（光学专业论文）光纤微弯传感和长周期光纤光栅拐点传感研究.pdf

人b s t r a c t ab s t r a c t mo d e m o p t i c a l f i b e r s e n s o r s o w e t h e i r r a p i d d e v e l o p m e n t t o t h e a c h i e v e m e n t s o f t e c h n o l o g i e s i n fi b e r f a b r i c a t i o n a n d c o m m u n i c a t i o n . t h e y h a v e m a n y a d v a n t a g e s o v e r t r a d i t i o n a l s e n s o r s , s u c h a s w i d e a p p l i c a t io n e x t e n t , h i g h s e n s i t i v i ty , i n s e n s i t i v i ty t o i n fl u e n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d , g o o d s o l u t i o n , s m a l l v o l u m e , l o w p r i c e , e t c , e s p e c i a l l y m i c r o - b e n d f ib e r o p t i c s e n s o r ( m f o s ) a n d l o n g p e r i o d f ib e r g r a t i n g ( l p f g ) . t h e o ry a n d e x p e r im e n t o f m f o s a r e r e s e a r c h e d i n t h i s d i s s e r t a t io n a n d t h e o ry o f l f p g w h i c h h a s t u rn i n g p o i n t i s r e s e a r c h e d t o o . t h e m a i n c o n t e n t s a n d c r e a t i v e w o r k s o f t h i s d i s s e r t a t i o n a r e a s f o ll o w i n g : i , c o r r e l a t i o n k n o w l e d g e o f mf o s i s i n tr o d u c e d s y s t e m a t i c a l l y , i n c l u d i n g w o r k p r i n c i p l e a n d a p p l i c a t io n , e t c . 2 , c o u p l e d m o d e t h e o r y a n d c r i t i c a l p e r io d o f mf o s a r e s t u d i e d , a n d t h e o r e t i c a l s i m u l a t i o n o f m i c r o - b e n d l o s s i s m a d e . we h a v e c o m p u t e d t h e m i c r o - b e n d l o s s o f d i ff e r e n t c u r v a t u r e mf o s w i t h t h e c h a n g e o f m i c r o - b e n d a m p l i t u d e . 3 , e x p e r i m e n t o f d i s p l a c e m e n t a n d f o r c e o f m f o s a r e r e s e a r c h e d , a n d t h e r e s u l t i s a c c o r d in g w it h t h e t h e o ry . a n o v e l m f o s m a d e b y g r a p h i t e r o d i s d e s i g n e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . w e h a v e d o n e a n e x p e r im e n t o n it . a n d i t h a v e b e e n c o m p a r e d w it h t h e t r i a n g u l a r mf o s . t h e c o m p a r i s o n s h o w s t h a t it n e e d t o im p r o v e f a t h e r . 