基于Sagnac环的光纤围栏报警系统

0 引言 由于光纤传感器具有抗电磁干扰，电绝缘性好、安全可靠，耐腐蚀、化学性能稳定，体积小、重量轻、几何形状可塑，传输损耗小，传输容量大，测量广泛等特点，并且它可根据被测对象的情况选择不同的检测方法，再加上其对被测介质影响小，所以它非常有利于在结构检测等具有复杂环境的领域中应用。基于干涉原理的测量是通过测量光程差从而测定相关的物理量。干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是其他测量方法所无法比拟的。干涉型的光纤传感器是根据传统的光学干涉仪的原理进行光纤化改造而成的。目前常用的有麦克尔逊( Michlson)型、马赫－泽德(Mach-Zehnder)型、赛格纳克(Sagnac)型、法布里－珀罗(Fabry-Perot)型。 Sagnac型干涉目前已广泛应用于光纤陀螺、传感、大型的管道检测等领域。干涉型光纤传感器是以光纤本身作为传感器件的功能型传感器，由于它的整根光纤都是探测器件，所以它非常敏感，极易受到外界的干扰，因此接收到的信号极其不稳定，它的不稳定性在一定程度上限制了干涉型光纤传感器的应用。而基于Sagnac干涉的光纤围栏正是利用了干涉的不稳定性来判断外界的围栏是否受到入侵的。 1 Sagnac光纤干涉原理 Sagnac干涉的基本原理是：激光器发出的光经3dB耦合器分成两束相同的光，分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，形成沿相反方向前进的两光波，此两路光符合频率相同，振动方向相同，相位差不变的干涉条件，因此在耦合器处发生干涉，原理图如图1。 图1 Sagnac光纤干涉原理图[1] 当传感光纤没有受到干扰时，此干涉现象趋于稳定，光强变化率为零；当这两束光在外界因素干扰下产生不同的相移，设扰动作用的光纤长度为 ，则其产生的相位变化为 2 实验装置与实验结果 2.1实验装置 在本次实验模型装置中，基本是按照图1Sagnac光纤干涉原理图[1]来布置的：将光纤环固定在铁丝网上，当触动铁丝网就是引起光纤扰动，将耦合器的输出端用单模光纤相连，形成光学闭合环路，经耦合器分出来的两束光，分别在光纤环中顺时针，逆时针方向传播。利用光纤环臂作为传感器，当传感光纤的某处受到触动干扰，根据Sagnac干涉原理，两束光相位差的大小与扰动点位置、扰动噪声引起的光波相位变化速率成正比，利用这一原理即可实现对扰动点进行分析判断。本实验选的是波长1310nm, 14脚双列直插(14Pin—DIP)标准管壳封装激光源，组件由激光器管芯、致冷器、热敏电阻、单模光缆和标准光纤连接器CFC组成，由外电路可实现对一组件的温度控制，形成一个带温度控制的高稳定直流恒流源，减少光源温度对传感的影响，在光源与耦合器间接一个单向光隔离器，以免干涉产生的光影响光源。前期对于干涉光强的分析，可以大致的确定信号解调的步骤，信号解调流程图如图2。 图2信号处理流程图 2.2软件模拟实验结果 首先通过VC开发出计算机模拟信号的解调，完成基于软件的可视化报警系统。光电转换得到的电压信号，利用优采公司生产的型号UA302S采集器采集到计算机中。由于接收到的初始光强值受到器件的影响，如激光器的光功率不同、传感光纤的初始位置，基点坐标不利于确定。通过微分处理接收的光强信号，检测光强变化值，就可以确定初始值0V，示波器界面X坐标表示时间，Y坐标表示电压变化值。当光纤环臂受到外界人为的干扰，光强会发生明显的变化，当超过设置的光强幅值时，系统会发出报警声音。通过观察光强的波形变化，很客观清楚的认识到在耦合器处的干涉发生变化。由于普通环境下存在诸如温度、微动等干扰，光纤环传感到的信号会在0值附近发生微弱的抖动，而不是在理想条件下初始值为0V，这是外界不可避免的干扰，而不是人为的入侵，所以必须要忽略，以免产生误报，图3为在正常的环境中所产生的光强变化率波形显示。 图3 正常环境下光强（电压）的变化值 当外界入侵铁丝网，带动光纤环臂抖动，触发报警装置。图4为触发后光强的变化值。可以在模拟界面上改变参考电压值，设置符合特定环境的报警灵敏度，可以完成基于采集器的计算机模拟光纤围栏的报警系统。通过软件模拟，可以清楚的观察到光强变化、报警的工作过程，为后期硬件信号解调做好准备。 图4 外界入侵光强（电压）变化值 2.3硬件模拟实验结果 在前期软件模拟中，光源和光电转换已经确定，后期就是通过分析光强变化来驱动报警装置。设计流程如图2，利用电容完成滤波，获取光强变化率，滤除直流初始信号，通过运算放大器可以很容易的完成放大从外界获取的微弱的电压变化信号，比较器判断是否驱动报警装置。在解调装置中，由于此报警系统具体安装环境不同，例如传感光纤依附在不同的设备上，受干扰后光纤抖动的程度不同，或者传感光纤工作的温度地理位置等诸多原因都会影响光纤围栏的灵敏度，产生错误报警，以致失去工作意义，所以要根据不同的环境改变报警装置的灵敏度，在设计中通过按钮改变参考电压值，调节到适合的外界入侵触发灵敏度。当从外界感应到入侵，电压变化率超过参考电压，利用NE555触发器触发继电器，引发报警系统，正确的完成报警工作。在实验当中，取光纤8米固定于围栏上，当外界入侵后，启动了报警，成功的完成了模拟实验。 3 结论 在基于Sagnac环的光纤围栏报警系统中，充分利用了Sagnac光纤干涉原理，当传感光纤受到外界入侵后，光的干涉发生变化，引起光强突变，触发报警。相比较某些光纤传感器在实际应用中的高成本、安装维护困难等诸多原因抑制了其在市场上推广，此系统的特点就是简单高效、安装便捷、维护简单、成本较低，灵敏度可以根据实际的安装环境变化，方便用户，非常适合于中小型用户的使用，可以得到迅速普及推广。 参考文献： [1]刘波 等。光纤围栏技术特点及研究现状[J]。光子技术，2004(4)：208～213 [2]庄静莲，邵丙铣。 一种具有延时功能的报警电路[J]。微电子学，2000，30(20)：434～436 [3]赵大卓，戴基智，等。 光纤Sagnac环特性及在WDM系统中的应用[J]。光纤与电缆及其应用技术，2006(2)：1～3 [4]赵新秋，等。 光纤萨格纳克干涉仪在应变传感器中的应用[J]。 激光与红外， 2004，34(2)：147～148 [5]刘印菁。 高稳定度直流恒流源的设计[J]。 实用测试技术，1998(5)：5～6 [6]焦斌亮。Sagnac干涉型光纤电流传感器研究[D]。燕山：燕山大学信息科学与工程学院，2005 作者简介： 王立新(1959-)，男，湖北武汉人，武汉理工大学光纤传感技术研究中心教授，博士生导师，主要研究方向为光纤传感器和光电子技术。 通讯地址：湖北省武汉理工大学光纤中心 罗强收 邮编：430070 电话：13545053171 027-87651850-8407 E-mail:luoqiang-win@163.com