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基本信息
- 項目名稱：
- 光纖多參量傳感器及其測量系統(tǒng)
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 多物理量傳感是目前光纖傳感領(lǐng)域的一個難點問題。本項目將光纖腔衰落檢測技術(shù)與傳統(tǒng)強度型光纖傳感器結(jié)合，構(gòu)成一種新型的光纖傳感器。該傳感器通過簡單的時分復(fù)用方式就能利用同一系統(tǒng)實現(xiàn)多物理量的同時測量。它不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、信號解調(diào)方便等特點，還具有靈敏度高且簡單可調(diào)、檢測精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能廣泛用于壓力、溫度、折射率、吸收系數(shù)、液體濃度等物理量的在線監(jiān)測。
- 詳細(xì)介紹：
- 1.研究背景 1.1光纖傳感系統(tǒng)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 目前傳感器技術(shù)發(fā)展日新月異,光纖傳感器以其造價低廉、體積小、重量輕、不受電磁輻射影響、可長距離監(jiān)測以及多用途等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。至今，光纖傳感器的研究已經(jīng)持續(xù)了30多年，尤其在光源、光纖材料和檢測方法等方面都有很大的進(jìn)步。目前，已經(jīng)研發(fā)出基于多種不同原理的穩(wěn)定可用的光纖傳感器，如光譜式、光吸收式、干涉式等。光纖傳感器的研發(fā)中最值得關(guān)注的地方之一便是設(shè)計各種性能優(yōu)良、用途廣泛的傳感器及傳感系統(tǒng)?，F(xiàn)有的傳感器主要是通過檢測光強、相移、或者光強和相移來實現(xiàn)。但是，到目前為止這樣的傳感方式都不能實現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)計的多用途傳感。并且這樣各種傳感器集中到一個系統(tǒng)不僅僅增加了成本，也使得數(shù)據(jù)處理和傳遞變得繁雜低效。 1.2FLRD技術(shù)的研究現(xiàn)狀 實現(xiàn)多物理量傳感的一個可能的突破口就是FLRD技術(shù)。FLRD技術(shù)的思想是2001年提出來的，用于氣體濃度的測量。利用兩個光纖耦合器和光纖環(huán)構(gòu)成光學(xué)諧振腔，光束在腔內(nèi)每行進(jìn)一圈都有很小一部分光通過輸出光纖耦合器進(jìn)入光電探測器，其余大部分的光在腔內(nèi)繼續(xù)傳播，由于光纖內(nèi)部傳輸損失的存在，觀察到的信號強度呈指數(shù)衰減，光纖傳輸損失越低，達(dá)到相同強度所需的衰減時間就越長。當(dāng)外部有擾動作用于光纖使得光纖傳輸損失發(fā)生變化時，觀測到的衰減時間就會產(chǎn)生相應(yīng)的改變，通過檢測衰減時間的變化即可實現(xiàn)外界物理量的測量。 FLRD技術(shù)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新。到目前為止，一些基于FLRD技術(shù)的高靈敏度高速傳感器，如FLRD氣/液傳感器、FLRD布拉格光柵溫度傳感器、FLRD折射率傳感器以及FLRD微流體傳感器，都在最近的幾年里陸續(xù)被人研發(fā)和公布出來。但是，它們都是單一的傳感器，關(guān)于多參量的傳感器系統(tǒng)未見報道。而且，報道的都是實驗室研究結(jié)果，未見實際應(yīng)用的報道。本作品重點研究基于FLRD的多參量傳感及其參量系統(tǒng)，而且在實際物理量的檢測中得到了應(yīng)用，并取得了較好的實驗結(jié)果。 由于FLRD傳感器都是依據(jù)時域的變化來對所有物理量進(jìn)行測量。因此該傳感技術(shù)具有結(jié)構(gòu)與解調(diào)簡單、靈敏度高、反應(yīng)速度快、精確性高等優(yōu)點，F(xiàn)LRD的這些特性使得制造新一代的光纖多參量傳感系統(tǒng)成為了可能。 1.3研究目標(biāo) 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡單、使用方便、結(jié)構(gòu)精簡、測量精度高且易于小型化設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的多參量傳感器及測量系統(tǒng)。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種基于FLRD傳感技術(shù)的多參量傳感器，其系統(tǒng)由單一輸入光源、光電探測器和兩個耦合器構(gòu)成的光纖環(huán)組成，光纖傳感段附加不同結(jié)構(gòu)的傳感頭和增敏結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)多參量測量。 