光纤围栏报警系统的设计与研究毕业设计.doc
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1、编号 20130913144 光纤围栏报警系统设计与研究光纤围栏报警系统设计与研究 The Design And Study Of Fiber-0ptic Fence Alarm System 学 生 姓 名王伟涛 专 业光电子技术科学 学 号0913144 指 导 教 师徐晓峰 分 院光电科学分院 2013 年年 6 月月 小三号黑体字 长春理工大学光电信息学院毕业设计 摘摘 要要 在科学技术飞速发展的信息时代,光电技术、信息技术和集成电路技术在各个领 域的作用越来越显著。而在光电技术领域,光纤通信和光纤传感技术作为新的激光应 用技术,已经成为工程应用和研究的热点。 本文围绕光纤围栏报警系统
2、,采用了一些应用于光纤围栏报警系统方面的理论技 术和算法,对整个光纤围栏报警系统的结构做了可行性的分析,设计了实验验证的方 案,最后进行实验方面的测试。具体可以分为以下几个方面: 在光纤围栏报警系统采用的技术理论方面,本文采用马赫一曾德耳光纤干涉技术, 提高系统的定位精度和降低系统的误报率。 在光纤围栏报警系统的整体设计方面,本文分析了系统设计的基本原理,以及系 统配置,系统结构,定位模块,数据分析等方面的设计要求,进一步的提出光纤围栏 报警系统的具体实验设计方案和实验验证方案。 在光纤围栏报警系统实验验证方面,本文根据提出的实验设计方案,搭建了模拟 测试的光纤围栏报警系统。 最后,通过实验测
3、试,光纤围栏报警系统的报警准确率能够满足一般行业安防的 需要。 关键词关键词: 光纤围栏 马赫一曾德干涉 长春理工大学光电信息学院毕业设计 ABSTRACT With the rapid development of science and technology in the Information Age,opto- electronics technology, information technology and integrated circuit technologyplay a more and more significant role in all areas. As a ne
4、w application of laser technology in the field of opto-electronics technology, fiber-optic communications and optical fiber sensing technology have become the hotspot of engineering applications and research. In this dissertation, one fiber-optic fence alarm system has been designed, and some theory
5、s of technology and algorithms of fiber-optic fence alarm system has been used. Then the feasibility analysis of the structure of the entire system and the program of experimental verification are made. And at last the experimental tests have been carried out. The dissertation can be divided into th
6、e follow aspects: In the aspect of technology and theory of the fiber-optic fence alarm system,Mach-Zehnder interference and reduce false rate of the system.Are used to improve the In the aspect of overall fiber-optic fence alarm system design, the basic design principles of system, system configura
7、tion, system architecture, positioning module,data analysis and so on,have been analysed in this dissertation. Then the experimental design and experimental validation program of the fiber-optic fence alarm system have been brought forward. In the aspect of experimental certification of the fiber-op
8、tic fence alarm system,a simulation test of alarm system is set up in the base of experimental design program,which have been put forward in the former dissertation. And at last, with the experimental test, alarm accuracy of the fiber-optic fence alarm alarm system can satisfy the requirment of safe
