光纖振動(dòng)傳感器1

1、中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）光纖振動(dòng)傳感器The Optical Fiber Vibration Sensor鄭 重 聲 明本人呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。分類號(hào)： TP2 密 級(jí)： 公開(kāi) UDC： 535 學(xué)校代碼： 10356 中國(guó)計(jì)量學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 光纖振動(dòng)傳感器The Optical Fiber Vibra

2、tion Sensor致 謝大學(xué)四年如白駒過(guò)隙，不得不承認(rèn)這四年是我這一生中最值得回味的時(shí)光。在此十分感謝母校給我留下四年美好的回憶，感謝08光電2班的各位同窗好友，我們一起承載了這四年的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，酸甜苦辣，你們的關(guān)心和愛(ài)護(hù)讓我在這個(gè)集體里倍感溫暖，一起走過(guò)的日子將成為我美好的回憶，也希望我們的友誼長(zhǎng)存。同時(shí)真誠(chéng)感謝我父母對(duì)我學(xué)業(yè)的支持和那些給予我教育的老師和幫助的同學(xué)。此論文即將完成之際，我特別感謝我的導(dǎo)師李裔。在本論文的寫(xiě)作過(guò)程中，他傾注了大量的心血，從選題到開(kāi)題報(bào)告，從寫(xiě)作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問(wèn)題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝。光纖振動(dòng)傳感器摘 要：光纖通信的發(fā)

3、展日新月異，光纖在信息的傳輸方面起著越來(lái)越重要的作用。于此同時(shí)，創(chuàng)新技術(shù)的進(jìn)步也推進(jìn)了光纖技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的不同于普通光纖的特種光纖，其中錐形光纖即屬于特種光纖的一種。錐形光纖的最大特點(diǎn)是，由于錐形光纖半徑的變化，導(dǎo)致光纖傳輸特性的變化。光纖傳感器具有小巧、抗電磁干擾、靈敏度高、適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。目前，光纖振動(dòng)傳感器都具有成本較高，解調(diào)比較復(fù)雜的缺點(diǎn)。為了解決光纖振動(dòng)傳感器所存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的光纖傳感器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的測(cè)量。此光纖振動(dòng)傳感器是以拉錐型單模光纖為基礎(chǔ)制作的一種光纖振動(dòng)傳感器，通過(guò)在拉錐過(guò)程中改變一些結(jié)構(gòu)參數(shù)， 使之對(duì)外界環(huán)境( 壓力、振動(dòng)等) 有較靈敏的響

4、應(yīng)，將傳感器粘貼在被測(cè)物體上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些信號(hào)的檢測(cè)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，測(cè)量頻帶寬，解調(diào)成本較低，不受溫度漂移影響,對(duì)光源無(wú)硬性要求等優(yōu)點(diǎn)，是一種很具發(fā)展?jié)摿Φ墓饫w振動(dòng)傳感器。關(guān)鍵詞：光纖傳感器、振動(dòng)、錐形光纖、新型振動(dòng)傳感器中圖分類號(hào)：TN253The Optical Fiber Vibration SensorAbstract: The rapid development of optical fiber communication, fiber plays an increasingly important role in the transmission of informat

5、ion. At the same time, innovation and technological progress also promoted the rapid development of optical fiber technology, a variety of special fiber different from the ordinary fiber, tapered fiber that belong to a kind of special fiber. Tapered fiber, due to changes in the tapered fiber radius,

6、 leading to changes in the optical fiber transmission characteristics.The fiber optic sensor is compact, anti-electromagnetic interference, high sensitivity, suitable for long-term monitoring. At present, the optical fiber vibration sensor has the disadvantage of higher cost, more complex demodulati

7、on. In order to solve the problems of optical fiber vibration sensor, designed a new type of optical fiber sensor of vibration measurement. Tapered single-mode fiber optical fiber vibration sensor based on pull produced based on an optical fiber vibration sensor more sensitive response to the change

8、 in the tapered structure parameters, so that the external environment (pressure, vibration, etc.)paste the sensor on the measured object, enabling the detection of these signals. With simple structure, easy to produce, the measurement frequency bandwidth, demodulation lower cost, not affected by te

9、mperature drift, no rigid requirements and advantages of the light source, optical fiber vibration sensor is a potential for development.Keywords: fiber optic sensors, vibration, tapered fiber, the new vibration sensors Classification:TN253目錄第一章 緒論51.1 引言51.2 光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介51.3 光纖傳感器的應(yīng)用51.4 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展61.5

10、本論文研究的主要內(nèi)容71.6 振動(dòng)傳感測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀7第二章 光纖傳感器的特點(diǎn)和工作原理82.1 光纖傳感器的特點(diǎn)82.2 光纖傳感器的工作原理82.3 光纖傳感器的分類9第三章 光纖振動(dòng)傳感器的研究10103.2 光纖振動(dòng)傳感器信號(hào)的解調(diào)技術(shù)14第四章 錐形光纖的結(jié)構(gòu)和傳光特性184.1 錐形光纖的結(jié)構(gòu)184.2 實(shí)驗(yàn)拉制成的錐形光纖184.3 錐形光纖的傳光特性19第五章 實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)分析21第六章 總結(jié)30參考文獻(xiàn)31第一章 緒論1.1 引言1970年華裔科學(xué)家高餛博士提出了損耗很低的光導(dǎo)纖維的概念以及美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室指出了可在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器，開(kāi)創(chuàng)了光通信技術(shù)的先河。光纖

