0 引言 由于光纖傳感器具有抗電磁干擾，電絕緣性好、安全可靠，耐腐蝕、化學性能穩定，體積小、重量輕、幾何形狀可塑，傳輸損耗小，傳輸容量大，測量廣泛等特點，并且它可根據被測對象的情況選擇不同的檢測方法，再加上其對被測介質影響小，所以它非常有利于在結構檢測等具有復雜環境的領域中應用。基于干涉原理的測量是通過測量光程差從而測定相關的物理量。干涉儀是以光波波長為單位測量光程差的，其測量精度之高是其他測量方法所無法比擬的。干涉型的光纖傳感器是根據傳統的光學干涉儀的原理進行光纖化改造而成的。目前常用的有麥克爾遜( Michlson)型、馬赫－澤德(Mach-Zehnder)型、賽格納克(Sagnac)型、法布里－珀羅(Fabry-Perot)型。 Sagnac型干涉目前已廣泛應用于光纖陀螺、傳感、大型的管道檢測等領域。干涉型光纖傳感器是以光纖本身作為傳感器件的功能型傳感器，由于它的整根光纖都是探測器件，所以它非常敏感，極易受到外界的干擾，因此接收到的信號極其不穩定，它的不穩定性在一定程度上限制了干涉型光纖傳感器的應用。而基于Sagnac干涉的光纖圍欄正是利用了干涉的不穩定性來判斷外界的圍欄是否受到入侵的。 1 Sagnac光纖干涉原理 Sagnac干涉的基本原理是：激光器發出的光經3dB耦合器分成兩束相同的光，分別耦合進由同一光纖構成的光纖環中，形成沿相反方向前進的兩光波，此兩路光符合頻率相同，振動方向相同，相位差不變的干涉條件，因此在耦合器處發生干涉，原理圖如圖1。 圖1 Sagnac光纖干涉原理圖[1] 當傳感光纖沒有受到干擾時，此干涉現象趨于穩定，光強變化率為零；當這兩束光在外界因素干擾下產生不同的相移，設擾動作用的光纖長度為 ，則其產生的相位變化為 2 實驗裝置與實驗結果 2.1實驗裝置 在本次實驗模型裝置中，基本是按照圖1Sagnac光纖干涉原理圖[1]來布置的：將光纖環固定在鐵絲網上，當觸動鐵絲網就是引起光纖擾動，將耦合器的輸出端用單模光纖相連，形成光學閉合環路，經耦合器分出來的兩束光，分別在光纖環中順時針，逆時針方向傳播。利用光纖環臂作為傳感器，當傳感光纖的某處受到觸動干擾，根據Sagnac干涉原理，兩束光相位差的大小與擾動點位置、擾動噪聲引起的光波相位變化速率成正比，利用這一原理即可實現對擾動點進行分析判斷。本實驗選的是波長1310nm, 14腳雙列直插(14Pin—DIP)標準管殼封裝激光源，組件由激光器管芯、致冷器、熱敏電阻、單模光纜和標準光纖連接器CFC組成，由外電路可實現對一組件的溫度控制，形成一個帶溫度控制的高穩定直流恒流源，減少光源溫度對傳感的影響，在光源與耦合器間接一個單向光隔離器，以免干涉產生的光影響光源。前期對于干涉光強的分析，可以大致的確定信號解調的步驟，信號解調流程圖如圖2。 圖2信號處理流程圖 2.2軟件模擬實驗結果 首先通過VC開發出計算機模擬信號的解調，完成基于軟件的可視化報警系統。光電轉換得到的電壓信號，利用優采公司生產的型號UA302S采集器采集到計算機中。由于接收到的初始光強值受到器件的影響，如激光器的光功率不同、傳感光纖的初始位置，基點坐標不利于確定。通過微分處理接收的光強信號，檢測光強變化值，就可以確定初始值0V，示波器界面X坐標表示時間，Y坐標表示電壓變化值。當光纖環臂受到外界人為的干擾，光強會發生明顯的變化，當超過設置的光強幅值時，系統會發出報警聲音。