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1、电子测量与仪器学报2 0 0 6 年增刊 红外光纤传感器及其在快速水分测量中的应用 汤知张为民 ( 华东师范大学电子系，上海，2 0 0 0 6 2 ) 摘要：提出了一种采用光纤传感器的近红外水分测量方法，将传统红外水分仪的光学部分用组合式光纤束传感器代替，使之 成为发射和接受信号的光路，并采用双光源对物体测量，然后分别从光纤传感器中得到测试信号和参考信号，再对两信号进 行比值运算，有效的消除了由于光源变化和光纤弯曲等1 = 扰。此外传送到探测光电二极管上的信号是一个微弱信号，需要用 微弱信号检测理论来对信号作放大处理，故采用锁定放大原理设计的接收信号调理电路在满足了光路设计各项性能指标的 前
2、提下，既简化了光路设计，又相对提高了电路的性能，而且大大降低了成本。通过实际的测量和比对，该系统较好的满足 了实际应用的要求。 关键字：光纤传感器近红外水分测量组合式光纤束 I n f r a r e dM o i s t u r eS e n s o ra n dI t sA p p l i c a t i o ni nF a s tM o i s t u r eD e t e c t i o n T a n gZ h iZ h a n gW e im i n ( E a s tC h i n aN o r m a lU n i v e r s i t yE l e c t r o n i
3、cD e p a r t m e n t ，S h a n g h a i ，2 0 0 0 6 2 ) A b s t r a c t ：An e a ri n f r a r e dm o i s t u r ed e t e c t o ru s e df i b e rs e n s o ri si n t r o d u c e d , w h i c hr e p l a c e do p t i c sp a r t so ft r a d i t i o n a li n f r a r e d m o i s t u r ed e t e c t o rb yc o m b
4、i n e df i b e rb u n d l es e n s o r T h e nw eu s et h ef i b e rs e n s o ra st h el i g h tw a yo fb o t he m i t t i n ga n dr e c e i v i n g , m e a s u r eo b j e c tb yt w i nl i g h ts o u r c e sa n dg e tt h et e s t i n gs i g n a la n dr e f e r e n c es i n g a lf r o mf i b e rs e n
5、 s o r A f t e rt h a td i v i s i o ni s a c c o m p l i s h e db yu s i n gt h et e s t i n ga n dr e f e r e n c es i n g a l , S Oi te f f e c t i v e l ye l i m i n a t e sv a r i a t i o n st h a ta r ed u e t ot h ev a r i a t i o n si nl i g h t s o u r c ea n dt h eb e n do ff i b e r W ea
6、m p l i f yt h ew e a ks i g n a ld e t e c t e db yt h ep h o t od i o d eu s i n gt h ep r i n c i p l eo fL o c k - i na m p l i f i e r U n d e r t h ec o n d i t i o no ff i t t i n gf o re v e r yq u a l i t yt a r g e t ，t h i sd e t e c t o rc a nr e d u c eo p t i c sd e s i g na n di m p r
7、 o v et h eq u a l i t yo ft h ec i r c u i t c o m p a r a t i v e l y , r e t r e n c ht h ec o s ts h a r p l y T h r o u g ht h er e a lm e a s u r e m e n ta n dc o m p a r i s o n , t h es y s t e mm e e t s r e a la p p l i e dd e m a n d K e y w o r d s ：F i b e rs e n s o r n e a ri n f r a
8、 r e dm o i s t u r ed e t e c t 。c o m b i n e df i b e rb u n d l e 相比于经典的1 0 5 恒重法测量水分，近红外 测量法是几种快速测量方法之一，其原理是利用被 测物质中含有的水分对特定红外波长的吸收，不同 水分对应不同的吸收光强，从而得到光强与水分含 量之间的关系。由K u b e l k a - M u n k 理论，得 1 n ( 1 R ) = K S + B( 1 ) 式中R 为样品的反射率；K 为其吸收系数；S 为其 散射系数；而B 则为常数。 在一定的光强范围内，吸收系数K 与被测样品 的水分含量C 之间呈如
