（光学专业论文）基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究.pdf

基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 型1 1 1 1rli i l fi i lrll ii i i fill y 17 6 8 2 2 6 摘要 随着信息社会的发展，传感器技术作为高新信息技术，其重要作用日益显著。 光纤传感器是世界上兴起的一种新型传感技术，是科技工作者应用光纤通讯和集成光 学技术成就，并加以发展的结晶。由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其 研究和开发在世界范围内引起了高度的重视，各发达国家更是竞相研究开发并引起激 烈的竞争。 本文从理论上推导并描述了光纤弯曲损耗的原理与分类，并在此基础上设计出 一款基于光纤弯曲损耗的流速测量新型传感器，在实验的基础上验证了它的可靠性与 稳定性。然后再次把光纤弯曲损耗拓展应用到流体密度的测量，并进行了实验的探讨 和验证。该传感系统具有操作简单、价格低廉、解调方便等优点，可望在流速与密度 测试系统中得到广泛的实际应用。具体如下： ( 1 ) 系统地介绍了光纤传感技术的基本概念、工作原理、主要类型、发展过程及优 点，阐述了国内外光纤传感器在实验室研究开发和工程应用上的现状。 ( 2 ) 研究和分析了光纤的一些基本特性，基本参数，对光纤弯曲损耗进行了比较全 面的分析与描述。本文重新提出使用光纤的弯曲效应来作传感测量，具有更高的精确 度以及更好的实用价值。 ( 3 ) 基于光纤弯曲损耗的理念设计出了一款测量流速的新型传感结构。设计了一种 新的固定与弯曲结构。合理选择光纤的初始弯曲曲率，能够优化不同流速范围的流速 测量。采用适当阻挡物，增加系统的灵敏度。实验证明，采用冲击面积为1 1 x l i m m 2 的 阻挡物时，流速测量的精确度提高了5 倍。 ( 4 ) 把弯曲损耗传感器的概念应用到密度测量。理论计算了针对不同密度范围下的 不同传感端浮子要求，对于常用流体密度测量。实验测得这种光纤密度计的精确度为 o 0 2 9 c m 3 ( 5 ) 简单介绍了另一光纤传感的工作，在强度型光纤传感系统中，采用参考端置于 与待测物折射率特性相同的物质中，可以消除温度，振动等因素对测量的影响，实验 结果表明，这种传感方式能够很好地对物质的溶解和凝固过程进行实时在线监测。 ( 6 ) 对本论文研究工作总结和展望，指出商用化还需注意的一些问题。 关键词：光纤传感技术，光纤弯曲损耗，流速测量，密度测量 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t y , t h et e c h n o l o g yo fs e n s o r ，a sa n o v e li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t o p t i c a lf i b e r s e n s i n gt e c h n o l o g yi san e ws e n s i n gt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d i ti sar e s u l to ft h e d e v e l o p m e n to ft h et h ef i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n di n t e g r a t e do p t i c s ，o p t i c a l f i b e r s e n s i n gt e c h n o l o g y , a sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g y w h i c hh a sa ne x t r e m e l y e x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h em a r k e t ，i sav e r yp o p u l a rr e s e a r c ha r e ai nr e c e n t y e a r sa r o u n dt h ew o r l d ，p a r t i c u l a r l yi nd e v e l o p e dn a t i o n s ，t h es c i e n t i s t sa r ew o r k i n g t od e v e l o pan e wg o o ds e n s o r t h eb e n d i n gl o s so fs i n g l e m o d e lf i b e ri sd e d u c t e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i st h e s i s b a s e do nt h i st h e o r y , t h i sp a p e rd e s i g n e dan e ws e n s o rf o rm e a s u r i n gf l o wv