基本信息
- 项目名称：
- 光纤多参量传感器及其测量系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 多物理量传感是目前光纤传感领域的一个难点问题。本项目将光纤腔衰落检测技术与传统强度型光纤传感器结合，构成一种新型的光纤传感器。该传感器通过简单的时分复用方式就能利用同一系统实现多物理量的同时测量。它不仅具有结构简单、成本低、信号解调方便等特点，还具有灵敏度高且简单可调、检测精度高、响应速度快等优点，能广泛用于压力、温度、折射率、吸收系数、液体浓度等物理量的在线监测。
- 详细介绍：
- 1.研究背景 1.1光纤传感系统的研究与应用现状 目前传感器技术发展日新月异,光纤传感器以其造价低廉、体积小、重量轻、不受电磁辐射影响、可长距离监测以及多用途等优点而得到了广泛应用。至今，光纤传感器的研究已经持续了30多年，尤其在光源、光纤材料和检测方法等方面都有很大的进步。目前，已经研发出基于多种不同原理的稳定可用的光纤传感器，如光谱式、光吸收式、干涉式等。光纤传感器的研发中最值得关注的地方之一便是设计各种性能优良、用途广泛的传感器及传感系统。现有的传感器主要是通过检测光强、相移、或者光强和相移来实现。但是，到目前为止这样的传感方式都不能实现统一设计的多用途传感。并且这样各种传感器集中到一个系统不仅仅增加了成本，也使得数据处理和传递变得繁杂低效。 1.2FLRD技术的研究现状 实现多物理量传感的一个可能的突破口就是FLRD技术。FLRD技术的思想是2001年提出来的，用于气体浓度的测量。利用两个光纤耦合器和光纤环构成光学谐振腔，光束在腔内每行进一圈都有很小一部分光通过输出光纤耦合器进入光电探测器，其余大部分的光在腔内继续传播，由于光纤内部传输损失的存在，观察到的信号强度呈指数衰减，光纤传输损失越低，达到相同强度所需的衰减时间就越长。当外部有扰动作用于光纤使得光纤传输损失发生变化时，观测到的衰减时间就会产生相应的改变，通过检测衰减时间的变化即可实现外界物理量的测量。 FLRD技术不断的发展和创新。到目前为止，一些基于FLRD技术的高灵敏度高速传感器，如FLRD气/液传感器、FLRD布拉格光栅温度传感器、FLRD折射率传感器以及FLRD微流体传感器，都在最近的几年里陆续被人研发和公布出来。但是，它们都是单一的传感器，关于多参量的传感器系统未见报道。而且，报道的都是实验室研究结果，未见实际应用的报道。本作品重点研究基于FLRD的多参量传感及其参量系统，而且在实际物理量的检测中得到了应用，并取得了较好的实验结果。 由于FLRD传感器都是依据时域的变化来对所有物理量进行测量。因此该传感技术具有结构与解调简单、灵敏度高、反应速度快、精确性高等优点，FLRD的这些特性使得制造新一代的光纤多参量传感系统成为了可能。 1.3研究目标 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、使用方便、结构精简、测量精度高且易于小型化设计和标准化设计的多参量传感器及测量系统。 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种基于FLRD传感技术的多参量传感器，其系统由单一输入光源、光电探测器和两个耦合器构成的光纤环组成，光纤传感段附加不同结构的传感头和增敏结构以实现多参量测量。 2.研究内容（1）低本征损耗的FLRD系统搭建；（2）FLRD传感信号检测方案和信号处理系统研究；（3）多种参量测量的传感头与增敏结构的设计；（4）传感信号的数据实时采集与处理程序的编写；（5）光纤传感系统的模块化、小型化设计。 3压力传感系统研制情况简介 3.1 FLRD压力传感系统搭建与调试 整个传感器部分由输入和输出两个2×1的1064nm单模耦合器构成，耦合器分束比均为99:1。输入耦合器与输出耦合器具有相同的结构，假设输入端为1（99%）、2（1%），输出端为3，则具体的连接方式为：光源接输入耦合器的2端，输出耦合器的3端与输出耦合器的3端连接，输出耦合器的2端接光电探测器，两个耦合器的1端（99%）相接。光源发出的脉冲光经输入耦合器进入光纤腔，到达输出耦合器分束后，99%的光能继续留在光纤腔内，只有1%的能量进入探测器，作为监测光强的变化。光源为纳秒脉冲激光器，中心波长1550nm，脉宽<1ns，重频约为8.5kHz，平均输出功率小于100mw。示波器为美国泰克公司生产的TDS7154，带宽可达1.5GHz，采样率最高可达25GS/s。探测器为Thorlabs 生产的InGaAs 近红外探测器（DC400FC），响应速约为0.1ns，带宽约为2.0GHz。