9、ty warnings in general industry. Keywords: Fiber-optic Fence Mach-zehnder Interference 长春理工大学光电信息学院毕业设计 I 目目 录录 绪绪 论论 1 1 第一章第一章 光纤传感器的发展光纤传感器的发展 2 2 1.11.1 光纤传感器光纤传感器2 2 1.21.2 分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术4 4 1.31.3 光纤围栏报警系统及其研究现状光纤围栏报警系统及其研究现状5 5 1.41.4 本文的意义及其主要研究内容本文的意义及其主要研究内容5 5 第二章第二章 传感器原理以及相关技术传感器原理以
10、及相关技术 6 6 2.12.1 光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理6 6 2.22.2 分布式光纤传感器基本原理分布式光纤传感器基本原理8 8 2.2.12.2.1 分布式光纤传感器类型分布式光纤传感器类型 8 8 2.2.22.2.2 系统接收光功率系统接收光功率9 9 2.32.3 光纤围栏可行性技术分析光纤围栏可行性技术分析9 9 2.42.4 本章小结本章小结1212 第三章第三章 基于分布式光纤传感器的光纤围栏报警系统基于分布式光纤传感器的光纤围栏报警系统 1313 3.13.1 基本原理与系统设计基本原理与系统设计1313 3.23.2 本章小结本章小结1515 第四章第四章
11、模拟实验设计模拟实验设计 1616 4.14.1 模型的建立模型的建立1616 4.24.2 报警系统解决方案的设计报警系统解决方案的设计1717 4.34.3 本章小结本章小结1919 结结 论论 2020 参考文献参考文献 2121 致致 谢谢 2222 长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 绪绪 论论 光通信是利用光波作为载波信息的。广义地说,用光传递信息并不是什么新鲜的 事。早在公元两千多年以前,我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘,遇到 敌人入侵,就在这些土丘燃起烟火传递入侵的信息,各地诸侯看见烟火就立刻领兵来 援救。这种土丘就叫烽火台,它就是一种古老的通信设备。 由于人们无法
12、解决光向四面八方散射时,光强减弱和不能通过障碍的问题,因此, 直到 20 世纪 60 年代初,光通信都没有什么重大的发展。它仅仅作为一种信号灯使用, 如马路上的红绿灯,机场上的跑道标志灯和航标灯等等。 但是到了 20 世纪 60 年代中期,情况就发生了根本的变化。1966 年,英籍华人高 馄发表了关于通信传输新介质的论文,当时他还是在英国 HarlowITT 实验室工作的年 轻工程师,他指出了利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径,从而奠定了光 纤通信的基础。 。 现已安装使用的光纤通信系统,光纤长度有的很短,只有几米长,有的又很长, 如连接洲与洲之间的海底光缆。20 世纪 70 年代中期
13、以来,光纤通信的发展速度之快 令人震惊,可以说没有任何一种通信方式可以与之相媲美。光纤通信已成为通信系统 的最佳技术选择。 长春理工大学光电信息学院毕业设计 2 第一章第一章 光纤传感器的发展光纤传感器的发展 1.1 光纤传感器光纤传感器 1.光纤传感器的介绍光纤传感器的介绍 从本质上认为光纤传感器是一种器件。光纤中光波导在外界生物量、物理量、化 学量、生物医学量或其它类似因素的影响下,它的特性会发生改变。具体的描述,就 是将光学性质保持不变的一光源发出的光经过某种固定祸合的方法入射到光纤里面, 然后进入调制区,最后从不同或同一光纤的光纤返回。调制区可以由其它介质组成, 也可以由光纤本身组成。
14、前者称为传光型传感器,后者称为传感型传感器。 现在的光纤传感器品种非常的多,能用光信号中调制的参数也颇多,包括多普勒 频移、相位、偏振态、颜色、副载频调制(如脉宽或调频)或强度。 2.光纤传感器的分类光纤传感器的分类 根据光纤在整个传感器中的功能,光纤传感器一般可分为功能和非功能型光纤传 感器两大类。 另外,按光纤中被调制的特征参量的不同光纤传感器可分为以下几种类型1. 1)强度调制型:这种光纤传感器用输出光强度的变化来代表被测物理量。其优点是 被测对象广泛,传感头结构简单。又由十光纤中的光强易受光纤弯曲、振动等的影响, 所以其抗干扰能力较差。 2)相位调制型:这种光纤传感器采用光纤中的光波的
15、相位的变化来表示被测物理量。 由于光纤中的光波相位对环境非常的敏感,这类光纤传感器具有非常高的灵敏度,但 同时存在交叉敏感等缺点,易受多种环境因素的干扰。 3)偏振态调制型:这种光纤传感器采用光纤中光波偏振态的变化来表示被测物理量, 利用检偏器进行解调。这种光纤传感器的缺点是光波偏振态易受温度、振动等因素的 影响,需采用补偿措施。 4)波长调制型:这种光纤传感器一般利用传感头的选频特性来调制出射光的波长, 采用宽带光源,得到被测物理量的大小,大多数需采用频谱仪来解调。由于光的波长 很稳定,因此这种光纤传感器可靠性非常高,抗干扰能力比较强。其缺点是占用信道 宽,并且解调和传感头的成本比较高。 5
16、)频率调制型:大多数是指利用 Doppler 效应2的光纤传感器,也包含某些非线性 Ker:效应3,如 Ramann 散射等,采用相干解调,主要应用预于速度、温度和位移等 的测量。 长春理工大学光电信息学院毕业设计 3 3.光纤传感器的应用现状光纤传感器的应用现状 光纤传感器拥有良好的机械、化学、物理以及传输性能,使得光纤传感器具备一 系列传统传感器无法比拟的优点。所以光纤传感器一出现,就受到世界各国研究机构 和学术界的高度重视,具有很强的生命力和广泛的市场应用前景。光纤传感器的应用 主要表现在以下几个方面: 1)城市建设中大坝、桥梁、油田等的干涉陀螺仪4和光栅压力传感器的应用。它 可预埋在碳
