光纤微位移传感器的复用方法及测试系统设计毕业论文

2020-02-19 06:02

摘要

在现阶段工业生产中，对微位移的检测成为了精加工的基础保证，同时，微位移的测量也是应变、温度、速度等物理量测量的基础。因此，如何实现高精度的微位移检测一直是人们研究的重点。

光纤微位移传感器作为新兴传感器，相比于传统的微位移传感器，具有着精度高、响应快、结构简单等优势，同时作为无源传感器也可以避免在安装时对被测量产生影响。在众多光纤传感器中，光纤F-P传感器是基于法布里-珀罗腔的一种干涉型光纤传感器，其研究时间早、技术较为成熟、结构更为简单紧凑，备受研究学者们的青睐。

在传感器应用于工程项目之前，往往需要对其性能指标进行标定，以确保传感器可以满足测量的基本要求。因此本文主要基于实验室基础上的光纤微位移传感器，设计其性能测试平台，通过丝杆传动实现对微位移的精准控制，从而和实验数值进行对比分析，获得传感器的最终性能指标。

关键词：法布里-珀罗腔；光纤传感器；微位移测量；性能分析；测试平台；

Abstract

In the current stage of industrial production, the detection of micro-displacement has become the basis for finishing. At the same time, the measurement of micro-displacement is also the basis of physical quantity measurement such as strain, temperature and speed. Therefore, how to achieve high-precision micro-displacement detection has always been the focus of research.

As an emerging sensor, the fiber micro-displacement sensor has the advantages of high precision, fast response and simple structure compared with the traditional micro-displacement sensor. At the same time, as a passive sensor, it can also avoid the influence on the measurement during installation. Among many fiber optic sensors, fiber Fabry-Perot sensor is an interferometric fiber optic sensor based on Fabry-Perot cavity. It has a long research time, mature technology and simple and compact structure, which is favored by researchers.

Before the sensor is applied to an engineering project, it is often necessary to calibrate its performance indicators to ensure that the sensor can meet the basic requirements of the measurement. Therefore, this paper is mainly based on the fiber-based micro-displacement sensor based on the laboratory, designing its performance test platform, and accurately controlling the micro-displacement through screw drive, and comparing with the experimental values to obtain the final performance index of the sensor.

Keywords：Fabry-Perot cavity; fiber optic sensor; micro-displacement measurement; performance analysis; test platform;

第1章绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究目的 2

1.3 国内外发展现状 2

1.4 本文的结构 3

第2章设计原理 5

2.1 光纤传感器基本原理与分类 5

2.2 光纤F-P传感器原理 6

2.3 光纤F-P传感器解调方法 10

2.3.1 相位解调 10

2.3.2 强度解调 10

2.4 本章小结 11

第3章系统设计 12

3.1 系统方案选择 12

3.2 微动结构设计 13

3.2.1 基本原理 13

3.2.2 结构设计 14

3.2.3 软件设计 16

3.3 测距实验 20

3.3.1 测试系统 20

3.3.2 传感器的制作与安装 21

3.3.3 结构设计 21

3.4 传感器性能分析 24

3.4.1 静态性能分析 24

3.4.2 动态性能分析 26

3.4.3 误差分析 26

3.5 本章小结 27

第4章总结与展望 28

4.1 总结 28

4.2 展望 28

参考文献 30

致谢 32

绪论

研究背景及意义

随着信息化时代的到来，如何及时地获取有效的信息资源成为了人们日益关注的热点。而传感器作为现阶段人们对信息获取的主要工具，更是受到了广泛的应用。伴随着信息化时代来临的同时，人们对现代化工业生产中自动化程度的要求、对生活中智能化程度的需求以及各国对提高自身国际地位的追求都在日益提高，这些都导致人们对传感器的依赖程度在日渐加大。因此，传感器技术作为当今的技术基础，对其的研究、发展以及应用都成了各国在信息化时代发展的高技术领域。从广义上来讲，传感器便是感受外界的输入信号并按照一定规律转将其转化为可用输出信号的器件或装置；因此传感器又可以被狭义的定义为为将外界输入信号转化为电信号的一类器件或装置。在未来的发展中，传感器会趋向于微型化、集成化、高精度以及智能化，同时会与其他学科交叉实现多功能化^[1]。

