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光学传感技术范文1
关键词：海洋环境；海洋工程；光纤传感技术；原理
一、光纤水听器在海洋工程中的应用
核潜艇技术与潜射导弹技术在不断进步，使用产生的噪音也越来越低，压电声纳的灵敏度已经邻近极限，探潜能力具有一定的局限性。以美国为主的西方国家，对光纤水听器进行了精细的研究，并且取得了一定的成果，对于我国的海洋工程具有借鉴意义[1]。国内投资大量资金，成立专门的研究小组进行研究，目前还处于初级阶段。光纤光栅传感器不仅具有普通传感器的功能，还能够根据光波波长的调制机理，不被光源强度的强弱影响。采用特定的技术，可以在一根光纤上串接多个光纤光栅，从而去对陈列式的水听声纳传感进行检测。
（一）光纤光栅水听器的传感原理。光纤布拉格光栅水听声纳，采用的是FBG传感特性设计，其属于水中声波传感器。其传感原理是，在特殊的声压敏感器上面安装FBG，声压敏感器会收集水中的声波作用于FBG，导致其发生应变，FBG的周期会被改变中心波长会发生偏移。光纤光栅调节系统能够精准的测算出波长的变化量，从而去确定水声信号的变化量。光源会发出带宽比较宽的光波，进入到光纤光栅内，其会将特定波长的光波进行反射，主要是由于其具有波长选择性，只要检测反射光的波长偏移量即可完成传感过程。
（二）光纤光栅水听器系统介绍。如下图1所示，是非平衡M-Z干涉解调光纤光栅水听器的基本构造图。其主要是采用非平衡的M-Z干涉结构，使得传感光栅中的中心波L变化量转换成为相位的变化值，再进行调解干涉输出的光波相位信号，从而去得到波长的变化，提升系统探测的灵敏度。图1中光源发出的宽带光，通过环行器进入到传感光栅，再通过光栅反射的窄带光波进入到非平衡干涉结构，在3X3光纤耦合器形成干涉。
（三）光纤光栅水听器技术总结。为使得光纤光栅水听器具有机械与光学的稳定性，需要对光纤光栅进行环境试验。试验的过程是，将其放在温度为90摄氏度，相对湿度为90%的恒温恒湿温度箱中2000h；并在-40～85℃的温度中循环2000次，看其光学性能的变化。若是其光学性能无明显变化，则证明光纤光栅水听器具有机械与光学的稳定性。判断光纤光栅的使用寿命，可以采用加速老化的办法，根据可以预测光纤光栅反射以及透射率随时间环境因素的变化关系去进行判断。光纤光栅水听器使用的海底环境相对复杂，需要采用适合环境的封装材料与光纤光栅粘结材料。利用多参量同时测量的方式，能够消除光纤光栅对温度、应力等的交叉敏感性。可以采用SLED光源去扩大光纤光栅水听器的探测范围，扩大光源的输出功率，提高检测信号的强度。光纤光栅水听器的敏感度，主要是敏感材料的性能来决定，同时也受波长调节系统的灵敏度影响。
二、水位传感技术与光纤振动
水位传感技术与光纤振动，主要是应用于海底地震海啸监测。海底地震监测，属于超低频、大移位的振动测量，并且测量区域较为复杂，需要长期的进行监测，过程难度较大，构建海底网络监测的成本巨大，维护需要耗费的成本较高。但若是海底地震海啸监测系统一旦建成，会给人类带来不可估量的利益。光学式地震计与光学式水位计利用的是光纤作为传播介质，用其建造的海底地震海啸监测网络，比其它的地震波检测仪器功能更加强大。
（一）光纤干涉原理。利用光纤干涉原理建成的传感器，是目前我国最为先进的测量技术之一，其具有超高的准确性，能够对海底复杂的环境与海底地震进行全面的监测。全光纤观测网络的构成，能够满足海底监测的需求，普遍在国际上应用，并且在不断研发中。光纤干涉式检波器，主要是利用弹性膜片与弹性顺变柱。海底环境的振动变化，或者是压力会导致膜片与顺变柱变形，使得膜片与顺变柱耦合的光纤折射率与长度发生改变，从而引起干涉光强度的改变。
（二）光纤干涉检波系统。光纤干涉检波系统的工作原理是：光源发出具有强制信号的连续光，通过长距离的传输作用于海底传感单元内部2X2耦合器；再分成两道光束进入到光纤干涉臂。若是检波器对于外界的地震信号进行响应，干涉臂的反馈信号中则会含有振动信息的振动信号；此信号再通过长距离的传输，返回到主机内部的光电探测器，经过放大之后，生成电信号由于调制信号，再传递给数据收集卡，从而转化为数字信息；经过分析解调之后得到最终的振频，以及相关的原始数据。
三、结论
综上所述，光纤水听器在海洋工程中的应用，主要包括光纤光栅水听器的传感原理，光纤光栅水听器系统介绍，以及光纤光栅水听器技术总结。水位传感技术与光纤振动，通过光纤干涉原理建成的传感器，能够实现对海底地震海啸的监测。
