1、光纤法珀应变传感器中传感头对中度对信噪比的影响2006 年 6 月第 33 卷第 3 期西安电子科技大学(自然科学版)JoURNALOFXIDIANUNIVERSITYJun.2006Vo1.33NO.3光纤法珀应变传感器中传感头对中度对信噪比的影响杨要恩.,刘明治,王庆敏.,孙宝臣(1.西安电子科技大学机电工程学院.陕西西安 710071I2.石家庄铁道学院大型所.河北石家庄 050043)摘要:分析光纤法珀应变传感器在工程应用中受到剪切应变时传感头发生相对错位对信噪比的影响?由于相对错位使得传光有效功率发生改变.进而影响到信噪比的变化,利用经典电磁场理论.建立其教学分析模型,计算机数值模拟
2、结果表明.对中度越高.信噪比越高,当对中度接近 0.1时.信噪比将趋于平稳.此时传感器将失效.关键词:光纤法珀应变传感器;对中度;信噪比中图分类号:TN25 文献标识码:A 文章编号:1001-2400(2006)03-0462-04TheeffectoftheinaccuracyinlineoffiberopticF-_PsensingheadonSNRinfabryperotsensorYANGYaoerlLIUMingzhi.WANGQing rnin.,SUNBaochen.(1.SchoolofMechanoelectronicEngineering,XidianUniv.,Xian
3、710071,China;2.ShijiazhuangRailwayInstitute,Shijiazhuang050043,China)Abstract:WhenfiberopticFabryPerotstrainsensorundergostraininengineering,theeffectfromthemalpositionofthesensingheadontheSignalNoiseRatio(SNR)isdiscussedinthispaper.Theeffectpowerchangeswiththemalpositioninline,andmakestheSNRchangea
4、ble.Themathematicalanalyticalmodelisfoundedbyusingtheelectromagnetictheoryandthenumericalsimulationiscarriedbyusingacomputer.Theresultsarethatthelargerthemalposition.thehighertheSNR.WhenthemalpositioninlineiSnearto0.1,thSNRwilltendtOberelativelystableandthesensorwillbeineffective.AnexperimentiScarri
5、edtoprovethetheoryandbothresultsarealmostidentica1.KeyWords:FabryPerotstrainsensor;malpositioninline;SNR大型结构的应力状态对其安全可靠性起着决定性的作用,准确,及时地了解结构应力状态才能对其做出正确评价,从而避免重大事故的发生.而在一些环境极端恶劣的场合,采用传统的测试方法由于信号的漂移,干扰,衰减等影响显得无能为力,而光纤传感器可克服传统测试方法的缺点,是近年来随着光通信技术的发展而逐渐发展起来的一种新型传感器.其精度高,不受电磁干扰,信号衰减小,可实现绝对测量和“传“感“合一的独特优势在
6、土木工程结构健康诊断中得到了广泛的应用】j, 开辟了监测领域新的道路.光纤法珀应变传感器是其中很重要的一个分支,由于它具有安装简便,价格低廉,结构灵巧,可靠性高等优点 J,受到了工程界的普遍关注.国内外学者对白光干涉型 FP 传感器的传感机理研究较多 ,但针对实际应用和工程要求所进行的关于光纤法珀传感器对中度对信噪比的影响研究得比较少.在光纤法珀应变传感器中,其核心部分是由入射光纤和反射光纤及空心光纤组成的传感头,入射光纤和反射光纤之间组成的空气腔称为干涉腔,大约为 924/.tm.当传感头受到外界剪应力产生弯曲应变时,便会引起入射光纤和反射光纤之间的弯曲,由于尺寸比较小,其弯曲可近似线性即引
7、起相对错位即对中度,应变越大,相对错位也越大,从而导致传感器信噪牧稿日期:200508-06基金项目:国家自然科学基金资助项日(59775052)l 高等学校博: 学科点专项基金资助项日(kO140104)作者简介:杨要恩(1978 一),女,西安电子科技大学博士研究生.第 3 期杨要恩等;光纤法珀应变传感器中传感头对中度对信噪比的影响 463比的降低.众所周知,信噪比将严重影响数字信号和模拟信号的质量,可以说,信噪比是一个最后决定传感器系统性能的因素.因此,笔者着重从理论上预测由于入反射光纤相对错位引起的传感器信噪比的降低,并用试验加以验证.这一简单的分析方法将有助于光纤法珀传感器的使用者们
