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Sagnac干涉型光纤传感智能周界围栏报警系统

资讯频道文章B

    传统的周界安防或围栏报警系统:如主动红外对射、微波对射、泄漏电缆、振动电缆、电子围栏、电网等,虽为安全技术防范做出了一定的贡献,但受一些客观技术条件等因素所限,还存在着一定的缺陷。而利用光电技术中的新型光纤传感技术做成的周界安防或围栏报警系统具有非常明显的技术优势。本文介绍传统周界围栏报警系统的缺陷及光纤传感的优势,Sagnac干涉型光纤传感器的原理,基于Sagnac干涉型光纤传感智能周界围栏报警系统的组成及工作原理、模拟实验测试结果、市场应用前景等。

引言
    多年来,传统的周界安防或围栏报警系统:如主动红外对射、微波对射、泄漏电缆、振动电缆、电子围栏、电网等,为安全技术防范做出了一定的贡献。但是,受一些客观技术条件等因素所限,还存在着一定的缺陷:如主动红外对射的围栏报警系统,易受地形条件的高低、曲折、转弯、折弯等环境限制,而且它们不适合恶劣气候,容易受高温、低温、强光、灰尘、雨、雪、 雾、霜等自然气候的影响,易出现误报率;再如泄露电缆、振动电缆、电子围栏、电网等围栏报警系统,均属于有源的电传感,系统功耗很大;且电子围栏、电网等又有一定危害性;它们又易受电磁干扰、信号干扰、串扰等,而使灵敏性下降,误报率、漏报率上升等。

    与上述周界安防或围栏报警系统相比,利用光电技术中的新型光纤传感技术做成的周界安防或围栏报警系统具有非常明显的技术优势:

    ·抗电磁干扰,电绝缘性好、安全可靠,耐腐蚀、化学性能稳定,因而完全不受雷电影响,能在恶劣的化学环境、野外环境及强电磁干扰等场所下工作;

    ·体积小、重量轻,几何形状可塑,传输损耗小,传输容量大,具有非常好的可靠性和稳定性;

    ·不仅能发现外界扰动,而且可确定外界扰动的位置,系统具有成本低、结构简单、便于扩展与安装容易;

    ·无辐射、无易燃易爆材料,既防水又环保;

    ·能源依赖性低,可大大节省供电设备与线路的成本,适合长距离使用;

    ·可根据被测对象的情况选择不同的检测方法,再加上其对被测介质影响小,所以它非常有利于在结构检测等具有复杂环境的领域中应用等。

    周界安防或围栏报警系统,在光纤传感技术中可利用两种光纤传感器来实现:一是利用光纤Bragg光栅分布式光纤传感器;二是利用光纤干涉型光纤传感器。本文讨论后者,前者将另外撰文介绍。

    基于干涉原理的测量是通过测量光程差,从而测定相关的物理量的。干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的,其测量精度之高是其他测量方法所无法比拟的。干涉型的光纤传感器,是根据传统的光学干涉仪的原理进行光纤化改造而成的。目前常用的有麦克尔逊(Michlson)型、马赫-泽德(Mach-Zehnder)型、赛格纳克(Sagnac)型、法布里-珀罗(Fabry-Perot)型。干涉型光纤传感器是以光纤本身作为传感器件的功能型传感器,由于它的整根光纤都是探测器件,所以它非常敏感,极易受到外界的干扰,因此接收到的信号极其不稳定。显然,它的这种不稳定性,在一定程度上限制了干涉型光纤传感器的应用。目前,Sagnac型干涉光纤传感器,已广泛应用于光纤陀螺、传感、大型的管道检测等领域。本文设计的基于Sagnac干涉型光纤传感器制作的周界安防或围栏报警系统,正是利用了干涉的不稳定性来判断外界的围栏是否受到入侵的。