光学传感技术范文2
在奈奎斯特采样定理指导下的信息获取、存储、融合、处理及传输等成为信息领域进一步发展的瓶颈。为解决上述问题，由D.Donoho(美国科学院院士)、E.Candes(Ridgelet，Curvelet创始人)及华裔科学家T.Tao(2006年菲尔兹奖获得者)等人提出了一种新的信息获取指导理论，即压缩传感（Compressive Sensing（CS））。该理论一经提出，就在信息论、信号/图像处理、医疗成像、模式识别、地质勘探、光学/雷达成像、无线通信等领域受到高度关注。目前CS理论的研究尚属于起步阶段，但已表现出了强大的生命力，并已发展了一些CS理论，成为数学领域和工程应用领域的一大研究热点。
压缩传感是一种新的信号处理模式，指出对可压缩的信号可通过远低于奈奎斯特标准的方式进行数据采样，仍能够精确地恢复出原始信号，有助于高效准确地获取、存储、融合和处理大数据集。本书以压缩传感在无线网络中的应用为主题，详细阐述了如何有效地把压缩传感技术应用到各种无线网络中，如何综合应用信号处理、优化、信息论、通信和网络观念去解决工程问题。全书共3大部分10章。第1部分 概述，含第1-2章：1.引言；2.无线网络概览；第2部分 压缩传感技术，含第3-5章：3.压缩传感框架；4.稀疏优化算法；5.压缩传感模数转换器。第3部分 基于压缩传感的无线通讯，含第6-10章：6.压缩信道评估；7.超宽带系统；8.定位；9.多址访问；10.认知无线电网络。
本书内容涵盖的基础知识及压缩传感技术在无线网络中的应用，介绍了从事压缩传感工作所需知识，说明了压缩传感的优点与局限，指出了在无线网络中充分利用压缩传感技术优点所需要的技能，其中压缩传感信号处理方法受到各个领域研究人员和工程师们的极大关注，是从事压缩传感工作学生、研究人员和通信工程师们重要参考书。
作者韩竹（Zhu Han）是休斯敦大学电气和计算机工程系副教授，因其在无线通讯资源分配和安全方面的贡献2014年当选为IEEE-fellow，主要研究方向包括无线资源的分配和管理、无线通信和网络、博弈论、无线多媒体和安全。
杜利东，助理研究员
光学传感技术范文3
研究一种基于分布式光纤振动传感原理和电缆局部放电原理的电力电缆故障定位技术。通过在电缆上施加高压脉冲，使得电缆上有故障的位置产生局部放电，从而产生振动信号。并将放电脉冲信号同步传输给分布式光纤振动监测系统。通过分布式光纤振动传感技术来探测电缆沿线放电产生的振动信号，并对振动信号进行定位。将该故障定位技术应用于电力电缆沿线上监测电缆故障的状态分布，并进行试验验证。实验结果表明，该系统可实现监测多回路30 km电缆线路的故障分布状况，并对故障点进行准确定位。
关键词：
分布式光纤传感； 后向散射； 电力电缆； 故障定位
中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.003
引言
电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖破皮、被割破皮等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、腐蚀、老鼠破坏等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，应用科学手段实现对电力电缆的电缆的故障进行检测和定位、及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。
本文研究基于分布式光纤振动传感原理为核心的智能监测技术，利用光纤传感技术对电网中的电力电缆线路的故障进行全方位实时智能监测和定位。该智能监测系统可实现对电力电缆线路的故障进行检测和定位，确保电网安全、高效运行；综合分析处理各传感器信息，并且在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。
1分布式光纤振动传感技术原理
分布式光纤振动传感技术是利用ΦOTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）[14]光时域反射计的干涉机理测试外界绕那扰动，外界扰动作用在光缆上面或附近产生的压力（振动）导致光纤中瑞利散射光[5]相位发生变化，由于干涉作用，光相位变化将引起光强度的变化时，通过实时监测不同时刻后向瑞利散射信号的干涉效应可定位振动信号的位置，并通过建立光缆线路环境特征参数数据模型和告警监测阈值模型，降低监测告警的虚警率。
