光 纤 智 能 监 控 传 感 器 系 统Word文件下载.docx
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目录
第1章绪论…………………………………………………………………………1
1.1概述………………………………………………………………………1
1.2光纤传感器现状及发展趋势………………………………………………2
1.2.1国外光纤传感器的研究现状…………………………………………2
1.2.2国内光纤传感器的研究现状…………………………………………3
第2章传感器……………………………………………………………………4
2.1传感器………………………………………………………………………4
2.1.1传感器的定义…………………………………………………………4
2.1.2传感器的条件…………………………………………………………4
2.2传感器的分类………………………………………………………………4
第3章光纤传感器…………………………………………………………………7
3.1光纤传感器的原理…………………………………………………7
3.2光纤传感器的分类…………………………………………………7
3.3光纤传感器的应用…………………………………………………7
第4章光纤智能监控传感器系统………………………………………………12
4.1利用弯曲损耗的光纤压力器…………………………………………………12
4.1.1光纤微弯变形器的原理………………………………………………………12
4.2电路设计调试……………………………………………………………………14
4.3单片机控制电路与编程………………………………………………………14
4.4传感器系统整体调试…………………………………………………………21
结论…………………………………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………………………………23
致谢…………………………………………………………………………………24
第1章绪论
1.1概述
在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用已渗透到人类生存、活动的各个领域，对人们的现代生活、工作不仅要求舒适健康、安全可靠、高效便利，同时还要适应信息化社会运用科技手段和设备的要求。
但是经济的发展也带来了相当大的负面影响。
人们生活压力大、节奏快，引起的一些不确定因素导致社会安全的不徤全。
盜窃、火灾等刑事案件也呈现出了增加趋势。
人们越来越渴望有一个安全稳定的智能监控系统。
犯罪分子的作案手段越来越高明，甚至采用一些商科技的作案手段，使得以往那种以人防为主的防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求。
因此，人们的日常安防工作中，引入了很多高科技手段，我们称之为技术防范。
因为技术防范能够及时发现各种案情，并为案件的破获提供有力的证锯，所以越来越受到人们的重视。
与此同时，随着生活水平的提髙，液化石油气、管道煤气进入了更多人的住宅里，各种家用电器也得到了广泛的使用，但是，人们在享受这些现代化设施带来的便利的时候，却也增加了火灾隐患。
如果一个小区实现了智能化管理，管理人员就可以快速有效的完成对小区的智能管理，诸如盗情、火灾等报警数据的采集，以及对各种警情的及时处理等。
国家建设部规定、目前防火报警应实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范系统自动化监控管理；
住宅的火灾、有害气体泄漏实行自动报肇；
火灾报警系统应是以烟及可燃气体等探测器为主体；
防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器：
系统应能与计算机安全综合管理系统联网；
计算机系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。
基于此项规定，盗防火系统实现智能化势在必行。
传统传感器受电磁波导致灵敏度差、误报率高、易损坏、隐蔽性差和存在很多随即因素，已远远不适合时代的要求。
本文所要介绍的光纤传感系统智能系统正是在智能蓬勃发展的背景下，为了满足用户对传感器性价比的要求，而设计并开发的。
现代科技的不断发展，使得计算机、通信、网络三者不断渗透会聚：
半导体技术的发展特别是CPU处理速度的提升以及存储能力的加强，使信息的收集、处理变得越来越快；
电脑电视和信息家电的诞生使得一种适合多媒体业务的家用交互式用户终端成为可能。
此外，现场总线技术在家庭网络中的应用给光纤传感器智能化带来了全新的方案，监控技术的发展也推进了智能化的进程。
如今,人民生活已从温饱型向小康型转变，大件耐用消费品己经进入寻常百姓家，因此人们会有更强的安全意识，逐渐接受在住宅内装设质优价廉、功能完善的安全防范系统。
同时人类己经进入二十一世纪，光纤智能传感器已开始引起人们的关注。
作为传感器的一个组成部分，安全防范系统也必将向多功能、全方位、综合性、智能化方向发展。
光纤智能监控传感系统是光学、机械学、电学、软件等的有机结合产物。
尽管光纤智能监控传感系统技术在我国刚刚起步，但却有着十分广阔的发展前景。
1.2光纤传感器现状及发展趋势
1966年英国的K.C.Kao,G.A.Hockpam等人首先提出了用玻璃纤维传输光信息，奠定了光纤通讯和光纤传感技术的理论基础，引起了学术界和实业界的极大兴趣，也推动了光纤制造工艺的研究发展;
1970年美国康宁公司的D.B.Keck,A.R.Yynes等人率先制造了低损耗（20dB/km）石英光纤，随后光纤在光通讯等领域逐渐得到了广泛应用，同时人们逐渐意识到利用光纤的许多特性可以进行物理量的测量:
70年代中期光纤传感器一经出现，就受到各国有关研究部门和产业界的高度重视。
1.2.1国外光纤传感器的研究现状