自20世纪70年代，伴随着光纤通信技术迅速发展，光纤传感技术也应运而生。光纤传感技术是以光波为载体、以光纤为媒质，用来感知外界信息并传输其信号的新型传感技术^[2]。一方面，由于光纤的工作频带宽、动态范围大，可以更好的降低损耗以实现远程遥感；零一方面，由于光纤灵敏度高并具有双折射、偏振、衰减、磁光效应等物理效应，作为敏感元件光纤可以更好的发挥自己的优势；同时光纤传感器具有体积小、质量轻、耐高压、抗腐蚀、可塑性好、抗干扰等物理特性，并且作为无源器件可以避免在安装测量的过程中被测对象产生影响。因此，光纤传感器相比于传统的传感器，具有一系列难以逾越的优势。光纤传感技术更是受到了国内外研究的青睐，自其发展以来，短短三四十年，人们已经将其广泛应用于军事、医疗、工业等各个领域中，并且可以测量位移、应变、压力、温度等70多种物理量。

在众多种类的光纤传感器中，光纤干涉传感器最为常用，其具有分辨率高、精度高、动态范围大等优点。其中，光纤法布里-珀罗传感器（简称光纤F-P传感器）技术最为成熟，应用最广。光纤F-P传感器基于白光多光束干涉的原理，将两根单模光纤的端面加工为镜面从而形成反射面，并将其装入密封玻璃腔内从而形成法布里-珀罗腔（简称F-P腔），保证两个镜面严格平行、两根光纤严格同轴。当光束入射到F-P腔内，会形成多光束的干涉输出，因此F-P腔的变化会引起输出光的变化，对输出信号进行解调后即可得到腔长变化的信息，从而获取到目标信息。因此，光纤F-P传感器具有结构紧凑的特点，同时具有分辨率高、可靠性高、响应快、结构简单、易于制造等特点。同时，光纤F-P传感器可实现串联/并联复用，在大型工程项目中，可使用多个传感器实现分布式测量^[5]。

虽然光纤F-P传感器经过长期的研究，其制作和应用已经趋于成熟，但是在光纤传感器应用于工程检测之前，需要对传感器的性能进行详细的分析，确保其性能满足传感器的基本要求。因此，可对位移量实现精准控制的微动机构的设计，对光纤位移传感器的性能标定等有着重大的意义。

研究目的

在现阶段的工业生产中，往往需要通过对微位移的检测从而确保精度，因此，具有高精度、高分辨率的微位移传感器在生产中占据着极高的地位。对微位移的检测精度会直接影响精细加工水平、精密测量水平以及超大规模集成电路生产水平。同时，人们也可以通过对位移的测量从而实现对压力、应变、温度等物理量的测量^[3]。由于光纤F-P传感器的精度高、响应快、耐腐蚀等优点，可通过检测F-P腔腔长的变化从而检测位移的变化，使其相比于传统的传感器，在部分难以对位移进行测量的环境下实现了重大的突破。因此光纤微位移传感器技术成为了光纤传感器研究的热点方向。

在本次设计中，首先是设计基于F-P腔的光纤微位移传感器的性能测试方案及其基本结构，以保证满足系统安全性和测试功能的要求。其次是针对设计的性能测试系统，计算和仿真分析测试系统的基本传感特性。最后制作光纤位移传感器的实物测试系统，开展实际测试，给出其传感器的特性指标。