e l o c i t y t h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h i ss y s t e ma r ev a l i d a t e de x p e r i m e n t a l l y a d d i t i o n a l l y , t h et h e o r yo fb e n d i n gl o s so fs i n g l e m o d e lf i b e ri sa l s oa p p l i e dt om e a s u r et h ed e n s i t y o ff l u i d w ep a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d a n dt e s t i f i e dt h em e a s u r e m e n t s y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r m e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e ds y s t e m a n dt h i s s y s t e mw o u l dh a v ew i d e l ya p p l i c a t i o ni nm e a s u r i n gf l o wv e l o c i t ya n dt h ed e n s i t yo f f l u i db e c a u s eo fi t ss i m p l eo p e r a t i o n ，l o wp r i c e ，e a s yd e m o d u l a t i o n ，e t c t h em a i nc o n t e n t sa sw e l la sn l ei n n o v a t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o 11o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cc o n c e p t ，w o r kp r i n c i p l e ，p r i m i t i v et y p e ，d e v e l o p m e n ta n dt h ec h i e f a d v a n t a g e so fo p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l y t h e n , t h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h eo p t i cf i b e rs e n s o ri si n t r o d u c e d ( 2 ) s o m ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c sa n df u n d a m e n t a lp a r a m e t e r so f t h eo p t i c a lf i b e r a r es t u d i e da n da n a l y z e d t h ec o n c e p ta n dc l a s s i f i c a t i o no fo p t i c a lf i b e rb e n d i n gl o s s a r ei n t r o d u c e da n dc o m p l e t e l ya n a l y z e d a n dd e s c r i b e di nd e t a i l t h i s p a p e r r e p r o p o s e das e n s i n gm e a s u r e m e n tb a s e do n t h ee f f e c to fo p t i c a lf i b e rb e n d i n gl o s s t h et h e o r ys h o w st h a tt h i sk i n do fm e a s u r e m e n tw i l lp r o v i d eah i g h e rd e g r e eo f p r e c i s i o na n dav e r yg o o dp r a c t i c a lv a l u e ( 3 ) an e wt y p eo ff l o wv e l o c i t ym e a s u r i n gs e n s i n g i n s t r u m e n t si sd e s i g n e db a s e d o nt h ec o n c e p to fo p t i c a lf i b e rb e n d i n gl o s s t h ee f f e c to fo p t i c a lf i b e rb e n d i n gl o s si s 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 