光纖光柵技術在周界入侵報警系統中應用研究＊

祁耀斌，陳 滿，許天舒，吳敢鋒

（1.武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室，湖北武漢430070；2.秦皇島玻璃工業研究設計院，河北秦皇島，066001）

光纖光柵技術在周界入侵報警系統中應用研究＊

祁耀斌1，陳 滿1，許天舒2，吳敢鋒1

（1.武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室，湖北武漢430070；2.秦皇島玻璃工業研究設計院，河北秦皇島，066001）

基于光纖光柵應變傳感理論，開發以光纖光柵振動傳感器為核心的周界入侵報警系統。由理論出發，建立了光纖光柵振動傳感器設計框架。通過對不同尺寸質量塊的實驗研究，提出使用規格為4.5×20（mm×mm）的質量塊；通過對不同光柵拉伸量的實驗研究，提出0.8～1.0 nm之間光柵拉伸量的光纖光柵振動傳感器；通過對不同封裝材料的對比實驗，采用石英玻璃材料封裝的方法。最后，將周界入侵報警系統進行了現場試驗，波長檢測范圍是1 280～1 580 nm，響應時間在3 s以內，報警定位準確無誤。

周界入侵報警系統；光纖光柵；振動傳感器；溫度；封裝材料；

周界入侵報警系統是安全防范中最重要的防護手段。隨著社會的進步、經濟的發展，生活質量的提高，人們對安全防護的需求也不斷增長。因而，為了更好的保護社會財產、公共設施，迫切需要建立一套穩定、可靠的周界入侵報警系統。

目前，周界入侵探測系統［1］應用最為廣泛的是紅外線探測器周界入侵系統（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Infrared Detector，PIASBID）、激光對射探測器周界入侵系統（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Laser Beam Detector，PIASBLBD）、泄漏電纜探測器周界入侵系統（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Leaked Cable Detector，PIASBLCD）和振動電纜探測器周界入侵系統（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Vibrating Cable Detector，PIASBVCD）。

PIASBID是應用最早也是最常使用的周界入侵探測器，以其廉價、不可見性和全面防御性等優點一直活躍于歷史的舞臺，但是PIASBID受氣候影響比較大，誤報率較高的缺點一直沒有解決。PIASBLBD充分利用了激光器的特點，能夠實現遠距離監控、穿透雨霧雪的能力較強、性能也比較穩定，但受其價格昂貴等缺點，只在一些特殊場合得到應用。PIASBLCD是通過空間磁場分布狀態的變化來實現監控，具有很好的隱蔽性，但易受外界電磁場的干擾，誤報率較高，價格較貴。PIASBVCD是通過特殊的電纜結構來感知外界震動，抗氣候和環境變化能力較強，但是對一些非入侵震動容易產生誤報，并且不能精確定址。

在上述背景下［2－3］，光纖探測器周界入侵系統（Perimeter Intrusion Alarm System Based on Optical Fiber Detector，PIASBOFD）正成為目前的研究熱點［4－6］。

PIASBOFD實際是利用光纖振動［7］來感知外界變化量，按調制方式分類，研究的較多的有采用相位調制的光纖振動傳感器和采用波長調制的光纖光柵傳感器。采用相位調制的光纖振動傳感器主要基于馬赫－曾德爾（Mach－Zehnder）干涉原理［7－8］和基于塞格拉克（Sagnac）干涉原理［9－10］的光纖振動傳感器。MZ干涉光纖振動傳感器結構簡單、靈敏度高且能多點測量，但外界環境變化會引起干涉光相位變化，使系統性噪比降低，并且定位精度也不夠高。Sagnac干涉光纖振動傳感器只對入侵事件引起的動態變化敏感，對環境的緩慢變化反應小，但它需要將傳感光纖構成環路，在不閉合的區域，需要將其中一輛光纖進行擾動隔離。在國內外已有少量應用，如澳大利亞的FFT（Future Fiber Technologies）公司開發的基于MZ干涉的周界入侵報警系統，振動傳感器測量［11］距離最大為80 km，定位精度為25 m。

采用波長調制的光纖光柵振動傳感器繼承了上述光纖傳感器的優點，同時也解決了光纖傳感器易受環境影響和不能精確定址的缺點，目前已被廣泛研究［12－13］，但用于周界入侵系統的光纖光柵振動傳感器卻很少有報道。