11、作為各種光電器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)器件的性能要求起著至關(guān)重要的作用。隨著光學(xué)器件的不斷發(fā)展，誕生出滿足各種需要的光纖。光纖具有纖細(xì)、質(zhì)軟、耐水、耐高溫、耐腐蝕、耐水、耐高溫、耐腐蝕等特性，特別是抗電磁干擾和原子輻射的性能，使得光纖的應(yīng)用非常廣泛。它可以超越人的生理界限，接收人感受不到的信息領(lǐng)域，使人們的日常生活更加豐富多彩。在人無(wú)法接近的地方如嚴(yán)寒酷暑的地方，可以作為傳感器件。在對(duì)人有害的地區(qū)如核輻射區(qū)，可以當(dāng)作人的感覺(jué)器官，感知外界環(huán)境。如今在人們生活的許多領(lǐng)域中自動(dòng)控制系統(tǒng)飛速發(fā)展，使得傳感技術(shù)在人們的生活中得到了很好的展示舞臺(tái)。而對(duì)于光纖傳感器來(lái)說(shuō)，它有精度高、測(cè)量范圍廣、不受強(qiáng)度干擾等突出

12、的優(yōu)良特性，是該技術(shù)領(lǐng)域的后起之秀。光纖傳感器具有多種傳感形式，如強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、偏振調(diào)制等。相位調(diào)制分布式光纖振動(dòng)傳感器能夠多次測(cè)量并且有高精度的定位傳感，這一優(yōu)點(diǎn)使人們對(duì)它的關(guān)注度提高。相位調(diào)制型被應(yīng)用于很多對(duì)靈敏度要求高的工程中，是因?yàn)樗沁@些傳感器中靈敏度最高的。1.2 光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖傳感器的歷史可追溯到上世紀(jì)70 年代，那時(shí)，人們開(kāi)始意識(shí)到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無(wú)需任何中間級(jí)就能把待測(cè)的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)

13、。光纖傳感器是以光波為信息載體，以光纖為傳輸媒質(zhì)的，其有很多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、質(zhì)輕體小、安全可靠、傳輸容量大等。作為新興的光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，它有著普通傳感器無(wú)法比擬的廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)政府大力支持鼓勵(lì)科學(xué)家對(duì)這方面的研究，使得光纖傳感器得到了飛速的發(fā)展。但是，由于技術(shù)上有些方面沒(méi)有克服及價(jià)格較高，阻礙了它在工程上的發(fā)展。目前，經(jīng)過(guò)研究者的不斷研究，光纖傳感技術(shù)在這兩個(gè)瓶頸上都有了很大突破，并且應(yīng)用領(lǐng)域也越加廣闊。1.3 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器作為一種優(yōu)勢(shì)明顯的新型傳感器，不但在高、精、尖領(lǐng)域得到應(yīng)用， 而且在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域也迅速推廣，光纖傳感器在海洋、化工、土木工

14、程、水利電力等各個(gè)領(lǐng)域顯示出了應(yīng)有的活力。光纖傳感器已用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、溫度等70多個(gè)物理量的測(cè)量并且在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警等方面有廣泛的應(yīng)用前景。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1） 在需要測(cè)定溫度、電壓等參數(shù)的系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)的傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無(wú)法在這些場(chǎng)合中使用，這時(shí)此類傳感器就發(fā)揮了重要作用。（2） 在軍事領(lǐng)域中，光纖傳感器常常扮演重要的角色。它可用與光纖制導(dǎo)武器、光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器、光纖加速度計(jì)、光纖壓力傳感器、光纖靈巧蒙皮、光纖戰(zhàn)地化學(xué)傳感器等。（3） 在需要檢測(cè)氧氣、碳?xì)浠衔铩⒌葰怏w的系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的傳

15、感器可能嚴(yán)重會(huì)對(duì)人的安全造成威脅。因此，研發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)。（4） 在醫(yī)用傳感器方面，可用于胃鏡、神經(jīng)修復(fù)、外科手術(shù)監(jiān)測(cè)。（5） 城市建設(shè)中橋梁，大壩等的干涉陀螺儀或光柵壓力傳感器的應(yīng)用。用于智能系統(tǒng)光纖機(jī)器人、智能制造與柔性加工、電力繼電保護(hù)與火災(zāi)報(bào)警、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障診斷、智能大廈等方面。采用光纖傳感器可以具有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的精度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各領(lǐng)域的生物量的快速、方便、準(zhǔn)確地檢測(cè)。在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)、安全性能檢測(cè)等方面，由于影響因素多，傳感器精度不高，并且易受外界因素的干擾。1.4 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展目前，作為工程中信息獲取與傳輸核心器件的

16、光纖傳感器技術(shù)迅速發(fā)展，及其相關(guān)技術(shù)的帶動(dòng)，使得各領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，這就使得光纖傳感器的研究更加重要。探討光纖傳感器的各個(gè)組成部分及所用到的元器件的性能，如抑制光源的波動(dòng)、降低光纖傳輸時(shí)損耗等，特別是探索新的敏感機(jī)理，發(fā)展數(shù)字、集成化和自動(dòng)化的新型光纖傳感器，研制出適合于網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的光纖傳感器陣列，以及特殊測(cè)量要求的新型光纖傳感器是今后的研究發(fā)展趨勢(shì)。光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì)有如下幾個(gè)方面：(1)光纖光柵傳感網(wǎng)：光纖光柵是最近幾年發(fā)展迅速的光纖無(wú)源器件，它在諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。光纖光柵實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾光器或反射鏡。利用這一特性構(gòu)成了許多獨(dú)特的光纖傳感器，用于應(yīng)力、振動(dòng)

