0 引言 由于光纖傳感器具有抗電磁干擾，電絕緣性好、安全可靠，耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定，體積小、重量輕、幾何形狀可塑，傳輸損耗小，傳輸容量大，測量廣泛等特點(diǎn)，并且它可根據(jù)被測對象的情況選擇不同的檢測方法，再加上其對被測介質(zhì)影響小，所以它非常有利于在結(jié)構(gòu)檢測等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用。基于干涉原理的測量是通過測量光程差從而測定相關(guān)的物理量。干涉儀是以光波波長為單位測量光程差的，其測量精度之高是其他測量方法所無法比擬的。干涉型的光纖傳感器是根據(jù)傳統(tǒng)的光學(xué)干涉儀的原理進(jìn)行光纖化改造而成的。目前常用的有麥克爾遜( Michlson)型、馬赫－澤德(Mach-Zehnder)型、賽格納克(Sagnac)型、法布里－珀羅(Fabry-Perot)型。 Sagnac型干涉目前已廣泛應(yīng)用于光纖陀螺、傳感、大型的管道檢測等領(lǐng)域。干涉型光纖傳感器是以光纖本身作為傳感器件的功能型傳感器，由于它的整根光纖都是探測器件，所以它非常敏感，極易受到外界的干擾，因此接收到的信號極其不穩(wěn)定，它的不穩(wěn)定性在一定程度上限制了干涉型光纖傳感器的應(yīng)用。而基于Sagnac干涉的光纖圍欄正是利用了干涉的不穩(wěn)定性來判斷外界的圍欄是否受到入侵的。 1 Sagnac光纖干涉原理 Sagnac干涉的基本原理是：激光器發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器分成兩束相同的光，分別耦合進(jìn)由同一光纖構(gòu)成的光纖環(huán)中，形成沿相反方向前進(jìn)的兩光波，此兩路光符合頻率相同，振動方向相同，相位差不變的干涉條件，因此在耦合器處發(fā)生干涉，原理圖如圖1。 圖1 Sagnac光纖干涉原理圖[1] 當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時，此干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定，光強(qiáng)變化率為零；當(dāng)這兩束光在外界因素干擾下產(chǎn)生不同的相移，設(shè)擾動作用的光纖長度為 ，則其產(chǎn)生的相位變化為 2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 2.1實(shí)驗(yàn)裝置 在本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置中，基本是按照圖1Sagnac光纖干涉原理圖[1]來布置的：將光纖環(huán)固定在鐵絲網(wǎng)上，當(dāng)觸動鐵絲網(wǎng)就是引起光纖擾動，將耦合器的輸出端用單模光纖相連，形成光學(xué)閉合環(huán)路，經(jīng)耦合器分出來的兩束光，分別在光纖環(huán)中順時針，逆時針方向傳播。利用光纖環(huán)臂作為傳感器，當(dāng)傳感光纖的某處受到觸動干擾，根據(jù)Sagnac干涉原理，兩束光相位差的大小與擾動點(diǎn)位置、擾動噪聲引起的光波相位變化速率成正比，利用這一原理即可實(shí)現(xiàn)對擾動點(diǎn)進(jìn)行分析判斷。本實(shí)驗(yàn)選的是波長1310nm, 14腳雙列直插(14Pin—DIP)標(biāo)準(zhǔn)管殼封裝激光源，組件由激光器管芯、致冷器、熱敏電阻、單模光纜和標(biāo)準(zhǔn)光纖連接器CFC組成，由外電路可實(shí)現(xiàn)對一組件的溫度控制，形成一個帶溫度控制的高穩(wěn)定直流恒流源，減少光源溫度對傳感的影響，在光源與耦合器間接一個單向光隔離器，以免干涉產(chǎn)生的光影響光源。前期對于干涉光強(qiáng)的分析，可以大致的確定信號解調(diào)的步驟，信號解調(diào)流程圖如圖2。 圖2信號處理流程圖 2.2軟件模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果 首先通過VC開發(fā)出計(jì)算機(jī)模擬信號的解調(diào)，完成基于軟件的可視化報警系統(tǒng)。光電轉(zhuǎn)換得到的電壓信號，利用優(yōu)采公司生產(chǎn)的型號UA302S采集器采集到計(jì)算機(jī)中。由于接收到的初始光強(qiáng)值受到器件的影響，如激光器的光功率不同、傳感光纖的初始位置，基點(diǎn)坐標(biāo)不利于確定。通過微分處理接收的光強(qiáng)信號，檢測光強(qiáng)變化值，就可以確定初始值0V，示波器界面X坐標(biāo)表示時間，Y坐標(biāo)表示電壓變化值。當(dāng)光纖環(huán)臂受到外界人為的干擾，光強(qiáng)會發(fā)生明顯的變化，當(dāng)超過設(shè)置的光強(qiáng)幅值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警聲音。