光纤智能监控传感器系统.docx

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光纤智能监控传感器系统

第1章绪论

现代科学技术的迅猛发展,使人类社会从高度工业化向信息化转变,在信息化时代,人类将主要依靠对信息资源的开发及其变换,传输和处理进行社会活动.传感器是感知,获取,检测和转换信息的窗口,处于研究工作对象与传输系统的接口位置,被比喻为电子计算机实现电脑智能化的"五官".可以设想,如果没有高度保真和性能可靠的传感器,纵有再好的传输和处理设备也无法发挥作用.因此,传感器是实现信息化时代的主要技术基础。

传感器又被称为"80年代最有代表性的珍品",目前已广泛应用于国防军工,工,农业生产,环境保护,生物医学,计量测试,交通运输,自动控制和家用电器等各个领域拓展.电子和电脑,空间海洋,遗传,材料和能源等关键工程的开发,首先就要有能传感各种强,高,弱,微和边缘效应的传感器,这些特殊领域的突破将给人类科学技术带来不可估量的进展,产生巨大的经济效益.因此,传感器是现代科学技术开拓的先锋。

光纤与激光,半导体光探测器一样,是一种新兴的光学技术,即形成光电子学新的领域是20世纪后勤工作半期重大发明之一。

以光纤作为信息传输介质的光纤通信,自1970年美国康宁（Corning）玻璃公司制成20dB/km的光纤充来,得到广泛的重视和发展。

短短的十几年就从实验室研究走向实用化,现正在形成产业,社会经济效益与日俱增。

在70年代中期,人们开始意识到光纤本身可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量和光纤内的导光联系起来。

自1977年美国海军研究所（NRL）开始执行光纤传感器系统（FOSS）计划以来,光纤传感器的概念在全世界的许多实验室里变为现实。

随着光纤传感器的研制,国际间的学术研究交流活动日益增多。

从1983年起,国际光纤传感器会议（InternationalConferenceonOpticalFiberSensors）定期召开。

第2章传感器

2.1传感器

2.1.1传感器定义

能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。

传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。

人可以用手准确地拿到放在桌上的书,笔等物,这是出现于日常生活中的习以为常的现象。

人在完成这个过程时,不可缺少的是大脑的判断和认识对象,而眼睛为大脑的正确判断和认识提供依据,可以想像,如果闭上眼睛,人拿任何物品是多么困难.控制和测量的关系就是这样,为了有效地达到自动控制,就需要像眼睛一样的传感器测量被控制对像的一系列信息和对这些信息的正确判断。

2.1.2传感器的条件

众所周知，实现信息检测，转换和传输的元，器件或装置称为传感器。

通常要求传感器要具有如下条件:

1.有优良的转换功能,工作范围宽,具有好的线性特性,检测信号的信噪比高,重复性好,时间老化特性优良。

2.检测信号的质量好，容易作信号处理,容易传输信号。

3.与被测体匹配好，对被测体环境适应能力强，不破坏被测体的状态，检测信号不受被测体环境的干扰。

4.体积小，重量轻，特性偏差小，故障率低，价格低廉。

2.1.3传感器的分类

目前,市场上的传感器有数千种，正在研究的就更多。

为研究方便，人们常用以下方法将传感器分类：

1.按工作原理分：

结构型传感器和物性型传感器。

前者主要是利用传感器结构上几何尺寸等的变化来实现检测、转换；后者则是利用传感器材料的物性变化来实现检测、转换的。

2.按所用的效应分：

有物理传感器、化学传感器及生物传感器。

第3章光纤传感器

3.1光纤传感器的原理

光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料,它主要是用玻璃预制棒拉丝成纤维,外直径仅100-150um。

它与其它材料相比,有许多独特的性能。

光纤的第一个特性是良好的传光性能。

它对光波的损耗目前可低到0.2db/km,甚至更低；若光在光纤里传播1km,光强将减小为原来的1/1.047,即光强为原来的96%,传播15km后光强还有原来的一半,可见光强衰减很小。