    上面已简述了传统周界围栏报警系统的缺陷及光纤传感的优势,下面再介绍Sagnac干涉型光纤传感器的原理,基于Sagnac干涉型光纤传感智能周界围栏报警系统的组成及工作原理、模拟实验测试结果、市场应用前景等。[nextpage]

Sagnac光纤干涉传感原理
    当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度Ω时,顺时针光路和逆时针光路之间形成与转速成正比的光程差ΔL,其数值满足下列关系式:
        (1)
式中,c为光速,A为封闭光路包围的面积;为转速矢量与面积A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时,则上式可简化为
        (2)
    这一光程差随转速而改变的现象称作萨格纳克效应。图1给出这一效应的图解说明。


    由图1可以看到,当Ω顺时针转动时,从光路上一点M发出的顺时针光束CW在绕光路一周重新回到M点时,要多走一段光程,而反时针光束CCW却少走一段光路。于是,形成了光程差。这种光程差的量值甚微。例如,采用A=100cm2的环形光路对于地球自转ΩE=7.3×10-5r/s,相应的ΔL仅为10-12cm。只有利用环形干涉仪或环形激光器才有可能通过检测双向电路的激光束频差,得到被测的角速度。

    转动效应在相反方向光路中引起的光频增减是相反的,是一种非互易效应。由于非互易效应引起的光学频差是双向的,因此在这种干涉测量中,参考波同样受到调制而不再保持恒定。而这种光频差是由二束测量光波的混频形成的,它的信息调制过程,如图2所示。这种差频检测方式,就称作互差式光学差频检测。


    因此,作光纤围栏的Sagnac干涉传感的原理图如图3所示。

    其基本原理是,激光器发出的光经3dB耦合器分成两束相同的光,分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中,形成沿相反方向前进的两光波,此两路光符合频率相同,振动方向相同,相位差不变的干涉条件,因此在耦合器处发生干涉。[nextpage]

    当传感光纤没有受到干扰时,此干涉现象趋于稳定,光强变化率为零;当这两束光在外界因素干扰下产生不同的相移,设扰动作用的光纤长度为l,则其产生的相位变化为
      (3)

   式中,Δφ为相位变化;β为光纤的传播常数;r为光纤纤芯的半径;n为光纤纤芯的折射率。

    这时,到耦合的总光强为
       (4)

    式中,I1、I2分别为两束光的光强;φ为相位差。因而在两束光回到耦合器处的干涉发生变化,而这种变化就可被光电探测器监测到,它将这种变化转变为电信号后,即送到信号处理系统处理。

Sagnac干涉型光纤传感智能周界围栏报警系统的组成及原理
    一种用于安全防范的智能周界围栏防卫的Sagnac干涉型光纤传感系统,由光源及其组件、隔离器、光纤耦合器、传感光纤、光电探测器、信号处理器和光纤环行器构成。其中,光源为单纵模或纵模数较少的半导体激光器,光纤耦合器的分束比为1:1,传感光纤的两端分别同光纤耦合器的两个同向端口相连接,以构成一个Sagnac环。实际上,基于Sagnac干涉型光纤传感周界围栏报警系统,基本上是按照图3所示的Sagnac光纤干涉原理图来布置的:即将光纤环固定在铁丝网上,当触动铁丝网就会引起光纤扰动。将耦合器的输出端用单模光纤相连,形成光学闭合环路,经耦合器分出来的两束光,分别在光纤环中顺时针,逆时针方向传播。利用这种光纤环臂作为传感器,当传感光纤的某处受到触动干扰时,根据Sagnac干涉原理,就使得两束光相位差的大小与扰动点位置、扰动噪声引起的光波相位变化速率成正比。由前述介绍的原理可知,这种相位的变化,就会引起到耦合器的总光强的变化。传输光纤将这一变化长距离地引入到监控室的光电探测器,探测器检测到这一变化,并转换为电信号输入到信号处理系统,经过处理分析与比较,即可实现对扰动点的分析判断,从而智能识别是否有人入侵,当判定是人入侵,即可进行声光报警。