隨著安全形勢的惡化，現有的周界入侵報警系統都難以滿足人們的需求。本文結合周界入侵要求，研發了光纖光柵周界入侵振動傳感器，構建了周界入侵報警系統，實現了對周界入侵行為的實時在線監控。

1 光纖光柵傳感原理與振動傳感器

1.1 光纖光柵傳感原理

光纖Bragg光柵的基本傳感原理是：當外界參量（如應力、溫度等）發生變化時，光柵柵距會發生變化，Bragg波長也隨之發生變化，因此，測量出光柵反射光的Bragg波長的變化量，就可以計算出光柵處相應的物理變化量。光纖Bragg的反射或透射波長光譜主要取決于Bragg光柵周期和反向耦合模的有效折射率，任何使這2個參量發生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移。即

當外界環境發生變化時，得到Bragg光柵波長漂移為：

（1）式和（2）式中，ΔΛ和Δneff為Λ和neff受到外界環境的影響而發生的變化，ΔλB為Bragg光柵波長變化量。由式（2）可知，通過測量光纖Bragg光柵的中心波長的變化，就可獲得外界物理量的變化。

1.2 光纖光柵應變傳感特性

1.2.1 光纖Bragg光柵均勻軸向應力特性 均勻軸向應力是指對光纖光柵進行縱向拉伸或壓縮。假設光纖Bragg光柵僅受軸向應力作用，溫度和壓力不變，則軸向應變引起的光纖Bragg光柵柵距的變化為：

式中，ξx為光纖Bragg光柵處的軸向應變，

式中，L為兩段固定的光纖Bragg光柵長度，ΔL為縱向伸縮量。

由彈光效應引起的光纖Bragg光柵折射率的變化為：

式中，P11和P12為Pockel系數，v為泊松比。因為彈光系數Pe為：

所以，由式（3）、（4）、（5）可知：

則光纖Bragg光柵的軸向應力靈敏度為：

1.2.2 光纖Bragg光柵徑向應力特性 當外界徑向應力發生變化時，光纖Bragg光柵的反射波長相應變化為：

又由于：

聯合（9）、（10）、（11）可得到徑向應力靈敏度：

1.3 光纖光柵振動傳感器工作原理

在以光纖光柵為基礎的周界入侵報警系統中，光纖光柵振動傳感器是系統的核心部分。光纖光柵傳感振動器的性能直接影響到整個周界入侵報警系統的穩定性、靈敏性、可靠性。

整個光纖光柵振動傳感器的工作原理如圖1所示：寬帶光源發出的光波首先經過耦合器或者環形器入射。因光纖Bragg光柵對光波長進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調制相位相匹配的光，反射回來的光再次通過耦合器或環形器，然后到達解調裝置，通過解調出來的數據測出相光纖光柵的反射波的中心波長的變化，就可以獲得外界的振動量。

圖1 光纖光柵振動傳感器工作原理圖Fig.1 FBG vibration sensor operating principle

2 光纖振動傳感器的設計與實驗研究

本文所設計的光纖光柵振動傳感器結構如圖2所示，光纖兩端固定，在Bragg光柵附近固定一銅塊，采用合理的封裝材料。

圖2 光纖光柵振動傳感器結構圖Fig.2 Fiber bragg grating vibration sensor structure

圖3 最優結構實驗步驟Fig.3 The optimal structure of experimental procedures

結合周界入侵安防系統對光纖光柵振動傳感器的要求，按圖3的設計目標對振動傳感器進行設計，通過實驗尋找振動傳感器的最優參量。

2.1 振動傳感器靈敏度提高實驗

振動傳感器增敏方法有很多，本文主要通過改變振動傳感器質量塊尺寸和光柵拉伸量的方法。結合振動傳感器的實際結構，遵從單一變量的基本原則，在傳感器光柵拉伸量一定的前提下，尋找質量塊最優尺寸；在質量塊尺寸一定的前提下，尋找最合適的拉伸量。

實驗采用丹麥B＆K公司推出的PULSE振動分析儀，對所有振動傳感器施加1～50 Hz的正弦掃頻，施加的加速度為3 m／s2的加速度，掃頻頻率是1k／s。記錄每個傳感器的波長最大變化量以及所有的傳感器諧振頻率。質量塊的材料是不銹鋼基粉末冶金材料，且都是在同一溫度（室溫）條件下進行實驗。