17、、溫度等參量檢測(cè)的光纖傳感器和各種光纖傳感網(wǎng)。采用光纖光柵構(gòu)成多參量傳感器也是目前研究熱點(diǎn)之一。(2)分布式光纖傳感網(wǎng)：分布式光纖傳感器是近幾年研究中火熱的話題之一。它可以測(cè)量沿光纖方向上任意一點(diǎn)上的外界信息的改變量。由于它可檢測(cè)范圍廣泛，所以要克服被測(cè)量沿空間位置變化，可利用光纖中的傳輸損耗、模耦合、傳播的相位差、非線性效應(yīng)等給出連續(xù)分布的測(cè)量結(jié)果；另一個(gè)是準(zhǔn)確給出被測(cè)量的所在空間位置，可利光時(shí)域反射技術(shù)、掃描干涉技術(shù)等給出被測(cè)量的所在空間位置。圖1.4 分布式光纖傳感應(yīng)用(3)用于智能材料和結(jié)構(gòu)的光纖傳感技術(shù)：在材料和結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中，將傳感元件放入結(jié)構(gòu)中，傳感器件可對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、形變等參

18、量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。由于此類傳感器具有體積小、帶寬大、抗電磁干擾、損耗低、靈敏度高、電絕緣性好等諸多優(yōu)于其它傳感器的性能，即可以同時(shí)作為傳感元件和傳輸媒介，也可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)以及分布式的測(cè)量，也是國(guó)內(nèi)外目前研究用于智能結(jié)構(gòu)的傳感技術(shù)的熱點(diǎn)。1.5 本論文研究的主要內(nèi)容1. 光纖傳感器的特點(diǎn)和工作原理2. 光纖振動(dòng)傳感器的基本原理；3. 設(shè)計(jì)光纖振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)聲音頻譜范圍振動(dòng)的測(cè)試。1.6 振動(dòng)傳感測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀二十世紀(jì)初，研究者們就開(kāi)始對(duì)振動(dòng)技術(shù)進(jìn)行探索研究。振動(dòng)測(cè)量主要是測(cè)量振幅、頻率、速度、加速度及位移等動(dòng)態(tài)參數(shù)。動(dòng)態(tài)測(cè)量就是將傳感器測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，對(duì)信號(hào)作放大、濾波等處理工作，然后將

19、該信號(hào)進(jìn)行分析、顯示的過(guò)程。隨著工程中對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)需求的提高，振動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量高質(zhì)量的測(cè)量設(shè)備和先進(jìn)的測(cè)量方法。目前，振動(dòng)測(cè)量的方法主要包括機(jī)械式、電氣式和光學(xué)式三類。其中，光學(xué)式測(cè)量方法彌補(bǔ)了機(jī)械式測(cè)量方法或電氣式測(cè)量方法的不足，具有測(cè)量靈敏度高、響應(yīng)頻帶寬，快速、抗電磁干擾能力強(qiáng)、測(cè)距遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。它屬于光學(xué)傳感器范疇，將振動(dòng)信號(hào)的改變量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的改變量來(lái)測(cè)定的。信號(hào)的探測(cè)、采集和處理是振動(dòng)測(cè)量的核心。由于信息處理技術(shù)的突飛猛進(jìn)，數(shù)據(jù)的采集和處理技術(shù)已逐步走向成熟。但是目前在工程中應(yīng)用較多的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)主要還是采用的電氣類傳感器，其測(cè)量距離短、靈敏度低、抗干擾能力差、受環(huán)境影響

20、大，不能滿足工程應(yīng)用的需求。目前，研究者們已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出了很多光纖振動(dòng)傳感器。這類傳感器克服了傳統(tǒng)振動(dòng)傳感器的諸多缺陷，具有測(cè)量靈敏度高、測(cè)量范圍廣、抗電磁干擾、適合各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛重視。第二章 光纖傳感器的特點(diǎn)和工作原理2.1 光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、固有的安全性好、抗電磁干擾、高絕緣強(qiáng)度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感器受到世界各國(guó)的廣泛重視。總體來(lái)說(shuō)光纖傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，概括如下：(1) 高靈敏度(2)輕細(xì)柔韌便于安裝埋設(shè)(3)電絕緣性及化學(xué)穩(wěn)定性。光纖本身是一種高絕緣、化學(xué)性能穩(wěn)定的物質(zhì)，適用于電力系統(tǒng)

21、及化學(xué)系統(tǒng)中需要高壓隔離和易燃易爆等惡劣的環(huán)境中。(4)良好的安全性。光纖傳感器是電無(wú)源的敏感元件，故應(yīng)用于測(cè)量中時(shí)，不存在漏電及電擊等安全隱患。 (5)抗電磁干擾。一般情況下光波頻率比電磁輻射頻率高，因此光在光纖中傳播不會(huì)受到電磁噪聲的影響。(6)可分布式測(cè)量。一根光纖可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連續(xù)測(cè)控，能準(zhǔn)確測(cè)出任一點(diǎn)上的應(yīng)變、損傷、振動(dòng)和溫度等信息，并由此形成具備很大范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，提高對(duì)環(huán)境的檢測(cè)水平。(7) 使用壽命長(zhǎng)。光纖的主要材料是石英玻璃，外裹高分子材料的包層，這使得它具有相對(duì)于金屬傳感器更大的耐久性。(8) 傳輸容量大。以光纖為母線，用傳輸大容量的光纖代替笨重的多芯水下電纜采集收納各感

22、知點(diǎn)的信息，并且通過(guò)復(fù)用技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式的光纖傳感器監(jiān)測(cè)。纖細(xì)的光纖具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，使得它在建筑橋梁、醫(yī)療衛(wèi)生、煤炭化工、軍事制導(dǎo)、地質(zhì)探礦、電力工程、石油勘探、地震波檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。2.2 光纖傳感器的工作原理光纖傳感器工作原理是用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到被測(cè)物理量。在光纖傳感器中，由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒質(zhì)，并且在光纖中傳播的光波因外界因素的變化而改變，同時(shí)也可將光纖作為傳感元件來(lái)探測(cè)如振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等物理量。圖2 光纖傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)成2.3 光纖傳感器的分類光纖傳感器按其作用不同可分

