學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業(yè)

性 別

入 學 年 份

譚承旦

201520110219

光電信息科學與工程

男

2015

譚志文

201520110221

光電信息科學與工程

男

2015

張寧

201520110218

光電信息科學與工程

男

2015

駱文磊

201565110118

電子信息科學與技術(shù)

男

2015

葉暑冰

201620110106

光電信息科學與工程

女

2016

指導教師

何茜

職稱

講師

項目所屬

一級學科

光電信息科學與工程

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經(jīng)參與科研的情況

譚承旦：曾參加過美國大學生數(shù)學建模競賽等，專業(yè)綜合排名前5%。

譚志文：曾參加企業(yè)模擬經(jīng)營大賽，互聯(lián)網(wǎng)+等競賽，并獲得全國大學生企業(yè)模擬經(jīng)營大賽一等獎。

張寧：曾參與完成國家自然科學基金項目，并在創(chuàng)新實驗室學習了一年，參加過物電杯等電子設(shè)計大賽。

駱文磊：曾參加全國大學生電子設(shè)計競賽和湖南省大學生物理競賽，并獲得全國大學生電子設(shè)計競賽一等獎。

葉暑冰：曾參加物電杯等電子設(shè)計大賽，專業(yè)綜合排名前5%。

指導教師承擔科研課題情況

主持湖南省教育廳科研項目《基于FPGA非均勻調(diào)制的光纖分布式振動傳感研究》。在國內(nèi)外專業(yè)學術(shù)刊物上發(fā)表研究論文多篇，其中SCI檢索4篇。

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

1.項目目的

本項目提出一種基于光強調(diào)制型光纖傳感器的氣體泄露檢測裝置，能夠準確探測氣體泄漏引起的聲波信號，并對其進行特征頻譜分析，實現(xiàn)對氣罐和輸氣管道的健康狀況進行實時高效的監(jiān)測。

2.項目內(nèi)容

將氣體泄漏檢測裝置的光纖傳感探頭置于待監(jiān)測的氣罐或者輸氣管道處，一旦氣罐或者輸氣管道發(fā)生氣體泄漏，泄漏所產(chǎn)生的聲波信號會調(diào)制光纖傳感器中光信號的光強值，隨后信號光由一根與傳感頭連接的單模光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器進行光電轉(zhuǎn)換，并由數(shù)據(jù)采集卡采集至電腦中進行信號處理。系統(tǒng)基于LabVIEW編程對信號進行解調(diào)并分析，得到氣體泄露的特征頻譜信息。

3.項目解決的主要問題

1）對氣罐和輸氣管道氣體泄漏情況進行實時高效監(jiān)測，避免氣體泄漏帶來的安全隱患和環(huán)境污染。

2）本實驗裝置采用的是無源裝置，能安全應(yīng)用于易燃、易爆場所，解決有源監(jiān)測裝置帶來的安全隱患問題。

3）本實驗裝置抗干擾能力強，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，制作成本低，解決傳統(tǒng)的高昂監(jiān)測裝置帶來的費用問題。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

德國的研究團隊于1997年提出了一種 Fabry-Perot 型光纖麥克風。該結(jié)構(gòu)采用超輻射發(fā)光二極管（SLD）作為光源，光電二極管來接收反射的干涉信號，該團隊將傳感器布置在機場，通過對不同飛機類型的頻譜的分析，區(qū)分了起降飛機的型號。2002 年，Tatsuya Iida 等人制作出基于 FBG 的光纖麥克風，將 FBG 貼合在對聲場敏感的薄膜上，薄膜的振動帶動 FBG，使 FBG 產(chǎn)生拉伸或壓縮，中心波長漂移，從而檢測出聲音信號。2005 年 Moriel S. NessAiver 等人制作了基于光強調(diào)制原理的光纖麥克風。該設(shè)計使用一根光纖將光照射在反射膜片上，利用另一根光纖來收集被反射膜片反射的光。當反射膜片在聲波的影響下發(fā)生振動時，反射膜片與光纖頭之間的距離發(fā)生變化，對第二根光纖收集的反射回來的光的光強產(chǎn)生調(diào)制，通過后端光強度解調(diào)，還原出聲音。該方案成功地在核磁共振成像過程中記錄了高質(zhì)量的語音信號。2010 年，Holger J Konle 制作出了基于 F-P 干涉的光纖麥克風。采用了在光纖端面與反射膜片之間形成 F-P 腔的設(shè)計，利用光纖端面反射光與反射膜片反射光之間形成干涉，在后端解調(diào)還原聲音信號。2013 年，Konrad Markowski 等人提出了基于 Sagnac 干涉儀的采用保偏光纖的光纖麥克風。該裝置在 300 Hz 到 4500Hz 的頻率范圍內(nèi)有著較好的檢測能力。

