光纤解调仪原理

近年来，传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能 尽缘、无感应的电气性能 耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区)，起到人的线人作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 　　基本工作原理及应用领域 　　光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送进调制器，使待测参数与进进调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送进光探测器，经解调后，获得被测参数。 　　光纤传感器的应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的丈量。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上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，解决了很多行业多年来一直存在的技术困难，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用： 　　1、市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松驰、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。 　　2、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电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时丈量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力，利用这种特点我们可以连续实时丈量光纤沿线几公里内各点温度，定位精度可达米的量级，丈量精度可达1度的水平，非常适用大范围交点测温的应用场合。 　　在实际生活中，光纤传感器种类是非常多的，但是，我们将这些传感器类型归结为两大类型，即传感型与传光型。和传统电传感器进行比较，光纤传感器具有很多的优点，例如抗干扰能力较强、绝缘性好、灵敏度偏高，所以，当前在各个领域都有光纤传感器的身影。 　　光纤传感器助力物联网发展市场容量将近万亿 　　自出现光纤传感器后，它的优势与应用引起了各个国家人们的高度关注。并且对光纤传感技术进行了深入的研究。现如今，通过光纤传感器可以对位移、温度、速度、角度等物理量进行测量。现如今，很多西方发达国家将对光纤传感器研究的重点放在光纤控制系统、核辐射监控、民用计划等多个方面，同时已经取得了可喜的成绩。 　　我国对光纤传感器的研究起步较晚，有很多研究所、企业等对光纤传感器的深入研究促进了光纤传感技术的发展。在2010年，张旭平的关于&ldquo 布里渊效应连续分布式光纤传感技术&rdquo 通过了专家的鉴定。专家组都认为此技术有很强的创新性，技术已达到世界先进水平，因此，有广阔的发展前景。此技术的发展主要是应用了物联网技术，从而加速了我国物联网的发展。 　　传感器成为物联网极其重要的一组成部分。因此，传感器性能好坏决定了物联网的性能好坏。可以说，物联网获得信息的主要手段为传感器。这样一来，传感器所采集信息的可靠性与准确性都会对控制节点处理和传输信息产生一定影响。由此看来，传感器的可靠性、抗干扰性等都会对物联网应用性能发挥举足轻重的作用。 　　光纤传感技术在物联网中的应用 　　通过上述分析得知，物联网的发展必须要借助大量传感器获得各种环境参数，从而为物联网更可靠的数据信息，再经过系统的处理，得到人们需要的结果。以下是对光纤传感技术在物联网中的应用进行详细的探讨。 　　目前应用最广的光纤传感器有四种，分别是光纤陀螺、光纤水听器、光纤光栅传感器和光纤电流传感器。其中，光纤陀螺有干涉型、谐振型和布里渊型三种类型，干涉型光纤陀螺是技术上很成熟的第一代商品化阶段，谐振光纤陀螺是处于实验室研究阶段的第二代，布里渊型光纤陀螺是在理论研究阶段的第三代光纤陀螺传感器 光纤水听器是在光纤、光电子技术基础上的一种水下声音信号传感器，这种传感器通过高度灵敏的光纤相干检测，把水中的声音信号转换成光信号，再通过光纤传到信号处理系统转换为声音信号，这种传感器按原理可以分为干涉型、强度型、光栅型等类型 在光纤光栅传感器的产品中包括应变传感器、温度传感器和压力传感器，其中光纤bragg光栅传感器是这几年的研究热点，它们大部分属于光强型和干涉型，并且各有利弊。自今年来电力的发展是突飞猛进的，这种情况下，面对着强大电流的测量问题，光纤电流传感器可以很好的避免一些由于电力过强而引发的事故。