i n t r o d u c e di n t om e a s u r i n gf l o wv e l o c i t ya n da c c o r d i n gi t ，an e wf i x e da n dc u r v e d i n s t r u m e n ti sd e s i g n e d f u r t h e rm o r e ，t h ep a r a m e t e r so ft h es t r u c t u r ea r eo p t i m i z e d u s i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t oo p t i m i z eu s et h ef l o w m e t e r , t h eo r i g i n a lb e n dr a d i u s s h o u l db es e l e c t e da p p r o p r i a t e l y i no r d e rt oi n c r e a s et h es e n s i t i v i t yo ft h eb e n dl o s e ， ab e n d i n gg a i na p p a r a t u sh a sb e e nu s e d ，t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tw h e nt h ea r e ao f t h ea p p a r a t u si sl lxll m m 2 ，t h es e n s i t i v i t yo ft h es y s t e mw i l lb e5t i m e sl a r g e r ( 4 ) t h ee f f e c to fo p t i c a lf i b e rb e n d i n gl o s si sa l s oi n t r o d u c e di n t om e a s u r i n gt h e d e n s i t yo ff l u i d t h e o r e t i cc a l c u l a t i o no nt h er e q u i r e m e n to ft h ee n do ft h es e n s i n g o p t i c a lf i b e ri na c c o r d a n c ew i t l ld i f f e r e n tf l u i dd e n s i t i e si sp r o v e di nt h ep a p e r f o rt h e n o r m a ll i q u i dd e n s i t ym e a s u r e m e n t ，t h i ss e n s o rs y s t e mc a nr e a c ht h es e n s i t i v i t yo f o 0 2 9 c m a a n dt h er e l a t e de x p e r i m e n ts h o w si ti sf e a s i b l et oi m p r o v et h ea c c u r a c y o fs y s t e ma n dt h e np r o v i d es o m es u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n to f a c c u r a c y ( 5 ) t h e o r ya n de x p e r i m e n t sr e v e a l t h a tt h ef l u c t u a t i o n so fl i g h ts o u r c ea n d e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ec a nb ec o r r e c t e do rc o m p e n s a t e db yi n s e r t i n gt h er e f e r e n c e t i pi n t oal i q u i dw i t hs i m i l a ro p t i c a lp r o p e r t i e sa st h et e s t e dl i q u i d a n dt h u sl o n g - t i m e s t a b l em e a s u r e m e n ti sa c h i e v e d t h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mc a nb eu s e di nt h e d i s s o l v i n ga n dc o a g u l a t i n gm e a s u r e m e n t ( 6 ) a tl a s t ，t h er e s e a r c hc o n t e n ti ss u m m a r i z e d d i s a d v a n t a g e sa n df u t u r e p r o s p e c