2.1.1 最佳質量及尺寸的質量塊 在光纖光柵傳感振動器質量塊受力作加速度為a運動過程中，質量塊受到與運動方向相反的力f＝ma的作用，此時布拉格光柵長度發生變化，設光纖光柵的固定端與質量塊之間的光纖長度變化量△L與相應加速度a之間的關系為：

式中，S為光纖的橫截面積；E為光纖的等效彈性模量；L為兩固定端之間的光纖長度；m為質量塊的質量。

由公式（4）、（8）和（13）聯合有：

公式（14）為光纖光柵振動傳感器的靈敏度系數，表明單位加速度上光纖光柵波長的變化，又因Pe僅與制作材料相關，故光纖光柵振動傳感器的靈敏度系數與質量塊的大小成正比，即質量塊m的值越大，傳感器的靈敏度越高。

考慮到質量塊的實際結構，先選取直徑為5 mm、長度分別為12、15、18 mm的3種規格的質量塊進行實驗，記錄傳感器的波長變化量。得到具體數據見表1。

表1 質量塊規格選取實驗Table 1 Specifications mass selection experiment

由表1可知，振動傳感器的靈敏度與質量塊的質量成正比，質量塊質量越大，靈敏度越高，這點與公式（14）推導是一致的。而光纖光柵振動傳感器的固有頻率和質量塊的質量成反比，即隨著質量塊的質量增大，固有頻率減小，這也可以用理論來解釋，根據固有頻率公式：

可知振動傳感器的固有頻率與質量塊質量的平方根成反比?；谝陨峡紤]，尺寸規格為5×15（mm×mm）的質量塊較符合要求。

但用以上尺寸質量塊進行實驗時，容易產生碰壁現象，為了進一步提高振動傳感器的性能，在保持質量的前提下，將重錘直徑由原來的5 mm改為4.5 mm，保持其他條件不變的情況下，將傳感器探頭放于振動臺，按每次旋轉90（°）再做實驗，得出實驗數據見表2。

表2 質量塊驗證實驗Table 2 Mass verification experiment

由表2可知，將傳感器質量塊直徑減小后，相對前面3種規格的質量塊，波長變化量大大提高了，可以保持在50～80 pm，也就是光纖光柵振動傳感器的靈敏度更高了，性能也更加穩定。所以質量塊的尺寸為4.5×20（mm×mm）是最佳尺寸。

2.1.2 最佳光柵拉伸量的研究 振動傳感器光纖光柵拉伸量對傳感器的靈敏度也有較大影響，在質量塊尺寸不變的前提下，通過改變光柵拉伸量的大小來觀察靈敏度的變化。

圖4 光纖光柵最佳拉伸量Fig.4 The best stretch the amount of fiber grating

通過上圖可知，在拉伸量小于0.3 nm時，傳感器波長基本沒有變化，即靈敏度基本等于0。當拉伸量在0.3～0.7 nm之間時，在實驗過程中，產生碰壁現象很嚴重。當拉伸量在0.8～1 nm之間時，傳感器靈敏度最高且沒有產生碰壁現象，而大于1.2 nm后，傳感器靈敏度迅速降低。因此拉伸量在0.8～1 nm之間是最佳選擇。

2.2 克服溫度影響的試驗研究

2.2.1 理論分析 因為光纖光柵對溫度的影響也非常敏感，所在光纖光柵振動傳感器的封裝過程中，采用何種材料封裝克服溫度直接關系著光纖光柵振動傳感器的性能。

當光纖光柵溫度發生ΔT的變化時，光纖光柵的周期也發生變化，可表示為：

式中，ξ為光纖材料的熱光系數；a為光纖材料的熱膨脹系數；它們僅與制作材料有關。

則由式（16）可知，光纖光柵的溫度靈敏度系數與材料的熱膨脹系數有關?？紤]到光纖光柵的主要成份是二氧化硅，可以采用玻璃作為封裝材料。因純光纖是石英玻璃，理論上講，采用石英玻璃封裝更好。

2.2.2 實驗驗證 為了驗證上述理論，將普通玻璃封裝的振動傳感器探頭和石英玻璃封裝的振動傳感器探頭在高低溫環境下實驗。質量塊尺寸選用4.5×20（mm×mm），光柵拉伸量控制在0.8～1.0 nm之間，放于高低溫實驗箱內在PULSE振動臺上進行檢測，將實驗數據繪制成曲線（見圖5）。

圖5 普通玻璃與石英玻璃封裝的傳感器溫度實驗Fig.5 Ordinary glass and quartz glass encapsulated sensor temperature experiments