在满足目前各种应用需求的前提下，光谱分析仪器和方法也在不断的创新发展中，不论是分子光谱还是原子光谱都涌现了一系列创新的成果，特别是拉曼光谱、近红外光谱、激光诱导击穿光谱、太赫兹、超快光谱、荧光相关光谱、高光谱等相关技术彰显了极具诱惑的市场活力，引领着行业发展的方向。第十二届光谱网络会议（iCS 2023）中，近50位专家报告充分彰显了光谱创新潜力，纷纷展示了一系列的创新成果：从仪器整机到关键部件；从系统集成到方法开发；从大型科研仪器，到用于现场的便携、手持设备；从实验室检测设备，到过程分析技术……为了更好的展示这些创新成果，同时也进一步加深专家、用户、厂商之间的合作交流，会议主办方特别策划《光谱创新成果“闪耀”iCS2023》网络专题成果展，集中展示本次光谱会凸显的创新成果，包括但不限于仪器、部件、技术、方法、应用等。大连理工大学 陈珂副教授本次会议中大连理工大学陈珂副教授介绍了其课题组在光纤光声气体传感技术及应用方面开展的一系列工作（点击回看》》》），得到与会老师的关注和认可。会后，我们也再次邀请陈珂副教授分享大连理工大学光纤光声传感研究团队的系列成果。1、成果简介大连理工大学光纤光声传感研究团队开展了光纤声波/振动传感技术和光声光谱微量气体检测技术的应用基础研究工作。在光纤传感技术研究方面，首次提出并设计了超高灵敏度光纤悬臂梁声波传感器，信噪比相比于传统电学麦克风提高了1-2个数量级；研制出超高速振动/声波传感解调仪器，采用光谱解调法实现了200 kHz的解调速度，将解调算法集成到FPGA中，大幅度提升了解调的稳定性。在光声光谱技术研究方面，将光纤声波传感器用于光声信号探测，提出了干涉型光纤声波锁相探测方法，设计了新型的光纤悬臂梁增强型光声光谱仪器，实现了对多种微量气体的超高灵敏度检测。研究了基于光纤光声传感的变压器油中溶解气体原位检测技术，研究了气体绝缘设备中六氟化硫分解产物的光纤光声检测技术，并在多个变电站开展了示范应用。根据变压器油中溶解气分析和煤矿瓦斯突出应用需求设计了多套激光光声光谱多组分气体分析仪器，掌握了目前世界上唯一的高瓦斯背景中多组分微量气体光学检测技术。成果1：光纤振动/声波传感器及解调仪器设计的光纤振动/声波传感器采用MEMS悬臂梁结构，具有灵敏度高、稳定性好的特点。研制了基于光谱解调的超高速光纤法布里-珀罗（F-P）传感解调仪，在FPGA中集成光谱采集、光谱相位解调等功能，显著提升了解调速度和稳定性。成果2：光声光谱变压器油中溶解气体分析仪针对高电压油浸式变压器油中溶解气体分析需求，研制了多套激光光声光谱气体分析仪。其中对油中溶解乙炔气体的检测极限达到0.05μL/L。，同时课题组还开发了光声光谱油中溶解气体原位检测仪，可以直接将光声传感器安装于变压器取油口。 成果3：光纤光声传感解调仪器本团队创新性地将光纤F-P声波传感器用于微弱光声信号探测，研制了多套光纤光声传感解调仪器。在FPGA中集成了相位解调算法、数字锁相、激光调制等功能。对乙炔气体的检测极限可达到ppt量级。 成果4：光声光谱煤矿自然发火监测仪研制的光声光谱煤矿自然发火监测仪，可对多种特征气体进行同时测量。检测指标如下：乙炔：0.5ppm；乙烯：1ppm；一氧化碳：1ppm；乙烷：5ppm；甲烷：0.1%；二氧化碳：0.1%成果5：高精度光声光谱环境气体分析仪开发的二氧化氮和二氧化硫气体分析仪，可对环境中痕量气体进行实时监测。二氧化氮气和二氧化硫气体的检测限分别达到1ppb和10ppb。下图中实验数据是开发的二氧化氮气体分析仪与环境监控站的对比结果。成果6：多通道同步FPGA数字锁相放大器针对光谱探测中微弱光信号检测需求，开发了多通道同步FPGA数字锁相放大器。采用定制的线阵探测器对光谱进行同步快速读取，光功率检测极限达到10fW量级，动态范围达到120dB。2、产业化探索本团队开发的光谱检测、光纤传感类检测仪器具有较高的技术成熟度。在电力、石化等行业具有较好的应用前景。3、课题组未来研究计划光声光谱与光纤传感技术结合后，具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、可远距离探测以及多点测量等优势。本课题组将重点研究光纤光声传感技术中的基础科学问题以及工程应用关键技术。欢迎电力、石化、煤矿和环境监测等相关科研院所和公司联系我们。联系人：陈珂（大连理工大学）Email：chenke@dlut.edu.cn课题组介绍陈珂，大连理工大学光电工程与仪器科学学院副教授，博士生导师，大连市青年科技之星，光纤光声传感团队负责人，主要从事光纤传感、激光光谱和微弱信号检测等方面的研究工作。担任中国光学工程学会光谱技术及应用专委会委员，中国电气工程学会测试技术及仪表专委会状态监测学组委员，国家自然科学基金通讯评审专家。工作近8年来，共主持科研项目32项，其中，国家自然科学基金面上项目等国家级项目2项，省部级项目2项，大连市高层次人才创新支持计划项目1项，企业合作项目20余项；在Analytical Chemistry、Optics Letters等期刊上发表SCI/EI论文93篇，其中第一/通讯作者论文63篇；已申请和授权发明专利43项，其中第一发明人专利21项。