23、為兩種類型：一類是功能型(傳感型)傳感器；另一類是非功能型(傳光型)傳感器。光纖作為敏感元件，光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗槐粶y(cè)量進(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的特性發(fā)生變化，如強(qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等。 通過(guò)信號(hào)解調(diào)，得出被測(cè)信號(hào)，這類傳感器稱為功能型傳感器。光纖在不僅在其中扮演導(dǎo)光媒質(zhì)，并且扮演敏感元件。光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。非功能型傳感器是用非光纖敏感元件來(lái)感知被測(cè)參量的變化，光纖僅作為信息的傳輸媒介。所以光纖在此類傳感器系統(tǒng)中僅起導(dǎo)光作用，這時(shí)由于光照在光纖型敏感元件上，使得它受到被測(cè)量調(diào)制。由被調(diào)制的光波參數(shù)不同，光纖傳感器分為相位調(diào)制型、強(qiáng)度調(diào)制型、顏色(波長(zhǎng))調(diào)制型、偏振調(diào)制光型及頻率調(diào)制型等。由被測(cè)

24、對(duì)象的不同，光纖傳感器分為電流、濃度、位移、溫度等對(duì)應(yīng)的傳感器。第三章 光纖振動(dòng)傳感器的研究隨著光纖和光電子器件技術(shù)研究的不斷深入，光纖傳感技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于光纖傳感器的體積小、質(zhì)量輕、精度高、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，并且它具有良好的抗電磁干擾、耐腐蝕性和不導(dǎo)電性，所以在很多領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。光纖傳感器發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)可以探測(cè)很多的物理量，給人們的生活帶來(lái)了極大的益處。其中探測(cè)的物理量有電壓、電流、加速度、流速、壓力、溫度、位移、生物醫(yī)學(xué)量及化學(xué)量等等。光纖振動(dòng)傳感器就是這些中的一員。光纖振動(dòng)傳感器的出現(xiàn)已有30來(lái)年的歷史，它是測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的。最初的光纖振動(dòng)傳感器是采用干涉

25、式的結(jié)構(gòu)2，利用振動(dòng)產(chǎn)生的光纖應(yīng)變導(dǎo)致干涉儀信號(hào)臂的相位發(fā)生變化，但這種傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于復(fù)用。 由于振動(dòng)在自然界、人們生活中及各個(gè)重大工程中普遍存在，所以研究人們對(duì)振動(dòng)的測(cè)量十分關(guān)注。本章將對(duì)幾種常用的光纖振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)解調(diào)方法所存在問(wèn)題，進(jìn)行分析與討論，繼而可以更好的設(shè)計(jì)新的振動(dòng)傳感器，為設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備工作。查閱了眾多文獻(xiàn)資料，歸納了幾種典型的光纖振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)原理，主要有光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、光纖布拉格光柵波長(zhǎng)調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型等幾種形式。利用外界因素引起的光纖中光波相位變化來(lái)探測(cè)各種物理量的傳感器，稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器。由于位相調(diào)制傳感器具有非常高的靈敏

26、度，它是所有光纖傳感器中最為人所知的。一般地說(shuō)，這種傳感器運(yùn)用一個(gè)相干激光光源和兩個(gè)單模光纖。光線被分束后入射到光纖。如果干擾影響兩根相關(guān)光纖的其中一根、就會(huì)引起位相差，這個(gè)位相差可精確地檢測(cè)出。位相差可用干涉儀測(cè)量。有四種干涉儀結(jié)構(gòu)。它們包括：馬赫澤德?tīng)?、邁克爾遜、法布里帕羅和賽格納克干涉儀，其中馬赫澤德?tīng)柡唾惛窦{克干涉儀分別在水聽(tīng)器和陀螺上應(yīng)用非常廣泛 。下面是基于光纖Sagnac干涉原理。A和B是干涉儀的兩個(gè)傳感臂，起到傳輸光的作用。C是一段被繞成圓環(huán)狀的光纖，是用來(lái)接收或感應(yīng)外接信息的變化，22光纖3dB耦合器被用來(lái)分解和合成干涉光束。注入的光經(jīng)過(guò)耦合器被分為兩束，一束光由A到C再到B

27、，最后傳回到耦合器中；另一束由B到C再到A，最后傳回到耦合器中，兩束光相遇產(chǎn)生干涉。光纖Sagnac干涉振動(dòng)傳感器，是以光學(xué)Sagnac干涉儀為基礎(chǔ)，利用單模光纖和3dB耦合器構(gòu)成。該傳感器能夠探測(cè)微弱振動(dòng)4，光線入射進(jìn)環(huán)狀單模光纖兩端，進(jìn)入光纖的光既有順時(shí)針也有逆時(shí)針傳播，光纖環(huán)不動(dòng)時(shí)，由于順時(shí)針和逆時(shí)針的傳播光程相同，不會(huì)引起位相差。但是，如果光纖環(huán)以一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)（例如順時(shí)針），對(duì)于順時(shí)針的傳播時(shí)間就會(huì)減少，另一方面，逆時(shí)針的傳播時(shí)間就會(huì)增加，會(huì)聚的光束就會(huì)產(chǎn)生位相差。這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的靈敏檢測(cè)。3.1.1 Sagnac光纖傳感器原理示意圖對(duì)于法布里珀羅干涉儀來(lái)說(shuō)，它具有非常高的靈敏