4 , e x p e r i m e n t o f v i b r a t i o n o f m f o s i s r e s e a r c h e d m o s t ly . t h e fr e q u e n c y o f s i g n a l a ft e r m f o s i s a c c o r d i n g t o t h e o r i g in b e s t fr o m 7 0 0 h z t o 3 0 0 0 h z . a n d t h e e r r o r i s fr o m 0 .6 h z t o 1 8 h z . i t i s v e ry s m a l l c o m p a r e t o t h e o r i g i n . 5 、l p f g w h i c h h a s t u r n i n g p o i n t i s r e s e a r c h e d . we h a v e c o m p u t e d t h e s e n s i t i v i ty c h a r a c t e r is t i c s o f i t a s a f u n c t i o n o f e x t e rn a l r e f r a c ti v e in d e x . t h e m o v e o f t w o p e a k i s m o r e s e n s i t i v e . a t t h e s a m e t i m e , a n o v e l s e n s o r i s d e s i g n e d w h o s e p e r i o d i s a t t h e t u rn i n g p o i n t . t h e i n t e n s i ty o f i t w i l l c h a n g e i n s t e a d o f t h e m o v e o f p e a k . k e y w o r d s : mi c r o - b e n d fi b e r o p t i c s e n s o r , d i s p l a c e m e n t , f o r c e , v ib r a t i o n , l o n g p e r i o d fi b e r g r a t i n g , t u rn i n g p o i n t , r e fr a c t i v e i n d e x 南升大学学位论文版权使用授权 5 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提 下 ，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : t 浓 刚 2 m 7 年 少 月 l ) 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 解密时间: 学位论文作者签名: 年月 各密级的最 长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最k1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南月大学学位论文原创性声明 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中己经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已 公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 杏 谈 1训 -2,ov7 年 、 月 咐日 第一章引言 第一章引言 第一节光纤传感器简介 7 0 年代初， 光纤被用作通信技术中远距离 传输光波信号的媒介。 在光纤通信 得到长足发展后， 人们很快就发现通信质量易受干扰的一个重要原因是光纤对 外界环境很敏感，如温度、 应力、电场、 磁场等环境条件的变化将引起光波参 量，如振幅、 相位、频率、偏振态等的变化。 正是这种现象，启发了人们提出 光纤传感的概念.如果能够测出光波参量的变化，就可以知道导致光波参量变 化的如温度、 压力、电 场、磁场等物理量的 大小，这样就构成了 各种光纤传感 器。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而形成并迅速发展 的一种崭新的传感技术。 1 9 7 7 年，美国海军研究所 ( n r l )开始执行由c h a r l e d m . d a v i s 博士主持的 f o s s 光纤传感器系统计划o l ， 被认为是最早 进 行的 光纤 传感器研究。 由 于光纤本 身有着诸多 优点: 如长距离低损耗、易弯曲、 体积小、重量轻、 成本低、防水、 防火、耐腐蚀、 抗电磁干扰等。 这些优点促使人们对光纤传感器的极大兴趣并 进行深入的研究。