ta r ep u tf o r w a r d t h er e s e a r c hp r o v e dt h a tt h es e n s i n gs y s t e mb a s e do nt h e p r i n c i p l eo fo p t i c a lf i b e rb e n d i n gl o s sw i l lh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e c o n s t r u c t i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，c a p a b l e6 fc o m m e r c i a l i z a t i o n a n da tt h es a m et i m e s o m ep r o b l e m so nt h ep r o c e s s i n go fc o m m e r c i a l i z a t i o na r eb r o u g h tf o r w a r d ，t ow h i c h m o r ea t t e n t i o ns h a l lb ep a i d i tc a nb eu s e da sar e f e r e n c e k e y w o r d s ：f i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y , b e n d i n gl o s s ，v e l o c i t ym e a s u r e m e n t ， d e n s i t ym e a s u r e m e n t 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 光纤传感的基本结构和原理1 1 3 光纤传感器的分类2 1 - 4 光纤传感器的优点4 1 5 光纤传感器研究现状及发展趋势5 1 5 1 国外光纤传感器的研究现状5 1 5 2 国内光纤传感器的研究现状6 1 6 课题的研究意义和背景7 1 7 本文的主要研究内容8 第二章弯曲光纤传感系统的原理l o 2 1 光纤1 0 2 1 1 物理构成1 0 2 1 2 光学结构1 0 2 1 3 芯径1 1 2 1 4 折射率分布1 1 2 1 5 孔径角和数值孔径1 2 2 2 光纤的弯曲损耗1 2 2 2 1 光纤的损耗效应1 2 2 2 2 光纤的弯曲损耗特性1 3 2 2 3 光纤弯曲损耗的分类1 6 2 3 弯曲光纤传感器的研究现状与应用2 0 第三章基于弯曲损耗的光纤流速传感系统2 1 3 1 流速测量基本原理2 1 3 1 1 流速测量的动力学原理2 1 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 3 1 2 光纤弯曲损耗流速测量工作原理2 2 3 2 基于弯曲效应的流速测量2 2 3 2 1 器件选型2 3 3 2 2 弯曲传感的流速测量2 3 3 2 3 测量结果分析2 4 3 3 系统稳定性论证2 6 3 2 1 温度稳定性2 6 3 2 2 测量重复性2 6 3 2 3 分辨率与精确度2 7 第四章基于弯曲损耗的密度测量系统2 9 4 1 密度测量基本方法与现状2 9 4 2 密度测量基本原理3 0 4 2 1 实验装置和工作原理3 1 4 2 2 液体密度传感器的设计3 2 4 3 密度测量过程与分析3 3 4 3 1 实验测量3 3 4 3 2 测量结果分析3 3 4 3 3 分辨率与精确度3 4 第五章基于强度型光纤传感器的溶解与凝固过程监3 5 5 1 传感结构与原理3 5 5 2 实验过程与结论i 3 8 5 3 系统稳定性验证4 2 第六章结论和展望4 3 参考文献4 6 致 谢一51 硕士期间所完成的论文5 2 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 绪论 1 1 引言 随着信息社会的发展，传感器技术作为高新信息技术，其重要作用日益显著。 早在8 0 年代，美国就认为世界已进入传感器时代，日本将传感器技术列为十大 技术之首，我国也将传感器技术列为国家“七五”、“八五 重点科技攻关项目。 光纤传感器是世界上兴起的一种新型传感技术，是科技工作者应用光纤通讯和集 成光学技术成就，并加以发展的结晶。光纤传感器被列入现代传感器技术发展方 向之一，并在理论和应用上投入大量的研究工作，尤其是近几年，它的发展异常 迅速，显现出巨大的开发潜力，受到一些工业先进国家政府和研究单位的高度重 视。光子技术是光子学与电子学结合而成的技术，作为信息载体的光子在速度容 量、空间容量、响应速度、并行处理能力等方面具有电子所不具备的优越性。近 三十年来，以光子传输与处理技术为基础的光纤传感器应用技术逐渐成为各国研 究的热点，该技术属于光子技术的研究与应用范围，是光纤、半导体器件和光通 信等技术结合发展的产物 1 - 6 。 光纤传感技术是伴随着光纤及光纤通信技术发展而另辟新径的一种光学传 感技术。光纤传感检测的基本原理就是利用光纤中的光波参数( 如光强、频率、 波长、相位以及偏振态等) 随外界被测参数的改变而变化的规律，通过测量这些 光波参数来实现对外界物理量的检测，它是光纤在非通信领域中的重要应用 7 - 1 0 。 