p style=" text-align: center" img style=" width: 399px height: 300px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201701/insimg/72a2ce84-3206-49f9-ba7c-4be0f6388773.jpg" title=" 1.jpg" border=" 0" height=" 300" hspace=" 0" vspace=" 0" width=" 399" / /p p 　　2017年1月9日，国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂举行。天津大学4项成果获2016年国家科技奖。其中由天津大学作为第一完成单位获得国家技术发明二等奖两项，参与完成的两项成果均获得国家科技进步二等奖。这也是近年来天津大学首次以第一完成单位身份，在同一年度获得两项国家技术发明奖。 /p p 　　 strong 突破国外技术封锁 自主创新水下滑翔机“海燕”领先国际 /strong /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201701/insimg/2ef4e1ee-2347-4b8d-ac8c-b5ca7316e0bd.jpg" title=" 2.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong (国家技术发明二等奖获得者王树新教授) /strong /p p 　　混合驱动水下滑翔机“海燕”是天津大学自主研发的一种新型水下滑翔机，由天津大学教授、海洋国家实验室海洋观测与探测联合实验室首席科学家王树新带领团队历经十余年研制成功。 /p p 　　拥有国际先进的水下滑翔机一直是建成世界海洋强国重要的标志性成果之一，因此美国等国家对该技术一直采取严密封锁。“海燕”的成功研制打破了国外对中国技术封锁的壁垒，扭转了中国在某些关键技术上受制于人的局面。 /p p 　　去年12月，中国海军一艘救生船在南海有关海域捕获一架美国无人潜航器。后经中美双方友好协商，于12月20日中午在南海有关海域顺利完成美无人潜航器的移交工作。 /p p 　　据了解，无论在续航里程、下潜深度以及稳定性等诸多方面，美军潜航器都无法与“海燕”相比，海燕采用了最新的混合推进技术，以浮力驱动为核心并融合其他驱动方式，具有体积小、重量轻(小于100kg)、航程远等优点。 /p p 　　早在2014年，“海燕”在南海北部水深大于1500米海域通过测试，创造了中国水下滑翔机无故障航程最远、时间最长、剖面运动最多、工作深度最大等诸多纪录。 /p p 　　“海燕”最大下潜深度1514.2m，实现了复杂海洋环境下大深度平稳滑翔运动 推进速度最大可达1.69m/s，1108.4公里实测航点位置平均偏差小于2km 连续航程超过1100km，实现水下滑翔机航程从百公里级提升至千公里级的突破。 /p p 　　“海燕”的研制成功不仅解决了我国相关技术的“有”“无”问题，而且引领了新型水下滑翔机技术发展。在“大深度”、“长航程”、“高精度”三方面取得了创新性成果。 /p p 　　由于混合驱动水下滑翔机结合了自主水下航行器(AUV)操纵性好、轨迹精度高与传统水下滑翔机性好、续航能力强的优点，“海燕”在海洋环境监测、海洋资源探测及海洋安全领域具有广泛的应用前景。 /p p 　　 strong 混合式光纤传感技术 引领光纤传感安全监测科技前沿 /strong /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201701/insimg/689bc77d-87c9-4b1f-a067-a17bea4a02c6.jpg" title=" 3.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong (国家技术发明二等奖获得者刘铁根教授) /strong /p p 　　传感器技术是基础设施安全监测必不可少的核心技术之一。光纤传感技术作为传感器技术的发展前沿，是国内外发展的战略性新兴产业。由于缺乏高效的传感器技术，很多工程事故未能做到“防患于未然”，因而发明一种高效、稳定、适应性强的新型传感技术成为国家产业发展的迫切需要。 /p p 　　由天津大学刘铁根教授所在的团队自主研发的混合式光纤传感技术解决了当下光纤传感领域的诸多难题，为保障重大工程项目安全提供了可靠的监测保障。 /p p 　　据了解，不同的工业产业对传感器有着不同的需求。在电力应用中，传感器需要抗强电磁干扰、电绝缘 在石油化工应用中，传感器需要本身不带电 在航空航天、土木工程应用中，传感器则需要在恶劣环境下长期工作。与常规电测传感器技术相比，光纤传感技术能够从根本上适应上述各类应用环境和工程需求。 /p p 　　然而，光纤传感技术要真正投入应用，还必须要解决信号解调中的方法单一、长期漂移和响应慢，传感器封装中的交叉敏感、胶粘老化失效和传感灵敏度低，传感组网融合困难等难点问题。 /p p 　　面对难题，刘铁根教授团队选择迎难而上，终于通过深入研究，实现一系列光纤传感领域的技术突破。高精度、高稳定混合式光纤传感解调技术，恶劣环境下高可靠性光纤多传感器封装技术，多波段混叠式光纤多气体传感技术以及混合式光纤传感组网融合技术。这些技术突破引领了光纤传感安全监测领域技术探索的前沿。 /p p 　　混合式光纤传感技术近10年来已应用到28项国家航空航天试验及重大关键基础设施工程的安全监测。其在全国电力和石化行业分立式光纤传感市场占有率超过30%，近三年共取得直接经济效益2.4亿元。成功地对多起过热异常进行了预警。2012 年，该技术成功对独山子石化分公司50万方罐区温度超过阈值进行报警，将事故隐患消除在初始阶段。 /p p 　　目前，该项目已获得授权发明专利56项，其中美国专利3项。制定国家军用标准1项。获光纤传感产品测试认证38项。获天津市、教育部和中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖各1项，获中国发明专利优秀奖1项。发表学术论文216篇，SCI检索 103篇，其中在国际顶级光学工程期刊上发表47篇。鉴定委员会认为“该项研究成果在理论探索、技术研发和工程应用中具有多项创新，总体技术达到国际领先水平”。 /p p 　 strong 　聚焦国家需求 两项成果获得国家科技进步二等奖 /strong /p p 　　在本次大会上，天津大学参与完成的两项成果获得国家科技进步二等奖，其中包括王成山教授为第一完成人的“配电网高可靠性供电关键技术及工程应用”项目，以及练继建教授作为第二完成人的“长距离输水工程水力控制理论与关键技术”项目。两项成果都与国民经济建设紧密结合，特别注重解决国家重点领域、重要支柱产业的技术难题。 /p p 　　在世界范围内，持续快速发展的大规模配电网供电可靠性提升一直面临四大难题：建设方案的经济性与可靠性协调困难 复杂故障辨识准确率低 快速抢修技术尚未突破 电网侧与用户侧一体化协调控制困难。 /p p 　　天津大学王成山教授团队与国网天津市电力公司、中国电力科学研究院、国网浙江省电力公司、国电南瑞科技股份有限公司、天津天大求实电力新技术股份有限公司等单位经过近10年的产学研联合攻关，实现了配电网高可靠性供电关键技术的重大突破。创建了多电压级网架协调规划理论和分析方法，开发了配电网建设优化决策系统 提出了复杂故障辨识方法，突破了自适应负荷转供技术，研制了配电自动化系统与关键装备 提出了故障抢修效能动态评估方法，突破了多源信息协同的抢修资源优化调度技术，开发了配电网故障抢修平台 提出了电网侧与用户侧多电源协调供电模式，开发了含分布式电源的配电网运行控制系统，满足了重要用户供电保障需求。项目获授权发明专利43项、软件著作权8项，发表SCI/EI论文65篇。成果经鉴定整体达到国际领先水平。 /p p 　　长距离输水工程是进行水资源配置的关键手段，我国已建跨流域输水工程达到31座，供水比例高达20%。长距离输水工程水力控制系统具有强非线性、多流态和多约束等特点，调控参数多，不确定性大，累积效应严重 用水需求多变，运行调度复杂，调控难度大。控制不当极易出现爆管、结构物破坏、漫堤溃决和冰害等事故。长距离输水工程的安全调度和运行是保障国家水资源安全的关键。 /p p 　　天津大学练继建教授课题组与中国水利水电科学研究院、清华大学、长江勘测规划设计研究有限责任公司、武汉大学、南水北调中线干线工程建设管理局等单位联合攻关完成的“长距离输水工程水力控制理论与关键技术”，在国家科技支撑计划等40余项重大科研与咨询项目支持下，历经20余年的工程实践、理论探索和技术创新，建立了复杂长距离输水系统水力仿真与控制理论方法 发明了分段低压输水新技术，揭示了其共振原理，提出了输水单元水流振荡方程及避免水力共振的设计方法，降低管道承压70%-90% 提出了冰期输水冰害防治的控制技术，提高冰期输水能力0%-15%。研究成果已在我国19项大型输水工程中得到应用，惠及人口2.1亿，工程节支增收逾18亿元。 /p