分布式光纤振动传感系统采用普通通信光缆中的一根空闲纤芯作传感单元，进行分布式光纤传感器多点振动测量[6]。其基本原理是当外界的振动作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯长度和折射率发生变化，导致光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格发生作用，不断向后传输瑞利散射光。当外界有振动发生时，背向瑞利散射光的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息的信号光，返回系统主机后，经光学系统处理，将微弱的相位变化转换为光强变化，再经光电转换和信号处理后，进入计算机进行数据分析。系统根据分析的结果，判断入侵事件的发生，并确认入侵地点。
2基于分布式光纤振动传感技术的电缆故障定位系统组成
整体系统由高压电缆放电试验系统、分布式光纤振动传感系统及综合平台软件组成，系统结构如图2所示。
系统通过分布式光纤振动传感系统监测来自于高压电缆上方的振动信号，通过振动信号来分析判断故障点的位置。当高压电缆放电试验系统对高压电缆发出高压脉冲信号时，同时会向分布式光纤振动传感系统发出一个上升沿或下降沿信号，以作标记信号。分布式光纤振动传感系统根据高压电缆放电试验主机给的脉冲同步信号进行振动信号的采集，实时监测高压电缆的振动情况，并将监测到振动信号保存到数据库中。高压电缆放电试验系统放电结束后，由综合平台对分布式光纤振动传感系统采集到的振动信号进行分析，并结合高压电缆放电试验系统放电脉冲情况，综合分析对故障点进行定位，并在软件界面是显示整段监测光缆的波形图、故障点位置。系统数据库中保存测量的振动信号和放电信号的历史数据，并绘制成报表，由用户选择查看。
该系统以高压电缆故障时所产生的震动为监测对象，可实现以下功能：
（1）实时监测电缆走廊路面施工振动位置的振动量，并根据实时监测值显示报警状态。实时监测高压电缆故障点所产生的震动情况，可对故障点进行定位，定位误差不大于±25 m；
（2）检测到电缆故障时，在界面上显示告警提示；
（3）软件界面可显示电缆的震动波形图；
（4）能与高压电缆放电试验系统通讯，接收该系统发来的上升沿或下降沿信号；
（5）各监测值的历史数据记录展示。
3试验结果
为了验证系统是否能探测到电缆的故障信号并准确定位故障信号的位置，搭建了一个测试系统。测试验证系统选取110 kV电缆300 m，在电缆上100 m、200 m和300 m位置分别模拟放电信号。用该系统来探测电缆的放电信号及其位置。
4结论
研究的基于分布式光纤振动传感原理的电缆故障定位系统可准确探测电力电缆故障为，预防因电力电缆自身老化等原因而发生故障。制止因蓄意破坏、偷盗等情况造成的输电中断，从而保障中高压电力电缆的传输安全和通畅。当电力电缆线路发生故障时自动实现预警，自动定位故障发生位置，及时通知管理人员对警情进行有效处理，从而提高对电网供电的可靠性。
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光学传感技术范文4
本书为第11届意大利传感器与微系统会议的论文集，其中精选了具有代表性的会议论文。这次会议展示了在传感器与微系统领域的理论模拟与实际应用的最新成果。传感器与微系统是一个新兴的交叉学科，其涉及到物理、化学、材料科学以及生命科学等领域。
本书共分为六部分，第一部分为化学传感器，主要介绍了：可调谐二极管激光光谱仪原位测量平流层微量气体；四苯基卟啉在高有序热解石墨上的组装：前所未有的吸附压缩驱动的双层模式组装；一种室温下的基于铂／氧化铱复合物的氧气传感器；聚合物涂层的长周期光栅作为高灵敏度化学传感器；用于低温下检测氢气的光纤传感器；溶剂对复合薄膜形貌和传感特性的影响；纳米钛对气体的传感性质；基于二元金属的碳水化合物传感装置；一种快速检测牛奶中M1黄曲霉素的便携式荧光计；利用光学传感器检测橄榄油的质量；质量标准体系在计划、设计和实现厚膜气体检测器中的应用；基于单壁碳纳米管的光纤传感器；合成且表征用于二氧化氮检测的纳米材料；铂金元素作为覆盖层的P型一氧化钛薄膜用于对氢气的检测；包含银纳米簇的氟化聚亚酰胺纳米复合薄膜用于对有机气体的光学检测等等。