由十光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视，各发达国家更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。
美国是研究光纤传感器起步最早，水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。
在军事应用方面，他们研究和开发主要包括:
水下探测的光纤传感器、用十航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用十核辐射检测的光纤传感器等。
这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局（NASA）的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。
美国也是最早将光纤传感器用十民用领域的国家。
如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。
美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发，如斯坦福大学、弗吉尼业理工大学、Babock&
Wi1cox公司、Accuflbe:
公司、Fidber街Elamies公司、EOTcc公司、Optical技术公司等。
据统计，1993年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以30-40%的增长速度发展，到2000年达到100亿美元。
近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点己向民用领域转移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。
日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。
口本在80年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用十大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。
90年代，由东芝、口本电气等15家公司和研究机构，研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤温度传感器。
它是光纤传感器网络系统，可把分散在工厂各场所的信息进行时序化处理，并以全光方式收集。
这种网络装置可连接1000个以上的传感器，其数据更新周期在1湘秒以下。
由十该网络系统不使用电气器件，安全防爆，特别适合十炼油厂、化工厂的各种过程控制系统。
该系统实际上是集光纤材料、光纤传感器件、计算机网络等高新技术十一体，其产品在国际市场上具有广阔发展前景。
西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究与开发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。
1.2.2国内光纤传感器的研究现状
我国在1970年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。
目前己有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中科技大学、武汉理工大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。
他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。
每年发表的论文、中请的专利也不少。
但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处十实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。
1.3光纤传感器的应用
光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。
主要表现在以下几个方面:
（1）我国使用高温传感器每年要消耗几十亿元，传统使用铂铑丝热电偶来测量高温，寿命短，成本高，而且在工业生产中往往需要停产来更换热电偶，严重影响了生产。
80年代，美国提出使用蓝宝石光纤来制备高温传感器，但其价格昂贵，只能应用于特殊场合。
因此，研究和开发精确度高、性能稳定、成本低的光纤高温传感器具有极大的市场需求。
（2）在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电动机的定子、转子的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能使用光纤传感器。
（3）在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、一氧化碳等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精确度，更严重的会引起安全事故。
因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。
（4）在环境、临床医学、食品安全检测等方面，由于其环境复杂、影响因素多，使用其他传感器达不到所需要的精确度，并且易受外界因素的干扰。
采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精确度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确的检测。
总之，光纤传感器在我国具有很大的市场需求，其商品化、产业化前景极为广阔。
第2章传感器
2.1传感器
传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
作用：
利用物理效应.化学效应.生物效应，把被测的物理量.化学量.生物量等非电量转换成电量。