事实证明，光纤传感器以 极其强大的生命力在快速地成长着， 在航天、航海、 石油化工、电力工业、核工业、医疗器械、科学研究等技术领 域都取得了 可喜的 研究成果和应用。目 前光纤传感器可以 测量温度、应力、 加 速度、电压、电 流、位移、振动、转动、 弯曲、应变以 及化学量和生物化学量 等一百多种参数。 1 . 1 . 1 光纤传感器的原理【z - 1 2 1 光纤传感器的工作原理是基于待测量对光纤内 传输的 光波参量进行调制。 其装置包括对光波信号的解调检测。光波在光纤中传播时，表征光波的特征参 量 如波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等)因外界因素 ( 如温度、压力、 加速度、电 压、电流、位移、振动、转动、 弯曲、应变以 及化学量和生物化学 等)的作用而间接或直接地发生变化。光纤传感器根据这些参量随外界因素的 变化关系来检测各相应物理量的大小。 第一章引言 按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器一般可以分为功能型和非功 能型两大类。对于功能型光纤传感器来说， 光纤本身作为敏感元件，当光纤与 被测对象相互作用时，光纤中的光波参量受到相应调制;而非功能型光纤传感 器的传感机制利用其他敏感元件感测被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质。 按照被调制的光波参数的不同可分为强度调制 ( 振幅调制)光纤传感器、 相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长 ( 颜 色)调制光纤传感器等。 按照测量对象不同又可以分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、 光纤电 流传感器、光纤流速传感器等. 对于光纤传感系统，可构成 “ 点”，“ 分布式”和 “ 准分布式” 三大类。 有时 要 求是 对精确 位置的 测量， 通常为“ 点” 测量21 。 如 温度、 加 速 度、 压 力或 很多化学参数的测量，这些属于 “ 点”测量.另外利用光纤自身的长度，传感 器还可以 设计成为沿着光纤空间 位置的 不同 进行测量， 称为分布式传感。 这种 方式被广泛地应用于温度测量， 其利用光纤中的非线性效应，如布里渊或喇曼 散射。还有一种是 “ 介于”两者之间的，被成为 “ 准分布式”的光纤传感器. 1 . 1 . 2 光纤传感器的特点 与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点: 1 、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。2 、灵敏度高。3 、重量轻、 体积小、可绕曲。4 、测量对象广泛。5 、 对被测介质影响小。 6 、便于复用，便 于成网。7 、成本低。 1 . 1 . 3 光纤传感器的应用 13 - 2 5 1 光纤传感器与其他传感器相比，在位移、压力、 速度、温度、 振动、液位、 角度以及电磁参数等的测量方面具有独特的优点，应用领域相当广泛。它的应 用领域由 最初的国防军事、 航天航空迅速向 冶造工业、能源工业、医学、生产 过程控制、无损检测、复合材料、 环保检测和逆向工程等民 用领域或部门迅速 扩展。随着光纤传感器成本的不断降低、性能不断提高，它将在未来的信息化 社会中占有重要地位。 光纤传感器的应用范围很广，可以安全有效地在恶劣环境中使用，主要具 第 一章引言 体表现在以下几个方面: 1 、在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机 的定 子、转子温度检测等。由于电类传感器易 受电 磁场的千扰，无法在这些场 合中使用，只能用光纤传感器。 2 、 水利工程上光纤 传感器用于应力监测中 。 3 、 在石油 化工系统、 矿井等，需 要检测 氧气、碳氢 化合物、c o 等气体， 采 用电 类传感器不但达不到 要求的精度， 更严重的 是会引起安全事故。光纤气敏 传感器， 可以 安全有效地实 现上述检测。 4 、光纤传感器应用于智能结构中的测量。 5 、光纤陀螺及惯性导航系统。 6 、新兴起的光纤层 析成像分析技术， 可用 于医 疗、 矿探 等领域。 根据不同 的原理和应用场合，可将 光纤层析成像分 析技术分为光 相干层析成像分析技术 ( o c t )和光过程层析成像分析技术 ( o p t )。 第二节本论文主要研究内 容 光纤具有电绝缘性能 好、不受电 磁干扰、无火花、能 在易 燃易 爆的环境中 使用等优点 而越来越受到 人们的 重视， 各种光纤传感器已 相继问 世。其中微弯 光纤传感器是一种重要的光纤传感器。自 1 9 8 0 年， i n . f i e l d s 和j . h . c o l e 首次 提出 光纤微弯传感器原理以 来， 光纤微弯传感器就由 于结 构简单、 成本低廉、 便于装备等优点倍受人 们关注。 光纤微弯传感器最早用 于美国 海军研究所研制 的光纤水听器系统中。