2.研究內(nèi)容（1）低本征損耗的FLRD系統(tǒng)搭建；（2）FLRD傳感信號檢測方案和信號處理系統(tǒng)研究；（3）多種參量測量的傳感頭與增敏結(jié)構(gòu)的設(shè)計；（4）傳感信號的數(shù)據(jù)實時采集與處理程序的編寫；（5）光纖傳感系統(tǒng)的模塊化、小型化設(shè)計。 3壓力傳感系統(tǒng)研制情況簡介 3.1 FLRD壓力傳感系統(tǒng)搭建與調(diào)試 整個傳感器部分由輸入和輸出兩個2×1的1064nm單模耦合器構(gòu)成，耦合器分束比均為99:1。輸入耦合器與輸出耦合器具有相同的結(jié)構(gòu)，假設(shè)輸入端為1（99%）、2（1%），輸出端為3，則具體的連接方式為：光源接輸入耦合器的2端，輸出耦合器的3端與輸出耦合器的3端連接，輸出耦合器的2端接光電探測器，兩個耦合器的1端（99%）相接。光源發(fā)出的脈沖光經(jīng)輸入耦合器進(jìn)入光纖腔，到達(dá)輸出耦合器分束后，99%的光能繼續(xù)留在光纖腔內(nèi)，只有1%的能量進(jìn)入探測器，作為監(jiān)測光強的變化。光源為納秒脈沖激光器，中心波長1550nm，脈寬<1ns，重頻約為8.5kHz，平均輸出功率小于100mw。示波器為美國泰克公司生產(chǎn)的TDS7154，帶寬可達(dá)1.5GHz，采樣率最高可達(dá)25GS/s。探測器為Thorlabs 生產(chǎn)的InGaAs 近紅外探測器（DC400FC），響應(yīng)速約為0.1ns，帶寬約為2.0GHz。示波器和光電探測器都能滿足實驗需要。光纖環(huán)形腔中使用了約4.5m長的1550nm單模光纖，其傳輸損耗為0.3dB/km，纖芯折射率按n=1.45計算，脈沖在光纖腔中傳輸一圈的時間約為21.8ns，遠(yuǎn)大于脈沖寬度，滿足FLRD檢測的基本要求。調(diào)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠正常工作，示波器能夠出現(xiàn)分立的指數(shù)衰減的脈沖序列。 3.2實時數(shù)據(jù)采集與處理程序的編寫與改善 在平臺搭建完成后，編寫了初步的信號處理程序，成功地從數(shù)＼模轉(zhuǎn)換接口輸出的數(shù)據(jù)中提取出衰減時間并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合和定標(biāo)。之后，對程序進(jìn)行了不斷改善，實現(xiàn)了對壓力、溫度好血液濃度的測量，取得了較好的實驗結(jié)果。 3.3對單模光纖微彎結(jié)構(gòu)的壓力傳感測試 在平臺搭建和處理程序初步完成的基礎(chǔ)上，順利實現(xiàn)了對單模光纖微彎結(jié)構(gòu)的壓力傳感測試，圖3即為不同壓力下測量的衰減時間。在我們的實驗中是以砝碼模擬壓力，其中，以衰減時間的倒數(shù)為坐標(biāo)縱軸，砝碼的重量為坐標(biāo)橫軸?？梢钥吹皆诰€性工作區(qū)間內(nèi)衰減時間的倒數(shù)與壓力呈良好的線性關(guān)系，與理論推導(dǎo)相符。 3.4對壓力增敏結(jié)構(gòu)的實驗研究 在實現(xiàn)了微彎結(jié)構(gòu)的壓力測試后，進(jìn)行了多種不同的壓力增敏結(jié)構(gòu)的實驗嘗試，壓力通過力臂施加到微彎壓板上，改變壓板上標(biāo)稱重物對光纖的壓力方向和大小，圖5為該結(jié)構(gòu)在測試平臺上的實驗結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)是一種靈敏度高、線性度高的增敏結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)表明該結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確的響應(yīng)0.1ｇ的微小重力差別，但是量程較小，實驗表明可以通過壓板上標(biāo)稱重物的重量來改變量程靈敏度，從而實現(xiàn)大范圍的測量。 4.發(fā)明的主要特點和效果（1）靈敏度高，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉；（2）響應(yīng)速度快（μs級，目前商用壓力傳感器一般只能達(dá)到ms量級）；（3）對光源要求較低，不受光強和波長漂移的影響；（4）容易小型化、模塊化設(shè)計；（5）信號解調(diào)方法簡單，不需要復(fù)雜的信號處理手段；（6）易于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計生產(chǎn)，可用于傳感器陣列。 5.成果分析 本發(fā)明作為一種更加先進(jìn)的FLRD傳感技術(shù)，與其他測量方法及系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于，本發(fā)明的多參量傳感器及測量系統(tǒng)所需的物理量為時間，不需要任何光放大設(shè)備，所以不會引入ASE噪聲而響應(yīng)迅速；同時，本發(fā)明對光源要求較低，不受光強波動的影響。