第二部分为物理传感器，主要介绍了荒芜环境中的固体定位风速计；一种具有溅射内核的二维平面磁通量阀门；一种用于探测RF电场的光学探针；通过拉曼散射来测量多孔硅结构的应力；对热传感器的一种十分有效的计算机模拟模型；对硅化铬应力传感器的认识。第三部分为生物传感器，主要介绍了基于不定型硅基器件检测DNA分子；抑制酪氨酸酶的有机相酶传感器；用于人瘤病毒检测的DNA压电生物传感器；用于检测硬质小麦安全型的用户友好的电化学手持设备；采用SPR成像技术来研究DNA―DNA生物分子的相互作用。第四部分为微米纳米技术，主要介绍了实验室芯片技术对基因进行分析；利用硅基玻璃芯片对化学物质进行快速光学检测；采用不同导电纳米颗粒来控制复合材料聚合物的传感性质；采用电化学刻蚀硅片的方法制备嵌入式微通道；采用超声束沉积方式制备具有气体传感的金属氧化物／有机物杂化材料；聚焦离子束刻蚀用于气体传感技术；一种模拟IPMC传感器的软件工具；对印迹二氧化钛纳米粒子的合成与表征；机车安全与舒适度测量；悬臂梁的强制型阻尼振动。第五部分为传感器阵列和多重传感系统，主要介绍了整合型微重力化学物质检测装置；采用杂化电子鼻原位检测硫质喷气孔火山口喷发的火山气体；对主要公路旁的漂浮粒子和氧化氮化合物的检测；多传感器布局在敌对环境中的机器人。第六部分为传感器网络和对传感器的数据分析，主要介绍了对于无线传感器网络的概览：对ZGIGBEE网络架构一瞥；动态场景下尘埃传感器网络：在城市环境中普遍应用性能的研究；一种配置了IEEE 802.15.4的移动设备的便携式软件工具；一种神经光谱分类的光学传感器；对城市环境污染检测无线网络设备的设计；应用多传感器微型化系统对橄榄油进行评价。
本书几乎涵盖了传感器方面的所有方向，包括化学、物理、生物以及传感器构架等等。相信从事任何传感器研究方向的科研人员都会在本书中找到有参考价值的内容。
光学传感技术范文5
关键词 生化传感器； 无标记； 微梁阵列； 压电驱动； 光杠杆法； 毛细管阵列
1 引 言
微梁生化传感技术是在原子力显微镜和微机电系统基础上发展起来的一项新兴传感技术\，具有检测灵敏度高、无需标记、能实时原位再现生化反应信息等优点。其检测原理是：当微梁单侧表面上有生化反应发生时，分子间的相互作用会导致微梁表面应力改变而使微梁产生弯曲，利用光学或电学方法检测出此变形即可得到该生化反应过程信息。经过近十年发展，微梁传感技术的应用领域已从最初的湿度、温度测量\逐渐转变到了生物工程\、环境污染监测\等。自2002年，本研究组以先后利用该技术实现了对聚N异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）构象转变\、Cu2＋\、克伦特罗（又称瘦肉精）和氯霉素\、紫杉醇\等的检测研究。
为进一步消除温度漂移、溶液折射率变化等环境噪声对单微梁检测系统\的影响,同时实现多种靶标分子的快速并行检测，研发了微梁阵列传感技术。目前，已报道的微梁阵列传感研究方法主要有光学干涉法\、垂直共振腔面射型激光器（VCSELs）时序照射检测法\和CCD面光源检测法\等。这些方法各有优缺点：光学干涉法检测灵敏度高，但所需检测条件过于苛刻，对系统抗振性能要求极高，在实际运用中很难实行；VCSELs时序照射检测法能实现8根微梁的高灵敏检测，但由于发射光束间距不可调，只能针对一定间距的微梁阵列进行检测，灵活性较低，且价格昂贵；CCD面光源检测法能实现高通量检测，但由于微梁尖端的弯曲会使图像产生弥散，严重影响光斑位移的检测质量，导致其检测灵敏度不高。
本研究基于压电扫描原理提出了微梁阵列生化传感方法。与已有的检测方法相比，本方法具有原理简单、灵敏度高、调节方便，可以对任意间距微梁阵列进行快速定位检测的优点。同时，研制了毛细管阵列套合修饰装置，能有效地将生化分子修饰到微梁阵列上，修饰效率比已有商品化点样仪更高，且成本更低。利用此装置成功消除了检测环境中的温度漂移、溶液折射率变化等噪声影响，对待测液中10 g/L克伦特罗标样进行了准确检测。
2 检测原理
微梁传感方法对生化反应的监测过程，实际上是通过检测生化分子在微梁单侧表面相互作用时引起的表面应力变化实现的。根据Stoney公式\，微梁端部位移δ与其表面应力变化量Δσ之间存在以下关系：
