光纤传感

摘 要：提出一种车窗防夹的多模光纤传感系统，该系统安装在车窗框内，并基于斑纹图样的变化来获 得信号。斑纹图样的变化被光电传感器阵列测量，其传感信号经过 A/ D 转换器送进计算机内进行处理， 然后，驱动车窗马达进行相应的动作。实验结果表明：该系统工作良好。

关键词：车窗防夹系统；光纤传感；斑纹图样 0 引 言

由于单模光纤只允许单一模式的光进行传输，而斑纹 图样是基于不同模式传输光之间的相干形成的，斑纹图样 光强分布的变化传感外界的干扰信号，如用单模光纤，无法 形成不同模式传输光之间的相干现象。当相干光在多模光 纤中传送时，在光纤的输出面可以观察到圆形的斑纹图样， 斑纹图样是由在多模光纤中传输的不同模式的光随机相干 形成的。因为该图样对外界的扰动很敏感，所以，可以应用 在需要高精度的传感场合。至今， 出现了许多把多模光纤输 出的斑纹图样用于各种传感领域的研究与应用。Pomaric 等 人［1］提出了一种使用多模光纤作为传感元件简单、实用的 微波功率传感器，对斑纹图样中的特征变化率的测量，为探 测入射微波功率提供了一个满意方法。Yu 等人［2］提出了 一种简单的光纤振动传感器，它采用了斑纹图样对比度，因 为图样对比度对光纤振动敏感，他们还用它进行位移量传 感［3］。近来，又有了基于斑纹图样的光纤安全监控传感 器［4］、光纤应力规［4］等应用。

本文提出一种光纤车窗防夹传感系统，该系统基于安 装在窗框内的多模光纤的斑纹图样进行传感，它能防止人的身体部分（如，手指、手臂、脖子等）夹在车窗与车窗框 之间。以前的车窗防夹系统基于车窗驱动马达运动的分 析， 当关闭的车窗遇到了车窗与车窗框间的障碍物时，马达 电流会发生变化，引起马达停转并作反向转动。但是，这种 系统在实际使用时存在严重的缺陷，因为当导轨及窗框内 的密封橡胶老化变硬时，该系统会经常出现故障。 本文提出的基于光纤斑纹图样的车窗防夹系统能克服 传统方法的局限，它能直接传感被夹物陷入车窗与车窗框 之间时的压力。更重要的是，将来光纤会代替车内的缆线， 它不但可以用作通信数据总线，还可以用作复杂的传感和 控制系统。

1 光纤斑纹图样传感原理

当相干光通过多模光纤传输时，由于多模光纤内不同 的传输模式光之间的干涉，在光纤的出口端面上会形成斑 纹干涉图样。光纤端面出射斑纹图样是一个圆形区域，所以，在此圆形区域均匀放置多个探测器，可以更全面地探测 光强 I(x,y)的变化。 当光纤内有外界引起的扰动（如，压力，应变等）发生，这个由大量不同亮度的斑点组成的图样将会改变，一些斑点会变亮，另一些会变暗，而有一些则根本不变化。在无外界扰动时，探测器的输出正比于该位置的光强值 I（x， y）， 因为5个探测器的位置不一样，所以，它们的输出信号不相同。

2 基于光纤传感的车窗防夹系统设计

本文提出的车窗防夹系统装置如图 1 所示。选择一个 输出波长为632. 8 nm 的氦氖激光器作为干涉光源，在车窗 框内安装一条分段折射率多模光纤，其内芯直径为62.5\"m， 如图 2 所示。当遇到被夹障碍物时，会在光纤传输中引入扰动，造成斑纹图样的变化。安装由5个光电二极管组成的阵列，以便较精确地测量斑纹图样的变化，其输出传感信号经过 A/ D 转换器送入计算机进行处理。经过计算机分析，如果在车窗与车窗框之间有被夹障碍物，则发出指令使马达停转并改变转动方向，以避免障碍物被夹。

3 信号处理算法设计

图3 所示为系统信号处理算法的原理方框图。当测到一个 关窗信号 Z，则系统启动，并初始化。每次初始化时，5个 光电二极管的输出都分别作为它们的新参考值 X（i）， i = 1， 2， 3， 4， 5，然后，系统连续测量光电二极管阵列的输出值Y（i），并计算出每个光电二极管输出信号的变化 Y（i）减X （i）。之后，系统计算出输出信号超过阈值（阈值选择可 有一定范围，一般大于无扰动输出信号波动值的 5 倍）的 光电二极管的个数 N。如果 N 大于 3，表示多个光电二极管输出信号超过阈值，因此，表示有被夹障碍物。那么，系 统送出一个车窗控制信号，使车窗打开，重复操作以上过程，直至信号Z结束。

4 系统相关参数的测试

在离光纤端面一段距离的位置上放置一接收屏，可观 察到斑纹干涉图样，当有外界压力及无外界压力时，用 CCD 照相拍摄的斑纹干涉图样会有区别。简单地用手指 接触光纤，这种微小的压力就能使光纤内部产生扰动，并使 斑纹图样发生变化。所以，可通过测量斑纹图样的变化感知扰动、压力或者是障碍物。在该系统中，为了测量斑纹图样的变化，放置了 5个光电二极管，其中， 1 个放在正中，其他的 4 个放置在圆形斑纹图样的 4 个角上。在没有扰动时， 5 个光电二极管的输出信号会随机小起伏（0. 5 V 左右），但没有很强的突然的变化，这样，车窗可以正常地移动。因为信号处理算法通常将光电二极管的初始输出值X(i)作为参考值，所以，这些缓慢变化的波动对系统不会造成影响。 无论光纤所受压力的位置在何处，都会出现超过阈值 的很强、很突然的信号变化。图 4 为发生在车窗框内光纤 3 个不同位置的扰动，当 i= 2，4. 2，6. 4 S 时，实验观察到这 3 个信号变化，有正有负说明，当外界有扰动时，在某些位置光强会加强，而有些位置光强会减弱。可以看出：本系统 所采用的算法可探测到任意位置被夹障碍物的存在。图 5 为没有障碍物存在时，车窗关闭时（i=5 S）的光电二极管输出信号。与有障碍物的情况不同，输出信号中没有明显的跳变。图 4 及图 5 的结果表明：本文提出的基于干涉斑纹的传感系统是车窗防夹系统很好的选择。

3 结束语

本文提出并实验证明了一种基于干涉斑纹图样的光纤车窗防夹传感系统，该系统安装在车窗框内，能有效防止人身体的任何一部分夹在车窗与车窗框之间。实验表明：结合多个光电二极管与本文提出的信号处理软件，该系统工作稳定，不会出现误动作。因此，可满足车窗防夹的实用性的要求。

参考文献：

［1］ Pomarico A，Sicre E E，Patrignani D，\"Optical fiber Strain gauge baSed on Speckle correlation［ J］. Opt LaSer Technol， 1999，（31）：219 -224.

［2］ Yu U S，zhang J，Pan K，\" Fiber vibration SenSor that uSeS the Speckle contraSt ratio［J］. Opt Eng，1995，l34：236 -239.

［3］ PurwoSumarto Y P，Yu F T S. Application of fiber Specklegram SenSor to fine angular alignment［J］. Opt Commun，1999，117O： 15 -21.

［4］ Yang B C，Lee I M，Lee B H. Wavelength detection uSing optical fiber Speckle patternS［J］. LEOS 2OOO，2OOO， l2：13 -16.