28、度。這主要是由于入射的相干光部分反射回激光器（通常是95反射，5透射），透射光進(jìn)入相干腔，又部分反射（95）部分透射（5），經(jīng)第一個(gè)鏡透射的5的光在第二個(gè)鏡上95被反射而5通過(guò)探測(cè)器，經(jīng)多次的反射，檢測(cè)到的光大約減少19（每?jī)纱畏瓷涞难h(huán)損失為5）。在光纖中多次來(lái)回反射增大了位相差，從而獲得了非常高的靈敏度。首先，介紹一下強(qiáng)度調(diào)制的機(jī)理。強(qiáng)度調(diào)制傳感器一般與位移或其他物理擾動(dòng)相聯(lián)系，這種擾動(dòng)與光纖發(fā)生作用，或與連接于光纖的機(jī)械調(diào)制器作用，引起接收到的光強(qiáng)發(fā)生改變。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的種類很多。根據(jù)對(duì)信號(hào)光調(diào)制方法的不同，可以分為外調(diào)制型（調(diào)制區(qū)域在光纖外部），也稱傳光型，及內(nèi)調(diào)制（調(diào)制區(qū)域?yàn)?/p>

29、光纖本身），也稱傳感型。傳光型有可分為反射式和透射式；傳感型包括光模式功率分布型、光吸收系數(shù)調(diào)制型和折射率強(qiáng)度調(diào)制型等等。目前，改變光纖光強(qiáng)的辦法有以下幾種形式。如改變光纖的耦合條件，改變光纖的歪曲狀態(tài)，改變光纖中折射率的分布，改變光纖對(duì)光波的吸收特性等等?？傊鈸p失可以是由于以下因素而引起：透射，反射，微小彎曲或吸收，散射，熒光等。在光纖通信中，光纖耦合技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，蔣奇、隋青美等人研制成功了一種全光纖器件的高性能耦合型光纖聲振動(dòng)傳感器，以其測(cè)量帶寬，靈敏度高，解調(diào)、制作成本低，使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到很多人的關(guān)注5。為使單模光纖耦合器可作為傳感器應(yīng)用，研究人員分析了單模光纖耦合傳感器的敏

30、感機(jī)理，根據(jù)傳感器耦合輸出與傳感器耦合區(qū)長(zhǎng)度及耦合區(qū)振動(dòng)頻率存在一定的關(guān)系這一原理，可以制成光纖振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的檢測(cè)。圖熔錐形光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖耦合型傳感器原理是通過(guò)測(cè)量耦合器輸出功率的變化，求出傳感器加速度的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的測(cè)量。此類傳感器對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)非常靈敏,耦合比的線性關(guān)系良好,且溫度漂移影響可以穩(wěn)定在0. 5 %以內(nèi)。與壓電振動(dòng)傳感器的測(cè)試對(duì)比,該傳感器可更好地實(shí)現(xiàn)050 Hz 低頻和4 kHz 高頻振動(dòng)檢測(cè)。由于耦合型傳感器受制作工藝，外界干擾等影響，傳感器耦合輸出比的控制，主要在人工拉錐過(guò)程中通過(guò)觀測(cè)光譜儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)在對(duì)于耦合區(qū)的長(zhǎng)度和截面形狀還不能有效的控制，這樣導(dǎo)致了

31、不同的光纖傳感器的物理性能相互差異較大，保持光纖耦合器性能的一致性是目前要克服的。所以，耦合型光纖傳感器可基本實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變和振動(dòng)參數(shù)的檢測(cè),但如果面向?qū)嵱没脑挘€要考慮到制作工藝、耦合區(qū)材料、結(jié)構(gòu)本身等多重因素的影響。波長(zhǎng)調(diào)制傳感原理為被測(cè)場(chǎng)/參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸光的波長(zhǎng)改變，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量光波長(zhǎng)的變化量來(lái)確定被測(cè)參量。由布拉格中心波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式3.1.3，通過(guò)外界參量對(duì)布拉格中心波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息7，這個(gè)過(guò)程是光纖光柵的傳感原理。（）式中，纖芯的有效折射率是，T為光柵的周期。由方程可知，是由光柵周期，反向耦合模的有效折射率決定的。其中，任何能使得這兩個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的物

32、理過(guò)程都將引起光柵布拉格波長(zhǎng)的漂移。在所有引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移的外接因素中，最直接的是應(yīng)變參數(shù)的改變。進(jìn)而，這種新型的、基于波長(zhǎng)漂移檢測(cè)的光纖傳感器機(jī)理被得到了廣泛的應(yīng)用。光纖布拉格光柵具有成本低、體積小、抗電磁干擾、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于輻射性、強(qiáng)磁場(chǎng)、腐蝕性或危險(xiǎn)性大的環(huán)境中物理參量的測(cè)量，是目前最具發(fā)展前景的一類光纖傳感器。目前國(guó)內(nèi)外已有不少光纖光柵振動(dòng)傳感器的報(bào)道，主要采用了機(jī)械懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6。但是，由于機(jī)械懸梁臂一般都是由金屬材料制作而成，其固有的熱脹冷縮導(dǎo)致了懸梁臂對(duì)溫度的交叉靈敏度，成為了該類傳感器發(fā)展的屏障。為消除對(duì)振動(dòng)的交叉敏感性，現(xiàn)主要采用、機(jī)械補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及參考