国内外发展现状

由于光纤传感器具有传统传感器难以相比的优势，自其问世以来，便受到了人们的高度重视，对其的研究也从未停止^[6]。

1970年，美国康宁公司研制出可应用的石英光纤，实现了基本的光纤材料的通信与传感，标志着光纤传感器进入了高速发展的阶段。1977年，美国海军实施光纤传感技术研发计划，各国相继跟随，开始对光纤传感技术的研究更加重视。加南大渥太华通信研究中心与1978年成功研制出世界上第一根光纤光栅，光纤传感器从此走向实用化和商业化。随后英国、德国、日本等国家更加注重相关领域的研究，相继研究出的各类光纤传感器已经可以用于工业生产、日用生活、军事研究等各大领域。

但1980年以前，对光纤传感器的研究是以强度调制型为主。1980年后，干涉型光纤传感器被人们所了解，其相比于强度调制型传感器有着众多优势，也逐渐被人们所重视。

自1988年，C.E.Lee等人研制出第一个本征型F-P光纤位移传感器（IFPI），此后人们更加深入的研究光纤F-P传感器。A Wang等人于1992年将蓝宝石多模光纤与两段普通单模光纤熔接在一起，实现了光纤IFPI传感器可以在1500℃高温下测量。Y.J.Rao等人于2007年将光子晶体单模光纤熔接到普通光纤的末端，利用其反射率的差异实现了本征型F-P光纤温度、折射率传感器。随着研究的深入，光纤IFPI传感器应用范围不断增大，性能不断提高。

1991年，非本征F-P光纤传感器（EFPI）被Kent A.Murphy等人研发出来，得到了广泛的关注。A Wang等人在2000年采用激光热熔微加工技术将两根光纤与准直毛细管熔接在一起，成功研制出具有抗高温、耐老化的光纤EFPI传感器。随后光纤EFPI传感器广泛的应用于医疗、发动机、高温高压油井、电力系统等领域的测量，并且实现了在高温、高压、高磁场、强腐蚀等恶劣环境中对物理量的测量。

2002年，Y.J.Rao等人利用光纤EFPI传感器和光纤FBG传感器并联复用来检测应变和温度，并开发了复用传感器。2004年，C.X.Zhou等人研究出EFPI传感器粗波分复用系统。2005年，Y.J.Rao等人提出频分复用系统。

我国从1983年开始光纤F-P传感器的研究，整体研究情况起步较晚、起点较低且研究单位数量较少。现阶段研究主要集中于研究所与高校中，其中四川大学、清华大学、重庆大学等高校已经进行了基础性研究，并取得了阶段性的进展，已经将光纤F-P传感器应用于工程检测中。如重庆大学光电技术室已研发出可实用的第一代和第二代光纤F-P应变仪，并成功应用于“红槽坊公路立交桥应变监测”和“宜昌长江大桥路面铺装材料环道实验”等课题中；电子科技大学饶云江团队已实现使用157nm深紫外线加工系统制作光纤F-P传感器，达到世界第一梯度水平；石家庄铁道职业学院已实现应变与温度的同时检测等^[7]。

但我国在光纤F-P传感器的研究方面距离批量投入生产以用于工业生产和工程应用中还有很长一段路要走，还需要更多的科研工作者共同努力。

本文的结构

本设计主要是基于实验室现阶段的光纤F-P传感器，设计其微位移测试平台并进行实物制作，对传感器性能进行理论仿真和性能分析。

论文的第1章为绪论，简要的概述了传感器的定义、现阶段光纤传感器的特点、微位移测量的意义以及光纤F-P传感器的特点和其复用难点，同时概述了光纤传感器的国内外研究现状，并提出了本次设计的目标和意义。

第2章具体介绍了光纤传感器以及光纤F-P传感器的原理和分类。从理论上分析了当F-P腔腔长发生变化时，输出信号的变化情况，并进行了简单的仿真。其次是详细介绍了复用技术以及解调技术的原理和方法，分析了每种方法的优缺点同时对串联复用和并联复用的输出信号进行了仿真，为后续整体设计方案的选择提供了有价值的信息。