通過觀察光強(qiáng)的波形變化，很客觀清楚的認(rèn)識到在耦合器處的干涉發(fā)生變化。由于普通環(huán)境下存在諸如溫度、微動等干擾，光纖環(huán)傳感到的信號會在0值附近發(fā)生微弱的抖動，而不是在理想條件下初始值為0V，這是外界不可避免的干擾，而不是人為的入侵，所以必須要忽略，以免產(chǎn)生誤報，圖3為在正常的環(huán)境中所產(chǎn)生的光強(qiáng)變化率波形顯示。 圖3 正常環(huán)境下光強(qiáng)（電壓）的變化值 當(dāng)外界入侵鐵絲網(wǎng)，帶動光纖環(huán)臂抖動，觸發(fā)報警裝置。圖4為觸發(fā)后光強(qiáng)的變化值?？梢栽谀M界面上改變參考電壓值，設(shè)置符合特定環(huán)境的報警靈敏度，可以完成基于采集器的計(jì)算機(jī)模擬光纖圍欄的報警系統(tǒng)。通過軟件模擬，可以清楚的觀察到光強(qiáng)變化、報警的工作過程，為后期硬件信號解調(diào)做好準(zhǔn)備。 圖4 外界入侵光強(qiáng)（電壓）變化值 2.3硬件模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在前期軟件模擬中，光源和光電轉(zhuǎn)換已經(jīng)確定，后期就是通過分析光強(qiáng)變化來驅(qū)動報警裝置。設(shè)計(jì)流程如圖2，利用電容完成濾波，獲取光強(qiáng)變化率，濾除直流初始信號，通過運(yùn)算放大器可以很容易的完成放大從外界獲取的微弱的電壓變化信號，比較器判斷是否驅(qū)動報警裝置。在解調(diào)裝置中，由于此報警系統(tǒng)具體安裝環(huán)境不同，例如傳感光纖依附在不同的設(shè)備上，受干擾后光纖抖動的程度不同，或者傳感光纖工作的溫度地理位置等諸多原因都會影響光纖圍欄的靈敏度，產(chǎn)生錯誤報警，以致失去工作意義，所以要根據(jù)不同的環(huán)境改變報警裝置的靈敏度，在設(shè)計(jì)中通過按鈕改變參考電壓值，調(diào)節(jié)到適合的外界入侵觸發(fā)靈敏度。當(dāng)從外界感應(yīng)到入侵，電壓變化率超過參考電壓，利用NE555觸發(fā)器觸發(fā)繼電器，引發(fā)報警系統(tǒng)，正確的完成報警工作。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，取光纖8米固定于圍欄上，當(dāng)外界入侵后，啟動了報警，成功的完成了模擬實(shí)驗(yàn)。 3 結(jié)論 在基于Sagnac環(huán)的光纖圍欄報警系統(tǒng)中，充分利用了Sagnac光纖干涉原理，當(dāng)傳感光纖受到外界入侵后，光的干涉發(fā)生變化，引起光強(qiáng)突變，觸發(fā)報警。相比較某些光纖傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的高成本、安裝維護(hù)困難等諸多原因抑制了其在市場上推廣，此系統(tǒng)的特點(diǎn)就是簡單高效、安裝便捷、維護(hù)簡單、成本較低，靈敏度可以根據(jù)實(shí)際的安裝環(huán)境變化，方便用戶，非常適合于中小型用戶的使用，可以得到迅速普及推廣。 參考文獻(xiàn)： [1]劉波 等。光纖圍欄技術(shù)特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀[J]。光子技術(shù)，2004(4)：208～213 [2]莊靜蓮，邵丙銑。 一種具有延時功能的報警電路[J]。微電子學(xué)，2000，30(20)：434～436 [3]趙大卓，戴基智，等。 光纖Sagnac環(huán)特性及在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]。光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2006(2)：1～3 [4]趙新秋，等。 光纖薩格納克干涉儀在應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用[J]。 激光與紅外， 2004，34(2)：147～148 [5]劉印菁。 高穩(wěn)定度直流恒流源的設(shè)計(jì)[J]。 實(shí)用測試技術(shù)，1998(5)：5～6 [6]焦斌亮。Sagnac干涉型光纖電流傳感器研究[D]。燕山：燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，2005 作者簡介： 王立新(1959-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)研究中心教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感器和光電子技術(shù)。 通訊地址：湖北省武漢理工大學(xué)光纖中心 羅強(qiáng)收 郵編：430070 電話：13545053171 027-87651850-8407 E-mail:luoqiang-win@163.com