2.1.1传感器的定义（英文名sensor;
measuringelement;
transducer）
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2.1.2传感器的条件
传感器的条件：
首先，要有信号质量好的信号信号发生器；
其次，导线或光纤，对信号传输效益好、可重复操作利用、寿命长；
再次，敏感元件，对信号进行接受、放大、滤波等处理，把被测信号的转变为可测的信号装置且工作范围宽、特性好、性噪比高；
最后各器件要有良好的匹配性、适应环境、故障率低且价格。
2.2传感器的分类
分类方法：
按传感器工作原理、用途、输出信号类型、制作的材料及工艺等。
▲传感器按工作原理分：
物理传感器和化学传感器两大类。
振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空传感器、生物传感器等。
▲传感器按工作用途分：
压力敏和力敏传感器位置传感器、液面传感器能耗传感器、、 射线辐射传感器、热敏传感器、24GHz雷达传感器等。
▲传感器按输出信号分：
模拟传感器、数字传感器、开关传感器等。
▲传感器按材料分：
⑴按材料类别分金属、聚合物、陶瓷、混合物；
⑵按材料物理特性分导体、绝缘体、半导体、磁性材料；
⑶按材料晶体结构分单晶、多晶、非晶材料等。
▲传感器按制作工艺分：
集成传感器、薄厚膜传感器、、陶瓷传感器等
第3章光纤传感器
3.1光纤传感器的原理
光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料,它主要是用玻璃预制棒拉丝成纤维,外直径仅100-150um。
它与其它材料相比,有许多独特的性能。
光纤的第一个特性是良好的传光性能。
它对光波的损耗目前可低到0.2db/km,甚至更低；
若光在光纤里传播1km,光强将减小为原来的1/1.047,即光强为原来的96%,传播15km后光强还有原来的一半,可见光强衰减很小。
有人比喻说,如果有一根针沉在10km深,透明度和光纤相同的海底,人在海面上可以看得非常清楚,可以想像光纤的透明度是很高的。
光纤的第二个特性是频带宽.这是因为光纤传输的是光,而光的频率特别高,现在所用的光频率在1014-1015Hz的范围里,它比微小高5个数量级。
频率越高,能够容纳的带宽越宽；
而其它传输手段只能传输频率低得多的电磁波,即使能够把光送入其它传输线,也由于损耗大而没有实用价值。
这是光纤能够同时传输大量信息的根本原因。
现在已经达到的实用水平是一条光纤能同时传输路电话。
正在进行实验,很快就能投入使用的同时能传输路电话,比原来的提高4倍。
理论上可以传输的路数比它还要大得多,可能是一个天文数字。
现在限于光纤的水平,更奶于其它元件的水平（例如半导体激光器）,使传输信息的容量有限。
尽管这样,一条比头发还细的玻璃丝,用那么小的功率（只有几个毫瓦）能够传送几万路电话,甚至还可以多得多,确实不可思议,不愧是一项最新的尖端技术。
光纤的长三个物性是它本身就是一个敏感元件,即光在光纤中传输时,光的特性如振幅、相位、偏振态等将随检测对象发生变化而相应变化。
光从光纤射出时,光的特性得到调制通过对调制光的检测,便能感知外界的信息这是光纤在光纤通信领域外的应用。
为充分发挥光纤的这一特性,自70年代中期以来出现了许多特殊光纤,如一种性能灵敏地随着射线辐照而发生变化的光纤,被用于射线计量仪；
在光纤外面涂上一层特殊涂层材料,以提高光纤对外界信息的敏感能力,用于测量磁场；
一些特殊断面,如椭圆芯光纤,熊猫光纤,蝴蝶光纤以及其它特殊用途的红外光纤,紫外光纤,激光光纤,荧光光纤等都已研制成功,有些还进入了商品市场。
从广义上讲，凡是采用了光导纤维的传感器均可称为光纤传感器。
其一般形式利用光纤本身的特性或外加敏感元件，将外界待测信号的变化调制成光参数变化，并由光纤传输该信息到光电探测器，通过检测被调制的光参数的变化来检测出待测信号。
因此，光可以被调制的参数有四个，即:
（1）光强度
。
（2）相位。
（3）偏振态（E矢量的方向等）。
C4）频率
相应地，根据被调制的参数不同，光纤传感器可以分为四类，即强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器。
3.2光纤传感器的分类
光纤传感器有不同的分类方法：
根据光纤在传感器中的作用分、根据光受被测对象的调试形式分。
⒈光纤传感器按光纤在其中作用分：
功能型、非功能型和拾光型。
⑴功能型：
利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将“传”和“感”和为一体的传感器。
功能型光纤传感器的结构原理如图3.2所示：
图3.2功能型光纤传感器
⑵非功能型（或传光型）光纤传感器：
光纤仅起导光作用，只“传”。
对外界信息的“感觉”功能依靠其它物理性质的功能元件来完成，光纤不连续。
非功能型光纤传感器的结构原理如图3.3所示：
图3.3非功能型光纤传感器
⑶拾光型光纤传感器：
用光纤作探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。
拾光型光纤传感器的结构原理如图3.4所示
图3.4拾光型光纤传感器
⒉光纤传感器按光受被测对象的调制形式分：
⑴强度调制光纤传感器：
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。
⑵偏振调制光纤传感器：
是一种利用光偏振态变化来测量被测对象。
⑶频率调制光纤传感器：
是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行测量的光纤传感器。
⑷相位调制光纤传感器：
其基本原理是利用被测对象对光纤的作用，使光纤的折射率或传播常数发生变化，导致光线中传输光的相位发生变化，使两根光纤中的出射光产生干涉，且产生的干涉条纹发生变化。
3.3光纤传感器的应用
光纤传感器的应用范围很广，儿乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。