1 2 光纤传感的基本结构和原理 一般的光纤传感系统包括发射部分、传输部分、接收部分 1 1 ，1 2 。发射部 分把待传输的电信号转换成光信号，接收部分把光信号转换成电信号，传输部分 把发射部分发出的光传送到接收部分。 发射部分的光源产生光信号，它是信息的载波。接收部分的光探测器检测光 信号，并将它变换为电信号形式。光纤传输线等效于一对铜导线，其作用是传输 载有信息的光信号。随着光纤技术的研究与开发的不断深入，光纤已从作为通信 系统的传输线，发展成为测量系统中的各种传感器。但是，无论是光纤通信系统 还是光纤测量系统，光源和光探测器都是不可缺少的部件。 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 在光纤测量系统中，光源为光纤传感器提供必需的载波。被测物理量通过光 纤传感器调制光载波的参数( 光强、相位、偏振、频率、波长等) ，然后由光探测 器检测出被调制光波中的有用信号，如图卜1 基本光纤系统组成所示。 特测量 输出 图1 - 1 基本光纤系统组成 此外，在光纤特性及其参数的测量系统中，光源和光探测器也起着重要作用。 例如，在光纤色散的测量中，光源的谱宽决定材料的色散大小 1 3 。在光纤衰减 测量中，光源的中心波长决定光纤衰减量。因此，在光纤特性及其参数测量中， 要根据测量的目的，来选择不同的光源和光探测器。 从广义上讲，凡是采用了光导纤维的传感器均可称为光纤传感器。其一般形 式利用光纤本身的特性或外加敏感元件，将外界待测信号的变化调制成光参数变 化，并由光纤传输该信，g , n 光电探测器，通过检测被调制的光参数的变化来检测 出待测信号。 1 3 光纤传感器的分类 若将光看成简谐振荡的电磁波，则其电场分量可表示为 e = 厶s i n ( c o t + 妒) ( 卜1 ) 因此，光可以被调制的参数有四个，即：光强度( ie o2 ) 、相位( 巾) 、偏振态( e 矢量的方向等) 、频率( ) 。相应地，根据被调制的参数不同，光纤传感器可以 分为四类，即强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤 传感器、频率调制型光纤传感器。目前大部分光纤传感器属于前三类。光纤传感 器根据光纤在传感器中起的作用不同又可分为非功能型光纤和功能型光纤传感 器 6 ，1 1 。 在功能型光纤传感器中，光纤不仅传输光波，而且感知被测参数的变化，即 信息的获取和传输都在光纤之中，具有传、感合一的特点，如图卜2 所示。当待 2 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 测信号如温度、压力、振动等作用于光纤时，会引起光纤的长度、形状、折射率 等参数发生变化，从而使光纤中传输的光强度、相位、偏振态等发生变化。为了 使传感光纤对待测信号敏感而对环境参数的变化不敏感，功能型光纤传感器中对 所用的光纤要求高，一般均为特殊光纤。功能型光纤传感器的光调制约束在光纤 内部，一般具有高的灵敏度和分辨率。大部分相位调制型光纤传感器都属于功能 型光纤传感器。 匝p 竺坠 兰兰 兰氅咽 图卜2 功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器是利用外加的敏感元件对光进行调制，光纤只作为传光 介质，起信息传递作用，它对外界信息的感知是通过其它的敏感元件来实现的， 故又称之为传光型光纤传感器。但由于非功能型光纤传感器中，光调制在光纤外 进行，故容易产生附加损耗。因此非功能型光纤传感器中的其性能在很大程度上 依赖于从光纤进入传感器的光功率，因而主要采用纤芯直径较大、传递光通量大 且受环境影响小的多模光纤，其工作原理如图1 3 所示。 图1 - 3 非功能型光纤传感器 光纤传感器按照调制原理，即根据外界信号可能引起光的强度、波长( 颜色) 、 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 频率、相位、偏振态等性质发生变化，可以分为强度调制、波长调制、频率调制、 相位调制和偏振态调制等。而在这些原理不同、特点各异的光纤传感器中，强度 调制型光纤传感器的突出特点是技术简单、性能可靠、价格低廉，因此强度调制 型光纤传感器的实际应用范围非常广泛。实现强度调制的方法有很多种，例如利 用小的线性位移或角位移来实现强度调制( 如图1 - 4 ( a ) ，( b ) 和( c ) ) 、利用光 闸实现强度调制( 如图卜4 ( d ) ) 、反射式强度调制( 如图1 - 4 ( e ) ) 、利用光纤 微弯产生的损耗实现强度调制( 如图卜4 ( f ) ) 、利用折射率的变化进行强度调 制( 如图卜4 ( g ) ) ，利用光纤的吸收特性进行强度调制( 如图1 - 4 ( h ) ) 、利用 电压或表面声波衍射进行强调调制以及利用数字编码技术进行强调调制，等等。 固一争一回固一骨回 ( 曩)( b ) 冒昌l 囤白 匪一书回囡气i 锢 ( c )( d ) 图l 一4 几种典型的强度调制型光纤传感器结构示意图 1 4 光纤传感器的优点 由于光纤有良好的传光特性( 对光波的损耗目前可低达0 2 d b k m ) ，有比微 波高5 个数量级的宽频带，再加上光纤本身就可作为一个敏感元件，即光波在光 纤中传输时，振幅、相位、偏振态等将随着检测对象变化而相应地发生变化，正 是这些特性使得它在该领域具有不可替代的用途，因此与其它传感器相比，光纤 传感器具有一系列独特的优点，主要有 6 ，1 1 ： ( 1 ) 光纤传感器不受电磁场的干扰、电绝缘、本质安全。