由圖可知：在溫度變化從－10～60℃的過程中，石英玻璃封裝的傳感器波長變化量隨溫度的變化，基本能控制在5 pm以內，特別是在30～60℃，能不受溫度的影響。而普通玻璃封裝的光傳感器探頭隨溫度變化而變化達到了21 pm。所以采用石英管封裝更能克服溫度的影響。

2.3 光纖光柵振動傳感器的制作

圖6 完全封裝好的光纖光柵振動傳感器Fig.6 Completely packaged FBG vibration sensor

3 周界入侵報警系統與試驗

基于光纖光柵振動傳感器的周界入侵報警系統主要包括由光纖光柵振動傳感器構成的光纖光柵振動光纜、光纖傳感智能數據處理器、通訊網關及周界入侵系統軟件平臺組成。其基本結構圖見圖7。

圖7 周界入侵報警系統框圖Fig.7 Perimeter intrusion alarm system block diagram

其基本工作流程為：當出現一定數量的光纖光柵振動傳感器發生位移，導致光柵柵距發生變化，各光纖光柵振動傳感器的振動信號通過波分復用技術傳到光纖傳感智能數據處量器上，光纖傳感器數據處理器在周期內，測算到光纖振動傳感光纜上的一定數量的光纖光柵振動傳感器的測量信號超出基準波，同時比對所建立的風雨等多樣氣候模型數據庫，排除誤報后發出報警信號范圍內的有效地址代碼，周界入侵系統報警軟件平臺在接收代碼后，觸發報警裝置做出報警反應。

最后，對周界入侵報警系統進行了現場實驗，將由光纖光柵振動傳感器組成的光纖光柵振動光纜安裝在鐵柵欄上，進行了包括重搖、輕擊和2個不同體重的人的攀爬情況，其信號見圖8。

圖8 周界入侵報警系統報警分析圖Fig.8 Perimeter intrusion alarm system alarm analysis chart

從圖中可以看出：系統對在110 s時的重搖、2個不同體重的人在980和1 250 s的攀爬有著劇烈的反應，波長有著顯著的變化，并且對外界的干擾做出了快速的反應，響應時間在3 s以內。而對650 s時輕擊的反應并不敏感，波長變化并不明顯。

4 結語

本文以光纖光柵傳感技術為基礎，研究了以光纖光柵振動傳感器為核心的周界入侵報警系統，并對光纖光柵振動傳感器的原理及結構作了全面的探討，就如何確定其質量塊規格和光柵拉伸量以達到最佳靈敏度進行了實驗驗證，采用何種材料封裝以克服溫度影響做了對比試驗，最終確定了傳感器的探頭規格為4.5×20（mm×mm），光纖光柵的拉伸長度從0.8～1.0 nm時，傳感器的靈敏度較高；采用石英玻璃封裝能較好克服溫度的影響。最后將此系統進行了現場實驗，結果表明：該系統能自動、實時報警，精確定址。因而，此系統能滿足實際應用并以其優勢能得到廣泛推廣。

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FBG Technology in Perimeter Intrusion Alarm System Application

QI Yao－Bin1，CHEN Man1，XU Tian－Shu2，WU Gan－Feng1
（1.National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Research and Design Institute of Qinhuangdao Glass，Qinhuangdao 066001，China）

Based on the theory of fiber grating vibration sensor，a fiber grating vibration sensor with the core perimeter intrusion alarm system is developed.Starting from the theoretical modeling，a framework for FBG vibration sensor design is established.Through the experimental research on Mass of different sizes，we propose using size4.5×20（mm×mm）of the mass.Grating stretched by the amount of different experimental studies，we make a 0.8～1.0 nm grating stretched fiber grating vibration sensor.Through the comparison of different packaging materials experiments.We propose the application of quartz glass packaging methods.Finally，experiment of perimeter intrusion alarm system is carried out，the wavelength ranges from 1 280～1 580 nm，and the response time is less than 3 s，the result shows that the alarm positioning is accuracy.

system perimeter intrusion warning system；FBG sensor；vibration sensor；temperature；packaging materials

TP212

A

1672－5174（2011）11－109－06

光纖傳感技術國家工程實驗室示范項目（20101d0001）；教育部高等學校博士點專項科研基金項目（20101j0139）資助

2011－07－11；

2011－09－30

祁耀斌（1966－），男，博士，副研究員，從事光纖傳感技術及組網研究。E－mail：robin＠whut.edu.cn

責任編輯 陳呈超