光纤传感技术 设计书

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  信号转换处理电路采取内部带10位ADC、转换速率为500ksps的C8051F023单片机进行探测和光电信号的转换处理

  将多个温度特性万全相同的光线光栅串接在一根光纤中，宽带光源所发出的光耦合进光纤，通过3dB耦合器入射到用光纤串接的全同光纤光栅的Bragg波长。窄带反射光经3dB耦合器的另一个分路端口进入探测器2（FBG2），探测器2的滤波波长按报警要求设置为一定值。在正常状态下，全同光纤光栅反射光的Bragg波长小于探测器2所设置的滤波波长，探测器2的滤波输出端口无光输出；当全同光纤光栅中任何一个光纤光栅除的环境和温度升高，这一光纤光栅的Bragg波长将向长波方向挪动，当环境和温度达到所设置的报警值时，此处光纤光栅的Bragg波长将与探测器2设置的滤波波长重合，探测器2的滤波输出端将有光输出，光探测器探测到光信号从而触发声光报警装置报警。

  备注：成绩等级：优（90分—100分）、良（80分—89分）、中（70分—79分）、及格（60分—69分）、60分以下为不及格。

  一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

  课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

  我们设计的感温探测系统是作用于工厂油罐区的检测系统。由于油罐区需要检测温度的地点不是单一的，所以我们最终选择了光纤光栅多点检测系统。

  那么当外界温度参数发生明显的变化时，由于光纤光栅传感器的热胀冷缩效应，光栅的周期条纹间距会发生明显的变化。当我们精确的检测出反射光的波长以及他的偏移Δλ，就可以感知光栅光纤传感器所处位置的温度及变化。

  在石油、化工、煤炭、交通领域，防止火灾发生，避免造成经济损失和人身安全事故意义十分重大。许多带电型的火灾探测器不可以应用于这类要求本质安全的场合。而光纤光栅传感技术具有防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、无电传输等优点。所以光纤光栅温度传感器能胜任这类恶劣环境下的工作。

  光纤光栅是利用激光加工手段在光纤芯内刻制间距为∧的若干条纹，形成一个光栅元件。当一束宽带光源通过光纤传输时，由于光纤光栅的存在，某一特定波长的光线将不能通过而被反射回来，其他波长的光线则顺利通过。

  由于前置放大器受放大倍数的限制，输出信号的幅度往往较小，不能够满足判决电路的输入要求，因而需要再进行放大.后放电路只要满足一定放大倍数和适合的带宽即可.判决电路是将不规则的后放信号进行电平判决，整形后输出标准的PECL信号

  20世纪70年代中期。人们开始意识到光纤不仅仅具备传光的特性，而且本身就可以构成一种新的直接交换信息的元件。光纤能把待测的量与它的各种参数联系起来。从而将被测信号的状态，以光信号的形式传出。另外，光纤不仅是一种敏感元件。而且是一种优良的低损耗线。光纤传感器具有传统传感器所不可比的优点：灵敏度较高、动态范围大、响应速度快、不受电磁干扰、防爆防燃、易于远距离遥测、保密性好、重量轻、机械强度高等。从光纤传感器问世至今，已有了上百个品种，在许多领域获得了广泛应用。

  通过这次光纤传感器火灾预警系统的设计，本人在多方面都有所提高，独立思考的能力也有了提高。体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，同时也从中发现了自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

  在此感谢我们的战老师，伦老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，不能离开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

  光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而快速地发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在所有的领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。

  LD输出光功率很容易受到温度和激光器老化的影响，为了获得稳定的光功率，APC是必不可少的.在模块中LD的同一基片上有背向光电探测器PIN，用来监测LD的光功率，通过它的光反馈自动调节偏置电流，可保持输出的光功率稳定.同时当光信号低于一定阈值时告警电路将发出指示.

  光接收电路的功能是将光纤传输中的微弱光信号转变为电信号.它主要由前放、后放以及判决电路组成。

  光发射电路是将数据信号转变为光信号送入光纤进行传输.它最重要的包含信号的调制、静态工作点调节和自动功率控制（APC）等子电路.上图是它的工作原理图.

  数据通信中的数据信号通常是电压信号，而驱动LD需要电流信号，因而需要将电压信号调制成电流信号输出，这通常利用三级管的开关特性来实现.为了使激光器正常工作，还必须在它静态工作时加上一偏置电流，如果缺少这一环节，激光器将工作在荧光区，此时输出的功率将很小，信号将严重失真，调整激光器的静态电流保证数据的正常输出至关重要.

  1、彭吉虎主编：《光纤技术及应用》，北京理工大学出版社，2003年出版。

  从光电转换器PIN获得的电信号十分微弱，通常为μA或nA量级，我们采用跨阻型放大器作为前置放大器将电流信号转变为电压信号.由于跨阻型放大器适用于宽带光传输，所以它有较大的动态范围，一般不需要附加均衡器,而且有良好的噪声特性.整个模块的接收灵敏度也主要由跨阻放大器的噪声系数决定，它满足以下关系：

  式中，P表示最小接收光功率；h为普朗克(Plank)常数；c为光速；λ为光波波长；B为工作带宽；Z为前置放大器噪声系数.