應(yīng)用本發(fā)明測量系統(tǒng)進(jìn)行測量的方法比較直觀，數(shù)據(jù)處理算法只是簡單的最小二乘擬合與簡單的代數(shù)計算，不需要復(fù)雜的信號解調(diào)算法。另外，用于不同物理參量測量時，由于傳感原理相同，不會在本質(zhì)上改變傳感特性，只需重新定標(biāo)即可，實現(xiàn)了同一系統(tǒng)多個參量的測量。此外，用于氣體吸收、液體濃度、折射率等參量測量時，避免了傳統(tǒng)FLRD系統(tǒng)必須使用開放式傳感頭的缺點，實現(xiàn)了系統(tǒng)的全光纖化，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，使用起來也更為方便。 綜上，多參量傳感器及測量系統(tǒng)能夠有效測量壓力、溫度、氣體吸收、液體濃度、折射率等多種參數(shù)，不僅具有傳統(tǒng)FLRD傳感技術(shù)信號解調(diào)簡單、響應(yīng)迅速、設(shè)計靈活性及不受光強度波動影響等優(yōu)點，同時還解決了傳統(tǒng)FLRD體積大、難以微型化設(shè)計、光纖環(huán)形腔固定難、用于壓力傳感時的溫度交叉敏感、用于氣體吸收等測量時無法全光纖化等技術(shù)問題。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.作品設(shè)計、發(fā)明的目的 光纖傳感器的應(yīng)用日益廣泛。但是，目前光纖傳感器很難實現(xiàn)多參量同時傳感。對此，本作品將光纖腔衰落技術(shù)引入到光纖傳感中，利用同一傳感平臺及其測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)壓力、溫度、氣/液體濃度等多物理參量的檢測。 2.基本思路 FLRD傳感技術(shù)采用光纖環(huán)路作為光學(xué)諧振腔。當(dāng)一束脈沖激光經(jīng)耦合器進(jìn)入光纖環(huán)路，輸出的信號強度隨時間呈指數(shù)衰減。衰減時間與傳感頭引入的光強衰減系數(shù)呈線性關(guān)系。因此，通過檢測衰減時間的變化就能知道待測物理量的變化，實現(xiàn)多物理量的測量。 3.創(chuàng)新點（1）在國內(nèi)首次提出采用FLRD技術(shù)實現(xiàn)多物理量傳感，申請了發(fā)明專利；（2）感頭易于小型化設(shè)計，便于構(gòu)成傳感陣列；（3）能用于高溫、高壓、高電磁干擾、強腐蝕性等惡劣環(huán)境；（4）成本低，使用方便，只需更換不同類型的傳感頭就能實現(xiàn)不同物理量的測量；（5）靈敏度可調(diào)。 4.關(guān)鍵技術(shù)（1）光纖環(huán)形腔的搭建，要求本征損耗非常低，以提高檢測精度；（2）光纖傳感頭的設(shè)計與制作，要求在測量不同物理量時便于更換；（3）信號處理軟件的編寫，要求系統(tǒng)的實時性強。 5.主要技術(shù)指標(biāo)（1）檢測精度：在用于液體濃度檢測時，精度可達(dá)0.01摩爾/升，用于吸收系數(shù)測量時精度可達(dá)0.01/厘米；（2）靈敏度：靈敏度可調(diào)，隨著腔內(nèi)光纖長度的增加而增加；（3）響應(yīng)時間：傳統(tǒng)光纖傳感系統(tǒng)響應(yīng)時間一般在毫秒級，本作品響應(yīng)時間可達(dá)微秒級，壓力傳感時響應(yīng)時間約為300納秒。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.作品先進(jìn)性 本作品將新穎的FLRD技術(shù)用于光纖傳感，通過簡單的設(shè)計可以實現(xiàn)同一系統(tǒng)多物理量測量。本作品具信號處理簡單、成本低等特點，同時還具高靈敏度的特點，它將靈敏度與實時性較為完美地結(jié)合在一起，有廣泛的應(yīng)用前景。本作品實現(xiàn)了高壓、高溫和液體濃度的檢測，取得了較好的實驗結(jié)果，檢測靈敏度高于同類傳感器。 2.作品科學(xué)性（1）與傳統(tǒng)強度型光纖傳感器相比 測量精度高，且通過降低腔的本征損耗可提高測量精度； 檢測靈敏度高，且通過簡單地增加腔內(nèi)光纖長度就可提高靈敏度； 穩(wěn)定性強，檢測的是相對光強變化，從根本上消除了光源功率波動對測量結(jié)果的影響。（2）與干涉型光纖傳感器相比 成本低，對光源的相干性、功率和波長穩(wěn)定性都沒有要求，普通的半導(dǎo)體激光器即可滿足要求； 信號處理簡單，屬于強度性光纖傳感器，無需復(fù)雜的信號解調(diào)算法； 響應(yīng)速度快，屬于時域傳感器，響應(yīng)速度可達(dá)微秒量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般干涉型可達(dá)的毫秒量級。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院2011年度“創(chuàng)新杯”競賽一等獎. 2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)2011年度“創(chuàng)新杯”競賽通信評議第三名，本科生組第一名。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 與國防科大定向能技術(shù)研究所簽定技術(shù)服務(wù)合同；與中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院簽定技術(shù)服務(wù)合同。