当光信息在光纤中传 输时，它不会与电磁场产生作用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强。 这一特点使这类传感器特别适合于电力系统，因为电力系统本身就是一个很强的 电磁场干扰源。 ( 2 ) 光纤导光性能好，损耗低。光纤传输频带宽，可以无失真的传输信号。此 外，通常要检测和传输的信号都比较微弱，利用光纤的这一特性，可以基本实现 信号无损耗的传输和接收。 ( 3 ) 绝缘性能好。光纤是非金属材料，不导电，其外层涂敷材料硅胶亦不导电， 4 镒 “面 一 瞪 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 因而光纤的绝缘性能好。因此光纤传感器用来测量高电压设备( 如高电开关、变 压器等) 的各项参数就很方便，并且传感器的结构简单。 ( 4 ) 重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可挠 的优点，因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于航 空航天以及狭窄空间的应用。 ( 5 ) 便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网 络。 ( 6 ) 防爆、耐腐蚀。由于光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、 高温、漏电等不安全因素，所以光纤传感器的安全性能好，另外光纤为非金属材 料，耐腐蚀，因此也特别适用于易燃、易爆、有强烈腐蚀性的环境中。 1 5 光纤传感器研究现状及发展趋势 1 9 6 6 年英国的k c k a o ，g a h o c k p a m 等人首先提出了用玻璃纤维传输光信 息，奠定了光纤通讯和光纤传感技术的理论基础，引起了学术界和实业界的极大 兴趣，也推动了光纤制造工艺的研究发展；1 9 7 0 年美国康宁公司的 d b k e c k ，a r n e s 等人率先制造了低损耗( 2 0 d b k m ) 石英光纤，随后光纤在光通 讯等领域逐渐得到了广泛应用，同时人们逐渐意识到利用光纤的许多特性可以进 行物理量的测量，7 0 年代中期光纤传感器一经出现，就受到各国有关研究部门 和产业界的高度重视 2 6 。 1 5 1 国外光纤传感器的研究现状 由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内 引起了高度的重视，各发达国家更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。 美国是研究光纤传感器起步最早，水平最高的国家，在军事和民用领域的应 用方面，其进展都十分迅速。在军事应用方面，他们研究和开发主要包括：水下 探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的 光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局( n a s a ) 的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。 美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电 力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的很多大学、研究单位和公司都开展了光纤 传感器的研究和开发，如斯坦福大学、弗吉尼亚理工大学、b a b o c k & w il c o x 公 司、a c c u f l b e r 公司、f i d b e r e l a m i e s 公司、e o t c c 公司、o p t i c a l 技术公司等。 据统计，1 9 9 3 年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以3 0 4 0 的增长速度发 展，到2 0 0 0 年达到1 0 0 亿美元。近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究 开发重点已向民用领域转移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。 日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费来开展光纤传感器的研究与开 发。日本在8 0 年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用 于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生 产过程的控制。9 0 年代，由东芝、日本电气等1 5 家公司和研究机构，研究开发 出1 2 种具有一流水平的民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤 温度传感器。