33、光纖光柵等技術(shù)方法。但這些方法比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不易加工。下面介紹研究者設(shè)計(jì)的一種光纖光柵振動(dòng)傳感器8。它是由機(jī)械懸梁臂一端固定在封裝殼上，與待測(cè)的物臺(tái)連接。在測(cè)量振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)源和物臺(tái)同時(shí)振動(dòng)，而引起懸梁臂振動(dòng)。兩個(gè)相同特質(zhì)的光纖光柵，一個(gè)安裝在懸梁臂下表面的對(duì)稱位置作為信號(hào)解調(diào)光柵，另一個(gè)安裝在機(jī)械懸梁臂的上表面上作為傳感光柵。由振動(dòng)慣性力的作用下懸臂梁發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)光柵產(chǎn)生周期性的應(yīng)變拉伸或收縮，從而引起FBG的布拉格波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)探測(cè)波長(zhǎng)的信息前后是否一致，就能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)量。圖3.1.3.1 光纖光路圖圖是光纖光柵傳感器的光路原理圖。光通過(guò)2×2 光纖耦合器，送到傳感頭

34、1上。之后，反射光信號(hào)返回又經(jīng)2×2 光纖耦合器，經(jīng)過(guò)傳感頭2上，傳感頭2的透射光強(qiáng)經(jīng)光電轉(zhuǎn)化，由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)的電信號(hào)，此時(shí)傳感頭2的作用是用作傳感頭1的光波長(zhǎng)濾波器，將傳感頭1的波長(zhǎng)改變轉(zhuǎn)化成為光強(qiáng)信號(hào)變化。此傳感器的原理圖此光纖光柵振動(dòng)傳感器特點(diǎn)是用一種新的簡(jiǎn)單易行的解調(diào)技術(shù)，可以有效消除光纖光柵敏感信號(hào)的啁啾現(xiàn)象，有效減弱傳感器的溫度交叉敏感的問(wèn)題，振動(dòng)測(cè)量精度有顯著的提高。3.2 光纖振動(dòng)傳感器信號(hào)的解調(diào)技術(shù)信號(hào)解調(diào)是光纖傳感器實(shí)用化所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一9。目前常用的適用于干涉型光纖振動(dòng)傳感器和光纖光柵振動(dòng)的解調(diào)方法不同。下面分別對(duì)其作出討論。3.2.1 相位型光纖振動(dòng)傳

35、感器的解調(diào)方法光纖干涉型振動(dòng)傳感器的信號(hào)處理直接會(huì)影響到測(cè)量的精度、分辨率及動(dòng)態(tài)范圍等因素。能形成干涉的方法有很多，所以用于光相位解調(diào)的干涉結(jié)構(gòu)也有很多。目前主要有雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法和環(huán)形干涉法。而其中最常用的是雙光束干涉法。馬赫-澤德型光纖干涉儀、Michelson型光纖干涉儀（如圖）常常用雙光束干涉法解調(diào)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，Michelson型光纖干涉儀在信號(hào)測(cè)量時(shí)對(duì)外界因素要求高，所以光纖傳感領(lǐng)域中前者干涉儀解調(diào)方式得到了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。圖 邁克爾遜型相位調(diào)制型光纖傳感原理圖無(wú)源零差解調(diào)方法原理是光路設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)正交偏置的開(kāi)環(huán)解調(diào)方法。此技術(shù)關(guān)鍵的使用是找到獲取正交

36、信號(hào)的電路方法，也叫作被動(dòng)零差解調(diào)方法。零差檢測(cè)法相原理是對(duì)一個(gè)頻譜比較復(fù)雜的信號(hào)進(jìn)行濾波，提取出兩個(gè)低頻的信號(hào)，然后重新合成為一個(gè)新的信號(hào)，該信號(hào)的相位就包含了被測(cè)量的信息。合成外差解調(diào)法的原理與與零差檢測(cè)法相似，只是合成外差法采用本振信號(hào)混頻。該解調(diào)方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)光信號(hào)的幅度波動(dòng)和偏振態(tài)變化不敏感。3.2.2 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖振動(dòng)傳感器的解調(diào)技術(shù)波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)在光纖振動(dòng)傳感器解調(diào)技術(shù)中被廣泛應(yīng)用。它將測(cè)量的信息進(jìn)行波長(zhǎng)編碼，不必對(duì)光纖連接器，光源輸出功率起伏，耦合器損耗進(jìn)行補(bǔ)償，操作較為簡(jiǎn)單。下面對(duì)光纖光柵振動(dòng)傳感器的解方法做進(jìn)一步的討論。如圖，在傳感過(guò)程中，信號(hào)的解調(diào)可分為反射式及透射式，反

37、射式的傳感解調(diào)系統(tǒng)比較容易實(shí)現(xiàn)。過(guò)程是光經(jīng)連接器進(jìn)入傳感光纖光柵，傳感頭在外接因素變化的情況下，對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制；由傳感光柵透射（或反射）信息的調(diào)制光波，探測(cè)器接收連接器傳入的信息解調(diào)并輸出。圖信號(hào)解調(diào) 目前比較應(yīng)用較多的主要波長(zhǎng)移動(dòng)檢測(cè)方案有以下幾種。可調(diào)諧濾波檢測(cè)法，匹配光柵檢測(cè)法，光譜儀和多波長(zhǎng)計(jì)檢測(cè)法，邊緣濾波檢測(cè)法，CCD分光儀檢測(cè)法，波長(zhǎng)可調(diào)諧光源解調(diào)法等10。邊沿濾濾解調(diào)檢測(cè)方法是基于光強(qiáng)檢測(cè)，適用于動(dòng)靜態(tài)測(cè)量，由式可知測(cè)量范圍與探測(cè)器的分辨率成正比。此方法的特點(diǎn)是能夠有效地抑制連接及微彎干擾、光源輸出功率的起伏等不利因素，采用了較好的補(bǔ)償措施，而且系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，價(jià)格較低，使用方便