之后，光纤微弯调制原理的应用扩展到位移、力、加速 度等各种物理参量的 测量中。 其检测位移 分辨率可达到1 0 - n m 量级水平， 检测 动态范围达到l o o d b以上。 由于微弯传感器其光路的密闭性， 可以在高压、 高温、 低温等恶劣环境条件下 工作，弥补了 其它类型的 传感器不能在此种条件下工作 的空白。 它协助光纤光 栅的应变与温度双参量 传感器有效解决了温度与 应变的 交叉敏感问 题等等。它 还可以 制作抗干扰能力强 等特点的 光纤式质量流量计。 作为一种新型的光纤传 感器有 着良 好的发 展前 景。 实际工程结构中的振动问题是十分复杂的，如高耸建筑物、高层建筑、悬 索桥梁等在风载荷下的振动，建筑物在地震及爆炸冲击波作用下的振动等，对 以上振动的检测结果可以用来考察被研究对象是否正常工作、是否存在安全隐 第一章引言 患，以便对原计算、设计和施工进行评价.振动的检测早期采用的是机械式的 传感器，其测量范围非常窄，之后出现了电 磁类传感器， 其仍然存在着灵敏度 低，抗干扰能力差等缺点。光纤传感器与之相比 具有动态范围宽、灵敏度高、 抗干扰能力强等优点。 光纤光栅的研究是从h i l l 等人于 1 9 7 8 年首次观察到掺锗石英光纤的光敏 性开始的， 但是直到1 9 8 9 年m e t z 等 人成功的 用紫外侧面 曝光的方法写出 光纤 光栅之后 ( f b g ) ，才开始迅猛的发展起来， 这给光学器件家族增添了新的重要 的成员。 光纤光栅是在光纤纤芯中的折射率呈周期性分布的一种构件，它使得 在光纤中 传播的光波的传播模式发生改变，因 此可以 看成是固化在光纤中的窄 带带通 ( 带阻) 滤波器件。随着光纤光栅成栅技术的日 益成熟，它在光纤通信 和光纤传感等领域的应用也越来越广泛。 按光纤光栅的周期长短划分可以分为两种，一种是短周期布拉格光栅 ( f b g ) ，这种光栅的周期一般为零点几微米，是基于光纤中正向导模和反向导 模之间祸合的光栅，其特点是对某一特定波长的光波有很高的反射率;另一种 是长周期光纤光栅 ( l p f g ) ， 长周期光纤光栅的周期一般有几百微米，这种光纤 光栅是基于纤芯中的基模和同向传输的包层模之间祸合的光栅，这是两者的不 同之处。 长周期光纤光栅( l p f g ) 是近年来出 现的一种新型光纤无源器件， 已在e d f a 的增益平坦化、多波长激光器以 及多通道带阻滤波器方面和光纤传感等领域开 展了应用研究。由于其具有插入损耗低， 便于和其他光纤设备匹配等优点， 有 着很好的的应用前景。 综上所述，目前所有的关于微弯型光纤传感器的研究基本都是基于位移或 应力的变化，而对于振动传感方面的研究报道却基本处于空白的状态。本选题 在进行微弯位移、应力研究的基础上， 首次对微弯型振动光纤传感器传感进行 了研究。同时，对于长周期光纤光栅在传感中的应用也进行了 研究。在诸多长 周期光纤光栅研究的文献中，大都把焦点 放在纤芯基模与一阶低次包层模的祸 合。而本文，是在我们发现纤芯基模与一阶高次包层模祸合非常别于前者的前 提下开展的，其中包括有潜在应用优势的双共振峰特性的研究。文中的具体研 究内 容是在折射率改变的条件下，长周期光纤光栅纤芯基模与一阶高次包层模 祸合时其祸合波长和祸合系数以及透射谱的变化.这对于开发实现高灵敏度的 传感器有重要的意义。 第一章引言 论文结构安排: 第一章，简要介绍光纤传感器的工作原理及其特点和应用。 第二章，介绍了微弯光纤传感器的工作原理和应用。 第三章，介绍了光纤微弯传感理论。 第四章， 对光纤微弯传感进行了理论研究 和实验研究。 第五章， 对长周期光纤光栅拐点的传感特性进行了 研究. 第六章，整篇论文的总结。 第二章 微弯光纤传感器的1 _ 作原理和应用 第二章微弯光纤传感器的工作原理和应用 第一节 微弯光纤传感器的工作原理 2 . 1 . 1 工作原理和结构 微弯光纤传感器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。 它由 变形器 和敏感光纤构成， 如图 2 . 1 所示， 其中变形器通常由一对机械周期为a的齿形板组成，敏感光纤则从齿形中间穿 过，在齿形板的作用下产生周期性的弯曲。当齿形板受外部扰动时，光纤的微 弯程度随之变化，从而导致输出光功率的改变，通过测量输出光功率变化来间 接测量外部扰动的大小，从而实现微弯传感器的 功能。 上齿形板 敏感光纤 下齿形板 图2 . i 光纤微弯传感器示意图 设施加于变形器的外界扰动为a e ，相应的施加于光纤的力为 尸，光纤的 形变为x， 其相应的变化量为a x， 光纤的传输常数t， 其相应的变化量为 t . 则有12 6 1 : 一 ( a t i d a e l a x少 ( 2 . 1 . 1 ) 其中d a e = a x。 d是一个和外界扰动a e 有关的常数。 由 施加于光纤的力a f表 示，则 ( 2 . 1 . 1 )式变为 : 一 i a t ) a f ( x ， 十 丛丫 k a x ) 1) ( 2 . 1 2) 第二章 微弯光纤传感器的_ j _ 作原理和应用 其 中k ， 是 弯曲 光 纤 的 力 学 常 数，a , . y , 为 光 纤 的 横 截 面 积 和 杨 氏 模 量 ， 1 为 变 形器的长度。 