9、下关系： K = 1 5 “ 拳C ，( 2 ) 式中g 为比例常数。 考虑到反射率R 的定义 R = 1 厶 ( 3 ) v 式中I o 为人射光的强度，I 为反射光的强度。 将( 2 ) 、( 3 ) 代入( 1 ) 式，我们可以得到： 、n ( I | I 心= 毒C | s + B 所以水分值C 可以由下式得出： C = 【l n ( I I o ) - B S e 因此只要测得I 、I o 和S 的值，就可 测得样品的水分值。目前国内外的红外水分仪， 采用发光功率大，谱线较宽的卤钨灯作为光源，利 用传统光学的光路传输测量光，然后用带宽比较窄 的单色滤光片或光栅等分光器件过滤出水分吸收
10、 波长和一系列参考波长而后进行比对测量。此类水 分仪一是结构复杂，内部的光学元件的尺寸大小相 当严格，二是价格比较昂贵，三是仪器测试一段时 间之后不少调整工作要做，如光路平衡调整、显示 范围调整等。利用光纤反射技术是获得高分辨率的 简单方法，它具有结构简单，抗电磁干扰，无须经 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增千n 常调整光学部分，成本低和体积小的优点；其次， 它不存在应测量力大小，触针损伤等引入的测量误 差。另外对于测量仪器应当具备长期稳定性，测量 精度不受环境温度影响。目前解决的这个问题的方 法通常是双探测器单光路法。双探测器法足对物质 找到一个水分吸收峰，该吸收峰对应波长的红外线
11、( 测量波长) 照射物体表面时，发射光强随着物质 含水量的增加而减少，另外由于发射光强还受到物 质表面状况的影响，这时采用被水分吸收程度很 低，但是其他物质吸收程度和测量波长照射时吸收 程度差不多的红外线( 参考波长) ，然后将两个光 强数据相比，消除了物质表面状况影响带来的误 差。 1 光纤传感器 1 1 光纤传感器的光纤束结构模型 测量波长与参考波长的选择：根据光谱分析理 论，以及我们的实际的研究，确定近红外线测量波 长为1 4 5 0 n m ，参考波长为1 3 0 0 n m ，并采用双波长 法测量稻谷、纸张、木材等物质，基于这样的特点 本系统可以作为一种通用型的水分测量平台。 光纤传
12、感器的设计：发射与接收光纤使用玻璃光纤 束，排列方式为同心圆式分布，内圆为随机均布式 双发射光纤，这样可以达到非常好的近似同光路的 效果，外圆为接收光纤。目前，光纤传感器多用于 位移测量，物质表面粗糙度的测量，而其用于测量 水分方面的应用则在国内外的论文或著作中尚不 多见。 光纤传感器光路特性的分析：由图2 可以看出 光纤传感器的外圆是用来接受测试体表面漫反射 出来的光，内圆是由参考光纤和测试光纤的组成的 发射光纤组，这两类光纤的 叭卡书书 士。 ， F If 匕兰釜型 r 、岔叫 _ - - - 。_ 。_ 。- 。- - - - - _ - _ _ _ - - - ，- - 。- - 。-
13、 - - _ - 。_ 。_ 。- _ 。一 图1 光纤传感器结构和其与样品盘的位置 4 4 2 排布采用随机平均分布的方式，目的足为了 更好的达到同光路的效果，使得测试光纤和参考光 纤所照射的区域是基本上一致的。 图2 光纤传感器横截面图 1 2 传感器电路结构 由于光纤束接受的是微弱的直流信号，凋制后 的有用信号必然也是微弱的。要达到足够的信噪 比，用于提高信噪比的带通滤波器( B P F ) 的带宽必 须非常窄，p 值萨夙艿为带宽，必须非常高， 这在实际上往往会很难实现。而且口值太高的带通 滤波器往往不稳定，温度、电源电压的波动均会使 滤波器的中心频率发生变化，从而导致其通频带不 能覆盖
14、信号频率，使得测量系统无法稳定可靠地进 行测量。利用锁定放大器可以很好的解决上述问 题。而且对于微弱信号放火和传递影响最大的是元 器件中的热噪声，散粒噪声所形成白噪声和I f 低 频噪声，这些噪声是无法用屏蔽等措施来消除的。 锁定放大器采用互相关接受技术使仪器抑制噪声 的性能提高几个数量级。另外还可以用斩波技术， 把低频甚至直流信号变成高频交流信号处理，从而 避开了低频段的t f 噪声影响。 图3传感器电路框图 如图3 所示是采用锁定放大器的传感器电路， 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 c P U 控制L E D 驱动电路轮流导通测量L E D 和参考 L E D ，通过发射光纤组
15、成的发射光路将光线照射到 样品盘中的样品上，样品的反射光通过接收光纤传 输到接收光电二极管上，然后由前置低噪声放大器 将光电二极管的电流信号转换为电压信号放大，并 送至后端的带通滤波器以滤除杂波和干扰，P S D 对 有用信号进行相敏检测，再经低通滤波器滤除噪 声，因为L P F 的频带可以做的很窄，所以此时锁定 放大器达到较大的信噪比。为了尽可能减少漂移， 将信号通过R M S - D E 稳定地把含有水分信息的模拟 信号送到A D 转换下传送到后端C P U 以供处理。 图4实验电路框图 实验电路框图如图4 所示，该系统采用双波长 反射式红外检测法，并用光纤传感器简化光路，在 C P U
16、控制下L E D 驱动电路轮流驱动2 个波长( 测量 和参考) 的光照射到被测物体上，其反射光通过接 收光纤传导至接收相应的光电二极管上。处理电路 中，采用锁定放大器对光电二极管上获得的微弱调 制光信号实行光电转换，并滤波解调放大转换为数 字信号，接着送入专用处理器电路中进行计算，并 显示出被测物质的水分含量。在定标过程中，采用 曲线拟合技术进行不同物质的标定，并进行相应的 修正。 为避免被测物的放置形状，距离，颜色等因素 影响水分的测量，采用双波长法，既除测量波长外 增加一个不被水所吸收的参考波长，来去除上述因 素的影响。选择4 0 k H z 的调制频率，在放大电路中 选用特定的带通滤波器，抑制高低频端干扰；电阻 使用精密的金属膜电阻，电容使用漏电流小的坦电 解电容；测量时传感器放置入密闭的暗箱中，避免 外界环境光的影响；对实测数据采用多种软件数字 滤波技术，比如小波变换等以提高测量精度。 4 4 3 3 实验结果和数据分析 采用该系统对硬纸板样品进行测试，结果如表 1 ，可见测量和