38、靈活，并且在幾個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有幾十個(gè)的高分辨率。邊沿濾濾解調(diào)示意圖光譜儀和多波長(zhǎng)計(jì)檢測(cè)法是對(duì)波長(zhǎng)移位常用的檢測(cè)方法，在光纖光柵傳感系統(tǒng)中。利用ASE光源如發(fā)光二極管LED，光輸入光纖光柵，再用多波長(zhǎng)計(jì)檢測(cè)輸出光的中心波長(zhǎng)移位，如圖3.2.2.2。此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且經(jīng)久耐用，易于使用和自動(dòng)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，常常被使用。光譜儀和多波長(zhǎng)計(jì)檢測(cè)法圖所示為邊緣濾波器的線性解調(diào)原理，輸出光強(qiáng)的變化量與波長(zhǎng)漂移量成正比，此濾波函數(shù)可表示為 （3.2.2.1）從傳感光柵包含波長(zhǎng)移位調(diào)制的光信號(hào)分成兩束，分別送到兩個(gè)不平衡的濾波器中，之后兩光強(qiáng)相除，最后只含有波長(zhǎng)位移的信息數(shù)據(jù)。從光纖Bragg光柵返回的光均

39、勻分為兩束，一束作為參考信號(hào)被送入探測(cè)器；另一束通過(guò)濾波函數(shù)為上式的線性濾波器，再送入探測(cè)器，反射光是譜寬為的Gaussian分布11，則接收到的光強(qiáng)分別為 （）（） 為信號(hào)光強(qiáng)，為參考光強(qiáng)。由式可見(jiàn)，與測(cè)量值有良好的線性關(guān)系，就可計(jì)算出動(dòng)態(tài)的值。第四章 錐形光纖的結(jié)構(gòu)和傳光特性4.1 錐形光纖的結(jié)構(gòu)通常錐形光纖的加工方法有兩種：腐蝕法和融拉法。前者的特點(diǎn)是光纖包層直徑沿傳播逐漸減小，而纖芯直徑除了在小端附近時(shí)逐漸變小，其余部分基本不變。后者可以看成在錐形區(qū)域內(nèi)包層和纖芯的直徑沿纖軸方向均逐漸變小，包層和纖芯的直徑之比保持恒定。我們現(xiàn)在所討論的是基于后者的錐形光纖。圖 錐形光纖的幾何剖面圖圖錐

40、形光纖的幾何剖面圖。其中，A是光錐錐度，l是光錐長(zhǎng)度， 是尖端半徑， 是光纖錐的粗端半徑。由錐形光纖幾何參數(shù)可用下面數(shù)學(xué)式表示12: （4.1） 由上式可以看出， 尖端直徑越小， A越小。l值越小A就越大， 錐形變化也就越尖銳。4.2 實(shí)驗(yàn)拉制成的錐形光纖圖為本次實(shí)驗(yàn)所拉的錐形光纖。錐形光纖的錐長(zhǎng)為1160.02um，腰寬為22.34um。由圖可看出，拉成的錐非常完美。實(shí)驗(yàn)中用自制的熱拉伸裝置把光纖拉成錐形，在拉錐過(guò)程中盡量保證兩手力道均勻，并且由于實(shí)驗(yàn)裝置是高壓的，要注意實(shí)驗(yàn)安全。錐形光纖頂端錐體的角度，變化范圍越大光纖表面越光滑， 錐形錐區(qū)越短， 傳輸效率就越高。圖4.2.1 實(shí)驗(yàn)拉成的錐

41、形光纖實(shí)物圖當(dāng)光線在錐形光纖傳輸時(shí)，要使入射光線能從錐形光纖的另一端出射，由全反射條件： （4.2）上式中，為錐形光纖的錐角，是光纖出射端的半徑，是光纖入射端的半徑。要使錐形光纖可以傳輸光，光纖要有一個(gè)最小長(zhǎng)度，所以實(shí)驗(yàn)中不能拉錐過(guò)長(zhǎng)。圖4 單模錐形光纖結(jié)構(gòu)示意圖4.3 錐形光纖的傳光特性由上述我們所討論錐形光纖結(jié)構(gòu)，光進(jìn)行傳輸時(shí)，有許多與普通常用光纖不同的特性，同時(shí)它與器件耦合時(shí)有高的耦合效率、低的傳輸損耗等優(yōu)點(diǎn)，這些是研究著們現(xiàn)在所關(guān)注的。 （）光纖內(nèi)徑為d；激光光束與光纖軸線的夾角為；n為光在普通光纖中傳輸時(shí)，沿軸向單位長(zhǎng)度的反射次數(shù)。 （4.3.2）光纖內(nèi)反射膜的反射率為，k為每次反射

42、所引起的傳輸損耗。由式可知，單位長(zhǎng)度上的反射次數(shù)越多，能量的損耗就越多。圖光在普通光纖中的傳播由研究人員分析的結(jié)果可得到，在傳輸激光能量時(shí)，錐形光纖既可以增大光在傳輸過(guò)程中的入射角，還使光在光纖中的反射次數(shù)減少，縮短了光束傳播時(shí)路徑，也使得反射率增大了，同時(shí)光纖的傳輸損耗降低。光在錐形光纖中傳播時(shí)的示意圖如圖4.3.2所示圖光在光纖錐中的傳播示意圖第五章 實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)分析本實(shí)驗(yàn)提出了一種新型的單模錐形光纖作為傳感器，分析了錐形光纖的敏感機(jī)理，依據(jù)光在光纖傳輸過(guò)程中，當(dāng)外界有振動(dòng)時(shí)光纖彎曲導(dǎo)致光在光纖傳輸時(shí)有泄漏，且光功率變化與振動(dòng)頻率存在關(guān)系實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)檢測(cè)。該傳感器可更好地實(shí)現(xiàn)50 Hz 到