δ＝3（1－v）l2Et2Δσ（1）
其中，l, t, E和v分别代表微梁的长度、厚度、杨氏模量和泊松比。从式（1）可见，当微梁的材料与几何参数确定后，δ与σ成正比，检测出微梁端部位移即可得到其表面应力变化情况，进而检测出对应的生化反应信息。 图1 微梁阵列检测示意图
Fig．1 Detecting schematic of microcantilever array
目前，对微梁弯曲变形的检测方法主要有电容、压阻、光学和电磁检测法等\。其中，光杠杆法由于结构简单、灵敏度高，在目前使用最普遍，其垂直分辨率可达1011 m量级\。基于该方法，对微梁阵列上生化反应信息进行准确检测的原理图如图1所示：在生化反应过程中，利用修饰了惰性分子（不参与生化反应）的参考梁检测环境噪声信号；待反应完成后，修饰有探针分子的微梁变形信号减去参考梁的变形信号，即得到了仅由探针分子与靶标分子特异性结合产生的微梁变形信号。
分 析 化 学第40卷
第4期邬 林等： 新型微梁阵列生化传感器的研制
3 结果与讨论
3.1系统设计
利用压电扫描原理设计制作的微梁阵列生化传感系统如图2a所示：利用压电陶瓷管驱动固定在其上的凸透镜做周期性往复运动，使穿过其中的激光束扫射微梁阵列（图2b），用PSD靶面时序接收反射光点位置信号，即可实现微梁阵列弯曲变形检测，获得梁上生化反应的实时信息。
图2 （a）微梁阵列生化传感系统示意图和（b）压电驱动扫描原理图
Fig．2 （a） Schematic of microcantilever array biochemical sensor and （b） Schematic of piezodriven scanning
凸透镜偏转驱使激光束扫描的原理图如图3所示，当压电陶瓷管由于其输入电压值变化产生偏转时，固定在其上的凸透镜也随之发生偏转（中心位置从O点移动到O’点），此时，经凸透镜汇聚后的激光束焦点也相应地从F1处移动到F2处。通过程序控制输入电压的大小和变化周期，即可准确控制扫描光束的间距和频率。
图3 透镜驱使激光束扫描原理图Fig．3 Schematic of laser beam deflecting with lens
图4 实验用微梁阵列照片
Fig．4 Photo of microcantilever array used in experiment
3.2 扫描光路稳定性测试
将商品化微梁阵列（德国Micromotive公司，如图4所示，其中微梁长500 m的两定点进行9 h扫描测试。结果表明：在X方向和Y方向上，两扫描位点位移都保持平稳一致，证实了扫描光路的稳定性。
3.3 阵列信号一致性测试
调节激光束扫描位点，准确定位微梁1和2尖端，待信号稳定后进行温度激励测试。采用高精度温控器（精度0.01 ℃）将微梁阵列的环境温度从22 ℃逐步升至28 ℃， 图5 在温度激励下两微梁的位移曲线图Fig．5 Displacement of two microcantilevers versus
temperature
所得对应数据曲线如图5所示（图中将两梁信号曲线平移到了原点）。实验表明，两微梁的位移响应信号在同一温度变化激励下基本保持一致，在升温6 ℃后，误差6.5%（相差量26 nm除以总的变形量400 nm）。由于微梁传感技术对生化反应的检测主要是针对分子间的特异性结合，因此只要能准确测出这种特有的反应信息，微梁阵列弯曲信号误差在10%以内是不会影响检测结果的，目前已有的商品化VCSELs型微梁阵列仪（瑞士Concentris公司）检测精度也在此量级，如图6所示。
为进一步测试阵列系统可靠性，将微梁阵列安放在生化反应池中进行实验。模拟实际生化反应环境，开启蠕动泵使池中溶液流动置换，调节好扫描光路，在实验室自然环境下采集信号8 h，得到图7所示信号曲线。两根微梁的位移曲线变化趋势在随环境变化（温度、溶液流动等）过程中始终保持平行，说明在相同的外在激励条件下，微梁阵列响应信号一致，进一步验证了系统可靠性。
图6 VCSEL型微梁阵列仪温度激励数据图Fig．6 Temperature excitation graph of VCSELs
microcantilever array sensor
图7 在自然环境下两微梁的位移曲线图Fig．7 Displacement curves of two microcantilevers in the natural environment