它是光纤传感器网络系统，可把分散在工厂各场所的信息进行时序 化处理，并以全光方式收集。这种网络装置可连接1 0 0 0 个以上的传感器。由于 该网络系统不使用电气器件，安全防爆，特别适合于炼油厂、化工厂的各种过程 控制系统。该系统实际上是集光纤材料、光纤传感器件、计算机网络等高新技术 于一体，其产品在国际市场上具有广阔发展前景。西欧各国的大型企业和公司也 积极参与了光纤传感器的研究、开发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、 法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。 1 5 2 国内光纤传感器的研究现状 我国在7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。 目前己有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中科技大学、武汉理 工大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、核工业总公司九院、电子工业部1 4 2 6 所 等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域 进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高 的实用价值，有的达到世界先进水平。每年发表的论文、中请的专利也不少。但 与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化 方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。 6 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 1 5 课题的研究意义和背景 由于光纤传感器具有许多突出的优点，因此发展很快，其中光纤弯曲传感器 已发展成多种结构，它是利用光纤中传播的高阶模全内反射条件因待测物理量而 受到影响，部分能量在弯曲段从侧面逸出，使光纤中的光通量减少，通过检查光能 量的变化，测出相应的物理量。在弯曲光纤传感技术中，结构参数的选择在理论和 应用领域都是重要的。 d g l o g e 于1 9 7 2 年就开始研究光在弯曲光纤的传输过程 1 3 ，1 4 ，h a g e n r e n n e r ，l u c af a u s t i n i 分别于1 9 9 2 ， 1 9 9 7 年用近似计算的方法得出了单模光 纤的弯曲损耗方程 1 5 ，1 6 。从而为以后的光纤通信中的弯曲损耗和弯曲光纤用 于传感的研究奠定了基础。随后为增加测量的范围与精度以及特殊场合的运用， 除直接应用裸光纤做弯曲传感外，一些新的元件也纷纷用做弯曲传感。为增加敏 感度和方便测量外界物质的浓度，弯曲d 型光纤的研究越来越受重视，其次光纤 布拉格光栅( f b g ) 和长周期光纤光栅( l p g ) 的弯曲特性研究也日益完善 1 7 ， 1 8 1 ，其应用也走向多元化。 光纤的弯曲机理广泛运用于曲率，压力，温度，湿度以及液体浓度等方面的 监测。2 0 0 6 年l i b oy u a n ，j u ny a n g 利用双芯光纤的弯曲特性设计出了位于光 纤内的m i c h e l s o n 干涉仪 1 9 。2 0 0 7 年v i c t o rl i e na n df r a n kv o l l m e r 设计 出基于光纤弯曲后产生干涉的装置从而测量微观液体的流动 2 0 。2 0 0 8 年a n u v i j a y a n l ，s a r i k ag a w l i l 等提出把光纤粘在悬梁臂上，从而设计出高精确度的 光纤质量计 2 1 。 作用为光纤传感领域的一种基本的传感方法，弯曲传感有成本低，结构简单， 易操作，稳定性好等优点，使其不断地应用于新领域的研究，已成熟的技术也在 不断地转化为现实的生产力。现阶段光纤弯曲传感器可以检测的物理量有温度、 湿度、浓度、曲率、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩扭应力、频率、热膨 胀系数、振动等，其中有相当数量及品种的传感系统已经得到了实际工程应用， 涉及主要应用领域有民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电 力工业、核工业、医学等。本文将继续拓宽其在流速与密度方面的应用，使复杂 危险场合下的流速和密度能够顺利地进行监测。 7 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 1 6 本文的主要研究内容与创新点 本文在查阅大量国内外相关文献的基础上，从理论上推导并描述了光纤弯 曲损耗的原理与分类，对现有弯曲光纤传感器的运用进行了一些探讨，并设计出 一款基于光纤弯曲损耗的流速测量新型传感器，并通过实验验证了此新型传感器 的可靠性与稳定性。最后将该模型应用到流体密度测量，并进行了实验的初步验 证。 