43、20 kHz 振動(dòng)頻率檢測(cè)。光 源ComputerFFTDAQ信號(hào)發(fā)生器5.1 實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖5.1所示，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生20到20000Hz 的不同頻率的正弦波，傳感頭固定在金屬板上，解調(diào)方法采用功率解調(diào)，信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，再經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)處理，可觀測(cè)傳感器的特性。利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2020000 Hz 的不同頻率的正弦波，對(duì)每種頻率下光纖振動(dòng)傳感器的響應(yīng)，做出傳感器在不同頻率的響應(yīng)曲線，其響應(yīng)曲線如圖6所示。頻率在1kHz范圍區(qū)域信噪比達(dá)到最大值，頻率在3kHz范圍區(qū)域也有一個(gè)峰值，這主要是由于此時(shí)振動(dòng)信號(hào)與金屬板產(chǎn)生共振，那么在此頻率的倍頻下也可能產(chǎn)生共振，會(huì)有峰值的出現(xiàn)，從表數(shù)

44、據(jù)及圖可看出6KHz、9KHz 也是它的共振區(qū)。系統(tǒng)在頻率為1KHz時(shí)，傳感器信噪比可達(dá)到70dB左右。頻率響應(yīng)表1頻率（Hz）信噪比（dB）頻率（Hz）信噪比（dB）頻率（Hz）信噪比（dB）100159005640002320026100068500013300451500326000324003920007000950040250010000560041300020110002870050350054200001680059圖5.2 光纖振動(dòng)傳感器的頻率響應(yīng)特性數(shù)據(jù)及圖我們還研究了在一定頻率下光纖振動(dòng)傳感器的響應(yīng)聲波振動(dòng)強(qiáng)度。頻率在1kHz下，通過(guò)改變輸入電壓從100mv到1500mv范

45、圍內(nèi)不同的聲波強(qiáng)度。光纖振動(dòng)傳感器測(cè)量的信噪比如圖所示。這種測(cè)量方法是進(jìn)行單頻率檢測(cè)。1550nm激光光源頻率1kHz下強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果電壓（mv）信噪比（dB）電壓（mv）信噪比（dB）100900200100030011004001200500130060014007001500800圖 1kHz下強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)為了使更好的驗(yàn)證傳感器的靈敏度，還進(jìn)行了用另一音響測(cè)定其此傳感器的特性。圖是測(cè)量另一音響的頻響特性曲線。利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生020000 Hz 的不同頻率的正弦波，對(duì)每種頻率下光纖振動(dòng)傳感器的響應(yīng)，做出傳感器在不同頻率的響應(yīng)曲線。3KHz、6KHz、9KHz 是共振區(qū)。系統(tǒng)在頻率為1

46、KHz時(shí)，傳感器信噪比可達(dá)到70dB。頻率響應(yīng)表2頻率（Hz）信噪比（dB）頻率（Hz）信噪比（dB）頻率（Hz）信噪比（dB）20925045200025301730024300021402040021400025502450039500028602560032600030701170034800010801080053110001490169005414000910022100071150002611033110047160001415049120034170001120042150017180009圖5.4（a）頻率響應(yīng)范圍圖5.4(b) 0到2000Hz頻率響應(yīng)范圍圖5.4（b）是將圖

47、5.4（a）中0到2000Hz范圍進(jìn)行放大的結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)第二次所用的音響是低音炮，它對(duì)低頻信號(hào)較為靈敏，從圖5.4（b）及上述數(shù)據(jù)表中我們可看到此傳感器具有很好的響應(yīng)頻譜。同樣我們也測(cè)量了此音響在一定頻率下光纖振動(dòng)傳感器的響應(yīng)聲波振動(dòng)強(qiáng)度。頻率在1kHz下，通過(guò)改變輸入電壓從20mv到2200mv范圍內(nèi)不同的聲波強(qiáng)度。光纖振動(dòng)傳感器測(cè)量的信噪比如圖所示。ASE光源頻率1kHz下強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)如下：ASE光源頻率1kHz下強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果電壓（mv）信噪比（dB）電壓（mv）信噪比（dB）50600100650150700200800250100030012003501300400140045015

48、005001800550200058圖 1kHz下強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果將設(shè)計(jì)的光纖振動(dòng)傳感器頭固定在一定的位置上，在其傳感頭臨近的位置進(jìn)行hammer testing。錘擊不同與一般的振動(dòng)，它是一種更為復(fù)雜的現(xiàn)象，也一種不穩(wěn)定的瞬間過(guò)程。錘擊時(shí)間一般為1020 ms，并且它的能量頻譜范圍大，加速度的幅值高。由沖擊頻譜圖可見(jiàn)，具有良好的振動(dòng)沖擊響應(yīng)，頻響可超過(guò)25kHz。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖所示。圖5.6（a） hammer testing時(shí)域響應(yīng)圖圖5.6（b） hammer testing頻域響應(yīng)圖同時(shí)對(duì)該振動(dòng)傳感器做pencil break實(shí)驗(yàn)，這與hammer testing相類似。在傳感頭其附近進(jìn)行pencil break實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖所示。由頻譜圖可見(jiàn)，具有良好的振動(dòng)響應(yīng)，頻響可超過(guò)20kHz。圖5.7（a） pencil break時(shí)域響應(yīng)圖圖5.7（b） pencil break時(shí)域響應(yīng)圖我們將光源換做ASE，在ASE光源下測(cè)量了此光纖振動(dòng)傳感器的頻響特性。實(shí)驗(yàn)表明此振動(dòng)傳感器對(duì)光源無(wú)硬性要求，設(shè)計(jì)應(yīng)用成本低，是一種很具發(fā)展?jié)摿Φ墓饫w振動(dòng)傳感器。圖是1200Hz、1000Hz及800Hz頻域及時(shí)域的