8、能够准确地预测当传感头的相对错位达到多大时,传感器将使测试结果失效.图 l 光纤法珀传感器示意图1 光纤法珀应变传感器的理论分析如图 l 所示为光纤法珀传感器的示意图,入射光纤,反射光纤与空心管的组合结构是光纤法珀传感器的核心部分,入射光纤,反射光纤及光纤传输线均为多模光纤.当传感头的入射光纤和反射光纤有相对错位时,如图 2 所示,是指两光纤的相对错位,2“是指人反射光纤的直径,只有一部分功率通过干涉腔传到反射光纤,光经反射光纤的反射也只有一部分功率进入入射光纤并被光谱仪调制解调.传输光的功率是从光源纤图 2 入反射光纤的相对错位发出来的,受到光源的影响.因为光源中心频率的漂移是不可避免的,光
9、纤也会受到随时间变化而变化的微扰,于是耦合效率会有浮动,亦即会有模式噪声5.耦合效率的浮动,它的统计平均值 E(r/)就代表平均传输功率,或即信号功率 S;它的方差 D(r/)就代表噪声功率的平方,或即耦合效率的标准偏离代表噪声,于是,由模式噪声产生的信噪比 S/N 为S/NE(r1)/(D().(1)这里所用的光源是白光光源,其光谱接近于正态分布.由入射光纤和反射光纤端面的光场分布的研究并由经典电磁场理论得耦合效率即反射光纤获得的功率与入射光纤的输入功率之比,并经过化简得一 尺()Jz-Jz-,cos,/ (fntf.+lb-l.),(2)其中角标 1 代表入射光纤,角标 2 代表反射光纤;
10、I21=(J,J)?I2 一一(io.,J,),光纤某一个标量模为(,),上标 c 代表 COS 项,s 代表 sin 项.J, 为在两光纤端面重叠区域的积分;“.,b.为激发系数;h1,是一个随机变量,并满足正态分布 ,即厂()一(1/(2)“)exp-(一伽)/(2).(3)和各为模式问相位差,的统计平均值和标准偏离.经过运算,可得模式噪声的信噪比 S/N 为S/N=E(r1)/(D(r1).=pPp (JzJz-,)+(JzJz-,)cos 伽 exp(一 0-2/2)尺()l_=:【_l_L一.(4).一一P,一,1/2,一【 (1 一 exp(一 0-2)(1 一 exp(一)cOS
11、2)R.()(J2,).l2I-1I 一P=pg_gg户,p 代表模式群号码,代表在同一模式群里求和,即 1 和 1 在同一模式群里,代表在不同模式群里求和.R()是光源功率谱为正态分布下的自相关函数,则R()一 exp一(tJ)./(16In2)().,(5)其中籼是光源半功率点之间的带宽(双边带宽);为模式群间的群时延差,=:(r,)L,464 西安电子科技大学(自然科学版)第 33 卷一 r(2,A/(cki.1)(户一 P)(户+P+2),(6)户,P 为模式群号码 ,用来代替模式 m,m,代表相对折射率差 ,k.为自由空间的波数量.n 为光纤法珀传感器的传感头中入射光纤和反射光纤重叠
12、区域的半径,由于两光纤的相对错位而导致 n 的改变,即和/(2n)的对应变化 ,如图 2 所示,从而引起自相关函数的变化,进而导致模式噪声信噪比的改变;c 为光速;L 为传感光纤的长度,现取单位长度.把式(6)代人式(5) 得)一 exp_()(等)(户一(户+户+2.(7)将式(7)代入式 (4)即可得光纤法珀传感器的传感头中入射光纤和反射光纤重叠区域的半径 n 对信噪比的影响,当口趋于 0 时,雎/(2“)趋于 l,当 n 趋于 a 时,/(2 口)趋于 0.并应用计算机把信噪比公式作数值计算,从而得出模式噪声信噪比(SNR)与光纤法珀是传感器中传感头入反射光纤的相对错位/(2n)的关系,
13、结果如磊一图 3 所示.由图可知,当传感头对中度/(2n)很小时,信噪比 SNR 一下降值很大;/(2n)到达一定程度后,下降缓和.2 实验与测试系统当将光纤法珀传感器粘贴到简支梁下进行加载试验时,传感0.20.40.60.B接头相对错位图 3 模式噪声 SNR 与传感头相对错位n/(2n) 的关系? 参变量为 (,)图 4 光纤法珀传感嚣实验测试原理图器受到弯曲应力产生应变,在 924m 的弧度上可近似线性 ,为了精确得到传感头的相对错位,采用全自动光纤熔接机进行试验.该熔接机主要由监视器,电极室,手动按钮,自动按钮以及一些输入输出接口等组成.该机由于采用了高速图像处理技术和特殊的光电精密定