示波器和光电探测器都能满足实验需要。光纤环形腔中使用了约4.5m长的1550nm单模光纤，其传输损耗为0.3dB/km，纤芯折射率按n=1.45计算，脉冲在光纤腔中传输一圈的时间约为21.8ns，远大于脉冲宽度，满足FLRD检测的基本要求。调试结果表明该系统能够正常工作，示波器能够出现分立的指数衰减的脉冲序列。 3.2实时数据采集与处理程序的编写与改善 在平台搭建完成后，编写了初步的信号处理程序，成功地从数＼模转换接口输出的数据中提取出衰减时间并进行数据拟合和定标。之后，对程序进行了不断改善，实现了对压力、温度好血液浓度的测量，取得了较好的实验结果。 3.3对单模光纤微弯结构的压力传感测试 在平台搭建和处理程序初步完成的基础上，顺利实现了对单模光纤微弯结构的压力传感测试，图3即为不同压力下测量的衰减时间。在我们的实验中是以砝码模拟压力，其中，以衰减时间的倒数为坐标纵轴，砝码的重量为坐标横轴。可以看到在线性工作区间内衰减时间的倒数与压力呈良好的线性关系，与理论推导相符。 3.4对压力增敏结构的实验研究 在实现了微弯结构的压力测试后，进行了多种不同的压力增敏结构的实验尝试，压力通过力臂施加到微弯压板上，改变压板上标称重物对光纤的压力方向和大小，图5为该结构在测试平台上的实验结果。这种结构是一种灵敏度高、线性度高的增敏结构，数据表明该结构能够准确的响应0.1ｇ的微小重力差别，但是量程较小，实验表明可以通过压板上标称重物的重量来改变量程灵敏度，从而实现大范围的测量。 4.发明的主要特点和效果（1）灵敏度高，精度高，结构简单，价格低廉；（2）响应速度快（μs级，目前商用压力传感器一般只能达到ms量级）；（3）对光源要求较低，不受光强和波长漂移的影响；（4）容易小型化、模块化设计；（5）信号解调方法简单，不需要复杂的信号处理手段；（6）易于标准化设计生产，可用于传感器阵列。 5.成果分析 本发明作为一种更加先进的FLRD传感技术，与其他测量方法及系统的本质区别在于，本发明的多参量传感器及测量系统所需的物理量为时间，不需要任何光放大设备，所以不会引入ASE噪声而响应迅速；同时，本发明对光源要求较低，不受光强波动的影响。应用本发明测量系统进行测量的方法比较直观，数据处理算法只是简单的最小二乘拟合与简单的代数计算，不需要复杂的信号解调算法。另外，用于不同物理参量测量时，由于传感原理相同，不会在本质上改变传感特性，只需重新定标即可，实现了同一系统多个参量的测量。此外，用于气体吸收、液体浓度、折射率等参量测量时，避免了传统FLRD系统必须使用开放式传感头的缺点，实现了系统的全光纤化，使得系统更加稳定，使用起来也更为方便。 综上，多参量传感器及测量系统能够有效测量压力、温度、气体吸收、液体浓度、折射率等多种参数，不仅具有传统FLRD传感技术信号解调简单、响应迅速、设计灵活性及不受光强度波动影响等优点，同时还解决了传统FLRD体积大、难以微型化设计、光纤环形腔固定难、用于压力传感时的温度交叉敏感、用于气体吸收等测量时无法全光纤化等技术问题。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.作品设计、发明的目的 光纤传感器的应用日益广泛。但是，目前光纤传感器很难实现多参量同时传感。对此，本作品将光纤腔衰落技术引入到光纤传感中，利用同一传感平台及其测量系统可以实现压力、温度、气/液体浓度等多物理参量的检测。 2.基本思路 FLRD传感技术采用光纤环路作为光学谐振腔。当一束脉冲激光经耦合器进入光纤环路，输出的信号强度随时间呈指数衰减。衰减时间与传感头引入的光强衰减系数呈线性关系。因此，通过检测衰减时间的变化就能知道待测物理量的变化，实现多物理量的测量。 3.创新点（1）在国内首次提出采用FLRD技术实现多物理量传感，申请了发明专利；（2）感头易于小型化设计，便于构成传感阵列；（3）能用于高温、高压、高电磁干扰、强腐蚀性等恶劣环境；（4）成本低，使用方便，只需更换不同类型的传感头就能实现不同物理量的测量；（5）灵敏度可调。 4.关键技术（1）光纤环形腔的搭建，要求本征损耗非常低，以提高检测精度；（2）光纤传感头的设计与制作，要求在测量不同物理量时便于更换；（3）信号处理软件的编写，要求系统的实时性强。 5.主要技术指标（1）检测精度：在用于液体浓度检测时，精度可达0.01摩尔/升，用于吸收系数测量时精度可达0.01/厘米；（2）灵敏度：灵敏度可调，随着腔内光纤长度的增加而增加；（3）响应时间：传统光纤传感系统响应时间一般在毫秒级，本作品响应时间可达微秒级，压力传感时响应时间约为300纳秒。
科学性、先进性