⒈我国使用高温传感器每年要消耗儿十亿元，传统使用铅佬兹热电偶来测量高温，寿命短，成本高，而目在工业生产中需要停产来更换热电偶。
⒉在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的十扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。
尽
⒊在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物,CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重是会引起安全事故。
⒋在环境监测,临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并目易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗十扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。
第4章光纤智能监控传感器系统
4.1微弯传感器原理
4.1.1光纤微弯传感器原理
⒈定义
当光纤形态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就是微弯损耗。
光纤的微弯损耗远大于光纤的宏弯损耗。
光纤微弯传感器是通过外界因素导致光纤产生微弯变化，进而导致光纤输出光强变化来反映或者测量待测量变化的传感设备，属于非功能型光纤传感器。
⒉微弯效应
光纤的弯曲会引起光纤中的传导模与辐射模之间产生耦合，从而使一部分导模泄露到包层中去，通过检测光纤纤芯中的传导光功率或包层中辐射模功率的变化，就能检测位移或压力的大小。
⒊光模式强度调制原理
在光纤微弯传感器中，微弯处一般弯曲成正弦状，设微弯部分的空间周期为A，振幅为A，如图4.1所示：
图4.1光模式强度调原理图
当有外界因素作用在微弯板上时，将使光纤产生微小变形，光纤进而产生微弯损耗。
微弯损耗的大小和空间周期、振幅、光纤种类、光纤弯曲形变大小等都有关。
⒋空间周期Λ
如果光纤中两个模式的传输常数分别为β1、β2，理论研究表明，光纤微弯板的空间周期Λ满足：
（4-1）
对于梯度型（抛物线或平方率）光纤而言，设纤芯的半径为a,
、
分别表示距离光钎轴为0，a处的折射率，相对折射率Δ为
（4-2）
另外，对于抛物线折射率分布光纤而言，传播常数β、相对折射率Δ、纤芯半径a之间的关系为
（4-3）
由以上三个式子得到抛物线折射率分布光纤微弯板（微弯变形器）的临界空间周期为
（4-4）
对于阶跃型光纤而言，
分别表示距离光纤纤芯、包层处的折射率，相对折射率Δ为
（4-5）
对于阶跃型折射率分布光纤而言，传播常数β、相对折射率Δ、纤芯半径a之间的关系为
（4-6）
由以上式子得到阶跃型折射率分布光纤微弯板（微弯变形器）的临界空间周期
为
（4-7）
4.1.2光纤微弯传感器微弯变形器设计与制作
光纤微弯变形器设计与制作恰当与否对光纤微弯传感器灵敏度有很大影响，尤其微弯传感变形齿（也称空间周期），一般两齿间间距为空间周期的2N+1倍通过4.1.1的公式即可算出，微弯变形器越尖锐光纤微弯传感器灵敏度越敏感，但是要考虑实际材料成本与光纤传感器灵敏度匹配一般最好选择空间周期的5倍。
一下为几种不同周期的微弯变形器。
如图4.2所示：
图4.2不同周期的微弯变形器
4..1.3光纤微弯变形器的应用
光纤微弯变形器的应用有：
光纤微弯压力传感器、光纤微弯水声传感器、光纤微弯位移传感器、基于OTDR原理的用于工程监测的光纤微弯应变传感器、在复合材料成型表征中的应用、光纤悬臂梁微弯测量传感器、用于编织复合材料中的应变检查等。
4.2利用弯曲损耗的光纤压力传感器
⒈定义：
参考4.1.1所述。
这是利用压力或振动使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度构成的强度型光纤压力传感器。
下图为压力光纤传感器的原理图如图4.3所示：
图4.3光纤压力传感器原理图
激光经过扩束镜,聚焦注入多模光纤,包层中的非导引模由脱模器（一般涂有黑漆的光纤,长度数厘米）去掉,然后进入变形器（一般为5个周期,节距3mm）,当
等式的第一个根值，即U=2.405，由于截止时W→0有V≈U，故阶跃折射率分布光纤的单模条件可表示为
（4-8）
⒉光纤压力传感器实物图如4.4所示：
图4.4压力传感器的实物图
4.3光纤智能监控传感器的电路设计和调试
4.3.1光纤智能监控传感器
⒈光纤智能监控传感器的原理：
光纤智能防盗报警传感器把光纤微弯原理和红外光对射原理相结合，当有人破门而入或者破窗而入时，报警器发出声光报警，通过设置多个探头还能判断是哪一个窗户有人闯入还是有人破门而入，进而把损失降低到最小，通过人为清零解除声光报警。
光纤智能防盗报警传感器属于模式强度调制型光纤传感器。
关于光模式强度调制原理与空间周期
原理已在之前的“光纤微弯传感器”中做了阐述。
⒉光纤智能防盗传感器的原理如图4.5所示：
图4.5光纤智能防盗报警传感器原理
4.3.2光纤智能监控传感器的电路设计
⒈发光电路
发光电路是通过电学基础设计出能产生光源和接受信号的电路，发出的光通过光纤传感器传输到光电探测器PD内，然后通过光电转换等处理，使电路产生一定效应。
通过Protel99SE软件发光电路设计图如4.6所示：
图4.6发光电路原理图
以上图包含了发光电路、调零电路等。
再将与4.6图中一致的电子元件通过焊接得到实物的发光电路如图4.7所示（在此过程中需严格按照焊接工艺并将焊接好的电路对照原理图一一进行电路调试与修改）
图4.7发光电路实物电路图图4.8报警电路原理图
⒉报警电路
原理：
是通过外界压力作用在光纤传感器上使光纤微弯损耗，从而使PD接受的光强发生变化导致报警电路中电压变化而报警，也可以判断声光报警的电压临界值等。
报警电路在光纤智能监控传感系统中是比不可
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