第3章主要是介绍实际微位移测试平台和传感器性能测试系统的具体设计。首先是进行方案选择和方案介绍，随后对微位移测试平台进行模型设计，随后通过3D打印技术进行零件制作和实物装配。在实验室环境下对现阶段的光纤微位移传感器进行静态性能和动态性能测试，并对实验数据进行实际分析，并对整体的系统设进行了误差分析。

第4章则是对本次设计进行了总结，并根据实际设计中出现的问题进行了反思总结、提出改进措施，随后对以后的研究工作提出了展望。

设计原理

光纤F-P传感器属于光纤传感器中一大研究热点，而其解调方法也有多种方式。本章主要是从理论上对光纤传感原理、F-P腔干涉原理以及解调方法进行了分析和仿真。

光纤传感器基本原理与分类

光纤传感器是由光源发出载波信号后，经光纤耦合到敏感元件，随后被测物理量将与光纤中的光信号相互作用，影响光信号光波的参数，如光强、相位、波长、频率等，使光波的参数发生变化，形成被调制的光信号。随后输出信号由光探测器进行解调，从而获取被测的物理量信息。光纤传感器原理如图 2-1所示。

图 2-1 光纤传感器原理

光纤传感器按其传感原理可分为功能型传感器和非功能型传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性，将其作为敏感元件，从而检测被测量的变化。其中，光纤不但具有传光作用，同时也会根据被测量的变化使光信号的光学特性发生改变。最后再通过解调仪对光信号进行解调从而获取目标物理量。在非功能型传感器中，光纤只起到传输光的作用，而通过其他敏感元件来检测被测物理量的变化。因此，在非功能型传感器中，除了入射光纤和出射光纤，还需要单独的敏感元件将两者连接在一起。

光纤传感器按照被调制的光波的参数可分为强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制和波长调制几种形式。强度调制基本原理是待测量的变化会引起光纤中光信号的光强发生变化，可通过检测光强的变化来实现对待测量的检测。其特点为简单、可靠、经济，但光强容易收到其他因素的干扰。对光信号的检测方法有直接检测、双波长检测和双光路检测。频率调制原理是通过待测量的变化改变光信号的频率，通过对输出信号的频率检测从而确定待测量。其检测方法有零差检测和外差检测两种。波长调制是利用敏感元件的光频谱特性会随着待测量的变化而发生变化这一性质实现对被测量的检测，由于光波波长决定其颜色，因此波长调制又称为颜色调制。波长调制可不需要光源，调制方法有荧光波长调制、黑色物质波长调制和黑体辐射波长调制等。相位调制的基本原理是由于被测量的变化会引起其能量场的变化，从而使光纤中光信号的光波相位发生变化。再利用干涉测量技术，可将光波的相位变化转化为强度变化，通过对强度的测量来实现对被测量的测量。因此，光纤相位传感器需要有相应的干涉仪来实现干涉测量。而光纤F-P传感器便是基于法布里-珀罗干涉仪的一种光纤相位传感器。

根据被测对象的不同，光纤传感器又可分为光纤位移传感器、光纤温度传感器、光纤应力传感器等。现阶段以实现位移、压力、转矩、磁场等七十多种物理量的测量。

光纤F-P传感器原理

光纤F-P传感器是基于法布里-珀罗干涉仪改进的一种光纤传感器，其核心部分是由两个严格平行的反射端面形成的法布里-珀罗腔，只采用一根单模光纤实现对被测量的检测。光纤F-P传感器属于光纤传感器中研究较早且较为成熟的一种传感器。其结构也较为简单，即在光路中添加两个距离较近的严格平行、同轴的反射端面，从而构成密封的光纤F-P腔^[10]，其结构如图 2-2所示。

图 2-2 光纤F-P传感器结构

设两个反射面的间距为（即F-P腔的腔长），F-P腔内的介质反射率为，光信号在入射光纤时折射角为，两个端面反射率为，入射光的光强为，波长为。当一束相干的平行光波以一定角度从一个端面入射到F-P腔内，会在入射界面产生反射和透射，最终形成图 2-3所示的入射面的多束平行的反射光和另一反射面的多束平行透射光。