- 1.作品先进性 本作品将新颖的FLRD技术用于光纤传感，通过简单的设计可以实现同一系统多物理量测量。本作品具信号处理简单、成本低等特点，同时还具高灵敏度的特点，它将灵敏度与实时性较为完美地结合在一起，有广泛的应用前景。本作品实现了高压、高温和液体浓度的检测，取得了较好的实验结果，检测灵敏度高于同类传感器。 2.作品科学性（1）与传统强度型光纤传感器相比 测量精度高，且通过降低腔的本征损耗可提高测量精度； 检测灵敏度高，且通过简单地增加腔内光纤长度就可提高灵敏度； 稳定性强，检测的是相对光强变化，从根本上消除了光源功率波动对测量结果的影响。（2）与干涉型光纤传感器相比 成本低，对光源的相干性、功率和波长稳定性都没有要求，普通的半导体激光器即可满足要求； 信号处理简单，属于强度性光纤传感器，无需复杂的信号解调算法； 响应速度快，属于时域传感器，响应速度可达微秒量级，远远高于一般干涉型可达的毫秒量级。
获奖情况及鉴定结果
- 1.国防科学技术大学光电科学与工程学院2011年度“创新杯”竞赛一等奖. 2.国防科学技术大学2011年度“创新杯”竞赛通信评议第三名，本科生组第一名。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 与国防科大定向能技术研究所签定技术服务合同；与中南大学化学化工学院签定技术服务合同。
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 基于FLRD技术的光纤传感器是一种新型的强度型光纤传感器，利用同一系统能够实现多物理量的测量。该新型光纤传感器具有灵敏度高、检测精度高、稳定性好、系统成本低、信号处理简单等优点。 本作品可以用于高温高压环境下的温度和压力测量。我们将该系统用于化学激光器喷口处的压力和温度实时监测，取得了较好的实验结果。测量精度与商用测量仪器（美国进口，50万元左右）相当，响应速度则快得多，本作品可达微秒级，而美国进口仪器只有毫秒级。 本作品也可以用于化学药品的浓度检测。我们将本作品用于血液浓度的检测，取得了较好的实验结果，测量精度与国外进口仪器相当，但成本远远低于进口仪器。 将现代新型的光子晶体光纤与本技术结合，可大大扩展本作品的应用范围。特别是利用极短的空心光子晶体光纤就可以实现液体和气体吸收系数测量，测量精度远远高于传统的测量方法，而传感头尺寸可以做得非常小。 本作品有望发展一种新型的多物理量在线监测技术，特别适用于各种恶劣环境，具有重要的应用价值和广泛的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 光纤传感器的造价低廉、体积小、重量轻、不受电磁辐射影响、可长距离监测以及多用途等优点使它的应用日益广泛。同时，它也成为传感器研究长盛不衰的热门。至今，光纤传感器的研究已经持续了30多年，尤其在光源、光纤材料和检测方法等方面都有很大的进步。目前，已经研发出基于多种不同原理的稳定可用的光纤传感器，如光谱式、光吸收式、干涉式等。尽管不断有新的光纤传感器出现，但其研究的源动力仍是两个主要方面：新传感平台和传感效果的研究。新传感平台的研究主要指研究新的传感方式使之达到降低制作成本以及充分利用现有的传感设备的目的。传感效果的研究则主要包括三个方面：其一，传感灵敏度和检测精度的提高；其二，更快的响应速度、更远的传感距离和更快的数据传输；其三，多参量同时传感，这样单个传感器可以简单的加入到任意传感网络里或者从网络中移出。 光纤传感器的研发中最值得关注的地方之一便是设计各种性能优良、用途广泛的传感器及传感系统。现有的传感器主要是通过检测光强、相移、或者光强和相移来实现。但是，到目前为止这样的传感方式都不能实现统一设计的多用途传感。若将各种传感器集中到一个系统中区，则不仅增加了成本，还使得数据处理和传递变得繁杂低效。 实现多参量传感的一个可能的突破口就是FLRD技术。自2001年首次提出FLRD概念以来，FLRD技术不断的发展和创新。到目前为止，一些基于FLRD技术的传感器相继报道，如FLRD气/液传感器、FLRD压力传感器、FLRD布拉格光栅温度传感器、FLRD应变传感器、FLRD折射率传感器以及FLRD微流体传感器。但是，它们都是单一的传感器，关于多参量的传感器系统未见报道。而且，报道的都是实验室研究结果，未见实际应用的报道。本作品重点研究基于FLRD的多参量传感及其参量系统，而且在实际物理量的检测中得到了应用，并取得了较好的实验结果。本作品具有灵敏度和精度高、成本低、稳定性好、响应速度快、信号处理简单等优点，有望发展一种具有重要应用价值和广泛应用前景的新型多物理量在线监测技术。