有人比喻说,如果有一根针沉在10km深,透明度和光纤相同的海底,人在海面上可以看得非常清楚,可以想像光纤的透明度是很高的。

光纤的第二个特性是频带宽.这是因为光纤传输的是光,而光的频率特别高,现在所用的光频率在1014-1015Hz的范围里,它比微小高5个数量级。

频率越高,能够容纳的带宽越宽；而其它传输手段只能传输频率低得多的电磁波,即使能够把光送入其它传输线,也由于损耗大而没有实用价值。

这是光纤能够同时传输大量信息的根本原因。

现在已经达到的实用水平是一条光纤能同时传输路电话。

正在进行实验,很快就能投入使用的同时能传输路电话,比原来的提高4倍。

理论上可以传输的路数比它还要大得多,可能是一个天文数字。

现在限于光纤的水平,更奶于其它元件的水平（例如半导体激光器）,使传输信息的容量有限。

尽管这样,一条比头发还细的玻璃丝,用那么小的功率（只有几个毫瓦）能够传送几万路电话,甚至还可以多得多,确实不可思议,不愧是一项最新的尖端技术。

光纤的长三个物性是它本身就是一个敏感元件,即光在光纤中传输时,光的特性如振幅、相位、偏振态等将随检测对象发生变化而相应变化。

光从光纤射出时,光的特性得到调制通过对调制光的检测,便能感知外界的信息这是光纤在光纤通信领域外的应用。

为充分发挥光纤的这一特性,自70年代中期以来出现了许多特殊光纤,如一种性能灵敏地随着射线辐照而发生变化的光纤,被用于射线计量仪；在光纤外面涂上一层特殊涂层材料,以提高光纤对外界信息的敏感能力,用于测量磁场；一些特殊断面,如椭圆芯光纤,熊猫光纤,蝴蝶光纤以及其它特殊用途的红外光纤,紫外光纤,激光光纤,荧光光纤等都已研制成功,有些还进入了商品市场。

光纤传感器也应之而生，光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号装置。

它由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。

3.2光纤传感器的分类

1、根据光纤在传感器中的作用进行分类

1）功能型（全光纤型）光纤传感器：

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感器元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。

2）非功能型（或称传光型）光纤传感器：

光纤仅起导光作用，只“传”

不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件来完成。

3）拾光型光纤传感器：

用光纤作为探头，接受由被测对象辐射的光或被其

反射、散射得光。

2、根据光受被测对象的调试形式进行分类

1）强度调制光纤传感器：

是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射

率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传

感器。

2）偏振调制光纤传感器：

是一种利用光偏振态变化来测量被测对象信息的

光纤传感器。

3）频率调制光纤传感器：

是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光

的频率发生变化来进行测量的光纤传感器。

4）相位调制光纤传感器：

其基本原理是利用被测对象对光纤的作用，使光

纤的折射率或传播常数发生变化，导致光线中传输光的相位发生变化，使

两根光纤中的出射光产生干涉，且产生的干涉条纹发生变化，通过检测

干涉条纹的变化量来确定光相位的变化，从而得到被测对象的信息。

3.3光纤传感器的特点

与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是：

1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。

由于光纤传感器是利用光

波传输信号的，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒介，因此不怕强电磁干扰，也不影响外界电磁场，本质安全可靠。

这使得它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能安全有效的使用。

2）灵敏度高。

利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般传感器。

其中有的已有理论和实验验证，如测试水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器。

3）重量轻，体积小，外形可变。

4）测量对象广泛。

目前已有性能不同的测试温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、震动、水声、电流、电场、电压、杂志含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器的现场使用。