17、纤维增强塑料、混凝土以及各种复合材料中,用于测试施工应力、应力松 弛和动荷载应力从而来评估施工阶段、桥梁短期和长期营运状态的结构性育旨。 2)在电力系统方面,需要测定电流、温度等参数,譬如对大型电机的定子、转子 和高压变压器内的温度探测等。电类传感器易受强电磁场的干扰,无法在这些场合中 使用,所以只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是最近几年发展起来的一种应 用十实时测探测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通 光纤传感器的具备的优点,还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力,由于它 的这种特点我们可以实现精度可达米的量级的实时定位。 3)在石油化工系统方面,大型电厂
18、、矿井等,需要检测碳氢化合物、氧气等气体 的浓度,采用电类传感器往往达不到精度要求,更严重的是电类传感器可能会引起安 全事故。所以研制高性能的光纤气敏传感器,可以安全有效地解决上述问题。 4)在食品安全测、检环境监测、临床医学检测等方面,由于其环境复杂,影响因 素非常多,而使用其它传感器往往达不到所需要的精度,而且易受外界因素的影响, 采用光纤传感器可以具有较高的精度和很强的抗干扰能力,可实现对上述各领域的生 物的准确、快速、方便地检测。目前,我国水源的污染情况非常严重,临床检验、食 品安全的检测手段相对比较落后,所以光纤传感器在这些领域具有非常好的市场潜力。 5)医学及生物传感器。医学临床应
19、用的光纤辐射剂量计及其它的化学污染物光纤 表面细胞质粒基因组共振生物传感器等等;生物适应系统应用于生化技术、医药、海水 监测。 光纤传感器在实践中应用到的例子不胜枚举,这些技术很多都是多学科的综合和 交叉,涵盖的知识面非常广,如火花塞、光纤陀螺光纤传感器,光纤传感复合材料, 光纤传感器对植物叶绿素的研究等等。由于科学技术的不断进步,越来越多的光纤传 感器将出现,它们将被应用到实际生产生活的每一个角落。因此研究基于光纤传感器 的光纤围栏报警系统也具有非常重要的应用前景。 4.光纤传感器的技术发展方向光纤传感器的技术发展方向 光纤传感技术经过将近 20 年的发展已获得很大的进步,出现了非常多的实用
20、性 的产品,然而光纤传感技术的这种现状仍然在很大程度上不能满足实际需要。目前, 长春理工大学光电信息学院毕业设计 4 光纤传感器技术发展的主要方向是: 1)传感器实用化方面的研究,即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量,而应该 能够对多种物理量进行同时测量。 2)提高分布式传感器的空间灵敏度、分辨率,降低其成本,设计较复杂的传感器 网络工程。注意到分布式传感器的参数,即温度、压力,特别是化学参数(一些污染 物、碳氢化合物、PH 值、湿度等)对光纤的干扰。 3)传感器使用特殊光纤材料和器件的研究,譬如增敏和去敏光纤、电极化光纤、 荧光光纤的研究等。这些将都将是以后传感器进一步发展的必然的趋势。 4
21、)在恶劣条件下(化学腐蚀、高温、高压)低成本传感器(支架、连接、安装)的研发。 5)新传感机理的研究,研发新型光纤传感器。 1.2 分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术 分布式光纤传感器技术(DOFS) 5由于其可对被测量的测量场的连续空间进行实 时测量的特点而变成光纤传感技术中非常引人注目的一项新兴技术。主要分为以下两 类: 第一类为准分布式光纤传感器,也即是由 N 个放置在空间预知位置上的分立的光 学传感器共享一个或几个(nN)信息传输通道所组成的分布式网络系统6它的优点在 于可以同时或分时测量预知位置上被测量的空间分布情况,也可同时探测到某一或某 些空间点上不同被测量的分布信息。它的缺点
22、在十只能测量预知离散空间位置上的传 感信息,并且在大多数情况下其结构比较复杂,成本非常高。 第二类是全分布式光纤传感器,也即是利用一根传感光纤作为传输的敏感元件, 光纤传感器上的任意一部分既是敏感单元,又是其它敏感单兀信息的传输通道,所以 可获得被测量沿此时间变化和光纤空间的分布信息。 从分布式光纤传感器的本身特点来看,分布式光纤传感器有着很多其它传感器无 可比拟的优点,分布式光纤传感器在安防监控系统领域有着广阔的应用前景。而光纤 围栏报警系统正是基于分布式光纤传感器上研制的一种周界防范报警系统。 光纤围栏报警系统的安防技术,即采用分布式光纤传感器作为传感的器件,通过 对直接触及布式光纤传感器
23、或通过承载物,如覆土、铁丝网、围栏等,传递给光纤 (缆)的各种扰动,进行持续和实时的监控,采集扰动数据,经过后端分析处理和智能 识别,判断出不同的外部干扰类型,如攀爬铁丝网、按压围墙、禁行区域的奔跑或行 走,以及可能威胁周界建筑物的机械施工等,实现系统预警或实时告警,从而达到对 侵入设防区域周界的威胁行为进行预警监测的目的。其中光纤既作为传感的介质,又 作为传输介质。光纤围栏报警系统可以在传感光纤布设长度内,对一定准确度范围内 长春理工大学光电信息学院毕业设计 5 的突发事件进行远程和实时的监控。因此,在光缆监控、光纤围栏监控、管道监控等 方面都有着广阔的应用前景。 1.3 光纤围栏报警系统及
24、其研究现状光纤围栏报警系统及其研究现状 1.国外主要技术途径7 目前,在灵敏度较高的干涉型传感器中,国外研究较多的是基于 Sagac 干涉8的 光纤围栏报警系统。另外,还有一些将两种干涉仪结合在一起的结构,如 Sagnac 和 Mach-Zehnder, Sagnac 和 Michelson。基于 Sagnac 干涉的光纤围栏报警系统优点是定 位精度很高,已有论文报道在 5 公里的光纤环中,实现了 0.9m 的定位精度。 2.国内主要技术途径 在国内,进行围栏报警系统研制的单位主要是华中科技大学和南开大学,他们采 用的干涉仪主要是 Mach-Zehnde:干涉仪。华中科技大学孙琪真报道的光纤围
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