探测长度与空间分辨率。如何从得出的数据中进行逆推出应变程度也是本设计将要涉及的一个问题。下面将一一给出解决的方案，由于时间与学识原因，只能给出大概方向，具体的细节请查看相

6、关的文献。 3 应变调制传感器设计3.1 示意图如下压齿弹性压片纯净光纤掺杂光纤，产生瑞利散射图2应变调制传感器3.2 分析由光纤通信的知识可以知道，光纤的不同弯曲程度将造成不同的光功率损耗，因而利用上述应变调制传感器可以调节光纤的弯曲程度，从而实现对光功率的调制，也实现了对瑞利散射功率的调节。至于光纤的弯曲程度如何耗损光功率，这里不展开讨论，有兴趣的可以参阅光纤通信课本。至于如何设计压齿的数目使其灵敏度达到最高，也就是匹配度最好，这里也不展开，具体可以参阅钱显毅编写的传感器原理与应用并结合电动力学知识可以得出。忽略具体细节，下面将给出传感器的数学模型。在光纤没有产生弯曲的情况下，设入射的光功

7、率为，由于应变传感器中的光纤掺杂，其将产生瑞利散射，设向后瑞利散射因子为（由掺杂物质与掺杂浓度决定），则瑞利散射功率为。我们用描述应变程度，由于应变，入射光功率将产生耗损，设耗损因子为，则存在关系。则在存在应变的情况下，探测到的光功率为，从而实现的应变对瑞利散射光强的调制。这里的对应关系，我们可以通过理论分析和实验得出，对于工程引用来说，我们趋向于后者。4 接受系统设计接收系统采用srp项目中的一个模块，就是光强探测模块，下面直接给出。该光强接受系统的最小探测可达负60dBm，已经可以满足要求了4.1 前置耦合（光电耦合）电路耦合电路利用的是光电二极管的光生伏特效应，这里主要要考虑一个问题，就

8、是如何减少噪声，经过理论与实验论证，这里的噪声主要是暗电流，如何消除暗电流做到零输入零输出是我们必须要解决的问题，为此我们设计出了以下的前置耦合电路。经过试验，效果达到要求。图3前置耦合电路4.2 一级运放电路这部分的设计要考虑两个问题，如何选择合适的算放大器，如何选择合适的放大数量级。由于耦合电路把光信号转化成电流信号，故为了减少噪声，我们应该选择低偏置电流的运放，在考虑成本后，我们选择了ILC7650，它的偏置电流为pA级。与光电流相比，偏置电流就可以忽略了。对于第二个问题，由于该系统要求的测量范围大、精度高，为此我们决定采用多量程方案，当采用多量程的时候难免会遇到一个问题，那就是导通电阻

9、的问题，由于它随周围环境的变化而起伏很大，这就为电路的不稳定性和精度埋下了伏笔，一般的电路中都会忽略它，但我们这套系统必须解决这个问题。我们的解决思路就是把导通电阻接入到运放的输入电阻中，与运放的输入电阻相比，导通电阻确实可以忽略不计，这算是本系统的一个创新点。这样子，一级运放就完成了电流转电压的功能，并且稳定性与精确度都达到了要求。具体电路图如下。其中74ch4052为模拟开关，作用是实现多量程。图4一级运放4.3 二级运放为了后面的单片机处理，二级微调运放是必须的。由于这里处理的是电压信号，故低偏压的运放才是我们的理想选择，考虑成本，这里选择OP07。这里的技术要求不高，电路图如下。图5二

10、级运放4.4 单片机与显示部分这里要考虑的问题就是如何编程和如何处理数据，这里不再详述。电路图如下图所示。图6单片机与显示5 数据处理与解调示意图如下：光源应变调制传感器#1应变调制传感器#2应变调制传感器#nL图7空间示意图为光源到第一个应变调制的光纤长度距离，空间分辨率，为相邻传感器相距的距离。所以第个传感器距离光源的距离为。故发出一个光脉冲，光脉冲到达第个传感器的时间为，同理瑞利散射光到达接受系统的时间为假设光接收系统得到了一下一组数据经历时间.瑞利散射光强参考光功率表1通过比较和可以得知传感器#1处的应变情况，同理比较和可以的知传感器处的应变情况。当然这些都是单片机要做的事情。这样子便可以实现解调的目的。6 器件参数选择与系统评估6.1 器件参数l 激光源：波长1550nm，功率1mw（越大越好，视应用的情况而定）l 光电二极管：40多块的一般都能满足要求了忽略传输的光损耗（每公里才0.3dB左右的损耗，可以忽略）只考虑应变造成的光损耗的话，保守估计，探测距离能达到一公里。6.2 系统评估l 应用：防盗系统，