5）被测介质影响小。

6）便于复用，便于成网。

7）成本低。

第4章光纤智能监控传感器系统

4.1光纤微弯传感器

4.1.1光纤微弯传感器的原理

1、定义

当光纤形态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就是微弯损耗。

光纤的微弯损耗远大于光纤的宏弯损耗。

光纤微弯传感器是通过外界因素导致光纤产生微弯变化，进而导致光纤输出光强变化来反映或者测量待测量变化的传感设备，属于非功能型光纤传感器。

2、微弯效应

光纤的微弯会引起光纤中的传导模与辐射膜之间产生耦合，从而使一部分倒模泄露到包层中去，通过检测光纤纤芯中的传导光功率或包层中辐射模功率的变化，就能检测位移或压力的大小。

引起微弯板位移的物理量可以是温度、压力、位移等。

3、光模式强度调制原理

在光纤传感器中，微弯处一般弯成正弦状，设微弯部分的空间周期为A，振幅为A，如图4.1所示。

图4.1光模式强度调制原理图

当有外界因素作用在微弯板上时，将使光纤产生微小形变，光纤进而产生微弯损耗。

微弯损耗的大小和空间周期、振幅、光纤种类、光纤弯曲形变大

小等都有关。

4、空间周期

如果光纤中两个模式的传播常数分别为

，理论研究表明，光纤微弯板的空间周期

满足：

（4.1）

对于梯度型（抛物线或平方率）光纤而言，设纤芯的半径为a，

分别表示距离光纤轴为0，a处的折射率，相对折射率

为

（4.2）

另外，对于抛物线折射率分布光纤而言，传播常数

、相对折射率

、纤芯半径a之间的关系为

（4.3）

由以上三个式子得到抛物线折射率分布光纤微弯板（微弯变形器）的临界空间周期为

（4.4）

对于阶跃型光纤而言，

分别表示距离光纤纤芯、包层处的折射率，相对折射率

为

（4.5）

对于阶跃型折射率分布光纤而言，传播常数

、相对折射率

、纤芯半径a之间的关系为

（4.6）

由以上式子的得到阶跃型折射率分布微弯板（微弯变形器）的临界空间周期为

（4.7）

4.1.2光纤微弯传感器的应用

1.光纤微弯压力传感器

2.光纤微弯水声传感器（光纤微弯水听器）

3.光纤微弯传位移感器

4.基于OTDR原理的用于工程监测的光纤微弯应变传感器

5.在复合材料成型表征中的应用

6.光纤悬臂梁微弯测量传感器

7.用于编织复合材料中的应变检测

4.2利用弯曲损耗的光纤压力传感器

力或振动使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度构成的强度型光纤压力传感器。

下图为压力光纤传感器的原理图:

图4.2压力传感器原理图

激光经过扩束镜,聚焦注入多模光纤,包层中的非导引模由脱模器（一般涂有黑漆的光纤,长度数厘米）去掉,然后进入变形器（一般为5个周期,节距3mm）,当

根值，即U=2.405，由于截止时W→0有V≈U，故阶跃折射率分布光纤的单模条件可表示为

（4.8）

光纤微弯压力传感器的原理图如图4.3、4.4所示。

图4.3光纤微弯压力传感器的原理图1

图4.4光纤微弯压力传感器的原理图2

光纤被夹在一对锯齿板（即光纤微弯变形器）中间，当光纤不受力时，光纤从光纤中穿过，没有能量损失。

当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤将发生许多微弯，这时在纤芯中传输纤芯中传输的微弯处有部分散射到包层中。

4.3光纤智能监控传感器

1、智能监控传感器的介绍：

光纤智能监控传感器把光纤微弯原理和红外电对射原理相结合，当有人破门而入或是破窗而入时，报警器发生声光报警，通过设置多个探头还能判断是哪一个窗户有人闯入还是有人破门而入，进而把损失降到最低，通过人为清零解除声光报警。