通過觀察光強的波形變化，很客觀清楚的認識到在耦合器處的干涉發生變化。由于普通環境下存在諸如溫度、微動等干擾，光纖環傳感到的信號會在0值附近發生微弱的抖動，而不是在理想條件下初始值為0V，這是外界不可避免的干擾，而不是人為的入侵，所以必須要忽略，以免產生誤報，圖3為在正常的環境中所產生的光強變化率波形顯示。 圖3 正常環境下光強（電壓）的變化值 當外界入侵鐵絲網，帶動光纖環臂抖動，觸發報警裝置。圖4為觸發后光強的變化值。可以在模擬界面上改變參考電壓值，設置符合特定環境的報警靈敏度，可以完成基于采集器的計算機模擬光纖圍欄的報警系統。通過軟件模擬，可以清楚的觀察到光強變化、報警的工作過程，為后期硬件信號解調做好準備。 圖4 外界入侵光強（電壓）變化值 2.3硬件模擬實驗結果 在前期軟件模擬中，光源和光電轉換已經確定，后期就是通過分析光強變化來驅動報警裝置。設計流程如圖2，利用電容完成濾波，獲取光強變化率，濾除直流初始信號，通過運算放大器可以很容易的完成放大從外界獲取的微弱的電壓變化信號，比較器判斷是否驅動報警裝置。在解調裝置中，由于此報警系統具體安裝環境不同，例如傳感光纖依附在不同的設備上，受干擾后光纖抖動的程度不同，或者傳感光纖工作的溫度地理位置等諸多原因都會影響光纖圍欄的靈敏度，產生錯誤報警，以致失去工作意義，所以要根據不同的環境改變報警裝置的靈敏度，在設計中通過按鈕改變參考電壓值，調節到適合的外界入侵觸發靈敏度。當從外界感應到入侵，電壓變化率超過參考電壓，利用NE555觸發器觸發繼電器，引發報警系統，正確的完成報警工作。在實驗當中，取光纖8米固定于圍欄上，當外界入侵后，啟動了報警，成功的完成了模擬實驗。 3 結論 在基于Sagnac環的光纖圍欄報警系統中，充分利用了Sagnac光纖干涉原理，當傳感光纖受到外界入侵后，光的干涉發生變化，引起光強突變，觸發報警。相比較某些光纖傳感器在實際應用中的高成本、安裝維護困難等諸多原因抑制了其在市場上推廣，此系統的特點就是簡單高效、安裝便捷、維護簡單、成本較低，靈敏度可以根據實際的安裝環境變化，方便用戶，非常適合于中小型用戶的使用，可以得到迅速普及推廣。 參考文獻： [1]劉波 等。光纖圍欄技術特點及研究現狀[J]。光子技術，2004(4)：208～213 [2]莊靜蓮，邵丙銑。 一種具有延時功能的報警電路[J]。微電子學，2000，30(20)：434～436 [3]趙大卓，戴基智，等。 光纖Sagnac環特性及在WDM系統中的應用[J]。光纖與電纜及其應用技術，2006(2)：1～3 [4]趙新秋，等。 光纖薩格納克干涉儀在應變傳感器中的應用[J]。 激光與紅外， 2004，34(2)：147～148 [5]劉印菁。 高穩定度直流恒流源的設計[J]。 實用測試技術，1998(5)：5～6 [6]焦斌亮。Sagnac干涉型光纖電流傳感器研究[D]。燕山：燕山大學信息科學與工程學院，2005 作者簡介： 王立新(1959-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學光纖傳感技術研究中心教授，博士生導師，主要研究方向為光纖傳感器和光電子技術。 通訊地址：湖北省武漢理工大學光纖中心 羅強收 郵編：430070 電話：13545053171 027-87651850-8407 E-mail:luoqiang-win@163.com