本文的主要研究内容及创新点包括： 第一章：系统地介绍了光纤传感技术的基本概念、工作原理、主要类型、 发展过程及优点，阐述了国内外光纤传感器在实验室研究开发和工程应用上的 现状，由此引出本课题提出的意义和创新点。 第二章：研究和分析了光纤的一些基本特性，基本参数。引入了光纤损耗 的概念与分类，对光纤弯曲损耗进行了比较全面的分析与描述。为下文的弯曲 传感系统提供理论支持。 第三章：分析和讨论了当今使用的流速测量方法与种类，基于光纤弯曲损 耗的理念提出一个用于测量流速的新型传感方案。根据方案搭建实验平台进行 实验，并依据实验结果优化一些实验参数，得到适合实际应用的高精度传感器， 最后进行了稳定性，可靠性以及精确度方面的探讨。 第四章：基于上面的弯曲损耗理论与优化的实验方案，把弯曲损耗传感的 概念应用到密度测量，针对不同密度范围理论计算了传感端要求，并通过实验 验证了弯曲损耗的密度测量的精度。最后对测量系统提出了优化的思路。 第五章：简单介绍研究生期间的另一部分工作，基于双通道强度型光纤传 感器用于与折射率相关方面的传感。通过改良其参考端的参考方式，把参考光 纤置于与待测物具有相同或相近折射率温度系数的液体中，从而更加准确地消 除外界环境的不稳定性和多变性。实验测量了部分物质的凝固和融解过程。 第六章：对本论文的研究工作做一个总结和展望，指出基于弯曲损耗原理 的光纤传感系统结构简单，操作方便，易于实用化，同时也指出商用化还需注 意的一些问题。 本文创新点： 光纤的弯曲损耗效应具有比其它效应更加显著的功率变化范围，本文重新提 8 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 出使用光纤的弯曲效应来作传感测量，具有更高的精确度以及更好的实用价 值。 0 把光纤的弯曲损耗效应引入到流速的测量，并设计了一种新的固定与弯曲结 构，加强了系统的稳定性与可靠性。 在光纤弯曲直接测量的基础上，加入了一个新的流速阻挡装置，从而增大了 流速测量的精确度以及分辨率。 把光纤弯曲损耗传感初次引入到密度测量领域，并计算出不同密度范围下对 传感器的不同要求。 基于双通道强度型光纤传感器用于与折射率相关方面的传感。通过改良其参 考端的参考方式，把参考光纤置于与待测物具有相同或相近折射率温度系数 的液体中，从而更加准确地消除外界环境的不稳定性和多变性。 9 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 第二章弯曲光纤传感系统的原理 2 1 光纤 光纤作为强度调制光纤传感器的主要单元，其参数对于传感器的性能特性起 主要作用。因此，光纤的参数除了空间位置和角度之外，还包括纤端光场分布函 数中的具体参数、纤径、数值孔径、损耗等，下面逐一进行介绍。 2 1 1 物理构成 光纤的物理构成如图2 1 所示，包括纤芯、包层和涂覆层，是一层多介质结 构的对称圆柱体。纤芯材料的主题是二氧化硅，里面掺杂极微量的其他材料，以 提高材料的光折射率。纤芯直径的范围在4 - 1 0 0 0um 左右。包层的材料一般用纯 二氧化硅，也有掺杂极微量的三氧化而硼或四氧化硅，这样做的目的是降低材料 的光折射率，也就是n l n 。 图2 - 1 光纤的物理构成 这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率，保证了光主要限制在纤芯里 进行传输。包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐，以保护光纤不受外 来的损害，增加光纤的机械强度。光纤的最外层是外套，是一种塑料管，起保护 的作用。不同颜色的塑料管还可以用来区分各种标准的光纤。 我们所看到的光缆有许多光纤绕在一起组成的，其数量有多有少，多的1 0 0 根、1 4 4 根、甚至3 1 0 0 根；少的有1 2 根、6 根、4 根，视需要而定。光缆中心 是加强机械强度用的绳子，可以是钢绳或塑料绳，最外层还有几层保护层。 2 1 2 光学结构 光纤的光学结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数 1 0 基于光纤弯曲损耗流速和密度测量系统的设计和研究 称为光纤的折射率剖面。因为一般光纤沿z 轴方向具有轴对称性和平移对称性， 所以在柱坐标中中表示光纤的折射率分布比较简单，函数f i ( r ) 只含有一个自由 度。所以纤端分布一般来说也具有轴对称性，其分布公式i ( r ，z ) 只有两个自由 度。因此在计算纤端光场分布时，只要选取以入射光纤法向为z 轴的柱坐标系， 三维的问题就退化成了二维问题，使计算工作大为简化。 2 1 3 芯径 对于单包层光线，芯径为d ，设纤芯轴心处的折射率为n 。，包层折射率为n ：， 则纤芯包层间的折射率差可定义为： ：拿兰2 丝 ( 2 1 ) z 飓n ， n 式中a n = 一n 2 ，z = 掣1 1 2 z 对于多包层光纤，在分析时，需给出各内包层的厚度和折射率，外包层仅提 供一个界面，其厚度可视为无限大。 可见光主要限制在纤芯里面进行传输，所以决定光纤发射或接收的光强大小 决定。因此不管是入射光纤还是接收光纤，数值模拟过程中都需要确定其芯径来 分析光强的大小。所以对于每根光纤，在数值模拟前需要用户输入其芯径；在 数值模拟过程中，每次变换多需要检测芯径是否变化了。 2 1 4 折射率分布 普通光纤折射率分布一