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基于模斑干涉的光纤振动传感器学生实验平台的构建

作者：李俊 陈佳泉 郁炜

来源：《数字技术与应用》2012年第11期

摘要：本文介绍的是采用了SMS-A架构来实现基于模斑干涉的光纤振动传感器学生实验平台的构建，整个系统平台实现了远距离探测。系统中探测和传输都是使用光纤，能降低成本，简化系统设计；信号处理部分使用Labview语言开发的振动信号的时域和频域实时分析处理工具。并设计了一组实验对平台性能进行测试，对平台测试结果进行了分析。 关键词：光纤传感器实验平台 模斑干涉 Labview

中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0235-02 1、模斑干涉的振动检测原理 1.1 外界振动对散斑的影响

光纤振动传感器的敏感器件是光纤本身，外界环境变化使光纤内部的光路参数发生变化，光波相位也就发生变化，引起各模式之间的相位差变化。根据电磁波干涉理论，在光纤末端形成的光斑强度也会重新分布。由此可以间接地检测到外界扰动的频率和强度。 1.2 对模斑干涉的检测技术

平台采用小孔截取部分图像检测法取得光斑信息。用单模光纤在多模光纤耦合截取出散斑图像的一部分，通过计算透过的光斑信息一维FFT来估算整个干涉光斑的频度和强度，在小扰动模型下，这个方法的结果能很好的拟合实际信息。 2、系统总体框架及功能模块设计

平台中的SMS-A型系统框架图如图1所示，数据采集是通过数据采集卡完成，使用美国国家仪器公司的基于USB的多功能数据采集卡：USB-6008。用Labview程序开发的振动信号的时域和频域实时信号处理流程图如2所示，Labview程序前面板如图3所示。 3、系统测试结果与分析 3.1 悬梁振动测试

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这里采用塑料尺作为悬梁，通过塑料尺的振动来模拟现实生活中及工程中的振动。在实验中，起振方式为外界对尺子加压，这样的振动频率不会很高，并且受到尺子长度的影响。尺子较长时，振动频率较低；反之振动频率较高。这在下面的实验结果图中可以得到证明。 图4为使用了90cm长度尺子的全部有效长度的结果；图5为使用了90cm长度尺子的一半有效长度的结果。可以看到，Labview的设置是，巴特沃滋滤波功能打开，类型选择了三阶低通，截止频率为20Hz。调整量程后显示波形如下，可以看到实验的结果并不是特别理想。首先是时域波形没有反映出外界的扰动；其次，在频域方面，虽然显示了外界的扰动频率信息，但是相比噪声，并没有达到压倒性的幅度，只是达到了可以分辨出来的强度。我认为，原因可能来自以下几个方面：

第一，进行实验时，电脑屏幕的光强太大，加上实验条件限制，对光电三极管的光线隔离效果不是很好，造成的噪声影响比较大。

第二，由于光电三极管的电流本身就比较大了，造成三极管的E极容易饱和，从而使光电转换电路的信号放大作用不是很明显。在Labview的前面板上的表现就是时域响应微小，频域中信号与噪声强度对比不太明显。 3.2 音频信号振动测试

音频信号振动测试中，振源是音箱。通过PC机播放单一频率的低频声音文件，输出到音箱，通过在音箱的扬声器壁上粘贴多模光纤检测段来获取单一频率的低频振动，从而模拟生活或工程中的低频扰动。这里使用的频率是10Hz，同上面的设置一样，三阶低通巴特沃滋滤波器开启，实验结果如图6所示。可以看到，在频域上，该系统具有良好的响应准确度，分析出的频率信息为精确的10Hz。 4、结语

实验结果可以看到，平台对频域的响应精度是可以满足实际工程需要的。但时域响应还有待改进。主要的考虑方向为噪声的隔离和消除以及三极管的重新选择，平台的投入教学，获得了很好的教学效果。 参考文献

[1]楚鹏，姜向东，邢继军，光纤模斑谱在应变检测中的应用研究，中国测试技术，2006 [2]秦培林，杨春森，光纤振动传感器在安防周界中的应用，装备制造技术，2005年第4期，11-13.

[3]A. Dhall， J.K. Chhabra， and N.S. Aulakh， Intrusion detection system based on speckle pattern analysis， Experimental Techniques， 2005.1，25-310.

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