变形器将外界参量的改变a e以力 厂施加于传感光纤上，即 a f ， 二a e- c ( 2 . 1 . 3 ) 其中c是外界扰动的函数。 对 应 于 压 力 传 感 ， c 和 变 形 器 的 面 积凡 成 正 比 关 系 ， 则( 2 . 1 .2 ) 式 变 为 护 at= at -a x a , a y , k f 十 寸 ( 2 . 1 . 4 ) 其 中 ” 压 “ 的 改 变 量 对 于 具 “ “ 敏 感 的 压 “ 传 感 器 来 说 _a ,y,t, 非 常 小 ， “ “ ( 2 . 1 . 4 ) 式可简化为: at之云 a 0 k at 尸( 2 . 1 . 5 ) 对应于温度传感，则 ( 2 . 1 .2 )式可简化为 a t = 竺a .i.a b ax ( 2 . 1 .6 ) 其中a.是变 形器的 热膨胀系 数， 夕 是温 度的 改 变量。 对应于加速度传感，则 ( 2 . 1 . 2 )式可简化为 a t 二 a t m k , a a 0 x尹 ( 2 . 1 . 7 ) 其 中m ， 是 变 形 器 的 质 量， 是 加 速 度 的 改 变 量 。 以 上各式中羊 头是灵敏 度系数 八x at ，其值和变形器的机械周期a 有很大的关系。 由此可以知道，对于不同的外界参量改变都有相应的传输光功率变化规律与之 对应，因此，根据变形器的结构，对这种变化规律进行测量，那么各种外界参 量就都可以被测定。 在实际的应用中， 当 位移较小时， 采用图 2 . 2 所示的螺旋管式的传感器结构。 这种结构相对于齿条式的微弯传感器结构具有更优越的特性，因为此时测量板 的位移量与光纤传输的光功率变化量基本成线性关系，这给信息的提取和处理 带来很大方便。 第二章微弯光纤传感器的r 作原理和应用 饭 女 侧 p.自， 充 纤 图2 . 2 螺旋式微弯光纤传感器 图 2 . 3 所示的 光纤微弯传 感器的结构 2 7 】 可以 弥 补传统的 光纤微弯传感器 在 智能结构上分布式传感测量复杂的不足。 具体结构是，将多模光纤按着图 3 所示 的钢丝绳轴向 缠绕，两端用特种胶粘固。这样钢丝绳中的绳股，或者绳股中的 各个钢丝就起到变形齿的作用，其微弯的机械周期a等于两钢丝或两绳股与光 纤相交的交点之间的距离。而绳股或钢丝就相当于一个连续的、很长的变形器。 当钢丝绳受轴向 应力作用而被拉伸时，光纤也被拉伸，信息从该光纤的输出光 中提取。 ( a )以相同的螺旋角按轴向缠绕( b )以 不同的螺旋角按轴向缠绕 ( c ) 1 根绳股以 相同的螺旋角按轴向 缠绕 1钢丝绳:2光纤:3钢丝; 4钢丝绳的绳股;5钢丝绳的绳股 1 . 6钢丝绳的绳股2 图2 . 3 一种新型的光纤微弯传感器结构 第二章 微弯光纤传感器的工作原理和应用 2 . 1 . 2光纤微弯传感器的关键问题 2 . 1 . 2 . 1 传感光纤 周期性 在多模光纤中， 光纤的弯曲将导致传输模之间的能量祸合，分别有:低次 模向高次 模的祸合，高次 模向 低次模的祸合， 传输模向 损耗模的 祸合， 损耗模 向 传输模的祸合。微弯曲 几乎不影响低次模与高次模之间的藕合; 传输模向 损 耗模的祸合将导致光强的削弱;由于损耗模的损耗速度非常快，损耗模向 传输 模的藕合可以忽略不计.即当多模光纤发生微弯曲的时候，随着弯曲的曲率和 长度的增大，光纤中传输的高次模将向损耗模祸合，由 此将导致光纤的微弯曲 损耗。 光 纤 传 输 理 论 证 明 【2 6 1 2 8 存 在 一 个 最 佳 的 周 期 a 。 ， 在 该 周 期 下 使 得 传 输 模 之 间出 现 完 全 祸 合 ， 此 时 微 弯曲 所 导 致的 损 耗 最 大 。 下 面 求 出 最 佳的 周 期a. 如 果我们设能使两个传播常数分别为k 和k的 模完全祸合的周期为a，则此时有: 卜* = 竺( 2 .1 .8 ) a 在同 一多 模 光 纤 中 ， 两 个 相 邻的 模气和k 、 间 的 传 输 常 数 差为 : k.,一 、 二 ( a ) 2 ( m l(0-2)/(e.z)l 口+乙l 口、 皿 l 2 _ 1 . 9 ) 式中， m为模的次数， m为光纤中传输的模的总数， a 为折射率梯度参数， a 为 光 纤 纤 芯 半 径 ， 二 j n ,2 一 ， 对于阶跃型光纤，a = 仍， 式 中 nc 为 纤 芯 折 射 率 ， n . 为 包 层 折 射 率 。 则 ( 2 . 1 .9 ) 式化简为: 2 石 ( m、 、 ， 一 k 一 a ( m j ( 2 . 1 . 1 0 ) 将( 2 . 1 . 1 0 ) 代 入( 2 . 1 .8 ) 式 我 们 得 到 最 佳 周 期a 。 为 : a 。 = f r a n o n. a. ( 2 . 1 . 1 1 ) 对于抛物线型的渐变型光纤，a二 2 ，则 ( 2 . 1 .9 )式化简为 第二章微弯光纤传感器的1 一 作原理和应用 2 a k t + l 一 k m= “ ( z . l . t 2 ) 将 ( 2 . 1 . 1 2 ) 代入 ( 2 . 