國內(nèi)多個單位也開展了光纖聲波檢測研究。林曉艷等人在 1999 年用雙光纖探頭形式, 對光強調(diào)制特性以及動態(tài)工作區(qū)的靈敏度作了理論和實驗分析, 驗證了光纖麥克風方案實現(xiàn)的可行性。徐海英等人在2004年采用了 Y 形單根多模反射式光纖傳感探頭結(jié)構(gòu)的形式, 對光纖傳感器放在聲場中( 即壓力) 中的光纖麥克風進行了研究。蔡潔等人在2010年分析了反射式強度型光纖聲音傳感器的光強調(diào)制特性, 并進了行相關(guān)的實驗研究。陳志剛等人在2007年采用分布式光纖光柵(FBG )傳感器技術(shù)(波長調(diào)制方法 )，以管道泄露導致的光柵反射波改變作為檢測依據(jù)，提出來基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄露檢測方法。甄勝來等人在2016年公開了一種基于低相干光纖麥克風的氣體泄露檢測裝置。

綜上所述，目前的系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，光纖傳感探頭靈敏度不高的問題，本項目將在簡化裝置結(jié)構(gòu)與增強傳感探頭靈敏度方面進行改進。

本項目學生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

1.已完成光學知識學習、包括對光路中用到的光學儀器、光纖器件的使用。

2. 進行了初步光路設(shè)計和原理驗證，搭建了實驗室基本光路系統(tǒng)。（附圖一）

附圖一

  附圖標記：1、光源；2、三端口環(huán)形器；3、引導光纖；光纖端面4、；5、小號振動膜片；6、聲波收集裝置；7、高反射膜；8、光電探測器；9、采集卡；10、大號振動膜片。

3. 初步制作了光纖傳感探頭，并進行了數(shù)據(jù)采集與初步的數(shù)據(jù)分析，初步驗證了本方案的可實施性。設(shè)計了一種機械放大管（附圖二），大口徑處置于待監(jiān)測的氣罐或油氣管道處，小口徑貼合于光纖傳感探頭。這種特殊的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)氣體泄漏信號的線性放大。

附圖二

項目的創(chuàng)新點和特色

（1）提出了一種聲波放大管，以優(yōu)化光纖探頭的傳感性能，有效監(jiān)測小尺寸泄漏點。

（2）系統(tǒng)具有實時動態(tài)監(jiān)測的能力，當氣罐或輸氣管道氣體泄漏時能進行及時報警。

（3）通過分析解調(diào)后的光信號能夠得到氣體泄露點的相關(guān)信息，包括氣體泄露流量，泄漏點的大小和泄露點的位置，為故障修復(fù)起到指引作用。

項目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

1. 技術(shù)路線

預(yù)期成果：形成一套可運行的誤差較小的氣體泄露監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)表中文文章，申請一項發(fā)明專利。

年度目標和工作內(nèi)容（分年度寫）

第一季度：完成光路設(shè)計，購買光纖器件，完成完整的光路組裝。

第二季度：制作光纖麥克風探頭與機械放大管。

第三季度：實驗室情況下采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析，提取氣體泄漏的特征頻譜信息。

第四季度：對整套裝置進行集成化封裝，并用于實際場所測試。

指導教師意見

簽字：                   日期：