基于光纖微彎損耗效應(yīng)的稱重地毯設(shè)計(jì)

胡蔣明，金庚，王雅琪，劉雨帆

（北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101）

基于光纖微彎損耗效應(yīng)的稱重地毯設(shè)計(jì)

胡蔣明，金庚，王雅琪，劉雨帆

（北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101）

研究光纖的微彎損耗機(jī)理，在此基礎(chǔ)上利用光纖的微彎損耗效應(yīng)提出稱重地毯結(jié)構(gòu)模型，并以此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，長期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)在一定的重量范圍內(nèi)具有較好的線性和重復(fù)性。

光纖微彎損耗效應(yīng)；稱重地毯；線性；體重測量

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)隨著生活水平的提高，人們對自己的身體健康越來越關(guān)注，而身高和體重比例又是衡量身體健康與否的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，因此用一臺體重計(jì)定期測量自己的體重是否合格成為關(guān)注自我的一個(gè)標(biāo)志。傳統(tǒng)體重秤占用空間大，而且稱重很不方便；光纖稱重地毯結(jié)構(gòu)簡單，方便使用，是一種區(qū)別于點(diǎn)接觸型開關(guān)的面接觸式感應(yīng)開關(guān)。與傳統(tǒng)的體重秤相比,光纖稱重地毯具有抗電磁干擾，耐潮濕，使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊等等無法比擬的優(yōu)勢，所以它能滿足許多特殊場合的需求。

1 系統(tǒng)測量原理

光纖微彎傳感器是通過探測光纖中的微彎損耗來測量外界參量的變化[1]。多模光纖在外界因素的影響下發(fā)生微彎時(shí)，它的一部分芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模能量而泄露出去，轉(zhuǎn)化為包層模式的能量會(huì)隨著光纖微彎程度的改變而發(fā)生改變，所以可以通過測量包層模或芯模的能量變化來獲取各種物理參量。圖1是一種典型的光纖微彎傳感結(jié)構(gòu)：

圖1 典型的光纖微彎傳感結(jié)構(gòu)

該傳感結(jié)構(gòu)的核心組件是周期性的微彎齒，由上齒板、下齒板及多模光纖組成，多模光纖位于上板和下板之間，微彎器的齒距為Λ。當(dāng)存在壓力作用于上下板時(shí)，上下板之間的距離會(huì)隨著壓力的增大而減小，從而引起多模光纖發(fā)生變形，產(chǎn)生周期為Λ的彎曲。微彎會(huì)引起光纖損耗，光在傳播過程中產(chǎn)生的功率損耗與很多因素密切相關(guān)，其大小值ΔP可由光傳播理論計(jì)算出[2]，如（1）式所示：

式中ρ為多模光纖的彎曲幅度，N為微彎齒齒數(shù)，η是與光纖材質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，r、d和σ分別為光纖纖芯半徑、光纖外包層半徑和兩者之間的折射率之差。由上式可知，若選取有較大的r、較小的d及σ的多模光纖，可使得功率損耗值ΔP較大。通過（1）式選擇出所需光纖后，接下來考慮微彎齒的齒距大小Λ，它的取值決定了傳感器的靈敏度。

彎曲損耗系數(shù)α可以根據(jù)光的波動(dòng)學(xué)理論定量的表達(dá)出來，α的近似表達(dá)式可寫成（2）式[3]：

式中k為比例常數(shù)，A為光纖彎曲幅度，L為彎曲部分總長度，Δβ為光纖芯模βr和包模βρ的模式差，產(chǎn)生的微彎損耗隨著模式差Δβ增大而增大。從（2）式可以得到，當(dāng)P取Δβ、3Δβ，5Δβ，7Δβ，…這些值時(shí)，微彎損耗值較大，此時(shí)微彎傳感器靈敏度達(dá)到極大值。當(dāng)光纖為階躍型分布時(shí)，此時(shí)P=Δβ對應(yīng)的最佳齒間周期對于纖芯折射率為1.458、包層折射率為1.432的62.5/125緊套多模光纖，其最佳齒間周期Λ= 1.39mm。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）光纖稱重地毯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖微彎變形器的結(jié)構(gòu)對光纖微彎傳感性能的影響，主要通過變形周期、彎曲幅度及彎曲部分總長度的改變來實(shí)現(xiàn)的。因此，合理設(shè)計(jì)光纖稱重地毯結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)傳感器的關(guān)鍵。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由彈性塑料棒及塑料板組成，多模光纖布置于塑料板和塑料棒之間，并且用膠水把塑料棒固定在彈性塑料板上，人站在塑料棒上使彈性塑料板產(chǎn)生形變，如圖（a）所示，從而造成緊貼在塑料板上的多模光纖隨之產(chǎn)生微彎擾動(dòng)，達(dá)到重力的調(diào)制效果。

圖2 光纖稱重地毯結(jié)構(gòu)示意圖

（2）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，激光器發(fā)出脈沖光,經(jīng)過波分復(fù)用器從光纖的一端輸入，沿光纖傳播過程中產(chǎn)生背向散射光。當(dāng)光纖受到人體的重力作用時(shí)，其曲率發(fā)生變化，從而使光纖的損耗值增大。背向散射光在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的損耗用光強(qiáng)來表示，損耗變化量主要取決于外界壓力的大小。在光纖的輸入端用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?通過后級的處理電路將探測器探測到的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為A/D芯片可以識別的電壓信號。最后，將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號信送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理及顯示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過不同的人體重量來改變彈性塑料板的凹陷程度，從而改變多模光纖的微彎程度。探測器上的輸出信號將會(huì)隨著重量的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)重量的檢測。實(shí)驗(yàn)中采用的是100m/s的數(shù)據(jù)采集卡、脈沖寬度為10ns的脈沖激光器、響應(yīng)時(shí)間為10ns的APD探測器。

圖4 電壓值與重量值的擬合直線

對圖3所示的系統(tǒng)進(jìn)行了測試，分析了電壓值與人體重量之間的關(guān)系。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在特定的范圍內(nèi)它們之間具有良好的線性特性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到的電壓值與人體重量的關(guān)系擬合曲線如圖4所示，其表達(dá)式為y=-2.07x+232.4。圖4表明，根據(jù)它們之間存在的這一確定性關(guān)系實(shí)現(xiàn)重量的測量是可行的。

4 結(jié)語

基于光纖微彎損耗效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種光纖稱重地毯結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)獲得了它的輸出特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定重量范圍內(nèi)，其具有良好的線性和重復(fù)性。與傳統(tǒng)的體重秤相比,抗電磁干擾、傳輸距離長及結(jié)構(gòu)小巧等特點(diǎn)使得光纖稱重地毯能適應(yīng)更多領(lǐng)域的需求，特別是在大型工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、安全評估及故障診斷等諸多方面具有良好的應(yīng)用前景及實(shí)用價(jià)值。

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Weighing Carpet Design Based on Optical Fiber Micro Bending Loss Effect

HU Jiang-ming，JIN Geng，WANG Ya-qi，LIU Yu-fan

（Key Laboratory of Photoelectric Test Technology,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100101）

Studies themechanism of fibermicro bend loss,on the basis of the use of optical fibermicro bending loss effect raises carpet structure model weighing,and thus designs the experiment system,long-term experimental results show that the system has good linearity and repeatability in certain weight range.

Optical Fiber Micro Bending Loss Effect;Weighing Carpet;Linear;WeightMeasurement

1007-1423（2017）03-0065-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.03.017

胡蔣明（1989-），男，碩士，研究方向?yàn)楣饫w傳感

2016-12-07

2017-01-10

北京信息科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目