光纤中传输光为冷光，不发热，没有电火花，非常安全。

光纤智能防盗报警传感器属于模式强度调制型光纤传感器。

2、基本原理

关于光模式强度调节原理与空间周期

原理已在“光纤微弯传感器”中做了阐述。

光纤智能监控传感器的原理图如图4.4所示。

图4.5光纤智能防盗报警传感器原理

4.4光纤智能监控传感器的电路设计和调试

4.4.1发光电路

发光电路是产生光源和接受信号的电路，发出的光经过光纤传感器再由PD接收，经过电路对光的处理分析来产生一定的效果。

电路图如下图所示：

图4.6发光电路

根据上图，在淘宝网上购买所需要的元器件，进行电路的焊接调试，在电路的焊接过程中，出现了一些故障，比如说焊接工艺的虚焊、漏焊，元器件引脚的错误安装，接地和接电源的线路错误等等。

根据电路图一步步的找出故障原因，细心仔细的逐个排除。

安装完毕后再连接到试验箱上检查电路的工作情况，观察现象。

得到下面的实物图：

图4.7发光电路实物图

4.4.2报警电路

报警电路是传感器系统的重要组成部分，承担着报警的任务，当压力作用在微弯传感器上时，会使传输光出现损耗，造成光强的变化，经过电路的处理分析，报警电路就会作用，蜂鸣器就响。

下图所示电路图：

图4.8报警电路原理图

经过元器件的焊接安装调试之后形成下图所示实物图：

图4.9报警电路实物图

4.4.3光纤智能监控传感器整体电路设计

因为因为光纤智能防盗报警传感器要求是智能监控系统，所以发光和报警电路必须得同时发挥作用，就不得不设计电路使两者有机结合，即将发光和报警电路组合在一起来完成智能监控的任务。

前面4.3.1和4.3.2已经分别的设计了发光电路和报警电路，通过protel99se这个软件整体整合两个电路，画出最终完整的电路图，如图4.8所示：

图4.10监控系统电路图

最后经过电路的焊接，得到其总电路实物图如图4.10所示：

图4.11系统实物图

4.4.4电路的调试

根据电路图和焊接组装的电路板，利用试验箱对整个电路进行初步的调试。

首先将电路与试验箱进行连接，再将光纤传感器与电路的光源和PD连接，接通电源，用万用表测试电路中各相关管脚的电压，看是否符合实验的要求，初次调试会出现很多意想不到的情况，例如：

光源不亮、PD的调节度和灵敏度不够、报警电路的持续蜂鸣、传感器的光损耗太大等等。

造成这些问题的原因有很多，例如在传感器的制作过程中端面处理的不够好，导致光损耗过大；还有电路中引脚的

连接错误，PD的管脚错误，可变电阻的变化值太小达不到调节的要求；还有传感器的空间周期选择的不合理，微弯点过少或微弯力度不够等等。

当以上的各种问题都解决之后，就要开始整个系统的测试，看看系统的灵敏度是否达到我们得要求：

当有适当力作用在传感器上时，报警电路是否报警。

下面的几幅图将描述这些步骤：

图4.12光纤传感器

光纤传感器上的距离为五倍的空间周期，微弯的点也合适，满足微弯损耗的条件。

图4.13实验箱

试验箱为电路提供电源外，同时也可以检验传感器的制作过程中是否漏光。

图4.14系统的压力测试

上图用白色板条模拟了人或动物踩在传感器上的情景，当用力压在板条上时，蜂鸣器响同时指示灯亮，说明传感器系统整体思路正确，灵敏度可以通过调节电路中电阻的阻值来调节，但此时有一个问题，就是报警电路只是在有压力压在传感器上时才报警，一旦压力没了就没有报警，因为前面提到要人为的去消除报警，所以还要对系统做进一步的改进，加上51单片机，让它有一定的延时。

4.5单片机控制电路与编程

之前的调试让我们明白必须在系统中加入单片机程序，让它更完善更人性化，达到智能的效果。

根据所学的单片机知识，为系统加单片机控制电路，然后再写入程序。

其安装电路如图4.14所示:

图4.15单片机控制电路

写入的单片机程序：

#include

#include

#defineFilterBit19

#defineTIH0xe0

#defineTIL0xff

codeunsignedcharachDisCode[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x7F,0xFF,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0};

//unsignedcharchShowDisplay1=1;