1 .8 ) 式我 们得到 最 佳 的 周期a 。 为: a , = ( 2 . 1 . 1 3 ) 其中a 是 纤 芯半 径，n o 是 纤 芯 折 射率，n .a . 是 光 纤的 数 值 孔 径。 以上理论分析告诉我们，多模光纤对微弯曲的敏感性直接取决于光纤本身 的几何结构和弯曲周期。在实际使用中，对于给定的光纤， 我们总能找到一个 最佳的周期， 使得此时的弯曲 损耗最大， 表现为传感器具有最佳的灵敏度。 2 、长度依赖性 在设计微弯光纤传感器时，传感光纤的长度是一个重要的参数，它将影响 传感器的带宽和灵敏度。在优化设计中，希望微弯灵敏度与传感光纤的长度成 线 性关 系， 然而 t / a x 二 尸 ， 为 确定4 值， 引 入 损耗 t o ， 对 不同 的 传 感 光 纤 长 度1 ， 当a = a 。 时， 观 察 瑞 与 外 力a f 的 关系， 可 得 到图 2 . 4 所 示 结 果。 图 中 两 条曲 线分 别 是 对l o a n 和5 0 c m 长 的 弯曲 光 纤的 实 验结 果。 由 图 可 知， a 乱与 尸的线性关系表明对一较宽范围外的力 尸，微弯灵敏度为常数。但这种线性 只能在所有纤芯模式被同等程度激发的情况下才能得到，这一线性表明传感器 有较大的动态范围。 舀 不 .: 6 0 七 i 仆. m 扭 ! 交 目 ， 1 0 m ， 几 z 1 5 2 0 图2 . 4 传感光纤长 度、 微弯损耗和外力之间的关系 3 、多模光纤的宏弯曲损耗效应 在设计微弯光纤传感器时，宏弯曲 效应即由厘米级的光纤形变引起的光能 损失是必须加以考虑的。尽管宏弯曲 不会产生模式祸合，但宏弯曲使传导模扩 展至保护层，也产生损耗。特别是宏弯曲 消除了理想的高阶纤芯模式，而微弯 第二章微弯光纤传感器的j . 作原理和应用 灵敏度正是依赖于移去高阶纤芯模式。因此，宏弯曲会有效的减弱微弯效应， 在微弯传感器中，必须尽量避免其发生。对低吸收性保护层 ( 如硅)光纤，当 使用高吸收性油漆时，能有效减少宏弯曲 损耗。一般来说，数值孔径小的光纤， 弯曲 直径小于约4 c m时， 宏弯曲 损耗高。 梯度光纤相对来说比阶跃光纤宏弯曲 损耗高。 2 . 1 . 2 . 2 光源 从激光光源发出的相干光在多模光纤中传播时，由于模式之间的相互千涉 而产生散斑效应。散斑效应对光纤引线环境很敏感，从而产生引线噪声和使传 感器不稳定。另一方面，对非相干光源如l e d ，由 于散斑效应和由此产生的引线 噪声极小，因此可以提高传感灵敏度。 除散斑问 题外，激光二极管的本征噪声 也高于l e d 。而超辐射二极管的噪声 特性介于二者之间。只有完全不相干光源， 如 l e d 才能避免散斑问 题。 采用l e d 由于不产生散斑和具有低的本征噪声，使其在作为多模光纤光强调制传感器的 光源时性能优于激光二极管。其特性差异在低频时尤为显著，因为激光噪声是 与频率成反比的，而l e d 在频率极低时，仍保持其散粒噪声限。 2 . 1 . 2 . 3 引线 为减小噪声，传感器应具有对引线环境的不灵敏性。一方面，光纤导线引 入工作带宽中的任一强度调制都会产生附加的噪声以降低传感器性能，附加噪 声主要是由光纤微弯或宏弯曲 使高阶波导模式的强度得到调制引入的。 另一方 面， 低阶模式比高阶模式要稳定一些，因为对其模式的任何功率损耗都可由 其 他模式的功率增益来补偿。 所以为了使光纤导线引入的任一功率调制降至最小， 必须抑制高阶模式。抑制的方法可以 采用简单的通信标准光纤作为引线， 其数 值孔径远远大于传感光纤，因为传感光纤为了得到较高的灵敏度，其数值孔径 相对较低。 为减小熔接损耗，引 线和传感光 纤的 纤芯尺寸 最好相等或接近。 2 . 1 . 2 . 4 检测 微弯型传感的检测技术基本上可分为 亮场型和暗场型两种途径。前者是通 过检测纤芯中输出的光强度的变化，即“ 亮场开 信号的变化实现信号的提取; 而后者则 通过检测包层中的光信号，即从“ 暗场” 信号中获取信息。“ 暗场” 检测灵敏度、 调制度高于亮场检测的检测灵敏度和调制度。 第二章 微弯光纤传感器的工作原理和应用 亮场检测原理如图2 . 5 所示。只要在变形器前后设置模式去除器就可以将输 出光直接输给光电检测器。其基本原理:由激光源l d 产生光载波通过多模光纤 送给变形器。物理场通过变形器把作用力传递给光纤，使之产生微弯和变形， 由于光纤的变形导致辐射模的辐射增大或减小，从而实现了 对光载波强度的调 制。在变形器前后设置的模式去除器的作用是吸收和消除包层中的泄漏模，确 保有一个 “ 纯净”的亮场信号传送到光电检测器p i n , 图2 . 5 亮场检测原理图 暗场检测原理如图2 . 6 所示。在变形器后面通过包层光祸合器把包层中的 “ 暗场” 信号提取出 来并送入光检测器p i n ，其余部分与亮场检测相同。暗场检 测技术所检测的信号具有很低的光电平，因此其检测灵敏度和调制程度比 亮场 检测高的多。 模式去除器变形器包层光祸合器 激光源 光电检测器 图2 . 6 暗场检测原理图 2 . 1 . 2 . 5多路复用技术 目前至少有三种多路复用技术可应用于微弯。 第一种办法是利用一个光纤开关作为机械或集成光设备。