    值得说明的是,本文选的是波长1310nm、14脚双列直插(14Pin—DIP)标准管壳封装的激光光源,其组件由激光器管芯、致冷器、热敏电阻、单模光缆和标准光纤连接器CFC组成。由外电路可实现对这一组件的温度控制,形成一个带温度控制的高稳定直流恒流源,从而减少光源温度对传感的影响。并且,在光源与耦合器间,接一个单向光隔离器,以免干涉产生的光,影响到光源的光。

    信号处理系统对光电探测器输入的干涉光强的分析,具有确定的信号解调的步骤,其具体的信号处理与解调的流程如图4所示。

    由图4可看出,该信号处理系统极其简单,它只需将输入的信号进行滤波、整流、放大,然后与一个经过定标的参考电压比较,即可自动判断有否人入侵。

模拟实验测试结果
    由于接收到的初始光强值会受到不同器件的影响,如激光器的光功率不同,使传感光纤的初始位置,基点坐标等不利于确定。通过微分处理接收的光强信号,来检测光强变化值,就可以确定初始值0V。用示波器界面X坐标表示时间,Y坐标表示电压变化值进行可视观测。通过观察光强的波形变化,很客观清楚的认识到在耦合器处的干涉发生变化。由于普通环境下存在诸如温度、微动等干扰,光纤环传感到的信号会在0值附近发生微弱的抖动,而不是在理想条件下初始值为0V,这是外界不可避免的干扰,而不是人为的入侵,所以必须要忽略,以免产生误报。图5所示,即为在正常的环境中所产生的光强变化率波形显示,即在0值附近,波形有微弱的抖动。

    当光纤环臂受到外界人为的干扰,光强就会发生明显的变化,当电压超过设置的光强幅值时,系统会发出报警声音。因为当外界入侵铁丝网,会带动光纤环臂抖动,从而触发报警装置。触发后光强的变化值如图6所示。

    值得指出的是,在实际中可利用电容器来完成滤波,获取光强变化率,以滤除直流初始信号。通过运算放大器也可以很容易地完成放大从外界获取的微弱的电压变化信号,最后通过与比较器的参考电压比较,来判断是否有人入侵而驱动报警装置。显然,比较器的参考电压值,需能够改变,以便设置符合不同的特定环境的报警灵敏度。

    在解调装置中,由于Sagnac干涉型光纤传感周界围栏报警系统具体安装环境不同,如传感光纤依附在不同的设备上,受干扰后光纤抖动的程度不同,或者传感光纤工作的温度地理位置等诸多原因,都会影响光纤围栏的灵敏度,而产生错误报警。因此,必须要根据不同的环境改变报警装置的灵敏度,具体可通过调节比较器的电位器或按钮,来改变参考电压值,使之适合于外界人入侵触发的灵敏度。这里还可利用NE555触发器来触发继电器,以引发声光报警系统,正确地完成报警工作。

    在实际的模拟实验测试当中,取光纤8m固定于围栏上。结果证明,当外界人入侵后,启动了声光报警,从而证明了这种新的光电周界围栏报警系统的可行性。

结语
    由上述介绍可知,在基于Sagnac环的光纤传感周界围栏报警系统中,充分利用了Sagnac光纤干涉原理。当传感光纤环受到外界入侵后,使光的干涉发生变化,而引起光强突变,从而触发了报警。当然,在安全技术防范系统的实际应用中,应最好要同时经视频监控系统联动复核,再驱动声光报警,以提高安防系统的可靠性。

    基于Sagnac环的光纤周界传感智能围栏报警系统的特点是,简单高效、安装便捷、维护简单、成本较低,且灵敏度还可以根据实际的安装环境变化而调整,很方便用户。因此,它转化定型生产后,将非常适合于中小型用户的使用,在市场上定会得到迅速普及推广。(文/雷玉堂 本文作者现任职于武汉乐通光电有限公司高新技术研究所)

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