//unsignedcharchShowDisplay2=1;

//unsignedcharchShowDisplay3=1;

//unsignedcharchShowDisplay4=600;

unsignedcharchShowDisPlay=50;

unsignedcharchShowBit=0;

unsignedcharFlag1=0;

longintnTemp;

longintachDate[20]={2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000,2000};

unsignedcharM1=1,M2=2,M3=3,M4=4,chM1,chM2,chM3,chM4;

unsignedcharFlag=0;

sfrsfrAdcContr=0xc5;

sfrsfrAdcDataHigh=0xc6;

sfrsfrAdcDateLow2=0xc7;

sfrsfrP1AdcEn=0x97;

sbitalarm1=P3^0;

sbitalarm2=P3^1;

sbitOPERATION_PORT=P1^2;

sbitP24=P2^4;

sbitP25=P2^5;

sbitP26=P2^6;

sbitP27=P2^7;

voidDisplayDate（）interrupt1using1//定时器0中断服务程序

{

TR0=0;

TF0=0;

TH0=0XF4;

TL0=0XFF;///重置定时器

switch（chShowBit）

{

case0:

P24=1;

P27=0;

P0=achDisCode[11];

//if（chShowDisplay1）

M1=chM1;

P0=achDisCode[M1]-0x80;

chShowBit++;

//if（20<=Flag1）

//{

//chShowDisplay1=0;

//}

break;

case1:

P27=1;

P26=0;

P0=achDisCode[11];

//if（chShowDisplay2）

M2=chM2;

P0=achDisCode[M2];

chShowBit++;

//if（20<=Flag1）

//{

//chShowDisplay2=0;

//}

break;

case2:

P26=1;

P25=0;

P0=achDisCode[11];

//if（chShowDisplay3）

M3=chM3;

P0=achDisCode[M3];

chShowBit++;

//if（20<=Flag1）

//{

//chShowDisplay3=0;

//}

break;

case3:

P25=1;

P24=0;

P0=achDisCode[11];

//if（chShowDisplay4）

M4=chM4;

P0=achDisCode[M4];

chShowBit=0;

//if（20<=Flag1）

//{

//chShowDisplay4=0;

//}

default:

break;

}

TR0=1;//启动定时器

}

longintFilter（）

{

idatalongintDate=sfrAdcDataHigh;

idatainti=0;

for（;i<19;i++）

{

achDate[i]=achDate[i+1];

}

achDate[FilterBit]=Date;

for（i=0;i<20;i++）

{

nTemp+=achDate[i];

}

Flag1++;

if（23==Flag1）

{

Flag1=21;

Flag=1;

}

nTemp/=12;

chShowDisPlay=nTemp;

returnnTemp;

}

voidGetAdResult（）

{

unsignednAdFinished=0;

sfrAdcDataHigh=0;

sfrAdcContr=0;

sfrAdcContr|=0x08;

nAdFinished=0;

//EA=0;

while（0==nAdFinished）

{

nAdFinished=（sfrAdcContr&0x10）;

}

//EA=1;

}

voidTransform（）

{

idatalongintchData=nTemp;

chData=chData*（5000/512）;

//chData/=4;

chM1=chData/1000;

chM2=chData/100%10;

chM3=chData/10%10;

chM4=chData%10;

}

voiddelay（inta）

{

intb;

for（b=0;b

{

;

;

}

}

intmain（）

{

OPERATION_PORT=1;

alarm1=alarm2=0;

TMOD=0x21;

TH0=TIH;

TL0=TIL;

TH1=0XFD;

TL1=0XFD;

SCON=0Xd8;

PCON=0X00;

EA=1;

PS=1;

ET0=1;

ES=1;

TR0=1;

TR1=1;

P1|=0X01;

sfrP1AdcEn=0x01;

while

（1）

{

GetAdResult（）;

Filter（）;

Transform（）;

delay（100）;

if（nTemp<=10）

{

alarm1=alarm2=1;

OPERATION_PORT=0;

}