从一条光纤路径 到另一条的开关转换允许访问者访问一个传感器或一组传感器，还可节约探测 器和光源。 第二种办法是时分多路复用。通过脉冲光源采用精确时间调配和光纤的不 等选择长度，通过光从传感器传送或反射 ( 到测定)所需时间可鉴别传感器反 应。 第三种方法是波长分割多路复用，利用祸合器或大波长独立等因素，向传 感串中注入两个或多 个波长，方法与空间多路复用类似。 第止章微弯光纤传感器的工作原理和应用 2 . 1 . 2 . 6 局限性 把微弯曲用于传感的方法中，主要问 题在于它是一个强度或振幅调制传感 器。尽管这种传感器排除了人工干涉测量方法中的复杂相位问题，但同时也产 生了接收光能的变化问题。这种能量差别可能是由于:光源温度或驱动电流变 化、设备老化、接头不严、传输两端区域对光纤引线的影响。 第二节微弯光纤传感器的应用 光纤微弯传感器采用微弯调制原理可以 进行位移、应力、温度等各种物理 量的单一参量或多参量的 测量。 最早用于美国 海军 研究所研制的光纤水听器系 统中，很快扩展到位移、力、加速度等各种物理参量测量的研究中。光纤微弯 位 移 传 感 器 的 典 型 装置 2 9 1如图 2 . 7 所 示。 微 弯 调 制 机 构 如图 2 . 1 所示。 图2 . 了 典型实验装置 图2 . 8 微弯分布式压力传感原理 结 合光时域反 射 ( 4 t d r ) 技术的 分布式光纤 应力 传感器 。 0 1 动态范围大，工程实用性好的特点。其工作原理如图2 . 8 所示。 构作为敏感元件，对光纤进行微弯应力调制， 用光时域反射 ( 测量、定位.这种传感器可广泛地用于地质、工程灾害监测。 具有灵敏度高， 利用微弯调制机 o t d r )技术进行 已有实验中实现 第三章微弯光纤传感器的工作原理和应用 了空 间分 辨率 为3 m, 测量范围 达1 k m的 报 导。 如能 提高刀d的 转 换 速率， 还可 进一步提高空间分辨率。 通过改变传感头的结构，此方法同样可以 用于位移、 温度等其他物理量的 分布式测量。只要提高该传感器的空间分辨率，就可实际应用到对飞 机机身的 金属应力的检测中，预防灾难性事故的发生。 由于微弯传感器中光纤的光路是完全密闭的，因此，在各种恶劣环境下， 仍然可以进行测量。 此种传感器不仅可以在强电磁干扰、易燃易爆等条件下测 量， 而且更加适合在腐蚀性介质及粉尘污染等恶劣条件下测量。弥补了 其他类 型的传感器不能在此种条件下工作的空白。 当微弯光纤传感器用于对高压的测量时，其测量范围己达到了 0 一 3 0 0 m p a 13 1 1 ， 非线 性度 达到了1 .5 % f s e 而 用 于 高 温的 测量， 通过 特殊材料 制 成的高温压力传感器，可以最高检测到2 1 8 m p a 的压力和对应最高4 3 0 0 c的温 度【3 2 1 ， 在2 0 - 4 3 0 0 c 范围内 ， 其最大 相差1 .2 %的 实际 测量结果。 测量 值与 标准 值仅相差0 . 5 8 %。 已 有的 研到3 3 1 表明， 在2 0 - 1 8 0 k的温度范围内， 微弯传感器表现出 对温度 的高敏感性，此时光强随温度的变化成严格的线性关系:同时还验证了 适当的 选取信号波长，既可以使得传感器更加敏感，也可以使光波长的变化对其影响 减小。因此微弯传感器在低温范围的温度监测有非常好的应用前景。 光纤 微弯传 感器 用于多 参 量的 测量也己 有 报导 3 4 13 5 1 。 一 种光纤 微 弯 协助光 纤光栅的应变与 温度双参量传感器的结构如图 29 所示， 其利用光纤微弯 机制使 应变量同时对f b g 反射光的中心波长和光强进行调制，而温度则只改变f b g 的波 长，通过检测反射信号的中心波长和峰值光强， 有效的实现了 应变和温度的同 时区分测量，有效解决了温度与应变的交叉敏感问题，而且线性响应度达到 0 . 9 9 5 。有利于在一般工程测试领域中推广使用。 使用螺旋结 构微弯传感原理，已 有制成了 位移传感器【3 6 1 、 管道形变传感器 3 7 1 、 光纤 扭角 传感器 3 8 1 等多 种 类型的 传感器的 报导。 这些传感器 也 可以 用于 其 他物理量的测量。 管道形变传感器和光纤扭角传感器采用了 如图 2 . 1 0 所示的传感 器结构， 将多 模光纤缠绕于管道或有机弹性圆 柱扭梁上， 光纤两端由 强力胶固 定在其上面，为了 增加灵敏度，事先在管道或扭梁上沿着其方向 粘贴了 一根细 金属 丝. 其中 管 道 形 变传 感 器 的 灵 敏 度 达 到了 3 .5 d 刃 ,a te ; 扭 角 传 感 器 的 测 量范 围 大于9 0 0 ， 灵敏 度达到1 d b / 1 0 。 第二章 微弯光纤传感器的f 作原理和应用 f df i i so 三于 洲 产 c o u p l e r 知m a u n d o -.曰. 厂哎 卜 椒石 、 . t、 . 卜 ， ， 一， / 口 j 碑尸 侧口 尸 /、 .、 一 二 二二丁二 _ 一 一 图 2 . 9 应变与 a度双参量传感系统的实验装置图 多模光纤金属丝 图2 . 