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 基于FLRD技術(shù)的光纖傳感器是一種新型的強度型光纖傳感器，利用同一系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多物理量的測量。該新型光纖傳感器具有靈敏度高、檢測精度高、穩(wěn)定性好、系統(tǒng)成本低、信號處理簡單等優(yōu)點。 本作品可以用于高溫高壓環(huán)境下的溫度和壓力測量。我們將該系統(tǒng)用于化學(xué)激光器噴口處的壓力和溫度實時監(jiān)測，取得了較好的實驗結(jié)果。測量精度與商用測量儀器（美國進(jìn)口，50萬元左右）相當(dāng)，響應(yīng)速度則快得多，本作品可達(dá)微秒級，而美國進(jìn)口儀器只有毫秒級。 本作品也可以用于化學(xué)藥品的濃度檢測。我們將本作品用于血液濃度的檢測，取得了較好的實驗結(jié)果，測量精度與國外進(jìn)口儀器相當(dāng)，但成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口儀器。 將現(xiàn)代新型的光子晶體光纖與本技術(shù)結(jié)合，可大大擴展本作品的應(yīng)用范圍。特別是利用極短的空心光子晶體光纖就可以實現(xiàn)液體和氣體吸收系數(shù)測量，測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的測量方法，而傳感頭尺寸可以做得非常小。 本作品有望發(fā)展一種新型的多物理量在線監(jiān)測技術(shù)，特別適用于各種惡劣環(huán)境，具有重要的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 光纖傳感器的造價低廉、體積小、重量輕、不受電磁輻射影響、可長距離監(jiān)測以及多用途等優(yōu)點使它的應(yīng)用日益廣泛。同時，它也成為傳感器研究長盛不衰的熱門。至今，光纖傳感器的研究已經(jīng)持續(xù)了30多年，尤其在光源、光纖材料和檢測方法等方面都有很大的進(jìn)步。目前，已經(jīng)研發(fā)出基于多種不同原理的穩(wěn)定可用的光纖傳感器，如光譜式、光吸收式、干涉式等。盡管不斷有新的光纖傳感器出現(xiàn)，但其研究的源動力仍是兩個主要方面：新傳感平臺和傳感效果的研究。新傳感平臺的研究主要指研究新的傳感方式使之達(dá)到降低制作成本以及充分利用現(xiàn)有的傳感設(shè)備的目的。傳感效果的研究則主要包括三個方面：其一，傳感靈敏度和檢測精度的提高；其二，更快的響應(yīng)速度、更遠(yuǎn)的傳感距離和更快的數(shù)據(jù)傳輸；其三，多參量同時傳感，這樣單個傳感器可以簡單的加入到任意傳感網(wǎng)絡(luò)里或者從網(wǎng)絡(luò)中移出。 光纖傳感器的研發(fā)中最值得關(guān)注的地方之一便是設(shè)計各種性能優(yōu)良、用途廣泛的傳感器及傳感系統(tǒng)。現(xiàn)有的傳感器主要是通過檢測光強、相移、或者光強和相移來實現(xiàn)。但是，到目前為止這樣的傳感方式都不能實現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)計的多用途傳感。若將各種傳感器集中到一個系統(tǒng)中區(qū)，則不僅增加了成本，還使得數(shù)據(jù)處理和傳遞變得繁雜低效。 實現(xiàn)多參量傳感的一個可能的突破口就是FLRD技術(shù)。自2001年首次提出FLRD概念以來，F(xiàn)LRD技術(shù)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新。到目前為止，一些基于FLRD技術(shù)的傳感器相繼報道，如FLRD氣/液傳感器、FLRD壓力傳感器、FLRD布拉格光柵溫度傳感器、FLRD應(yīng)變傳感器、FLRD折射率傳感器以及FLRD微流體傳感器。但是，它們都是單一的傳感器，關(guān)于多參量的傳感器系統(tǒng)未見報道。而且，報道的都是實驗室研究結(jié)果，未見實際應(yīng)用的報道。本作品重點研究基于FLRD的多參量傳感及其參量系統(tǒng)，而且在實際物理量的檢測中得到了應(yīng)用，并取得了較好的實驗結(jié)果。本作品具有靈敏度和精度高、成本低、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、信號處理簡單等優(yōu)點，有望發(fā)展一種具有重要應(yīng)用價值和廣泛應(yīng)用前景的新型多物理量在線監(jiān)測技術(shù)。