14、位技术,监视器的监测精度很高,采用手动按钮,可精确控制传感头的对中度 Aa/(2a)的大小 ,精度高达 0.5m.该测试系统由光纤法珀传感器(英文简写为 F-P 传感器),传光光纤,耦合器,光电探测器,A/D 转换器,计算机等组成,其测试原理如图 4 所示.所采用的光源为 LS 一 1 型的宽光源,多模光纤的直径选用型号为 62:5/125,空心管的型号是138/220,主要测试直径为 125m 的多模光纤在内径为 138m 的空心图信噪比和传感头错位的实验关系管内的错位情况.由图 4 所示的测试原理可知,当光纤法珀传感器(FP 光纤传感器)的传感头有相对错位时,其传光功率将随之改变,经耦合器
15、等进入光电探测器检测采集,采集到的模拟信号经 A/D 转换成数字信号输入到计算机,通过信号处理分析软件将输入到计算机的数据分析处理.在本试验中采用参变量为 0.2,为 1.测试结果如图 5 所示.由图可知,试验结果和理论分析基本吻合.第 3 期杨要恩等:光纤法珀应变传感嚣中传感头对中度对信噪比的影响 4653 结束语由于光纤法珀传感器的优良性能,使得它在传感测试领域的作用越来越重要.尤其是在传统的电传感器难以满足的极端恶劣场合,光纤法珀传感器具有很好的应用前景.又由于其结构灵巧可以和大型结构很容易结合?对其应力应变挠度等进行监测.当然随之带来的问题是当传感器受到挠度或弯曲应变时.与之对应的传感
16、头的相对错位是如何影响其信噪比的.相对错位达到多大值时,其传感特性将失效.笔者着重从理论上分析了传感头的对中度对传感特性即信噪比的影响.并从试验上加以验证.结果表明,传感器受到的应变越小,对中度越高.相对错位越小.信噪比越高;当对中度为 0.1 时,信噪比将趋于平稳,此时传感器将失效,也就是说,传感器受到的挠度或应变不应使传感头的相对错位超过 0.1.参考文献:1IdrissRL.KodindoumaMB.KerseyAD,eta1.MultiplexedBraggGratingOpticalFiberSensorsforDamageEvaluationinHighwayBridgesJ.Sm
17、artMaterStruct.1998.7(2)l209-2I6.2LiuT.WuM.RaoY.eta1.AMultiplexedOpticalFibre-basedExtrinsicFabry-PerotSensorSystemforIn-situStrainMonitoringinCompositesJ.SmartStructuresandMaterials.1998.7(4)I550566.33 杨要恩 .孙宝臣,王庆敏.等,白光干涉型 FP 光纤传感器结构参数研究 FJ.传感技术.2005.18(2):363366.43LiXia.LiJiandong.LuanYingzi.Estim
18、ationoftheSignal-to-interferenceRatioinaMobileChannelJ.JournalofXidianUniversity.2001.28(6):820823.5叶培大.光纤理论 M.上海 :知识出版社.1985.120147.(编辑:齐淑娟)(上接第 447 页).添加控制库所的冗余性,得到活的并在结构上更为简单的 Petri 网监督控制器.此外.由于剔除了一些从属的控制库所,降低了对网系统行为的限制,从而产生了更多的许可行为.进一步的工作是将该思想应用于一般网系统中.参考文献:1MurataT.PetriNets:Properties.Analysis
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22、nessinBoundedPetriNetsWhichAreCoveredbyTinvariantsM.NewYork:Springer-Veralg.1994.358375.9LiZW,ZhouMC.ElementarySiphonsofPetriNetsandEffectiveDeadlockControlinFlexibleManufacturingSystemsM.NewYork:MarcelDekker,2005.309348.t0GarciaVallesF,ColomJM.ImplicitPlacesinNetSystemsA.Proc8thInternationalWorkshoponPetriNetsandPerformanceModelsC.Zaragoza:IEEEPress.1998.104?113.11Ii/hiwu,WangAnrong,JiaJianyuan.MethodsforSolvingInvariantsandStateEquationsforPetriNetsJ.JournalofXidianUniversity.2003,30(2):259263.(编辑:李维东)