1 0 螺旋结构光纤 传感器结构 另外， 利用微弯传感原理还可以 制造新型的 光纤式质量流量计1 3 9 1 。 其工作 原理是，将光纤微弯传感器与电磁涡流传感器相结合，利用光纤的微弯损耗特 性， 检测出 流体流经旋涡发生体时产生的 变动升力大小， 结合信号电 极测量出 涡流的频率，由 单片机计算出流体的质量流量。与其它质量流量计相比，光纤 式质量流量计具有结构简单，抗干扰能力强等特点。以 水为被测对象的实验证 明，其测量结果的相对误差在1 % 以内。 第三节小结 本章对微弯光纤传感器的工作原理、结构、关键问题以及应用情况作了简 要的介绍，为后面的理论研究和实验研究作了基础知识的铺垫，同时也对相关 的后续研究起到了抛砖引玉的作用。 第二章光纤的微弯传感理论 第三章光纤的微弯传感理论 第一节光纤的基本特性 光纤是光导纤维的简称，它是由石英、玻璃、塑料等光透射率高的电介质 制作的极细纤维。 从本质上说， 光纤是工作在光波波段的一种圆 柱状介质波导， 能将光波约束在其内部沿轴向传播。光纤的应用非常广泛，涉及光纤的理论也 非常多。 3 . 1 . 1 光纤的结构与分类14 0 7 光纤的基本结构是由两层圆柱状媒质组成，其中内 层为纤芯 ( c o r e ) ，外层 为 包 层( c la d d in g ) ， 且 纤 芯 的 折 射 率肠 比 包 层 的 折 射 率、 稍 大。 当 满 足 一 定 的 入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。实际的光纤在包层外面还有缓冲涂 覆层 ( b u f f e r c o a t i n g ) ， 涂有 硅 橡胶、 紫外 线固 化 胶或 环氧树脂等 涂 覆 材料， 其 作用是保护光纤免受外界环境污染和机械损伤。图3 . 1 是单根光纤结构简图。 山爪r c o a t i n g 图3 . 1 单根光纤结 构简图 光纤按照不同标准有不同的分类方法，如按纤芯折射率的分布可分为阶跃 折射率光纤和梯度折射率光纤:前者纤芯折射率是均匀的，在纤芯和包层的分 界面处折射率发生突变 ( 或阶跃) ;后者折射率是按一定的函数关系随光纤中心 径向距离而变化。按传输模式数量可分为单模光纤和多模光纤:只能传输一种 模式的 光纤称为单模光纤，能同 时传输多 种模式的 光纤成为多模光纤。单模光 纤和多模光纤的主要差别是纤芯的尺寸和纤芯一 包层的折射率差值。单模光纤的 纤芯直径小( 2 一 1 2 ,u m ) ， 纤芯 一 包层的 折射率差小( e = 0 .0 0 0 5 一 0 .0 1 ) ; 多 模光 第二章光纤的微弯传感理论 纤的 纤芯 直径 大 ( 5 0 - 5 0 0 p m) ， 纤芯 一 包 层的 折 射率 差也大 ( a = 0 . 0 1 一 0 .0 2 ) . 根据传输光波的偏振态，单模光纤又可进一步分为非偏振保持光纤 ( 简称非保 偏光纤)和偏振保持光纤 ( 简称保偏光纤) 。按制造材料不同，光纤可分为石英 光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、红外材料光纤和液芯光纤等。 3 . 1 . 2 光纤中光的传输原理4 0 ,4 1 ,4 2 7 光纤中光的传输原理主要是运用光线理论和波动理论来解释。光线理论基 于几何光学中光线的概念，把光抽象成射线，它是一种比较直观的分析方法， 是光传输的近似理论，只有在光波长等于零的条件才是完全正确，在分析芯径 大于光波长的光纤时与实际结果比 较接近， 但当 光纤芯径与光波长相近时则误 差较大，甚至对光纤中光传播的一些现象无法解释。而波动理论则是以麦克斯 韦方程组为基础，从光的电 磁波本质出发， 来分析光传播的规律，因而更为精 确严格。 根据麦克斯韦电磁场理论，光是一种电 磁波，光纤是一种具有特定边界条 件的光波导。在光纤中传播的光满足麦克斯韦方程组: v d= v( 3 . 1 . 1 ) v x 万 二 一 a b a t ( 3 _ 1 . 2 ) v. b=0 ( 3 . 1 . 3 ) v x 万 一 .1 十 a d 口t ( 3 . 1 . 4 ) 其中， z - 为电 场 强 度 矢 量 ，t ? 为 磁 感 应强 度 矢 量，d 为电 位 移 矢 量，万为 磁 场 强 度 矢 量 ， 7 为 传 导电 流 密 度 矢 量 ， p 为 场 中 自 由 电 荷 密 度， v 为 哈 密 顿 算 符。由此可导出描述光波传输特性的波导方程为: v 2 e + k 2 万 = 0 ( 3 . 1 . 5 ) v 2 万+ k 2 万= 0 ( 3 . 1 .6 ) 式 中k 2 二 n 2 心_ d k o s . k o 二 2 刁 a 是 真 空 中 的 波 数 ， a 是 真 空 中 的 光 波 波 长。 第二章 光纤的微弯传感理论 式 ( 3 . 1 .5 )和 ( 3 . 1 . 6 )可写为 o 2 v + k y i = 0 ( 3 . 1 . 7 ) 式 ( 3 . 1 .7 )为亥姆霍兹方程，对任何电磁波都适用。由此方程出发，加上 边界条件即可求出任意波导中的光波场分布。 对于正规光波导，即其折射率分布沿光纤的轴向