3.4 特异性生化反应检测
3.4.1 实验试剂 克伦特罗抗体，克伦特罗标准样品（CLEN），氯霉素标准样品（CAP）均取自中国农业大学农学与生物技术学院；活化剂： 1Ethyl3（3dimethyl aminopropyl） carbodiimide （EDC），NHydroxysulfosuccinimide （NHS）；硫醇 HSCH2COOH （Sigma公司）；PBS （4.0 g NaCl＋0.1g KH2PO4＋1.48 g Na2HPO4・H2O＋500 mL去离子水）；TPBS （PBS＋0. 5% Tween20）；98%浓H2SO4；30% H2O2，均为分析纯。
3.4.2 微梁阵列上抗体的修饰 将微梁阵列浸入H2O2H2SO4（1∶3, V/V）混合溶液中10 min（室温），洗去杂质，取出用去离子水冲洗后放入孔板中，加入200 L 0.1 mol/L硫醇后，封口静置20 h（室温），利用硫醇自带的巯基（HS）自组装到微梁阵列一侧的镀金表面上。反应完成后，取出微梁阵列，依次用乙醇和去离子水冲洗，放入新孔板中，注入100 g/L CLEN标样，此时修饰有克伦特罗抗体的梁1响应信号明显大于未修饰克伦特罗抗体的梁2响应信号，说明：梁1上发生了克伦特罗抗原抗体特异性结合，导致了其表面应力的显著变化；梁2的响应信号幅度较小，可能是由环境扰动引起。将梁1与梁2（参考梁）响应信号之差，即为仅由克伦特罗抗原抗体特异性结合产生的真实微梁变形信号（38 nm）。
图8 利用毛细管修饰CLEN抗体到微梁阵列上照片
Fig．8 Photo of immobilizing clenbuterol （CLEN） antibody on microcantilever array with capillary
图9 微梁阵列对CLEN抗原抗体特异性结合的检测
Fig．9 Detection of CLEN antigenantibody specific binding with microcantilever array
微梁生化检测过程中，抗原抗体结合导致微梁上表面应力变化的机理, 目前认为主要是由亲疏水作用、静电力和氢键等导致\。对于本实验检测用的CLEN而言, 认为主要是由静电排斥力导致。根据公式（1），带入相关参数，计算可得10
g/L CLEN标样与梁上修饰的CLEN抗体发生特异性结合后，导致了微梁上约0.0184 N/m的表面应力变化。
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WU Lin1, ZHOU XiaRong1, WU ShangQuan1, WANG Ping2, ZHANG QingChuan*1, WU XiaoPing1
1（Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Material of Chinese Academy of Sciences,
University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China）
光学传感技术范文6
本文通过实验分析了多模光纤带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响。实验结果表明，多模光纤带宽处于500MHz*Km至6000MHz*Km范围内时，测温系统空间分辨率呈现先升高，后下降的趋势。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据支持。
【关键词】分布式光纤测温系统 光纤带宽 空间分辨率
1 引言
传统温度传感器由于测量原理的限制，易受外界环境，特别是电磁干扰的影响，无法长时间连续测量。使用光纤光栅等新型点式光学温度传感器，由于成本的限制，无法实现真正的分布式测量，限制了其应用范围。
近年来，使用普通光纤作为传感介质的新型光学传感器由于具有本征无源，抗电磁干扰，响应快速等特点，逐步取代了传统的探测方法，成为研究的热点。
同时，分布式光纤测温系统受激光脉冲在光纤中的展宽等因素的影响，空间分辨率指标无法得到有效提升。传统的方式是通过压缩入射光脉冲宽度，提高脉冲光峰值功率的方式来提高系统的空间分辨率，但此方式实现难度较高，并不能无限压缩光脉冲宽度，并且随光脉冲宽度的降低，加工难度和成本也随之大大提高，限制了系统的实际应用效果和应用范围。
本文在前期研究的基础上，利用已有的分布式光纤测温系统，展开了相关实验研究。测量了多种不同带宽光缆对应空间分辨率指标，并做了相关数据分析。试验结果表明：光纤的带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率有较大影响，并在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先升高后降低的趋势。
2 实验原理与系统
系统基本架构如图1所示；
系统的工作过程如下：分布式光纤温度传感系统工作时，在同步控制单元的控制下，脉冲驱动电路产生电流脉冲，该脉冲驱动半导体激光二极管产生的光脉冲注入到激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路再进入传感光纤。光在光纤中发生散射后，其携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到波分复用系统，波分复用系统不但可以将发射的光直接耦合进光纤，而且可以将散射回的不同于发射波长的斯托克斯和反斯托克斯光分离后送入两个光电探测器。光电探测器将光信号转换成电流信号，电流信号再被放大电路转换成电压信号并且放大后送入采集卡。采集卡将信号数字化后送入上位机，按照特定的算法计算出温度信息。
在上述系统的基础上，采用不同带宽的50/125μm多模探测光缆作为测试对象，验证了系统空间分辨率变化情况。
3 实验结果
实验中，共测试了不同带宽的多模50/125μm的光纤对应的系统空间分辨率，光纤及相关实验参数如表1。
注：空间分辨率恶化系数的计算方法如下：
空间分辨率恶化系数=空间分辨率绝对变化量/光纤长度
根据上述数据可以得知，多模光纤带宽与系统空间分辨率的关系如图2所示。
从图中可以看出，系统空间分辨率在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先变好后变差的趋势，并在1600MHz*Km左右达到最优。
4 理论分析
在分布式光纤测温系统中，系统的空间分辨率主要受光脉冲宽度、电路带宽、光电探测器响应时间等因素制约，在其它因素确定的条件下，光脉冲宽度称为影响空间分辨率的重要因素。光脉冲在传感光纤中传输，受到色散的影响，会出现不同程度的展宽效应。具体而言，在多模光纤中，光纤材料、波导结构和多种模式的光脉冲信号在光纤中传输，色度色散和模间色散是引起光脉冲展宽的主要因素。
其中分别是模式色散和波导色散。模式色散一般存在与多模光纤中，由于在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向的传播速度不同，到达终端时就有先后，出现时延差，从而引起脉冲展宽。时延差越大，色散就越严重。而波导色散取决于光纤的折射率剖面结构。
两种色散共同决定了光脉冲展宽的程度，而光纤的3dB带宽与脉冲宽度δ是从不同角度描述光纤色散特性的两个参数，因而它们之间存在一定的关系。
光纤的带宽越宽，脉冲展宽约小，但这只是理论公式，通过实验数据表明，当光纤带宽小于1600MHz*Km时，满足该公式的关系，当超过该值时，脉冲展宽随带宽增加而增加。
5 结论
本文通过对不同带宽光缆对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响进行测试，确认了在一定范围内光纤带宽指标影响系统空间分辨率的变化规律，并进行了理论分析。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据及理论支持。
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作者简介
王建强（1966-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。
夏俊玲（1969-），女，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。
史振国（1981-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。
